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

Giới thiệu

30CrMo và 35CrMo là hai loại thép hợp kim thấp, hàm lượng carbon trung bình được sử dụng rộng rãi, được quy định trong các tiêu chuẩn khu vực và quốc gia dành cho các chi tiết đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng duy trì độ dẻo dai sau khi xử lý nhiệt. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa các loại thép có hàm lượng carbon thấp hơn một chút, độ dẻo dai cao hơn và các loại thép có hàm lượng carbon cao hơn một chút, độ bền cao hơn — cân bằng giữa khả năng gia công và khả năng hàn với độ bền và tuổi thọ chịu mỏi có thể đạt được.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này là sự khác biệt nhỏ về hàm lượng carbon và hợp kim, làm thay đổi khả năng tôi và độ bền cuối cùng: dòng thép 35CrMo thường được chỉ định với hàm lượng carbon cao hơn và hàm lượng crom/molypden tương tự, mang lại độ bền và khả năng tôi sau khi tôi cao hơn, nhưng độ dẻo nhìn chung thấp hơn và yêu cầu hàn khắt khe hơn. Do tính chất hóa học của chúng gần giống nhau, chúng thường được so sánh khi lựa chọn vật liệu cho trục, bánh răng, trục xe và chi tiết rèn, những nơi mà xử lý nhiệt và hiệu suất chịu mỏi là yếu tố quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và hệ thống chỉ định chung hoặc có liên quan khi xuất hiện các cấp độ tương đương hoặc tương tự:
• GB/T (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc): 30CrMo, 35CrMo.
• EN / DIN: 35CrMo4 (thường được viết là 1.7225) và các loại tương đương; có các loại tương đương 30CrMo trong thông số kỹ thuật của từng khu vực.
• AISI/SAE: Không có tên AISI chính xác nào giống nhau, nhưng các đặc tính cơ học tương đương thường được so sánh với họ 41xx (ví dụ: 4140) cho nhiều ứng dụng kỹ thuật.
• JIS: Các loại thép hợp kim có độ bền cao tương tự xuất hiện dưới các ký hiệu SNCM/SNCM4xx.
• Phân loại: Cả 30CrMo và 35CrMo đều là thép hợp kim thấp, hàm lượng cacbon trung bình (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ) dùng để tôi và ram hoặc thường hóa và ram. Chúng thuộc nhóm thép kết cấu/hợp kim có thể xử lý nhiệt, được sử dụng cho các chi tiết máy quan trọng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Phạm vi thành phần điển hình được đưa ra dưới dạng phần trăm trọng lượng; giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn cụ thể hoặc chứng chỉ của nhà cung cấp.

Yếu tố	30CrMo điển hình (wt%)	35CrMo điển hình (wt%)
C	0,27 – 0,34	0,32 – 0,39
Mn	0,50 – 0,80	0,50 – 0,90
Si	0,15 – 0,35	0,15 – 0,35
P	≤ 0,025 – 0,035	≤ 0,025 – 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	0,80 – 1,20	0,90 – 1,20
Ni	thường ≤ 0,30 (vết)	thường ≤ 0,30 (vết)
Mo	0,15 – 0,30	0,15 – 0,30
V, Nb, Ti, B	vết đến ≤ 0,05 (nếu hợp kim vi mô)	vết đến ≤ 0,05 (nếu hợp kim vi mô)
N	dấu vết	dấu vết

