35CrMo so với 42CrMo – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

35CrMo và 42CrMo là hai loại thép hợp kim crom-molypden có mối quan hệ chặt chẽ, được sử dụng cho các bộ phận kết cấu và chịu tải cơ học. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên cân nhắc giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng gia công, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc ưu tiên độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn một chút (ví dụ cho trục hoặc bánh răng nặng) so với việc chế tạo dễ dàng hơn và độ dẻo dai được cải thiện cho các bộ phận động.

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim nằm ở hàm lượng carbon khác nhau một cách có chủ đích và chiến lược làm cứng tương ứng: 42CrMo có hàm lượng carbon cao hơn để tăng cường độ bền và khả năng làm cứng, trong khi 35CrMo có hàm lượng carbon thấp hơn và hàm lượng Cr-Mo tương tự để cân bằng độ dẻo dai và chế tạo. Vì cả hai đều dựa trên Cr và Mo làm nguyên tố hợp kim cốt lõi, chúng thường được so sánh trong các thiết kế đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và phản ứng xử lý nhiệt.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tên gọi quốc tế phổ biến:
• EN/ISO: 35CrMo4 (khoảng 1,7220), 42CrMo4 (khoảng 1,7225)
• Tương đương AISI/ASTM: 35CrMo ≈ một số loại tương tự như họ 4130; 42CrMo ≈ AISI 4140 (lưu ý: sự tương đương chính xác phụ thuộc vào thông số kỹ thuật tiêu chuẩn địa phương)
• GB (Trung Quốc): 35CrMo, 42CrMo (phạm vi hóa chất tiêu chuẩn)
• JIS: có các loại thép Cr–Mo tương đương nhưng tên gọi khác nhau (xác nhận theo danh mục JIS)
• Phân loại:
• Cả hai đều là thép hợp kim (thép Cr-Mo). Chúng không phải là thép không gỉ hay thép HSLA theo đúng nghĩa; chúng được sử dụng làm thép kết cấu/kỹ thuật tôi và ram (Q&T).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình theo phần trăm trọng lượng của các loại thương mại thông dụng. Các giá trị này là phạm vi đại diện được tìm thấy trong các thông số kỹ thuật của loại tiêu chuẩn; thành phần cuối cùng phải được xác nhận theo tiêu chuẩn chính xác hoặc giấy chứng nhận của nhà máy.

Yếu tố	35CrMo (phạm vi điển hình, wt%)	42CrMo (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,32 – 0,40	0,38 – 0,45
Mn	0,50 – 0,80	0,60 – 0,90
Si	0,17 – 0,37	0,17 – 0,37
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	0,90 – 1,20	0,90 – 1,20
Ni	≤ dấu vết	≤ dấu vết
Mo	0,15 – 0,30	0,15 – 0,30
V	≤ dấu vết	≤ dấu vết
Lưu ý	≤ dấu vết	≤ dấu vết
Ti	≤ dấu vết	≤ dấu vết
B	≤ dấu vết	≤ dấu vết
N	≤ dấu vết	≤ dấu vết

Ghi chú: - “Dấu vết” có nghĩa là thường không được thêm vào một cách cố ý; chỉ có thể xuất hiện lượng dư. - Sự khác biệt chủ yếu giữa các hợp kim là hàm lượng cacbon và mangan; Cr và Mo tương tự nhau vì chúng có khả năng làm cứng, độ bền và khả năng chống ram. - Hàm lượng carbon thấp hơn trong 35CrMo là một phần của chiến lược hợp kim nhằm tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ dẻo/độ bền và khả năng hàn, trong khi việc bổ sung Cr–Mo vẫn duy trì khả năng làm cứng và độ bền ở nhiệt độ cao.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon làm tăng độ bền và độ cứng nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Crom làm tăng khả năng làm cứng, độ bền và khả năng chống ram; nó cũng cải thiện khả năng chống mài mòn. - Molypden làm tăng đáng kể khả năng chịu nhiệt và chống rão, đồng thời giúp duy trì độ dẻo dai sau khi ram. - Silic và mangan đóng vai trò là chất khử oxy và góp phần tạo nên độ bền/độ cứng.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng với các quá trình nhiệt thông thường:

• Đã cuộn / chuẩn hóa:
• Cả hai loại đều phát triển cấu trúc ferit-perlit sau khi chuẩn hóa, trong đó 42CrMo thường có cấu trúc perlit mịn hơn và mật độ sai lệch cao hơn do hàm lượng cacbon lớn hơn, tạo ra độ bền cao hơn.
• Làm nguội và tôi luyện (Q&T):
• Làm nguội từ nhiệt độ austenit hóa tạo ra martensite (và có thể là bainit tùy thuộc vào tốc độ làm nguội); tôi luyện làm giảm độ giòn và cung cấp sự kết hợp độ bền và độ dẻo dai phù hợp.
• 42CrMo, do có hàm lượng carbon cao hơn và khả năng làm cứng cao hơn một chút (với Cr/Mo), có thể đạt được giới hạn bền và giới hạn chảy cao hơn ở các phương pháp xử lý Q&T tương đương, nhưng cần phải được tôi luyện cẩn thận để tránh tình trạng giòn quá mức.
• 35CrMo có thể đạt được độ bền cao với độ dẻo dai được duy trì cao hơn một chút trong chế độ tôi luyện nhất định do hàm lượng carbon thấp hơn.
• Xử lý nhiệt cơ:
• Cán có kiểm soát, sau đó xử lý nhiệt thích hợp, sẽ tinh chỉnh kích thước hạt austenit ban đầu và có thể cải thiện độ dẻo dai cũng như khả năng chống mỏi ở cả hai cấp thép. Cả hai loại thép đều đáp ứng tốt với TMCP để cải thiện các tính chất cơ học.

