25# so với 35# – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường lựa chọn thép cacbon 25# và 35# khi chỉ định thép cacbon cho trục, chốt, ống lót và các bộ phận kết cấu chung cần cân bằng giữa chi phí, khả năng gia công và hiệu suất cơ học. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc ưu tiên tạo hình và hàn dễ dàng hơn cho các sản phẩm chế tạo lớn, hay ưu tiên độ bền rèn/nhiệt luyện cao hơn cho các bộ phận chịu tải trọng tĩnh hoặc động lớn hơn.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở hàm lượng carbon và sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo: loại thép có hàm lượng carbon cao hơn thể hiện tiềm năng về độ bền và độ cứng lớn hơn, nhưng lại giảm độ dẻo và một phần khả năng hàn. Vì cả hai đều là thép carbon thường được sử dụng rộng rãi trong các dạng sản phẩm tương tự, các nhà thiết kế so sánh trực tiếp chúng để quyết định xem liệu độ bền bổ sung (và khả năng xử lý nhiệt) có xứng đáng với việc đánh đổi về khả năng tạo hình, độ dẻo dai và độ phức tạp trong chế tạo hay không.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các hệ thống tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế phổ biến có thể tham chiếu đến các loại thép cacbon thông thường tương đương, nhưng các ký hiệu theo nghĩa đen “25#” và “35#” thường gặp nhất trong danh pháp vật liệu của Trung Quốc.
• Các họ tiêu chuẩn liên quan điển hình:
• GB (Trung Quốc): 25#, 35# (thép cacbon thông thường)
• ASTM/ASME: các loại thép cacbon thông thường tương đương (lựa chọn theo thành phần/tính chất thay vì ký hiệu “#” theo nghĩa đen)
• EN: thép trong các họ EN 10025/10083 hoặc các loại thép tương đương EN được lựa chọn theo yêu cầu về cacbon và độ bền kéo
• JIS: Danh sách thép cacbon trơn tương đương của Nhật Bản theo hàm lượng C và tính chất cơ học

Phân loại: Cả thép 25# và 35# đều là thép cacbon thông thường (không hợp kim). Chúng không phải là thép không gỉ, thép HSLA hoặc thép dụng cụ ở dạng tiêu chuẩn. Xử lý nhiệt có thể được áp dụng để thay đổi tính chất nhưng không làm thay đổi phân loại cơ bản.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Điển hình 25# (định tính)	Điển hình 35# (định tính)
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp hơn (danh nghĩa ~0,2–0,3%) — phạm vi điển hình thay đổi theo tiêu chuẩn	Hàm lượng carbon cao hơn (danh nghĩa ~0,3–0,4%) — phạm vi điển hình thay đổi theo tiêu chuẩn
Mn (Mangan)	Thấp đến trung bình (khử oxy, cường độ)	Thấp đến trung bình, thường tương tự hoặc cao hơn một chút để kiểm soát khả năng làm cứng
Si (Silic)	Bổ sung chất khử oxy nhỏ	Bổ sung chất khử oxy nhỏ
P (Phốt pho)	Kiểm soát tạp chất (giữ ở mức thấp)	Kiểm soát tạp chất (giữ ở mức thấp)
S (Lưu huỳnh)	Tạp chất được kiểm soát (có thể cao hơn ở các biến thể gia công tự do)	Tạp chất được kiểm soát
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	Thông thường không được cố ý thêm vào tiêu chuẩn 25#/35#; có thể có dấu vết ở mức độ	Giống như 25# — đây không phải là thép hợp kim trừ khi được sản xuất đặc biệt dưới dạng biến thể hợp kim

