35CrMo против 42CrMo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

35CrMo и 42CrMo — это два тесно связанных хромомолибденовых легированных сталей, используемых для конструктивных и механически нагруженных компонентов. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства регулярно взвешивают компромиссы между прочностью, вязкостью, обрабатываемостью, свариваемостью и стоимостью при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают в себя выбор между немного более высокой прочностью и износостойкостью (например, для тяжелых валов или шестерен) и более легкой обработкой и улучшенной вязкостью для динамических частей.

Ключевое металлургическое различие заключается в намеренно различном содержании углерода и соответствующей стратегии закаляемости: 42CrMo имеет более высокое содержание углерода для увеличения прочности и закаляемости, в то время как 35CrMo имеет более низкий уровень углерода и аналогичные добавки Cr–Mo для балансировки вязкости и обработки. Поскольку оба зависят от Cr и Mo как основных легирующих элементов, их часто сравнивают в конструкциях, которые требуют баланса прочности, вязкости и реакции на термообработку.

1. Стандарты и обозначения

• Общие международные обозначения:
• EN/ISO: 35CrMo4 (прибл. 1.7220), 42CrMo4 (прибл. 1.7225)
• Эквиваленты AISI/ASTM: 35CrMo ≈ некоторые марки, аналогичные семейству 4130; 42CrMo ≈ AISI 4140 (замечание: точное соответствие зависит от местных стандартов)
• GB (Китай): 35CrMo, 42CrMo (стандартные химические диапазоны)
• JIS: существуют сопоставимые стали Cr–Mo, но названия различаются (подтвердите по каталогу JIS)
• Классификация:
• Обе являются легированными сталями (стали Cr–Mo). Они не являются нержавеющими или HSLA в строгом смысле; они используются как закаленные и отпускные (Q&T) конструкционные/инженерные стали.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица показывает типичные диапазоны состава по весовым процентам для обычно специфицированных коммерческих марок. Значения представляют собой репрезентативные диапазоны, найденные в спецификациях стандартных марок; окончательный состав должен быть подтвержден в соответствии с точным стандартом или сертификатом завода.

Элемент	35CrMo (типичный диапазон, wt%)	42CrMo (типичный диапазон, wt%)
C	0.32 – 0.40	0.38 – 0.45
Mn	0.50 – 0.80	0.60 – 0.90
Si	0.17 – 0.37	0.17 – 0.37
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0.90 – 1.20	0.90 – 1.20
Ni	≤ следы	≤ следы
Mo	0.15 – 0.30	0.15 – 0.30
V	≤ следы	≤ следы
Nb	≤ следы	≤ следы
Ti	≤ следы	≤ следы
B	≤ следы	≤ следы
N	≤ следы	≤ следы

Примечания: - «Следы» обычно означает, что не добавляется намеренно; могут присутствовать только остаточные количества. - Основные преднамеренные различия в легировании — это уровни углерода и марганца; Cr и Mo схожи, поскольку они обеспечивают закаляемость, прочность и стойкость к отпуску. - Более низкий углерод в 35CrMo является частью стратегии легирования для оптимизации баланса пластичности/вязкости и свариваемости, в то время как добавки Cr–Mo поддерживают закаляемость и высокую прочность при высоких температурах.

Как легирование влияет на свойства: - Углерод увеличивает прочность и твердость, но снижает пластичность и свариваемость. - Хром увеличивает закаляемость, прочность и стойкость к отпуску; он также улучшает износостойкость. - Молибден существенно увеличивает закаляемость и стойкость к ползучести и помогает поддерживать вязкость после отпуска. - Кремний и марганец действуют как деоксидизаторы и способствуют прочности/закаливанию.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры и реакция на общие термические процессы:

• В состоянии прокатки / нормализации:
• Обе марки развивают ферритно-цементитную структуру после нормализации, при этом 42CrMo обычно демонстрирует более мелкий цементит и более высокую плотность дислокаций из-за большего содержания углерода, что приводит к более высокой прочности.
• Закаленные и отпущенные (Q&T):
• Закалка с температуры аустенитизации приводит к образованию мартенсита (и, возможно, бейнита в зависимости от скорости охлаждения); отпуск снижает хрупкость и обеспечивает заданное сочетание прочности и вязкости.
• 42CrMo, из-за более высокого содержания углерода и немного более высокой закаляемости (с Cr/Mo), может достигать более высоких предельных и текучих прочностей при эквивалентных обработках Q&T, но требует тщательно контролируемого отпуска, чтобы избежать чрезмерной хрупкости.
• 35CrMo может достигать высокой прочности с немного более высокой сохраненной вязкостью для данного режима отпуска из-за более низкого углерода.
• Термо-механическая обработка:
• Контролируемая прокатка, за которой следует соответствующая термообработка, уточняет размер зерна аустенита и может улучшить вязкость и усталостную стойкость в обеих марках. Обе стали хорошо реагируют на TMCP для улучшения комбинаций механических свойств.

Практическое применение: параметры термообработки (температура аустенитизации, среда и степень закалки, температура/время отпуска) должны быть выбраны с учетом марки стали и толщины сечения, чтобы избежать жестких, хрупких микроструктур в зоне термического влияния (HAZ) и достичь целевых механических свойств.

4. Механические свойства

Механические свойства сильно варьируются в зависимости от термообработки и размера сечения. Таблица ниже дает типичные диапазоны свойств для закаленных и отпущенных условий, обычно используемых в инженерной практике. Это репрезентативные диапазоны; указывайте точные условия термообработки и испытаний для закупки.

Свойство (типичный диапазон Q&T)	35CrMo	42CrMo
Прочность на растяжение (МПа)	Умеренная–Высокая	Высокая (выше, чем у 35CrMo)
Предельная прочность (МПа)	Умеренная	Выше
Удлинение (%, A)	Лучшая пластичность	Низкая пластичность при той же твердости
Ударная вязкость (Шарпи)	Как правило, выше при равной прочности	Как правило, ниже, если не отпущено до более низкой прочности
Твердость (HRC / HB)	Достижимый широкий диапазон в зависимости от отпуска (ниже пиковая, чем у 42CrMo)	Может достигать более высоких пиковых твердостей для износостойких частей

Интерпретация: - 42CrMo обычно является более прочной и закаливаемой из двух благодаря более высокому углероду в сочетании с Cr–Mo. Для равных циклов Q&T 42CrMo обычно будет производить более высокие прочности на растяжение и текучесть, а также более высокую твердость. - 35CrMo обычно предлагает лучшую вязкость и пластичность при сопоставимых или немного более низких уровнях прочности из-за более низкого содержания углерода. - Дизайнеры должны указывать требуемую вязкость (например, ударную энергию при температуре) и приемлемую твердость; в противном случае более углеродистый 42CrMo может непреднамеренно производить хрупкие компоненты или усложнять сварку.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит в первую очередь от углерода, эквивалента углерода (закаляемость от легирования) и толщины.

Полезные эмпирические индексы: - Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (индекс свариваемости): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - Более высокий углерод 42CrMo увеличивает $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ относительно 35CrMo, указывая на более высокую предрасположенность к образованию твердых мартенситных микроструктур в зоне термического влияния (HAZ) и больший риск холодной трещиноватости. Часто требуется предварительный подогрев, контролируемые температуры межпроходного шва и термообработка после сварки (PWHT) для более толстых сечений. - 35CrMo с более низким углеродом обычно сваривается легче и может требовать меньшего предварительного подогрева и более мягкой PWHT, что делает его предпочтительным, когда сварочная обработка является рутинной и экономичной. - Для обеих марок выбор filler metal и PWHT должен планироваться на основе толщины и условий эксплуатации, чтобы восстановить вязкость и снять остаточные напряжения.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни 35CrMo, ни 42CrMo не являются нержавеющими; коррозионная стойкость типична для низколегированных сталей и должна быть достигнута путем покрытия или поверхностной обработки для коррозионных сред.
• Типичные стратегии защиты: оцинковка, покраска, порошковое покрытие, гальванизация (цинк/никель), обшивка или применение коррозионно-стойких барьеров в сочетании с катодной защитой, если это необходимо.
• Индексы нержавеющих сталей, такие как PREN, не применимы к этим сталям Cr–Mo, но для справки формула PREN для нержавеющих сплавов: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Используйте PREN только для нержавеющих сплавов; для низколегированных сталей Cr–Mo стратегия защиты от коррозии должна основываться на ожидаемой среде (атмосферной, соляном тумане, химической) и стоимости.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: Более высокий углерод и более высокая твердость 42CrMo снижают обрабатываемость относительно 35CrMo при сопоставимых уровнях твердости. Для обработки обе стали обычно специфицируются в нормализованном или отожженном состоянии; 35CrMo может обрабатываться быстрее или обеспечивать более длительный срок службы инструмента при тех же условиях.
• Формуемость/гибкость: Более низкий углерод 35CrMo обычно имеет лучшую холодную формуемость. 42CrMo может быть сформирован при мягком отжиге, но риск пружинистости и трещин увеличивается, если твердость высокая.
• Шлифовка и отделка: Обе могут быть эффективно шлифованы и отделаны, когда поставляются в правильном состоянии. Поверхностные обработки (нитридирование, цементация) распространены для компонентов, критичных к износу.
• Сварка и контроль деформации: 35CrMo предлагает более легкую сварку и более низкую твердость HAZ; 42CrMo требует большего термического контроля, выбора filler metal и PWHT, чтобы избежать трещин и восстановить оптимальные свойства.

