35CrMo против 42CrMo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
35CrMo и 42CrMo — это два распространенных хромомолибденовых низколегированных стали, используемых для конструктивных, силовых и инженерных компонентов. Инженеры и команды по закупкам часто сталкиваются с дилеммой выбора между двумя сталями, балансируя между прочностью, ударной вязкостью, свариваемостью, стоимостью и возможностью производства. Типичные контексты принятия решений включают выбор марки для сильно нагруженных валов или шестерен (где важны прочность и закаливаемость) против спецификации материала для сварных подсборок или компонентов, требующих более высокой ударной вязкости.
На первый взгляд, основное техническое различие заключается в их легирующем составе и содержании углерода: сталь с более высоким номером, как правило, имеет более высокое номинальное содержание углерода и легирующих элементов, что обеспечивает большую закаливаемость и прочность после закалки и отпускания, в то время как вариант с более низким содержанием углерода жертвует некоторой пиковой прочностью ради улучшенной ударной вязкости и более легкой обработке. Поскольку обе марки широко используются в аналогичных классах продукции, проектировщики сравнивают их для оптимизации термообработки, требований к сварке и жизненного цикла затрат.
1. Стандарты и обозначения
- GB/T (Китай): обе марки обычно указываются в стандартах закаленной и отпущенной стали GB/T (например, ссылки на семью GB/T 3077/GB/T 1220).
- EN (Европа): 42CrMo обычно ассоциируется с EN 42CrMo4 (EN 1.7225); эквиваленты 35CrMo существуют, но менее универсально стандартизированы в EN и часто сопоставляются с отечественными обозначениями — проверьте конкретный стандарт, указанный в заказах на покупку.
- AISI/SAE: 42CrMo обычно считается эквивалентом семейства 41xx (в частности, AISI 4140) во многих промышленных контекстах; 35CrMo примерно аналогичен более низкоуглеродным вариантам 41xx, но проверьте спецификации перед заменой.
- JIS: Японские марки JIS для сталей Cr–Mo имеют аналогичные семейства (например, серия SCM); требуется перекрестная ссылка.
- Классификация: обе марки являются низколегированными закаленными и отпущенными сталями (не нержавеющими, не инструментальными и не HSLA в современном смысле). Они используются там, где легирование и термообработка обеспечивают более высокую прочность и ударную вязкость, чем обычные углеродные стали.
2. Химический состав и стратегия легирования
Типичные диапазоны состава варьируются в зависимости от стандарта и поставщика; таблица ниже показывает обычно упоминаемые приблизительные диапазоны. Всегда используйте сертификат материала покупателя или указанный стандарт для закупок.
| Элемент | Типичный диапазон — 35CrMo (прибл.) | Типичный диапазон — 42CrMo (прибл.) |
|---|---|---|
| C | 0.32–0.40 мас% | 0.38–0.45 мас% |
| Mn | 0.50–0.80 мас% | 0.50–0.80 мас% |
| Si | 0.17–0.37 мас% | 0.17–0.37 мас% |
| P | ≤0.035 мас% (макс) | ≤0.035 мас% (макс) |
| S | ≤0.035 мас% (макс) | ≤0.035 мас% (макс) |
| Cr | ~0.6–1.0 мас% | ~0.9–1.2 мас% |
| Mo | ~0.15–0.25 мас% | ~0.15–0.25 мас% |
| Ni | обычно ≤0.30 мас% (часто не добавляется) | обычно ≤0.30 мас% (часто не добавляется) |
| V, Nb, Ti, B, N | следы или отсутствуют; зависит от версии микроалюминирования | следы или отсутствуют; зависит от версии микроалюминирования |
Примечания: - Значения являются приблизительными диапазонами, используемыми в обычной промышленной практике; точные пределы берутся из применимого стандарта или сертификата завода. - 42CrMo обычно имеет более высокое номинальное содержание углерода и немного более высокое содержание хрома, что увеличивает закаливаемость и потенциал для более высоких прочностей после отпуска. Содержание молибдена в обеих марках направлено на увеличение закаливаемости и сопротивления отпуску; небольшие различия в проценте Mo могут влиять на закалку и сопротивление отпуску в зависимости от размера сечения.
Эффекты легирования: - Углерод в основном контролирует закаливаемость и предельную прочность, но снижает свариваемость и пластичность при увеличении. - Хром и молибден увеличивают закаливаемость и прочность при температуре, улучшают износостойкость и помогают сопротивлению отпуску. - Марганец и кремний действуют как деоксидизаторы и умеренно способствуют закаливаемости и прочности. - Элементы микроалюминирования (V, Nb, Ti) могут присутствовать в низких ppm для улучшения размера зерна и повышения ударной вязкости; они не являются основными для различий в марках, обсуждаемых здесь.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Типичные микроструктуры:
- В отожженных или нормализованных условиях обе марки имеют структуру феррит–перлит или мелкий перлит. После закалки обе формируют мартенсит (или мартенсит + bainite в зависимости от скорости охлаждения и размера сечения). Отпуск приводит к образованию отпущенного мартенсита с карбидами.
