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

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa 20CrMnTi và 20CrNiMo là một vấn đề nan giải thường gặp đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất khi chỉ định thép tôi vỏ cho bánh răng, trục và các bộ phận máy móc chịu tải trọng lớn. Những đánh đổi điển hình khi lựa chọn bao gồm chi phí so với độ cứng xuyên suốt, khả năng hàn so với độ bền lõi, và khả năng gia công so với tuổi thọ sử dụng trong điều kiện mài mòn và mỏi.

Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: một loại dựa trên vi hợp kim và cân bằng mangan/crom được tối ưu hóa để hỗ trợ quá trình thấm cacbon và kiểm soát độ dai, trong khi loại còn lại bổ sung niken và molypden để tăng khả năng tôi cứng, cải thiện độ bền lõi và khả năng chống mỏi. Vì cả hai đều được sử dụng làm thép thấm cacbon (thép tôi bề mặt), chúng thường được so sánh khi các nhà thiết kế cần sự cân bằng giữa bề mặt chống mài mòn và lõi dẻo dai, bền bỉ.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung cần kiểm tra khi xác định loại vật liệu: tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế như GB/T (Trung Quốc), EN/ISO, JIS (Nhật Bản) và danh sách vật liệu công nghiệp do ASTM/ASME quản lý khi cần có tiêu chuẩn tương đương.
• Phân loại:
• 20CrMnTi — thép hợp kim tôi bề mặt (cấp độ thấm cacbon hợp kim vi mô).
• 20CrNiMo — thép hợp kim tôi bề mặt với niken và molypden (cấp độ thấm cacbon có độ cứng cao hơn).
• Lưu ý: Giới hạn và dung sai hóa chất chính xác phải được xác nhận theo tiêu chuẩn cụ thể hoặc bảng dữ liệu của nhà máy được sử dụng trong quá trình mua sắm; các tên như “20CrMnTi” và “20CrNiMo” là các tên gọi thương mại/theo phong cách GB phổ biến và có thể có tên gọi tương đương tại địa phương trong EN hoặc JIS.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	20CrMnTi (mức độ tương đối)	20CrNiMo (mức độ tương đối)	Bình luận
C	Trung bình (được thiết kế để thấm cacbon bề mặt)	Trung bình (được thiết kế để thấm cacbon bề mặt)	Cả hai đều có ~0,18–0,25% cacbon danh nghĩa làm cơ sở cho quá trình thấm cacbon; cacbon lõi được giữ ở mức vừa phải.
Mn	Vừa phải	Vừa phải	Mangan làm tăng khả năng tôi cứng và độ bền kéo ở cả hai loại; mức độ cân bằng cho quá trình thấm cacbon vào thép.
Si	Thấp	Thấp	Silic là chất khử oxy và tăng cường độ bền một chút; giữ ở mức thấp để thấm cacbon.
P	Rất thấp (tạp chất)	Rất thấp (tạp chất)	Phốt pho được kiểm soát ở mức thấp để tăng độ dẻo dai.
S	Rất thấp (tạp chất)	Rất thấp (tạp chất)	Lưu huỳnh được giữ ở mức thấp ngoại trừ khi có chỉ định về cấp độ gia công tự do (không điển hình ở đây).
Cr	Thấp-trung bình	Thấp-trung bình	Crom góp phần làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn của vỏ đồng hồ.
Ni	Dấu vết / không có	Hiện tại (trung bình)	Niken trong 20CrNiMo làm tăng độ cứng và khả năng làm cứng của lõi.
Mo	Dấu vết / không có	Hiện tại (nhỏ)	Molypden cải thiện khả năng làm cứng và khả năng chống ram trong 20CrNiMo.
V	Dấu vết	Dấu vết	Vanadi có thể có mặt với lượng nhỏ dưới dạng tạp chất hoặc hợp kim vi mô trong một số lô hàng.
Lưu ý	Dấu vết	Dấu vết	Niobi không phải là đặc điểm xác định cho cả hai loại.
Ti	Hợp kim vi mô	Dấu vết/không có	20CrMnTi chứa titan như một chất bổ sung hợp kim vi mô để tinh chế hạt và cacbonitride.
B	Dấu vết	Dấu vết	Bo có thể xuất hiện với lượng nhỏ trong một số loại thép để tăng khả năng tôi luyện—hãy xác minh thông số kỹ thuật của nhà máy.
N	Kiểm soát (thấp)	Kiểm soát (thấp)	Kiểm soát nitơ để hạn chế sự hình thành nitrit và duy trì độ dẻo dai.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào - Titan trong 20CrMnTi liên kết nitơ và cacbon (TiN/TiC), tinh chỉnh kích thước hạt austenit tiền thân, đồng thời cải thiện tuổi thọ chịu mỏi và độ ổn định kích thước của vỏ. Nó đặc biệt hữu ích trong việc kiểm soát sự phát triển của hạt trong quá trình xử lý nhiệt. - Niken và molypden trong 20CrNiMo làm tăng khả năng tôi luyện, cho phép tôi luyện sâu hơn ở nhiệt độ nhất định, đồng thời cải thiện độ bền và độ dẻo dai của lõi sau khi ram. Mo cũng làm tăng khả năng chống ram và giúp duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao. - Crom ở cả hai cấp độ đều giúp tạo ra lớp vỏ cứng, chống mài mòn sau khi thấm cacbon và tôi.

