42CrMo против 42CrMo4 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
42CrMo и 42CrMo4 — это среднеуглеродистые хромомолибденовые легированные стали, широко используемые для высокопрочных, термообрабатываемых компонентов, таких как валы, шестерни и крепежные изделия. Инженеры и специалисты по закупкам часто сталкиваются с дилеммой выбора между этими двумя марками, поскольку они имеют очень схожую металлургию и механическое поведение, но упоминаются в различных региональных стандартах и цепочках поставок. Типичные контексты принятия решений включают балансировку необходимых сертификатов (региональный или проектный стандарт), спецификацию свариваемости и постсварочные обработки, а также оптимизацию стоимости и времени выполнения для конкретных форм продукта.
Основное практическое различие заключается не в драматическом металлургическом несоответствии, а скорее в стандартах и режимах спецификации, которые регулируют производство, инспекцию и сертификацию. Это различие влияет на закупки, прослеживаемость и иногда незначительные допуски по составу или допустимым уровням примесей.
1. Стандарты и обозначения
- EN (Европа): 42CrMo4 — обычно упоминается в EN 10083–3 и системах нумерации стали EN (часто также указывается как 1.7225 в базах данных материалов).
- GB (Китай): 42CrMo — широко используется в китайских национальных стандартах (GB/T) и обычно указывается для легированных конструкционных сталей.
- ASTM/ASME / AISI (США): AISI 4140 / UNS G41400 — ближайший широко принятый американский эквивалент и часто взаимозаменяем с 42CrMo/42CrMo4 в перекрестных справочных таблицах.
- JIS (Япония): SCM440 — обычно упоминаемый японский эквивалент.
- Классификация: как 42CrMo, так и 42CrMo4 являются среднеуглеродистыми, низколегированными, термообрабатываемыми сталями (легированная сталь, подходящая для закалки и отпускания; не нержавеющая; не HSLA в современном смысле).
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент | Типичный 42CrMo (GB/T) | Типичный 42CrMo4 (EN) |
|---|---|---|
| C | 0.38 – 0.45 мас% | 0.38 – 0.45 мас% |
| Mn | 0.60 – 0.90 мас% | 0.60 – 0.90 мас% |
| Si | 0.10 – 0.40 мас% | 0.10 – 0.40 мас% |
| P | ≤ 0.035 мас% | ≤ 0.035 мас% |
| S | ≤ 0.035 мас% | ≤ 0.035 мас% |
| Cr | 0.90 – 1.20 мас% | 0.90 – 1.20 мас% |
| Ni | ≤ 0.40 мас% (не указано) | ≤ 0.40 мас% (не указано) |
| Mo | 0.15 – 0.30 мас% | 0.15 – 0.30 мас% |
| V, Nb, Ti, B, N | следы / обычно не указываются | следы / обычно не указываются |
Примечания: - Это типичные диапазоны состава; фактические допуски зависят от стандарта и сертификации завода. - Стратегия легирования сосредоточена на Cr и Mo для увеличения закаливаемости и сопротивления отпуску, сохраняя при этом умеренное содержание углерода для прочности через термообработку. Mn и Si присутствуют для повышения прочности и декарбонизации. P и S контролируются на низком уровне для сохранения прочности и усталостной жизни.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод: основной вкладчик прочности через образование мартенсита после закалки; более высокое содержание C увеличивает закаливаемость, но снижает свариваемость и пластичность. - Хром и молибден: увеличивают закаливаемость, износостойкость и сопротивление отпуску при высоких температурах; они способствуют более глубокому закаливанию в более толстых секциях. - Марганец: увеличивает закаливаемость и прочность на растяжение. - Кремний: укрепляет феррит и улучшает поведение при отпуске.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - В нормализованном состоянии: смесь феррита и перлита, с мелкими зернами, если применяется контролируемое охлаждение. - После закалки и отпуска (самый распространенный путь для этих сталей): отпускной мартенсит с карбидами (богатыми Cr/Mo), распределенными внутри, обеспечивающий высокую прочность с улучшенной прочностью на удар.
Маршруты обработки и реакции: - Нормализация (воздушное охлаждение от температуры аустенитизации): уточняет размер зерна и производит предсказуемую однородную микроструктуру для умеренной прочности и улучшенной обрабатываемости. - Закалка и отпуск: аустенитизация (около 820–880°C в зависимости от размера сечения), закалка (масло/вода/контролируемый полимер), затем отпуск при 400–650°C для балансировки прочности и прочности на удар. Результат: высокая прочность на растяжение и текучесть с сохраненной прочностью; температура отпуска контролирует окончательную твердость. - Термомеханическая обработка: ковка плюс контролируемое охлаждение могут производить очень мелкие зерна предаустенита и улучшать усталостную стойкость, но чувствительны к процессу.
Обе марки реагируют аналогично на эти термообработки; небольшие различия в гарантированной химии или предельных значениях примесей могут немного повлиять на закаливаемость и пределы прочности в крупных сечениях.
4. Механические свойства
| Свойство (тип.) | 42CrMo / 42CrMo4 (нормализованный) | 42CrMo / 42CrMo4 (закаленный и отпущенный) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (Rm) | 650 – 850 МПа | 850 – 1100+ МПа (в зависимости от процесса) |
| Предел текучести (Rp0.2) | 360 – 600 МПа | 600 – 950 МПа |
| Удлинение (A%) | 12 – 18% | 8 – 15% |
| Ударная вязкость (Charpy V, комнатная T) | 30 – 80 Дж | 20 – 60 Дж (в зависимости от отпуска и сечения) |
| Твердость | 180 – 260 HB | 220 – 360 HB (или HRC 18–36) |
Интерпретация: - Обе марки могут достигать очень схожих механических свойств при эквивалентной обработке. Закалка и отпуск обеспечивают значительно более высокую прочность на растяжение и текучесть за счет пластичности. - Устойчивость к ударам и пластичность сильно зависят от параметров термообработки и чистоты (содержания включений) — различия между двумя марками обычно незначительны по сравнению с эффектами обработки.
