100Cr6 so với 100CrMo7 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

100Cr6 và 100CrMo7 là hai loại thép chịu lực crôm cacbon cao thường được sử dụng cho ổ trục con lăn, trục và các chi tiết chịu mài mòn quan trọng khác. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường xuyên cân nhắc giữa chi phí, khả năng tôi, độ bền và độ phức tạp trong quá trình gia công khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc liệu việc tôi xuyên suốt và độ bền nhiệt độ cao có biện minh cho việc tăng chi phí hợp kim và kiểm soát nhiệt luyện cao hơn một chút hay không, hay liệu tính chất hóa học đơn giản hơn của cấp cơ sở có phù hợp hơn với thực tiễn sử dụng ổ trục đã được thiết lập hay không.

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim giữa hai loại thép này là việc bổ sung molypden một cách có chủ đích vào 100CrMo7 để cải thiện khả năng tôi và khả năng chịu nhiệt. Sự thay đổi hợp kim đơn lẻ này làm thay đổi phản ứng xử lý nhiệt, duy trì các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao, và ở mức độ thấp hơn là khả năng hàn và chi phí — lý do tại sao hai loại thép này thường được so sánh trong thiết kế chi tiết.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 100Cr6
• Các đơn vị tương đương quốc tế phổ biến: ký hiệu EN 100Cr6 (số vật liệu 1.3505), thép chịu lực ISO; thường tương ứng với AISI 52100 theo danh pháp của Hoa Kỳ.
• Thể loại: Thép chịu lực có hàm lượng crom cacbon cao (nhóm thép dụng cụ/thép chịu lực).
• 100CrMo7
• Ký hiệu EN: 100CrMo7 (được sử dụng trong thông số kỹ thuật của Châu Âu đối với thép chịu lực hợp kim).
• Thể loại: Thép hợp kim/ổ trục crom-molypden hàm lượng cacbon cao (thép hợp kim/ổ trục dụng cụ).

Tiêu chuẩn liên quan (nếu có): EN (Châu Âu), ISO (tiêu chuẩn thép chịu lực) và các thông số kỹ thuật khác nhau của nhà sản xuất. Chúng không phải là thép không gỉ; chúng là thép hợp kim có hàm lượng carbon cao, dùng để tôi và ram.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình (% khối lượng) được trích dẫn trong các thông số kỹ thuật thường dùng cho các loại này. Giới hạn chính xác khác nhau tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp; tham khảo bảng tiêu chuẩn cụ thể để biết giới hạn được chứng nhận.

Yếu tố	100Cr6 (khối lượng điển hình%)	100CrMo7 (khối lượng điển hình%)
C	0,95 – 1,05	0,95 – 1,05
Mn	0,25 – 0,45	0,25 – 0,45
Si	0,10 – 0,40	0,10 – 0,40
P	≤ 0,025	≤ 0,025
S	≤ 0,025	≤ 0,025
Cr	1,30 – 1,65	~0,8 – 1,4
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	≤ 0,08 (vết)	0,10 – 0,30
V	Thông thường ≤ 0,05	Thông thường ≤ 0,05
Nb, Ti, B	Thông thường ≤ mức vết	Thông thường ≤ mức vết

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon (gần 1,0%) cung cấp nền tảng cho khả năng tôi luyện cao và độ cứng đạt được sau khi tôi và ram; đây là yếu tố chính tạo nên khả năng chống mài mòn. - Crom (~1–1,6%) làm tăng khả năng tôi luyện, góp phần hình thành cacbua (cải thiện khả năng chống mỏi và chống mài mòn) và làm mịn hạt khi được kiểm soát. - Molypden (có trong 100CrMo7 ở mức vừa phải) làm tăng khả năng tôi luyện hiệu quả hơn crom trên mỗi trọng lượng, cải thiện khả năng chống ram (duy trì độ bền cao hơn sau khi ram) và giảm nguy cơ nứt do tôi bằng cách cho phép tốc độ tôi luyện chậm hơn đối với mục tiêu độ cứng lõi nhất định. - Mangan và silic có tác dụng khử oxy và hỗ trợ độ bền/khả năng làm cứng.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Khi cán/chuẩn hóa: cả hai loại đều có cấu trúc vi mô perlit hoặc ferrito-perlit tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và quá trình xử lý trước đó. - Sau khi tôi và ram: ma trận martensitic với quần thể cacbua giàu crom. 100Cr6 thường tạo thành cacbua crom mịn, phân bố đều; 100CrMo7 cho thấy tính chất hóa học cacbua tương tự nhưng có sự phân bố molypden vào ma trận và cacbua, giúp ổn định cacbua và tinh chỉnh phản ứng ram.

