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 liên quan chặt chẽ, thường được sử dụng cho các bộ phận kết cấu và cơ khí đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng tôi cứng. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi chỉ định trục, bánh răng, chốt hoặc các bộ phận chịu áp suất trung gian — một quyết định đánh đổi độ bền và khả năng chống mài mòn với độ dẻo, hiệu suất va đập và khả năng sản xuất.

Điểm khác biệt chính giữa các loại hợp kim này là hàm lượng cacbon danh nghĩa và ảnh hưởng của chúng đến độ bền và khả năng chịu nhiệt ở nhiệt độ vận hành cao. Vì crom và molypden đều có trong cả hai loại hợp kim để tăng cường khả năng tôi và khả năng chịu nhiệt, nên khả năng làm nguội và ram của chúng, cũng như tính phù hợp cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao vừa phải, là những lý do phổ biến khiến hai hợp kim này được so sánh trong thiết kế và sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung và tương đương:
• GB/T (Trung Quốc): 35CrMo, 42CrMo
• EN: thường được so sánh với thép dòng EN 41xx (ví dụ: 35CrMo ≈ 1,7035/34CrMo; 42CrMo ≈ 1,7225/42CrMo4, mặc dù giá trị tương đương chính xác phụ thuộc vào thông số kỹ thuật)
• AISI/SAE: các giá trị tương đương gần đúng là 35CrMo ≈ 4135, 42CrMo ≈ 4140 (lưu ý: giá trị tương đương trực tiếp phụ thuộc vào dạng sản phẩm và thông số kỹ thuật)
• JIS: các cấp độ tương tự tồn tại trong các họ JIS G4105/G4106
• Phân loại:
• Cả hai đều là thép kết cấu hợp kim thấp (thép cacbon hợp kim) — không phải thép không gỉ, không phải HSLA theo nghĩa hiện đại; được sử dụng làm thép hợp kim có thể xử lý nhiệt để rèn, thanh và các bộ phận máy.

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 có trong các thông số kỹ thuật thương mại phổ biến; luôn tham khảo chứng chỉ hoặc tiêu chuẩn cụ thể của nhà máy để mua sắm.

Yếu tố	35CrMo (phạm vi điển hình)	42CrMo (phạm vi điển hình)
C	0,30 – 0,38	0,38 – 0,45
Mn	0,50 – 0,80	0,60 – 1,00
Si	0,15 – 0,35	0,15 – 0,40
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	0,80 – 1,10	0,90 – 1,20
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	0,15 – 0,30	0,15 – 0,30
V	≤ 0,05 (vết)	≤ 0,05 (vết)
Nb, Ti, B	— (có thể có hợp kim vi mô)	— (có thể có hợp kim vi mô)
N	≤ 0,012	≤ 0,012

Ghi chú: - Sự khác biệt chính về thành phần là hàm lượng carbon cao hơn trong 42CrMo, giúp tăng khả năng làm cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn nhưng có xu hướng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn nếu không được nung nóng trước và xử lý nhiệt sau khi hàn đúng cách. - Cr và Mo là những nguyên tố hợp kim chính ở đây: crom làm tăng nhẹ khả năng tôi luyện, độ bền và khả năng chống ăn mòn; molypden cải thiện khả năng tôi luyện và khả năng chống ram (tức là duy trì độ bền ở nhiệt độ ram cao). - Các nguyên tố hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti) có thể có trong một số biến thể thương mại để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ bền mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon.

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

Cấu trúc vi mô: - Trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa, cả hai loại thép thường được cấu tạo từ ferit + peclit, với thành phần peclit tăng theo cacbon. - Sau khi làm nguội từ nhiệt độ austenit hóa, cấu trúc martensitic (hoặc bainit + martensitic) phát triển, với hàm lượng austenit được giữ lại tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và thành phần.

Hiệu quả của xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt, tạo ra cấu trúc vi mô ferit-pearlit mịn. 35CrMo thường tạo ra cấu trúc vi mô mịn hơn, dẻo hơn ở cùng tốc độ làm nguội do hàm lượng cacbon thấp hơn. - Làm nguội & ram: cả hai đều đáp ứng tốt. 42CrMo, với hàm lượng carbon cao hơn, đạt độ cứng và độ bền kéo cao hơn sau khi tôi; nó cũng cần được ram cẩn thận để tránh bị giòn quá mức. Hàm lượng molypden giúp cả hai loại thép này chống lại sự mềm hóa ở nhiệt độ ram cao hơn (cải thiện khả năng chịu ram). - Xử lý nhiệt cơ học: cán có kiểm soát và làm nguội nhanh tạo ra các cấu trúc vi mô bainit hoặc martensit mịn có độ dẻo dai được cải thiện; nhiệt độ vi hợp kim và hoàn thiện rất quan trọng để kiểm soát sự phát triển của hạt. - Ý nghĩa thực tiễn: đối với chế độ tôi và ram nhất định, 42CrMo đạt được độ bền cao hơn nhưng sẽ cần các lịch trình ram khác nhau để cân bằng độ dẻo dai, đặc biệt là khi gặp nhiệt độ ram hoặc nhiệt độ vận hành cao.

