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

Giới thiệu

Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường xuyên cân nhắc giữa các loại thép hợp kim tương tự khi cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí. 30CrMo và 35CrMo là hai loại thép hợp kim thấp, hàm lượng cacbon trung bình thường được sử dụng cho các bộ phận cơ khí, nơi độ bền và khả năng chống mỏi là yếu tố quan trọng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn giữa độ bền tôi cao hơn một chút so với khả năng hàn và độ dẻo tốt hơn, hoặc khi chỉ định khung thời gian xử lý nhiệt cho các bộ phận như trục, bánh răng và ốc vít chịu ứng suất cao.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại này là hàm lượng carbon/hợp kim tương đối của chúng: 35CrMo được chỉ định với hàm lượng carbon cao hơn một chút (và thường có hàm lượng hợp kim bổ sung cao hơn một chút) so với 30CrMo. Sự khác biệt đó làm thay đổi cán cân theo hướng tăng cường độ bền và độ cứng có thể đạt được ở 35CrMo sau khi tôi và ram, trong khi 30CrMo thường dễ chế tạo hơn, khả năng hàn được cải thiện và độ dẻo cao hơn cho các quy trình xử lý nhiệt tương đương.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung nơi những tên này xuất hiện:
• GB (Trung Quốc): 30CrMo, 35CrMo (hệ thống ký hiệu đặc trưng của Trung Quốc)
• EN / ISO: có những vật liệu tương đương (ví dụ, thép Cr–Mo như 34CrMo4, 42CrMo4), nhưng để có sự tương đương trực tiếp, cần phải kiểm tra giới hạn thành phần và bảng tính chất cơ học trong tiêu chuẩn áp dụng.
• ASTM / ASME: Dòng AISI/SAE (ví dụ: họ 4130) thường được tham chiếu như các chất tương tự về mặt chức năng để lựa chọn kỹ thuật; việc trao đổi chính xác cần phải được xác minh.
• JIS: có các loại Cr–Mo tương tự; xác nhận các yêu cầu về cấu trúc hóa học/vi mô phù hợp.
• Phân loại: Cả 30CrMo và 35CrMo đều là thép hợp kim thấp, hàm lượng carbon trung bình, được sử dụng làm thép kết cấu hợp kim (không phải thép không gỉ, thép dụng cụ và cũng không phải HSLA theo nghĩa hiện đại). Chúng được thiết kế để đạt được độ bền và khả năng tôi cứng thông qua xử lý nhiệt (thường hóa, tôi và ram).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần điển hình (% khối lượng, mang tính chất tham khảo). Giá trị thực tế phụ thuộc vào nhà cung cấp và tiêu chuẩn áp dụng — hãy coi đây là phạm vi đại diện để so sánh kỹ thuật, không phải là thông số kỹ thuật mua sắm.

Yếu tố	30CrMo (phạm vi điển hình, wt%)	35CrMo (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,26 – 0,34	0,30 – 0,40
Mn	0,40 – 0,80	0,45 – 0,85
Si	0,15 – 0,40	0,15 – 0,40
P	≤ 0,025	≤ 0,025
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	0,80 – 1,20	0,80 – 1,30
Ni	≤ 0,30 (thường rất thấp)	≤ 0,30 (thường rất thấp)
Mo	0,12 – 0,30	0,12 – 0,30
V	theo dõi / tùy chọn	theo dõi / tùy chọn
Lưu ý	theo dõi / tùy chọn	theo dõi / tùy chọn
Ti	theo dõi / tùy chọn	theo dõi / tùy chọn
B	dấu vết (hiếm)	dấu vết (hiếm)
N	dư	dư

