100Cr6 so với 100CrMnSi6 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa các loại thép cacbon cao có liên quan chặt chẽ với nhau khi xác định các chi tiết có khả năng chống mài mòn, tuổi thọ chịu mỏi và chi phí giao nhau. Quyết định giữa 100Cr6 và 100CrMnSi6 thường phát sinh đối với các chi tiết lăn, trục chính xác và các bộ phận chịu mài mòn, nơi độ cứng, độ dẻo dai và khả năng gia công phải được cân bằng với xử lý bề mặt và tính kinh tế sản xuất.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là thép cấp hai làm tăng hàm lượng mangan và silic so với thép 100Cr6 cổ điển, chuyển hướng chiến lược hợp kim hóa theo hướng cải thiện khả năng tôi và khử oxy trong khi vẫn duy trì hàm lượng cacbon cao để chống mài mòn. Hai loại thép này được so sánh vì cả hai đều hướng đến độ cứng cao và hiệu suất chịu mỏi, nhưng lại khác nhau về cân bằng hợp kim, ảnh hưởng đến phản ứng xử lý nhiệt, khả năng hàn và tạo hình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 100Cr6: Thường được tham chiếu đến ký hiệu EN EN 100Cr6. Các tiêu chuẩn quốc tế tương đương bao gồm AISI 52100 và JIS SUJ2 ở nhiều thị trường. Được phân loại là thép chịu lực crom cacbon cao.
• 100CrMnSi6: Một ký hiệu theo tiêu chuẩn EN được sử dụng trong một số chuỗi cung ứng châu Âu và châu Á cho thép cacbon cao với hàm lượng Mn và Si cao. Nó thường được coi là thép hợp kim cacbon cao, dùng cho các bộ phận tôi và ram và các ứng dụng chịu lực.

Phân loại: - 100Cr6 — Thép dụng cụ/ổ trục cacbon (hàm lượng cacbon cao, hợp kim crom) - 100CrMnSi6 — Thép hợp kim cacbon có hiệu ứng hợp kim hóa vi mô (nhiều cacbon, tăng cường Mn/Si), thường được sử dụng khi cần tăng khả năng tôi hoặc khả năng gia công/ổn định trong quá trình xử lý nhiệt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%). Lưu ý: các loại thương mại thực tế và thông số kỹ thuật có thể thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp; các giá trị hiển thị chỉ mang tính đại diện và được mô tả là phạm vi điển hình chứ không phải giá trị được đảm bảo.

Yếu tố	100Cr6 (khối lượng điển hình%)	100CrMnSi6 (điển hình / tương đối)
C	0,95 – 1,05	~0,95 – 1,05 (tương tự C cao)
Mn	0,25 – 0,45	Cao hơn (thường là ≈ 0,8 – 1,5)
Si	0,15 – 0,35	Cao hơn (thường là ≈ 0,3 – 0,9)
P	≤ 0,025	≤ 0,030 – 0,035 (thấp)
S	≤ 0,025	≤ 0,030 – 0,035 (thấp)
Cr	1,30 – 1,65	Khoảng 0,7 – 1,3 (thay đổi; thường thấp hơn hoặc tương tự)
Ni	—	dấu vết / không xác định
Mo	—	dấu vết / không xác định
V, Nb, Ti, B, N	theo dõi nếu có	theo dõi nếu có

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon (C): Khả năng làm cứng chính và độ cứng có thể đạt được; cả hai loại đều giữ lại hàm lượng carbon cao để có độ cứng martensitic và khả năng chống mài mòn. - Crom (Cr): Tăng khả năng làm cứng và chống ram; 100Cr6 có hàm lượng Cr xác định để hỗ trợ hiệu suất ổ trục. - Mangan (Mn): Tăng khả năng tôi luyện và độ bền kéo; hàm lượng Mn cao hơn trong 100CrMnSi6 làm tăng khả năng tôi luyện và hỗ trợ quá trình tôi luyện xuyên suốt ở các phần lớn hơn. - Silic (Si): Hoạt động như chất khử oxy và cũng làm tăng độ bền; Si cao hơn hỗ trợ quá trình sản xuất thép với quá trình khử oxy mạnh hơn và có thể ảnh hưởng đến độ cứng và phản ứng ram. - Phốt pho (P) và Lưu huỳnh (S): Giữ ở mức thấp để duy trì độ bền và độ mỏi; mức độ được kiểm soát quan trọng đối với các ứng dụng chịu lực và chịu mỏi.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cả hai loại thép đều được thiết kế để tạo thành martensite khi tôi trong phạm vi austenit hóa và ram để đạt được sự cân bằng mục tiêu về độ cứng và độ dẻo dai.