Hành vi xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa giúp cải thiện kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô cho cả hai loại. - Quá trình tôi (austenit hóa tiếp theo là tôi) chuyển đổi cấu trúc vi mô thành martensite. Do molypden làm tăng khả năng tôi hiệu quả, 100CrMo7 đạt được độ tôi xuyên suốt (độ cứng lõi sâu hơn) lớn hơn cho một mặt cắt và mức độ tôi nhất định so với 100Cr6. - Quá trình ram làm giảm độ bền martensitic nhưng lại cải thiện độ dẻo dai. Molypden trong 100CrMo7 làm tăng khả năng chịu ram, nghĩa là ở cùng nhiệt độ ram, 100CrMo7 vẫn giữ được độ bền/độ cứng cao hơn một chút so với 100Cr6, đồng thời ít bị mềm hơn ở nhiệt độ ram cao. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát và làm nguội nhanh) có thể tinh chế thêm cacbua và martensite ở cả hai loại; hợp kim chứa Mo có lợi hơn ở các phần dày do khả năng làm cứng lõi được cải thiện.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt (mục tiêu độ cứng) và kích thước tiết diện. Bảng sau đây thể hiện phạm vi tính chất tiêu biểu cho các điều kiện tôi và ram điển hình cho các ứng dụng ổ trục.

Tài sản	100Cr6 (điển hình, tôi luyện/làm cứng)	100CrMo7 (điển hình, tôi luyện/làm cứng)
Độ bền kéo (MPa)	~1000 – 2200 (tùy thuộc vào độ cứng)	~1100 – 2300
Giới hạn chảy (MPa)	Không phải lúc nào cũng được chỉ định cho thép chịu lực; ước tính thấp hơn độ bền kéo	Cao hơn một chút ở độ cứng tương đương do Mo
Độ giãn dài (%)	5 – 15 (giảm dần khi độ cứng tăng dần)	5 – 15 (phạm vi tương tự)
Độ bền va đập (Charpy, J)	Thấp hơn ở độ cứng rất cao; vừa phải với điều kiện ôn hòa	Độ dẻo dai thường cao hơn một chút ở độ cứng lõi tương tự ở các phần lớn hơn do quá trình tôi xuyên suốt tốt hơn
Độ cứng (HRC)	Thông thường là 58 – 66 HRC cho vòng bi/bóng	Thông thường là 58 – 66 HRC; dễ đạt được độ cứng lõi ở các phần lớn hơn

Giải thích: - Độ bền và độ cứng đạt được tương đương nhau khi cả hai đều được tôi luyện hoàn toàn; tuy nhiên, 100CrMo7 thường đạt được độ cứng lõi tương đương hoặc cao hơn một chút ở các bộ phận lớn hơn do khả năng tôi luyện được tăng lên. - Độ dẻo dai ở độ cứng bề mặt nhất định có thể tốt hơn đối với 100CrMo7 ở các phần dày hơn vì lõi ít ​​có khả năng mềm và dễ uốn hơn so với 100Cr6 khi quá trình làm nguội không quá nghiêm trọng. - Độ dẻo bị hạn chế ở cả hai loại do hàm lượng cacbon cao; các nhà thiết kế nên tránh thiết kế quá mức các phần mỏng với mong đợi có chế độ hỏng dẻo.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị hạn chế ở cả hai loại do hàm lượng carbon gần 1% và khả năng làm cứng đáng kể; thường yêu cầu xử lý nhiệt trước và sau khi hàn (PWHT).