Ý nghĩa thực tiễn: các thông số xử lý nhiệt (nhiệt độ austenit hóa, môi trường và mức độ làm nguội, nhiệt độ/thời gian ram) phải được lựa chọn có tính đến cấp thép và độ dày của mặt cắt để tránh các cấu trúc vi mô HAZ cứng, giòn và đáp ứng các mục tiêu về tính chất cơ học.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học thay đổi mạnh tùy theo quá trình xử lý nhiệt và kích thước tiết diện. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi tính chất điển hình cho các điều kiện tôi và ram thường được sử dụng trong thực hành kỹ thuật. Đây là các phạm vi đại diện; vui lòng nêu rõ điều kiện xử lý nhiệt và thử nghiệm chính xác để mua sắm.

Bất động sản (phạm vi điển hình của Q&T)	35CrMo	42CrMo
Độ bền kéo (MPa)	Trung bình–Cao	Cao (cao hơn 35CrMo)
Giới hạn chảy (MPa)	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (%, A)	Độ dẻo tốt hơn	Độ dẻo thấp hơn ở cùng độ cứng
Độ bền va đập (Charpy)	Nói chung là cao hơn ở cường độ bằng nhau	Nói chung là thấp hơn trừ khi được tôi luyện ở cường độ thấp hơn
Độ cứng (HRC / HB)	Phạm vi rộng có thể đạt được tùy thuộc vào nhiệt độ (đỉnh thấp hơn 42CrMo)	Có thể đạt được độ cứng đỉnh cao hơn cho các bộ phận chống mài mòn

Giải thích: - 42CrMo thường bền hơn và dễ tôi luyện hơn nhờ hàm lượng carbon cao hơn kết hợp với Cr–Mo. Với các chu kỳ Q&T bằng nhau, 42CrMo thường tạo ra cường độ kéo và giới hạn chảy cao hơn, cũng như độ cứng cao hơn. - 35CrMo thường có độ dẻo dai và độ dai tốt hơn ở mức độ bền tương đương hoặc thấp hơn một chút do hàm lượng carbon thấp hơn. - Các nhà thiết kế phải chỉ định độ dẻo dai cần thiết (ví dụ, năng lượng va đập ở nhiệt độ) và độ cứng chấp nhận được; nếu không, 42CrMo có hàm lượng carbon cao hơn có thể vô tình tạo ra các thành phần giòn hoặc làm cho việc hàn trở nên khó khăn hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào cacbon, lượng cacbon tương đương (khả năng làm cứng từ hợp kim) và độ dày.

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (chỉ số khả năng hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Hàm lượng carbon cao hơn của 42CrMo làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ so với 35CrMo, cho thấy xu hướng hình thành các cấu trúc vi mô martensitic cứng trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cao hơn và nguy cơ nứt nguội cao hơn. Đối với các tiết diện dày hơn, thường cần gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). - 35CrMo, có hàm lượng carbon thấp hơn, thường hàn dễ dàng hơn và có thể cần ít gia nhiệt trước hơn cũng như PWHT nhẹ hơn, do đó được ưa chuộng hơn khi chế tạo mối hàn thông thường và tiết kiệm chi phí. - Đối với cả hai loại, việc lựa chọn kim loại phụ và PWHT phải được lên kế hoạch dựa trên độ dày và điều kiện sử dụng để khôi phục độ dẻo dai và giảm ứng suất dư.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 35CrMo và 42CrMo đều không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép hợp kim thấp và phải đạt được bằng cách phủ hoặc xử lý bề mặt cho môi trường ăn mòn.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình: mạ kẽm, sơn, phủ bột, mạ (kẽm/niken), ốp hoặc áp dụng các rào cản chống ăn mòn kết hợp với bảo vệ catốt nếu cần.
• Chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép Cr–Mo này, nhưng để tham khảo, công thức PREN cho hợp kim thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Chỉ sử dụng PREN cho hợp kim thép không gỉ; đối với thép hợp kim thấp Cr–Mo, chiến lược bảo vệ chống ăn mòn phải dựa trên môi trường dự kiến ​​(khí quyển, hơi muối, hóa chất) và chi phí.

