35CrMo против 30CrMo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры и специалисты по закупкам регулярно принимают решения между аналогичными легированными сталями, балансируя между прочностью, вязкостью, свариваемостью и стоимостью. 30CrMo и 35CrMo — это две часто указываемые низколегированные, среднеуглеродистые стали, используемые для механических компонентов, где важны прочность и усталостная стойкость. Типичные контексты принятия решений включают выбор между немного более высокой прочностью после закалки и лучшей свариваемостью и пластичностью, или при указании температурных режимов термообработки для деталей, таких как валы, шестерни и высоконагруженные крепежные элементы.
Основное практическое различие между этими двумя марками заключается в их относительном содержании углерода/легирующих элементов: 35CrMo указывается с несколько более высоким содержанием углерода (и часто с немного более высокими легирующими добавками), чем 30CrMo. Это различие смещает баланс в сторону более высокой достижимой прочности и твердости в 35CrMo после закалки и отпускания, в то время как 30CrMo, как правило, предлагает более легкую обработку, улучшенную свариваемость и большую пластичность при эквивалентных термообработках.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты, в которых встречаются эти названия:
- GB (Китай): 30CrMo, 35CrMo (типичная китайская система обозначений)
- EN / ISO: существуют сопоставимые материалы (например, стали Cr–Mo, такие как 34CrMo4, 42CrMo4), но прямая эквивалентность требует проверки пределов состава и таблиц механических свойств в соответствующем стандарте.
- ASTM / ASME: серии AISI/SAE (например, семейство 4130) часто упоминаются как функциональные аналоги для инженерного выбора; точная взаимозаменяемость требует проверки.
- JIS: существуют аналогичные марки Cr–Mo; подтвердите соответствие химическим/микроструктурным требованиям.
- Классификация: как 30CrMo, так и 35CrMo являются среднеуглеродистыми, низколегированными сталями, используемыми в качестве легированных конструкционных сталей (не нержавеющие, не инструментальные и не HSLA в современном понимании). Они предназначены для прочности и закаливаемости через термообработку (нормализация, закалка и отпуск).
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: типичные диапазоны состава (вес. %, ориентировочно). Фактические значения зависят от поставщика и действующего стандарта — рассматривайте их как репрезентативные диапазоны для инженерного сравнения, а не как спецификации для закупок.
| Элемент | 30CrMo (типичные диапазоны, вес%) | 35CrMo (типичные диапазоны, вес%) |
|---|---|---|
| C | 0.26 – 0.34 | 0.30 – 0.40 |
| Mn | 0.40 – 0.80 | 0.45 – 0.85 |
| Si | 0.15 – 0.40 | 0.15 – 0.40 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.80 – 1.20 | 0.80 – 1.30 |
| Ni | ≤ 0.30 (обычно очень низкое) | ≤ 0.30 (обычно очень низкое) |
| Mo | 0.12 – 0.30 | 0.12 – 0.30 |
| V | следы / по желанию | следы / по желанию |
| Nb | следы / по желанию | следы / по желанию |
| Ti | следы / по желанию | следы / по желанию |
| B | следы (редко) | следы (редко) |
| N | остаточный | остаточный |
Как легирование влияет на производительность - Углерод: основной контроллер прочности и закаливаемости. Немного более высокий углерод в 35CrMo повышает достижимую твердость и прочность на растяжение после закалки и отпуска, но снижает пластичность и свариваемость, если эквивалент углерода повышается. - Хром и молибден: улучшают закаливаемость и стойкость к отпуску; обе марки полагаются на Cr и Mo для достижения механических свойств по всей толщине в больших сечениях. - Марганец и кремний: усиливают как деоксидаторы и способствуют закаливаемости. - Микролегирующие элементы (V, Nb, Ti) могут встречаться в микролегированных вариантах для уточнения размера зерна и улучшения вязкости, но не являются обязательными в основных обозначениях 30/35CrMo.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры - В нормализованном состоянии обе марки показывают смесь феррита и перлита с размерами зерен, определяемыми горячей обработкой и охлаждением. Нормализация улучшает обрабатываемость и вязкость. - После закалки и отпуска обе развивают закаленный мартенсит (или байнитный/отпущенный байнит в зависимости от скорости охлаждения и размера сечения). Более высокий углерод в 35CrMo способствует более высокой доле твердых мартенситов для данной закалки, повышая прочность и твердость. - Термомеханическая обработка (контролируемая прокатка), за которой следует ускоренное охлаждение, может привести к более тонким байнитным/отпущенным мартенситным структурам, которые обеспечивают отличные сочетания прочности и вязкости.
