30CrMo so với 35CrMo – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

30CrMo và 35CrMo là thép hợp kim crom-molypden thường được chỉ định cho các chi tiết rèn hoặc gia công đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao hơn thép cacbon thông thường. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân bằng giữa khả năng chịu mỏi và khả năng chống mài mòn với khả năng sản xuất và chi phí - ví dụ như trục, bánh răng, thanh truyền và ốc vít cường độ cao.

Vấn đề nan giải chính trong lựa chọn là hiệu suất cơ học: 35CrMo được chỉ định cho độ bền tôi và khả năng chống mài mòn cao hơn, trong khi 30CrMo mang lại sự cân bằng thuận lợi hơn một chút giữa độ dẻo, độ dai và khả năng hàn cho nhiều ứng dụng. Hai loại thép này thường được so sánh vì chúng sử dụng cùng hệ thống hợp kim (Cr-Mo) và quy trình gia công, nhưng khác nhau chủ yếu về hàm lượng carbon, do đó, về độ bền và khả năng tôi cứng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và chỉ định điển hình mà các cấp độ này xuất hiện:
• GB/T (Trung Quốc): 30CrMo, 35CrMo (loại thép hợp kim thông dụng trong nước).
• EN: chức năng tương tự như dòng EN 34CrMo4/42CrMo4 (tương đương so sánh, không chính xác 1:1).
• JIS: có các loại thép crom-molypden trong họ JIS, nhưng tên gọi trực tiếp tương đương thì khác nhau.
• ASTM/ASME: không có giá trị tương đương trực tiếp theo ASTM; có thể tìm thấy các cấp độ tương đương trong họ AISI/SAE 4130/4140 để tham khảo trong kỹ thuật.
• Phân loại: Cả 30CrMo và 35CrMo đều là thép hợp kim thấp, tôi và ram (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, không phải HSLA theo đúng nghĩa). Chúng được thiết kế để có độ bền cao và khả năng tôi tốt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần điển hình (phần trăm khối lượng). Các giá trị hiển thị là phạm vi đại diện thường được sử dụng trong thông số kỹ thuật cho các loại theo phong cách GB này.

Yếu tố	30CrMo (phạm vi điển hình)	35CrMo (phạm vi điển hình)
C	0,27 – 0,34	0,32 – 0,40
Mn	0,50 – 0,80	0,50 – 0,90
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	≤ 0,30
Mo	0,15 – 0,25	0,15 – 0,25
V	— (thường ≤ 0,05 nếu có)	— (thường ≤ 0,05 nếu có)
Nb, Ti, B, N	dấu vết hoặc không xác định	dấu vết hoặc không xác định

Ghi chú: - Phần lớn sự khác biệt về mặt cơ học đến từ hàm lượng cacbon (C): 35CrMo chứa nhiều cacbon hơn 30CrMo, làm tăng độ bền sau khi tôi và tiềm năng về độ cứng. - Crom (Cr) và molypden (Mo) làm tăng khả năng tôi cứng, độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống ram; chúng cũng cải thiện khả năng chống làm mềm ram so với thép cacbon thông thường. - Silic (Si) và mangan (Mn) góp phần tăng độ bền và khả năng khử oxy; Mn dư thừa làm tăng khả năng tôi và ảnh hưởng đến khả năng hàn. - Các nguyên tố như V, Nb hoặc Ti có thể xuất hiện ở mức thấp trong các biến thể cụ thể để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai hoặc khả năng chống rão.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền và độ cứng nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn nếu tăng quá mức. - Cr và Mo tăng cường khả năng tôi luyện (cho phép tôi luyện toàn bộ ở các phần lớn hơn) và khả năng chống tôi; Mo đặc biệt quan trọng để duy trì độ bền sau khi tôi luyện. - Kiểm soát các thành phần tạp chất (P, S) và cân bằng Mn/Si là rất quan trọng đối với độ bền va đập và chất lượng rèn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa, cả hai loại đều thể hiện hỗn hợp ferit và perlit với kích thước hạt chịu ảnh hưởng của các thông số rèn và chuẩn hóa. - Sau khi tôi ở nhiệt độ austenit hóa, cả hai đều tạo thành martensite (hoặc bainite tùy thuộc vào kích thước mặt cắt và tốc độ làm nguội), với 35CrMo tạo ra tỷ lệ thể tích martensite chưa ram cao hơn đối với một lần tôi nhất định do hàm lượng carbon cao hơn. - Quá trình tôi luyện thích hợp chuyển đổi martensite thành martensite tôi luyện (phân tán cementit trong ma trận ferritic), tạo nên sự cân bằng cuối cùng về độ bền và độ dẻo dai.

