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

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải lựa chọn giữa các loại thép crom-molypden có mối quan hệ gần gũi cho các chi tiết rèn, trục, bánh răng và các bộ phận kết cấu. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường xoay quanh việc cân bằng giữa độ bền và hiệu suất chịu mỏi có thể đạt được với độ dẻo, khả năng hàn và tổng chi phí sản xuất. Trong nhiều thông số kỹ thuật, lựa chọn thường được quy về hai loại thép tương tự: 42CrMo và 35CrMo.

Sự khác biệt thực tế giữa hai loại thép này chủ yếu nằm ở hàm lượng carbon và những thay đổi về độ bền và khả năng tôi luyện. Do hàm lượng crom và molypden tương đương nhau, loại thép có hàm lượng carbon cao hơn đạt được độ bền và độ cứng cao hơn sau khi tôi và ram, trong khi loại thép có hàm lượng carbon thấp hơn vẫn giữ được độ dai và khả năng hàn tương đối tốt hơn cho một mục tiêu xử lý nhiệt nhất định. Những sự đánh đổi này khiến cặp thép này thường được so sánh trong các quyết định thiết kế và sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 42CrMo
• Tiêu chuẩn/tương đương phổ biến: EN 42CrMo4 (1.7225), AISI/ASTM thường được gọi là họ 4140 vì thành phần và mục đích sử dụng tương tự. Ký hiệu GB/T tại Trung Quốc: 42CrMo.
• Phân loại: Thép hợp kim trung bình đã tôi và ram (thép hợp kim).
• 35CrMo
• Các chất tương đương/tiêu chuẩn phổ biến: Được tìm thấy trong một số tiêu chuẩn quốc gia là 35CrMo hoặc 35CrMo4 (tên gọi EN có thể khác nhau); được sử dụng trong thông số kỹ thuật GB/T. Ít phổ biến hơn khi được sử dụng làm chất tương tự AISI trực tiếp nhưng có thể so sánh với thép Cr–Mo hàm lượng carbon thấp hơn trong dòng 4100.
• Phân loại: Thép hợp kim trung bình đã tôi và ram (thép hợp kim).

Cả hai loại thép này đều là thép hợp kim (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ). Chúng thường được cung cấp dưới dạng thanh, rèn và tấm để xử lý nhiệt tiếp theo.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây liệt kê các phạm vi thành phần điển hình được sử dụng để so sánh thiết kế và thông số kỹ thuật. Thành phần được chứng nhận thực tế phải được lấy từ chứng nhận thử nghiệm của nhà máy cho mỗi lô hàng mua.

Yếu tố	42CrMo (phạm vi điển hình)	35CrMo (phạm vi điển hình)
C (cacbon)	0,38 – 0,45% khối lượng	0,32 – 0,40% khối lượng
Mn (mangan)	0,50 – 0,90% khối lượng	0,50 – 0,80% khối lượng
Si (silicon)	0,17 – 0,37% khối lượng	0,17 – 0,37% khối lượng
P (phốt pho)	≤ 0,025 wt% (tối đa)	≤ 0,025 wt% (tối đa)
S (lưu huỳnh)	≤ 0,025 wt% (tối đa)	≤ 0,025 wt% (tối đa)
Cr (crom)	0,90 – 1,20% khối lượng	0,80 – 1,10% khối lượng
Mo (molypden)	0,15 – 0,30% khối lượng	0,15 – 0,30% khối lượng
Ni (niken)	≤ 0,30 wt% (vết)	≤ 0,30 wt% (vết)
V, Nb, Ti, B, N	thường không được chỉ định / chỉ theo dõi	thường không được chỉ định / chỉ theo dõi

Chiến lược hợp kim hoạt động như thế nào - Cacbon là biến số chính kiểm soát thành phần martensite sau khi tôi và phản ứng ram; hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền và độ cứng nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Crom và molypden góp phần tăng khả năng tôi cứng (làm sâu thêm phần có thể tôi cứng), khả năng chịu nhiệt và độ bền ở nhiệt độ cao. Vì cả hai loại đều có Cr và Mo tương đương nhau, nên khả năng tôi cứng của chúng tương đương nhau khi hàm lượng cacbon bằng nhau, nhưng hàm lượng cacbon cao hơn trong 42CrMo làm tăng độ bền cuối cùng. - Mangan và silic hỗ trợ khả năng tôi cứng và khử oxy; hàm lượng P và S thấp được kiểm soát để duy trì độ dẻo dai và hiệu suất chịu mỏi.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình theo các tuyến xử lý thông thường:

• Đã cuộn/chuẩn hóa
• Cả hai loại khi được chuẩn hóa đều cho thấy ma trận ferit-pearlit với các cacbua mịn. 42CrMo, với hàm lượng cacbon cao hơn, sẽ có thành phần perlit cao hơn một chút và độ phân tán cacbua mịn hơn sau khi xử lý nhiệt chu kỳ thích hợp.
• Làm nguội và tôi luyện (Q&T)
• Làm nguội: Cả hai loại đều sẽ tạo thành martensitic ở các phần đủ dày nhờ khả năng làm cứng Cr–Mo. 42CrMo sẽ tạo ra cấu trúc martensitic cứng hơn, có độ bền cao hơn do hàm lượng carbon cao hơn.
• Tôi luyện: Tôi luyện giúp giảm độ giòn và điều chỉnh độ dẻo dai. Vì 42CrMo ban đầu có độ cứng cao hơn, nên lịch trình tôi luyện phải được điều chỉnh để đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai tương tự như 35CrMo.
• Chuẩn hóa + ram / Xử lý nhiệt cơ
• Các phương pháp xử lý nhiệt cơ học tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước giúp cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống mỏi ở cả hai cấp độ. Tính chất tương đối tương tự nhau; hàm lượng carbon cao hơn trong 42CrMo đặt trọng tâm nhiều hơn vào quá trình làm nguội và ram có kiểm soát để tránh hiện tượng giòn ram hoặc ứng suất dư quá mức.

Những điểm chính cần ghi nhớ - 42CrMo đạt được độ bền và độ cứng tối đa cao hơn sau các chu kỳ Q&T tương đương. - 35CrMo có cửa sổ tôi luyện dễ chịu hơn một chút để tăng độ dẻo dai và hiệu suất tốt hơn ở các mặt cắt ngang dày hơn, nơi mà quá trình tôi xuyên suốt khó khăn hơn.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học chính xác phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng sản phẩm và quá trình xử lý nhiệt. Bảng dưới đây cung cấp các so sánh định tính và xu hướng tính chất điển hình thay vì giá trị chứng nhận tuyệt đối. Sử dụng chứng chỉ nhà máy và các điều kiện HT được quy định trong hợp đồng để mua sắm.

Tài sản	42CrMo	35CrMo
Độ bền kéo (điển hình)	Tiềm năng chịu kéo tối đa cao hơn sau Q&T (mạnh hơn trong cùng điều kiện HT)	Tiềm năng chịu kéo cực đại thấp hơn một chút đối với một HT nhất định
Cường độ chịu kéo	Năng suất cao hơn ở mục tiêu độ cứng/mài giũa bằng nhau	Năng suất thấp hơn, biên độ dẻo cao hơn
Độ giãn dài / Độ dẻo	Độ giãn dài thấp hơn ở mức cường độ cao (đánh đổi với cường độ)	Độ giãn dài và độ dẻo tốt hơn ở nhiệt độ tôi luyện tương đương
Độ bền va đập	Có thể tuyệt vời nếu được tôi luyện đúng cách; nhạy cảm hơn với xử lý nhiệt và kích thước mặt cắt	Nói chung là ít nhạy hơn; có thể cung cấp tỷ lệ độ dẻo dai trên độ bền tốt hơn ở độ cứng thấp hơn
Độ cứng	Độ cứng có thể đạt được cao hơn sau khi tôi (cần tôi luyện nhiều hơn để tăng độ dẻo dai)	Độ cứng đỉnh có thể đạt được thấp hơn cho cùng một lịch trình HT

