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

Giới thiệu

Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường lựa chọn giữa 20MnTi và 20CrMnTi khi chỉ định thép cacbon trung bình cho các linh kiện đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc ưu tiên độ cứng xuyên suốt và khả năng hàn cho các bộ phận kết cấu, hay ưu tiên độ bền vỏ và khả năng chống mỏi tiếp xúc cho bánh răng và trục sau khi tôi bề mặt.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim hóa và khả năng tôi luyện: 20MnTi là thép cacbon trung bình ổn định bằng mangan-titan được tối ưu hóa cho các đặc tính cơ học và độ bền tốt, trong khi 20CrMnTi là biến thể mang crom được điều chế để cải thiện khả năng tôi luyện và hiệu suất tôi luyện vỏ. Vì cả hai đều được sử dụng cho các bộ phận tương tự (trục, bánh răng, chốt), nên chúng thường được so sánh trong quá trình lựa chọn vật liệu về chi phí, lộ trình xử lý nhiệt và điều kiện vận hành.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung về các cấp độ này (danh pháp và thành phần hóa học chính xác thay đổi tùy theo cơ quan tiêu chuẩn):
• GB (Trung Quốc): 20MnTi, 20CrMnTi (tên gọi thông dụng của Trung Quốc dành cho thép hợp kim cacbon trung bình).
• JIS (Nhật Bản), EN (Châu Âu), ASTM/ASME (Hoa Kỳ): Các cấp độ tương đương hoặc các phương án thay thế gần nhất tồn tại dưới nhiều tên gọi khác nhau; sự tương đương trực tiếp một-một yêu cầu phải kiểm tra dung sai thành phần cụ thể.
• Phân loại:
• 20MnTi: Được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ); hợp kim vi mô với Ti để tinh chỉnh/ổn định hạt.
• 20CrMnTi: Được phân loại là thép hợp kim thấp có hàm lượng cacbon trung bình, tôi bề mặt (thấm cacbon) bằng crom và hợp kim vi mô (Ti); được tối ưu hóa về độ cứng bề mặt thấm cacbon và lõi cứng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần điển hình (wt%). Đây là phạm vi công nghiệp mang tính chất tham khảo được sử dụng để hướng dẫn thông số kỹ thuật và không thay thế cho các giới hạn chính xác được đưa ra trong một tiêu chuẩn hoặc thông số kỹ thuật mua sắm cụ thể.

Yếu tố	20MnTi (phạm vi điển hình, wt%)	20CrMnTi (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,16 – 0,24	0,16 – 0,24
Mn	0,60 – 1,10	0,60 – 1,20
Si	0,15 – 0,35	0,15 – 0,35
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	≤ 0,30 (vết)	0,60 – 1,20
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mo	≤ 0,08	≤ 0,08
V	dấu vết ≤ 0,10	dấu vết ≤ 0,10
Lưu ý	dấu vết ≤ 0,03	dấu vết ≤ 0,03
Ti	0,02 – 0,06	0,02 – 0,06
B	–	–
N	không được chỉ định cụ thể	không được chỉ định cụ thể

Các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon kiểm soát độ cứng và độ bền; cả hai loại đều là carbon trung bình để có thể tôi luyện và tạo lõi tôi luyện mạnh hoặc làm cứng vỏ hiệu quả. - Mangan làm tăng độ cứng và độ bền kéo; mức độ điển hình tương tự nhau ở cả hai loại. - Crom trong 20CrMnTi làm tăng khả năng tôi luyện và cải thiện quá trình hình thành cacbua trong quá trình thấm cacbon, hỗ trợ độ cứng vỏ cao hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn. - Titan có chức năng khử oxy và tạo thành cacbonitrit giúp tinh chỉnh kích thước hạt và liên kết nitơ, cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống giòn giữa các hạt. - Silic, molypden và một lượng nhỏ vanadi hoặc niobi có thể ảnh hưởng thêm đến khả năng làm cứng, khả năng chịu nhiệt và kiểm soát kích thước hạt tùy thuộc vào quy trình nghiền.

