42CrMo so với 40CrNiMoA – 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 phải đối mặt với sự lựa chọn giữa 42CrMo và 40CrNiMoA khi chỉ định các thành phần đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng tôi cứng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm trục quay, các bộ phận hộp số chịu tải nặng và các chốt chịu tải trọng lớn, trong đó việc cân nhắc giữa chi phí, khả năng hàn và khả năng chống va đập sẽ quyết định lựa chọn hợp kim phù hợp.

Sự khác biệt thực tế chính là 40CrNiMoA chứa niken như một nguyên tố hợp kim được cố ý thêm vào để tăng cường độ bền và khả năng chống khía ở mức độ bền tương đương, trong khi 42CrMo đạt được các đặc tính của nó chủ yếu thông qua khả năng tôi crom-molypden. Hai loại này thường được so sánh vì chúng có các ứng dụng chồng chéo nhưng khác nhau về độ bền, phản ứng xử lý nhiệt và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 42CrMo: Thường được gọi là 42CrMo4 trong các tiêu chuẩn EN (dòng EN 10083) và thường được so sánh với AISI/SAE 4140 trong thực hành ở Bắc Mỹ. Cũng xuất hiện trong các tiêu chuẩn Trung Quốc trong danh sách hóa học tương đương trong thông số kỹ thuật GB/T.
• 40CrNiMoA: Được tìm thấy trong các ký hiệu thép hợp kim GB của Trung Quốc dành cho thép kết cấu tôi và ram; đôi khi được so sánh với các loại thép hợp kim chứa Ni khác trong danh sách EN/ASTM mặc dù về cơ bản đây là ký hiệu GB.
• Các tiêu chuẩn khác có thể có tương đương: ASTM/ASME (thông số kỹ thuật chung về thép hợp kim), JIS (tương đương với thép hợp kim Nhật Bản).
• Phân loại: Cả hai đều là thép hợp kim (carbon trung bình, hợp kim từ thấp đến trung bình). Chúng không phải là thép không gỉ hoặc thép hợp kim vi mô HSLA theo nghĩa chặt chẽ — chúng là thép kết cấu hợp kim có thể xử lý nhiệt, dùng cho ứng dụng tôi và ram.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Thành phần điển hình (% khối lượng) — phạm vi đại diện được sử dụng trong các tài liệu công nghiệp. Đây là phạm vi mục tiêu điển hình; hãy kiểm tra giấy chứng nhận nhà máy cụ thể để mua hàng.

Yếu tố	42CrMo (điển hình, wt.%)	40CrNiMoA (điển hình, wt.%)
C	0,38–0,45	0,36–0,44
Mn	0,60–0,90	0,50–0,80
Si	0,17–0,37	0,17–0,37
P	≤0,025	≤0,025
S	≤0,035	≤0,035
Cr	0,90–1,20	0,80–1,10
Ni	dấu vết–0,30	0,30–0,70
Mo	0,15–0,30	0,15–0,30
V	dấu vết	dấu vết
Nb, Ti, B, N	theo dõi / kiểm soát	theo dõi / kiểm soát

Giải thích về chiến lược hợp kim: - Cacbon cung cấp độ bền cơ bản và khả năng làm cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo khi tăng lên. - Crom và molypden làm tăng khả năng làm cứng và khả năng chống ram; chúng cho phép độ bền tôi cao hơn và phản ứng ram ở nhiệt độ cao tốt hơn. - Niken (có trong 40CrNiMoA) là chất tăng cường độ dẻo dai mạnh mẽ; nó cải thiện độ dẻo dai khi va đập ở nhiệt độ thấp và khả năng phục hồi trước các tác động khía mà không làm giảm đáng kể khả năng tôi luyện. - Mangan và silic là chất khử oxy và cũng góp phần tăng độ bền và khả năng làm cứng với lượng vừa phải. - Các nguyên tố hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti, B) khi có mặt sẽ làm mịn kích thước hạt và có thể cải thiện độ dẻo dai/khả năng tôi luyện; các nguyên tố này thường được giữ ở mức thấp hoặc không có tùy thuộc vào dạng sản phẩm.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện chuẩn hóa, cả hai hợp kim đều hình thành vi cấu trúc ferit-pearlit. Sau khi tôi, cấu trúc mục tiêu là martensite (có thể là martensite + austenit giữ lại tùy thuộc vào độ nguội và hàm lượng hợp kim), và sau khi ram, vi cấu trúc martensite ram được hình thành. - 42CrMo phản ứng hiệu quả với chu trình làm nguội và ram: hàm lượng Cr và Mo cao hơn mang lại khả năng làm cứng tốt, tạo ra cấu trúc martensitic tương đối đồng đều qua độ dày mặt cắt vừa phải. - 40CrNiMoA, với hàm lượng niken, có xu hướng tạo ra martensite tôi cứng hơn một chút; niken thúc đẩy cấu trúc gói/khối mịn hơn và giảm độ giòn khi tôi luyện đúng cách.