4. Tính chất cơ học

Bảng: phạm vi tính chất cơ học điển hình. Các phạm vi này phụ thuộc rất nhiều vào dạng sản phẩm và quá trình xử lý nhiệt; các giá trị hiển thị đại diện cho các điều kiện chuẩn hóa và tôi & ram (Q&T) được sử dụng trong thực hành kỹ thuật.

Tài sản	35CrMo (đã chuẩn hóa)	35CrMo (Hỏi & Đáp)	42CrMo (đã chuẩn hóa)	42CrMo (Hỏi & Đáp)
Độ bền kéo (MPa)	550 – 750	760 – 1000	600 – 800	900 – 1100
Giới hạn chảy (0,2% Rp0,2, MPa)	350 – 550	600 – 900	400 – 600	700 – 950
Độ giãn dài (%)	16 – 22	10 – 16	14 – 20	8 – 14
Độ bền va đập (Charpy V-notch, J)	30 – 80 (chuẩn mực)	20 – 60 (Hỏi & Đáp, tùy theo tính khí)	25 – 70 (chuẩn mực)	15 – 50 (Hỏi & Đáp, tùy theo tính khí)
Độ cứng (HRC / HB)	20 – 26 HRC (phạm vi Q&T)	26 – 40 HRC	22 – 28 HRC	28 – 45 HRC

Giải thích: - 42CrMo thường đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn sau khi tôi và ram do hàm lượng cacbon cao hơn; nó cũng đạt được độ cứng cao hơn để chống mài mòn. - 35CrMo có xu hướng cung cấp độ dẻo cao hơn và hiệu suất va đập tốt hơn một chút khi được tôi luyện ở mức độ bền tương đương, khiến nó trở nên thích hợp hơn khi độ bền và khả năng chống mỏi là ưu tiên hàng đầu. - Tính chất cơ học thực tế là một hàm của các thông số xử lý nhiệt (nhiệt độ austenit hóa, môi trường làm nguội và nhiệt độ/thời gian ram) và hình dạng sản phẩm.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim. Hai yếu tố dự báo thường được sử dụng là hàm lượng cacbon tương đương IIW và $P_{cm}$ bảo thủ hơn:

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

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

Giải thích định tính: - 42CrMo, với hàm lượng carbon cao hơn, có lượng carbon tương đương cao hơn 35CrMo đối với mức Cr–Mo giống hệt nhau; điều này dẫn đến nguy cơ cao hơn về vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cứng, giòn và nứt nguội nếu hàn mà không có quá trình làm nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát. - Cả hai loại đều chứa Cr và Mo giúp tăng khả năng tôi luyện; quy trình hàn thường yêu cầu nung nóng trước, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) khi liên quan đến độ bền hoặc các ứng dụng quan trọng. - 35CrMo hàn dễ dàng hơn và thường yêu cầu PWHT ít mạnh hơn 42CrMo để có hiệu suất thành phần tương đương, nhưng thực hành hàn đúng cách vẫn rất quan trọng đối với cả hai.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 35CrMo và 42CrMo đều không phải là thép không gỉ; hàm lượng crom của chúng không đủ để tạo thành lớp màng thụ động liên tục giúp chống ăn mòn nói chung.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Lớp phủ rào cản (hệ thống sơn, lớp phủ bột)
• Mạ kẽm (nhúng nóng) khi thích hợp — lưu ý rằng mạ kẽm có thể ảnh hưởng đến quá trình xử lý nhiệt và mục tiêu về tính chất trên các phần nhỏ và cần xử lý sau khi mạ kẽm nếu độ cứng/độ chính xác là quan trọng
• Lớp phủ hoặc sử dụng lớp phủ chống ăn mòn ở những nơi có nguy cơ ăn mòn cục bộ
• Công thức PREN để xếp hạng hợp kim không gỉ không áp dụng cho các loại thép hợp kim cacbon này vì hàm lượng crom và molypden của chúng quá thấp để dựa vào tính thụ động:

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

• Sử dụng loại chống ăn mòn hoặc các biện pháp bảo vệ khi môi trường làm việc có tính ăn mòn; không nên chọn loại 35CrMo hoặc 42CrMo chỉ vì khả năng chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công: Thép 35CrMo hàm lượng carbon thấp thường dễ gia công hơn thép 42CrMo trong điều kiện chuẩn hóa tương đương do độ cứng và lực cắt thấp hơn. Sau khi tôi và ram, cả hai loại thép đều trở nên khó gia công hơn; thép 42CrMo ở mức độ cứng cao hơn làm tăng độ mòn dụng cụ.
• Khả năng định hình: 35CrMo cho khả năng định hình nguội và uốn tốt hơn 42CrMo ở trạng thái ủ hoặc chuẩn hóa. Khả năng kéo sâu bị hạn chế bởi hàm lượng cacbon trong cả hai trạng thái; định hình thường nên được thực hiện ở trạng thái ủ mềm.
• Quá trình mài, hoàn thiện bề mặt và tiện cứng là phổ biến đối với cả hai loại khi được làm cứng; 42CrMo yêu cầu dụng cụ chắc chắn hơn để gia công cứng.
• Biến dạng do xử lý nhiệt và ứng suất dư: cả hai đều cần chú ý đến độ dày của mặt cắt, phương pháp làm nguội và thiết kế đồ gá để kiểm soát biến dạng.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: các cách sử dụng đại diện

