30CrMo против 35CrMo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
30CrMo и 35CrMo — это легированные хромом-молибденом стали, которые обычно используются для кованых или механически обработанных компонентов, требующих большей прочности и ударной вязкости, чем обычные углеродные стали. Инженеры и специалисты по закупкам обычно выбирают между ними, балансируя между усталостной прочностью и износостойкостью, с одной стороны, и возможностью производства и стоимостью, с другой — примеры включают валы, шестерни, соединительные штанги и высокопрочные крепежи.
Основная проблема выбора заключается в механических характеристиках: 35CrMo указывается для более высокой прочности после закалки и износостойкости, в то время как 30CrMo обеспечивает несколько более благоприятный баланс пластичности, ударной вязкости и свариваемости для многих применений. Эти два сорта часто сравниваются, поскольку они имеют одинаковую легирующую систему (Cr–Mo) и технологические процессы, но отличаются в основном содержанием углерода и, следовательно, достигаемой прочностью и закаливаемостью.
1. Стандарты и обозначения
- Типичные стандарты и обозначения, в которых встречаются эти сорта:
- GB/T (Китай): 30CrMo, 35CrMo (обычно используемые национальные легированные стали).
- EN: аналогичная функция серии EN 34CrMo4/42CrMo4 (сравнительные эквиваленты, не точные 1:1).
- JIS: в семье JIS есть стали хром-молибденовые, но прямые эквиваленты по названиям различаются.
- ASTM/ASME: нет прямых эквивалентов ASTM с одним номером; сопоставимые сорта можно найти в семействе AISI/SAE 4130/4140 для инженерных ссылок.
- Классификация: как 30CrMo, так и 35CrMo являются низколегированными, закаленными и отпущенными легированными сталями (не нержавеющими, не инструментальными, не HSLA в точном смысле). Они предназначены для высокой прочности и хорошей закаливаемости.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: типичные диапазоны состава (вес %). Показанные значения являются представительными диапазонами, обычно используемыми в спецификациях для этих сортов в стиле GB.
| Элемент | 30CrMo (типичный диапазон) | 35CrMo (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| C | 0.27 – 0.34 | 0.32 – 0.40 |
| Mn | 0.50 – 0.80 | 0.50 – 0.90 |
| Si | 0.17 – 0.37 | 0.17 – 0.37 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.80 – 1.10 | 0.80 – 1.10 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | 0.15 – 0.25 | 0.15 – 0.25 |
| V | — (обычно ≤ 0.05, если присутствует) | — (обычно ≤ 0.05, если присутствует) |
| Nb, Ti, B, N | следы или не указаны | следы или не указаны |
Примечания: - Большинство механических различий связано с содержанием углерода (C): 35CrMo содержит больше углерода, чем 30CrMo, что увеличивает прочность и потенциальную твердость после закалки. - Хром (Cr) и молибден (Mo) увеличивают закаливаемость, прочность при высоких температурах и стойкость к отпуску; они также улучшают сопротивление отпускному размягчению по сравнению с обычными углеродными сталями. - Кремний (Si) и марганец (Mn) способствуют прочности и дегазации; избыточный Mn увеличивает закаливаемость и влияет на свариваемость. - Элементы, такие как V, Nb или Ti, могут присутствовать в низких концентрациях в специфических вариантах для улучшения размера зерна и повышения ударной вязкости или стойкости к ползучести.
Как легирование влияет на характеристики: - Углерод повышает прочность и твердость, но снижает пластичность и свариваемость при чрезмерном увеличении. - Cr и Mo улучшают закаливаемость (позволяя сквозную закалку в больших сечениях) и стойкость к отпуску; Mo особенно важен для поддержания прочности после отпуска. - Контроль примесей (P, S) и балансировка Mn/Si имеют решающее значение для ударной вязкости и качества ковки.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - В отожженном или нормализованном состоянии оба сорта показывают смесь феррита и перлита с размером зерна, зависящим от параметров ковки и нормализации. - После закалки из аустенитного состояния оба сорта образуют мартенсит (или бейнит в зависимости от размера сечения и скорости охлаждения), при этом 35CrMo образует более высокую объемную долю неотпущенного мартенсита для данной закалки из-за более высокого содержания углерода. - Правильный отпуск преобразует мартенсит в отпущенный мартенсит (дисперсия цементита в ферритной матрице), что устанавливает окончательный баланс прочности и ударной вязкости.