5. Свариваемость
Свариваемость умеренная и в основном определяется содержанием углерода и закаливаемостью от Cr/Mo. Используйте формулы эквивалента углерода для оценки потребностей в предварительном подогреве и PWHT.
Общие индексы: - Эквивалент углерода 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: - Типичный $CE_{IIW}$ для этих сталей умеренный (часто около 0.4–0.6 в зависимости от точной химии), что указывает на тенденцию к образованию жесткого мартенсита в зоне термического влияния (HAZ), если не используются соответствующие предварительный подогрев и/или температуры межпроходной сварки. - Предварительный подогрев и контролируемые межпроходные температуры снижают скорость охлаждения и твердость HAZ; PWHT (отпуск) рекомендуется для критических, толстых или сильно нагруженных сварных соединений. - Как 42CrMo, так и 42CrMo4 имеют схожую свариваемость; выбор определяется приемлемостью PWHT и условиями изготовления. Используйте квалифицированные сварочные процедуры и учитывайте контроль водорода и предварительный подогрев для предотвращения трещин.
6. Коррозия и защита поверхности
- Эти марки не являются нержавеющими сталями; коррозионная стойкость низка в голом виде.
- Варианты защиты поверхности: покраска, смазка, фосфатирование, электроосаждение и горячее цинкование в зависимости от применения и ограничений после термообработки (цинкование после отпуска может быть приемлемым; цинкование перед критической термообработкой не допускается).
- PREN (эквивалентный номер устойчивости к образованию питтинга) не применим к не нержавеющим сталям, но для справки формула: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ и дает бессмысленно низкие значения для этих низкохромовых легированных сталей; поэтому коррозионные характеристики должны управляться покрытиями или нержавеющими покрытиями, где это необходимо.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: в нормализованном состоянии обрабатываемость умеренная; в закаленном и отпущенном состоянии обработка более сложная и может потребовать карбидного инструмента и сниженных подач. Свободно резающие варианты (с добавлением серы) не являются стандартом для этих марок.
- Формуемость: горячая формовка и ковка просты; холодная формовка ограничена содержанием углерода — сильное холодное изгибание может вызвать трещины, если не отжато или не используется в нормализованном состоянии.
- Шлифовка и отделка: обе марки хорошо реагируют на прецизионную шлифовку после термообработки; поверхностные обработки для усталостной жизни (ударная обработка, нитридирование) обычно применяются.
8. Типичные применения
| 42CrMo (распространенные применения) | 42CrMo4 (распространенные применения) |
|---|---|
| Валы, оси и шпиндели | Валы, оси и шпиндели |
| Шестерни и шестеренки | Шестерни и шестеренки |
| Высокопрочные крепежные изделия и болты | Высокопрочные крепежные изделия и болты |
| Соединительные штанги, коленчатые валы в меньших или средних сечениях | Компоненты машин под высоким циклическим нагрузкой |
| Давление (после соответствующей термообработки) | Автомобильные и тяжелые детали оборудования, требующие прослеживаемости EN |
Обоснование выбора: - Обе марки выбираются за высокую прочность и хорошую усталостную стойкость после закалки и отпуска. - Выбирайте на основе необходимого сертификата, указанного стандарта, цепочки поставок (какой завод и регион) и приемлемости необходимой постсварочной термообработки.
9. Стоимость и доступность
- Оба материала широко доступны по всему миру в виде прутков, ковок, бесшовных труб и плит. Доступность варьируется в зависимости от региона и предпочтений держателей запасов.
- 42CrMo4 очень распространен на европейских рынках и часто более удобен, когда требуется сертификация EN.
- 42CrMo (GB/T) и эквиваленты (AISI 4140 / SCM440) обычно легче найти в Азии и Северной Америке.
- Относительные различия в стоимости обычно невелики и определяются формой продукта, размером сечения и требованиями к термообработке или сертификации завода, а не номинальной марки.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | 42CrMo | 42CrMo4 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Умеренная; часто требуется предварительный подогрев/PWHT | Умеренная; часто требуется предварительный подогрев/PWHT |
| Прочность–Устойчивость (термообработанная) | Высокая (в зависимости от процесса) | Высокая (в зависимости от процесса) |
| Стоимость / Доступность | Широко доступна в Азии/Америке; конкурентоспособная | Широко доступна в Европе; конкурентоспособная |
Рекомендации: - Выбирайте 42CrMo, если вам нужно закупить материал в экосистеме поставщиков GB/AISI, или если проектные закупки требуют эквивалентности стандартам GB или американским спецификациям, и вам требуется типичная механическая производительность класса 4140 с местной прослеживаемостью. - Выбирайте 42CrMo4, если проектная спецификация требует сертификации материала EN, согласования с европейской цепочкой поставок, или если клиент/контракт проекта явно указывает стандарты EN (42CrMo4 / EN 1.7225).
Заключительная заметка: металлургические и механические характеристики этих двух марок значительно пересекаются; решающими факторами часто являются неметаллургические (соответствие стандартам, сертификация завода, прослеживаемость и местная доступность). Для критических компонентов всегда указывайте необходимые термообработки, критерии приемлемости механических свойств и процедуры НК/послесварочной термообработки, а не полагайтесь только на название марки.