30Cr so với 40Cr – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

30Cr và 40Cr là hai loại thép hợp kim cacbon chứa crom được sử dụng rộng rãi, có nguồn gốc từ các ký hiệu GB của Trung Quốc và được xếp song song trong nhiều danh mục quốc tế theo các cấp độ hóa học tương tự. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc hai cấp độ này khi thiết kế trục, bánh răng và các bộ phận chịu tải trung bình, nơi cần cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng tôi, chi phí và khả năng gia công. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn cấp độ cho ổ trục được tôi và ram, lựa chọn vật liệu cho các chi tiết được thấm cacbon, hoặc tối ưu hóa khả năng hàn so với độ bền tôi xuyên.

Sự khác biệt thiết kế chính giữa hai loại này là hàm lượng carbon: 40Cr có hàm lượng carbon cao hơn 30Cr và do đó thường đạt được độ bền và khả năng chống mài mòn sau khi tôi và ram cao hơn, trong khi 30Cr có độ dẻo và khả năng hàn tốt hơn một chút với các thành phần hợp kim bổ sung. Vì crom có ​​hàm lượng tương đương nhau, nên việc so sánh thường tập trung vào sự khác biệt do carbon gây ra về độ cứng, độ dai và phản ứng xử lý nhiệt.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB/T (Trung Quốc): 30Cr, 40Cr (tên gọi chung trong loạt GB/T 699).
• JIS: Tương đương với các họ SCM (ví dụ: SCMn) tùy thuộc vào tính chất hóa học và quy trình xử lý chính xác.
• EN / EN ISO: Không phải là loại thép một-một trực tiếp nhưng tương tự như thép crom cacbon trung bình được chuẩn hóa/tôi và ram như các biến thể 42CrMo khi có thêm hợp kim.
• ASTM / ASME: Không có tên cấp ASTM nào trùng khớp trực tiếp; có các loại thép hợp kim trung bình AISI/SAE tương tự (ví dụ: họ 5140/4140 tương tự với hợp kim crom-molypden).
• Phân loại: Cả hai đều là thép hợp kim cacbon (không phải thép không gỉ, không phải HSLA theo nghĩa hiện đại); được sử dụng làm thép hợp kim cacbon trung bình, thép hợp kim trung bình thích hợp cho xử lý nhiệt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây liệt kê các phạm vi thành phần điển hình được công bố cho các loại GB/T 699. Các giá trị được đưa ra dưới dạng phần trăm khối lượng. Các nguyên tố vết (Ni, Mo, V, Nb, Ti, B) thường ở mức tạp chất hoặc cố tình không có, trừ khi có yêu cầu cụ thể.

Yếu tố	30Cr (phạm vi điển hình, wt%)	40Cr (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,27 – 0,34	0,37 – 0,44
Mn	0,50 – 0,80	0,50 – 0,80
Si	0,17 – 0,37	0,17 – 0,37
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	0,80 – 1,10	0,80 – 1,10
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	≤ 0,08 (vết)	≤ 0,08 (vết)
V, Nb, Ti, B, N	dấu vết/≤ giới hạn đã chỉ định	dấu vết/≤ giới hạn đã chỉ định

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon: kiểm soát chính độ bền và độ cứng đạt được sau khi tôi/rau; hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ bền và khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Crom: tăng khả năng chịu nhiệt và chịu ram; cải thiện khả năng chịu nhiệt, độ bền ở lõi các tiết diện dày hơn. - Mangan và silic: chất khử oxy và nguyên tố tăng cường; Mn làm tăng khả năng tôi luyện một cách khiêm tốn. - Hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti) khi có mặt sẽ làm mịn hạt hoặc kết tủa cacbua/nitrit và có thể cải thiện độ dẻo dai hoặc khả năng chống rão.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình:

• Đã cuộn hoặc chuẩn hóa:
• 30Cr: cấu trúc vi mô chuẩn hóa có xu hướng hướng tới perlit và ferit mịn; hàm lượng cacbon thấp hơn tạo ra hàm lượng ferit cao hơn và có tính dẻo hơn.

• 40Cr: cấu trúc vi mô chuẩn hóa chứa nhiều perlit hơn và ít ferit hơn do hàm lượng cacbon cao hơn, giúp tăng độ bền và độ cứng so với 30Cr.

• Làm nguội và ram:

• Cả hai loại thép đều đáp ứng tốt với phương pháp tôi và ram. Crom giúp tăng khả năng tôi cứng, do đó cả hai đều có thể tạo thành martensite ở tiết diện trung bình khi tôi trong dầu ở nhiệt độ austenit hóa thích hợp.
• Thép 40Cr đạt độ cứng sau khi tôi cao hơn và độ bền ram cao hơn do hàm lượng cacbon cao hơn; thép 30Cr đạt độ cứng thấp hơn ở cùng chế độ austenit hóa/tôi nhưng có độ dẻo dai tốt hơn sau khi ram.

• Tính chất tôi luyện: crom giúp tăng khả năng chống tôi luyện; ở nhiệt độ tôi luyện nhất định, 40Cr sẽ giữ được độ cứng cao hơn 30Cr.