Cấu trúc vi mô: - 100Cr6: Sau khi austenit hóa và tôi đúng cách, cấu trúc vi mô chủ yếu là martensitic với các cacbua phân tán mịn (các cacbua Cr). Cấu trúc vi mô thép chịu lực cổ điển nhấn mạnh sự phân bố cacbua mịn, sạch sẽ, hỗ trợ khả năng chống mỏi tiếp xúc lăn. - 100CrMnSi6: Với hàm lượng Mn và Si cao, cấu trúc vi mô sau khi tôi cũng mang tính martensitic, nhưng hàm lượng Mn cao làm tăng khả năng tôi cứng, do đó các phần sâu hơn dễ dàng đạt được martensitic hơn. Hình thái carbide có thể thay đổi đôi chút tùy thuộc vào hàm lượng Cr và chu kỳ nhiệt.

Các phương pháp xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Tạo ra cấu trúc ferit + perlit/martensite tôi luyện đồng đều hơn, thường được sử dụng trước khi gia công cuối cùng để có độ ổn định về kích thước. - Làm nguội và ram: Cả hai loại thép này thường được austenit hóa (nhiệt độ phụ thuộc vào mặt cắt ngang và thành phần hóa học chính xác) và làm nguội bằng dầu hoặc tốc độ cao để tạo thành martensite, sau đó ram để đạt được độ cứng/độ dai cần thiết. - Xử lý nhiệt cơ học: Đối với 100CrMnSi6, tăng Mn có thể cải thiện phản ứng trong quá trình xử lý cán/nhiệt cơ học có kiểm soát để tinh chỉnh kích thước hạt austenit và cải thiện các tính chất cơ học.

Các hiệu ứng: - 100CrMnSi6 thường cho thấy khả năng tôi xuyên suốt được cải thiện ở các phần lớn hơn và có khả năng giảm biến dạng do hợp kim hóa cao hơn để tăng khả năng tôi. - Tính chất tôi luyện: Si cao hơn có thể làm chậm quá trình làm mềm khi tôi luyện ở một số phạm vi; các thông số tôi luyện phải được lựa chọn để đạt được sự kết hợp mục tiêu giữa độ cứng và độ dẻo dai.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào xử lý nhiệt, tiết diện và trạng thái carbide. Bảng dưới đây cung cấp các đặc tính điển hình thay vì đảm bảo tuyệt đối.

Tài sản	100Cr6 (hành vi điển hình)	100CrMnSi6 (hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Rất cao khi tôi (phụ thuộc vào độ cứng; có thể vượt quá 1500 MPa ở trạng thái tôi cứng)	Có thể so sánh hoặc cao hơn một chút ở các phần sâu hơn do khả năng làm cứng được cải thiện
Cường độ chịu kéo	Phụ thuộc vào quá trình tôi luyện; cao ở trạng thái cứng	Tương tự; có thể cho năng suất cao hơn đối với các bộ phận được tôi cứng hoàn toàn
Độ giãn dài (%)	Thấp ở trạng thái cứng hoàn toàn (một chữ số %)	Tương tự hoặc thấp hơn một chút nếu đạt được cấu trúc vi mô cứng hơn
Độ bền va đập	Độ cứng từ trung bình đến thấp ở mức rất cao; được cải thiện bằng cách tôi luyện	Thường được cải thiện đôi chút ở độ cứng tương đương do martensite đồng đều hơn ở các phần dày hơn
Độ cứng	Có thể được làm cứng đến HRC rất cao (thường là 58–66 HRC cho các ứng dụng ổ trục)	Độ cứng có thể đạt được tương tự; dễ dàng đạt được độ cứng xuyên suốt ở các phần lớn hơn

