40Cr so với 45Cr – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

40Cr và 45Cr là hai loại thép hợp kim/cacbon thường được tôi và ram, được sử dụng cho trục, bánh răng, trục xe và các bộ phận cơ khí khác. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc giữa hàm lượng hợp kim cao hơn (cho khả năng tôi và khả năng chịu ram) và hàm lượng cacbon cao hơn (cho độ cứng và độ bền sau khi tôi). Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc một bộ phận phải được tôi xuyên hay tôi bề mặt, khả năng hàn hay độ dẻo dai là ưu tiên hàng đầu, và chi phí vật liệu và gia công cho phép.

Sự khác biệt thực tế chính giữa các loại thép này là thép 40Cr được pha chế với crom có ​​chủ đích để cải thiện khả năng tôi và ram, trong khi thép 45Cr nhấn mạnh hàm lượng carbon cao hơn (và đôi khi hàm lượng Cr hơi khác nhau) để đạt được độ bền cao hơn sau khi xử lý nhiệt. Do đó, chúng thường được so sánh trong đó độ bền, độ dẻo dai và khả năng tôi đều là các yếu tố quyết định thiết kế.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn quốc gia/ngành chung và các tiêu chuẩn tương đương (mang tính thông tin, kiểm tra hợp đồng/thông số kỹ thuật để biết giới hạn chính xác):
• GB/T (Trung Quốc): 40Cr (thép kết cấu hợp kim), 45Cr (thép crom có ​​hàm lượng cacbon cao hơn trong một số danh mục) — nhiều nhà cung cấp tham chiếu đến cấp GB.
• AISI/SAE: 40Cr ≈ họ AISI 5140; 45Cr ≈ họ AISI 5145 (các giá trị tương đương khác nhau tùy theo nhà cung cấp).
• EN (Châu Âu): không có số tương đương trực tiếp chính xác—gần nhất là thép hợp kim trung bình như các biến thể 41Cr4/42CrMo; kiểm tra thông số kỹ thuật EN để biết giới hạn hóa học.
• JIS: Có những loại thép tương tự trong tiêu chuẩn Nhật Bản; hãy xác minh tên gọi chính xác.
• Phân loại: cả hai loại đều là thép cacbon hợp kim (không phải thép không gỉ). Chúng được sử dụng làm thép kết cấu/hợp kim thích hợp cho xử lý nhiệt; chúng không chỉ là cacbon thông thường hay HSLA theo nghĩa chặt chẽ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

• Bảng: phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (được biểu thị theo phần trăm trọng lượng; giới hạn thông số kỹ thuật thực tế thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà máy). Luôn kiểm tra giấy chứng nhận của nhà máy để đảm bảo tuân thủ hợp đồng.

Yếu tố	Điển hình 40Cr (danh nghĩa)	Điển hình 45Cr (danh nghĩa)
C	0,37–0,44	0,42–0,50
Mn	0,50–0,80	0,50–0,80
Si	0,17–0,37	0,17–0,37
P	≤0,035	≤0,035
S	≤0,035	≤0,035
Cr	0,80–1,10	0,20–0,80 (thay đổi tùy theo nhà cung cấp)
Ni	≤0,30	≤0,30
Mo	≤0,08	≤0,08
V, Nb, Ti, B, N	thường theo dõi hoặc kiểm soát như tạp chất	thường theo dõi hoặc kiểm soát như tạp chất

Ghi chú: - Bảng cung cấp các phạm vi đại diện: 40Cr thông thường chứa khoảng 0,8–1,1% Cr để tăng khả năng tôi và khả năng chịu nhiệt. Công thức "45Cr" có thể khác nhau—một số nhà cung cấp định vị 45Cr gần với thép crom cacbon cao hơn (C ≈ 0,45%) nhưng có hàm lượng crom thấp hơn 40Cr; một số nhà cung cấp khác coi 45Cr là phiên bản thép 45# (0,45%C) chứa crom. Luôn xác nhận chứng chỉ hóa học chính xác cho lô hàng bạn mua. - Cách hợp kim ảnh hưởng đến tính chất: Tăng C làm tăng độ cứng và độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. Crom làm tăng khả năng tôi, cải thiện độ sâu tôi ở các phần dày hơn, đồng thời tăng khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Cán nóng hoặc chuẩn hóa: cấu trúc vi mô ferit + perlit; 40Cr có thể cho thấy perlit mịn hơn và phân tán cacbua được giữ lại nhiều hơn do Cr.
• Sau khi tôi: martensite (cộng với austenite giữ lại ở nhiệt độ C rất cao); 45Cr (nhiệt độ C cao hơn) sẽ tạo thành martensite cứng hơn, giòn hơn nếu tôi ở cùng mức độ cứng.

• Sau khi ram: martensite ram; Thép chứa Cr (40Cr) thường phát triển khả năng chống ram—duy trì độ bền ở nhiệt độ ram cao hơn và tạo ra sự cân bằng độ dẻo dai-độ bền thuận lợi.