- Поведение при термообработке:
- 42CrMo, с более высоким содержанием углерода и немного более высоким содержанием Cr и часто аналогичным Mo, демонстрирует большую закаливаемость: он легче образует мартенсит через более толстые сечения по сравнению с 35CrMo при одинаковой жесткости закалки.
- 35CrMo, с более низким базовым содержанием углерода, дает немного более мелкие и прочные отпущенные микроструктуры при сопоставимых температурах отпуска; его более низкая закаливаемость снижает риск образования неотпущенного мартенсита в больших зонах термического влияния сварки, но может ограничить достижимую прочность в очень толстых сечениях.
- Маршруты обработки:
- Нормализация улучшает однородность заготовок после ковки и создает однородную начальную микроструктуру для последующей закалки.
- Закалка и отпуск — это общий путь для получения высокой прочности и хорошей ударной вязкости; температура отпуска контролирует баланс прочности и ударной вязкости.
- Термо-механическая обработка может дополнительно улучшить размер зерна и повысить ударную вязкость для обеих марок; эффект часто более выражен в марке с низким содержанием углерода.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно зависят от термообработки, размера сечения и целей отпуска. Таблица ниже обобщает относительную производительность и типичное поведение, а не абсолютные сертифицированные значения; для закупок полагайтесь на отчет о испытаниях завода и указанные условия термообработки.
| Свойство | 35CrMo (типичное поведение) | 42CrMo (типичное поведение) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению | Умеренная до высокой после закалки и отпуска; как правило, ниже, чем у 42CrMo при эквивалентном отпуске | Более высокая достигаемая прочность на растяжение благодаря более высокому содержанию углерода/закаливаемости |
| Устойчивость к текучести | Умеренная; хорошее соотношение текучести/растяжения при правильном отпуске | Более высокая текучесть в аналогичных состояниях термообработки |
| Удлинение (пластичность) | Немного лучшая пластичность и удлинение при сопоставимых уровнях прочности | Немного сниженное удлинение при том же уровне прочности |
| Ударная вязкость | Как правило, лучшая вязкость для данной прочности из-за более низкого содержания углерода и более мелкой отпущенной микроструктуры | Все еще хорошая вязкость при правильном отпуске, но, как правило, ниже, чем у 35CrMo при том же уровне прочности |
| Твердость (HRC или HV) | Достижимая твердость ниже для того же графика закалки/отпуска; легче достичь пластичной отпущенной твердости | Достижимая более высокая твердость; более чувствительна к жесткости закалки и размеру сечения |
Интерпретация: - Для одной и той же целевой твердости или прочности на растяжение 42CrMo, как правило, требует более осторожного предварительного нагрева и PWHT для сварки и может иметь более высокие остаточные напряжения и риск хрупких микроструктур без соответствующей обработки. - 35CrMo обеспечивает более прощающее компромиссное решение между прочностью и ударной вязкостью в сварных или многосоставных сборках, особенно когда глубокая закалка не требуется.
5. Свариваемость
Свариваемость в значительной степени зависит от содержания углерода, легирования, которое увеличивает закаливаемость, и уровней примесей. Общие индексы помогают предсказать предварительный нагрев и контроль промежуточных проходов:
-
Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Международная формула 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: - Более высокий $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ указывает на большую предрасположенность к образованию жесткого, хрупкого мартенсита в зоне термического влияния сварки, что требует предварительного нагрева, контролируемых промежуточных температур или постсварочной термообработки (PWHT). - Поскольку 42CrMo обычно имеет более высокое содержание углерода и немного более высокий Cr, его расчетный эквивалент углерода обычно выше, чем у 35CrMo, что означает, что требуются более строгие контрольные меры при сварке. - 35CrMo, как правило, легче сваривать, с более низкими требованиями к предварительному нагреву/PWHT для аналогичных размеров сечений, но квалификация сварочной процедуры все равно необходима для критических приложений.
6. Коррозия и защита поверхности
- Это не нержавеющие легированные стали; коррозионная стойкость ограничена по сравнению с нержавеющими марками.
- Общие защиты:
- Горячее цинкование для защиты от атмосферной коррозии, где это приемлемо.
- Покрытия преобразования (например, фосфатирование) и краска или порошковые покрытия для защиты от окружающей среды.
