20Cr so với 20CrMnTi – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

20Cr và 20CrMnTi là hai loại thép thấm cacbon được sử dụng rộng rãi trong truyền động và các bộ phận máy móc. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa 20Cr đơn giản hơn và 20CrMnTi hợp kim vi mô khi thiết kế bánh răng, trục, rãnh và các bộ phận tôi cứng vỏ khác. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm cân bằng chi phí với độ bền lõi và khả năng chống mỏi, lựa chọn mác thép có độ tôi cao hơn hoặc kiểm soát hạt tốt hơn, và lựa chọn loại thép đáp ứng các yêu cầu về xử lý nhiệt và hàn.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là 20CrMnTi bổ sung mangan và titan (và các điều chỉnh hợp kim vi mô khác) để tăng cường khả năng tôi cứng, tinh chế hạt và độ ổn định của vỏ cacbua. Những khác biệt này khiến 20CrMnTi trở nên ưu việt khi cần tôi cứng vỏ sâu hơn, cải thiện tính chất lõi và khả năng chống giòn tôi tốt hơn, trong khi 20Cr vẫn là lựa chọn kinh tế cho các chi tiết cacbua chịu tải trung bình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tài liệu tham khảo quốc gia và quốc tế phổ biến nơi các cấp độ này xuất hiện hoặc có giá trị tương đương:
• GB (Trung Quốc): 20Cr, 20CrMnTi (ký hiệu được sử dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn của Trung Quốc)
• JIS (Nhật Bản): thép thấm cacbon có tính chất hóa học tương tự (ví dụ: thép tương đương dòng SC)
• EN (Châu Âu): tương đương với một số loại thép thấm cacbon loại 15–20Cr (nhưng hãy kiểm tra số EN chính xác)
• ASTM/ASME: thép thấm cacbon được quy định trong thông số kỹ thuật chung cho thép hợp kim dùng để tôi và ram; có thể không tồn tại các ký hiệu AISI/ASTM trực tiếp một-một nên cần phải tham chiếu chéo
• Phân loại: cả hai đều là thép hợp kim thấm cacbon (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, không phải HSLA). Chúng được thiết kế để tôi vỏ nhằm tạo ra bề mặt cứng, chống mài mòn và lõi dẻo dai hơn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình (wt%) được sử dụng trong mô tả công nghiệp. Phạm vi chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà sản xuất—hãy sử dụng chứng chỉ nhà máy để mua sắm.

Yếu tố	20Cr (khối lượng điển hình%)	20CrMnTi (khối lượng điển hình%)
C	0,17–0,24	0,17–0,24
Mn	0,25–0,60	0,50–0,80
Si	0,15–0,35	0,15–0,35
P	≤0,035	≤0,035
S	≤0,035	≤0,035
Cr	0,90–1,30	0,90–1,30
Ni	≤0,30	≤0,30
Mo	≤0,10	≤0,10
V	-/dấu vết	-/dấu vết
Lưu ý	-/dấu vết	-/dấu vết
Ti	—/dấu vết (thường là không có)	0,02–0,08
B	—	—
N	dấu vết	dấu vết

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon: đặt ở mức thấp đến trung bình để cho phép thấm cacbon (lõi cacbon thấp để tăng độ dẻo dai) trong khi cho phép bề mặt có hàm lượng cacbon cao sau khi thấm cacbon để tăng độ cứng. - Crom: cải thiện khả năng làm cứng và khả năng chịu nhiệt của vỏ thép cacbon và giúp chống mài mòn. - Mangan: tăng khả năng tôi luyện và độ bền kéo; hàm lượng Mn cao hơn trong 20CrMnTi làm tăng độ sâu tôi luyện và độ bền lõi. - Titan: hợp kim vi mô với Ti giúp tinh chỉnh kích thước hạt, liên kết nitơ, ổn định cacbua/nitrit và có thể cải thiện khả năng chống mỏi và độ dẻo dai sau khi xử lý nhiệt. - Silic: hỗ trợ quá trình khử oxy và có thể làm tăng độ bền của ferit. - Hàm lượng P, S thấp: giúp tăng độ dẻo dai và khả năng chống mỏi.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Thấm cacbon (trước khi tôi cuối cùng): lõi ferritic/perlitic ít cacbon với lớp vỏ austenitic giàu cacbon (cacbon cao hơn) ở cả hai cấp. - Sau khi tôi và ram (phương pháp thấm cacbon thông thường): lớp vỏ martensitic hoặc bainit cứng với các túi austenit giữ lại gần bề mặt ngoài cùng; lõi martensitic hoặc ferritic-pearlitic có hàm lượng cacbon thấp hơn đã ram.