Chiến lược hợp kim: - Carbon là yếu tố chính quyết định độ bền và độ cứng đạt được sau khi tôi và ram. Hàm lượng carbon cao hơn (như trong 35CrMo) làm tăng độ bền và khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Crom và molypden làm tăng khả năng tôi cứng, khả năng chịu nhiệt và độ bền ở nhiệt độ cao. Chúng cũng góp phần tăng khả năng chống mỏi khi được xử lý nhiệt đúng cách. - Mangan và silic là chất khử oxy và tăng cường ma trận ferit/pearlit; chúng ảnh hưởng khiêm tốn đến khả năng tôi luyện. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) đôi khi được sử dụng để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai, nhưng đây không phải là nguyên tố hợp kim chính trong các loại 30CrMo/35CrMo tiêu chuẩn.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình: - Cán/chuẩn hóa: cả hai loại đều tạo ra cấu trúc vi mô ferit-pearlit hoặc martensite/ferit ram mịn tùy thuộc vào quá trình làm nguội và chuẩn hóa. Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra cấu trúc đồng nhất cho quá trình gia công hoặc ram tiếp theo. - Làm nguội và ram (Q&T): Cả hai loại thép này thường được tôi cứng bằng phương pháp austenit hóa (nhiệt độ austenit hóa điển hình phụ thuộc vào kích thước tiết diện và tiêu chuẩn), làm nguội bằng dầu hoặc nước, sau đó ram để đạt được sự cân bằng độ bền-độ dai mong muốn. Vì 35CrMo thường có hàm lượng carbon cao hơn một chút, nên cấu trúc vi mô sau khi tôi của nó tạo ra tỷ lệ martensite cao hơn ở tốc độ tôi tương tự, khiến nó cứng hơn và bền hơn sau khi ram. - Xử lý nhiệt cơ học: cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tinh chỉnh thêm kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai; cả hai loại đều có lợi, nhưng 30CrMo có thể được tối ưu hóa để có độ dẻo tốt hơn trong khi 35CrMo được tối ưu hóa để có độ bền và tuổi thọ chịu mỏi cao hơn. - Kiểm soát kích thước hạt và thực hành ram là rất quan trọng để đạt được độ dẻo dai. Ram quá mức làm giảm độ bền; ram chưa đủ mức có nguy cơ giòn.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt, kích thước tiết diện và quy trình của nhà cung cấp. Bảng dưới đây thể hiện các phạm vi tính chất điển hình sau khi tôi và ram tiêu chuẩn được sử dụng cho các chi tiết có độ bền cao.

Thuộc tính (dải Q&T điển hình)	30CrMo	35CrMo
Độ bền kéo (MPa)	800 – 1.050	850 – 1.200
Giới hạn chảy (MPa)	600 – 900	650 – 1.000
Độ giãn dài (%), A5	10 – 16	8 – 14
Tác động Charpy V‑Notch (J, nhiệt độ phòng)	30 – 70 (tùy theo tính khí)	25 – 60
Độ cứng (HRC)	22 – 36	25 – 40

Giải thích: - 35CrMo thường đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn cũng như độ cứng cao hơn đối với mức xử lý nhiệt nhất định do có hàm lượng cacbon cao hơn và mức Cr/Mo tương tự, giúp tăng khả năng tôi luyện. - 30CrMo có xu hướng cứng hơn một chút và dễ uốn hơn ở mức độ bền tương đương, khiến nó trở nên thích hợp hơn khi khả năng hấp thụ năng lượng và tạo hình là quan trọng. - Độ bền va đập có thể được cải thiện bằng cách tôi luyện; nhiệt độ tôi luyện thấp hơn sẽ tăng độ bền nhưng lại giảm độ bền va đập.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu được điều chỉnh bởi lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố làm tăng khả năng tôi. Các chỉ số chung:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$

Và

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

Giải thích định tính: - Vì 35CrMo thường có hàm lượng cacbon cao hơn nên $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ của nó sẽ cao hơn 30CrMo, cho thấy khả năng nứt nguội cao hơn và nhu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) cao hơn. - 30CrMo có khả năng hàn tốt hơn 35CrMo nhưng vẫn thường yêu cầu phải gia nhiệt trước và kiểm soát quy trình đối với các phần dày hoặc yêu cầu hạn chế cao. - Việc sử dụng kim loại hàn phù hợp hoặc vượt trội, tôi luyện giảm ứng suất và quy trình kiểm soát hydro là phổ biến đối với cả hai loại khi hàn trong các ứng dụng quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 30CrMo và 35CrMo đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương tự như thép cacbon thông thường/thép hợp kim thấp và phụ thuộc vào bề mặt hoàn thiện và môi trường sử dụng.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình: sơn, sơn tĩnh điện, sơn dung môi, mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ cục bộ tùy thuộc vào mức độ tiếp xúc. Đối với môi trường tiếp xúc lâu dài trong môi trường ẩm ướt hoặc ăn mòn, nên mạ kẽm hoặc sử dụng lớp phủ bảo vệ.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Đối với thép không gỉ, người ta sẽ sử dụng:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

nhưng điều này không có ý nghĩa gì đối với 30CrMo/35CrMo.

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

• Khả năng gia công: 30CrMo, với hàm lượng carbon thấp hơn một chút, nhìn chung dễ gia công hơn trong điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ so với 35CrMo. Cả hai đều trở nên khó gia công hơn sau khi tôi và ram.
• Khả năng tạo hình/uốn cong: dễ dàng hơn trong điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ; tránh tạo hình ở trạng thái cứng hoàn toàn. 30CrMo chịu uốn nguội và tạo hình tốt hơn một chút do độ bền sau khi xử lý thấp hơn.
• Mài và hoàn thiện: cả hai đều đáp ứng tốt với các phương pháp gia công và mài tiêu chuẩn dành cho thép hợp kim; có thể cần xử lý bề mặt hoặc kiểm soát ứng suất dư để đáp ứng hiệu suất chịu mỏi.
• Xử lý nhiệt trước khi tạo hình (ví dụ, chuẩn hóa hoặc ủ) là phương pháp phổ biến để cải thiện khả năng tạo hình.