- Масло или воск для временной защиты обработанных поверхностей.
- PREN (эквивалентный номер устойчивости к питтингу) является индексом нержавеющей стали и не применим к углеродным сталям Cr–Mo. Для справки, формула PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ но она не актуальна здесь, поскольку ни 35CrMo, ни 42CrMo не являются нержавеющими сталями.
- В условиях эксплуатации, где требуется активная защита от коррозии (морская, химическая), рассмотрите защитные покрытия или коррозионно-стойкий сплав.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- Обе марки хорошо обрабатываются в отожженном или нормализованном состоянии; повышенное содержание углерода и предшествующая закалка снижают обрабатываемость.
- 42CrMo в закаленном/отпущенном состоянии будет сложнее обрабатывать, чем отожженный 35CrMo.
- Формуемость и гибкость:
- Формование лучше всего выполнять в отожженном состоянии. Более низкий углерод 35CrMo немного легче поддается холодной формовке без трещин.
- Деформация при термообработке:
- 42CrMo более подвержен деформации при закалке и риску трещин в сложных геометриях из-за более высокой закаливаемости и внутренних напряжений после закалки.
- Обработка поверхности:
- Обе марки хорошо переносят типичные операции финишной обработки (шлифовка, доводка, дробеструйная обработка) при правильной термообработке; внимание к управлению остаточными напряжениями важно для компонентов на усталость.
8. Типичные применения
| 35CrMo — Типичные применения | 42CrMo — Типичные применения |
|---|---|
| Валы средней нагрузки, шестерни, конструктивные кованые детали, сварные сборки, требующие хорошей ударной вязкости и разумной прочности | Валы высокой нагрузки, коленчатые валы, сильно нагруженные шестерни, гидравлические цилиндры, оси с высоким напряжением и механические детали, требующие высокой закаливаемости |
| Гайки, болты и крепеж, где требуется некоторая свариваемость | Компоненты, подвергающиеся высоким крутящим или изгибным напряжениям и где требуется глубокая закалка сечения |
| Компоненты машин с частыми сварочными или ремонтными операциями | Крупные закаленные компоненты, где требуются высокие свойства сечения после закалки и отпуска |
Обоснование выбора: - Выбирайте вариант с низким содержанием углерода (35CrMo), когда приоритетами являются свариваемость, ударная вязкость и усталостная стойкость в сварных конструкциях, и когда экстремальная пиковая прочность не является необходимой. - Выбирайте 42CrMo, когда максимальная прочность, износостойкость и способность закаливаться через толстые сечения являются ключевыми факторами проектирования.
9. Стоимость и доступность
- Доступность: обе марки широко доступны в виде прутков, кованых изделий, плит и бесшовных труб от крупных заводов. 42CrMo (семейство AISI 4140) является одной из более распространенных легированных сталей в мире.
- Относительная стоимость: 42CrMo может быть немного дороже, чем 35CrMo из-за более высокого содержания углерода/легирующих элементов и более высокого спроса на высокопрочные применения. Фактические ценовые различия зависят от рыночных условий, формы и состояния термообработки.
- Сроки поставки: специальные термообработки, индивидуальные химические составы или сертификация (например, НК, PMI, специфические испытания завода) увеличат сроки поставки для любой марки.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | 35CrMo | 42CrMo |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (более прощающее) | Более требовательное (возможно, более высокий предварительный нагрев/PWHT) |
| Баланс прочности и ударной вязкости | Хорошая ударная вязкость при умеренной прочности | Более высокая пиковая прочность и твердость; ударная вязкость при той же прочности ниже |
| Стоимость | Как правило, ниже или сопоставимо | Немного выше на многих рынках |
Рекомендации: - Выбирайте 35CrMo, если вам нужен сбалансированный материал с хорошей ударной вязкостью и более легкой обработкой/сваркой, для компонентов, которые будут сварены, отремонтированы или требуют лучшей пластичности и усталостной стойкости при умеренных уровнях прочности. - Выбирайте 42CrMo, если ваш проект приоритизирует максимальную прочность после закалки и отпуска, износостойкость и глубокую закаливаемость сечений для тяжелонагруженных валов, шестерен или крупных сечений, где достижение и сохранение высокой прочности после отпуска критично.
Заключительная заметка: всегда указывайте полные условия покупки (химический стандарт, требования к термообработке, цели по твердости/прочности на растяжение и требования к сварке/PWHT) и запрашивайте сертификаты испытаний завода. Различия между поставщиками и выбранным маршрутом термообработки обычно оказывают большее практическое влияние на производительность детали, чем небольшие номинальные различия в составе между этими двумя распространенными легированными сталями Cr–Mo.