Các tuyến xử lý nhiệt ảnh hưởng đến từng cấp độ như thế nào: - Chuẩn hóa: cả hai loại đều đáp ứng chuẩn hóa với các vi cấu trúc ferritic-pearlitic đồng nhất, tinh chế; hàm lượng Ti của 20CrMnTi cải thiện độ tinh chế hạt khi chuẩn hóa. - Thấm cacbon + tôi + ram (tuyến tiêu chuẩn): cả hai đều được thiết kế cho tuyến này. 20Cr sẽ tạo ra vỏ và lõi dẻo phù hợp cho các bánh răng chịu tải tiêu chuẩn. 20CrMnTi, nhờ hàm lượng Mn và Ti cao hơn, đạt được độ cứng sâu hơn và lõi nhìn chung cứng hơn sau khi ram; nó cũng duy trì kích thước hạt austenit mịn hơn, giúp cải thiện khả năng chống mỏi. - Làm nguội và ram mà không thấm cacbon: không điển hình đối với các loại thép có hàm lượng cacbon thấp này vì hàm lượng cacbon cơ bản của chúng thấp; lợi ích của quá trình hợp kim hóa vi mô ít được tận dụng. - Xử lý nhiệt cơ học: 20CrMnTi hợp kim vi mô được hưởng lợi từ quá trình cán có kiểm soát để tinh chỉnh hạt hơn nữa và cải thiện độ dẻo dai; 20Cr ít bị ảnh hưởng bởi các tác động của hợp kim vi mô.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào lịch trình xử lý nhiệt cụ thể (độ sâu lớp phủ, mức độ tôi, nhiệt độ ram). Bảng dưới đây so sánh chất lượng của các loại thép trong điều kiện thấm cacbon và tôi/ram điển hình.

Tài sản	20Cr	20CrMnTi
Độ bền kéo (sau HT)	Trung bình (độ bền bề mặt theo trường hợp)	Cao hơn (cải thiện lõi và làm cứng xuyên suốt)
Độ bền kéo (lõi)	Vừa phải	Cao hơn (khả năng làm cứng lõi tốt hơn)
Độ giãn dài (độ dẻo, lõi)	Độ dẻo tốt hơn trong quá trình xử lý nhiệt vừa phải thông thường	Độ dẻo giảm nhẹ nếu được làm cứng cao, nhưng độ dẻo dai được giữ lại tốt hơn do hạt được tinh chế
Độ bền va đập (lõi)	Tốt đến trung bình	Độ dẻo dai được cải thiện để có độ bền tương đương, nhờ tinh chế hạt Ti
Độ cứng (vỏ bề mặt)	Có thể đạt được cao (sau khi thấm cacbon)	Có thể đạt được độ cứng bề mặt tương tự; có xu hướng duy trì tính toàn vẹn của vỏ tốt hơn khi chịu tải

Giải thích: - 20CrMnTi thường đạt được độ bền kéo và giới hạn chảy lõi cao hơn sau cùng một quá trình thấm cacbon và tôi vì hàm lượng Mn cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng và Ti làm mịn kích thước hạt. Kết quả là khả năng chịu tải và hiệu suất mỏi tốt hơn cho các chi tiết có nhu cầu cao. - Độ cứng bề mặt đạt được bằng phương pháp tôi bề mặt là tương đương nhau khi sử dụng cùng một chu trình thấm cacbon, vì cacbon bề mặt quyết định độ cứng của martensite. Sự khác biệt nằm ở tính toàn vẹn của bề mặt, độ ổn định austenit giữ lại và khả năng chịu nhiệt.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và độ tôi. Hai chỉ số phổ biến:

Hiển thị công thức tính lượng cacbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Hiển thị công thức cho 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: - 20Cr: CE trung bình; gia nhiệt trước hợp lý và làm nguội có kiểm soát có thể tránh nứt nguội. Thông thường, nên tránh hàn trong điều kiện thấm cacbon cao hoặc thực hiện xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) khi cần thiết. - 20CrMnTi: rủi ro về khả năng hàn cao hơn một chút do hàm lượng Mn cao hơn (tăng $CE_{IIW}$) và các nguyên tố hợp kim vi mô như Ti ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô cục bộ và khả năng bị cứng trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. $P_{cm}$ đánh dấu Ti là một yếu tố góp phần gây rủi ro về khả năng hàn. Trên thực tế, hàn cả hai loại thép đều yêu cầu nung nóng trước, nhiệt độ lớp hàn thấp và vật liệu trám thích hợp; hàn bề mặt thấm cacbon thường được tránh khi chức năng phụ thuộc vào đặc tính của vỏ thép. - Lưu ý thực tế: Việc sửa chữa trên bề mặt thấm cacbon phải tuân theo các quy trình nghiêm ngặt (mài lớp vỏ cứng, nung nóng cục bộ, sử dụng kim loại hàn tương thích, PWHT) và các nhà thiết kế thường chỉ định các mối hàn bu lông hoặc rèn ở những nơi hàn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 20Cr và 20CrMnTi đều là thép hợp kim không gỉ; chúng không có khả năng chống ăn mòn vốn có trong môi trường khắc nghiệt.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: sơn, tra dầu, phốt phát hóa, oxit đen và mạ kẽm (nhúng nóng hoặc điện phân) nếu cần. Đối với các chi tiết thấm cacbon chịu tải nặng, việc mạ kẽm trên bề mặt tiếp xúc thường được tránh do nguy cơ nứt lớp phủ và giòn do hydro nếu không được kiểm soát đúng cách.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này; để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Nhưng điều này chỉ áp dụng cho hợp kim không gỉ—không sử dụng cho lựa chọn 20Cr/20CrMnTi.
• Dung sai ăn mòn: khi ăn mòn là mối quan tâm, hãy chọn phương pháp xử lý bề mặt tương thích với độ cứng và yêu cầu về độ mỏi của vỏ (ví dụ, hệ thống song công, lớp phủ gốm mỏng được áp dụng trước khi mài cuối cùng chỉ với các quy trình đã được xác nhận).

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

• Khả năng gia công: cả hai loại đều có khả năng gia công tương đối ở điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ. 20CrMnTi có thể khó gia công hơn một chút do hàm lượng Mn cao hơn và sự hiện diện của cacbua/nitrit Ti; sự khác biệt trong thực tế là không đáng kể.
• Gia công cứng: sau khi thấm cacbon và tôi, cả hai loại thép đều cần mài hoặc gia công cứng để hoàn thiện vỏ thép. Các bề mặt đã tôi cứng vỏ thép cần được mài đến kích thước cuối cùng; có thể tiện cứng bằng dụng cụ phù hợp trong quá trình sản xuất.
• Khả năng tạo hình và uốn: trong điều kiện nền ít cacbon (trước khi thấm cacbon), cả hai đều tạo hình tương tự nhau. Không khuyến khích tạo hình sau khi thấm cacbon.
• Biến dạng do xử lý nhiệt: Độ cứng cao hơn của 20CrMnTi có thể làm tăng nguy cơ biến dạng do làm nguội nếu không được kiểm soát; thiết kế hình học và đồ gá, lựa chọn môi trường làm nguội và thực hành ram là rất quan trọng.

