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

Введение

Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между близкими по составу хромомолибденовыми сталями для кованых компонентов, валов, шестерен и конструктивных частей. Проблема выбора обычно заключается в балансировке достижимой прочности и усталостной прочности с учетом пластичности, свариваемости и общей стоимости производства. Во многих спецификациях выбор сводится к двум схожим маркам: 42CrMo и 35CrMo.

Практическая разница между этими двумя марками в первую очередь определяется их содержанием углерода и в результате изменений в прочности и закаливаемости. Поскольку уровни хрома и молибдена схожи, марка с более высоким содержанием углерода достигает большей прочности и твердости после закалки и отпускания, в то время как марка с более низким содержанием углерода сохраняет относительно лучшую вязкость и свариваемость для заданной цели термообработки. Эти компромиссы делают пару распространенным сравнением в проектировании и производственных решениях.

1. Стандарты и обозначения

• 42CrMo
• Общие эквиваленты/стандарты: EN 42CrMo4 (1.7225), AISI/ASTM обычно ссылаются на семью 4140 для схожего состава и применения. Обозначение GB/T в Китае: 42CrMo.
• Классификация: Средне легированная закаленная и отпущенная сталь (легированная сталь).
• 35CrMo
• Общие эквиваленты/стандарты: В некоторых национальных стандартах обозначается как 35CrMo или 35CrMo4 (название EN варьируется); используется в спецификациях GB/T. Менее часто используется как прямой аналог AISI, но сопоставим с низкоуглеродными Cr–Mo сталями в серии 4100.
• Классификация: Средне легированная закаленная и отпущенная сталь (легированная сталь).

Обе марки являются легированными сталями (не нержавеющими, не инструментальными сталями). Обычно они поставляются в виде прутков, кованых изделий и плит для последующей термообработки.

2. Химический состав и стратегия легирования

В таблице ниже приведены типичные диапазоны состава, используемые для сравнений в проектировании и спецификациях. Фактический сертифицированный состав должен быть взят из сертификата испытаний завода для каждой партии покупки.

Элемент	42CrMo (типичные диапазоны)	35CrMo (типичные диапазоны)
C (углерод)	0.38 – 0.45 мас%	0.32 – 0.40 мас%
Mn (марганец)	0.50 – 0.90 мас%	0.50 – 0.80 мас%
Si (кремний)	0.17 – 0.37 мас%	0.17 – 0.37 мас%
P (фосфор)	≤ 0.025 мас% (макс)	≤ 0.025 мас% (макс)
S (сера)	≤ 0.025 мас% (макс)	≤ 0.025 мас% (макс)
Cr (хром)	0.90 – 1.20 мас%	0.80 – 1.10 мас%
Mo (молибден)	0.15 – 0.30 мас%	0.15 – 0.30 мас%
Ni (никель)	≤ 0.30 мас% (следы)	≤ 0.30 мас% (следы)
V, Nb, Ti, B, N	обычно не указывается / только следы	обычно не указывается / только следы

Как работает стратегия легирования - Углерод является основным переменным, контролирующим долю мартенсита после закалки и реакцию на отпуск; более высокий углерод повышает достижимую прочность и твердость, но снижает пластичность и свариваемость. - Хром и молибден способствуют закаливаемости (углубляют закаливаемую зону), сопротивлению отпуску и прочности при температуре. Поскольку обе марки имеют схожие уровни Cr и Mo, их закаливаемость сопоставима при равном содержании углерода, но более высокий углерод в 42CrMo увеличивает конечную прочность. - Марганец и кремний поддерживают закаливаемость и дегазацию; низкие уровни P и S контролируются для сохранения вязкости и усталостной прочности.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры и реакции при общих процессах обработки:

• После прокатки/нормализации
• Обе марки при нормализации показывают матрицу феррит–перлит с мелкими карбидами. 42CrMo, с более высоким содержанием углерода, будет иметь немного более высокую долю перлита и более мелкое распределение карбидов после соответствующего термического цикла.
• Закалка и отпуск (Q&T)
• Закалка: Обе марки образуют мартенсит в достаточно толстых секциях, учитывая закаливаемость Cr–Mo. 42CrMo будет производить более жесткую, высокопрочную мартенситную структуру из-за более высокого углерода.
• Отпуск: Отпуск снижает хрупкость и настраивает вязкость. Поскольку 42CrMo начинается с более высокой твердости, графики отпуска должны быть скорректированы, чтобы достичь того же баланса прочности и вязкости, что и 35CrMo.
• Нормализация + отпуск / Термо-механическая обработка
• Термо-механические обработки, которые уточняют размер зерна предшествующего аустенита, улучшают вязкость и усталостную стойкость в обеих марках. Относительное поведение схоже; более высокое содержание углерода в 42CrMo придает большее значение контролируемому охлаждению и отпуску, чтобы избежать хрупкости после отпуска или чрезмерных остаточных напряжений.