Ответы на термообработку - Нормализация: уточняет структуру после прокатки, улучшает обрабатываемость и подготавливает к закалке. - Закалка и отпуск (Q&T): основной путь для достижения проектной прочности. Обе марки реагируют предсказуемо — 35CrMo, как правило, достигает более высокой прочности после отпуска за счет несколько более низкой удлиняемости и потенциально сниженной ударной вязкости, если неправильно отпущен. - Отпуск: необходим для снижения хрупкости закаленного мартенсита. 35CrMo часто требует немного других графиков отпуска для сохранения вязкости при достижении целевой прочности.
4. Механические свойства
Таблица: ориентировочные механические свойства после представительной обработки закалки и отпуска (инженер должен подтвердить фактические спецификации и термообработку).
| Свойство | 30CrMo (ориентировочно) | 35CrMo (ориентировочно) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | ~700 – 1000 | ~800 – 1100 |
| Предельная прочность (МПа) | ~520 – 850 | ~600 – 950 |
| Удлинение (%) | ~12 – 20 | ~8 – 16 |
| Ударная вязкость по Шарпи (Дж) | ~30 – 80 (варьируется в зависимости от отпуска и толщины) | ~20 – 70 (чувствительно к термообработке) |
| Твердость (HB) | ~200 – 360 | ~240 – 380 |
Интерпретация - Прочность: 35CrMo, как правило, способна на более высокие прочности на растяжение и предельные прочности при сопоставимых циклах закалки и отпуска благодаря более высокому содержанию углерода и аналогичной закаливаемости Cr/Mo. - Вязкость и пластичность: 30CrMo обычно демонстрирует большее удлинение и может быть более вязкой в переходных условиях, особенно если применяются тщательный отпуск и контроль зерна. - Фактический баланс прочности и вязкости сильно зависит от размера сечения, скорости охлаждения и отпуска; спецификация должна определять эти параметры.
5. Свариваемость
Свариваемость легированных сталей зависит от углерода и легирования — качественно обобщена с использованием принятых выражений эквивалента углерода.
Полезные формулы для оценки: - Эквивалент углерода (форма IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Международный Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация - 35CrMo, с его более высоким содержанием углерода, будет иметь более высокий $CE_{IIW}$ / $P_{cm}$, чем 30CrMo при аналогичных уровнях Cr/Mo и, следовательно, более требовательна к сварке. Более высокий CE предполагает повышенный риск образования твердых, хрупких термически измененных зон (HAZ) и холодных трещин, если не принять меры. - Практические меры контроля сварки: предварительный подогрев, контролируемая температура межпроходного шва, использование соответствующих или избыточных filler metals и термообработка после сварки (PWHT) чаще требуются для 35CrMo, особенно в более толстых сечениях. 30CrMo часто допускает менее строгий предварительный подогрев и может быть сварен более легко с использованием стандартных Cr–Mo сварочных прутков, хотя PWHT все еще рекомендуется для несущих компонентов. - Для обеих марок следуйте соответствующим спецификациям сварочных процедур (WPS) и подтверждайте через PWHT и проверки твердости в HAZ.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни 30CrMo, ни 35CrMo не являются нержавеющими сплавами; коррозионная стойкость аналогична углеродной стали и зависит от отделки поверхности и окружающей среды.
- Типичные методы защиты:
- Горячее цинкование для общей атмосферной защиты (проверьте, как цинкование влияет на размерные допуски и критически важные для усталости поверхности).
- Органические покрытия: грунтовки, краски и порошковые покрытия для промышленных условий.
- Специализированное покрытие (например, кадмий, цинк-никель) для конкретных функциональных требований или тонких компонентов.
- Индексы нержавеющих сталей, такие как PREN, не применимы к этим низколегированным сталям Cr–Mo, поскольку они не являются коррозионно-стойкими нержавеющими марками. Для справки, PREN определяется как: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ но это имеет смысл только для нержавеющих сталей, содержащих значительное количество Cr и N. Для легированных сталей Cr–Mo снижение коррозии зависит от покрытий и катодной защиты, а не от внутренней пассивности.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- 30CrMo, как правило, обрабатывается легче, чем 35CrMo в сопоставимых условиях из-за более низкого содержания углерода и более низкой твердости в нормализованном состоянии.
