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

Giới thiệu

20Cr và 20CrMo là hai loại thép thấm cacbon hợp kim thấp được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận truyền động, ô tô và máy móc nói chung. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường đánh giá chúng cho các chi tiết đòi hỏi bề mặt chống mài mòn kết hợp với lõi dẻo, chống mỏi (ví dụ: bánh răng, trục và bánh răng nhỏ). Vấn đề nan giải trong lựa chọn thường tập trung vào chi phí và tính khả dụng so với nhu cầu về độ tôi sâu hơn và độ bền lõi được cải thiện trong các chi tiết lớn hơn hoặc chịu tải trọng cao hơn.

Điểm khác biệt chính về mặt luyện kim là việc bổ sung molypden có kiểm soát vào thép 20CrMo, giúp tăng khả năng tôi cứng và khả năng chống làm mềm khi ram so với thép 20Cr không chứa Mo. Vì cả hai loại thép này đều được thiết kế là thép thấm cacbon, chúng thường được so sánh khi chỉ định các chi tiết được tôi cứng bề mặt, trong đó các đặc tính cơ học lõi, phản ứng xử lý nhiệt và khả năng hàn khác nhau đáng kể.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chung và họ tên gọi của các loại thép này bao gồm: - GB/T (Trung Quốc): 20Cr, 20CrMo (thép hợp kim thấm cacbon) - JIS (Nhật Bản): tồn tại các cấp thấm cacbon tương tự (ví dụ, các họ SNCM/SCM dành cho thép chịu Mo) - EN (Châu Âu): các chất tương đương gần đúng nằm trong họ 16MnCr5 / 18CrNiMo7 (lưu ý: sự trùng khớp trực tiếp một-một rất hiếm) - ASTM/ASME: không có tên trực tiếp chính xác; tham chiếu chéo thường được thực hiện bằng cách so sánh thành phần hóa học và các yêu cầu về tính chất Phân loại: cả hai đều là thép hợp kim dùng cho ứng dụng thấm cacbon (làm cứng bề mặt) — không phải thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc HSLA theo nghĩa hiện đại.

Luôn xác nhận tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chính xác được nêu trong đơn đặt hàng, vì ngưỡng thành phần và mức độ tạp chất được phép sẽ khác nhau tùy theo tiêu chuẩn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thành phần điển hình (phạm vi gần đúng theo trọng lượng %; tham khảo tiêu chuẩn kiểm soát hoặc Giấy chứng nhận phân tích của nhà cung cấp để biết giới hạn chính xác):

Yếu tố	20Cr điển hình (wt%)	20CrMo điển hình (wt%)
C	0,17 – 0,24	0,17 – 0,24
Mn	0,25 – 0,65	0,30 – 0,65
Si	0,10 – 0,35	0,10 – 0,35
P	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
S	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
Cr	0,50 – 1,10	0,30 – 0,70
Ni	≤ 0,40 (nếu có)	≤ 0,40 (nếu có)
Mo	≤ 0,08 (thường là tối thiểu)	0,15 – 0,30
V	≤ 0,08 (vết)	≤ 0,08 (vết)
Lưu ý	≤ 0,02 (vết)	≤ 0,02 (vết)
Ti	≤ 0,02 (vết)	≤ 0,02 (vết)
B	≤ 0,001 (vết)	≤ 0,001 (vết)
N	thường thấp (ppm)	thường thấp (ppm)

Tóm tắt chiến lược hợp kim: - Carbon được giữ ở mức vừa phải để cho phép thấm cacbon hiệu quả (C khối lượng thấp để chấp nhận cấu hình carbon bề mặt được làm giàu). - Crom có ​​khả năng làm cứng và chịu được một số tác động của nhiệt, góp phần tăng khả năng chống mài mòn và trầy xước cho vỏ máy. - Molypden trong 20CrMo là sự bổ sung có chủ đích: một lượng nhỏ làm tăng đáng kể khả năng làm cứng sâu, làm chậm nhiệt độ bắt đầu của martensite và cải thiện khả năng chống ram và ram quá mức ở các phần nặng hoặc dày. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) nếu có ở dạng vết có thể làm mịn kích thước hạt và tăng độ dẻo dai, nhưng chúng không phải là chất làm cứng chính trong các loại thép này.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cán mỏng hoặc chuẩn hóa: chủ yếu là ferit + perlit (ưu tiên perlit mịn). - Sau khi thấm cacbon + làm nguội: lớp vỏ bề mặt tạo thành martensite có hàm lượng cacbon cao (thường có austenit giữ lại tùy thuộc vào quá trình thấm cacbon và làm nguội); lõi chuyển thành martensite ram hoặc bainit ram tùy thuộc vào khả năng làm cứng và tốc độ làm nguội. - Sau khi ram: vỏ được ram martensite với carbide; lõi được ram martensite/bainite để tạo độ dẻo dai.

