40Cr so với 40CrNiMoA – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

40Cr và 40CrNiMoA là hai loại thép hợp kim cacbon trung bình thường được sử dụng cho các chi tiết chịu lực và các chi tiết tôi và ram. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc các yếu tố đánh đổi như chi phí đơn vị, khả năng hàn, khả năng gia công và hiệu suất cơ học khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc liệu độ cứng xuyên thấu và độ bền gãy cao hơn có biện minh cho việc sử dụng hợp kim bổ sung hay liệu một loại thép đơn giản hơn, chi phí thấp hơn có đáp ứng được các yêu cầu thiết kế hay không.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa các loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim: 40Cr là hợp kim carbon trung bình chứa crom được thiết kế để có độ bền tốt sau khi xử lý nhiệt và khả năng tôi luyện hợp lý, trong khi 40CrNiMoA bổ sung niken và molypden (và đôi khi là kiểm soát hợp kim vi mô một cách tinh tế) để tăng đáng kể khả năng tôi luyện và cải thiện độ dẻo dai. Do đó, các nhà thiết kế thường so sánh chúng với các trục lớn, bánh răng nặng và các bộ phận chốt quan trọng, trong đó đặc tính lõi và độ đồng đều của độ cứng qua độ dày tiết diện là yếu tố quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB/T (Trung Quốc): 40Cr, 40CrNiMoA (tên gọi thông dụng của Trung Quốc).
• EN: các giá trị tương đương gần nhất là khoảng họ 5140/41xx cho 40Cr; 40CrNiMoA gần đúng với hợp kim cao hơn là dòng 43xx/41xx (không có giá trị chính xác một-một trong EN; hãy kiểm tra dữ liệu của nhà cung cấp).
• ASTM/ASME: không có tên giống hệt trực tiếp; tương đương với các biến thể AISI/SAE 5140 (cho 40Cr) và AISI/SAE 4340/4140 (cho 40CrNiMoA tùy thuộc vào mức Ni và Mo).
• JIS: có những họ tương tự (ví dụ, dòng SCM) nhưng hãy kiểm tra bảng chuyển đổi.

Phân loại: - 40Cr: thép hợp kim cacbon trung bình (có thể nhiệt luyện). - 40CrNiMoA: thép hợp kim cacbon trung bình với niken và molypden (hàm lượng hợp kim cao hơn để cải thiện khả năng tôi và độ dẻo dai). - Không loại nào là thép không gỉ; cả hai đều được coi là thép hợp kim thích hợp để tôi và ram (không phải HSLA theo nghĩa hiện đại).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	40Cr điển hình (wt%)	40CrNiMoA điển hình (wt%)
C	0,37–0,44	0,36–0,44
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	0,80–1,10
Ni	- (dấu vết)	1,40–2,00
Mo	— (hoặc dấu vết)	0,15–0,30
V	- (dấu vết)	có thể có mặt với số lượng nhỏ
Nb / Ti / B / N	thường không có hoặc có dấu vết	thường không có hoặc có dấu vết

Ghi chú: - Các giá trị hiển thị là các phạm vi đại diện thường được trích dẫn trong các bảng tiêu chuẩn/thông số kỹ thuật. Thành phần hóa học chính xác phải được xác minh từ giấy chứng nhận nhà máy cho bất kỳ lô hàng nào. - Chiến lược hợp kim: 40Cr chủ yếu dựa vào cacbon và crom để phát triển khả năng làm cứng và độ bền martensitic. 40CrNiMoA cố ý bổ sung niken và molypden; niken cải thiện độ bền kéo và độ dẻo dai, trong khi molypden tăng khả năng làm cứng và khả năng chống ram (giảm độ mềm ở nhiệt độ ram cao).