• Thấm cacbon/nitơ hóa:

• Cả hai đều có thể được thấm cacbon; 30Cr đôi khi được ưa chuộng hơn cho các thành phần thấm cacbon bề mặt khi cần lõi dẻo. 40Cr tạo ra lõi cứng hơn nếu không được tôi cứng.

• Xử lý nhiệt cơ:

• Quá trình cán có kiểm soát hoặc xử lý nhiệt cơ học giúp tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai; hiệu ứng nhìn chung tương tự nhau đối với cả hai loại nhưng 30Cr có lợi thế về độ dẻo dai nhiều hơn do hàm lượng carbon thấp hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp các phạm vi đặc tính chỉ định điển hình của các điều kiện xử lý nhiệt thường được sử dụng. Các giá trị chỉ mang tính minh họa và phụ thuộc nhiều vào kích thước tiết diện, xử lý nhiệt chính xác và tiêu chuẩn thử nghiệm; hãy sử dụng chứng chỉ nhà cung cấp cho dữ liệu quan trọng về thiết kế.

Thuộc tính (phạm vi điển hình)	30Cr (chuẩn hóa / Q&T)	40Cr (chuẩn hóa / Q&T)
Độ bền kéo (MPa)	520 – 700 (chuẩn hóa); 700 – 1000 (Hỏi & Đáp, tùy theo tính khí)	600 – 780 (chuẩn hóa); 800 – 1050 (Hỏi & Đáp, tùy thuộc vào tính khí)
Giới hạn chảy (MPa)	300 – 480 (chuẩn hóa); 480 – 900 (Hỏi & Đáp)	350 – 540 (chuẩn hóa); 600 – 950 (Hỏi & Đáp)
Độ giãn dài (%)	12 – 20 (chuẩn hóa); 8 – 15 (Hỏi & Đáp)	10 – 18 (chuẩn hóa); 6 – 14 (Hỏi & Đáp)
Độ bền va đập (J, nhiệt độ phòng)	Trung bình đến tốt; cao hơn 40Cr cho độ bền tương tự	Tốt ở điều kiện chuẩn hóa; thấp hơn 30Cr ở mức độ cường độ tương đương
Độ cứng (HB hoặc HRC)	HB ~ 160–240 (đã chuẩn hóa); lên đến HRC 20–55 sau khi hỏi đáp	HB ~ 170–240 (đã chuẩn hóa); lên đến HRC 25–58 sau khi hỏi đáp

Vật liệu nào bền hơn, cứng hơn hay dẻo hơn và tại sao: - Độ bền: 40Cr thường đạt được độ bền và độ cứng cao hơn do hàm lượng cacbon cao hơn (nhiều thành phần martensite và perlit hơn khi tôi luyện). - Độ dẻo dai: Đối với một mức độ bền nhất định, 30Cr thường có độ dẻo dai tốt hơn vì hàm lượng carbon thấp hơn làm giảm độ giòn và giảm độ nhạy nứt. - Độ dẻo: 30Cr có độ dẻo cao hơn trong điều kiện tương đương do hàm lượng carbon thấp hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và độ tôi cục bộ. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng:

• Carbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm quốc tế: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn ngụ ý nguy cơ nứt nguội cao hơn và nhu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau hàn cao hơn. - Vì 40Cr chứa nhiều cacbon hơn nên chỉ số tương đương cacbon của nó thường cao hơn 30Cr (giả sử mức Mn, Cr tương tự), do đó 40Cr tương đối khó hàn hơn nếu không có biện pháp phòng ngừa. - Hợp kim vi lượng (V, Nb) và hàm lượng Mn hoặc Cr cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng và làm tăng khả năng nứt của martensite trong vùng HAZ. Đối với cả hai loại, hãy sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, gia nhiệt sơ bộ và kiểm soát các thông số hàn cho các tiết diện dày hơn hoặc hàm lượng carbon tương đương cao hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 30Cr và 40Cr đều không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với các loại thép cacbon/hợp kim thông thường khác và bị hạn chế trong môi trường khắc nghiệt.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Lớp phủ: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện hoặc lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn tĩnh điện).
• Xử lý bề mặt: phosphat hóa để tăng độ bám dính của sơn, oxit đen để chống ăn mòn nhẹ.
• Rào cản: chất bịt kín hoặc lớp phủ hy sinh ở nơi xảy ra quá trình tuần hoàn hoặc tiếp xúc với muối.
• Chỉ số ăn mòn thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Nếu khả năng chống ăn mòn là yếu tố quyết định thiết kế, hãy cân nhắc sử dụng thép không gỉ hoặc hợp kim Mo/Ni và thụ động hóa thích hợp thay vì chỉ dựa vào các loại thép này.

