20CrMo so với 30CrMo – 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 phải cân nhắc giữa độ bền, độ dẻo dai, chi phí và khả năng sản xuất khi lựa chọn thép hợp kim cho các bộ phận cơ khí quan trọng. 20CrMo và 30CrMo là hai loại thép hợp kim crom-molypden thường được so sánh để chế tạo bánh răng, trục và các bộ phận kết cấu, nơi khả năng chống mỏi và khả năng tôi xuyên hoặc làm cứng bề mặt là quan trọng.

Sự khác biệt chính giữa các loại thép này nằm ở hàm lượng carbon danh nghĩa và trọng tâm thiết kế: một loại được chế tạo với hàm lượng carbon thấp hơn để cải thiện độ dẻo dai, độ bền và khả năng hàn tốt hơn; loại còn lại có hàm lượng carbon cao hơn để tăng cường độ bền khi tôi và độ cứng đạt được sau khi xử lý nhiệt. Vì hàm lượng crom và molypden tương đương nhau, các nhà thiết kế thường lựa chọn giữa chúng dựa trên sự cân bằng giữa độ bền/độ bền cần thiết và các hạn chế trong quá trình xử lý tiếp theo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và tên gọi chung của quốc tế và khu vực khi xuất hiện những tên này:
• GB/T (Trung Quốc): 20CrMo, 30CrMo (thường được sử dụng trong thông số kỹ thuật trong nước)
• EN (Châu Âu): các giá trị tương đương thường được thể hiện dưới dạng số EN 10083-series hoặc 1.xxxx; tên gọi trực tiếp một-một có thể khác nhau
• JIS (Nhật Bản): có những loại thép hợp kim tương tự nhưng theo các quy tắc khác nhau
• ASTM/ASME: thép hợp kim thuộc nhóm AISI/SAE (ví dụ: họ AISI 4135/4140) có thành phần hóa học tương tự nhưng tên gọi khác nhau
• Phân loại: Cả 20CrMo và 30CrMo đều là thép hợp kim (thép Cr-Mo hợp kim thấp). Chúng không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ hay HSLA theo đúng nghĩa đen; chúng thường được sử dụng làm thép hợp kim kỹ thuật cho các chi tiết tôi và ram hoặc tôi bề mặt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp xu hướng thành phần điển hình cho cả hai loại. Phạm vi thực tế thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà sản xuất; luôn tham khảo chứng chỉ nhà máy để tính toán mua sắm và thiết kế.

Yếu tố	20CrMo điển hình (wt%)	30CrMo điển hình (wt%)	Vai trò / Bình luận
C	0,17–0,24	0,27–0,34	Carbon chủ yếu kiểm soát khả năng tôi luyện, độ bền và độ cứng. 30CrMo có C cao hơn nên độ cứng khi tôi luyện cao hơn.
Mn	0,35–0,70	0,40–0,70	Mangan cải thiện độ cứng và độ bền kéo.
Si	≤0,35	≤0,35	Silic dùng để khử oxy; một lượng nhỏ làm tăng độ bền của ferit và ảnh hưởng đến quá trình tôi luyện.
P	≤0,025 (tối đa)	≤0,025 (tối đa)	Phốt pho là tạp chất còn sót lại—được giữ ở mức thấp để tránh bị giòn.
S	≤0,025 (tối đa)	≤0,025 (tối đa)	Lưu huỳnh được kiểm soát để dễ gia công; giữ ở mức thấp để tránh hiện tượng đoản mạch do nóng.
Cr	0,80–1,20	0,90–1,30	Crom làm tăng khả năng cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn.
Ni	≤0,30 (thường là không)	≤0,30 (thường là không)	Niken hiếm khi có ý nghĩa quan trọng trong các loại này.
Mo	0,15–0,30	0,15–0,30	Molypden tăng cường khả năng làm cứng và độ bền ở nhiệt độ cao.
V	dấu vết–nhỏ	dấu vết–nhỏ	Vanadi có thể có hàm lượng thấp trong một số sản phẩm nấu chảy để tinh luyện hạt.
Nb, Ti, B	dấu vết (nếu hợp kim vi mô)	dấu vết (nếu hợp kim vi mô)	Hợp kim vi mô hiếm khi được sử dụng trong tiêu chuẩn 20/30CrMo nhưng có thể được sử dụng để kiểm soát kích thước hạt.
N	dấu vết	dấu vết	Nitơ là chất còn sót lại; ảnh hưởng đến độ dẻo dai ở lượng nhỏ.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon: là yếu tố chính tạo nên độ bền và độ cứng có thể đạt được; hàm lượng carbon cao hơn cho phép độ cứng khi tôi cao hơn nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Crom và molypden: cả hai đều làm tăng khả năng tôi cứng (độ sâu/mức độ chuyển đổi martensitic khi làm nguội), khả năng chịu nhiệt và độ bền ở nhiệt độ cao. - Mangan và silic: hỗ trợ khả năng làm cứng và độ bền; silic cũng hỗ trợ quá trình xử lý bề mặt thấm cacbon. - Các nguyên tố hợp kim vi lượng giúp tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và có thể cải thiện độ dẻo dai mà không làm tăng đáng kể độ bền.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng với các quá trình nhiệt thông thường:

• Đã cuộn/chuẩn hóa:
• 20CrMo: có thể tạo thành ma trận ferit–pearlit với bainit tôi luyện tùy thuộc vào quá trình làm nguội; các hạt mịn hơn sau khi chuẩn hóa sẽ cải thiện độ dẻo dai.
• 30CrMo: hàm lượng perlit cao hơn và phân bố cacbua mịn hơn; việc kiểm soát kích thước hạt chuẩn hóa là rất quan trọng để đạt được độ dẻo dai tốt.
• Làm nguội và ram:
• Cả hai loại đều tạo thành martensite khi tôi từ nhiệt độ austenit hóa; quá trình ram chuyển martensite thành martensite ram/bainit ram, xác định sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai cuối cùng.
• 30CrMo đạt độ cứng và độ bền kéo cao hơn ở nhiệt độ tôi luyện tương đương do hàm lượng cacbon cao hơn; tuy nhiên, nó có thể dễ bị giòn hơn nếu quá trình tôi luyện không được tối ưu hóa.
• Thấm cacbon vào vỏ (khi cần độ cứng bề mặt):
• Cả hai đều có thể được sử dụng làm lõi thép trong lớp phủ cacbon. 20CrMo, với hàm lượng cacbon thấp hơn, tạo ra lõi cứng hơn, dẻo hơn so với 30CrMo nếu sử dụng tương tự.
• Xử lý nhiệt cơ:
• Quá trình cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tạo ra các cấu trúc vi mô bainit hoặc martensitic tinh chế có độ dẻo dai được cải thiện; nếu có, việc bổ sung hợp kim vi mô sẽ hỗ trợ quá trình tinh chế hạt.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi điển hình chung cho các điều kiện tôi và ram được sử dụng trong thiết kế kỹ thuật; hãy kiểm tra với các báo cáo thử nghiệm của nhà máy.

Tài sản	20CrMo điển hình (Q&T)	30CrMo điển hình (Q&T)	Ghi chú
Độ bền kéo (MPa)	~700–950	~800–1100	30CrMo có xu hướng tạo ra độ bền cuối cùng cao hơn khi tôi luyện tương tự.
Giới hạn chảy (MPa)	~450–700	~500–850	Hàm lượng carbon cao hơn góp phần tạo ra năng suất cao hơn sau khi xử lý bằng phương pháp Q&T trong 30CrMo.
Độ giãn dài (%)	~10–18%	~8–15%	20CrMo thường có độ dẻo cao hơn.
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	Tốt đến rất tốt (phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt và nhiệt độ khía)	Tốt nhưng thường thấp hơn 20CrMo ở mức độ cường độ tương đương	Độ dẻo dai phụ thuộc vào kích thước hạt, quá trình tôi luyện và độ sạch.
Độ cứng (HRC hoặc HB)	Trung bình đến cao sau khi Q&T; độ cứng lõi được kiểm soát cho các bộ phận vỏ máy	Độ cứng có thể đạt được cao hơn; nhạy cảm hơn với các vết nứt khi dập tắt	Sự đánh đổi về độ cứng ảnh hưởng đến khả năng gia công và khả năng chống mài mòn.