Ghi chú: - Sự khác biệt quan trọng nhất về thành phần là carbon. Những điều chỉnh nhỏ đối với Mn và Si ảnh hưởng đến tính chất kéo và khử oxy. Các nguyên tố hợp kim khác thường không có trong thép 25#/35# tiêu chuẩn; nếu có, chúng biểu thị một cấp độ quy định khác. - Chiến lược hợp kim cho các loại này rất tối thiểu: giữ cho hóa học đơn giản, kiểm soát tạp chất và chỉ sử dụng phương pháp xử lý nhiệt hoặc hợp kim vi mô khi cần tăng cường tính chất cụ thể.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai loại thép ở trạng thái cán hoặc chuẩn hóa thường bao gồm cấu trúc vi mô ferit-perlit. Tỷ lệ thể tích perlit tăng theo hàm lượng cacbon. - 25#: thành phần ferit cao hơn, perlit thô hơn/mịn hơn tùy thuộc vào quá trình làm nguội, thường dẻo hơn và cứng hơn khi cán. - 35#: hàm lượng perlit cao hơn và perlit có khả năng mịn hơn nếu được xử lý để tăng tốc độ làm nguội, tạo ra độ bền và độ cứng cao hơn trong điều kiện chuẩn hóa.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Tinh chỉnh cấu trúc hạt và tạo ra sự phân bố ferit-pearlit đồng đều hơn. Cả hai loại đều đáp ứng tốt với quá trình chuẩn hóa; 35# sẽ đạt được cường độ chuẩn hóa cao hơn 25# do hàm lượng carbon cao hơn. - Ủ: Làm mềm và cải thiện khả năng gia công hoặc khả năng tạo hình cho cả hai loại; thép 25# sẽ trở nên dẻo hơn so với thép 35# sau khi ủ hoàn toàn. - Làm nguội và ram: Cả hai đều có thể được làm cứng, nhưng khả năng làm cứng bị hạn chế so với thép hợp kim. Thép 35#, có hàm lượng cacbon cao hơn, đạt được độ cứng sau khi tôi cao hơn nhưng cũng có nguy cơ nứt do làm nguội cao hơn và độ dẻo dai giảm trừ khi được ram cẩn thận. - Xử lý nhiệt cơ học: Cán có kiểm soát và làm nguội nhanh cải thiện độ bền và độ dẻo dai, nhưng những thay đổi về độ cứng đáng kể đòi hỏi phải bổ sung hợp kim không có trong thép 25#/35# tiêu chuẩn.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	25#	35#	Bình luận so sánh
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn	35# mạnh hơn do hàm lượng C và perlit cao hơn
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn	Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng năng suất cho 35#
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao hơn (dẻo hơn)	Thấp hơn (ít dẻo hơn)	25# có độ giãn dài và khả năng định hình tốt hơn
Độ bền va đập	Nói chung là tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Thông thường thấp hơn 25# nếu không được xử lý nhiệt để tăng độ dẻo dai	Độ C cao hơn làm giảm độ dẻo dai, đặc biệt là trong điều kiện tôi hoặc lạnh
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn	35# đạt độ cứng cao hơn trong điều kiện tương tự

Giải thích: - 35# là lựa chọn cứng hơn/mạnh hơn ở trạng thái nhiệt cơ học tương đương; 25# có độ dẻo tốt hơn và thường có khả năng chống va đập tốt hơn đối với các bộ phận dự kiến ​​sẽ chịu tải trọng tạo hình hoặc tải trọng động. - Đối với các thành phần cần độ dẻo dai cao và biến dạng dẻo lớn, 25# thường được ưu tiên trừ khi quá trình xử lý sau (ví dụ, ram) được lên kế hoạch cho 35#.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng cacbon, hợp kim kết hợp và độ dày tiết diện. Đối với thép cacbon thường như 25# và 35#, chỉ số cacbon tương đương được sử dụng rộng rãi để ước tính nhu cầu gia nhiệt trước/sau.

Công thức tương đương cacbon phổ biến: - Hiển thị ví dụ hướng dẫn quốc tế: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức chi tiết hơn được sử dụng để dự đoán khả năng nứt nguội: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 35# có $C$ cao hơn, do đó $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tính toán sẽ cao hơn 25#, cho thấy xu hướng cứng hóa tăng lên ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nguy cơ nứt nguội do hydro cao hơn. Do đó, 35# thường yêu cầu các quy trình hàn bảo thủ hơn: nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, điện cực hydro thấp và xử lý nhiệt sau hàn khi độ dày và độ kiềm chế là đáng kể. - 25#, với $C$ thấp hơn, dễ hàn hơn, dễ nối hơn mà không cần làm nóng trước đối với độ dày vừa phải và thường không yêu cầu kiểm soát hydro nghiêm ngặt.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 25# và 35# đều là thép cacbon không gỉ và cần lớp phủ và lớp chắn để chống ăn mòn. Các chiến lược phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng cho các thành phần kết cấu ngoài trời.
• Hệ thống sơn (sơn lót epoxy, sơn phủ polyurethane) để bảo vệ khỏi tác động của khí quyển.
• Bảo vệ catốt hoặc lớp phủ trong các ứng dụng chôn hoặc ngâm nước.
• Các chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho thép cacbon thông thường. Ví dụ, PREN là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng điều này chỉ liên quan đến hợp kim không gỉ; PREN không nên đánh giá cả hợp kim 25# và 35#.
• Lưu ý khi lựa chọn: Nếu khả năng chống ăn mòn là yếu tố thiết kế chính, hãy chọn hợp kim không gỉ hoặc chống ăn mòn thay vì dựa vào xử lý bề mặt 25# hoặc 35# trở lên.