Các phương pháp xử lý nhiệt và tác dụng: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện tính đồng nhất về mặt cơ học; được sử dụng làm quá trình xử lý trước khi rèn và để đảm bảo cấu trúc vi mô nhất quán trước khi làm nguội. - Làm nguội và ram (Q&T): phương pháp chính để cả hai hợp kim đạt được độ bền cao. Nhiệt độ ram cao hơn làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo và độ dai. - Xử lý nhiệt cơ học: các chu trình rèn và làm nguội có kiểm soát có thể cải thiện độ tinh xảo của hạt và độ dẻo dai; cả hai loại thép đều được hưởng lợi từ quá trình cán có kiểm soát tiếp theo là xử lý nhiệt thích hợp để tối đa hóa các đặc tính chịu mỏi và va đập. - Ý nghĩa thực tiễn: vì 35CrMo có hàm lượng cacbon cao hơn nên cần kiểm soát cẩn thận quá trình austenit hóa, mức độ tôi và ram để tránh tình trạng giòn quá mức. 30CrMo dễ gia công hơn một chút trong quá trình xử lý nhiệt nếu độ dẻo dai là yếu tố quan trọng.

4. Tính chất cơ học

Bảng: tính chất cơ học so sánh (phạm vi định tính và hướng). Giá trị tuyệt đối phụ thuộc nhiều vào dạng sản phẩm và quá trình xử lý nhiệt; bảng chỉ ra hành vi tương đối điển hình sau các quá trình tôi và ram tương đương.

Tài sản	30CrMo	35CrMo
Độ bền kéo	Cao (thích hợp cho các bộ phận chịu tải nặng)	Cao hơn (tiềm năng sức mạnh tối đa lớn hơn)
Sức chịu lực	Trung bình-cao	Cao hơn (cho cùng độ cứng tôi luyện)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt hơn	Độ dẻo giảm so với 30CrMo
Độ bền va đập	Thông thường cao hơn (dưới sức mạnh tương đương)	Thấp hơn trừ khi tôi luyện được tối ưu hóa cho độ dẻo dai
Độ cứng (sau Q&T)	Có thể đạt được cao	Có thể đạt được cao hơn; khả năng làm cứng lớn hơn

Giải thích: - Hàm lượng carbon cao hơn của 35CrMo làm tăng khả năng tôi cứng và đạt được cường độ kéo và giới hạn chảy sau khi tôi và ram. Điều này làm cho nó trở nên thích hợp hơn khi chịu tải trọng tĩnh hoặc tải trọng mỏi cao. - 30CrMo thường có độ dẻo dai và độ bền va đập tốt hơn ở cùng mức độ bền danh nghĩa do hàm lượng carbon thấp hơn và độ giòn martensite thấp hơn một chút sau khi tôi. - Các nhà thiết kế phải lựa chọn các thông số xử lý nhiệt để đáp ứng được sự kết hợp cần thiết giữa độ bền và độ dẻo dai; ví dụ, tôi ở nhiệt độ cao hơn sẽ phục hồi độ dẻo nhưng làm giảm độ bền tối đa.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của hàm lượng cacbon tương đương và độ tôi. Đối với thép hợp kim, các công thức thực nghiệm tiêu chuẩn giúp đánh giá nhu cầu xử lý nhiệt trước và sau hàn:

• Một loại cacbon tương đương thông dụng được sử dụng cho các cụm hàn: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Một thông số toàn diện hơn cho hỗn hợp hợp kim phức tạp: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Vì 35CrMo chứa nhiều cacbon hơn nên lượng cacbon tương đương và $P_{cm}$ của nó thường cao hơn 30CrMo, cho thấy khả năng nứt nguội cao hơn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cứng hơn. - Đối với cả hai loại, Cr và Mo đều góp phần làm tăng khả năng tôi cứng và do đó làm tăng nguy cơ tôi cứng vùng HAZ; Mo có tác động đáng kể đến độ cứng được giữ lại sau khi hàn. - Hướng dẫn hàn thực tế: thường yêu cầu phải nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) đối với cả hai loại khi nối các thành phần dày hơn vài milimét; yêu cầu khắt khe hơn đối với 35CrMo. - Khi khả năng hàn là yêu cầu chính, vật liệu thay thế 30CrMo hoặc hàm lượng carbon thấp hơn (hoặc kim loại hàn có độ bền phù hợp) thường được ưu tiên để giảm thiểu nhiệm vụ PWHT.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 30CrMo và 35CrMo đều không phải là thép không gỉ; thành phần của chúng không cung cấp khả năng chống ăn mòn đáng kể.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình: sơn, sơn tĩnh điện, sơn lót gốc dung môi và mạ kẽm nhúng nóng (cho môi trường trung bình). Đối với môi trường khắc nghiệt, nên sử dụng các lớp chắn bổ sung (lớp lót, anode hy sinh) hoặc dung sai ăn mòn.
• Nếu xem xét các chất tương tự thép không gỉ, các chỉ số ăn mòn như PREN sẽ được sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• PREN không áp dụng được cho 30CrMo/35CrMo vì chúng không phải thép không gỉ; hàm lượng Cr và Mo của chúng quá thấp và không có nitơ cố định để chống rỗ.
• Lưu ý thực tế: có thể áp dụng phương pháp làm cứng bề mặt (cảm ứng, thấm nitơ) một cách cẩn thận, nhưng thấm nitơ và làm cứng vỏ đòi hỏi phải lựa chọn vật liệu cơ bản và quy trình để không gây ra biến dạng quá mức hoặc làm ảnh hưởng đến các đặc tính lõi.

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

• Khả năng gia công: 35CrMo có xu hướng khó gia công hơn một chút ở điều kiện nhiệt luyện do độ cứng cao hơn; ở điều kiện ủ, cả hai loại đều gia công khá tốt, mặc dù khả năng kiểm soát phoi và tuổi thọ dụng cụ phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và Mn. Khuyến nghị sử dụng dụng cụ cacbua và tốc độ cắt phù hợp cho điều kiện tôi luyện.
• Khả năng định hình/uốn cong: Trong điều kiện ủ hoặc thường hóa, 30CrMo dễ uốn cong/uốn cong hơn do độ bền thấp hơn và độ dẻo cao hơn. Việc định hình nguội các loại thép hợp kim này bị hạn chế; định hình nóng và xử lý nhiệt sau định hình là phổ biến đối với các hình dạng phức tạp.
• Hoàn thiện: quá trình mài, phun bi và xử lý bề mặt đều tương tự nhau đối với cả hai loại; cần chú ý đến ứng suất dư và biến dạng trong quá trình hoàn thiện, đặc biệt là đối với 35CrMo sau khi tôi.