Tác động của hợp kim: - Độ bền: cacbon và crom cung cấp độ bền cơ bản; Ni và Mo cho phép đạt được độ bền cao hơn sau khi tôi và ram mà không có độ cứng quá mức. - Khả năng tôi luyện: Mo và Ni làm tăng đáng kể khả năng tôi luyện, cho phép chuyển đổi đồng đều hơn thành martensite ở các phần dày hơn. - Độ dẻo dai: Ni là chất tăng cường độ dẻo dai mạnh; sự kết hợp Ni+Mo làm tinh chỉnh cấu trúc vi mô austenit trước đó và làm giảm xu hướng giòn. - Ăn mòn: Không phải thép không gỉ; nồng độ Cr không đủ để hình thành lớp màng thụ động.

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

Cấu trúc vi mô điển hình phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt:

• Ủ: cả hai loại đều cho thấy cấu trúc vi mô ferit + perlit; 40CrNiMoA có thể phân bố cacbua mịn hơn do hợp kim nhưng vẫn dẻo và có thể gia công được.
• Chuẩn hóa: cấu trúc perlit/ferrit mịn hơn khi ủ; cải thiện tính chất cơ học và khả năng gia công.
• Tôi và ram (Q&T): cả hai loại thép này thường được tôi cứng thành martensite ram. 40Cr thường đạt độ cứng bề mặt và gần bề mặt tốt ở các mặt cắt trung bình. 40CrNiMoA, với khả năng tôi cứng cao hơn, tạo ra lõi martensite đồng đều hơn ở các mặt cắt ngang lớn hơn và thường yêu cầu mức độ tôi cứng thấp hơn để đạt được độ cứng lõi tương đương.
• Xử lý nhiệt cơ học: đối với sản phẩm rèn và trục cán, quá trình làm nguội và biến dạng có kiểm soát sẽ ảnh hưởng đến kích thước hạt; 40CrNiMoA được hưởng lợi nhiều hơn từ quá trình làm nguội có kiểm soát vì quá trình hợp kim hóa giúp ổn định austenit trước đó và cải thiện độ dẻo dai sau khi ram.

Hậu quả thực tế: đối với các sản phẩm rèn dày hoặc trục lớn cần phải tôi xuyên suốt, 40CrNiMoA cung cấp martensite ram đồng nhất đáng tin cậy hơn trên toàn bộ mặt cắt, giảm lõi mềm hoặc cấu trúc vi mô hỗn hợp có thể làm giảm hiệu suất mỏi.

4. Tính chất cơ học

Tính chất (điển hình, phụ thuộc vào xử lý nhiệt)	40Cr (phạm vi điển hình)	40CrNiMoA (phạm vi điển hình)
Độ bền kéo (MPa) — ủ	500–700	500–700
Độ bền kéo (MPa) — chuẩn hóa	600–850	650–900
Độ bền kéo (MPa) — Q&T (cứng trung bình)	800–1000	900–1200
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa) — Q&T	600–900	700–1000
Độ giãn dài (%) — Q&T	10–18	8–15 (thường thấp hơn ở cùng độ cứng)
Độ bền va đập (Charpy V, J) — Q&T (thay đổi)	vừa phải (ví dụ, 20–60 J)	thường cao hơn ở độ cứng tương đương
Độ cứng (HRC) — Hỏi & Đáp	28–55 (tùy theo tính khí)	30–60 (đồng đều hơn qua từng phần)

Lưu ý: - Các giá trị là phạm vi chỉ định; tính chất cuối cùng phụ thuộc vào thành phần hóa học chính xác, nhiệt độ austenit hóa, môi trường tôi, nhiệt độ ram và kích thước mặt cắt. - 40CrNiMoA thường mang lại độ bền cao hơn và quan trọng hơn là độ dẻo dai cao hơn ở các mặt cắt dày do khả năng tôi luyện tốt hơn. Ở độ cứng tương đương, 40CrNiMoA thường cho thấy độ dẻo dai vượt trội do niken cải thiện độ dẻo ở cấp độ vi cấu trúc. Tuy nhiên, độ giãn dài có thể thấp hơn nếu cả hai loại thép đều đạt được độ bền kéo cực đại giống nhau thông qua các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau.

