20CrMo so với 42CrMo – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

20CrMo và 42CrMo là hai loại thép hợp kim thấp được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận truyền động, bánh răng, trục và máy móc hạng nặng. Các kỹ sư và quản lý mua sắm thường phải lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân bằng giữa độ bền lõi, độ cứng bề mặt, khả năng tôi, khả năng hàn và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc liệu một bộ phận cần vỏ cứng với lõi dẻo (thiết kế thấm cacbon) hay trục cứng xuyên suốt, có độ bền cao hơn, đòi hỏi các đặc tính cơ học đồng đều.

Sự khác biệt chính về mặt vận hành là một loại được thiết kế riêng cho các chiến lược thấm cacbon và làm cứng bề mặt, tạo ra hàm lượng cacbon khối tương đối thấp hơn nhưng cải thiện các đặc tính vỏ, trong khi loại còn lại chứa hàm lượng cacbon khối và hợp kim cao hơn để tạo ra độ bền và độ dẻo dai xuyên suốt chiều dày cao hơn sau khi tôi và ram. Vì cả hai loại đều là thép hợp kim thấp có bổ sung crom và molypden, chúng thường được so sánh với các chi tiết quay hoặc chịu tải tương tự, trong đó quy trình xử lý nhiệt quyết định hiệu suất cuối cùng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 20CrMo
• Tiêu chuẩn thường được tham khảo: GB (Trung Quốc) (ví dụ: 20CrMo), EN tương đương (thép thấm cacbon như 5120/20Cr) và các biến thể JIS. Thường được phân loại là thép thấm cacbon hợp kim thấp.
• Thể loại: Thép hợp kim thấp được thiết kế để thấm cacbon (làm cứng bề mặt).
• 42CrMo
• Tiêu chuẩn tham khảo phổ biến: GB 42CrMo (42CrMo4), EN 1.7225 / 42CrMo4, AISI/SAE 4140 (tương đương gần đúng), JIS. Được phân loại là thép hợp kim crom-molypden để tôi xuyên suốt.
• Thể loại: Thép hợp kim thấp, tôi và ram (thép kết cấu/hợp kim).

Cả hai đều không phải là thép không gỉ; chúng là thép hợp kim (không phải HSLA theo nghĩa chặt chẽ nhất, mà là hợp kim để cải thiện khả năng làm cứng và độ bền).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là các phạm vi thành phần điển hình được sử dụng làm hướng dẫn (các phạm vi phản ánh các thông số kỹ thuật chung; giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn đã chọn và điều kiện xử lý nhiệt).

Yếu tố	20CrMo điển hình (wt%)	42CrMo điển hình (wt%)
C	0,17–0,25	0,38–0,45
Mn	0,35–0,65	0,50–0,90
Si	0,15–0,35	0,15–0,35
P	≤ 0,025	≤ 0,025
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	0,40–0,70	0,90–1,20
Ni	≤ 0,30 (nhỏ)	≤ 0,30 (nhỏ)
Mo	0,08–0,20	0,15–0,30
V	≤ 0,05 (vết)	≤ 0,05 (vết)
Lưu ý	thường theo dõi	thường theo dõi
Ti	thường theo dõi	thường theo dõi
B	thường theo dõi	thường theo dõi
N	thường theo dõi	thường theo dõi