Giải thích: - Đối với các thành phần nhỏ, được tôi luyện kỹ, cả hai loại đều có thể đạt được độ cứng tối đa và khả năng chống mài mòn tương tự nhau. - Đối với các mặt cắt ngang lớn hơn hoặc các thành phần yêu cầu các đặc tính đồng đều hơn trên toàn bộ mặt cắt, hàm lượng Mn và Si cao hơn của 100CrMnSi6 thường tạo điều kiện cho khả năng tôi luyện tốt hơn, cho phép độ cứng tương đương với ít thách thức về xử lý nhiệt hơn. - Độ dẻo dai được kiểm soát tốt nhất thông qua quá trình ram và độ sạch của thép (tạp chất). Sự phân bố crom và cacbua của 100Cr6 theo truyền thống khiến nó trở nên tuyệt vời đối với khả năng chịu mỏi tiếp xúc lăn khi được xử lý đúng cách.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn tập trung vào lượng cacbon tương đương và xu hướng hình thành martensite cứng, giòn ở các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Chỉ số hữu ích (không thay thế cho trình độ): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai đều là thép có hàm lượng cacbon cao; hàm lượng cacbon cơ bản của chúng khiến cho việc hàn trở nên khó khăn nếu không có quy trình nung nóng trước, quy trình ít hydro và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn để tránh nứt. - Hàm lượng Mn cao của 100CrMnSi6 làm tăng lượng cacbon tương đương và khả năng làm cứng hơn nữa, làm tăng nguy cơ tạo ra vùng HAZ cứng của martensitic nếu không được làm nóng trước đúng cách hoặc nếu làm nguội quá nhanh. - 100Cr6 với hàm lượng Cr riêng vẫn cần phải thực hiện hàn cẩn thận; cả hai loại này thường được coi là "khó hàn" ở trạng thái tôi cứng và thường được hàn ở trạng thái ủ hoặc chuẩn hóa với các quy trình thích hợp và xử lý nhiệt sau hàn khi cần thiết.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 100Cr6 và 100CrMnSi6 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và phải được quản lý thông qua lớp phủ hoặc chất ức chế.
• Các phương pháp bảo vệ thông thường: mạ kẽm, mạ điện, chuyển đổi phosphate, sơn hữu cơ, bề mặt phủ dầu hoặc thấm nitơ/thấm cacbon sau đó là bịt kín thích hợp.
• Tiêu chuẩn PREN không áp dụng được vì đây không phải là loại thép không gỉ. Đối với thép không gỉ, người ta sẽ sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng chỉ số này không liên quan đến thép chịu lực cacbon cao không phải thép không gỉ.
• Đối với các bộ phận ổ trục, việc giảm thiểu ăn mòn thường tập trung vào các chiến lược bôi trơn, các giải pháp thay thế bằng thép không gỉ (nếu ăn mòn là chính) hoặc lớp phủ hy sinh tại chỗ.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Khả năng gia công: Trong điều kiện ủ, cả hai loại đều gia công khá tốt, nhưng hàm lượng Mn và Si cao hơn có thể làm cho 100CrMnSi6 cứng hơn một chút và có thể gây mài mòn dụng cụ hơn. Hàm lượng cacbon và cacbua cao trong cả hai loại đều làm giảm tuổi thọ dụng cụ khi tôi cứng.
• Tạo hình/uốn nguội: Hạn chế đối với cả hai loại do hàm lượng carbon cao — tạo hình thường được thực hiện trong điều kiện ủ mềm hơn với khả năng bù độ đàn hồi thích hợp.
• Mài/hoàn thiện: Nhu cầu về độ hoàn thiện bề mặt đạt chuẩn chịu lực khiến việc mài trở nên quan trọng; phân bố cacbua của 100Cr6 được tối ưu hóa để có thể dự đoán được hành vi mài. 100CrMnSi6 có thể cần điều chỉnh các thông số mài nếu hình thái cacbua khác nhau.
• Biến dạng do xử lý nhiệt: 100CrMnSi6 thường có ít biến đổi cứng hơn qua từng phần, điều này có thể làm giảm một số nguy cơ biến dạng ở các bộ phận lớn hơn.

