30CrMo против 35CrMo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
30CrMo и 35CrMo — две широко используемые среднеуглеродистые низколегированные стали, описанные в региональных и национальных стандартах для компонентов, требующих баланса прочности, вязкости и сохранения вязкости после термообработки. Инженерам, менеджерам по закупкам и планировщикам производства часто приходится выбирать между марками с немного меньшим содержанием углерода и большей пластичностью и марками с чуть более высоким содержанием углерода и повышенной прочностью — совмещая обрабатываемость и свариваемость с достижимой прочностью и ресурсом по усталости.
Основное техническое различие между этими двумя марками заключается в небольшом расхождении по содержанию углерода и легирующих элементов, что влияет на закаливаемость и окончательную прочность: семья 35CrMo обычно характеризуется более высоким содержанием углерода при схожем уровне хрома и молибдена, что обеспечивает большую прочность после закалки и высокую закаливаемость, но как правило снижает пластичность и предъявляет более жесткие требования к сварке. За счет близких химических составов эти стали часто сравнивают при выборе материалов для валов, зубчатых колес, осей и поковок, где важны термообработка и усталостные характеристики.
1. Стандарты и обозначения
- Общие или релевантные стандарты и системы обозначений с эквивалентами или похожими марками:
- GB/T (китайские национальные стандарты): 30CrMo, 35CrMo.
- EN / DIN: 35CrMo4 (часто обозначается как 1.7225) и родственные марки; аналоги 30CrMo встречаются в региональных спецификациях.
- AISI/SAE: точных аналогов нет, однако по механическим свойствам часто сравниваются с марками семейства 41xx (например, 4140) для многих инженерных применений.
- JIS: сходные высокопрочные легированные стали встречаются под обозначениями SNCM/SNCM4xx.
- Классификация: и 30CrMo, и 35CrMo являются среднеуглеродистыми низколегированными сталями (не нержавеющими, не инструментальными), предназначенными для закалки с последующим отпуском или нормализации с отпуском. Они относятся к категории легированных конструкционных сталей, поддающихся термообработке, используемых для ответственных деталей машин.
2. Химический состав и стратегия легирования
Типичные диапазоны содержимого указаны в массовых процентах; точные пределы зависят от конкретного стандарта или сертификата поставщика.
| Элемент | Типичный 30CrMo (мас. %) | Типичный 35CrMo (мас. %) |
|---|---|---|
| C | 0,27 – 0,34 | 0,32 – 0,39 |
| Mn | 0,50 – 0,80 | 0,50 – 0,90 |
| Si | 0,15 – 0,35 | 0,15 – 0,35 |
| P | ≤ 0,025 – 0,035 | ≤ 0,025 – 0,035 |
| S | ≤ 0,035 | ≤ 0,035 |
| Cr | 0,80 – 1,20 | 0,90 – 1,20 |
| Ni | часто ≤ 0,30 (следы) | часто ≤ 0,30 (следы) |
| Mo | 0,15 – 0,30 | 0,15 – 0,30 |
| V, Nb, Ti, B | следы до ≤ 0,05 (если микро легированная) | следы до ≤ 0,05 (если микро легированная) |
| N | следы | следы |
Стратегия легирования: - Углерод является главным фактором, определяющим достижимую прочность и твёрдость после закалки с отпуском. Более высокое содержание углерода (как в 35CrMo) повышает прочность и износостойкость, но снижает пластичность и свариваемость. - Хром и молибден увеличивают закаливаемость, сопротивляемость отпуску и прочность при высоких температурах. Они также способствуют усталостной стойкости при правильной термообработке. - Марганец и кремний выступают в роли деокислителей и укрепляют ферритно-перлитную структуру; они умеренно влияют на закаливаемость. - Микролегирующие элементы (ванадий, ниобий, титан) иногда применяются для тонкого измельчения зерна и улучшения вязкости, однако в стандартных марках 30CrMo/35CrMo они не являются основными легирующими элементами.