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon: kiểm soát chính về độ bền và khả năng tôi. Hàm lượng carbon thấp hơn trong thép thấm cacbon (20CrMo) tạo điều kiện cho lõi dẻo và độ dốc lõi/vỏ tốt sau khi thấm cacbon. Hàm lượng carbon cao hơn trong thép thấm cacbon 42CrMo mang lại độ bền và độ cứng sau khi tôi cao hơn trên toàn bộ tiết diện. - Crom và molypden: tăng khả năng làm cứng, khả năng chịu nhiệt và độ bền; cả hai loại đều sử dụng Cr và Mo nhưng 42CrMo thường có Cr và Mo cao hơn để có thể làm cứng hoàn toàn đến mức độ bền cao hơn. - Mangan và silic: góp phần tăng cường độ bền và khử oxy. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) có thể có mặt ở dạng vết để kiểm soát kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai; không phải là nguyên tố hợp kim chính trong các loại này.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình: - 20CrMo - Cán/chuẩn hóa: chủ yếu là ferit–perlite hoặc cấu trúc vi mô hạt mịn tùy thuộc vào quá trình chuẩn hóa. - Sau khi thấm cacbon + tôi và ram: lớp vỏ martensitic/cacbon hóa cứng với độ dốc cacbon được kiểm soát; lõi là martensitic ram hoặc ferrite-pearlite ram có độ bền tương đối thấp hơn và độ dẻo cao hơn. Thấm cacbon làm cho 20CrMo trở nên lý tưởng khi cần khả năng chống mài mòn bề mặt mà không làm giảm độ dẻo của lõi. - 42CrMo - Cán/chuẩn hóa: ferit-pearlit; kiểm soát kích thước hạt tốt nhờ Cr và Mo. - Sau khi tôi và ram: chuyển thành martensite sau khi tôi và sau khi ram, đạt được độ bền và độ dai cao trên toàn bộ mặt cắt ngang. Nhiệt độ ram kiểm soát sự cân bằng giữa độ bền và độ dai; ram cao hơn làm giảm độ bền và tăng độ dai. - Xử lý nhiệt cơ học: Cả hai loại đều đáp ứng với quá trình cán có kiểm soát và làm nguội nhanh để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện các tính chất cơ học; tuy nhiên, hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn của 42CrMo khiến nó phản ứng tốt hơn với quá trình gia cường thông qua quá trình làm nguội và ram.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt và kích thước tiết diện. Bảng này thể hiện các phạm vi đại diện cho các điều kiện xử lý nhiệt thường được sử dụng (thường hóa, thấm cacbon/rau tôi, hoặc tôi & ram). Những thông số này chỉ mang tính chất tham khảo; hãy chỉ định bảng dữ liệu hoặc chứng chỉ kiểm tra của nhà cung cấp cho các giá trị quan trọng đối với thiết kế.

Tài sản	20CrMo (độ tôi lõi/sau khi thấm cacbon điển hình)	42CrMo (đã tôi và ram điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	Lõi: ~500–800	~800–1200
Giới hạn chảy (MPa)	Lõi: ~300–600	~600–1000
Độ giãn dài (%)	Lõi: trung bình đến tốt (10–18%)	Thay đổi theo tính khí (8–16%)
Độ bền va đập (J, nhiệt độ phòng)	Độ bền lõi tốt sau khi tôi luyện	Tốt đến rất tốt với mức độ tôi luyện thích hợp; tùy thuộc vào mức độ tôi luyện
Độ cứng (HRC hoặc HB)	Độ cứng vỏ cao (HRC 55–62), lõi thấp (HB 170–250)	Có thể đạt được độ cứng xuyên suốt (ví dụ: HRC ~25–55 tùy thuộc vào nhiệt độ)