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

• Khả năng tạo hình và uốn cong: Thép 25# dễ uốn cong và tạo hình nguội hơn do có độ dẻo cao hơn; thép 35# dễ bị bật ngược và có thể nứt nếu uốn cong vượt quá bán kính khuyến nghị.
• Khả năng gia công: Khi gia công, thép 25# tạo điều kiện gia công dễ dàng hơn khi mềm hơn; tuy nhiên, hàm lượng carbon cao hơn một chút có thể cải thiện khả năng hình thành phoi trong một số thao tác. Nhìn chung, thép 35# hàm lượng carbon cao hơn đòi hỏi lực cắt lớn hơn và có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ nếu ở trạng thái tôi cứng.
• Cắt, mài và hoàn thiện: Cả hai đều đáp ứng các quy trình gia công tiêu chuẩn, nhưng các hoạt động trên thép 35# được tôi hoặc ram nên được lên kế hoạch như đối với thép có độ bền cao hơn (tốc độ chậm hơn, dụng cụ cứng hơn, chất làm mát).
• Xử lý bề mặt (mạ, phủ) có tác dụng tương tự đối với cả hai loại, mặc dù việc chuẩn bị bề mặt để hàn hoặc phủ có thể quan trọng hơn trên các bề mặt tôi có độ bền cao hơn.

8. Ứng dụng điển hình

25# — Công dụng điển hình	35# — Công dụng điển hình
Trục, chốt, bu lông và phụ kiện chung có độ bền thấp đến trung bình, trong đó khả năng tạo hình và hàn là quan trọng	Trục, trục, bánh răng, chốt trục và các bộ phận cần độ bền xử lý nhiệt cao hơn
Các thành phần ép và uốn cong, giá đỡ kết cấu, dụng cụ nông nghiệp	Các bộ phận sẽ được tôi/ram hoặc yêu cầu khả năng chống mài mòn cao hơn trong quá trình sử dụng
Chế tạo chung trong đó chi phí thấp hơn và dễ hàn là ưu tiên	Các thành phần hoặc vật rèn chịu tải trọng cao nhỏ hơn, trong đó cường độ tăng lên đòi hỏi quá trình xử lý phức tạp hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 25# khi khả năng hàn, độ dẻo và dễ tạo hình là yếu tố quan trọng và không yêu cầu độ bền cực cao. - Chọn 35# khi cần độ bền cơ bản hoặc khả năng làm cứng cao hơn và thiết kế có thể chịu được độ dẻo giảm hoặc các biện pháp kiểm soát nhiệt/hàn bổ sung.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Cả hai đều là thép cacbon thông dụng; thép 25# thường rẻ hơn thép 35# một chút do hàm lượng cacbon thấp hơn và ít hạn chế về gia công hơn. Chênh lệch giá thường không đáng kể so với thép hợp kim hoặc thép đặc chủng.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi dưới dạng sản phẩm phổ biến: thanh, tấm, phôi và thép rèn, đặc biệt là ở những khu vực có ký hiệu “#” phổ biến. Thời gian giao hàng thường ngắn đối với sản phẩm cán nóng hoặc chuẩn hóa tiêu chuẩn; thời gian giao hàng sau khi tôi và ram thường lâu hơn.
• Lưu ý mua sắm: Chỉ rõ yêu cầu về xử lý nhiệt và tính chất cơ học trong tài liệu mua hàng; chỉ định đơn thuần có thể dẫn đến sự khác biệt về tính chất được giao.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	25#	35#
Khả năng hàn	Tốt hơn (xu hướng CE thấp hơn)	Thấp hơn (CE cao hơn; cần kiểm soát mối hàn nhiều hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền thấp hơn, độ dẻo dai/dẻo dai tốt hơn	Độ bền cao hơn, độ dẻo/độ dai giảm trừ khi được tôi luyện
Trị giá	Thấp hơn một chút	Cao hơn một chút

Khuyến nghị: - Chọn 25# nếu bạn cần khả năng định hình tốt, hàn dễ hơn, khả năng chống va đập tốt hơn khi cán và chi tiết không yêu cầu độ bền cao hoặc xử lý hậu kỳ nặng. - Chọn 35# nếu độ bền kéo/giới hạn chảy cơ bản cao hơn là quan trọng hoặc nếu bộ phận sẽ được xử lý nhiệt để đạt được mục tiêu độ bền hoặc độ mài mòn đã chỉ định và bạn có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát chế tạo và hàn phù hợp.

Hướng dẫn thực hành kết thúc: - Đối với các kết cấu hàn có độ dày tấm lớn hoặc cần giảm thiểu nguy cơ nứt hydro, hãy mặc định sử dụng thép cacbon thấp 25# hoặc chỉ định quy trình gia nhiệt trước/sau nếu cần thép 35#. - Đối với các thành phần gia công sẽ được làm cứng hoặc chạy dưới tải trọng tuần hoàn, hãy cân nhắc thép 35# với lịch trình làm nguội và ram xác định hoặc tốt hơn nữa, hãy đánh giá thép hợp kim thấp có khả năng làm cứng và độ dẻo dai vượt trội nếu cần hiệu suất cao. - Luôn ghi rõ tiêu chuẩn vật liệu chính xác, các đặc tính cơ học cần thiết và bất kỳ yêu cầu xử lý nhiệt hoặc kiểm tra nào trong tài liệu mua sắm để tránh sự mơ hồ giữa các lô hàng “25#” và “35#”.