Công thức tương đương cacbon hữu ích: - Viện Hàn Quốc tế quy đổi cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ - Công thức Dearden và O'Neill Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai loại đều tạo ra giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao do hàm lượng cacbon và hợp kim cao; điều này cho thấy nguy cơ nứt cao nếu không được kiểm soát cẩn thận. - 100CrMo7 thường có điểm số cao hơn một chút về độ cứng do có molypden; điều này có thể dẫn đến khả năng nứt nguội cao hơn ở các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn nếu sử dụng cùng quy trình hàn. Do đó, 100CrMo7 thường yêu cầu gia nhiệt trước thận trọng hơn và làm nguội chậm hơn hoặc bắt buộc phải hàn nóng chảy (PWHT) so với 100Cr6. - Đối với các sản phẩm sửa chữa hoặc hàn, hãy cân nhắc các thiết kế thay thế (buộc chặt bằng cơ khí, hàn bằng đồng) hoặc các quy trình hàn chuyên dụng do thợ hàn có trình độ thực hiện với quá trình tôi luyện sau hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Cả 100Cr6 và 100CrMo7 đều không phải là thép không gỉ; hàm lượng crom (≈1–1,6%) của chúng không đủ để tạo nên tính chất không gỉ. Các chiến lược chống ăn mòn được sử dụng trong công nghiệp bao gồm: - Lớp phủ bề mặt: mạ điện (kẽm, niken), lắng đọng hơi vật lý cho dụng cụ, lớp phủ chuyển đổi. - Mạ kẽm (đối với những bộ phận có hình dạng cho phép và lớp phủ kẽm được chấp nhận). - Sơn và bôi trơn bằng dầu/mỡ cho ổ trục và trục. - Khi tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt, thấm nitơ hoặc tôi cứng kết hợp với lớp phủ hy sinh có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng.

PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Nếu khả năng chống ăn mòn là yếu tố chính trong thiết kế, hãy chuyển sang các loại ổ trục thép không gỉ (sau đó đánh giá bằng cách sử dụng, ví dụ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ ) thay vì cố gắng dựa vào 100Cr6 hoặc 100CrMo7.

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

• Khả năng gia công: Trong điều kiện ủ (mềm), cả hai loại thép đều gia công tương tự nhau; hàm lượng carbon cao và hàm lượng carbide làm giảm khả năng gia công so với thép carbon thấp. Các chi tiết được tôi cứng thường có dụng cụ (lưỡi dao carbide, thiết lập cứng, tốc độ cắt phù hợp) và thay đổi dụng cụ thường xuyên.
• Khả năng tạo hình: Tạo hình nguội bị hạn chế khi thép ở trạng thái ủ hoàn toàn nhưng vẫn giàu cacbon; tạo hình nóng hoặc rèn là phương pháp điển hình trước khi xử lý nhiệt cuối cùng. Không khuyến khích uốn và dập ở trạng thái tôi cứng.
• Hoàn thiện: Mài và hoàn thiện siêu mịn là tiêu chuẩn cho bề mặt ổ trục. Độ ổn định của cacbua 100CrMo7 có thể làm tăng nhẹ độ mài mòn của dụng cụ trong quá trình mài so với 100Cr6, nhưng lợi ích sẽ được nhận thấy trong suốt thời gian sử dụng.