8. Ứng dụng điển hình

30CrMo — Công dụng điển hình	35CrMo — Công dụng điển hình
Trục khuỷu, thanh truyền, trục chịu tải trung bình, mặt bích, xi lanh thủy lực	Trục chịu tải trọng cao, bánh răng chịu tải nặng, ốc vít cường độ cao, linh kiện truyền động
Các thành phần đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền và sức mạnh (ô tô, máy móc)	Các thành phần đòi hỏi độ bền tĩnh/mỏi hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn (khai thác mỏ, máy móc hạng nặng)
Các cụm hàn yêu cầu độ bền sau khi hàn (với quá trình gia nhiệt trước/PWHT thích hợp)	Các bộ phận mà quá trình tôi luyện và độ bền cao hơn là yếu tố thiết kế chính

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 30CrMo khi thiết kế đòi hỏi sự cân bằng tốt giữa độ dẻo dai, độ dẻo dai và khả năng gia công với độ bền cao. - Chọn 35CrMo khi cần độ bền kéo và khả năng chống mài mòn cao hơn và khi sản xuất có thể đáp ứng các quy trình hàn và xử lý nhiệt nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 35CrMo thường có giá cao hơn 30CrMo một chút do hàm lượng carbon cao hơn và đôi khi phải kiểm soát quá trình gia công chặt chẽ hơn để đạt được độ bền mong muốn. Tuy nhiên, chênh lệch chi phí nguyên liệu thô không đáng kể; xử lý nhiệt và các biện pháp kiểm soát hàn bổ sung đóng góp nhiều hơn vào tổng chi phí linh kiện của 35CrMo.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều phổ biến ở dạng rèn, thanh và phôi tại các khu vực có hợp kim kiểu GB. Tính khả dụng theo dạng sản phẩm (thanh, rèn, ống liền mạch) khác nhau tùy theo nhà cung cấp và khu vực—việc mua các biến thể đặc biệt có hợp kim vi mô hoặc khả năng truy xuất nguồn gốc được chứng nhận có thể làm tăng thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt các đánh đổi chính về mặt định tính:

Hệ mét	30CrMo	35CrMo
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Thấp hơn (CE cao hơn; cần nhiều PWHT hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt; độ dẻo dai cao hơn khi xử lý tương đương	Độ bền đỉnh cao hơn; độ dẻo dai có thể thấp hơn trừ khi được tôi luyện đúng cách
Chi phí (ảnh hưởng của quá trình xử lý)	Giảm thiểu rủi ro/chi phí xử lý tổng thể	Có khả năng cao hơn do kiểm soát xử lý nhiệt/hàn chặt chẽ hơn

Kết luận: - Chọn 30CrMo nếu ưu tiên độ bền với sự cân bằng giữa độ dẻo dai và độ bền kéo, dễ hàn hơn và kiểm soát xử lý nhiệt ít đòi hỏi hơn. Các ứng dụng điển hình bao gồm trục chịu tải trung bình, các bộ phận cần hàn và các bộ phận quan trọng về khả năng chống va đập. - Chọn 35CrMo nếu cần giới hạn chảy và giới hạn chảy cao hơn cũng như khả năng tôi luyện tốt hơn, và kế hoạch sản xuất có thể đáp ứng các quy trình tôi/ram và hàn cẩn thận hơn. Ứng dụng điển hình bao gồm bánh răng chịu tải nặng, ốc vít cường độ cao và các bộ phận chịu tải trọng mỏi hoặc mài mòn cao hơn.

Mẹo thực tế cuối cùng: Đối với bất kỳ thành phần quan trọng nào, hãy ghi rõ điều kiện xử lý nhiệt, giới hạn độ cứng, yêu cầu về va đập Charpy (nếu có) và quy trình hàn cần thiết trong tài liệu mua hàng. Sự khác biệt về hiệu suất giữa 30CrMo và 35CrMo được quản lý đáng tin cậy nhất thông qua xử lý nhiệt có kiểm soát, quy trình hàn được xác nhận và kiểm tra (lập bản đồ độ cứng, kim loại học hoặc thử nghiệm cơ học) thay vì chỉ dựa vào tên mác danh nghĩa.