20# so với 45# – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường lựa chọn thép cacbon loại 20# và 45# khi chỉ định thép cacbon thông thường cho trục, bánh răng, chốt và các bộ phận cơ khí nói chung. Quyết định này thường cân bằng giữa khả năng sản xuất (khả năng hàn, khả năng tạo hình và gia công), hiệu suất cơ học cần thiết (độ bền, độ cứng và độ dẻo dai) và các ràng buộc về chi phí.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này là hàm lượng carbon và sự khác biệt về tính chất cơ học cũng như phản ứng xử lý nhiệt. Vì thép 45# chứa nhiều carbon hơn đáng kể so với thép 20#, nên thép này đạt được độ bền và độ cứng cao hơn sau khi xử lý nhiệt, nhưng lại mất đi độ dẻo và đòi hỏi khắt khe hơn trong hàn và một số thao tác tạo hình. Những sự đánh đổi này khiến hai loại thép này bổ sung cho nhau cho các ứng dụng và quy trình gia công khác nhau.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB/T của Trung Quốc: 20# và 45# (tên gọi thường dùng trong nước).
• JIS: S20C (≈ 20#) và S45C (≈ 45#).
• AISI/ASTM: AISI 1020 (≈ 20#) và AISI 1045 (≈ 45#).
• EN: C20 và C45 (họ EN 10083; lưu ý thông số kỹ thuật chi tiết phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm và phương pháp xử lý nhiệt).

Phân loại: Cả thép 20# và 45# đều là thép cacbon thông thường (thép cacbon không hợp kim/hợp kim thấp), không phải thép không gỉ, thép HSLA hoặc thép dụng cụ. Chúng thường được cung cấp ở dạng cán nóng, thường hóa, ủ hoặc tôi và ram tùy thuộc vào ứng dụng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần hóa học điển hình (wt%) cho 20# và 45#. Các giá trị này là phạm vi đại diện được sử dụng để so sánh thông số kỹ thuật; nên tham khảo chứng nhận nhà cung cấp thực tế để biết thông số hóa học chính xác.

Yếu tố	20# (khối lượng điển hình%)	45# (khối lượng điển hình%)
C	0,17–0,24	0,42–0,50
Mn	0,25–0,60	0,50–0,80
Si	0,03–0,35	0,15–0,35
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	≤ 0,25 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	≤ 0,08 (vết)	≤ 0,08 (vết)
V	≤ 0,03 (vết)	≤ 0,03 (vết)
Lưu ý	≤ 0,03 (vết)	≤ 0,03 (vết)
Ti	≤ 0,03 (vết)	≤ 0,03 (vết)
B	≤ 0,001 (hiếm)	≤ 0,001 (hiếm)
N	≤ 0,012 (điển hình)	≤ 0,012 (điển hình)

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - Cacbon (C) là yếu tố chính quyết định độ bền và khả năng tôi luyện. C càng cao thì độ cứng và độ bền đạt được sau khi tôi càng cao, nhưng độ dẻo và khả năng hàn càng giảm. - Mangan (Mn) làm tăng khả năng tôi luyện và độ bền kéo, đồng thời chống lại hiện tượng giòn do lưu huỳnh; thép 45# thường có hàm lượng Mn cao hơn để cải thiện độ bền và khả năng tôi luyện. - Silic (Si) là chất khử oxy và góp phần tăng cường độ bền một cách khiêm tốn. - Các nguyên tố hợp kim vết (Cr, Ni, Mo, V) thường rất ít trong các loại thép này nhưng nếu có thì sẽ làm tăng khả năng tôi, độ bền và đôi khi là độ dẻo dai.

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

• 20#: Trong điều kiện cán hoặc chuẩn hóa thông thường, cấu trúc vi mô chủ yếu là ferit + peclit (thô hoặc mịn tùy thuộc vào quá trình làm nguội và chuẩn hóa). Hàm lượng cacbon thấp tạo ra hàm lượng ferit lớn hơn và hàm lượng peclit tương đối thấp. Chuẩn hóa/tinh chế làm giảm khoảng cách giữa các peclit và cải thiện đáng kể độ đồng đều và độ bền.
• 45#: Ở trạng thái cán hoặc chuẩn hóa, cấu trúc vi mô là ferit + perlit với thành phần perlit cao hơn và khoảng cách giữa các nhánh nhỏ hơn so với 20#. Do hàm lượng cacbon và Mn cao hơn, 45# có khả năng tôi cứng tốt hơn và có thể tạo thành martensite hoặc bainit khi tôi, sau đó được ram để tạo ra các cấu trúc vi mô tôi và ram (martensite ram) với độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn đáng kể.