8. Ứng dụng điển hình

20Cr (sử dụng phổ biến)	20CrMnTi (sử dụng phổ biến)
Bánh răng, bánh răng trụ, bánh răng khía chịu tải vừa phải	Bánh răng chịu tải nặng, bánh răng lớn và trục truyền động tải trọng cao
Trục và trục cho máy móc nói chung	Các thành phần yêu cầu vỏ sâu hơn và sức mạnh lõi cao hơn (trục hộp số gió, bánh răng xe hạng nặng)
Bánh răng, trục cam trong dịch vụ nhẹ hơn	Các bộ phận tiếp xúc với tải trọng động và mỏi trong đó việc tinh chỉnh hạt có lợi
Chốt và ống lót thấm cacbon thông thường	Các bộ phận chế hòa khí chịu lực cao và các bộ phận truyền động quan trọng về an toàn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 20Cr khi độ nhạy về chi phí là đáng kể và chu kỳ hoạt động ở mức trung bình—độ cứng vỏ máy đủ với lõi dẻo ở chi phí vật liệu thấp hơn. - Chọn 20CrMnTi khi cần độ cứng sâu hơn, độ bền lõi tốt hơn, tuổi thọ chịu mỏi được cải thiện và cấu trúc vi mô được tinh chỉnh mặc dù chi phí vật liệu cao hơn và khả năng kiểm soát xử lý nhiệt có thể nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 20Cr thường là lựa chọn kinh tế hơn vì nó chứa ít hợp kim bổ sung hơn và kiểm soát quá trình nấu chảy/xử lý đơn giản hơn. 20CrMnTi có giá cao hơn để bổ sung thêm hợp kim Mn và Ti và kiểm soát quá trình xử lý chặt chẽ hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường được sản xuất bởi các nhà máy thép cung cấp thép rèn, thép thanh và thép phôi ở những khu vực có ngành sản xuất máy móc hạng nặng. Thép 20Cr có xu hướng được cung cấp rộng rãi hơn ở dạng thanh và phôi thép rèn tiêu chuẩn; thép 20CrMnTi có thể cần đặt hàng từ các nhà máy hoặc nhà phân phối cung cấp thép thấm cacbon hợp kim vi mô.
• Hình dạng sản phẩm: cả hai đều có sẵn dưới dạng thanh, rèn và phôi gia công. Vui lòng ghi rõ chứng chỉ nhà máy và điều kiện xử lý nhiệt để đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	20Cr	20CrMnTi
Khả năng hàn	Trung bình (tốt hơn thép hợp kim cao)	Thấp hơn một chút (hàm lượng CE và hợp kim vi mô cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Phù hợp cho nhiệm vụ tiêu chuẩn	Cải thiện độ bền và độ cứng của lõi cho độ cứng tương tự vỏ máy
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Sự giới thiệu: - Chọn 20Cr nếu: - Ứng dụng này yêu cầu thép thấm cacbon tiêu chuẩn cho tải trọng vừa phải và nhu cầu chịu mỏi. - Chi phí và tính khả dụng rộng rãi là ưu tiên hàng đầu. - Yêu cầu về độ sâu của vỏ là nông đến trung bình và xử lý nhiệt thông thường là đủ. - Chọn 20CrMnTi nếu: - Bộ phận cần có độ cứng cao hơn, độ bền lõi cao hơn hoặc khả năng chống mỏi vượt trội. - Việc tinh chỉnh hạt và cải thiện khả năng chịu nhiệt là rất quan trọng (ví dụ, các bộ phận chịu mỏi chu kỳ cao). - Bạn chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn một chút để có hiệu suất tốt hơn và có thể kiểm soát quá trình xử lý nhiệt (làm nguội, ram) một cách chính xác.

Lưu ý cuối cùng: Luôn ghi rõ độ sâu lớp thấm cacbon, độ cứng bề mặt, độ cứng/độ dai lõi, và bất kỳ yêu cầu xử lý nhiệt hoặc bảo vệ bề mặt sau hàn nào trong hồ sơ mua sắm và bản vẽ. Xác nhận chứng chỉ nhà máy và hồ sơ xử lý nhiệt cho từng lô: hiệu suất thực tế chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học chính xác được cung cấp và độ nghiêm ngặt của quy trình xử lý chứ không chỉ dựa vào tên mác danh nghĩa.