20Cr so với 30Cr – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

20Cr và 30Cr là hai loại thép hợp kim thấp thường được chỉ định, sử dụng cho các chi tiết thấm cacbon hoặc tôi và ram trong hệ thống truyền động, bánh răng, trục và các bộ phận kết cấu đòi hỏi sự cân bằng giữa khả năng chống mài mòn bề mặt và độ bền lõi. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường lựa chọn giữa hai loại thép này khi phải cân nhắc giữa độ bền, độ bền, khả năng tôi, chi phí và khả năng gia công. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc chỉ định vật liệu cho bộ bánh răng, trong đó độ cứng bề mặt và độ dẻo lõi là yếu tố quan trọng, hoặc cho trục phải chịu được cả lực xoắn và va đập không thường xuyên.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này là thép 30Cr được hợp kim hóa để đạt được độ bền khối và khả năng tôi luyện cao hơn thép 20Cr—điều này đạt được chủ yếu thông qua việc tăng nhẹ hàm lượng cacbon và crom (và đôi khi là các nguyên tố hợp kim vi mô gia cường khác). Do đó, thép 30Cr thường có độ bền và khả năng tôi luyện cao hơn, nhưng bù lại khả năng hàn và khả năng gia công lại giảm nhẹ so với thép 20Cr. Những điểm tương phản này khiến cặp thép này trở thành một sự so sánh hữu ích khi lựa chọn thép cho các chi tiết cơ khí chịu tải trọng từ trung bình đến cao.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung và danh pháp của chúng:
• GB/T (Trung Quốc): 20Cr, 30Cr (thường được chỉ định cho các thành phần thấm cacbon và tôi)
• JIS (Nhật Bản): các cấp độ tương tự tồn tại theo các mã khác nhau (ví dụ: SCM, SN) nhưng có thể không tương đương trực tiếp một-một
• EN / ISO: các họ tương đương sẽ nằm trong chuỗi 16MnCr, 20MnCr hoặc 20CrMn (kiểm tra số bộ phận chính xác)
• ASTM/ASME: không có số ASTM trực tiếp được đặt tên chính xác là “20Cr” hoặc “30Cr”; các chất tương đương được chọn dựa trên sự phù hợp về tính chất hóa học và cơ học
• Phân loại: Cả 20Cr và 30Cr đều là thép hợp kim thấp (được sử dụng làm thép kết cấu thấm cacbon hoặc thép hợp kim trung bình), không phải thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc HSLA theo nghĩa hẹp. Chúng thường được chỉ định cho các chi tiết cần tôi bề mặt (thấm cacbon) hoặc xử lý tôi và ram số lượng lớn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (% khối lượng) được sử dụng trong thực hành công nghiệp thông thường. Thành phần thực tế phụ thuộc vào tiêu chuẩn hoặc thông số kỹ thuật của nhà máy đã chọn—hãy sử dụng chứng chỉ nhà máy để mua sắm.

Yếu tố	20Cr (phạm vi điển hình, wt%)	30Cr (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,16 – 0,24	0,24 – 0,32
Mn	0,40 – 0,80	0,50 – 0,90
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	0,80 – 1,30
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	≤ 0,10 – 0,20 (nếu được chỉ định)	≤ 0,10 – 0,30 (nếu được chỉ định)
V	dấu vết hoặc ≤ 0,05 (nếu hợp kim vi mô)	dấu vết hoặc ≤ 0,05 (nếu hợp kim vi mô)
Nb, Ti, B	dấu vết (thỉnh thoảng được sử dụng trong các biến thể hợp kim vi mô)	dấu vết (thỉnh thoảng được sử dụng)
N	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Bảng đưa ra các phạm vi dải điển hình; bộ phận mua sắm nên tham khảo tiêu chuẩn hoặc chứng chỉ vật liệu chính xác. - 30Cr thường có hàm lượng cacbon cao hơn và hàm lượng crom và mangan cao hơn một chút so với 20Cr. Một số biến thể có thể bổ sung thêm hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) để cải thiện độ bền và độ tinh xảo của hạt. - Tăng cường hợp kim (Cr, Mn và hợp kim vi mô đôi khi) làm tăng khả năng tôi cứng và khả năng chống ram, đồng thời cùng với cacbon, kiểm soát mức độ bền có thể đạt được.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Crom làm tăng khả năng tôi cứng, độ bền và khả năng chống ram và có thể cải thiện khả năng chống mài mòn sau khi tôi cứng bề mặt. - Mangan góp phần làm tăng độ cứng và độ bền kéo. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) làm mịn kích thước hạt, tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình kết tủa và cải thiện độ bền mỏi.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng xử lý nhiệt khác nhau do mức độ cacbon và hợp kim:

• 20Cr:
• Cán/chuẩn hóa: cấu trúc vi mô ferit–perilit với các hạt tương đối mịn nếu được cán có kiểm soát hoặc chuẩn hóa.
• Sau khi thấm cacbon và tôi: lớp vỏ cứng martensitic/thấm cacbon có lõi cứng hơn, ít cacbon hơn (martensitic đã ram hoặc bainit đã ram tùy thuộc vào chu trình thấm cacbon/tôi).

• Làm nguội & ram (số lượng lớn): có thể tạo ra martensite ram có độ bền vừa phải và độ dẻo dai tốt khi ram đủ.

• 30Cr:

• Khi cán/chuẩn hóa: tỷ lệ perlit cao hơn và các cấu trúc vi mô chuyển đổi mịn hơn 20Cr để làm mát tương đương do khả năng làm cứng cao hơn.
• Sau khi thấm cacbon/tôi giống hệt nhau: lớp vỏ cứng hơn và lớp vỏ/lõi có độ bền cao hơn do hàm lượng cacbon và Cr cao hơn; lõi có thể chuyển thành martensite dễ dàng hơn 20Cr trừ khi quá trình làm nguội chậm.
• Làm nguội & ram (số lượng lớn): đạt được mức độ bền cao hơn ở nhiệt độ ram tương tự nhưng cần ram cẩn thận để duy trì độ dẻo dai chấp nhận được.

Những cân nhắc về xử lý nhiệt: - Thấm cacbon được sử dụng rộng rãi cho cả hai loại; 20Cr thường được chỉ định khi cần vỏ cứng, tương đối nông với lõi cứng. 30Cr được chọn khi cần vỏ sâu hơn hoặc lõi bền hơn mà không cần tăng kích thước tiết diện. - Thường hóa trước khi xử lý nhiệt cuối cùng giúp cải thiện độ đồng đều. Môi trường làm nguội và kích thước tiết diện chi tiết ảnh hưởng đến độ cứng cuối cùng, đặc biệt đối với thép 20Cr có độ tôi thấp hơn. - Quá trình tôi luyện làm giảm độ cứng và cải thiện độ dẻo dai; 30Cr yêu cầu chế độ tôi luyện được điều chỉnh để tránh độ giòn quá mức do hàm lượng carbon cao hơn.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất cơ học điển hình phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp xử lý nhiệt và kích thước tiết diện. Bảng dưới đây cung cấp phạm vi đại diện cho các thanh thép tôi và ram hoặc các chi tiết thấm cacbon và ram; hãy sử dụng dữ liệu thử nghiệm được chứng nhận cho thiết kế.

Tài sản	20Cr (phạm vi điển hình)	30Cr (phạm vi điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	600 – 950	700 – 1100
Giới hạn chảy (0,2% proof, MPa)	350 – 700	450 – 850
Độ giãn dài (%)	12 – 20	8 – 16
Độ bền va đập (Charpy V-notch, J)	trung bình đến tốt (thay đổi tùy theo tính khí)	thường thấp hơn 20Cr ở cùng độ cứng
Độ cứng (HRC hoặc HB)	lõi tôi luyện: HRC ~20–40; vỏ thấm cacbon: HRC 55–62	lõi tôi luyện: HRC ~22–44; vỏ thấm cacbon: HRC 58–64

Giải thích: - 30Cr thường có độ bền và khả năng làm cứng cao hơn do hàm lượng cacbon và Cr tăng lên; nó có thể đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn, nhưng độ dẻo và độ bền va đập ở một độ cứng nhất định có thể thấp hơn một chút so với 20Cr. - 20Cr thường mang lại sự cân bằng tốt hơn giữa độ dẻo dai và khả năng hàn cho các ứng dụng không yêu cầu độ bền tối đa tuyệt đối. - Luôn tham khảo chứng chỉ vật liệu của nhà cung cấp và thực hiện thử nghiệm cấp độ linh kiện cho các ứng dụng quan trọng (mỏi, va đập ở nhiệt độ thấp).