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

Lộ trình xử lý điển hình cho cả hai loại thép này là thấm cacbon (khí, nén hoặc chân không), sau đó là làm nguội và ram để tạo ra lớp vỏ martensitic hoặc bainit cứng với lõi ram cứng hơn.

Hành vi của cấu trúc vi mô: - Vỏ: Sau khi thấm cacbon và tôi, cả hai hợp kim sẽ tạo thành vỏ martensitic có hàm lượng cacbon cao (thường được ram đến độ cứng mong muốn). Nồng độ crom và cacbon bề mặt kiểm soát độ cứng và khả năng chống mài mòn của vỏ. - Lõi: 20CrNiMo, với Ni và Mo, đạt độ cứng cao hơn và do đó tạo ra lõi cứng hơn, có độ bền cao hơn trong điều kiện tôi tương tự. 20CrMnTi thường tạo ra lõi mềm hơn, dẻo hơn một chút, có lợi thế khi ưu tiên độ bền va đập và khả năng chống nứt do mỏi. - Vai trò của Ti: Titan trong 20CrMnTi tạo thành các cacbonitrit mịn, giúp định hình ranh giới hạt và làm giảm sự thô hóa hạt austenit trong quá trình gia công nhiệt độ cao. Điều này giúp tinh chỉnh kích thước gói martensite đã ram và có thể cải thiện độ bền mỏi cũng như khả năng chống giòn do ram.

Xử lý nhiệt ảnh hưởng đến: - Chuẩn hóa: Được sử dụng để đồng nhất và tinh chỉnh cấu trúc hạt austenite trước khi thấm cacbon và rèn. Cả hai loại thép này đều được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa trước chu kỳ thấm cacbon cuối cùng. - Thấm cacbon + Làm nguội + Tôi luyện: Lộ trình công nghiệp chính. 20CrNiMo có thể đạt được độ sâu vỏ hiệu quả sâu hơn với cùng lịch thấm cacbon nhờ khả năng làm cứng cao hơn; 20CrMnTi được tối ưu hóa cho các vỏ mỏng đến trung bình ổn định, chống mài mòn với lõi dẻo. - Xử lý nhiệt cơ: Ép, cán có kiểm soát hoặc rèn theo sau là xử lý nhiệt thích hợp giúp cải thiện thêm độ dẻo dai và tuổi thọ chịu mỏi—cấu trúc martensitic/bainit và độ phân tán cacbua có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát quy trình.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	20CrMnTi (hành vi điển hình)	20CrNiMo (hành vi điển hình)
Độ bền kéo (lõi, tôi luyện)	Vừa phải	Cao hơn (do Ni/Mo)
Sức chịu lực (lõi)	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt (lõi dẻo hơn)	Thấp hơn một chút (sức mạnh cao hơn)
Độ bền va đập (lõi)	Tốt đến rất tốt	Rất tốt đến tuyệt vời (Ni cải thiện độ dẻo dai)
Độ cứng (trường hợp sau khi thấm cacbon và ram)	Có thể đạt được độ cứng bề mặt cao	Có thể đạt được độ cứng bề mặt cao; độ cứng lõi cao hơn đối với NiMo