Giải thích - Do carbon làm tăng khởi đầu martensite và hàm lượng carbon trong martensite, nên hàm lượng C cao hơn trong 42CrMo tạo ra độ bền và độ cứng cao hơn cho một lần tôi nhất định. Độ bền tăng lên này phải trả giá bằng độ dai và độ dẻo thấp hơn, trừ khi quá trình ram được sử dụng để đánh đổi độ cứng lấy độ dai. - Đối với các thành phần quan trọng chịu mỏi, các nhà thiết kế thường chỉ định quá trình tôi luyện có kiểm soát để đạt được sự cân bằng cần thiết và chọn cấp độ giảm thiểu độ nhạy với kích thước mặt cắt và lượng nhiệt đầu vào.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và độ tôi; đánh giá thực tế thường sử dụng công thức cacbon tương đương. Hai chỉ số thường được trích dẫn:

• Tương đương carbon IIW: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$

• Chỉ số 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 cho 42CrMo so với 35CrMo - 42CrMo (hàm lượng carbon cao hơn) sẽ có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn 35CrMo trong điều kiện khác không đổi, nghĩa là nguy cơ nứt nguội cao hơn và nhu cầu về gia nhiệt trước, kiểm soát giữa các đường hàn, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp hoặc xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) cao hơn. - Hàm lượng carbon thấp hơn của 35CrMo giúp sản phẩm dễ hàn hơn trong thực tế tại xưởng và giảm mức độ gia nhiệt trước/PWHT cần thiết cho cùng độ dày. - Cả hai loại thép đều có thể hàn được bằng quy trình tiêu chuẩn cho thép Cr-Mo khi được gia nhiệt sơ bộ và áp dụng phương pháp PWHT thích hợp. Đối với các tiết diện quan trọng hoặc dày, hãy thực hiện thẩm định quy trình (PQR) và áp dụng phương pháp PWHT để loại bỏ hydro và tôi vùng HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 42CrMo và 35CrMo đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn chỉ giới hạn ở thép cacbon hợp kim thấp. Tiêu chí lựa chọn thường dựa trên lớp phủ và hoàn thiện hơn là hợp kim.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến: sơn, bảo vệ catốt, mạ kẽm nhúng nóng (khi hình học cho phép) hoặc mạ điện nếu cần thiết.
• PREN không áp dụng cho các loại thép hợp kim thấp không gỉ này. Để rõ hơn, công thức PREN để đánh giá thép không gỉ là: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ Nhưng chỉ số này không liên quan đến thép kết cấu crom-molypden thông thường vì hàm lượng crom của chúng quá thấp để tạo nên tính chất không gỉ.

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

• Khả năng gia công
• 35CrMo thường dễ gia công hơn 42CrMo ở cùng độ cứng do hàm lượng cacbon thấp hơn và khả năng làm cứng khi gia công thấp hơn. Tuổi thọ dụng cụ và lực cắt sẽ thuận lợi hơn cho 35CrMo.
• Khi các bộ phận được cung cấp trong điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ mềm hơn, khả năng gia công sẽ được cải thiện ở cả hai trường hợp; điều kiện tôi cứng sẽ yêu cầu dụng cụ cacbua.
• Khả năng định hình và uốn cong
• Hàm lượng carbon thấp hơn trong 35CrMo mang lại khả năng định hình nguội tốt hơn. Việc giảm độ đàn hồi khi uốn hoặc tạo hình thường ít hơn.
• 42CrMo đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ hơn bán kính uốn cong và có thể cần xử lý nhiệt trung gian để tránh biến dạng dẻo đáng kể.
• Hoàn thiện bề mặt và mài
• Cả hai loại thép đều có thể được mài và hoàn thiện để có bề mặt chất lượng cao; độ cứng cao hơn ở 42CrMo làm tăng khả năng mài mòn trên đá mài và dụng cụ.