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

Cấu trúc vi mô phụ thuộc vào thành phần và phương pháp xử lý nhiệt:

• 20MnTi:
• Cấu trúc vi mô điển hình sau khi chuẩn hóa hoặc làm nguội & ram: martensite/bainit ram được ram với các thành phần ferrite/perlite được giữ lại tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và kích thước mặt cắt.
• Hợp kim vi mô với Ti làm mịn kích thước hạt austenit trước khi chuyển đổi, cải thiện độ dẻo dai.

• Phản ứng tốt với chu trình làm nguội và ram trực tiếp; đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo mà không cần quá trình làm cứng bề mặt rộng rãi.

• 20CrMnTi:

• Được thiết kế để thấm cacbon: lõi hóa học có hàm lượng cacbon thấp đến trung bình với Cr để tăng cường khả năng làm cứng của lớp gần bề mặt sau khi thấm cacbon và làm nguội.
• Sau khi thấm cacbon + làm nguội + ram: cấu trúc vi mô của vỏ là martensitic (độ cứng cao), lõi là martensitic ram hoặc ferrite/perlite tùy thuộc vào quá trình chế biến, được thiết kế để có lõi dẻo chống lại sự lan truyền vết nứt.
• Cr thúc đẩy quá trình hình thành hợp kim cacbua và tăng khả năng tôi luyện để các phần dày hơn có thể tạo ra lớp vỏ cứng với lõi cứng.

Tác dụng của xử lý nhiệt cụ thể: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh cấu trúc vi mô, tăng cường độ vừa phải; hữu ích như một bước chuẩn bị. - Làm nguội và ram: tăng độ bền và độ dẻo dai; cả hai loại thép đều có phản ứng, nhưng thép 20CrMnTi có độ cứng cao hơn khi được thấm cacbon trước khi ram. - Thấm cacbon (20CrMnTi): tạo ra lớp bề mặt có hàm lượng cacbon cao, cho phép bề mặt có độ cứng rất cao sau khi tôi; 20MnTi ít được sử dụng cho các ứng dụng thấm cacbon sâu vì nó không có khả năng làm cứng Cr cao hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng: các đặc tính cơ học biểu thị sau quá trình gia công điển hình. Các giá trị này là phạm vi đại diện được sử dụng trong công nghiệp; các đặc tính cuối cùng phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt chính xác, kích thước tiết diện và thành phần hóa học chính xác.

Bất động sản (tình trạng điển hình)	20MnTi (chuẩn hóa hoặc QT)	20CrMnTi (vỏ cacbon hóa + lõi tôi hoặc QT)
Độ bền kéo (MPa)	~400 – 650	Lõi: ~600 – 900 (phụ thuộc vào sau khi thấm cacbon và QT); bề mặt cao hơn nhiều sau khi thấm cacbon
Giới hạn chảy (MPa)	~250 – 420	Lõi: ~350 – 700 (thay đổi tùy theo phương pháp điều trị)
Độ giãn dài (%)	~12 – 20	Lõi: ~8 – 18 (các bộ phận được thấm cacbon thường đánh đổi độ dẻo dai để lấy độ cứng của vỏ)
Độ bền va đập (J, nhiệt độ phòng)	Nói chung là tốt — cao hơn so với các loại thép cacbon có cùng độ cứng	Lõi được thiết kế có độ bền cao; vỏ cứng và ít bền hơn
Độ cứng (HRC hoặc HB)	Khi chuẩn hóa: ~170–240 HB; sau QT: có thể cao hơn (biến đổi theo thang HRC)	Độ cứng của vỏ sau khi thấm cacbon: có thể vượt quá 58–64 HRC tại chỗ; lõi thường là 200–260 HB (thay đổi)