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры и поведение стали: - В состоянии горячекатаного или нормализованного состояния обе марки формируют ферритно-перлитную структуру или тонкоотпущенный мартенсит/феррит, в зависимости от условий охлаждения и нормализации. Нормализация способствует уменьшению зерна и формированию равномерной структуры, удобной для последующей механической обработки или отпуска. - Закалка с отпуском (Q&T): обе стали обычно упрочняются путем аустенитизации (температуры зависят от толщины и стандарта), последующего закаливания в масле или воде и отпуска для достижения требуемого баланса прочности и вязкости. Поскольку у 35CrMo обычно выше содержание углерода, в закалённом состоянии у него формируется большая доля мартенсита при аналогичных режимах закалки, что делает его твёрже и прочнее после отпуска. - Термомеханическая обработка: контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение дополнительно уменьшают размер зерна и улучшают вязкость; обе марки выигрывают от этого, но 30CrMo можно оптимизировать для лучшей пластичности, а 35CrMo — для большей прочности и ресурса по усталости. - Контроль размера зерна и правильный отпуск критичны для вязкости. Перезапуск отпуска снижает прочность, а недостаточный отпуск ведет к хрупкости.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно зависят от термообработки, размера сечения и практики поставщика. В таблице приведены типичные диапазоны свойств после стандартного режима закалки с отпуском, применяемого для высокопрочных деталей.
| Свойство (типичные диапазоны Q&T) | 30CrMo | 35CrMo |
|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву (MPa) | 800 – 1 050 | 850 – 1 200 |
| Предел текучести (MPa) | 600 – 900 | 650 – 1 000 |
| Относительное удлинение (%), A5 | 10 – 16 | 8 – 14 |
| Ударная вязкость по Шарпи (Дж, комнатная температура) | 30 – 70 (в зависимости от отпуска) | 25 – 60 |
| Твёрдость (HRC) | 22 – 36 | 25 – 40 |
Интерпретация: - 35CrMo обычно достигает более высоких значений временного и предела текучести, а также большей твёрдости при сопоставимой термообработке благодаря более высокому содержанию углерода и схожему уровню Cr/Mo, что повышает закаливаемость. - 30CrMo, как правило, немного вязче и пластичнее при равных уровнях прочности, что делает его предпочтительным там, где важна энергоёмкость поглощения и ковкость. - Ударная вязкость может регулироваться отпуском: более низкие температуры отпуска увеличивают прочность, но снижают ударную вязкость.
5. Свариваемость
Свариваемость в основном определяется эквивалентом углерода и содержанием элементов, повышающих закаливаемость. Типичные индексы:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$
и
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Поскольку у 35CrMo обычно содержание углерода выше, его значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ будут больше, что указывает на повышенную склонность к холодным трещинам и необходимость предварительного подогрева, контроля температуры межслойного промежутка и последующей термообработки после сварки (ППТ). - 30CrMo обладает лучшей свариваемостью по сравнению с 35CrMo, но для толстых сечений или высоких напряжений также часто требуется предварительный подогрев и контролируемые режимы сварки. - Для обеих марок в ответственных конструкциях обычно применяют сварочные материалы с сопоставимыми или повышенными механическими свойствами, отпуск для снятия остаточных напряжений и процедуры управления водородом.
6. Коррозионная стойкость и защита поверхности
- Ни 30CrMo, ни 35CrMo не являются нержавеющими сталями; коррозионная стойкость сопоставима с углеродистыми и низколегированными сталями и зависит от качества поверхности и условий эксплуатации.
- Типичные методы защиты: окраска, порошковое покрытие, покрытия на основе растворителей, горячее цинкование или локальное гальваническое покрытие в зависимости от воздействия. Для долговременного использования во влажной или агрессивной атмосфере рекомендуется цинкование или нанесение барьерных покрытий.