Các tuyến xử lý nhiệt ảnh hưởng đến chúng như thế nào: - Chuẩn hóa làm mịn kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô; cả hai loại đều có phản ứng tương tự nhau. - Thấm cacbon + tôi + ram: quy trình này là ứng dụng chính. Độ cứng bề mặt phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và mức độ tôi; độ bền lõi phụ thuộc vào khả năng tôi của hợp kim. - Làm nguội và ram (không thấm cacbon): được sử dụng cho một số thành phần nhỏ; 20CrMo đạt được độ bền lõi cao hơn cho cùng một quá trình ram do khả năng làm cứng và khả năng chống ram do Mo tạo ra. - Xử lý nhiệt cơ học: tinh luyện hạt và cán có kiểm soát có thể cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại; tác dụng của Mo vẫn hỗ trợ quá trình làm cứng sâu hơn ở các phần lớn.

Do molypden làm tăng khả năng tôi cứng và làm chậm quá trình làm mềm trong quá trình ram, 20CrMo tạo ra lõi cứng hơn, có độ bền cao hơn sau quá trình xử lý nhiệt giống hệt nhau ở các phần dày hơn so với 20Cr.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất điển hình (sau quá trình thấm cacbon + tôi & ram thông thường; gần đúng):

Tài sản	20Cr (điển hình)	20CrMo (điển hình)
Độ bền kéo (lõi), MPa	700 – 950	750 – 1000
Giới hạn chảy (lõi), MPa	450 – 700	500 – 800
Độ giãn dài (A5, lõi), %	10 – 18	8 – 16
Độ bền va đập (Charpy V, lõi), J	30 – 70	30 – 80
Độ cứng vỏ (HRC, bề mặt)	58 – 62 (tùy thuộc vào độ sâu của trường hợp)	58 – 62 (tùy thuộc vào độ sâu của trường hợp)

Giải thích: - Độ cứng bề mặt đạt được bằng phương pháp thấm cacbon là tương tự nhau ở cả hai loại vì cacbon bề mặt kiểm soát độ cứng của vỏ. - 20CrMo thường đạt được độ bền lõi cao hơn và khả năng chống ram tốt hơn (độ bền giảm ít hơn trong quá trình ram) — đặc biệt quan trọng đối với tiết diện lớn hơn. Điều này làm cho 20CrMo được ưa chuộng hơn khi cần độ cứng sâu hơn và tính chất lõi cao hơn. - Độ dẻo và độ dai cân bằng với độ bền; thông số kỹ thuật phụ thuộc nhiều vào quá trình xử lý nhiệt và kích thước mặt cắt.

Lưu ý: Các giá trị trên chỉ là phạm vi đại diện; luôn kiểm tra các yêu cầu về tính chất cơ học so với tiêu chuẩn hoặc chứng chỉ thử nghiệm cụ thể.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn được xác định bởi khối lượng cacbon tương đương, các nguyên tố hợp kim và độ dày tiết diện. Hai chỉ số dự đoán thường được sử dụng là:

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

Và

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

Giải thích định tính: - Cả 20Cr và 20CrMo đều có hàm lượng cacbon vừa phải và hợp kim từ thấp đến trung bình; $CE$ và $P_{cm}$ được tính toán thường nằm trong phạm vi yêu cầu phải gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn đối với các phần dày hơn. - Sự hiện diện của Mo trong 20CrMo làm tăng khả năng tôi cứng và do đó làm tăng nguy cơ nứt nguội ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) so với 20Cr. Do đó, 20CrMo thường cần quy trình hàn thận trọng hơn (gia nhiệt trước cao hơn, ram sau khi hàn trên các tiết diện dày). - Đối với các tiết diện mỏng được xử lý đúng quy trình, cả hai đều có thể hàn được bằng kim loại hàn và quy trình kiểm soát phù hợp. Đối với các chi tiết quan trọng, thường khuyến nghị xử lý nhiệt sau hàn (PWHT).

Luôn tính toán $CE$ hoặc $P_{cm}$ có liên quan cho hóa chất của nhà cung cấp và tuân thủ các thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) cho phù hợp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Cả 20Cr và 20CrMo đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương tự nhau nhưng hạn chế. Các phương pháp bảo vệ điển hình: - Hoàn thiện bề mặt: sơn, sơn tĩnh điện hoặc sơn phủ chuyển đổi. - Mạ kẽm: có thể thực hiện tùy thuộc vào hình dạng thành phần và kích thước cho phép. - Chất ức chế ăn mòn hoặc chất bôi trơn cho bề mặt tiếp xúc.