Hiệu ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ phía trên Ac3) làm mịn hạt và tạo ra cấu trúc ferit-pearlit đồng nhất; cả hai loại đều có lợi, nhưng độ bền tăng rõ rệt hơn ở loại 45#. - Tôi và ram thường được áp dụng cho thép 45# để đạt được độ bền cao và khả năng chống mỏi. Thép 20# có khả năng tôi cứng hạn chế — tôi sẽ tạo ra hàm lượng martensite thấp và lợi ích hạn chế. - Ủ (ủ hoàn toàn) làm mềm vật liệu để gia công hoặc tạo hình; thép 20# dễ dàng ủ. Thép 45# có thể gia công được nhưng vẫn có độ bền cao hơn thép 20# chuẩn hóa.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình theo điều kiện chung (phạm vi đại diện; giá trị chính xác phụ thuộc vào dạng sản phẩm và xử lý nhiệt).

Tài sản	20# (ủ/chuẩn hóa)	45# (ủ/chuẩn hóa/tôi luyện)
Độ bền kéo (MPa)	≈ 350–550 (ủ → chuẩn hóa)	≈ 500–900 (ủ →QT)
Giới hạn chảy (MPa)	≈ 200–350	≈ 300–700
Độ giãn dài (A%)	≈ 20–30%	≈ 10–25% (giảm khi cứng lại)
Độ bền va đập (Charpy V)	Trung bình—tốt ở nhiệt độ phòng khi được chuẩn hóa	Tốt khi được tôi luyện đúng cách; kém hơn khi được tôi luyện cứng nếu không được tôi luyện
Độ cứng (HB hoặc HRC)	≈ 120–200 HB (ủ → chuẩn hóa)	≈ 150–300 HB (ủ →QT tùy thuộc vào nhiệt độ)

Giải thích: - Thép 45# có độ bền kéo và độ cứng cao hơn đáng kể sau khi xử lý nhiệt thích hợp, do có hàm lượng carbon và khả năng làm cứng cao hơn. - Thép 20# dẻo hơn và dễ tạo hình hơn; độ giãn dài và độ dẻo dai ở thép 20# thường cao hơn đối với quá trình gia công tương đương. - Độ bền va đập phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý—quá trình tôi luyện thích hợp sau khi làm nguội là rất quan trọng đối với thép 45# để tránh hiện tượng giòn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép cacbon thường bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hàm lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim thông qua các chỉ số cacbon tương đương. Các chỉ số phổ biến:

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

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Thép 20# (C thấp) thường có hàm lượng cacbon tương đương thấp, cho khả năng hàn tốt với nhiệt độ nung sơ bộ thấp và hạn chế nguy cơ nứt hydro hoặc hình thành martensite cứng trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) hiếm khi được yêu cầu đối với độ dày tiêu chuẩn trong điều kiện bình thường. - 45# (C cao hơn và Mn cao hơn một chút) tạo ra lượng cacbon tương đương lớn hơn; quy trình hàn thường yêu cầu nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xem xét phương pháp hàn PWHT, đặc biệt đối với các tiết diện dày hoặc mối hàn cố định. Khả năng bị cứng HAZ và nứt nguội tăng lên nếu không sử dụng các biện pháp kiểm soát hàn phù hợp.

Thực hành hàn: - Sử dụng kim loại hàn phù hợp và gia nhiệt trước/PWHT phù hợp theo hướng dẫn của CE/Pcm. - Đối với các cụm hàn quan trọng làm bằng thép 45#, hãy cân nhắc sử dụng điện cực có hàm lượng hydro thấp hơn và tiến hành PWHT để tôi luyện vùng HAZ và giảm ứng suất dư.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 20# và 45# đều là thép cacbon thông thường không gỉ và không có khả năng chống ăn mòn vốn có. Các phương pháp bảo vệ thông thường bao gồm sơn, sơn tĩnh điện, tẩm dầu, xử lý phosphate và mạ kẽm (nhúng nóng hoặc mạ điện) tùy thuộc vào yêu cầu về môi trường và tuổi thọ sử dụng.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) được sử dụng cho hợp kim thép không gỉ và không áp dụng cho thép cacbon thông thường. Công thức ví dụ để đánh giá thép không gỉ:

$$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$

• Đối với môi trường dễ bị ăn mòn, hãy chọn lớp phủ bảo vệ hoặc cân nhắc sử dụng hợp kim không gỉ hoặc chống ăn mòn thay vì 20#/45#.

