35# so với 45# – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép 35# và 45# là hai loại thép cacbon trung bình được sử dụng rộng rãi trong các linh kiện cơ khí, trục, ốc vít và sản phẩm rèn. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng gia công, khả năng hàn và hiệu suất chịu tải khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc ưu tiên độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn so với việc tạo hình dễ dàng hơn, độ nhạy xử lý nhiệt thấp hơn và quy trình ghép nối đơn giản hơn.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này là hàm lượng carbon và tiềm năng độ bền và độ cứng cao hơn của vật liệu 45# so với 35#. Sự thay đổi cơ bản về thành phần này ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô, phản ứng xử lý nhiệt, khả năng tôi và các hoạt động tiếp theo — đó là lý do tại sao hai loại thép này thường được so sánh với nhau cho các linh kiện đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB (Trung Quốc): 35# và 45# (thuật ngữ thường dùng trong tiêu chuẩn Trung Quốc).
• EN / Châu Âu: C35, C45 (họ EN 10083 dành cho thép có thể xử lý nhiệt).
• SAE/AISI: tương đương với 1035 (≈0,35%C) và 1045 (≈0,45%C).
• JIS (Nhật Bản): S35C, S45C.
• ASTM/ASME: không phải là chỉ định đơn lẻ trực tiếp một-một, nhưng tương đương với thép cacbon trung bình được quy định trong các thông số kỹ thuật rộng hơn (thanh, rèn).

Phân loại: cả thép 35# và 45# đều là thép cacbon thông thường (không phải thép không gỉ, mặc định không phải HSLA). Chúng có thể được cung cấp dưới dạng thép cacbon cơ bản để xử lý nhiệt; các nguyên tố hợp kim ngoài C, Mn và Si thường ở mức tối thiểu, trừ khi sản phẩm được chỉ định rõ ràng là hợp kim hoặc hợp kim vi mô.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (% khối lượng). Đây là phạm vi đại diện được sử dụng trong thực tế cho các loại thép cacbon có ký hiệu 35 và 45. Vật liệu thực tế được cung cấp cần được kiểm tra dựa trên chứng chỉ của nhà máy.

Yếu tố	35# (điển hình, wt%)	45# (điển hình, wt%)
C	0,32 – 0,38	0,42 – 0,50
Mn	0,25 – 0,65	0,50 – 0,80
Si	0,15 – 0,35	0,15 – 0,35
P	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
S	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
Cr	thường ≤ 0,25 (vết)	thường ≤ 0,25 (vết)
Ni	thường ≤ 0,30 (vết)	thường ≤ 0,30 (vết)
Mo	thường là ≤ 0,08 (vết)	thường là ≤ 0,08 (vết)
V, Nb, Ti	thường không được chỉ định (theo dõi trong một số tuyến đường)	thường không được chỉ định (dấu vết)
B, N	mức độ dấu vết nếu được kiểm soát	mức độ dấu vết nếu được kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon: yếu tố chính quyết định độ bền và khả năng tôi luyện. Hàm lượng C cao hơn (45#) làm tăng độ cứng và độ bền kéo sau khi tôi luyện và ram nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Mangan: tăng độ cứng và độ bền kéo, chống lại độ giòn của lưu huỳnh; phổ biến ở cả hai loại ở mức độ vừa phải. - Silic: chất khử oxy và góp phần tăng cường độ bền. - Các nguyên tố hợp kim vết (Cr, Mo, V): nếu có chủ đích, sẽ cải thiện khả năng làm cứng, khả năng chống mài mòn và độ ổn định khi ram; nhưng thông thường 35#/45# không được cố ý hợp kim hóa ở mức cao trừ khi có chỉ định.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trạng thái cán hoặc chuẩn hóa: hỗn hợp ferit và perlit. 35# (ít cacbon hơn) sẽ có tỷ lệ ferit lớn hơn và perlit thô hơn; 45# có tỷ lệ pelit/cementit cao hơn (nhiều pelit dạng phiến hơn) và có thể có một số cementit tiền eutectoid tùy thuộc vào quá trình làm nguội. - Sau khi tôi: sự hình thành martensite rõ rệt hơn ở 45# cho cùng mức độ tôi do hàm lượng cacbon cao hơn. 35# sẽ hình thành martensite nhưng ở mức độ thấp hơn (và có thể cần tôi sâu hơn hoặc hợp kim hóa để có độ cứng tương đương). - Sau khi ram: martensite ram, với phản ứng ram khác nhau tùy theo cacbon — thép cacbon cao hơn vẫn giữ được độ cứng cao hơn ở nhiệt độ ram tương đương.