Маршруты термообработки и их эффекты: - Нормализация: улучшает размер зерна, повышает механическую однородность; используется как предварительная обработка для ковки и для обеспечения однородной микроструктуры перед закалкой. - Закалка и отпуск (Q&T): основной маршрут для обеих сплавов для достижения высокой прочности. Более высокие температуры отпуска снижают твердость и увеличивают пластичность и ударную вязкость. - Термомеханическая обработка: контролируемые циклы ковки и охлаждения могут улучшить упрочнение зерна и, как следствие, ударную вязкость; обе стали выигрывают от контролируемой прокатки, за которой следует соответствующая термообработка для максимизации усталостных и ударных свойств. - Практическое значение: поскольку 35CrMo имеет более высокое содержание углерода, требуется тщательный контроль аустенитизации, жесткости закалки и отпуска, чтобы избежать чрезмерной хрупкости. 30CrMo немного более прощает в процессе термообработки, если ударная вязкость критична.
4. Механические свойства
Таблица: сравнительные механические свойства (качественные диапазоны и направления). Абсолютные значения сильно зависят от формы продукта и термообработки; таблица указывает относительное поведение, типичное после сопоставимых процессов закалки и отпуска.
| Свойство | 30CrMo | 35CrMo |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Высокая (подходит для тяжелонагруженных деталей) | Выше (больший потенциал предельной прочности) |
| Предельная прочность | Средне-высокая | Выше (при одинаковой твердости отпуска) |
| Удлинение (пластичность) | Лучшая пластичность | Сниженная пластичность по сравнению с 30CrMo |
| Ударная вязкость | Как правило, выше (при эквивалентной прочности) | Ниже, если отпуск не оптимизирован для вязкости |
| Твердость (после Q&T) | Высокая достижимая | Выше достижимая; большая закаливаемость |
Объяснение: - Более высокое содержание углерода в 35CrMo увеличивает закаливаемость и достигаемые прочность на растяжение и предельную прочность после закалки и отпуска. Это делает его предпочтительным, когда ожидаются более высокие статические или усталостные нагрузки. - 30CrMo обычно показывает лучшую пластичность и ударную вязкость на том же номинальном уровне прочности из-за более низкого содержания углерода и немного меньшей хрупкости мартенсита после закалки. - Дизайнерам необходимо выбирать параметры термообработки, чтобы соответствовать требуемой комбинации прочности и вязкости; например, отпуск при более высоких температурах восстанавливает пластичность, но снижает максимальную прочность.
5. Свариваемость
Свариваемость сильно зависит от углеродного эквивалента и закаливаемости. Для легированных сталей стандартные эмпирические формулы помогают оценить потребности в предварительном нагреве и постсварочной термообработке:
-
Общий углеродный эквивалент, используемый для сварных сборок: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Более комплексный параметр для сложных легированных смесей: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация (качественная): - Поскольку 35CrMo содержит больше углерода, его углеродный эквивалент и $P_{cm}$, как правило, будут выше, чем у 30CrMo, что указывает на большую восприимчивость к холодным трещинам и более жестким зонам термического воздействия (HAZ). - Для обоих сортов Cr и Mo способствуют закаливаемости и, следовательно, увеличивают риск закалки HAZ; Mo оказывает заметное влияние на сохраненную твердость после сварки. - Практическое руководство по сварке: предварительный нагрев, контролируемые температуры межпроходной сварки и постсварочная термообработка (PWHT) часто требуются для обоих сортов при соединении компонентов толщиной более нескольких миллиметров; требования более строгие для 35CrMo. - Когда свариваемость является основным требованием, 30CrMo или альтернативы с более низким содержанием углерода (или сварочные металлы, соответствующие вязкости) часто предпочтительнее, чтобы минимизировать требования к PWHT.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни 30CrMo, ни 35CrMo не являются нержавеющими сталями; они не обеспечивают значительной коррозионной стойкости только за счет состава.
- Типичные защиты: покраска, порошковое покрытие, грунтовки на основе растворителей и горячее цинкование (для умеренных условий). Для агрессивных условий следует использовать дополнительные барьеры (облицовки, жертвенные аноды) или коррозионные запасы.
- Если рассматриваются нержавеющие аналоги, используются коррозионные индексы, такие как PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN не применим к 30CrMo/35CrMo, поскольку они не являются нержавеющими; их уровни Cr и Mo слишком низки, и нет намеренного азота для сопротивления образованию коррозионных ям.