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

• Tạo hình và uốn cong: Thép 20# dễ tạo hình nguội và uốn cong hơn do có độ bền thấp hơn và độ dẻo cao hơn. Thép 45# cần nhiều lực hơn và có thể cần ủ trước khi tạo hình rộng rãi.
• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều gia công tốt trong điều kiện ủ. Thép 45# trong điều kiện ủ có thể dự đoán được và có thể tạo ra bề mặt hoàn thiện tốt hơn cho một số hoạt động tiện/mài do hàm lượng cacbon cao hơn giúp cải thiện quá trình hình thành phoi; tuy nhiên, thép 45# cứng hơn hoặc tôi cứng khó gia công hơn và khiến dụng cụ mài mòn nhanh hơn. Thép 20# có độ mài mòn dụng cụ thấp hơn trong quá trình gia công nói chung.
• Hoàn thiện bề mặt: 45# có thể được làm cứng và mài theo dung sai chặt chẽ (ví dụ, đối với trục và bề mặt chịu mài mòn) sau khi làm nguội và ram. 20# phù hợp khi dung sai chặt chẽ không đi kèm với yêu cầu độ cứng cao.
• Gia công nguội: 20# chịu được độ kéo nguội sâu hơn hoặc độ cán nguội lớn hơn so với 45# có thể bị nứt nếu không được ủ.

8. Ứng dụng điển hình

20# – Công dụng điển hình	45# – Công dụng điển hình
Các thành phần cấu trúc chung, ốc vít đầu nguội, cụm hàn, trục tải trọng thấp, trục cho tải trọng nhẹ, các bộ phận dập có thể định hình	Trục, trục xe, bánh răng, các bộ phận máy móc yêu cầu độ bền tôi và ram, thanh truyền, chốt, các bộ phận chịu mài mòn cần độ cứng và khả năng chống mỏi cao hơn
Khung chế tạo, rèn mục đích chung, trong đó khả năng hàn và khả năng định hình là ưu tiên hàng đầu	Các bộ phận được xử lý nhiệt để truyền lực, trục khuỷu trong các ứng dụng nhẹ, chốt định vị cứng và ổ trục

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 20# khi ưu tiên khả năng hàn, khả năng tạo hình và chi phí thấp và khi yêu cầu về độ bền ở mức trung bình. - Chọn 45# khi thiết kế yêu cầu độ bền kéo, độ cứng hoặc tuổi thọ chịu mỏi cao hơn và khi các bộ phận sẽ được xử lý nhiệt để đạt được các đặc tính này.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Cả hai loại thép này đều là thép thông dụng với nhiều dạng thanh, tấm và rèn. Thép 20# thường có chi phí nguyên liệu thô thấp nhất do hàm lượng carbon thấp hơn và quá trình gia công đơn giản hơn cho nhiều ứng dụng.
• Thép 45# có giá cao hơn một chút, chủ yếu do hàm lượng carbon cao hơn và được sử dụng thường xuyên hơn trong các sản phẩm hoàn thiện đã qua xử lý nhiệt và mài. Tổng chi phí linh kiện cần bao gồm cả chi phí xử lý nhiệt và gia công — các bộ phận làm từ thép 45# thường phát sinh thêm chi phí gia công (tôi, ram, mài).
• Thời gian hoàn thành thường ngắn đối với các hình dạng tiêu chuẩn; các hình dạng đặc biệt hoặc phương pháp xử lý nhiệt cụ thể có thể làm tăng thời gian hoàn thành.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Thuộc tính	20#	45#
Khả năng hàn	Xuất sắc (C thấp, CE thấp)	Trung bình đến khó (C cao hơn, CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai/độ bền cao hơn	Độ bền cao hơn có thể đạt được, độ dẻo giảm nếu được làm cứng
Trị giá	Chi phí nguyên liệu thô thấp hơn; chế biến đơn giản hơn	Chi phí vật liệu cao hơn một chút; chi phí xử lý thường cao hơn

Khuyến nghị cuối cùng: - Chọn 20# nếu: thiết kế của bạn yêu cầu khả năng hàn và tạo hình tốt, độ bền vừa phải là đủ, nhạy cảm về chi phí cao hoặc các thành phần sẽ được nối lại bằng cách hàn với quá trình gia nhiệt trước và PWHT tối thiểu. - Chọn 45# nếu: bộ phận cần độ bền, độ cứng hoặc khả năng chống mỏi cao hơn có thể đạt được bằng cách làm nguội và ram (ví dụ: trục, bánh răng, chốt) và bạn có thể đáp ứng các điều khiển hàn nghiêm ngặt hơn, làm nóng trước và có thể thực hiện PWHT hoặc các hoạt động gia công bổ sung.

Lưu ý kết luận: Luôn kiểm tra các chứng chỉ hóa học và cơ học thực tế từ nhà cung cấp và xác nhận quy trình hàn dựa trên hàm lượng carbon tương đương và hình dạng chi tiết. Đối với các bộ phận quan trọng, hãy thực hiện các thử nghiệm xử lý nhiệt và thử nghiệm cơ học đại diện cho quy trình sản xuất cuối cùng để đảm bảo loại thép được chọn đáp ứng các yêu cầu về chức năng và vòng đời.