Giải thích: - Loại nào bền hơn? Ở trạng thái tôi cứng, 42CrMo có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn do hàm lượng carbon và hợp kim cao hơn. - Loại nào bền hơn/dẻo hơn? Lõi cacbon thấp hơn của 20CrMo sau khi thấm cacbon mang lại độ dẻo và độ bền lõi vượt trội, đồng thời vẫn đảm bảo lớp vỏ chống mài mòn. 42CrMo có thể được chế tạo để cân bằng độ dẻo dai và độ bền thông qua quá trình ram, nhưng thường có độ bền cao hơn và độ dẻo thấp hơn lõi của chi tiết 20CrMo thấm cacbon khi cả hai được tối ưu hóa cho từng trường hợp sử dụng.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn: - Hàm lượng cacbon và khả năng tôi luyện là yếu tố then chốt. Hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn làm tăng nguy cơ hình thành martensite cứng, giòn ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), do đó làm tăng nhu cầu xử lý nhiệt trước/sau hàn và sau khi hàn (PWHT). - 20CrMo: hàm lượng carbon thấp hơn giúp cải thiện khả năng hàn cho các chi tiết không được thấm cacbon, nhưng nếu chi tiết được thấm cacbon, quá trình hàn phải tính đến lớp thấm cacbon (tránh hàn xuyên qua vỏ nếu không có quy trình phù hợp). Các chi tiết được thấm cacbon thường cần được chú ý trước và sau khi hàn. - 42CrMo: hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn dẫn đến xu hướng làm cứng HAZ cao hơn; quá trình nung nóng sơ bộ có kiểm soát và PWHT thường được yêu cầu đối với các mối hàn kết cấu để tránh nứt. - Sử dụng công thức tính lượng cacbon tương đương giúp đánh giá khả năng hàn. Ví dụ: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Diễn giải: Giá trị $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy khả năng tôi cứng tốt hơn và quy trình hàn chặt chẽ hơn. Trên thực tế, 42CrMo thường cho kết quả hàm lượng cacbon tương đương cao hơn 20CrMo, ngụ ý quy trình hàn sơ bộ và PWHT hạn chế hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 20CrMo và 42CrMo đều không phải thép không gỉ; cả hai đều cần biện pháp bảo vệ khi cần khả năng chống ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: sơn, sơn tĩnh điện, phủ dầu, phủ photphat hoặc mạ kẽm nhúng nóng tùy thuộc vào môi trường. Đối với các chi tiết có bề mặt được xử lý nhiệt/kích thước chặt chẽ, lớp phủ cơ học hoặc lớp hoàn thiện bôi trơn có thể được ưu tiên.
• Các chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép cacbon/hợp kim này. Để tham khảo về thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Điều này không liên quan đến 20CrMo hoặc 42CrMo vì hàm lượng Cr và Mo cũng như thành phần hóa học của ma trận của chúng không được thiết kế để chống ăn mòn rỗ.

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

• Khả năng gia công:
• 20CrMo: khả năng gia công trung bình trong điều kiện ủ hoặc thường hóa; hàm lượng cacbon thấp giúp gia công dễ dàng hơn ở các vùng lõi. Các bề mặt được thấm cacbon khó gia công sau khi tôi cứng.
• 42CrMo: khả năng gia công kém hơn thép cacbon thấp khi được làm cứng; trong điều kiện thường hóa hoặc ủ, việc gia công có thể kiểm soát được nhưng cần cân nhắc đến hiện tượng rung lắc và mài mòn dụng cụ do hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn.
• Khả năng định hình:
• 20CrMo (ủ/chuẩn hóa): khả năng tạo hình nguội và uốn tốt hơn do hàm lượng cacbon lõi thấp hơn. Quá trình tạo hình sau khi thấm cacbon không phổ biến.
• 42CrMo: khả năng tạo hình nguội hạn chế trong điều kiện cường độ cao; thiết kế để tạo hình ở trạng thái ủ/chuẩn hóa trước khi xử lý nhiệt cuối cùng.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều đáp ứng tốt với mài, phun bi và hoàn thiện bề mặt. Việc mài các chi tiết đã tôi cứng đòi hỏi phải lựa chọn dụng cụ và kiểm soát chất làm mát phù hợp.

