Thép bánh răng: Tổng quan về tính chất và ứng dụng chính

Thép bánh răng là một loại thép hợp kim chuyên dụng được thiết kế chủ yếu để sản xuất bánh răng và các thành phần khác đòi hỏi độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn cao. Thường được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình, thép bánh răng thường chứa một lượng đáng kể các nguyên tố hợp kim như crom, niken và molypden, giúp tăng cường các đặc tính cơ học và hiệu suất của chúng trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Tổng quan toàn diện

Thép bánh răng được thiết kế để chịu được những yêu cầu khắt khe của các ứng dụng cơ khí, đặc biệt là trong máy móc công nghiệp và ô tô. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép bánh răng, chẳng hạn như carbon (C), crom (Cr) và niken (Ni), đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính của chúng. Hàm lượng carbon thường dao động từ 0,15% đến 0,25%, mang lại độ cứng và độ bền, trong khi crom và niken góp phần tạo nên độ bền và khả năng chống mài mòn và mỏi.

Các đặc điểm quan trọng nhất của thép bánh răng bao gồm:

• Độ bền và độ cứng cao : Cần thiết cho các ứng dụng chịu tải.
• Khả năng chống mài mòn tuyệt vời : Giảm tỷ lệ thất thoát vật liệu trong quá trình vận hành.
• Độ bền tốt : Ngăn ngừa hiện tượng giòn vỡ khi chịu tải trọng va đập.

Thuận lợi :
- Độ bền được cải thiện : Thép bánh răng được thiết kế để chịu được điều kiện ứng suất cao, lý tưởng cho các ứng dụng hạng nặng.
- Xử lý nhiệt đa năng : Có thể xử lý nhiệt để đạt được các tính chất cơ học mong muốn, cho phép tùy chỉnh dựa trên các yêu cầu ứng dụng cụ thể.

Hạn chế :
- Chi phí : Các nguyên tố hợp kim có thể làm tăng chi phí sản xuất so với thép cacbon tiêu chuẩn.
- Khả năng hàn : Một số loại thép bánh răng có khả năng hàn hạn chế do thành phần hợp kim của chúng, đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận quy trình hàn và vật liệu hàn.

Theo truyền thống, thép bánh răng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của máy móc, tạo điều kiện cho những tiến bộ trong lĩnh vực ô tô và công nghiệp. Vị thế thị trường của chúng vẫn vững mạnh, với những cải tiến liên tục trong thành phần hợp kim và quy trình xử lý nhiệt để nâng cao hiệu suất.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	Bánh răng 8620	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 8620
AISI/SAE	8620	Hoa Kỳ	Thường được sử dụng cho bánh răng và trục
Tiêu chuẩn ASTM	A3042	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép bánh răng
VI	20MnCr5	Châu Âu	Tính chất tương tự, sự khác biệt nhỏ về thành phần
ĐẠI HỌC	1.6523	Đức	Tương đương với AISI 8620
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SNCM220	Nhật Bản	Có thể so sánh với những thay đổi nhỏ trong các nguyên tố hợp kim

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và giá trị tương đương khác nhau cho thép bánh răng. Đáng chú ý, trong khi các cấp như AISI 8620 và EN 20MnCr5 thường được coi là tương đương, thì sự khác biệt nhỏ trong thành phần có thể ảnh hưởng đến các đặc tính hiệu suất, đặc biệt là về khả năng tôi và độ bền.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,15 - 0,25
Cr (Crom)	0,4 - 0,6
Ni (Niken)	0,5 - 1,0
Mo (Molipden)	0,15 - 0,25
Mn (Mangan)	0,6 - 0,9
Si (Silic)	0,2 - 0,5

Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép bánh răng bao gồm:

• Carbon (C) : Tăng độ cứng và độ bền kéo, rất quan trọng cho các ứng dụng chịu tải.
• Crom (Cr) : Tăng cường khả năng làm cứng và chống mài mòn, cải thiện hiệu suất của thép khi chịu ứng suất.
• Niken (Ni) : Cải thiện độ dẻo dai và độ dai, giúp ngăn ngừa hiện tượng giòn gãy.
• Molypden (Mo) : Góp phần tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao và tăng khả năng làm cứng.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	800 - 1000MPa	116.000 - 145.000 psi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	600 - 850MPa	87.000 - 123.000 psi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	10-15%	10-15%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (HRC)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	28 - 34HRC	28 - 34HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Làm nguội & tôi luyện	-20°C (-4°F)	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các đặc tính cơ học này làm cho thép bánh răng đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến tải trọng động và môi trường ứng suất cao. Độ bền kéo và độ bền chảy cao của nó đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc, trong khi độ giãn dài và khả năng chống va đập đầy đủ mang lại sự an toàn trước các hỏng hóc đột ngột.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	45 W/m·K	31,2 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,0001Ω·m	0,0001 Ω·trong

Các đặc tính vật lý chính như mật độ và độ dẫn nhiệt có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng mà trọng lượng và khả năng tản nhiệt là yếu tố quan trọng. Mật độ tương đối cao góp phần tạo nên độ bền tổng thể của các thành phần, trong khi độ dẫn nhiệt ảnh hưởng đến các quy trình xử lý nhiệt và nhiệt độ vận hành.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-5	25°C (77°F)	Hội chợ	Nguy cơ rỗ
Axit sunfuric	10	20°C (68°F)	Nghèo	Không khuyến khích
Nước biển	-	25°C (77°F)	Hội chợ	Sức đề kháng vừa phải

Thép bánh răng có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, đặc biệt là trong môi trường có clorua và điều kiện axit. Thép này dễ bị rỗ và nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) trong môi trường giàu clorua. So với thép không gỉ, thép bánh răng cần lớp phủ bảo vệ hoặc xử lý bề mặt để tăng tuổi thọ trong các ứng dụng ăn mòn.