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào - Carbon: kiểm soát chính độ bền và khả năng tôi luyện. Hàm lượng carbon cao hơn một chút trong 35CrMo làm tăng độ cứng và độ bền kéo đạt được sau khi tôi và ram, nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn nếu hàm lượng carbon tương đương tăng. - Crom và molypden: cải thiện khả năng làm cứng và khả năng chống ram; cả hai loại đều dựa vào Cr và Mo để đạt được các đặc tính cơ học xuyên suốt chiều dày ở các mặt cắt lớn hơn. - Mangan và silic: tăng cường khả năng khử oxy và góp phần làm cứng. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) có thể xuất hiện trong các biến thể hợp kim vi mô để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai, nhưng không bắt buộc trong các ký hiệu cơ bản 30/35CrMo.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - Ở điều kiện chuẩn hóa, cả hai loại đều thể hiện hỗn hợp ferit và perlit với kích thước hạt được xác định bằng phương pháp gia công nóng và làm nguội. Chuẩn hóa giúp cải thiện khả năng gia công và độ dẻo dai. - Sau khi tôi và ram, cả hai đều tạo ra martensite ram (hoặc bainit/ram bainit tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và kích thước mặt cắt). Hàm lượng cacbon cao hơn trong 35CrMo thúc đẩy tỷ lệ martensite cứng cao hơn cho một lần tôi nhất định, giúp tăng cường độ bền và độ cứng. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát) tiếp theo là làm nguội nhanh có thể tạo ra các cấu trúc martensitic bainit/rau củ mịn hơn, mang lại sự kết hợp độ bền-độ dẻo dai tuyệt vời.

Phản ứng xử lý nhiệt - Chuẩn hóa: tinh chỉnh cấu trúc khi cán, cải thiện khả năng gia công và chuẩn bị cho quá trình tôi. - Làm nguội & ram (Q&T): phương pháp chính để đạt được cường độ thiết kế. Cả hai loại đều đáp ứng theo dự đoán — 35CrMo thường đạt được cường độ cao hơn sau khi ram, nhưng độ giãn dài thấp hơn một chút và khả năng giảm độ bền va đập nếu ram quá mức không đúng cách. - Làm nguội: cần thiết để giảm độ giòn của martensite sau khi tôi. 35CrMo thường yêu cầu lịch trình làm nguội hơi khác một chút để duy trì độ dẻo dai trong khi vẫn đạt được độ bền mục tiêu.

4. Tính chất cơ học

Bảng: các tính chất cơ học chỉ định sau quá trình tôi và ram tiêu biểu (kỹ sư xác minh thông số kỹ thuật thực tế và xử lý nhiệt).

Tài sản	30CrMo (chỉ mang tính chất tham khảo)	35CrMo (chỉ định)
Độ bền kéo (MPa)	~700 – 1000	~800 – 1100
Giới hạn chảy (MPa)	~520 – 850	~600 – 950
Độ giãn dài (%)	~12 – 20	~8 – 16
Tác động Charpy V-notch (J)	~30 – 80 (thay đổi tùy theo độ cứng và độ dày)	~20 – 70 (nhạy cảm với xử lý nhiệt)
Độ cứng (HB)	~200 – 360	~240 – 380

Diễn giải - Độ bền: 35CrMo thường có khả năng chịu kéo và chịu lực chảy cao hơn trong các chu trình tôi và ram tương đương do có hàm lượng carbon cao hơn và khả năng làm cứng Cr/Mo tương tự. - Độ dẻo dai và độ dai: 30CrMo thường có độ giãn dài lớn hơn và có thể dẻo dai hơn trong điều kiện tạm thời, đặc biệt nếu áp dụng quá trình tôi luyện và kiểm soát hạt cẩn thận. - Sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai thực tế phụ thuộc rất nhiều vào kích thước tiết diện, tốc độ làm nguội và quá trình ram; thông số kỹ thuật phải xác định các thông số này.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép hợp kim phụ thuộc vào cacbon và hợp kim — được tóm tắt theo định tính bằng cách sử dụng các biểu thức tương đương cacbon được chấp nhận.