5. Khả năng hàn

Các yếu tố chính quyết định khả năng hàn là hàm lượng cacbon, hợp kim hóa hiệu quả, độ dày và xử lý nhiệt trước/sau. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là tương đương cacbon IIW và công thức Pcm:

• Sử dụng lượng carbon tương đương của IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (bảo thủ hơn đối với khả năng nứt mối hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 20Cr, với hàm lượng carbon thấp hơn và hàm lượng hợp kim thấp hơn một chút, sẽ có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn, do đó có đặc tính hàn tốt hơn. Yêu cầu về xử lý nhiệt trước và sau hàn (PWHT) thấp hơn so với 30Cr. - 30Cr, với hàm lượng cacbon và crom cao hơn, làm tăng khả năng tôi cứng và nguy cơ hình thành martensite ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ); thường đòi hỏi phải nung nóng trước cao hơn, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và trong nhiều trường hợp là PWHT để tránh nứt và khôi phục độ dẻo dai. - Đối với cả hai loại thép, không được hàn bề mặt thấm cacbon nếu không có quy trình đặc biệt; hàn có thể làm thay đổi cacbon cục bộ và tạo ra các vùng giòn. Nếu cần hàn, hãy tuân thủ các quy trình chuyên môn và thực hiện kiểm tra độ bền HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 20Cr và 30Cr đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều được coi là thép cacbon/hợp kim và có khả năng chống ăn mòn nội tại hạn chế.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Lớp phủ bề mặt: có thể sử dụng lớp mạ kẽm, mạ điện hoặc lớp phủ chuyển đổi tùy theo môi trường.
• Sơn và lớp phủ công nghiệp: hệ thống epoxy, polyurethane bảo vệ khí quyển.
• Bề mặt tôi cứng: sau khi thấm cacbon, đôi khi người ta phủ thêm lớp phủ hoàn thiện để bảo vệ chống ăn mòn, với điều kiện lớp phủ phải chịu được độ cứng của bề mặt.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) áp dụng cho các loại thép không gỉ và không liên quan đến 20Cr/30Cr ở dạng tiêu chuẩn của chúng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Việc sử dụng PREN không có ý nghĩa đối với các loại thép không gỉ này.

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

• Khả năng gia công:
• Thép 20Cr thường dễ gia công hơn do hàm lượng carbon thấp hơn và khả năng làm cứng thấp hơn một chút.
• 30Cr có thể mài mòn dụng cụ nhiều hơn sau khi xử lý nhiệt và đòi hỏi tốc độ cắt chậm hơn hoặc dụng cụ cứng hơn khi gia công các phần đã tôi cứng.
• Khả năng tạo hình và gia công nguội:
• Cả hai loại đều có thể gia công trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa. Hàm lượng cacbon cao hơn trong 30Cr làm giảm khả năng tạo hình; nên tạo hình ở trạng thái mềm hơn đã qua xử lý nhiệt.
• Mài và hoàn thiện:
• Các vỏ được thấm cacbon và tôi cứng cần dụng cụ kim cương hoặc CBN để mài hiệu quả. Việc hoàn thiện bề mặt để đạt được tuổi thọ mỏi tiếp xúc cần thiết sẽ khó khăn hơn đối với các vỏ sâu hơn, cứng hơn (thường gặp ở 30Cr).
• Biến dạng do xử lý nhiệt:
• Độ cứng cao hơn và ứng suất được giữ lại trong 30Cr có thể làm tăng độ nhạy với biến dạng trong quá trình làm nguội và ram so với 20Cr; kiểm soát quy trình và cố định là rất quan trọng.