Tác động của các tuyến xử lý: - Chuẩn hóa (austentit hóa và làm mát bằng không khí) làm mịn kích thước hạt và tạo ra ma trận ferit + peclit tương đối đồng đều; 35# có xu hướng dẻo hơn sau đó. - Làm nguội và ram có thể nâng cao độ bền và độ dẻo dai: 45# có thể đạt được độ bền/độ cứng cao hơn nhưng cần ram cẩn thận để tránh giòn. - Xử lý nhiệt cơ học và bổ sung hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) có thể tinh chỉnh kích thước hạt ferit và tạo ra các ma trận ferit/perlite hoặc bainit bền hơn, tăng cường độ mà không chỉ dựa vào cacbon; các phương pháp xử lý như vậy thường được chỉ định chứ không phải là cố hữu trong tiêu chuẩn 35#/45#.

4. Tính chất cơ học

Bảng: phạm vi đặc tính cơ học điển hình cho các điều kiện thông thường (phạm vi chuẩn hóa hoặc tôi & ram chồng lên nhau). Đây là các giá trị đại diện — hãy kiểm tra bằng chứng chỉ nhà máy và hồ sơ xử lý nhiệt cho thiết kế.

Tài sản	35# (điển hình)	45# (điển hình)
Độ bền kéo (Rm)	~500 – 700 MPa	~600 – 800 MPa
Giới hạn chảy (Rp0.2 / Re)	~300 – 500 MPa	~350 – 600 MPa
Độ giãn dài (A)	~16 – 25%	~10 – 18%
Độ bền va đập (khía Charpy V, được chuẩn hóa)	vừa phải; cao hơn 45# dưới cùng một quá trình xử lý nhiệt	thấp hơn 35# cho cùng một phương pháp xử lý; cải thiện khi tôi luyện
Độ cứng (HB)	~150 – 220 HB	~180 – 260 HB

Giải thích: - Thép 45# cứng hơn và có khả năng chịu độ cứng và chống mài mòn cao hơn do có nhiều carbon hơn; thép này thường có độ dẻo thấp hơn và độ dai khía thấp hơn trong các điều kiện tương đương. - Thép 35# dẻo hơn và dễ uốn hơn khi tạo hình và hàn theo chu trình nhiệt; thép này thường được ưa chuộng khi cần độ dẻo dai, uốn cong hoặc tạo hình nguội. - Tính chất cuối cùng phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt: thép 35# đã được tôi và ram có thể đạt tới hoặc vượt quá độ bền của thép 45# đã được chuẩn hóa, nhưng độ cứng và khả năng chống mài mòn vẫn bị hạn chế bởi hàm lượng cacbon.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng cacbon, cacbon tương đương (CE) và hợp kim. Hai chỉ số thực nghiệm phổ biến hữu ích để diễn giải khả năng hàn tương đối:

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

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: - Thép 45# với hàm lượng carbon cao hơn sẽ có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn thép 35# (tất cả các yếu tố khác đều như nhau), cho thấy khả năng hình thành các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt martensitic cứng cao hơn và nguy cơ nứt nguội cao hơn. Điều này đòi hỏi phải gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) thường xuyên hơn đối với thép 45#. - 35# có khả năng hàn tốt hơn trong thực tế tại xưởng thông thường: yêu cầu gia nhiệt trước thấp hơn, ít nguy cơ biến dạng hơn và ít vấn đề nứt hơn. - Khi có các nguyên tố hợp kim (Cr, Mo), khả năng làm cứng tăng lên và khả năng hàn giảm hơn nữa đối với cả hai loại; hiệu ứng đó được khuếch đại ở loại 45# do khả năng làm cứng cơ bản cao hơn từ cacbon.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 35# và 45# đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều dễ bị ăn mòn trong khí quyển và bị ăn mòn cục bộ trong môi trường khắc nghiệt.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện, phủ chuyển đổi, hệ thống sơn/sơn lót hoặc phủ polymer. Việc lựa chọn phụ thuộc vào môi trường làm việc, hình dạng và chi phí.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép cacbon thông thường vì nó được sử dụng cho hợp kim không gỉ:

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

• Sử dụng hợp kim chống ăn mòn (thép không gỉ) hoặc lớp phủ khi yêu cầu thiết kế là khả năng chống ăn mòn; đối với thép cacbon thông thường, hãy tập trung vào phương pháp bảo vệ bằng rào cản và catốt.

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

• Khả năng gia công: Thép 35# thường dễ gia công hơn thép 45# do độ cứng thấp hơn và ít bị mài mòn dụng cụ; tuy nhiên, khả năng gia công phụ thuộc vào xử lý nhiệt và cấu trúc vi mô. Các biến đổi cắt tự do (bổ sung lưu huỳnh) là một danh mục riêng.
• Khả năng tạo hình và uốn cong: Thép 35# có độ dẻo cao hơn và khả năng tạo hình nguội tốt hơn. Thép 45# có thể tạo hình nguội nhưng có độ biến dạng cho phép trước khi nứt thấp hơn; có thể cần tạo hình nóng hoặc ủ để uốn cong chặt.
• Mài, hoàn thiện và làm cứng bề mặt: Thép 45# phản ứng tốt hơn với các quy trình làm cứng bề mặt (làm cứng cảm ứng, thấm cacbon tiếp theo là làm nguội và ram khi kết hợp với các cấu hình cacbon thích hợp) để cải thiện khả năng chống mài mòn.
• Độ ổn định về kích thước: cả hai loại đều cần chú ý đến ứng suất dư phát sinh do gia công và xử lý nhiệt; 45# có thể cần ủ giảm ứng suất tùy thuộc vào ứng dụng cuối cùng.