8. Ứng dụng điển hình

100Cr6 (ứng dụng điển hình)	100CrMo7 (ứng dụng điển hình)
Vòng bi lăn (bi, con lăn, rãnh) cho các ứng dụng công nghiệp nói chung	Vòng bi và các thành phần vòng bi cho các phần lớn hơn hoặc nơi cần độ cứng lõi sâu hơn
Trục, trục chính và các thành phần chính xác trong đó độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn là chính	Trục chịu tải nặng hơn, con lăn lớn và các thành phần cần cải thiện khả năng chống tôi và tôi luyện
Bánh răng và dụng cụ chèn có kích thước từ nhỏ đến trung bình (với xử lý nhiệt thích hợp)	Các bộ phận tiếp xúc với nhiệt độ vận hành cao hơn hoặc tải trọng tuần hoàn trong đó khả năng chống làm mềm nhiệt là có lợi
Chốt và ống lót chịu mài mòn cao trong môi trường được kiểm soát	Các thành phần có phần dày hơn phải đạt được độ cứng đồng đều mà không bị dập tắt quá mức

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 100Cr6 cho các chi tiết từ nhỏ đến trung bình với điều kiện làm nguội được kiểm soát tốt sẽ đạt được các tính chất bề mặt và lõi cần thiết một cách kinh tế. - Chọn 100CrMo7 khi hình dạng bộ phận hoặc nhu cầu dịch vụ đòi hỏi phải tôi cứng hơn, khả năng chịu nhiệt tốt hơn hoặc độ dẻo dai tốt hơn một chút ở các phần lớn hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 100CrMo7 thường đắt hơn 100Cr6 tính theo kg do hàm lượng molypden. Mức chênh lệch này khá khiêm tốn khi mua theo lô nhỏ nhưng có thể đáng kể khi sản xuất số lượng lớn.
• Tính khả dụng: 100Cr6 (AISI 52100) là một trong những loại thép chịu lực phổ biến nhất trên toàn thế giới, được cung cấp dưới dạng thanh, vòng và bi thành phẩm. 100CrMo7 được cung cấp rộng rãi nhưng có thể ít phổ biến hơn ở một số thị trường và dạng sản phẩm; một số kích thước thanh và sản phẩm rèn đặc biệt có thể có thời gian giao hàng.
• Dạng sản phẩm: Cả hai đều có dạng thanh, vòng và rèn; các nhà cung cấp chuyên dụng cung cấp các biến thể khử khí chân không, độ sạch cao cho ổ trục chịu mỏi quan trọng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	100Cr6	100CrMo7
Khả năng hàn	Trung bình đến kém; cần gia nhiệt trước/PWHT cao	Tệ hơn một chút; độ cứng cao hơn làm tăng nguy cơ nứt
Độ bền – Độ dẻo dai tại phần	Độ cứng bề mặt cao; độ cứng lõi phụ thuộc vào quá trình làm nguội	Độ cứng bề mặt tương đương; khả năng chịu nhiệt và tôi luyện tốt hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (do Mo)

Khuyến nghị kết luận: - Hãy chọn 100Cr6 nếu bạn cần một loại thép chịu lực đã được chứng minh hiệu quả về mặt chi phí cho các chi tiết vừa và nhỏ, nơi quy trình tôi luyện tiêu chuẩn đảm bảo độ cứng bề mặt và lõi cần thiết một cách đáng tin cậy. Đây là lựa chọn hàng đầu trong ngành cho nhiều ứng dụng liên quan đến con lăn. - Chọn 100CrMo7 nếu các thành phần của bạn dày hơn hoặc lớn hơn, yêu cầu độ cứng lõi đồng đều hơn hoặc sẽ hoạt động ở nhiệt độ và điều kiện ram mà khả năng chống ram được cải thiện và độ bền duy trì cao hơn một chút là có lợi — và khi chi phí vật liệu tăng nhẹ và quy trình xử lý nhiệt/hàn nghiêm ngặt hơn được chấp nhận.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn chính xác cần được xác thực dựa trên hình dạng chi tiết, tải trọng làm việc dự kiến, tuổi thọ chịu mỏi cần thiết và khả năng xử lý nhiệt và hoàn thiện hiện có. Đối với các chi tiết quan trọng, hãy yêu cầu nhà cung cấp báo cáo thử nghiệm hóa học và cơ học được chứng nhận và xem xét thử nghiệm chịu mỏi trên các mẫu đại diện.