8. Типичные применения

35CrMo – Типичные применения	42CrMo – Типичные применения
Валы средней нагрузки, болтовые конструктивные части, шестерни средней нагрузки, кованые компоненты, требующие хорошей вязкости	Валы и оси тяжелых нагрузок, высокопрочные шестерни, коленчатые валы, соединительные штанги, штифты и шпильки высокой нагрузки
Компоненты, требующие частой сварки или сложной обработки	Компоненты, где более высокая прочность, износостойкость или высокая закаляемость являются основными факторами
Штанги гидравлических цилиндров, муфты, где приоритет отдается пластичности/вязкости	Внедорожная техника, тяжелая техника, детали трансмиссии с высоким крутящим моментом

Обоснование выбора: - Выбирайте 35CrMo, когда требуется баланс прочности и вязкости, а также более легкая обработка и сварка. - Выбирайте 42CrMo, когда требуются более высокая прочность на растяжение, износостойкость и закаляемость, и когда производственный процесс может учитывать более строгий контроль сварки и термообработки.

9. Стоимость и доступность

• Доступность: Обе марки широко доступны по всему миру в виде прутков, кованых изделий, слитков и листов. 42CrMo (семейство AISI 4140) является одной из наиболее часто запасаемых легированных сталей на многих рынках.
• Стоимость: Разница в стоимости материала обычно небольшая; 42CrMo может быть немного дороже из-за более высокого содержания углерода и иногда более строгих требований к обработке. Однако общая стоимость детали должна включать термообработку, сварку/PWHT и обработку — области, где 42CrMo может понести более высокие затраты на обработку.
• Совет по закупкам: Указывайте точную марку, требуемое состояние термообработки, механические свойства и сертификаты испытаний завода, чтобы избежать несоответствий между поставщиком и намерением дизайна.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное):

Атрибут	35CrMo	42CrMo
Свариваемость	Хорошая	Умеренная–Средняя (требует большего контроля)
Баланс прочности и вязкости	Умеренная прочность с более высокой вязкостью	Более высокая прочность, низкая пластичность при той же твердости
Стоимость (материал + обработка)	Низкая–Умеренная	Умеренная–Высокая

Рекомендации: - Выбирайте 35CrMo, если: - Деталь требует лучшей вязкости или пластичности при заданной прочности. - Ожидается частая сварка или сложная обработка без обширной PWHT. - Немного лучшая обрабатываемость и формуемость важны. - Вы нацелены на более низкие общие затраты на обработку и более легкий контроль качества для вязкости HAZ. - Выбирайте 42CrMo, если: - Более высокая прочность на растяжение, износостойкость или закаляемость для толстых сечений являются основной целью. - Деталь подвержена высоким статическим или циклическим нагрузкам, где прочность превышает удобство сварки. - Производство может поддерживать требуемый предварительный подогрев, контроль межпроходного шва и PWHT.

Заключительная заметка: Обе марки являются надежными инженерными сталями; правильный выбор зависит от конкретного случая нагрузки, требуемой вязкости, возможностей сварки и термообработки, а также ограничений по стоимости. Всегда указывайте требуемое состояние термообработки, целевые механические свойства и требования к испытаниям/инспекции в документах на закупку, чтобы гарантировать, что поставляемый материал соответствует намерению дизайна.