8. Ứng dụng điển hình

20CrMo (cấp thấm cacbon)	42CrMo (cấp độ tôi cứng hoàn toàn)
Bánh răng (bánh răng truyền động có vỏ được chế tạo bằng cacbon)	Trục và trục xe yêu cầu độ bền xoắn cao
Trục và bánh răng khía có bề mặt chịu mài mòn	Chốt cường độ cao, trục chịu lực nặng
Ống lót hoặc các thành phần yêu cầu bề mặt chống mài mòn và lõi cứng	Trục khuỷu, các bộ phận máy móc hạng nặng cần độ bền đồng đều
Các thành phần được thiết kế cho quá trình thấm cacbon để kết hợp khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai	Các bộ phận kết cấu đòi hỏi phải tôi luyện và có tính chất khối lượng có thể dự đoán được

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 20CrMo nếu thiết kế có lợi thế là bề mặt cứng, chống mài mòn (vỏ) với lõi dẻo, bền — đặc trưng của bánh răng và bề mặt tiếp xúc chịu tải trọng lớn, trong đó độ mài mòn tiếp xúc là rất quan trọng. - Chọn 42CrMo nếu ứng dụng yêu cầu độ bền khối đồng đều cao hơn và khả năng chống mỏi trên toàn bộ mặt cắt ngang và khi cần hoặc chấp nhận được quá trình làm cứng xuyên suốt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 42CrMo thường có giá cao hơn mỗi tấn so với thép cacbon thông thường do hàm lượng hợp kim cao hơn và yêu cầu xử lý chặt chẽ hơn; 20CrMo có thể có giá tương tự hoặc thấp hơn một chút tùy thuộc vào cấp độ và thị trường nhưng có thể phát sinh thêm chi phí xử lý (thấm cacbon).
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi trên toàn cầu dưới dạng thanh, rèn và tấm từ các nhà máy thép chuyên dụng và nhà phân phối. 42CrMo (hoặc các loại tương đương như AISI 4140 / 42CrMo4) là hợp kim tiêu chuẩn thường có sẵn trong kho; các loại thấm cacbon như 20CrMo cũng phổ biến nhưng có thể được cung cấp dưới dạng phôi đã chuẩn hóa hoặc đã thấm cacbon trước.
• Tổng chi phí sở hữu: bao gồm xử lý nhiệt (chi phí chu trình thấm cacbon cho thép 20CrMo), gia công/mài sau xử lý nhiệt, và bất kỳ thử nghiệm không phá hủy hoặc bảo vệ bề mặt bổ sung nào. Một loại thép nền có vẻ rẻ hơn có thể trở nên đắt hơn sau các bước thấm cacbon và hoàn thiện.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	20CrMo	42CrMo
Khả năng hàn	Tốt hơn cho hàn lõi; tránh hàn qua vỏ cacbon hóa không có bộ điều khiển	Hạn chế hơn — thường yêu cầu nhiệt độ làm nóng trước/PWHT cao hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Sự kết hợp tuyệt vời giữa vỏ và lõi cho khả năng chống mài mòn + độ bền	Độ bền xuyên suốt cao hơn; độ dẻo dai có thể điều chỉnh bằng cách tôi luyện
Trị giá	Chi phí cơ bản cạnh tranh; chi phí quy trình bổ sung cho quá trình thấm cacbon	Chi phí hợp kim cao hơn; lộ trình xử lý nhiệt đơn giản hơn để làm cứng xuyên suốt

Sự giới thiệu: - Chọn 20CrMo nếu bạn cần bề mặt cứng để chống mài mòn trong khi vẫn giữ được lõi dẻo, cứng — điển hình cho bánh răng, pinion và trục thấm cacbon. - Chọn 42CrMo nếu bạn yêu cầu độ bền xuyên suốt cao hơn và điều kiện tôi và ram có thể dự đoán được đối với trục, trục xe hoặc các thành phần kết cấu chịu tải nặng, trong đó tính chất đồng nhất là rất quan trọng.

Lưu ý cuối cùng: Luôn luôn so sánh việc lựa chọn vật liệu với tuổi thọ thiết kế cụ thể, tải trọng mỏi, các ràng buộc về kích thước và các phương pháp xử lý sau chế tạo (thấm cacbon, thấm nitơ, tôi và ram, PWHT). Xác nhận các giới hạn hóa học và cơ học chính xác từ chứng chỉ nhà máy hoặc tiêu chuẩn áp dụng trước khi hoàn thiện thông số kỹ thuật mua sắm hoặc thiết kế.