Ключевые выводы - 42CrMo достигает более высокой предельной прочности и твердости после эквивалентных циклов Q&T. - 35CrMo предлагает немного более прощающее окно отпуска для вязкости и лучшую производительность в более толстых поперечных сечениях, где через закалка более сложна.

4. Механические свойства

Точные механические свойства сильно зависят от формы изделия и термообработки. Таблица ниже дает качественные сравнения и типичные тенденции свойств, а не абсолютные сертифицированные значения. Используйте сертификаты завода и контрактно указанные условия термообработки для закупок.

Свойство	42CrMo	35CrMo
Прочность на растяжение (типичная)	Более высокая максимальная прочность на растяжение после Q&T (сильнее в тех же условиях термообработки)	Немного более низкий предельный предел прочности на растяжение для данной термообработки
Предел текучести	Более высокий предел текучести при равных целях отпуска/твердости	Низкий предел текучести, более высокая маржа пластичности
Удлинение / Пластичность	Низкое удлинение при высоких уровнях прочности (компромисс с прочностью)	Лучшее удлинение и пластичность при сопоставимом отпуске
Ударная вязкость	Может быть отличной, если правильно отпущена; более чувствительна к термообработке и размеру секции	Как правило, менее чувствительна; может обеспечить лучшее соотношение вязкости к прочности при более низкой твердости
Твердость	Более высокая достижимая твердость после закалки (требует больше отпуска для вязкости)	Ниже достижимая пиковая твердость для того же графика термообработки

Объяснение - Поскольку углерод увеличивает начало мартенсита и содержание углерода в мартенсите, более высокий углерод в 42CrMo производит более высокую прочность и твердость для данной закалки. Это увеличение прочности происходит за счет снижения вязкости и пластичности, если не используется отпуск для компромисса между твердостью и вязкостью. - Для компонентов, критичных к усталости, проектировщики часто указывают контролируемый отпуск, чтобы достичь необходимого баланса, и выбирают марку, которая минимизирует чувствительность к размеру секции и тепловому воздействию.

5. Свариваемость

Свариваемость является функцией углеродного эквивалента и закаливаемости; практическая оценка обычно использует формулы углеродного эквивалента. Два часто упоминаемых индекса:

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

• Международный индекс 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 для 42CrMo против 35CrMo - 42CrMo (более высокий углерод) будет иметь более высокий $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, чем 35CrMo при прочих равных условиях, что означает больший риск холодной трещиноватости и большую необходимость в предварительном нагреве, контроле межпроходного шва, низкогидрогенных расходных материалах или термообработке после сварки (PWHT). - Более низкий углерод 35CrMo делает его более свариваемым в обычной практике и снижает требуемую строгость предварительного нагрева/PWHT для той же толщины. - Обе марки свариваемы с использованием стандартных процедур для Cr–Mo сталей, когда применяются соответствующий предварительный нагрев и PWHT. Для критических или толстых секций выполните квалификацию процедуры сварки (PQR) и включите PWHT для снятия водорода и отпуска зоны термического влияния.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни 42CrMo, ни 35CrMo не являются нержавеющими сталями; коррозионная стойкость ограничена стойкостью низколегированных углеродных сталей. Критерии выбора обычно основываются на покрытии и отделке, а не на легировании.
• Распространенные стратегии защиты: покраска, катодная защита, горячее цинкование (когда геометрия позволяет) или покрытие, где это уместно.
• PREN не применим для этих не нержавеющих низколегированных сталей. Для справки, формула PREN для оценки нержавеющих сталей: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Но этот индекс не имеет значения для обычных хромомолибденовых конструкционных сталей, поскольку их содержание хрома слишком низкое, чтобы обеспечить нержавеющее поведение.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость
• 35CrMo обычно легче обрабатывается, чем 42CrMo при том же уровне твердости из-за более низкого углерода и уменьшенной склонности к упрочнению при обработке. Срок службы инструмента и силы резания будут более благоприятными для 35CrMo.
• Когда детали поставляются в более мягких нормализованных или отожженных условиях, обрабатываемость улучшается для обеих марок; закаленные условия потребуют карбидного инструмента.
• Формуемость и гибкость
• Низкий углерод в 35CrMo обеспечивает лучшую холодную формуемость. Требование меньшего уменьшения упругости типично при гибке или формовании.
• 42CrMo требует более строгого контроля радиусов изгиба и может потребовать промежуточных термообработок для значительной пластической деформации.
• Отделка поверхности и шлифовка
• Обе стали могут быть отшлифованы и отделаны до высококачественных условий поверхности; более высокая твердость в 42CrMo увеличивает абразивность на шлифовальных кругах и инструментах.