8. Ứng dụng điển hình

100Cr6	100CrMnSi6
Vòng bi lăn (bi, con lăn), trục chính xác, rãnh vòng bi yêu cầu các đặc tính cổ điển 52100	Các bộ phận chịu mài mòn, trục tiết diện trung bình, con lăn, các bộ phận cần tôi xuyên suốt tốt hơn và nơi có quy mô sản xuất lớn hơn
Các thành phần mặt đất có độ chính xác cao với yêu cầu chịu mỏi chặt chẽ	Các thành phần đòi hỏi độ cứng cao hơn đối với đường kính lớn hơn hoặc mặt cắt ngang dày hơn
Các ứng dụng mà sự phân bố crom cacbua đã được chứng minh cho mỏi tiếp xúc lăn là rất quan trọng	Các ứng dụng mà hiệu suất chi phí ủng hộ việc hợp kim hóa hơi khác nhau (Mn/Si cao hơn) để dễ dàng xử lý nhiệt trong sản xuất

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 100Cr6 khi hiệu suất ổ trục cổ điển với khả năng chịu mỏi khi tiếp xúc lăn đã được chứng minh là ưu tiên và tiết diện từ nhỏ đến trung bình. - Chọn 100CrMnSi6 khi các phần hoặc bộ phận lớn hơn yêu cầu độ cứng đáng tin cậy hơn và kiểm soát xử lý nhiệt đơn giản hơn một chút là ưu tiên, đồng thời vẫn muốn có khả năng chống mài mòn cao.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Cả hai đều là thép cacbon cao thông dụng; 100Cr6 (52100) được tiêu chuẩn hóa trên toàn cầu và có sẵn rộng rãi — thường có giá ổn định. 100CrMnSi6 có thể có giá thấp hơn một chút hoặc tương đương tùy thuộc vào hỗn hợp của nhà cung cấp địa phương và chi phí hợp kim (chi phí Mn và Si).
• Tính khả dụng: 100Cr6 có sẵn trên toàn cầu ở dạng tròn, thanh và phôi chất lượng chịu lực. Tính khả dụng của 100CrMnSi6 phụ thuộc vào dòng sản phẩm nhà máy khu vực nhưng thường được cung cấp cho các sản phẩm rèn, thanh và một số tiết diện kéo nguội.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Hệ mét	100Cr6	100CrMnSi6
Khả năng hàn	Khó (C cao)	Khó hơn (độ cứng cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tuyệt vời cho các ứng dụng ổ trục (cacbua được tối ưu hóa)	Độ bền tương đương; cải thiện khả năng làm cứng xuyên suốt ở các phần lớn hơn
Trị giá	Tiêu chuẩn và có sẵn rộng rãi	Có thể so sánh được; có thể mang lại lợi thế sản xuất trong một số trường hợp

Khuyến nghị kết luận: - Chọn 100Cr6 nếu bạn cần loại thép chịu lực đã được thiết lập tốt với thành phần hóa học crom cacbua được tối ưu hóa cho khả năng chịu mỏi tiếp xúc lăn, độ ổn định kích thước chặt chẽ sau khi mài và khi tiết diện của các bộ phận từ nhỏ đến trung bình. - Chọn 100CrMnSi6 nếu ứng dụng của bạn yêu cầu khả năng chống mài mòn cacbon cao tương tự nhưng có khả năng làm cứng cao hơn đối với các phần sâu hơn hoặc khi lợi ích sản xuất (ví dụ: xử lý nhiệt dễ dàng hơn ở các bộ phận lớn hơn) vượt trội hơn so với các cân nhắc về hàn và gia công tăng nhẹ.

Các bước thực tế tiếp theo cho hoạt động mua sắm và kỹ thuật: - Xác định phương pháp xử lý nhiệt và mục tiêu về độ cứng hoặc phạm vi tính chất cơ học thay vì chỉ nêu một cấp độ. - Đối với các thiết kế hàn, hãy tham khảo thông số kỹ thuật về quy trình hàn và thực hiện kiểm định ở trạng thái ủ nếu có thể. - Đối với các bộ phận chịu lực hoặc chịu mỏi quan trọng, hãy yêu cầu nhà cung cấp chứng chỉ vật liệu và xác minh cấu trúc vi mô (phân bố cacbua, hàm lượng tạp chất) để đảm bảo tính nhất quán về hiệu suất.