8. Ứng dụng điển hình

30CrMo — Công dụng điển hình	35CrMo — Công dụng điển hình
Trục, trục chính, bánh răng chịu lực trung bình, thanh truyền, ốc vít có độ bền và khả năng gia công là ưu tiên hàng đầu	Trục chịu lực nặng, bánh răng, trục, trục khuỷu, các bộ phận máy chịu lực cao đòi hỏi độ bền và khả năng làm cứng cao hơn
Các thành phần rèn có độ dẻo tốt sẽ hữu ích cho việc tạo hình	Linh kiện cho máy móc hạng nặng và thiết bị ngoài đường bộ yêu cầu độ cứng của tiết diện lớn hơn
Các bộ phận cần hàn với điều khiển làm nóng trước vừa phải	Các bộ phận được tôi và ram có độ bền cao, trong đó độ bền và tuổi thọ chịu mỏi là yếu tố thiết kế chính

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 30CrMo khi cần sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai, dễ gia công/hàn hơn và kích thước tiết diện linh kiện ở mức vừa phải. - Chọn 35CrMo khi cần độ bền cao hơn, độ cứng sâu hơn cho mặt cắt ngang lớn hơn và khả năng chống mỏi được cải thiện, đồng thời có thể điều chỉnh các biện pháp kiểm soát hàn và chế tạo.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 35CrMo thường đắt hơn 30CrMo một chút do hàm lượng carbon và hợp kim cao hơn một chút, và vì thông số kỹ thuật mua hàng cho các biến thể có độ bền cao hơn thường có quy định kiểm soát chặt chẽ hơn. Chênh lệch giá thường không đáng kể so với tổng chi phí linh kiện.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi ở dạng thanh, que và rèn từ các nhà máy và nhà phân phối lớn. 35CrMo (35CrMo4 / 1.7225) là loại thép rất phổ biến ở châu Âu; 30CrMo phổ biến ở các thị trường sử dụng ký hiệu GB/T. Thời gian giao hàng thường ngắn đối với các dạng sản phẩm tiêu chuẩn; các thành phần hóa học đặc biệt hoặc kích thước thanh/rèn cao cấp có thể yêu cầu thời gian giao hàng lâu hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chuẩn	30CrMo	35CrMo
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Yêu cầu cao hơn (CE cao hơn, yêu cầu làm nóng trước/PWHT)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng—độ dẻo dai tốt ở mức độ vừa phải	Độ bền và khả năng làm cứng cao hơn, độ dẻo/độ dai thấp hơn một chút đối với cùng một mức độ cứng
Trị giá	Thấp hơn / tiết kiệm chi phí	Cao hơn một chút

Chọn 30CrMo nếu: - Bạn cần sự kết hợp cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai với khả năng gia công tốt hơn và quy trình hàn dễ dàng hơn. - Kích thước linh kiện vừa phải và bạn thích quá trình tôi luyện và tạo hình dễ dàng hơn. - Chi phí và tính đơn giản trong chế tạo là quan trọng.

Chọn 35CrMo nếu: - Yêu cầu thiết kế ưu tiên độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn, độ cứng sâu hơn cho các phần lớn hơn hoặc tuổi thọ chịu mỏi được kéo dài. - Bạn có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát hàn chặt chẽ hơn (làm nóng trước, giới hạn xen kẽ, PWHT) và kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn trong quá trình xử lý nhiệt. - Các trường hợp sử dụng bao gồm trục, trục xe chịu tải nặng hoặc bánh răng chịu ứng suất cao, trong đó độ bền tôi cao hơn là yếu tố quyết định.

Lưu ý cuối cùng: hiệu suất chính xác phụ thuộc rất nhiều vào tiêu chuẩn đã chọn, giới hạn hóa chất cụ thể của nhà cung cấp và lịch trình xử lý nhiệt. Đối với các thành phần quan trọng, hãy ghi rõ các đặc tính cơ học, tiêu chí kiểm tra (độ cứng, độ va đập, cấu trúc vi mô) và quy trình hàn cần thiết trong đơn đặt hàng, đồng thời hợp tác với các chuyên gia xử lý nhiệt và hàn ngay từ đầu quá trình thiết kế để lựa chọn cấp độ và quy trình phù hợp.