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

Введение

35CrMo и 42CrMo — это два тесно связанных хромомолибденовых легированных сталей, которые обычно используются для конструктивных и механических компонентов, где требуется баланс прочности, ударной вязкости и закаливаемости. Инженеры и закупочные группы часто сталкиваются с выбором между ними при спецификации валов, шестерен, крепежных деталей или компонентов промежуточного давления — решение, которое обменивает прочность и стойкость к износу на пластичность, ударную прочность и технологичность.

Основным отличием между этими марками является их номинальный уровень углерода и соответствующий эффект на прочность и стойкость к отпуску при повышенных рабочих температурах. Поскольку хром и молибден присутствуют в обеих марках для повышения закаливаемости и стойкости к отпуску, их поведение во время закалки и отпуска, а также их пригодность для применения при умеренных повышенных температурах являются общими причинами, по которым эти два сплава сравниваются в проектировании и производстве.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты и эквиваленты:
• GB/T (Китай): 35CrMo, 42CrMo
• EN: часто сравниваются с сталями серии EN 41xx (например, 35CrMo ≈ 1.7035/34CrMo; 42CrMo ≈ 1.7225/42CrMo4, хотя точные эквиваленты зависят от спецификации)
• AISI/SAE: приблизительные эквиваленты 35CrMo ≈ 4135, 42CrMo ≈ 4140 (примечание: прямая эквивалентность зависит от формы продукта и спецификации)
• JIS: аналогичные марки существуют в семьях JIS G4105/G4106
• Классификация:
• Обе марки являются низколегированными конструкционными сталями (легированные углеродные стали) — не нержавеющие, не HSLA в современном смысле; используются как закаливаемые легированные стали для ковки, прутков и деталей машин.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: типичные диапазоны состава (в %). Это представительные диапазоны, найденные в общих коммерческих спецификациях; всегда консультируйтесь с конкретным сертификатом завода или стандартом для закупок.

Элемент	35CrMo (типичный диапазон)	42CrMo (типичный диапазон)
C	0.30 – 0.38	0.38 – 0.45
Mn	0.50 – 0.80	0.60 – 1.00
Si	0.15 – 0.35	0.15 – 0.40
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0.80 – 1.10	0.90 – 1.20
Ni	≤ 0.30 (следы)	≤ 0.30 (следы)
Mo	0.15 – 0.30	0.15 – 0.30
V	≤ 0.05 (следы)	≤ 0.05 (следы)
Nb, Ti, B	— (возможное микроаллоирование)	— (возможное микроаллоирование)
N	≤ 0.012	≤ 0.012

Примечания: - Ключевое различие в составе — более высокий углерод в 42CrMo, который увеличивает закаливаемость, прочность и стойкость к износу, но, если не правильно предварительно нагрет и не подвергнут отпуску после сварки, может снизить пластичность и свариваемость. - Cr и Mo являются основными легирующими элементами: хром немного увеличивает закаливаемость, прочность и коррозионную стойкость; молибден улучшает закаливаемость и стойкость к отпуску (т.е. поддерживает прочность при повышенных температурах отпуска). - Следовые микроаллоирующие элементы (V, Nb, Ti) могут присутствовать в некоторых коммерческих вариантах для уточнения размера зерна и улучшения прочности без значительного увеличения углерода.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

Микроструктура: - В отожженном или нормализованном состоянии обе стали обычно состоят из феррита + перлита, при этом доля перлита увеличивается с углеродом. - После закалки из аустенитного состояния развивается мартенситная (или байнитная + мартенситная) структура, содержание остаточного аустенита зависит от скорости охлаждения и состава.

Эффекты термической обработки: - Нормализация: уточняет размер зерна, производит мелкозернистую ферритно-перлитную микроструктуру. 35CrMo обычно дает немного более мелкие, более пластичные микроструктуры при одинаковой скорости охлаждения из-за более низкого углерода. - Закалка и отпуск: обе марки хорошо реагируют. 42CrMo, с более высоким углеродом, достигает более высокой твердости и прочности на растяжение после закалки; также требует осторожного отпуска, чтобы избежать чрезмерной хрупкости. Содержание молибдена помогает обеим маркам сопротивляться размягчению при более высоких температурах отпуска (улучшенная стойкость к отпуску). - Термомеханическая обработка: контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение производят байнитные или мелкозернистые мартенситные микроструктуры с улучшенной ударной вязкостью; микроаллоирование и температура отделки важны для контроля роста зерна. - Практическое применение: для данного режима закалки и отпуска 42CrMo достигает более высокой прочности, но потребует различных графиков отпуска для балансировки ударной вязкости, особенно в условиях повышенных температур отпуска или эксплуатации.