Diễn giải - 20CrNiMo thường có độ bền lõi cao hơn và độ dẻo dai tương đương hoặc được cải thiện đôi chút khi được xử lý nhiệt đúng cách, do niken và molypden cải thiện khả năng tôi luyện và độ cứng. - 20CrMnTi nhấn mạnh vào độ ổn định của vỏ, khả năng chống mỏi và lõi dẻo; việc kiểm soát kích thước hạt titan giúp tăng tuổi thọ chịu mỏi dưới ứng suất tiếp xúc tuần hoàn. - Tính chất tuyệt đối phụ thuộc vào độ sâu thấm cacbon, mức độ tôi và nhiệt độ ram—hãy chỉ định các thông số quy trình này để đáp ứng hiệu suất thành phần cần thiết thay vì chỉ dựa vào tên mác.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép thấm cacbon bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim làm tăng độ cứng. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là:

• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (Ito và công thức đã sửa đổi): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 20CrMnTi: Hợp kim Ti và cacbon trung bình tạo ra một lượng cacbon tương đương trung bình. Ti có thể tạo thành các kết tủa ổn định; titan dư thừa hoặc xử lý nhiệt không đúng cách có thể gây ra độ cứng cục bộ hoặc độ nhạy HAZ. Gia nhiệt sơ bộ và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, kết hợp với kim loại điền đầy phù hợp và PWHT cho các tiết diện dày, là các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn. - 20CrNiMo: Ni và Mo bổ sung làm tăng khả năng tôi cứng và nâng cao chỉ số cacbon tương đương so với thép thấm cacbon đơn giản hơn. Điều này làm tăng nguy cơ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của mối hàn và nứt nguội trừ khi áp dụng quy trình gia nhiệt trước, kiểm soát mối hàn và xử lý nhiệt sau hàn đúng cách. Sử dụng vật tư tiêu hao ít hydro và phù hợp với kim loại hàn để đạt được độ dẻo dai yêu cầu.

Khuyến nghị chung: Đối với cả hai loại thép, lý tưởng nhất là nên hàn trên vật liệu đã được chuẩn hóa/ủ, với quá trình gia nhiệt trước và PWHT được xác định theo độ dày và các giá trị $CE_{IIW}$/$P_{cm}$ đã tính toán, và bằng cách tham khảo các thông số kỹ thuật của nhà máy và quy trình hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 20CrMnTi và 20CrNiMo đều là thép hợp kim không gỉ. Khả năng chống ăn mòn trong môi trường khí quyển hoặc môi trường hơi khắc nghiệt bị hạn chế và thường được kiểm soát bằng lớp phủ và thiết kế:
• Các lựa chọn bảo vệ bề mặt: mạ kẽm nhúng nóng (giới hạn khi sử dụng ở nhiệt độ cao), mạ điện, sơn phosphate, sơn tĩnh điện, sơn phủ chuyển đổi hoặc lớp phủ chống mài mòn trong các ứng dụng trượt.
• Lưu ý: Các quy trình sau thấm cacbon và bề mặt hoàn thiện ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ và khả năng chống ăn mòn—các biện pháp làm sạch, trung hòa và giảm ứng suất rất quan trọng.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) áp dụng cho thép không gỉ và không áp dụng cho các loại thép tôi bề mặt không phải thép không gỉ sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Sử dụng thiết kế và lớp phủ bảo vệ nếu các bộ phận tiếp xúc với môi trường ăn mòn; đối với tình trạng mài mòn và ăn mòn kết hợp, hãy cân nhắc kỹ thuật bề mặt (crom cứng, thấm nitơ, lớp phủ PVD/CVD hoặc hợp kim chống ăn mòn cho các vùng hy sinh).

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

• Khả năng gia công:
• Trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa, 20CrMnTi thường dễ gia công hơn 20CrNiMo vì hàm lượng Ni/Mo của 20CrNiMo có xu hướng làm cứng khi gia công và làm giảm khả năng gia công.
• Cả hai loại thép này đều phải được gia công theo độ chính xác trước khi thấm cacbon bất cứ khi nào có thể; quá trình mài hoặc đánh bóng cuối cùng sau khi xử lý nhiệt sẽ đạt được độ hoàn thiện về kích thước và bề mặt.
• Khả năng định hình:
• Cả hai loại thép này đều có thể được định hình (uốn, cán) ở trạng thái mềm hoặc thường hóa. Sau khi thấm cacbon và tôi, khả năng định hình về cơ bản bị mất; cần phải hoàn thành gia công và hoàn thiện trước.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Việc mài và đánh bóng sau khi thấm cacbon là cần thiết để đạt được dung sai chặt chẽ và mặt răng bánh răng. Các kết tủa cacbua (ví dụ: TiC) trong 20CrMnTi có thể ảnh hưởng nhẹ đến độ mài mòn của dụng cụ cắt.