Công thức đánh giá hữu ích: - Đương lượng cacbon (dạng 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 - 35CrMo, với hàm lượng carbon cao hơn, sẽ tạo ra $CE_{IIW}$ / $P_{cm}$ cao hơn 30CrMo ở cùng mức Cr/Mo và do đó đòi hỏi kỹ thuật hàn cao hơn. CE cao hơn cho thấy nguy cơ hình thành vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cứng, giòn và nứt nguội cao hơn nếu không được giảm thiểu. - Các biện pháp kiểm soát hàn thực tế: làm nóng trước, kiểm soát nhiệt độ đường hàn, sử dụng kim loại hàn phù hợp hoặc quá phù hợp, và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) thường được yêu cầu đối với 35CrMo, đặc biệt là ở các tiết diện dày hơn. 30CrMo thường cho phép làm nóng trước ít nghiêm ngặt hơn và có thể hàn dễ dàng hơn bằng que hàn Cr-Mo tiêu chuẩn, mặc dù PWHT vẫn được khuyến nghị cho các bộ phận chịu lực. - Đối với cả hai loại, hãy tuân thủ các thông số kỹ thuật về quy trình hàn (WPS) có liên quan và xác nhận thông qua PWHT và kiểm tra độ cứng trong vùng HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 30CrMo và 35CrMo đều không phải là hợp kim không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương tự như thép cacbon và phụ thuộc vào bề mặt hoàn thiện và môi trường.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ khí quyển nói chung (kiểm tra xem mạ kẽm ảnh hưởng như thế nào đến dung sai kích thước và bề mặt quan trọng chịu mỏi).
• Lớp phủ hữu cơ: sơn lót, sơn và sơn phủ bột cho môi trường công nghiệp.
• Mạ chuyên dụng (ví dụ, cadmium, kẽm-niken) cho các yêu cầu chức năng cụ thể hoặc các thành phần mỏng.
• Chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép hợp kim thấp Cr-Mo này, vì chúng không phải là loại thép không gỉ chống ăn mòn. Để rõ hơn, PREN được định nghĩa là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng nó chỉ có ý nghĩa đối với thép không gỉ chứa nhiều Cr và N. Đối với thép hợp kim Cr–Mo, việc giảm thiểu ăn mòn dựa vào lớp phủ và bảo vệ catốt, chứ không phải tính thụ động nội tại.

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

• Khả năng gia công:
• 30CrMo thường dễ gia công hơn 35CrMo trong điều kiện tương đương do hàm lượng carbon thấp hơn và độ cứng thấp hơn ở trạng thái chuẩn hóa.
• Khi các bộ phận được chỉ định ở trạng thái tôi và ram, cả hai cấp độ đều khó gia công hơn; phương pháp thực hành được khuyến nghị là gia công nặng ở trạng thái chuẩn hóa hoặc ủ và hoàn thiện máy sau khi xử lý nhiệt cuối cùng nếu có thể.
• Khả năng định hình:
• Việc tạo hình và uốn nguội dễ dàng hơn với 30CrMo. Hàm lượng carbon cao hơn trong 35CrMo làm giảm độ dẻo và tăng nguy cơ nứt trong quá trình tạo hình mạnh.
• Khi cần tạo hình, hãy thực hiện các thao tác trước khi xử lý nhiệt cuối cùng hoặc sử dụng các chiến lược tạo hình ở nhiệt độ cao hơn.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều phản ứng tốt với phương pháp mài tiêu chuẩn và phun bi để cải thiện tuổi thọ chịu mỏi; độ cứng cao hơn ở 35CrMo có thể yêu cầu dụng cụ và vật liệu mài mòn mạnh mẽ hơn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: công dụng điển hình và lý do lựa chọn.