- Практическая заметка: упрочнение поверхности (индукция, нитрование) может быть применено осторожно, но нитрование и цементация требуют выбора основного материала и процесса, чтобы не вызвать чрезмерные искажения или не ухудшить свойства сердцевины.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: 35CrMo, как правило, немного сложнее обрабатывать в термообработанном состоянии из-за более высокой твердости; в отожженном состоянии оба сорта обрабатываются достаточно хорошо, хотя контроль стружки и срок службы инструмента зависят от уровней углерода и Mn. Рекомендуются карбидные инструменты и соответствующие скорости резания для закаленных условий.
- Формуемость/гибкость: в отожженном или нормализованном состоянии 30CrMo легче сгибать/формовать из-за более низкой прочности и большей пластичности. Холодная формовка этих легированных сталей ограничена; горячая формовка и последующая термообработка после формовки распространены для сложных форм.
- Финишная обработка: шлифовка, дробеструйная обработка и поверхностные обработки схожи для обоих сортов; необходимо обращать внимание на остаточные напряжения и искажения во время финишной обработки, особенно для 35CrMo после закалки.
8. Типичные применения
| 30CrMo — Типичные применения | 35CrMo — Типичные применения |
|---|---|
| Коленчатые валы, соединительные штанги, валы средней нагрузки, фланцы, гидравлические цилиндры | Сильно нагруженные валы, тяжелонагруженные шестерни, высокопрочные крепежи, компоненты передачи мощности |
| Компоненты, требующие баланса между ударной вязкостью и прочностью (автомобильная, машиностроение) | Компоненты, где требуется высокая статическая/усталостная прочность или износостойкость (горное дело, тяжелая техника) |
| Сварные сборки, где требуется постсварочная вязкость (при правильном предварительном нагреве/PWHT) | Детали, где сквозная закалка и высокая прочность являются основными факторами проектирования |
Обоснование выбора: - Выбирайте 30CrMo, когда проект требует хорошего компромисса между ударной вязкостью, пластичностью и обрабатываемостью с повышенной прочностью. - Выбирайте 35CrMo, когда необходима высокая прочность на растяжение и износостойкость, и когда производство может учесть более строгие процедуры термообработки и сварки.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 35CrMo, как правило, стоит немного дороже, чем 30CrMo из-за более высокого содержания углерода и иногда более строгих контролей обработки для достижения заданной вязкости. Однако различия в стоимости сырья скромные; затраты на термообработку и дополнительные сварочные контроли вносят больший вклад в общую стоимость детали для 35CrMo.
- Доступность: оба сорта обычно доступны в виде кованых изделий, прутков и слитков в регионах, где хранятся легированные стали в стиле GB. Доступность по форме продукта (прутки, кованые изделия, бесшовные трубы) варьируется в зависимости от поставщика и региона — закупка специальных вариантов с микроалюминированием или сертифицированной прослеживаемостью может увеличить время поставки.
10. Резюме и рекомендации
Таблица, обобщающая ключевые компромиссы качественно:
| Метрика | 30CrMo | 35CrMo |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (низкий CE) | Ниже (высокий CE; требуется больше PWHT) |
| Баланс прочности и вязкости | Хороший баланс; большая вязкость при сопоставимой обработке | Более высокая пиковая прочность; вязкость может быть ниже, если не отпустить должным образом |
| Стоимость (влияние обработки) | Низкий общий риск/стоимость обработки | Потенциально выше из-за более строгих контролей термообработки/сварки |
Выводы: - Выбирайте 30CrMo, если приоритетами являются долговечность с благоприятным балансом вязкости и пластичности, более легкая сварка и менее требовательный контроль термообработки. Типичные применения включают валы средней нагрузки, компоненты, требующие некоторой сварки, и детали, где важна ударная стойкость. - Выбирайте 35CrMo, если необходимы более высокая предельная и предельная прочность и увеличенная закаливаемость, и производственный план может учесть более тщательную закалку/отпуск и процедуры сварки. Типичные применения включают сильно нагруженные шестерни, высокопрочные крепежи и компоненты, подверженные более высоким требованиям усталости или износа.
Заключительный практический совет: для любого критического компонента укажите требуемое состояние термообработки, пределы твердости, требования к ударной вязкости Charpy (если применимо) и квалификацию сварочной процедуры в документе на закупку. Различия в производительности между 30CrMo и 35CrMo наиболее надежно управляются через контролируемую термообработку, проверенные сварочные процедуры и инспекцию (картирование твердости, металлографию или механические испытания), а не полагаясь только на номинальные названия сортов.