5. Khả năng hàn

Đánh giá khả năng hàn cần xem xét hàm lượng carbon, lượng carbon tương đương và hợp kim vi mô. Hai công thức dự đoán thường được sử dụng là:

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

và một tham số toàn diện hơn:

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

Diễn giải (định tính): - 40Cr: hàm lượng cacbon vừa phải và hợp kim hóa vừa phải tạo ra hàm lượng cacbon tương đương trung bình; việc nung nóng sơ bộ và làm nguội có kiểm soát thường được khuyến nghị cho các tiết diện dày hơn để tránh nứt nguội do hydro gây ra. Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) có thể được yêu cầu cho các bộ phận quan trọng. - 40CrNiMoA: việc bổ sung Ni và Mo làm tăng giá trị cacbon tương đương và khả năng tôi cứng. Điều này làm tăng nguy cơ hình thành martensite trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và khả năng nứt nguội nếu quá trình hàn không được kiểm soát đúng cách. Các biện pháp giảm thiểu điển hình bao gồm tăng nhiệt độ nung sơ bộ, vật tư tiêu hao hydro thấp, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và hàn PWHT.

Tóm lại: 40Cr nhìn chung dễ hàn hơn 40CrNiMoA, nhưng cả hai đều không dễ hàn bằng thép kết cấu cacbon thấp. Cần phải có quy trình hàn đạt chuẩn cho cả hai, đặc biệt là đối với các bộ phận quan trọng về an toàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 40Cr và 40CrNiMoA đều là thép hợp kim không gỉ; chúng không tạo thành lớp màng thụ động chống ăn mòn chỉ từ hàm lượng crom. PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng để tham khảo:

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

• Các phương pháp bảo vệ điển hình: sơn, sơn tĩnh điện, làm sạch bằng dung môi, bôi dầu để bảo vệ tạm thời và mạ kẽm để bảo vệ chống ăn mòn khí quyển lâu dài. Lưu ý rằng mạ kẽm nóng đòi hỏi phải chú ý đến xử lý nhiệt và khả năng biến dạng; một số chi tiết đã được tôi và ram chỉ được mạ kẽm sau khi gia công cuối cùng và có thể cần được giảm ứng suất sau khi phủ.
• Trong môi trường có môi trường ăn mòn (clorua, nước biển), không loại nào phù hợp nếu không có hệ thống bảo vệ; thay vào đó, hãy chọn hợp kim chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công: 40Cr (hàm lượng hợp kim thấp hơn) thường dễ gia công hơn ở điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa. 40CrNiMoA, với Ni và Mo, có xu hướng cứng hơn và cứng hơn, làm giảm khả năng gia công và tuổi thọ dụng cụ; lực cắt cao hơn và dụng cụ chắc chắn hơn là những đặc điểm điển hình.
• Khả năng định hình/uốn cong: cả hai đều là thép cacbon trung bình; ở trạng thái ủ, chúng có thể được định hình nguội trong giới hạn cho phép. Đối với vật liệu Q&T, nên tránh định hình; rèn được ưu tiên để tạo hình trước khi xử lý nhiệt cuối cùng.
• Mài và hoàn thiện: cả hai đều có thể được mài để có bề mặt hoàn thiện cao; 40CrNiMoA có thể bị mài mòn nhiều hơn trên đá mài.
• Biến dạng do xử lý nhiệt: khả năng tôi cứng cao hơn trong 40CrNiMoA cho phép làm nguội ở mức độ thấp hơn đối với độ cứng mục tiêu nhất định, có thể làm giảm biến dạng do làm nguội ở một số hình dạng.