30CrMo — Ứng dụng điển hình	35CrMo — Ứng dụng điển hình
Trục, trục xe, đinh tán và bu lông nơi cần độ dẻo dai và độ bền kết hợp	Trục chịu ứng suất cao, trục khuỷu, bánh răng chịu tải nặng và các bộ phận đòi hỏi độ bền tôi cao hơn
Linh kiện máy kéo và nông nghiệp, bánh răng hạng trung	Các bộ phận truyền tải tải trọng cao, chốt máy móc hạng nặng và các bộ phận chịu cắt quan trọng
Các thành phần cấu trúc cần có tính linh hoạt trong hàn và chế tạo	Các bộ phận có độ dẻo dai mặt cắt ngang thấp hơn được chấp nhận để đổi lấy độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn
Các thành phần có chi phí và dễ sửa chữa/hàn là vấn đề quan trọng	Các thành phần quan trọng, có tuổi thọ cao, chịu được sự mỏi, trong đó độ bền nhiệt cao được ưu tiên

Cơ sở lựa chọn - Chọn 30CrMo khi thiết kế đòi hỏi hàn dễ hơn, khả năng định hình tốt hơn hoặc khi các chi tiết cần được sửa chữa tại hiện trường. Nó cũng thuận lợi khi việc kiểm soát chi phí là quan trọng và yêu cầu về độ bền tối đa ở mức trung bình. - Chọn 35CrMo khi cần độ bền cao hơn khi ram, khả năng chống mài mòn và độ bền mỏi ở ứng suất tĩnh cao và khi có thể hàn/PWHT có kiểm soát.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 35CrMo thường đắt hơn 30CrMo một chút do hàm lượng hợp kim (và carbon) cao hơn một chút và yêu cầu xử lý nhiệt khắt khe hơn cho các ứng dụng hiệu suất cao. Chi phí gia tăng thường khiêm tốn nhưng có thể đáng kể đối với khối lượng lớn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: cả hai loại thép này thường được cung cấp dưới dạng thanh, rèn, và cán định hình thông qua các nhà cung cấp thép công nghiệp. Độ sâu tồn kho phụ thuộc vào mạng lưới nhà cung cấp khu vực; 30CrMo có thể được dự trữ rộng rãi hơn ở các kích thước kỹ thuật chung do được sử dụng rộng rãi hơn trong các kết cấu hàn và có thể sửa chữa.
• Mẹo mua sắm: nêu rõ tiêu chí chấp nhận về mặt hóa học và cơ học, yêu cầu xử lý nhiệt và bất kỳ nhu cầu PWHT nào để tránh bất ngờ và nhận được báo giá cạnh tranh.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: ảnh chụp nhanh so sánh.

Thuộc tính	30CrMo	35CrMo
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn điển hình)	Thấp hơn (CE cao hơn; cần kiểm soát chặt chẽ hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền tốt với độ bền vừa phải	Độ bền và độ cứng cao hơn; độ dẻo dai có thể thấp hơn nếu không được tôi luyện đúng cách
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Kết luận - Chọn 35CrMo nếu bạn cần độ bền hoặc độ cứng cao hơn khi tôi và ram cho các bộ phận quan trọng chịu mỏi, chịu tải trọng cao hoặc dễ bị mài mòn và bạn có thể đáp ứng các biện pháp kiểm soát hàn nghiêm ngặt hơn (làm nóng trước, PWHT) và chi phí vật liệu cao hơn một chút. - Chọn 30CrMo nếu ưu tiên của bạn là khả năng hàn tốt hơn, dễ tạo hình/gia công hơn, độ dẻo cao hơn, sửa chữa tại hiện trường đơn giản hơn và chi phí thấp hơn trong khi vẫn đạt được độ bền tốt sau khi xử lý nhiệt phù hợp.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Luôn kiểm tra lựa chọn cấp độ hàn dựa trên các yêu cầu chính xác về hóa học và cơ học trong tiêu chuẩn hoặc bản vẽ áp dụng. Đối với thiết kế mối hàn, hãy tính toán lượng cacbon tương đương cho thành phần đề xuất và tham khảo ý kiến ​​kỹ sư hàn của bạn để xác định nhiệt độ nung sơ bộ, nhiệt độ lớp hàn, kim loại điền đầy và PWHT (chì hàn) nhằm đảm bảo tính toàn vẹn của chi tiết.