8. Ứng dụng điển hình

42CrMo (Cr–Mo có hàm lượng cacbon cao hơn)	35CrMo (Cr–Mo ít carbon)
Trục, trục có độ bền cao, trục khuỷu, bánh răng chịu tải nặng, vỏ ổ trục cần độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn sau khi kiểm tra và xử lý	Trục, kết cấu rèn, bu lông & ốc vít cường độ cao, các thành phần yêu cầu độ dẻo cao hơn hoặc hàn dễ hơn
Các bộ phận và linh kiện quay có ứng suất cao với các phần quan trọng chịu mỏi có thể được xử lý nhiệt đáng tin cậy	Các bộ phận cần chế tạo dễ dàng hơn hoặc thao tác ghép nối thường xuyên hơn; các thành phần cấu trúc có độ bền trung bình
Các thành phần máy công cụ có độ cứng và khả năng chống mài mòn có lợi	Các thành phần ưu tiên độ bền, độ dẻo và hiệu quả về chi phí

Cơ sở lựa chọn - Chọn 42CrMo khi cần độ bền sau HT cao hơn và khả năng chống mài mòn, giảm thiểu mối hàn hoặc tạo hình phức tạp hoặc có thể kiểm soát bằng quy trình hàn mạnh mẽ. - Chọn 35CrMo khi việc tạo hình, hàn hoặc cải thiện tỷ lệ độ dẻo dai trên độ bền quan trọng hơn và khi có thể chấp nhận được độ bền đỉnh thấp hơn một chút.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai loại đều có giá thành cạnh tranh; 42CrMo có thể đắt hơn một chút do hàm lượng carbon cao hơn một chút và nhu cầu ứng dụng cường độ cao hơn. Chênh lệch giá thường nhỏ so với chi phí xử lý nhiệt và hậu xử lý.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng thanh, rèn và ống liền mạch tại các thị trường cung cấp thép Cr-Mo. 42CrMo (hoặc tương đương AISI 4140) có xu hướng được dự trữ phổ biến hơn trên toàn cầu do được sử dụng rộng rãi; 35CrMo có thể được phân phối theo khu vực tùy thuộc vào tiêu chuẩn hóa. Luôn xác nhận thời gian giao hàng của nhà máy, chứng nhận và khả năng truy xuất nguồn gốc lô hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Tiêu chí	42CrMo	35CrMo
Khả năng hàn	Trung bình — cần gia nhiệt trước/PWHT nghiêm ngặt hơn ở độ dày	Tốt hơn — yêu cầu làm nóng trước/PWHT thấp hơn
Cân bằng sức mạnh – độ dẻo dai	Độ bền tối đa cao hơn; cần phải tôi luyện cẩn thận để duy trì độ dẻo dai	Biên độ dẻo dai tốt hơn cho quá trình xử lý tương tự; cường độ đỉnh thấp hơn một chút
Chi phí (chỉ vật liệu)	Có thể so sánh được; cao hơn một chút ở một số thị trường	Có thể so sánh được; thường thấp hơn một chút
Khả năng gia công / Khả năng định hình	Ít thuận lợi hơn ở độ cứng bằng nhau	Thuận lợi hơn ở độ cứng bằng nhau

Khuyến nghị - Chọn 42CrMo nếu các yếu tố thiết kế chính là độ bền sau xử lý nhiệt cao hơn, khả năng chống mài mòn hoặc khi tiết diện nhỏ hơn yêu cầu độ bền tối đa cho phép đối với các bộ phận quay quan trọng chịu mỏi và khi bạn có thể kiểm soát các quy trình hàn và xử lý nhiệt. - Chọn 35CrMo nếu thiết kế ưu tiên độ dẻo được cải thiện, hàn và chế tạo dễ dàng hơn, giảm nguy cơ nứt do hydro hoặc sản xuất tiết kiệm chi phí khi có thể chấp nhận cường độ đỉnh thấp hơn một chút.

Ghi chú cuối cùng Luôn ghi rõ điều kiện xử lý nhiệt, giới hạn độ cứng và thử nghiệm nghiệm thu chính xác trong hồ sơ mua sắm. Đối với các cụm hàn hoặc tiết diện dày, cần có chứng nhận quy trình hàn (PQR) và cân nhắc sử dụng phương pháp hàn PWHT. Đối với các chi tiết quan trọng chịu mỏi hoặc tải trọng chu kỳ cao, hãy kết hợp lựa chọn vật liệu luyện kim với xử lý nhiệt đã được xác nhận và kiểm tra không phá hủy để đạt được hiệu suất hiện trường đáng tin cậy.