8. Ứng dụng điển hình

20Cr – Công dụng điển hình	30Cr – Công dụng điển hình
Bánh răng, trục, trục khía, bánh răng chịu tải trung bình, yêu cầu độ bền lõi tốt và kiểm soát chi phí là quan trọng	Bánh răng chịu tải nặng hơn, trục có đường kính lớn hơn, chốt và trục chịu tải cao đòi hỏi độ bền lõi cao hơn và độ cứng vỏ sâu hơn
Linh kiện truyền động ô tô có tải trọng trung bình	Trục chính của hộp số và các bộ phận truyền động máy móc hạng nặng đòi hỏi độ bền mỏi cao hơn
Các bộ phận thấm cacbon mục đích chung cần cân nhắc đến khả năng gia công và khả năng hàn	Các ứng dụng mà khả năng tôi luyện tăng lên cho phép đơn giản hóa thiết kế (các phần dày hơn, ít hợp kim hơn ở những nơi khác)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 20Cr cho các linh kiện đòi hỏi độ bền, dễ gia công/hàn, chi phí vật liệu thấp và kích thước tiết diện từ nhỏ đến trung bình. - Chọn 30Cr khi thiết kế đòi hỏi độ bền khối cao hơn, độ cứng sâu hơn hoặc khả năng chống mỏi cao hơn ở mặt cắt ngang lớn hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Giá của 30Cr thường cao hơn một chút so với 20Cr do hàm lượng hợp kim cao hơn và cần phải kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn để đạt được độ bền cao hơn.
• Giá chênh lệch phụ thuộc vào chi phí nguyên tố hợp kim trên thị trường và khối lượng đặt hàng.
• Khả dụng:
• Cả hai loại thép này đều được sản xuất rộng rãi trên nhiều thị trường thép (thép thanh, thép rèn, thép tấm) nhưng tính khả dụng của các kích thước cụ thể, điều kiện bề mặt (ủ, chuẩn hóa, tôi trước) hoặc các biến thể hợp kim vi mô có thể khác nhau tùy theo khu vực và nhà máy.
• Mẹo mua sắm: chỉ rõ điều kiện xử lý nhiệt cần thiết và báo cáo thử nghiệm nhà máy được chứng nhận; đối với các thành phần quan trọng, hãy yêu cầu chứng chỉ thử nghiệm cơ học và phân tích hóa học.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Diện mạo	20Cr	30Cr
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn, kiểm soát nhiệt độ trước dễ dàng hơn)	Thấp hơn (CE cao hơn, cần nhiều nhiệt độ làm nóng trước/PWHT hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt ở mức độ vừa phải	Độ bền cao hơn, độ dẻo/độ dai giảm đi đôi chút ở độ cứng tương đương
Trị giá	Thấp hơn (nói chung)	Cao hơn (nói chung)

Kết luận và hướng dẫn thực hành: - Chọn 20Cr nếu: - Bạn cần một loại thép thấm cacbon hoặc tôi và ram cân bằng, tiết kiệm chi phí, có lõi cứng, dễ gia công hơn và khả năng hàn dễ dàng hơn; lý tưởng cho các mặt cắt và ứng dụng từ nhỏ đến trung bình không yêu cầu độ bền cực cao. - Chọn 30Cr nếu: - Thiết kế của bạn yêu cầu độ bền khối lớn hơn hoặc khả năng làm cứng sâu hơn (đối với các bộ phận lớn hơn hoặc chịu tải nặng) và bạn có thể chấp nhận nhu cầu thực hành hàn cẩn thận hơn, kiểm soát xử lý nhiệt chặt chẽ hơn và chi phí vật liệu cao hơn một chút.

Lưu ý cuối cùng: các thuật ngữ 20Cr và 30Cr là cách viết tắt tiện lợi. Luôn kiểm tra vật liệu đã chọn theo tiêu chuẩn cụ thể hoặc chứng chỉ nhà máy để biết thành phần hóa học chính xác và các đặc tính cơ học được đảm bảo, đồng thời xác nhận quy trình xử lý nhiệt và hàn cho các bộ phận quan trọng.