Cái nào bền hơn, dai hơn hay dẻo hơn: - Độ bền: Về tính chất lõi sau khi tôi và ram mạnh, 20CrMnTi có thể đạt được độ bền tương đương hoặc cao hơn do khả năng làm cứng được tăng cường bởi Cr, đặc biệt là sau khi thấm cacbon khi độ cứng bề mặt cao hơn nhiều. - Độ dẻo dai: 20MnTi thường thể hiện độ dẻo dai tốt hơn trong điều kiện tôi luyện trừ khi 20CrMnTi được xử lý nhiệt đặc biệt để tối ưu hóa độ dẻo dai của lõi; tuy nhiên, 20CrMnTi được cacbon hóa cung cấp lõi dẻo dai với lớp vỏ chống mài mòn rất cứng—một sự kết hợp mong muốn cho các ứng dụng chịu mỏi khi tiếp xúc. - Độ dẻo: 20MnTi có xu hướng thể hiện độ dẻo cao hơn trong điều kiện tôi cứng (không có lớp vỏ cứng thấm cacbon).

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim vi mô. Việc sử dụng các đánh giá tương đương cacbon giúp dự đoán các yêu cầu xử lý nhiệt trước khi gia nhiệt/sau khi hàn.

Công thức tương đương cacbon phổ biến: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức Dearden & O'Neill/Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 20MnTi: hàm lượng carbon vừa phải và hợp kim hạn chế thường tạo ra hàm lượng carbon tương đương vừa phải và khả năng hàn nói chung là chấp nhận được với quá trình nung nóng sơ bộ tiêu chuẩn và nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát. Việc vi hợp kim Ti có thể làm phức tạp thêm việc lựa chọn vật liệu hàn, nhưng nhìn chung loại vật liệu này có thể hàn được cho nhiều loại sản phẩm. - 20CrMnTi: Cr làm tăng hàm lượng cacbon tương đương và khả năng tôi, do đó khả năng hàn nhìn chung thấp hơn 20MnTi. Các chi tiết được thấm cacbon đòi hỏi quy trình hàn đặc biệt, xử lý nhiệt trước và sau khi hàn để tránh nứt hydro và phục hồi các đặc tính lõi. Khi hàn sửa chữa các bề mặt thấm cacbon, hãy tuân thủ quy trình gia nhiệt trước/PWHT phù hợp và sử dụng kim loại hàn tương thích.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 20MnTi và 20CrMnTi đều là thép không gỉ, hợp kim thấp; chúng dễ bị ăn mòn nói chung và cần có lớp phủ bảo vệ hoặc kiểm soát môi trường trong môi trường ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: sơn, sơn dung môi hoặc sơn bột, phosphat hóa và mạ kẽm nhúng nóng; lựa chọn tùy thuộc vào hình dạng và yêu cầu xử lý nhiệt sau đó (lưu ý: mạ kẽm sau khi thấm cacbon/tôi có thể không thực tế đối với một số ứng dụng).
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng để tham khảo, các đánh giá về thép không gỉ sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Nếu khả năng chống ăn mòn là yếu tố thiết kế chính, hãy chọn hợp kim không gỉ hoặc chống ăn mòn thay vì các loại thép cacbon/hợp kim này.

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

• Khả năng gia công:
• 20MnTi: khả năng gia công trung bình đặc trưng của thép cacbon trung bình; khả năng gia công có thể được cải thiện sau khi ủ hoặc chuẩn hóa thích hợp.
• 20CrMnTi: khả năng gia công thấp hơn một chút nếu hàm lượng Cr cao hơn hoặc nếu vật liệu được thấm cacbon/làm cứng; gia công vỏ cứng đòi hỏi phải mài thay vì cắt thông thường.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• Cả hai loại đều có thể định hình trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa; 20MnTi dễ định hình hơn một chút do khả năng làm cứng thấp hơn một chút.
• Sau khi xử lý nhiệt (QT hoặc thấm cacbon), khả năng tạo hình và uốn cong giảm đáng kể.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Mài và đánh bóng là công đoạn phổ biến đối với các thành phần 20CrMnTi được thấm cacbon để đáp ứng các yêu cầu về độ hoàn thiện bề mặt và dung sai.