8. Типичные применения

42CrMo (хромомолибден с высоким содержанием углерода)	35CrMo (хромомолибден с низким содержанием углерода)
Валы, высокопрочные оси, коленчатые валы, сильно нагруженные шестерни, подшипниковые корпуса, где требуется высокая прочность и износостойкость после Q&T	Оси, конструктивные кованые изделия, болты и высокопрочные крепежи, компоненты, требующие большей пластичности или более легкой сварки
Детали и компоненты с высоким напряжением, критичные к усталости, которые могут быть надежно термообработаны	Детали, требующие более легкой обработки или более частых операций соединения; конструктивные компоненты средней прочности
Компоненты станков, где полезны твердость и износостойкость	Компоненты, где приоритетом являются вязкость, пластичность и экономическая эффективность

Обоснование выбора - Выбирайте 42CrMo, когда требуется более высокая прочность и износостойкость после термообработки, а сварка или сложное формование минимизированы или могут быть контролируемыми с помощью надежных сварочных процедур. - Выбирайте 35CrMo, когда более важны формование, сварка или улучшенное соотношение вязкости к прочности, и когда немного более низкая пиковая прочность приемлема.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: Обе марки конкурентоспособны по цене; 42CrMo может быть немного дороже из-за немного более высокой обработки углерода и спроса на приложения с высокой прочностью. Разница в цене обычно невелика по сравнению с затратами на термообработку и последующую обработку.
• Доступность по форме продукта: Обе марки широко доступны в виде прутков, кованых изделий и бесшовных труб на рынках, которые поставляют Cr–Mo стали. 42CrMo (или эквивалент AISI 4140) обычно более распространен в мировом масштабе из-за его широкого применения; 35CrMo может быть более региональным в зависимости от стандартизации. Всегда подтверждайте сроки поставки завода, сертификацию и отслеживаемость партий.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Критерий	42CrMo	35CrMo
Свариваемость	Умеренная — требует более строгого предварительного нагрева/PWHT при толщине	Лучше — более низкие требования к предварительному нагреву/PWHT
Баланс прочности и вязкости	Более высокая максимальная прочность; требует тщательного отпуска для поддержания вязкости	Лучшая маржа вязкости для аналогичной обработки; немного более низкая пиковая прочность
Стоимость (только материал)	Сравнимая; немного выше на некоторых рынках	Сравнимая; часто немного ниже
Обрабатываемость / Формуемость	Менее благоприятная при равной твердости	Более благоприятная при равной твердости

Рекомендации - Выбирайте 42CrMo, если основными факторами проектирования являются более высокая прочность после термообработки, износостойкость или когда меньшее поперечное сечение требует максимальной допустимой прочности для компонентов, критичных к усталости, и когда вы можете контролировать процедуры сварки и термообработки. - Выбирайте 35CrMo, если проектирование предполагает улучшенную пластичность, более легкую сварку и обработку, сниженный риск трещин, вызванных водородом, или чувствительное к стоимости производство, где немного более низкая пиковая прочность приемлема.

Заключительная заметка Всегда указывайте точные условия термообработки, пределы твердости и приемочные испытания в документах на закупку. Для сварных сборок или толстых секций требуйте квалификацию процедуры сварки (PQR) и учитывайте PWHT. Для критических деталей, подверженных усталости или высокоциклическим нагрузкам, сочетайте металлургический выбор с проверенной термообработкой и неразрушающим контролем для достижения надежной работы в полевых условиях.