8. Ứng dụng điển hình

40Cr (công dụng điển hình)	40CrNiMoA (sử dụng điển hình)
Trục, bánh răng nhỏ đến trung bình, bộ phận truyền động, đinh tán, trục cho các phần vừa phải	Trục rèn lớn, bánh răng và bánh răng lớn, trục khuỷu, liên kết bánh đáp, bu lông và đinh tán cường độ cao cho thiết bị hạng nặng
Linh kiện ô tô có chi phí và khả năng gia công quan trọng	Các thành phần công nghiệp hàng không vũ trụ/quốc phòng hoặc hạng nặng, trong đó khả năng chịu va đập và tôi luyện là rất quan trọng
Rèn kỹ thuật chung và các bộ phận máy móc	Các bộ phận quay quan trọng và rèn mặt cắt ngang lớn yêu cầu các đặc tính đồng nhất

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 40Cr cho các phần nhỏ hơn, nơi mà quá trình tôi thông thường tạo ra độ cứng lõi cần thiết và khi chi phí và tính khả dụng rộng rãi là ưu tiên hàng đầu. - Chọn 40CrNiMoA khi các phần dày, khi dịch vụ yêu cầu độ bền chống gãy cao và các đặc tính lõi đồng nhất hoặc khi các yếu tố an toàn thiết kế quyết định biên độ cao hơn chống lại sự phá hủy giòn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 40Cr thường có chi phí thấp hơn 40CrNiMoA do hợp kim đơn giản hơn và sản lượng lớn hơn.
• Tính khả dụng: 40Cr được dự trữ rộng rãi dưới dạng thanh, phôi rèn và phôi thép. 40CrNiMoA có thể ít được dự trữ hơn và thường được sản xuất theo đơn đặt hàng cho các loại phôi rèn hoặc kích thước thanh cụ thể; thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu có thể cao hơn.
• Hình thức sản phẩm: Cả hai đều có sẵn dưới dạng thanh, rèn và linh kiện đã qua xử lý nhiệt; mạng lưới nhà cung cấp sẽ quyết định tình trạng sẵn có tại địa phương. Vui lòng ghi rõ chứng chỉ nhà máy và điều kiện giao hàng để tránh bất ngờ về thời gian giao hàng và giá cả.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	40Cr	40CrNiMoA
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE trung bình)	Thách thức hơn (CE/khả năng tôi luyện cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt cho các đoạn đường vừa phải	Tuyệt vời cho các phần lớn và nhu cầu độ bền cao
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Chọn 40Cr nếu: - Các thành phần của bạn có kích thước vừa phải và có thể được xử lý nhiệt đến độ cứng cần thiết mà không cần lo lắng về việc tôi cứng hoàn toàn. - Chi phí, tính dễ gia công và tính khả dụng rộng rãi là những yếu tố quan trọng. - Hàn sẽ được thực hiện thường xuyên tại xưởng và yêu cầu làm nóng trước/PWHT thấp hơn.

Chọn 40CrNiMoA nếu: - Linh kiện là các phần lớn hoặc các bộ phận quay quan trọng đòi hỏi độ cứng lõi đồng đều, độ bền gãy cao và khả năng chống ram. - Thiết kế đòi hỏi biên độ an toàn cao hơn chống gãy giòn và bạn có thể chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn, kiểm soát hàn chặt chẽ hơn và thời gian hoàn thành lâu hơn. - Điều kiện dịch vụ liên quan đến tải trọng va đập, mặt cắt ngang lớn hoặc hiệu suất chịu mỏi được hưởng lợi từ cấu trúc lõi được cải thiện.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra chứng chỉ kiểm tra nhà máy của nhà cung cấp về thành phần hóa học và hồ sơ xử lý nhiệt. Khi nghi ngờ về mối hàn hoặc độ cứng trên toàn bộ mặt cắt, hãy chạy thử nghiệm quy mô nhỏ hoặc yêu cầu các quy trình tiền thẩm định (PQR/WPS) và cân nhắc việc chỉ định mức năng lượng Charpy, giới hạn độ cứng và kiểm tra không phá hủy cần thiết như một phần của quá trình mua sắm.