Khi so sánh với các loại thép khác, chẳng hạn như 4140 và 4340, thép bánh răng thường có khả năng chống mài mòn tốt hơn nhưng có khả năng chống ăn mòn kém hơn, đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận dựa trên môi trường vận hành.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	300°C	572°F	Ngoài ra, các thuộc tính bị suy thoái
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	400°C	752°F	Thích hợp cho việc tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600°C	1112°F	Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ trên

Ở nhiệt độ cao, thép bánh răng duy trì các đặc tính cơ học của nó ở một giới hạn nhất định, vượt quá giới hạn đó có thể xảy ra quá trình oxy hóa và đóng cặn. Điều này làm cho nó phù hợp với các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao không liên tục, nhưng nên tránh tiếp xúc liên tục để ngăn ngừa sự xuống cấp.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
MIG	ER70S-6	Argon/CO2	Tốt cho các phần mỏng
TIG	ER80S-Ni	Khí Argon	Được ưa chuộng cho mối hàn chính xác
Dán	E7018	-	Thích hợp cho các phần dày hơn

Thép bánh răng có thể được hàn bằng nhiều quy trình khác nhau, nhưng thường cần phải gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau khi hàn để tránh nứt. Việc lựa chọn kim loại làm đầy rất quan trọng để đảm bảo khả năng tương thích và duy trì các đặc tính cơ học.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép bánh răng (AISI 8620)	Thép chuẩn (AISI 1212)	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60%	100%	Khả năng gia công thấp hơn do các nguyên tố hợp kim
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30-50 m/phút	60-80 m/phút	Điều chỉnh độ mòn của dụng cụ

Khả năng gia công là một yếu tố quan trọng trong sản xuất các thành phần bánh răng. Thép bánh răng thường có khả năng gia công thấp hơn so với thép gia công tự do, đòi hỏi phải sử dụng các công cụ cắt chất lượng cao và các thông số gia công được tối ưu hóa.

Khả năng định hình

Thép bánh răng có khả năng định hình vừa phải, phù hợp với các quy trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, do hàm lượng hợp kim, thép này có thể bị tôi cứng khi làm việc, đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận bán kính uốn và kỹ thuật định hình để tránh nứt.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	600 - 700°C / 1112 - 1292°F	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm độ cứng, tăng độ dẻo
Làm nguội	850 - 900°C / 1562 - 1652°F	30 phút	Dầu/Nước	Tăng độ cứng
Làm nguội	150 - 300°C / 302 - 572°F	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô và tính chất của thép bánh răng. Làm nguội làm tăng độ cứng, trong khi tôi giúp giảm ứng suất và tăng độ dẻo dai, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn
Ô tô	Bánh răng truyền động	Độ bền cao, chống mài mòn	Cần thiết cho độ bền khi chịu tải
Hàng không vũ trụ	Hộp số	Độ bền, khả năng chống mỏi	Quan trọng đối với sự an toàn và hiệu suất
Máy móc công nghiệp	Hệ thống băng tải	Khả năng chống mài mòn, chịu va đập	Đảm bảo tuổi thọ trong môi trường khắc nghiệt

Các ứng dụng khác bao gồm:

• Hệ thống bánh răng hàng hải : Được sử dụng vì khả năng chống mài mòn và chống mỏi.
• Thiết bị nặng : Các bộ phận như trục truyền động và trục xe có độ bền và độ cứng cao.

Thép bánh răng được lựa chọn cho các ứng dụng này vì khả năng chịu tải trọng cao và độ bền trong môi trường khắc nghiệt.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép bánh răng (AISI 8620)	Lớp thay thế 1 (AISI 4140)	Lớp thay thế 2 (AISI 4340)	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Độ bền cao hơn	Khả năng chống mỏi cao hơn	4140 có độ bền tốt hơn, 4340 có khả năng chống mỏi tốt hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Sức đề kháng vừa phải	Sức đề kháng vừa phải	Sức đề kháng vừa phải	Tất cả đều yêu cầu các biện pháp bảo vệ trong môi trường ăn mòn
Khả năng hàn	Vừa phải	Tốt	Hội chợ	4140 dễ hàn hơn thép bánh răng
Khả năng gia công	Thấp hơn	Vừa phải	Vừa phải	4140 và 4340 dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Vừa phải	Vừa phải	Vừa phải	Tất cả đều thể hiện đặc điểm hình dạng tương tự
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao hơn	Cao hơn	Chi phí thay đổi tùy theo thành phần hợp kim
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Ít phổ biến hơn	Tính khả dụng có thể ảnh hưởng đến thời gian của dự án

Khi lựa chọn thép bánh răng, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và chi phí. Thép bánh răng thường được ưa chuộng vì độ bền và độ dẻo dai cân bằng, nhưng các lựa chọn thay thế như AISI 4140 và 4340 có thể phù hợp hơn tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể.

Tóm lại, thép bánh răng là vật liệu đa năng và bền chắc lý tưởng cho các ứng dụng hiệu suất cao trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Các đặc tính độc đáo của nó, kết hợp với quá trình lựa chọn và xử lý cẩn thận, đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ trong các môi trường khắc nghiệt.