8. Ứng dụng điển hình

20CrMnTi — Công dụng điển hình	20CrNiMo — Ứng dụng điển hình
Bánh răng, bánh răng nhỏ và bánh xích có tuổi thọ chịu mỏi rất quan trọng và yêu cầu độ ổn định của vỏ hộp	Bánh răng chịu tải nặng, trục lớn và các thành phần đòi hỏi vỏ cứng hơn và lõi có độ bền cao hơn
Trục và trục xe chịu tác động mỏi tiếp xúc lăn	Các bộ phận truyền động chịu ứng suất cao trong máy móc hạng nặng và các bộ phận điện gió cần độ cứng xuyên suốt cao hơn
Các bộ phận thấm cacbon từ nhỏ đến trung bình, nơi chi phí và khả năng gia công là quan trọng	Các thành phần có vỏ hiệu quả dày hơn hoặc lõi có độ bền cao hơn giúp biện minh cho chi phí hợp kim
Các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mỏi được cải thiện từ quá trình tinh chế hạt	Các bộ phận hoạt động dưới tải trọng tuần hoàn nghiêm trọng hoặc va đập trong đó độ bền NiMo có lợi

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 20CrMnTi khi bạn ưu tiên khả năng chống mỏi, luyện kim vỏ có kiểm soát và chi phí hợp kim thấp hơn cho các thành phần thấm cacbon thông thường. - Chọn 20CrNiMo khi bạn cần khả năng làm cứng cao hơn cho các vỏ sâu hơn hoặc độ bền/độ dẻo dai của lõi cao hơn, đặc biệt là đối với các mặt cắt ngang lớn hoặc các bộ phận chịu tải trọng liên tục cao.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 20CrNiMo thường đắt hơn 20CrMnTi do hàm lượng niken và molypden. Chênh lệch giá phụ thuộc vào giá kim loại thị trường và khối lượng đặt hàng.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều phổ biến trên thị trường dưới dạng thanh, rèn và vòng từ các nhà máy thép sản xuất thép tôi bề mặt; nguồn cung cấp theo khu vực có thể khác nhau. 20CrMnTi thường là sản phẩm tiêu chuẩn tại nhiều nhà máy, trong khi 20CrNiMo có thể được sản xuất theo đơn đặt hàng hoặc là loại thép tôi bề mặt tiêu chuẩn ở các khu vực phục vụ công nghiệp nặng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Diện mạo	20CrMnTi	20CrNiMo
Khả năng hàn	Khá đến tốt (CE vừa phải; theo dõi hiệu ứng Ti)	Công bằng (CE cao hơn; yêu cầu gia nhiệt trước/PWHT nghiêm ngặt hơn)
Sức mạnh-Độ dẻo dai (lõi)	Độ dẻo dai tốt, độ bền vừa phải	Độ bền lõi cao hơn và độ dẻo dai tuyệt vời khi được xử lý nhiệt
Trị giá	Thấp hơn (nói chung)	Cao hơn (do Ni, Mo)

Chọn 20CrMnTi nếu: - Bạn cần loại vật liệu thấm cacbon kinh tế có khả năng chống mỏi tốt và lõi dẻo cho các bộ phận như bánh răng, bánh răng nhỏ và trục cỡ trung bình. - Khả năng gia công ở trạng thái mềm và cấu trúc vi mô ổn định, tinh tế là ưu tiên hàng đầu.

Chọn 20CrNiMo nếu: - Bạn cần khả năng tôi luyện cao hơn để đạt được độ sâu vỏ hiệu quả sâu hơn hoặc độ bền lõi cao hơn trong các thành phần có tiết diện lớn hoặc trong hộp số chịu tải nặng. - Ứng dụng này đòi hỏi khả năng chống tôi luyện cao hơn và độ bền lõi vượt trội ngay cả khi phải tốn thêm một số chi phí vật liệu.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều hoạt động đáng tin cậy khi kết hợp với lịch trình thấm cacbon, mức độ tôi và chế độ ram phù hợp. Hãy xác định độ sâu lớp vỏ cần thiết, mục tiêu độ cứng/độ dai lõi và tải trọng làm việc dự kiến ​​để các nhà luyện kim hoặc nhà cung cấp thép có thể đề xuất chu trình xử lý nhiệt và hợp kim chính xác, đáp ứng các mục tiêu về hiệu suất và chi phí của chi tiết.