8. Ứng dụng điển hình

35# — Công dụng điển hình	45# — Công dụng điển hình
Trục và trục cho tải trọng vừa phải, chốt, đinh tán và bu lông nơi độ dẻo và độ bền là quan trọng	Trục, bánh răng, trục khuỷu, trục cam, bu lông nặng, các bộ phận chịu mài mòn đòi hỏi độ cứng cao hơn
Rèn và các thành phần sẽ được tôi luyện để có độ bền vừa phải và độ dẻo dai tốt	Các thành phần đòi hỏi độ bền tôi và ram cao hơn cũng như khả năng chống mài mòn bề mặt
Các bộ phận thường xuyên được hàn hoặc yêu cầu tạo hình mạnh mẽ hơn	Các bộ phận đòi hỏi độ bền mỏi và khả năng chống mài mòn cao hơn; các thành phần chịu được độ mỏi uốn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại thép 35# khi cần tạo hình, dễ hàn và độ bền là ưu tiên hàng đầu hoặc khi chi phí là một hạn chế. - Chọn thép 45# khi cường độ cao hơn khi giao hàng, độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn là những yếu tố thiết kế chính và khi quy trình chế tạo có thể đáp ứng được khả năng làm cứng cao hơn của thép.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 35# thường rẻ hơn 45# một chút tính theo kg do hàm lượng carbon thấp hơn và quy trình sản xuất tương tự; sự chênh lệch này không đáng kể. Chi phí xử lý nhiệt và hoàn thiện có thể lớn hơn chênh lệch giá vật liệu.
• Tính khả dụng: cả hai loại đều phổ biến ở dạng thanh, tấm và phôi rèn. 45# có thể được dự trữ phổ biến hơn cho các linh kiện và ứng dụng chịu tải nặng yêu cầu giao hàng qua quá trình tôi và ram, trong khi 35# phổ biến cho các bộ phận đa năng.
• Dạng sản phẩm: cả hai đều có sẵn rộng rãi dưới dạng thanh cán nóng, thanh kéo nguội, rèn và tấm. Các biến thể hợp kim vi mô hoặc hóa học kiểm soát đặc biệt được sản xuất theo đơn đặt hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Diện mạo	35#	45#
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Nhạy cảm hơn (CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Dẻo hơn, độ dẻo dai tốt hơn khi xử lý nhiệt như nhau	Độ bền/độ cứng có thể đạt được cao hơn; độ dẻo thấp hơn nếu tôi quá mức
Trị giá	Thấp hơn một chút (chi phí vật liệu)	Cao hơn một chút (vật liệu + khả năng xử lý)

Khuyến nghị: - Chọn 35# nếu: - Bạn cần độ dẻo tốt hơn khi chế tạo, quy trình hàn đơn giản hơn và giảm nguy cơ nứt. - Bộ phận sẽ trải qua quá trình tạo hình đáng kể hoặc yêu cầu độ bền khía cao hơn ở tải trọng thiết kế. - Chi phí và tính dễ sản xuất được ưu tiên hơn độ cứng tối đa hoặc khả năng chống mài mòn.

• Chọn 45# nếu:
• Cần có độ bền cao hơn, độ cứng lớn hơn hoặc khả năng chống mài mòn được cải thiện (ví dụ: trục, bánh răng chịu tải nặng).
• Quy trình sản xuất có thể bao gồm quá trình nung nóng sơ bộ/PWHT thích hợp và quá trình làm nguội/ram có kiểm soát để quản lý độ dẻo dai.
• Tuổi thọ chịu mỏi, độ cứng bề mặt thông qua quá trình tôi cảm ứng hoặc các đặc tính tôi và ram là những yếu tố quyết định thiết kế.

Lưu ý cuối cùng: cả thép 35# và 45# đều là thép cacbon trung bình đa dụng. Lựa chọn tốt nhất phụ thuộc vào trường hợp tải trọng của chi tiết hoàn thiện, lộ trình chế tạo và các ràng buộc về chi phí. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy chỉ định yêu cầu xử lý nhiệt, mục tiêu tính chất cơ học và thử nghiệm nghiệm thu (UT/MT, lập bản đồ độ cứng, thử nghiệm va đập) trên hồ sơ mua hàng để đảm bảo nhà máy và lộ trình xử lý nhiệt mang lại hiệu suất mong muốn.