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

• Khả năng gia công: Cả hai đều có thể gia công trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa. Hàm lượng cacbon cao hơn (40Cr) có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ khi ở trạng thái cứng; gia nhiệt trước và điều kiện cắt ổn định sẽ cải thiện kết quả. 30Cr dễ gia công hơn một chút và có thể đạt được độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn cho cùng một dụng cụ.
• Khả năng tạo hình/uốn cong: Thép 30Cr dễ tạo hình hoặc uốn nguội hơn do có giới hạn chảy thấp hơn và độ dẻo cao hơn. Thép 40Cr có thể cần bán kính uốn lớn hơn hoặc ủ trước khi tạo hình.
• Mài và hoàn thiện: Độ cứng cao hơn 40Cr sau khi xử lý nhiệt khiến quá trình mài và hoàn thiện trở nên khó khăn hơn (vật liệu mài cứng hơn, tốc độ nạp liệu chậm hơn).
• Biến dạng do xử lý nhiệt: Độ cứng cao hơn và chuyển đổi martensite trong 40Cr có thể làm tăng nguy cơ biến dạng trong quá trình làm nguội; các chiến lược cố định và ram cẩn thận là rất quan trọng.

8. Ứng dụng điển hình

30Cr — Công dụng điển hình	40Cr — Công dụng điển hình
Trục được thấm cacbon và tôi khi cần lõi dẻo	Trục, trục xe, bánh răng chịu lực nặng yêu cầu độ bền tôi luyện cao hơn
Bánh răng và bánh răng nhỏ được xử lý bề mặt (lõi carbon thấp hơn)	Các bộ phận máy chịu ứng suất cao, trục khuỷu, bánh răng lớn (được tôi cứng)
Bu lông, đinh tán và các bộ phận cơ khí nói chung cần có độ bền vừa phải với độ dẻo dai tốt	Vỏ ổ trục, các bộ phận cán và rèn đòi hỏi khả năng chống mài mòn cao hơn
Các bộ phận ô tô có chu kỳ tôi cứng để kết hợp bề mặt chịu mài mòn và lõi dẻo	Dụng cụ và khuôn mẫu cho các thành phần chịu ứng suất trung bình, được xử lý nhiệt cần độ cứng cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 30Cr khi cần lõi cứng hơn, dẻo hơn hoặc khả năng hàn tốt hơn, hoặc khi các bộ phận cần được làm cứng bề mặt (thấm cacbon) với lõi mềm hơn. - Chọn 40Cr khi cần độ bền khối, khả năng chống mài mòn hoặc độ cứng cuối cùng cao hơn mà không cần dựa vào vỏ hộp và khi các quy trình xử lý nhiệt tương thích.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Chênh lệch chi phí vật liệu giữa 30Cr và 40Cr thường không đáng kể; 40Cr có thể đắt hơn một chút do hàm lượng carbon cao hơn và đôi khi đòi hỏi xử lý nhiệt khắt khe hơn. Chênh lệch chi phí nhỏ so với chi phí gia công và xử lý nhiệt.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi dưới dạng thanh, phôi, phôi rèn và các chi tiết gia công từ các nhà cung cấp ở những khu vực có dự trữ thép GB/T. Các biến thể đặc biệt với các thành phần hợp kim vi mô có thể mất nhiều thời gian hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Đặc điểm	30Cr	40Cr
Khả năng hàn	Tốt hơn (lượng carbon tương đương thấp hơn)	Trung bình đến thấp (CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Ưu tiên độ dẻo dai và độ dẻo ở cường độ vừa phải	Ưu tiên độ bền và độ cứng cao hơn; độ dẻo dai giảm ở độ bền tương đương
Chi phí (vật liệu)	Thấp hơn một chút hoặc tương đương	Cao hơn một chút hoặc tương đương

Hướng dẫn kết luận: - Chọn 30Cr nếu: - Bạn cần độ dẻo dai và độ bền tốt hơn cho các bộ phận dễ bị va đập. - Bạn dự định thấm cacbon hoặc tôi bề mặt các bộ phận để có được bề mặt chịu mài mòn cứng với lõi dẻo. - Khả năng hàn và yêu cầu gia nhiệt trước/hàn sau thấp hơn rất quan trọng đối với quá trình chế tạo.

• Chọn 40Cr nếu:
• Cần có độ bền tôi cao hơn, khả năng chống mài mòn hoặc độ cứng tôi cao hơn mà không cần tôi bề mặt.
• Thiết kế này đòi hỏi độ bền tĩnh cao hơn hoặc khả năng chống mỏi bề mặt ở các phần dày hơn.
• Bạn có thể quản lý các biện pháp phòng ngừa khi hàn (làm nóng trước, PWHT khi cần) và kiểm soát xử lý nhiệt chặt chẽ hơn.

Lưu ý cuối cùng: Đối với các linh kiện thiết kế quan trọng, hãy luôn xác nhận chứng chỉ vật liệu của nhà cung cấp, yêu cầu báo cáo thử nghiệm tính chất cơ học cho quy trình xử lý nhiệt và kích thước tiết diện cụ thể, và thực hiện các thử nghiệm khả năng hàn và biến dạng nếu có thể. Sử dụng các công thức tương đương carbon được nêu ở trên để ước tính nhu cầu xử lý nhiệt trước và sau hàn cho hóa chất và thiết kế mối nối cụ thể của bạn.