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

• Khả năng gia công: Hàm lượng cacbon và độ cứng cao hơn của thép 42CrMo làm giảm khả năng gia công so với thép 35CrMo ở cùng mức độ cứng. Về mặt gia công, cả hai loại thép này thường được chỉ định trong điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ; thép 35CrMo có thể gia công nhanh hơn hoặc kéo dài tuổi thọ dụng cụ trong cùng điều kiện.
• Khả năng định hình/uốn cong: Thép 35CrMo có hàm lượng carbon thấp thường có khả năng định hình nguội tốt hơn. Thép 42CrMo có thể được định hình khi ủ mềm nhưng nguy cơ đàn hồi và nứt sẽ tăng lên nếu độ cứng cao.
• Mài và hoàn thiện: Cả hai đều có thể được mài và hoàn thiện hiệu quả khi được cung cấp đúng điều kiện. Xử lý bề mặt (nitơ hóa, thấm cacbon) thường được áp dụng cho các chi tiết chịu mài mòn nghiêm trọng.
• Kiểm soát độ hàn và biến dạng: 35CrMo giúp hàn dễ dàng hơn và độ cứng HAZ thấp hơn; 42CrMo yêu cầu kiểm soát nhiệt độ, lựa chọn vật liệu độn và PWHT nhiều hơn để tránh nứt và khôi phục các đặc tính tối ưu.

8. Ứng dụng điển hình

35CrMo – Ứng dụng điển hình	42CrMo – Ứng dụng điển hình
Trục chịu tải trung bình, các bộ phận kết cấu bu lông, bánh răng chịu tải trung bình, các bộ phận rèn yêu cầu độ bền tốt	Trục và trục chịu tải nặng, bánh răng cường độ cao, trục khuỷu, thanh truyền, chốt và đinh tán chịu tải trọng cao
Các thành phần đòi hỏi phải hàn thường xuyên hoặc chế tạo phức tạp	Các thành phần có độ bền cao hơn, khả năng chống mài mòn hoặc độ cứng cao là những yếu tố chính
Thanh xi lanh thủy lực, khớp nối ưu tiên độ dẻo dai/độ bền	Máy móc địa hình, máy móc hạng nặng, bộ phận truyền động mô-men xoắn cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 35CrMo khi cần sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai cũng như dễ chế tạo và hàn hơn. - Chọn 42CrMo khi cần độ bền kéo, khả năng chống mài mòn và khả năng làm cứng cao hơn và khi quy trình sản xuất có thể đáp ứng các quy trình kiểm soát nhiệt và hàn nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi trên toàn thế giới dưới dạng thanh, rèn, phôi và tấm. 42CrMo (họ AISI 4140) là một trong những loại thép hợp kim được dự trữ phổ biến nhất trên nhiều thị trường.
• Chi phí: Chênh lệch chi phí vật liệu thường nhỏ; 42CrMo có thể đắt hơn một chút do hàm lượng carbon cao hơn và đôi khi yêu cầu xử lý khắt khe hơn. Tuy nhiên, tổng chi phí sản phẩm phải bao gồm xử lý nhiệt, hàn/PWHT và gia công - những khâu mà 42CrMo có thể phát sinh chi phí xử lý cao hơn.
• Mẹo mua sắm: Chỉ định cấp chính xác, trạng thái xử lý nhiệt cần thiết, tính chất cơ học và chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy để tránh sự không phù hợp giữa nhà cung cấp và mục đích thiết kế.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	35CrMo	42CrMo
Khả năng hàn	Tốt	Trung bình – Trung bình (cần kiểm soát nhiều hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo dai cao hơn	Độ bền cao hơn, độ dẻo thấp hơn ở cùng độ cứng
Chi phí (vật liệu + gia công)	Thấp-Trung bình	Trung bình–Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn 35CrMo nếu: - Chi tiết cần có độ dẻo dai hoặc độ dai tốt hơn ở cường độ nhất định. - Có thể hàn thường xuyên hoặc chế tạo phức tạp mà không cần PWHT rộng rãi. - Khả năng gia công và tạo hình tốt hơn một chút là điều quan trọng. - Bạn nhắm tới mục tiêu giảm chi phí xử lý tổng thể và đảm bảo chất lượng (QA) dễ dàng hơn cho độ bền HAZ. - Chọn 42CrMo nếu: - Mục tiêu chính là tăng cường độ bền kéo, khả năng chống mài mòn hoặc khả năng làm cứng cho các phần dày. - Bộ phận phải chịu tải trọng tĩnh hoặc tải trọng tuần hoàn cao, trong đó độ bền vượt quá sự tiện lợi khi hàn. - Sản xuất có thể hỗ trợ quá trình gia nhiệt trước, kiểm soát quá trình chuyển tiếp và PWHT cần thiết.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều là thép kỹ thuật bền chắc; lựa chọn chính xác phụ thuộc vào trường hợp tải trọng cụ thể, độ bền yêu cầu, khả năng hàn và xử lý nhiệt, cũng như các ràng buộc về chi phí. Luôn ghi rõ điều kiện xử lý nhiệt cần thiết, mục tiêu về tính chất cơ học và các yêu cầu thử nghiệm/kiểm tra trong hồ sơ mua sắm để đảm bảo vật liệu được giao đáp ứng mục đích thiết kế.