8. Ứng dụng điển hình

20MnTi — Công dụng điển hình	20CrMnTi — Công dụng điển hình
Trục, chốt, ốc vít, các bộ phận kết cấu cần độ bền vừa phải và độ dẻo dai tốt; các chi tiết rèn và trục được tôi cứng hoặc tôi và ram	Bánh răng, trục bánh răng, xích, cam, chốt chịu lực nặng, rãnh và ổ trục yêu cầu vỏ cứng, chống mài mòn với lõi dẻo dai (được thấm cacbon và tôi)
Các thành phần cơ khí chung yêu cầu khả năng gia công tốt và xử lý nhiệt chi phí thấp hơn	Các thành phần chịu ứng suất tiếp xúc cao trong đó bề mặt cứng và khả năng chống mỏi là rất quan trọng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 20MnTi khi chi tiết yêu cầu tính chất đồng đều trên toàn bộ mặt cắt, xử lý nhiệt đơn giản hơn hoặc khi ưu tiên khả năng hàn và chi phí thấp hơn. - Chọn 20CrMnTi khi bề mặt bị mài mòn, mỏi khi tiếp xúc và cần có vỏ cứng có lõi dẻo là những yếu tố quyết định; đây là lựa chọn thông thường cho các bánh răng thấm cacbon và các bộ phận tiếp xúc nhiều.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• 20MnTi: chi phí vật liệu thường thấp hơn do thành phần hóa học đơn giản hơn và sản xuất rộng rãi; chi phí gia công và xử lý nhiệt ở mức vừa phải.
• 20CrMnTi: chi phí vật liệu cao hơn một chút do bổ sung Cr và yêu cầu chung về thấm cacbon và xử lý nhiệt phức tạp hơn; tổng chi phí chế tạo các bộ phận có thể cao hơn do quá trình xử lý (thời gian lò thấm cacbon, dầu tôi, nghiền).
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Cả hai loại này đều thường có ở dạng thanh, rèn và cán tại các khu vực có ngành sản xuất thép công nghiệp phát triển; 20CrMnTi có thể thường xuyên được dự trữ ở dạng dùng để thấm cacbon (thanh cho bánh răng, trục).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt các thuộc tính định tính:

Thuộc tính	20MnTi	20CrMnTi
Khả năng hàn	Tốt (CE trung bình)	Từ trung bình đến kém (độ cứng cao hơn; cần chăm sóc nhiều hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt được tôi luyện kỹ lưỡng	Sự kết hợp tuyệt vời giữa vỏ và lõi sau khi thấm cacbon; lõi được thiết kế có độ bền cao
Chi phí (vật liệu + gia công)	Thấp hơn	Cao hơn (do nhu cầu xử lý Cr và nhiệt)

Sự giới thiệu: - Chọn 20MnTi nếu bạn cần loại thép cacbon trung bình có giá thành hợp lý, dễ hàn, có độ dẻo dai xuyên suốt tốt và xử lý nhiệt đơn giản (làm nguội & ram hoặc chuẩn hóa) và khi không cần làm cứng bề mặt nhiều. - Chọn 20CrMnTi nếu thiết kế yêu cầu vỏ cứng chống mài mòn có lõi dẻo dai (ví dụ: bánh răng, trục cam, chốt chịu tải nặng) và bạn có thể đáp ứng được quá trình thấm cacbon/tôi/ram và các quy trình kiểm soát cũng như chi phí liên quan.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác nhận chính xác các giới hạn hóa học và cơ học trong thông số kỹ thuật mua sắm hoặc tiêu chuẩn áp dụng cho khu vực và ứng dụng của bạn. Lịch trình xử lý nhiệt, kích thước mặt cắt và môi trường sử dụng dự kiến ​​sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất cuối cùng của cả hai loại thép.