• Các phương pháp xử lý nhiệt:

• Chuẩn hóa: tinh chỉnh hạt và loại bỏ các dải; thường được sử dụng như một bước trung gian cho cả hai cấp độ.
• Làm nguội và ram (Q&T): là phương pháp làm cứng chính. 40Cr đạt được độ cứng sâu hơn ở cùng mức độ làm nguội nhờ Cr; 45Cr đạt độ cứng lõi cao hơn ở các phần mỏng hơn chủ yếu nhờ hàm lượng cacbon cao hơn.
• Xử lý nhiệt cơ học: cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tinh chỉnh thêm cấu trúc vi mô và cải thiện độ bền/độ dẻo dai; lợi ích áp dụng cho cả hai nhưng hàm lượng hợp kim quyết định khả năng tôi luyện có thể đạt được.

4. Tính chất cơ học

• Sau đây là hướng dẫn về đặc tính điển hình (giá trị thực tế phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt, kích thước mặt cắt và tiêu chuẩn thử nghiệm). Sử dụng báo cáo thử nghiệm tại nhà máy để đưa ra quyết định mua sắm.

Bất động sản (tình trạng điển hình)	40Cr (chuẩn hóa / Q&T)	45Cr (chuẩn hóa / Q&T)
Độ bền kéo (MPa)	Trung bình đến cao; phạm vi rộng tùy thuộc vào Q&T	Có thể đạt được mức tối đa cao hơn một chút ở cùng mức độ dập tắt (do C)
Giới hạn chảy (MPa)	Trung bình; ổn định nhiệt tốt	Năng suất nói chung cao hơn ở độ cứng tương đương vì C cao hơn
Độ giãn dài (%)	Độ dẻo tốt khi được chuẩn hóa/ram thích hợp	Độ giãn dài thấp hơn một chút ở cường độ bằng nhau do C cao hơn
Độ bền va đập (J, Charpy)	Độ dẻo dai thường tốt hơn ở độ cứng tương đương vì Cr cải thiện đặc tính tôi luyện	Độ dẻo dai thấp hơn 40Cr ở cùng mức độ cứng trừ khi được tôi luyện thích hợp
Độ cứng (HRC hoặc HB)	Khả năng làm cứng tốt; có thể đạt được độ cứng cao với Q&T	Độ cứng sau khi tôi cao hơn (C cao hơn) nhưng có thể giòn hơn

Giải thích: - Độ bền: Hàm lượng carbon cao hơn của 45Cr giúp tăng độ bền/độ cứng cho cùng một quá trình xử lý nhiệt; tuy nhiên, sự hiện diện của crom trong 40Cr giúp tăng khả năng làm cứng cho các phần lớn hơn và cải thiện độ dẻo dai sau khi ram. - Độ dẻo dai: hợp kim (Cr) giúp duy trì độ dẻo dai ở cường độ cao hơn vì nó làm giảm tốc độ giòn trong quá trình ram. - Độ dẻo: hàm lượng carbon cao hơn thường làm giảm độ dẻo, do đó đối với các ứng dụng yêu cầu độ giãn dài hoặc khả năng chống mỏi, 40Cr có thể được ưu tiên ở mức độ bền nhất định.

5. Khả năng hàn

• Các yếu tố chính: hàm lượng cacbon và các nguyên tố cacbon tương đương quyết định việc lựa chọn vật tư tiêu hao và quá trình gia nhiệt trước/sau gia nhiệt. Độ cứng và nguy cơ nứt nguội tăng lên khi hợp kim có hàm lượng cacbon cao hơn và độ cứng cao.
• Công thức tương đương cacbon phổ biến được sử dụng để đánh giá khả năng hàn:
• Tương đương carbon 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:
• 45Cr (C cao hơn) thường có CE và Pcm cao hơn, ngụ ý yêu cầu về nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp cao hơn và dễ bị nứt nguội do hydro hơn.
• Lượng crom bổ sung của 40Cr làm tăng CE phần nào (vì Cr xuất hiện trong tử số của công thức CE), nhưng hiệu ứng tôi cứng của nó đồng nghĩa với việc các tiết diện dày cần được kiểm soát quy trình hàn cẩn thận. Trên thực tế, cả hai loại thép đều yêu cầu nung nóng sơ bộ thích hợp, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, vật tư tiêu hao hydro thấp và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) tùy thuộc vào độ dày và điều kiện sử dụng cuối cùng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Những loại thép này không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế. Các lựa chọn bảo vệ:
• Sơn, phủ bột, tẩm dầu hoặc mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ chống ăn mòn nói chung.
• Đối với các bộ phận dự kiến ​​hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, hãy cân nhắc các phương pháp xử lý bề mặt như thấm nitơ, thấm cacbon (cho bề mặt chịu mài mòn) hoặc mạ.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép hợp kim kết cấu không gỉ, nhưng công thức ví dụ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Điểm thực tế: hàm lượng Cr nhỏ trong 40Cr/45Cr không làm cho chúng có khả năng chống ăn mòn; crom ở đây có mục đích luyện kim chứ không phải chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công:
• Hàm lượng cacbon cao hơn (45Cr) thường làm giảm khả năng gia công do độ cứng cao hơn sau khi xử lý nhiệt; ở điều kiện ủ, khả năng gia công có thể chấp nhận được nhưng kém hơn so với thép cacbon thấp.
• 40Cr có C thấp hơn một chút và Cr cao hơn có tính chất tương tự; các loại gia công thường yêu cầu điều kiện mềm hơn (ủ) và dụng cụ thích hợp.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• Trong điều kiện ủ/chuẩn hóa, cả hai loại thép đều có thể được định hình; hàm lượng cacbon cao hơn làm giảm độ dẻo—các hoạt động định hình thép trong điều kiện mềm hơn.
• Hoàn thiện:
• Hoàn thiện bề mặt và mài: cả hai loại đều có thể được mài và đánh bóng; crom có ​​thể ảnh hưởng đến độ mài mòn của dụng cụ.
• Biến dạng do xử lý nhiệt: cả hai đều bị biến dạng trong quá trình làm nguội; khả năng làm cứng cao hơn của 40Cr có thể làm giảm biến dạng ở các phần dày hơn nếu được làm nguội đúng cách.