4. Механические свойства

Таблица: типичные диапазоны механических свойств. Эти диапазоны сильно зависят от формы продукта и термической обработки; указанные значения являются представительными для нормализованных и закаленных и отпущенных (Q&T) условий, используемых в инженерной практике.

Свойство	35CrMo (нормализованный)	35CrMo (Q&T)	42CrMo (нормализованный)	42CrMo (Q&T)
Прочность на растяжение (МПа)	550 – 750	760 – 1000	600 – 800	900 – 1100
Предельная прочность (0.2% Rp0.2, МПа)	350 – 550	600 – 900	400 – 600	700 – 950
Удлинение (%)	16 – 22	10 – 16	14 – 20	8 – 14
Ударная вязкость (Charpy V-образный, Дж)	30 – 80 (норма)	20 – 60 (Q&T, зависит от отпуска)	25 – 70 (норма)	15 – 50 (Q&T, зависит от отпуска)
Твердость (HRC / HB)	20 – 26 HRC (диапазоны Q&T)	26 – 40 HRC	22 – 28 HRC	28 – 45 HRC

Интерпретация: - 42CrMo, как правило, достигает более высокой прочности на растяжение и предельной прочности после закалки и отпуска из-за более высокого содержания углерода; он также достигает более высокой твердости для стойкости к износу. - 35CrMo, как правило, предлагает более высокую пластичность и немного лучшую ударную прочность при отпуске до сопоставимых уровней прочности, что делает его предпочтительным, когда приоритетом являются ударная вязкость и стойкость к усталости. - Фактические механические свойства зависят от параметров термической обработки (температура аустенитизации, среда закалки и температура/время отпуска) и геометрии продукта.

5. Свариваемость

Свариваемость в первую очередь зависит от эквивалента углерода и содержания легирующих элементов. Два часто используемых предсказателя — это эквивалент углерода IIW и более консервативный $P_{cm}$:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - 42CrMo, с его более высоким содержанием углерода, имеет более высокий эквивалент углерода, чем 35CrMo при идентичных уровнях Cr–Mo; это приводит к более высокому риску образования твердых, хрупких зон термического влияния (HAZ) и холодных трещин, если сварка производится без предварительного нагрева и контролируемых температур межпрохода. - Обе марки содержат Cr и Mo, которые увеличивают закаливаемость; процедуры сварки обычно требуют предварительного нагрева, низкогидрогенизированных расходных материалов и термической обработки после сварки (PWHT), когда речь идет о прочности или критических приложениях. - 35CrMo сваривается легче и часто требует менее агрессивной PWHT, чем 42CrMo для эквивалентной производительности компонентов, но правильная практика сварки остается критически важной для обеих марок.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни 35CrMo, ни 42CrMo не являются нержавеющими сталями; их содержание хрома недостаточно для формирования непрерывной пассивной пленки для общей коррозионной стойкости.
• Типичные стратегии защиты:
• Барьерные покрытия (лакокрасочные системы, порошковые покрытия)
• Гальванизация (горячее цинкование), где это возможно — обратите внимание, что гальванизация может повлиять на термическую обработку и целевые свойства на малых участках и требует последующей обработки после гальванизации, если твердость/точность критичны
• Облицовка или использование коррозионно-стойких покрытий, где существует риск локальной коррозии
• Формула PREN для ранжирования нержавеющих сплавов не применима к этим углеродным легированным сталям, поскольку их уровни хрома и молибдена слишком низки, чтобы полагаться на пассивность:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Используйте коррозионно-стойкие марки или защитные меры, когда условия эксплуатации коррозионные; ни 35CrMo, ни 42CrMo не должны выбираться исключительно по критерию коррозионной стойкости.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: Углеродистая 35CrMo, как правило, легче обрабатывается, чем 42CrMo в сопоставимых нормализованных условиях из-за более низкой твердости и меньших сил резания. После закалки и отпуска обе марки становятся более трудными; 42CrMo на более высоких уровнях твердости увеличивает износ инструмента.
• Формуемость: 35CrMo демонстрирует лучшую холодную формуемость и производительность при изгибе, чем 42CrMo в отожженном или нормализованном состояниях. Глубокая вытяжка ограничивается содержанием углерода в обеих марках; формование обычно должно производиться в мягко-отожженном состоянии.
• Шлифовка, отделка поверхности и жесткая токарная обработка являются обычными для обеих марок после закалки; 42CrMo требует более надежного инструмента для жесткой обработки.
• Деформации при термической обработке и остаточные напряжения: обе марки требуют внимания к толщине сечения, средам закалки и конструкции приспособлений для контроля деформации.