Chỉ số chống gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép hợp kim không phải thép không gỉ này. Nếu khả năng chống ăn mòn là yêu cầu chính, hãy chọn hợp kim không gỉ hoặc chống ăn mòn thay vì chỉ dựa vào lớp phủ.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép ở trạng thái cán đều có khả năng gia công khá điển hình của thép hợp kim thấp; khả năng gia công kém hơn sau khi xử lý nhiệt và thấm cacbon.
• Khả năng tạo hình: Cả hai loại đều được thực hiện trong điều kiện cacbon thấp, đã được thấm cacbon trước. 20CrMo có thể biểu hiện khả năng tạo hình hơi khác nhau nếu quá trình hợp kim hóa vi mô hoặc độ cứng cao hơn làm thay đổi ứng suất chảy, nhưng sự khác biệt thực tế là nhỏ.
• Mài và hoàn thiện: Các bộ phận hoàn thiện (thấm cacbon + mài) có độ tương đương nhau; các phần lõi 20CrMo có thể khó mài hơn nếu được tôi luyện ở mức độ bền cao hơn.

Đối với sản xuất khối lượng lớn, hãy xem xét tác động hạ nguồn của việc bổ sung molypden vào quá trình mài mòn dụng cụ và thời gian chu kỳ mài.

8. Ứng dụng điển hình

20Cr (công dụng điển hình)	20CrMo (sử dụng điển hình)
Bánh răng, bánh răng nhỏ và vừa, rãnh (phần mỏng)	Bánh răng chịu tải nặng, bánh răng lớn và trục (phần dày)
Trục, trục cho tải trọng vừa phải	Trục khuỷu ô tô, bánh răng truyền động hạng nặng
Bánh răng nhỏ, ốc vít cần vỏ được cacbon hóa	Các ốc vít, đinh tán và các thành phần chịu ứng suất cao đòi hỏi độ bền lõi cao hơn
Phụ tùng thiết bị nông nghiệp	Các bộ phận chịu tải trọng tuần hoàn có tiết diện lớn hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 20Cr khi chi phí sản xuất và hiệu suất thấm cacbon tiêu chuẩn đủ cho các thành phần có tiết diện mỏng đến trung bình. - Chọn 20CrMo khi cần độ cứng sâu hơn, khả năng chịu nhiệt tốt hơn và độ bền lõi cao hơn — đặc biệt đối với các bánh răng và bộ phận lớn hơn chịu tải trọng va đập hoặc mỏi lớn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 20CrMo thường đắt hơn 20Cr do có thêm molypden và quá trình kiểm soát phân tích/nung chảy phức tạp hơn một chút.
• Tính khả dụng: Cả hai đều phổ biến ở các thị trường áp dụng tiêu chuẩn GB/JIS; tính khả dụng theo dạng sản phẩm (thanh, tấm, rèn, vòng) phụ thuộc vào các nhà máy khu vực. Các sản phẩm rèn tiết diện lớn hơn bằng thép 20CrMo có thể có thời gian giao hàng hoặc số lượng đặt hàng tối thiểu.
• Mẹo mua sắm: Xác định chính xác giới hạn hóa chất và yêu cầu xử lý nhiệt; yêu cầu báo cáo thử nghiệm tại nhà máy (MTR) và xác nhận thời gian giao hàng cho các loại thép chứa Mo.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Diện mạo	20Cr	20CrMo
Khả năng hàn	Tốt hơn (rủi ro độ cứng thấp hơn)	Trung bình — cần phải làm nóng trước/PWHT cẩn thận hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai (phần lõi sau khi điều trị)	Tốt cho các phần mỏng/bình thường	Tuyệt vời cho các phần dày hơn/chịu tải nặng
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Chọn 20Cr nếu: - Bạn cần loại thép thấm cacbon hiệu quả về mặt chi phí cho các phần nhỏ đến trung bình, trong đó độ sâu vỏ và độ cứng lõi thông thường là đủ. - Ưu tiên các quy trình hàn hoặc xử lý nhiệt đơn giản hơn và kích thước tiết diện phải vừa phải.

Chọn 20CrMo nếu: - Các linh kiện có mặt cắt ngang lớn, yêu cầu vỏ sâu hoặc yêu cầu độ bền/độ cứng lõi rất cao. - Thiết kế đòi hỏi khả năng chống nhiệt tốt hơn và giảm nguy cơ mềm hóa trong quá trình sử dụng các bộ phận chịu tải nặng, đồng thời dự án có thể đáp ứng chi phí vật liệu cao hơn một chút và quy trình chế tạo/hàn được kiểm soát chặt chẽ hơn.

Lưu ý cuối cùng: Những khuyến nghị này chỉ mang tính chung. Luôn xác nhận tiêu chuẩn kiểm soát, hóa chất của nhà cung cấp và chu kỳ xử lý nhiệt dự kiến. Đối với các thành phần quan trọng, hãy xác nhận lựa chọn bằng thử nghiệm cơ học vật liệu đại diện và thẩm định quy trình hàn đầy đủ khi cần hàn.