- Когда детали указываются в закаленном и отпущенном состоянии, обе марки труднее обрабатывать; рекомендуемая практика — проводить тяжелую обработку в нормализованном или отожженном состоянии и завершать обработку после окончательной термообработки, где это возможно.
- Формуемость:
- Холодная формовка и изгиб легче с 30CrMo. Более высокий углерод в 35CrMo снижает пластичность и увеличивает риск трещинообразования при сильной формовке.
- Когда требуется формовка, выполняйте операции до окончательной термообработки или используйте стратегии формовки при более высоких температурах.
- Отделка поверхности:
- Обе марки хорошо реагируют на стандартное шлифование и дробеструйную обработку для улучшения усталостной жизни; более высокая твердость в 35CrMo может требовать более прочного инструмента и абразивов.
8. Типичные применения
Таблица: типичные применения и обоснование выбора.
| 30CrMo — Типичные применения | 35CrMo — Типичные применения |
|---|---|
| Валы, оси, шпильки и крепеж, где требуются сочетания пластичности и прочности | Высоко нагруженные валы, коленчатые валы, тяжелонагруженные шестерни и компоненты, требующие более высокой прочности после закалки |
| Компоненты тракторов и сельского хозяйства, средненагруженные шестерни | Компоненты трансмиссий с высоким нагрузочным потенциалом, штифты тяжелой техники и детали, критичные к сдвигу |
| Структурные компоненты, где необходима гибкость сварки и обработки | Детали, где приемлема более низкая вязкость поперечного сечения в обмен на более высокую прочность и стойкость к износу |
| Компоненты, где важны стоимость и легкость ремонта/сварки | Долговечные, критичные к усталости компоненты, где приоритетом является более высокая прочность после отпуска |
Обоснование выбора - Выбирайте 30CrMo, когда проект требует более легкой сварки, большей формуемости или когда детали будут ремонтироваться на месте. Это также выгодно, когда контроль затрат важен, а требования к прочности умеренные. - Выбирайте 35CrMo, когда более высокая прочность после отпуска, стойкость к износу и усталостная выносливость при повышенных статических нагрузках являются основными факторами, и когда контролируемая сварка/PWHT возможна.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: 35CrMo, как правило, несколько дороже, чем 30CrMo из-за немного более высокого содержания легирующих (и углерода) элементов и более строгих требований к термообработке для высокопроизводительных приложений. Дополнительные затраты обычно скромные, но могут быть значительными для больших объемов.
- Доступность по форме продукта: обе марки обычно доступны в виде прутков, кованых изделий и прессованных или прокатанных секций через промышленные поставщики стали. Глубина запасов зависит от региональных сетей поставщиков; 30CrMo может быть более широко представлен в общих инженерных размерах из-за более широкого использования в ремонтируемых и сварных конструкциях.
- Совет по закупкам: указывайте химические и механические критерии приемки, требования к термообработке и любые потребности в PWHT, чтобы избежать неожиданностей и получить конкурентные предложения.
10. Резюме и рекомендации
Таблица: краткое сравнение.
| Атрибут | 30CrMo | 35CrMo |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (типичный низкий CE) | Ниже (высокий CE; требует более строгого контроля) |
| Баланс прочности и вязкости | Хорошая пластичность и вязкость с умеренной прочностью | Более высокая прочность и твердость; вязкость может быть ниже, если не правильно отпущена |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Выводы - Выбирайте 35CrMo, если вам нужна более высокая прочность после закалки и отпуска или твердость для критичных к усталости, высоконагруженных или подверженных износу компонентов, и вы можете учесть более строгие требования к сварке (предварительный подогрев, PWHT) и немного более высокую стоимость материала. - Выбирайте 30CrMo, если ваши приоритеты — лучшая свариваемость, более легкая формовка/обработка, большая пластичность, более простые полевые ремонты и более низкая стоимость при этом обеспечивая хорошую прочность после соответствующей термообработки.
Заключительная практическая заметка: всегда подтверждайте выбор марки в соответствии с точными химическими и механическими требованиями в соответствующем стандарте или чертеже. Для проектирования сварных соединений рассчитывайте эквивалент углерода для предложенного состава и консультируйтесь с вашим сварочным инженером, чтобы определить предварительный подогрев, межпроходную температуру, filler metal и PWHT для обеспечения целостности компонента.