Tác dụng của các tuyến đường chung: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô để gia công hoặc rèn tiếp theo; cả hai loại thép đều có lợi ích như nhau. - Làm nguội và ram: Cả hai đều được thiết kế cho Q&T. 42CrMo đạt được độ bền cao thông qua quá trình tôi và kiểm soát ram; 40CrNiMoA ở điều kiện ram tương đương thường cho thấy độ bền va đập được cải thiện đối với độ bền kéo nhất định do tác động của niken lên độ dẻo và khả năng chống gãy. - Xử lý nhiệt cơ: Nếu áp dụng (rèn + cán có kiểm soát), cả hai đều có thể đạt được độ dẻo dai được cải thiện nhờ tinh luyện hạt; thép chứa niken thường có lợi thế về độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp sau quá trình xử lý này.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Tính chất cơ học điển hình trong điều kiện tôi và ram (phạm vi công nghiệp). Tính chất thực tế phụ thuộc vào nhiệt độ xử lý nhiệt riêng, thời gian và kích thước tiết diện.

Tài sản	42CrMo (Q&T điển hình)	40CrNiMoA (Q&T điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	850–1100	800–1100
Giới hạn chảy (MPa)	600–850	550–800
Độ giãn dài (%)	10–15	12–18
Tác động Charpy (J, ở nhiệt độ thiết kế)	Trung bình — phụ thuộc vào xử lý nhiệt	Độ dẻo dai cao hơn ở độ bền tương đương
Độ cứng (HRC hoặc HB)	HRC 25–45 (hoặc HB 250–450)	Phạm vi tương tự; chịu va đập tốt hơn ở cùng độ cứng

Giải thích: - Độ bền: Cả hai hợp kim đều có thể đạt được độ bền kéo tương đương sau khi xử lý nhiệt và tôi. Khả năng làm cứng Cr–Mo mạnh hơn của 42CrMo thường cho phép đạt được độ cứng mục tiêu với lịch trình làm nguội đơn giản hơn. - Độ bền: 40CrNiMoA thường có độ bền va đập được cải thiện và hiệu suất tốt hơn trong điều kiện khía ở mức độ bền tương đương nhờ niken. - Độ dẻo: 40CrNiMoA có xu hướng có tỷ lệ kéo dài cao hơn một chút khi được xử lý hóa học và nhiệt để tăng độ dẻo dai.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim làm tăng khả năng tôi luyện.

Các công thức hữu ích: - Đương lượng cacbon (phương pháp IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Tham số hiện tượng học thường dùng trong thực hành Trung Quốc: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai loại thép đều là thép hợp kim cacbon trung bình với giá trị CE vừa phải; chúng có thể hàn được bằng cách nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) thích hợp trong các ứng dụng quan trọng. - 42CrMo, với hàm lượng niken thấp hơn một chút, thường có xu hướng tạo thành cấu trúc HAZ martensitic cứng cao hơn một chút nếu được nung nóng sơ bộ kém, nhưng khả năng kiểm soát độ cứng tốt của nó cho phép dự đoán được PWHT. - 40CrNiMoA, mặc dù cứng hơn ở kim loại cơ bản, nhưng chứa Ni, làm tăng nhẹ hệ số CE, nhưng cũng có thể cải thiện độ dẻo dai của vùng HAZ nếu tốc độ làm nguội được kiểm soát. Trên thực tế, nên sử dụng quy trình hàn (WPQ) và PWHT được khuyến nghị cho các mối hàn có độ toàn vẹn cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 42CrMo và 40CrNiMoA đều không phải thép không gỉ; chúng cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ thông thường: mạ kẽm nhúng nóng (cho các thành phần nhỏ hơn), mạ điện, lớp phủ chuyển đổi, hệ thống sơn/epoxy và tra dầu để bảo vệ ngắn hạn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại bê tông không gỉ này, nhưng công thức PREN tiêu chuẩn là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Việc sử dụng PREN chỉ áp dụng cho hợp kim không gỉ; đối với 42CrMo và 40CrNiMoA, khả năng chống ăn mòn thấp và phụ thuộc vào lớp phủ hoặc bảo vệ catốt.

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

• Khả năng gia công: Trong điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ, cả hai máy đều hoạt động khá tốt; độ cứng cao hơn sau khi tôi và tôi làm giảm khả năng gia công. Niken trong 40CrNiMoA không cản trở đáng kể việc gia công trong điều kiện mềm nhưng có thể làm tăng độ mòn dụng cụ ở trạng thái tôi.
• Khả năng tạo hình: Cả hai đều có khả năng tạo hình nguội hạn chế ở trạng thái tôi cứng. Gia công nóng và rèn thường được thực hiện trước khi xử lý nhiệt cuối cùng. Chuẩn hóa trước khi gia công có thể cải thiện khả năng tạo hình.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều áp dụng các phương pháp hoàn thiện thông thường (mài, phun bi) cho các chi tiết chịu mỏi. Sự hiện diện của niken có thể ảnh hưởng đôi chút đến phản ứng xử lý bề mặt (ví dụ: nhuộm màu nhiệt trong quá trình ram), nhưng vẫn áp dụng các quy trình hoàn thiện tiêu chuẩn.