Giải thích: - 30CrMo bền hơn trong hầu hết các điều kiện tôi và ram tương đương vì hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng thành phần martensite và độ cứng. - 20CrMo thường cứng hơn và dẻo hơn ở mức độ bền tương đương và dễ đạt được độ dẻo dai tốt hơn khi xử lý nhiệt bảo tồn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phần lớn được quyết định bởi hàm lượng cacbon tương đương và khả năng làm cứng do hàm lượng hợp kim.

Công thức tương đương cacbon phổ biến được sử dụng để đánh giá định tính: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ và một tham số bảo thủ hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Vì 30CrMo có hàm lượng cacbon cao hơn, nên các giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ của nó thường cao hơn 20CrMo, cho thấy nguy cơ hình thành các vùng ảnh hưởng nhiệt cứng, giòn và nứt nguội cao hơn. 30CrMo thường yêu cầu gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn. - Crom và molypden làm tăng độ cứng như nhau cho cả hai loại, do đó quy trình hàn phải xử lý hợp kim thúc đẩy sự hình thành martensite. - 20CrMo, có hàm lượng carbon thấp hơn, thường dễ hàn hơn nhưng vẫn được hưởng lợi từ quá trình xử lý nhiệt trước/sau hàn (PWHT) khi sử dụng trong các ứng dụng quan trọng, cường độ cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 20CrMo và 30CrMo đều không phải là loại thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và tương đương với các loại thép hợp kim thấp khác.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Lớp phủ bề mặt: mạ kẽm nhúng nóng, hệ thống sơn, sơn tĩnh điện hoặc lớp phủ chống ăn mòn chuyên dụng.
• Mạ: dành cho các bộ phận cần bảo vệ chống mài mòn và ăn mòn nhẹ.
• Những cân nhắc về thiết kế: thoát nước, tránh khe hở và anot hy sinh trong môi trường biển hoặc môi trường khắc nghiệt.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ có ý nghĩa đối với các loại thép không gỉ và không áp dụng cho các loại thép hợp kim Cr–Mo sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Không nên sử dụng chỉ số này cho các loại thép không gỉ như 20CrMo/30CrMo.

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

• Khả năng gia công:
• 20CrMo (C thấp hơn) thường dễ gia công hơn và có tuổi thọ dụng cụ dài hơn 30CrMo; tuy nhiên, cả hai đều khó gia công hơn thép cacbon thông thường có RU tương đương do có hợp kim.
• Độ cứng cao hơn (đã tôi hoặc chưa tôi hoàn toàn) làm giảm khả năng gia công và tăng độ mài mòn của dụng cụ.
• Khả năng định hình:
• Việc tạo hình nguội dễ dàng hơn với 20CrMo vì hàm lượng carbon thấp hơn và độ dẻo cao hơn; 30CrMo khó tạo hình hơn và có thể cần lực tạo hình cao hơn hoặc tạo hình ấm.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều phản ứng tốt với quá trình mài, đánh bóng và xử lý bề mặt sau khi ram thích hợp; thấm cacbon tiếp theo là ram ở nhiệt độ thấp thường được áp dụng cho bề mặt bánh răng.
• Lưu ý quan trọng khi chế tạo: đối với các cụm hàn hoặc xử lý nhiệt, việc kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, gia nhiệt trước và PWHT là rất cần thiết để giảm thiểu nứt và đạt được độ dẻo dai mong muốn.