35CrMo	42CrMo
Trục (nơi độ bền và khả năng chống mỏi là quan trọng)	Trục và trục chịu tải trọng cao đòi hỏi độ bền cao hơn
Bánh răng trong các ứng dụng tải trọng vừa phải	Bánh răng cho các ứng dụng chịu ứng suất cao hơn và các bộ phận truyền lực
Bu lông và ốc vít đòi hỏi độ bền tốt	Chốt và đinh tán có độ bền cao
Thanh truyền, trục khuỷu cho dịch vụ hạng trung	Linh kiện máy móc hạng nặng, xi lanh thủy lực, trục
Các bộ phận rèn đòi hỏi độ dẻo tốt	Các bộ phận dễ bị mài mòn cần độ cứng cao hơn sau khi kiểm tra và đánh giá

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 42CrMo khi cần độ bền tĩnh, độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn và khi có quy trình hàn và xử lý nhiệt được kiểm soát. - Chọn 35CrMo khi cần độ dẻo dai, khả năng chống va đập hoặc hiệu suất chịu mỏi tốt hơn ở mức nhiệt độ tôi tương đương hoặc khi ưu tiên tính dễ chế tạo.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Giá cả thay đổi tùy theo điều kiện thị trường, hình dạng sản phẩm (thanh, rèn, tấm) và tình trạng hoàn thiện. Nhìn chung, chênh lệch chi phí nguyên liệu thô giữa 35CrMo và 42CrMo không đáng kể vì các thành phần hợp kim chính (Cr, Mo) tương tự nhau; 42CrMo có thể đắt hơn một chút do quy trình xử lý hàm lượng carbon cao hơn và yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn cho các ứng dụng hàn quan trọng.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều được sản xuất rộng rãi và có sẵn ở dạng thanh, rèn và thép tròn. 42CrMo (tương đương 4140) có tính khả dụng đặc biệt rộng rãi trong chuỗi cung ứng toàn cầu vì đây là hợp kim kỹ thuật rất phổ biến.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: so sánh nhanh

Thuộc tính	35CrMo	42CrMo
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Yêu cầu cao hơn (CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền tốt hơn ở mức tương đương	Độ bền và độ cứng có thể đạt được cao hơn
Chi phí (tương đối)	Thấp hơn một chút hoặc tương tự	Cao hơn một chút trong quá trình xử lý/kiểm soát hàn

Sự giới thiệu: - Chọn 35CrMo nếu bạn cần sự kết hợp cân bằng giữa độ bền, độ dẻo và độ bền hợp lý với quy trình chế tạo dễ dàng hơn và yêu cầu hàn/PWHT ít khắt khe hơn. Vật liệu này rất phù hợp với các linh kiện ưu tiên khả năng chống va đập, tuổi thọ chịu mỏi hoặc tính dẻo dai. - Chọn 42CrMo nếu thiết kế của bạn yêu cầu độ bền tĩnh cao hơn, khả năng tôi luyện tốt hơn và khả năng chống mài mòn vượt trội sau khi tôi và ram. Vật liệu này phù hợp cho các trục, bánh răng và chi tiết chịu tải nặng, chịu ứng suất cơ học cao hoặc yêu cầu khả năng chịu ram cao hơn ở nhiệt độ cao vừa phải — với điều kiện có các biện pháp kiểm soát hàn và xử lý nhiệt.

Lưu ý cuối cùng: Cả 35CrMo và 42CrMo đều không phù hợp cho ứng dụng nhiệt độ cao kéo dài (biến dạng dẻo) nếu không lựa chọn vật liệu chi tiết. Đối với các ứng dụng nhiệt độ cao hoặc ứng dụng quan trọng về biến dạng dẻo, hãy cân nhắc sử dụng hợp kim Cr-Mo-V hoặc hợp kim thép không gỉ chống biến dạng dẻo được thiết kế chuyên dụng và tham khảo dữ liệu về biến dạng dẻo/ram cụ thể cho nhiệt độ và thời gian ứng dụng dự kiến. Luôn kiểm tra chứng chỉ nhà máy và thực hiện các bài kiểm tra chất lượng xử lý nhiệt (kéo, va đập, độ cứng) cho các chi tiết quan trọng.