8. Типичные применения

Таблица: представительные применения

35CrMo	42CrMo
Валы (где важны ударная вязкость и стойкость к усталости)	Валы и оси с высокой нагрузкой, требующие большей прочности
Шестерни в приложениях с умеренной нагрузкой	Шестерни для приложений с высоким напряжением и детали передачи мощности
Гайки и крепежные детали, требующие хорошей ударной вязкости	Высокопрочные крепежные детали и шпильки
Соединительные штанги, коленчатые валы для средненагруженной службы	Детали машин для тяжелых условий эксплуатации, гидравлические цилиндры, мандрелы
Кованые детали, требующие хорошей пластичности	Детали, подверженные износу, требующие большей твердости после Q&T

Обоснование выбора: - Выбирайте 42CrMo, где требуется более высокая статическая прочность, твердость и стойкость к износу, и где доступны контролируемые процедуры термической обработки и сварки. - Выбирайте 35CrMo, где требуется лучшая пластичность, стойкость к ударам или производительность при усталости на сопоставимых уровнях отпуска, или где приоритетом является легкость обработки.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: Цены варьируются в зависимости от рыночных условий, формы продукта (пруток, ковка, плита) и готового состояния. В общем, разница в стоимости сырья между 35CrMo и 42CrMo скромная, поскольку основные легирующие добавки (Cr, Mo) схожи; 42CrMo может быть немного дороже из-за более высокой обработки углеродной марки и более строгого контроля, необходимого для критических приложений сварки.
• Доступность: Обе марки широко производятся и доступны в виде прутков, ковок и круглой стали. 42CrMo (эквиваленты 4140) имеет особенно широкую доступность в глобальных цепочках поставок, так как это очень распространенный инженерный сплав.

10. Резюме и рекомендации

Таблица: быстрая сравнительная таблица

Атрибут	35CrMo	42CrMo
Свариваемость	Лучше (низкий CE)	Более требовательный (высокий CE)
Баланс прочности и ударной вязкости	Лучшая ударная вязкость при сопоставимой прочности	Более высокая достижимая прочность и твердость
Стоимость (относительная)	Немного ниже или аналогично	Немного выше в обработке/контроле сварки

Рекомендация: - Выбирайте 35CrMo, если вам нужна сбалансированная комбинация ударной вязкости, пластичности и разумной прочности с более легкой обработкой и менее строгими требованиями к сварке/PWHT. Он хорошо подходит для компонентов, где приоритетом являются стойкость к ударам, срок службы при усталости или пластичное поведение. - Выбирайте 42CrMo, если ваш проект требует более высокой статической прочности, большей закаливаемости и превосходной стойкости к износу после закалки и отпуска. Он подходит для сильно нагруженных валов, шестерен и компонентов, подвергающихся более высоким механическим напряжениям или где требуется более высокая стойкость к отпуску при умеренных повышенных температурах — при условии, что контроль сварки и термической обработки установлен.

Заключительная заметка: Ни 35CrMo, ни 42CrMo не предназначены для длительной работы при высоких температурах (ползучесть) без детального выбора материалов. Для приложений с повышенной температурой или критической ползучестью рассмотрите специально разработанные сплавы Cr–Mo–V или нержавеющие сплавы, устойчивые к ползучести, и проконсультируйтесь с данными по ползучести/отпуску, специфичными для предполагаемой температуры и времени службы. Всегда проверяйте сертификаты завода и проводите квалификационные испытания термической обработки (на растяжение, удар, твердость) для критических компонентов.