8. Ứng dụng điển hình

40Cr (sử dụng phổ biến)	45Cr (sử dụng phổ biến)
Trục, bánh răng, trục cam, trục chịu tải nặng cần tôi xuyên suốt ở các phần dày hơn	Trục, chốt, bu lông, trục khuỷu, bánh răng yêu cầu độ bền hoặc độ cứng cục bộ cao hơn và các mặt cắt vừa phải
Các bộ phận có khóa và các chốt chịu tải nặng cần khả năng chịu nhiệt tốt	Các thành phần được thiết kế để có độ cứng bề mặt hoặc lõi cao hơn sau khi tôi
Các bộ phận máy công cụ đòi hỏi khả năng chống mài mòn tốt và cân bằng độ dẻo dai	Rèn và các bộ phận mà thép cacbon cao hơn có hiệu quả về mặt chi phí chỉ cần xử lý nhiệt thích hợp

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 40Cr khi bạn cần khả năng làm cứng tốt hơn cho các phần dày hơn, cải thiện độ ổn định khi ram và cân bằng độ bền - độ dẻo dai tốt hơn. - Chọn 45Cr khi hàm lượng carbon cao hơn (độ cứng và độ bền có thể đạt được cao hơn) ở kích thước tiết diện vừa phải là ưu tiên và có thể quản lý được sự đánh đổi chấp nhận được về độ dẻo/khả năng hàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: chi phí vật liệu thay đổi tùy theo nhà máy và thị trường, nhưng:
• Thép 40Cr thường đắt hơn một chút so với thép cacbon thông thường tương đương do quá trình hợp kim hóa (Cr) và quá trình xử lý liên quan.
• Hàm lượng carbon cao hơn của 45Cr có thể có giá thành tương tự hoặc thấp hơn một chút so với 40Cr tùy thuộc vào hàm lượng crom; các nhà máy thép lớn có thể dễ dàng tìm thấy cả hai loại thép này ở các kích thước thanh/rèn thông dụng.
• Hình dạng sản phẩm: cả hai đều có sẵn rộng rãi dưới dạng thanh tròn, thanh rèn và thanh cán nguội. Thời gian giao hàng và biến động giá phụ thuộc vào nguồn cung crom và điều kiện thị trường thép toàn cầu.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	40Cr	45Cr
Khả năng hàn (định tính)	Tốt hơn ở mức CE vừa phải khi C được kiểm soát; vẫn cần các biện pháp phòng ngừa khi hàn	Thấp hơn (cao hơn C) — có khả năng làm nóng trước/PWHT cao hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt; khả năng chịu nhiệt tốt hơn cho độ dày	Độ cứng/độ bền sau khi tôi cao hơn nhưng độ dẻo dai thấp hơn ở độ cứng tương đương
Chi phí (tương đối)	Trung bình (chi phí hợp kim cao hơn)	Có thể so sánh với mức thấp hơn một chút tùy thuộc vào hàm lượng Cr

Sự giới thiệu: - Chọn 40Cr nếu bạn cần độ cứng tốt ở các phần lớn hơn, khả năng chống ram tốt hơn và cân bằng độ dẻo dai-độ bền tốt hơn cho các bộ phận chịu tải nặng. - Chọn 45Cr nếu thiết kế của bạn yêu cầu độ bền/độ cứng tối đa ở các phần vừa phải và bạn có thể chấp nhận sự đánh đổi về khả năng hàn và độ dẻo (hoặc giảm thiểu chúng bằng cách xử lý nhiệt và chế biến thích hợp).

Lưu ý cuối cùng: giới hạn hóa học và cơ học chính xác khác nhau tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp. Khi mua sắm và thiết kế, hãy luôn nêu rõ tiêu chuẩn (yêu cầu có chứng chỉ nhà máy), lộ trình xử lý nhiệt cần thiết và các tiêu chí chấp nhận về cơ học/tính chất liên quan.