8. Ứng dụng điển hình

20CrMo — Công dụng phổ biến	30CrMo — Công dụng phổ biến
Trục chịu tải nặng, rèn khi cần lõi xuyên suốt	Trục, bánh răng và các bộ phận có độ bền cao đòi hỏi độ cứng tôi cao hơn
Các thành phần được tôi cứng với lõi cứng (ví dụ: bánh răng, bánh răng nhỏ hơn)	Chốt cường độ cao, bánh răng tôi luyện, nơi sức mạnh cốt lõi được nhấn mạnh
Các khối và thành phần kết cấu đòi hỏi khả năng hàn và độ bền tốt	Các thành phần chịu tải trọng tĩnh cao hơn hoặc yêu cầu khả năng chịu nhiệt cao hơn
Các bộ phận cơ khí chung mà khả năng gia công và độ dẻo là quan trọng	Các bộ phận đòi hỏi khả năng chống mài mòn cao hơn hoặc ứng suất chạy cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 20CrMo khi độ dẻo dai, độ dẻo dai, khả năng hàn và các đặc tính sau khi hàn là ưu tiên hàng đầu hoặc khi cần lõi dẻo dưới lớp vỏ thấm cacbon. - Chọn 30CrMo khi cần độ bền cao hơn hoặc độ cứng khi tôi cao hơn và khi thiết kế và chế tạo có thể đáp ứng các yêu cầu kiểm soát hàn và xử lý nhiệt nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí nguyên liệu thô: Cả hai loại đều có thành phần hợp kim tương tự nhau (Cr, Mo), do đó, chênh lệch về chi phí thép thô là không đáng kể; 30CrMo có thể đắt hơn một chút tính theo tấn do hàm lượng carbon cao hơn ảnh hưởng đến nhu cầu xử lý nhiệt hạ nguồn và khả năng kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn.
• Chi phí xử lý nhiệt và chế biến: 30CrMo thường có chi phí xử lý cao hơn do quá trình nung nóng trước/PWHT nghiêm ngặt hơn và dễ bị nứt khi làm nguội hơn nếu không được quản lý, và đôi khi chu kỳ ram dài hơn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai đều có sẵn ở dạng thanh, rèn, tấm và vòng từ các nhà cung cấp lớn; thời gian giao hàng phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt và chứng nhận cần thiết.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	20CrMo	30CrMo
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Thấp hơn (CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Dẻo dai hơn/cứng hơn ở cùng độ bền	Độ bền và độ cứng cao hơn, độ dẻo thấp hơn
Chi phí (vật liệu + gia công)	Vừa phải	Nhìn chung cao hơn một chút do quá trình xử lý

Sự giới thiệu: - Chọn 20CrMo nếu bạn cần một hợp kim cân bằng với khả năng hàn tốt hơn, độ bền lõi cao hơn, chế tạo dễ dàng hơn và biên độ an toàn hơn chống lại nứt liên quan đến quá trình dập tắt—điển hình cho các thành phần yêu cầu lõi dẻo, quy trình hàn đơn giản hơn hoặc khả năng chống mỏi tốt hơn ở mức độ bền vừa phải. - Chọn 30CrMo nếu ứng dụng yêu cầu độ bền tôi và ram cao hơn hoặc độ cứng cuối cùng cao hơn (vì lý do hao mòn hoặc tải trọng) và bạn có thể chỉ định quy trình hàn được kiểm soát, gia nhiệt trước/PWHT đầy đủ và kiểm soát xử lý nhiệt nghiêm ngặt để giảm thiểu nứt và mất độ dẻo dai.

Lưu ý cuối cùng: Luôn nêu rõ tiêu chuẩn chính xác, điều kiện xử lý nhiệt cần thiết và tiêu chí kiểm tra nghiệm thu. Xác nhận chứng chỉ nhà máy và, đối với các thành phần quan trọng, hãy yêu cầu kiểm tra cơ học (kéo, CVN), bản đồ độ cứng và dữ liệu độ bền gãy cho lô xử lý nhiệt chính xác để xác thực các giả định thiết kế.