8. Ứng dụng điển hình

42CrMo – Ứng dụng điển hình	40CrNiMoA – Ứng dụng điển hình
Trục, trục, bánh răng, trục khuỷu, các bộ phận thủy lực yêu cầu độ bền cao và khả năng làm cứng tốt	Trục khuỷu chịu tải nặng, trục lớn, các bộ phận rôto, các chốt chịu ứng suất cao, trong đó độ bền cao và khả năng chống va đập là rất quan trọng
Khung máy và các bộ phận dụng cụ cần khả năng chịu nhiệt tốt	Các thành phần tiếp xúc với tải trọng tuần hoàn với độ nhạy khía, trong đó niken cải thiện độ dẻo dai khi gãy
Các bộ phận được tôi và ram đa năng, trong đó hiệu quả về chi phí là quan trọng	Các ứng dụng đòi hỏi độ bền nhiệt độ thấp được cải thiện hoặc ưu tiên khả năng chống khía

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 42CrMo khi có độ cứng cao, phản ứng làm nguội đồng đều và hiệu quả về chi phí là những mối quan tâm chính. - Chọn 40CrNiMoA khi cần độ dẻo dai cao hơn, đặc biệt là khi sử dụng ở nhiệt độ thấp hoặc có khía và ngân sách cho phép chi phí hợp kim cao hơn một chút.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 40CrNiMoA thường đắt hơn 42CrMo trên mỗi tấn do có thêm niken và kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn về độ dẻo dai; tuy nhiên, chênh lệch giá phụ thuộc vào giá niken trên thị trường và nguồn cung ứng từ nhà máy.
• Tính khả dụng: 42CrMo (và các loại tương đương quốc tế như 4140/42CrMo4) được cung cấp rộng rãi dưới dạng thanh, rèn và tấm. 40CrNiMoA thường được cung cấp ở các khu vực mà hàm lượng GB là tiêu chuẩn (Trung Quốc và một số thị trường châu Á) và có sẵn ở dạng sản phẩm rèn và cán nhưng có thể ít phổ biến hơn trong chuỗi cung ứng hàng hóa bên ngoài các khu vực đó.
• Hình dạng sản phẩm: Cả hai đều được sản xuất dưới dạng thanh, rèn và tấm; thời gian chuẩn bị mua sắm và thử nghiệm tại nhà máy (ví dụ: chứng chỉ thử nghiệm va đập) cần được xác nhận đối với các ứng dụng quan trọng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Diện mạo	42CrMo	40CrNiMoA
Khả năng hàn	Tốt với quá trình làm nóng trước và PWHT; hành vi HAZ có thể dự đoán được	Tốt với các điều khiển; Ni làm tăng nhẹ CE nhưng cải thiện độ bền HAZ
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao; độ dẻo dai tốt với độ cứng vừa phải	Độ bền tương tự tại Q&T; độ bền/khả năng chống khía được cải thiện
Trị giá	Nói chung là thấp hơn	Nói chung là cao hơn (hàm lượng niken)

Khuyến nghị: - Chọn 42CrMo nếu bạn cần một hợp kim Cr-Mo tiết kiệm chi phí, sẵn có cho các chi tiết có độ bền cao, khả năng tôi luyện đáng tin cậy và độ bền tiêu chuẩn được chấp nhận. Đây là lựa chọn thực tế cho nhiều loại trục, bánh răng và các bộ phận kết cấu nói chung. - Chọn 40CrNiMoA nếu ứng dụng yêu cầu độ bền va đập vượt trội, khả năng chống khía hoặc hiệu suất nhiệt độ thấp được cải thiện ở mức độ bền tương đương — ví dụ, trục khuỷu lớn, các bộ phận có khía nhiều hoặc các bộ phận chịu tác động động có hậu quả hư hỏng nghiêm trọng.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra chứng chỉ nhà máy và chỉ định các thông số xử lý nhiệt, yêu cầu năng lượng Charpy và tiêu chuẩn quy trình hàn cho các bộ phận quan trọng. Việc lựa chọn vật liệu nên được xác nhận bằng thử nghiệm mẫu hoặc dữ liệu nhà cung cấp cho hình dạng sản phẩm chính xác và quy trình xử lý nhiệt dự kiến ​​để đảm bảo hiệu suất vận hành theo yêu cầu.