- Показатель PREN (эквивалент стойкости к питтинговой коррозии) не применяется к этим не нержавеющим сталям. Для нержавеющих марок используется формула:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
но для 30CrMo/35CrMo этот показатель не имеет смысла.
7.
8. Типичные области применения
| 30CrMo — Типичные применения | 35CrMo — Типичные применения |
|---|---|
| Валы, шпиндели, средненагруженные передачи, шатунные палочки, крепёжные элементы, где приоритетами являются вязкость и удобство механической обработки | Валы для тяжёлых условий эксплуатации, зубчатые колёса, оси, коленчатые валы, детали машин с высокой усталостной нагрузкой, требующие повышенной прочности и закаливаемости |
| Кованные детали, где хорошая пластичность важна для формовки | Детали для тяжёлой техники и внедорожного оборудования, для которых требуется высокая закаливаемость при больших сечениях |
| Детали, требующие сварки с умеренным контролем подогрева | Высокопрочные детали после закалки и отпуска, где основными проектными параметрами являются прочность и усталостная долговечность |
Обоснование выбора: - Выбирайте 30CrMo, когда необходим баланс между прочностью и вязкостью, а также проще обработка и сварка, при умеренных размерах сечения детали. - Выбирайте 35CrMo, когда требуются большая прочность, более глубокая закаливаемость для крупных сечений и улучшенная усталостная стойкость, при условии возможности обеспечения строгих правил сварки и изготовления.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 35CrMo обычно стоит немного дороже, чем 30CrMo, из-за слегка повышенного содержания углерода и легирующих элементов, а также потому, что спецификации для высокопрочных вариантов требуют более строгого контроля. Разница в цене обычно незначительна по сравнению с общей стоимостью изделия.
- Доступность: Обе марки широко доступны в виде прутков, кругляка и кованых заготовок у основных производителей и поставщиков. 35CrMo (35CrMo4 / 1.7225) — очень распространённая европейская марка; 30CrMo чаще используется на рынках с обозначениями по GB/T. Сроки поставки обычно короткие для стандартных форм продукции; специальные химические составы или премиальные размеры прутка/кусков могут потребовать более длительного срока доставки.
10. Резюме и рекомендации
| Критерии | 30CrMo | 35CrMo |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (ниже CE) | Более требовательна (выше CE, требуется подогрев/низкотемпературный отпуск) |
| Баланс прочность – вязкость | Сбалансирован — хорошая вязкость при умеренной прочности | Повышенная прочность и закаливаемость, немного ниже пластичность и вязкость при одинаковом отпуске |
| Стоимость | Ниже / экономичнее | Чуть выше |
Выбирайте 30CrMo, если: - Необходим сбалансированный комплекс прочности и вязкости с лучшей обрабатываемостью и более простыми технологиями сварки. - Размеры деталей умеренные, предпочтительны более простые режимы отпуска и формовки. - Важны экономичность и простота изготовления.
Выбирайте 35CrMo, если: - В конструктивных требованиях приоритет отдается повышенной прочности на разрыв/пределу текучести, глубокой закаливаемости крупных сечений или увеличенной усталостной долговечности. - Возможно обеспечение строгих режимов сварки (подогрев, контроль межслойного нагрева, низкотемпературный отпуск) и точного контроля термообработки. - Применение включает тяжёлонагруженные валы, оси или высоконагруженные зубчатые колёса, где решающей является повышенная прочность в закалённом состоянии.
Заключительное замечание: точные характеристики зависят от выбранного стандарта, конкретных химических лимитов поставщика и режима термообработки. Для ответственных деталей обязательно указывайте в заказе требуемые механические свойства, критерии контроля (твёрдость, ударная вязкость, микроструктура) и квалификацию сварочных процедур, а также сотрудничайте с технологами термообработки и сварки на ранних этапах проектирования для выбора правильной марки и технологического регламента.