42CrMo so với 40CrNiMoA – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với quyết định nên chọn 42CrMo hay 40CrNiMoA khi thiết kế các linh kiện có độ bền cao như trục, bánh răng và ốc vít nặng. Những đánh đổi điển hình trong các quyết định này bao gồm độ bền yêu cầu so với độ dẻo dai, chi phí so với hiệu suất, và các hạn chế về xử lý nhiệt hoặc hàn so với tính khả dụng của các dạng sản phẩm yêu cầu.

Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim: 42CrMo là thép hợp kim trung bình crom-molypden được tối ưu hóa về độ cứng và độ bền cao sau khi tôi và ram, trong khi 40CrNiMoA chứa niken bổ sung (cùng crom và molypden) để cải thiện đáng kể độ bền va đập và khả năng chống mỏi ở mức độ bền tương đương. Sự khác biệt này thúc đẩy sự lựa chọn khi độ dẻo, khả năng chống gãy hoặc độ bền ở nhiệt độ thấp là yếu tố quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 42CrMo:
• Tiêu chuẩn chung: EN 10250 / EN 10083-3 định danh 42CrMo4, GB/T 3077 (42CrMo), được so sánh rộng rãi với AISI/SAE 4140 (họ tương tự).
• Thể loại: Thép hợp kim trung bình có thể xử lý nhiệt (không phải thép không gỉ); thường được chỉ định cho điều kiện tôi và ram (QT).
• 40CrNiMoA:
• Tiêu chuẩn chung: GB/T (Trung Quốc) cấp 40CrNiMoA; thường được so sánh với AISI/SAE 4340 trong mục đích thông số kỹ thuật.
• Thể loại: Thép hợp kim niken-crom-molypden (có thể xử lý nhiệt), độ dẻo dai cao hơn thép Cr-Mo đơn giản.

Cả hai đều là thép hợp kim (không phải thép không gỉ) dùng cho các thành phần kết cấu và kỹ thuật cần xử lý nhiệt sau khi tạo hình để đạt được các đặc tính cơ học mục tiêu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%). Đây là phạm vi đại diện cho các loại thương mại và được sử dụng cho mục đích so sánh; giá trị chính xác phải được lấy từ chứng chỉ nhà máy cụ thể hoặc tiêu chuẩn áp dụng.

Yếu tố	42CrMo (phạm vi điển hình, wt%)	40CrNiMoA (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,38 – 0,45	0,36 – 0,44
Mn	0,50 – 0,80	0,50 – 0,80
Si	0,15 – 0,40	0,15 – 0,40
P	≤ 0,025 (tối đa)	≤ 0,025 (tối đa)
S	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
Cr	0,90 – 1,20	0,80 – 1,20
Ni	— (theo dõi đến con số không)	1,20 – 1,80
Mo	0,15 – 0,30	0,10 – 0,30
V	≤ 0,05 (dấu vết điển hình)	≤ 0,05 (dấu vết điển hình)
Nb, Ti, B, N	Theo dõi / kiểm soát (phụ thuộc vào nhà sản xuất thép)	Theo dõi / kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon thiết lập khả năng tôi luyện và độ bền cơ bản; cả hai loại đều là thép có hàm lượng carbon trung bình để có độ bền cao sau khi tôi và ram. - Crom và molypden làm tăng khả năng làm cứng và khả năng chống ram; chúng cũng làm tăng độ bền và khả năng chống mài mòn. - Niken là yếu tố khác biệt chính: niken làm tăng độ dẻo dai, cải thiện độ dẻo và giảm nhiệt độ chuyển tiếp từ giòn sang dẻo, yếu tố quan trọng đối với hiệu suất chịu va đập và chịu mỏi. - Mangan và silic là chất khử oxy và góp phần không nhỏ vào độ bền và khả năng làm cứng. - Các nguyên tố vi lượng và các chất bổ sung hợp kim vi mô (V, Nb, Ti, B) — nếu có — làm thay đổi kích thước hạt và hành vi kết tủa và thường được sử dụng để cải thiện độ dẻo dai hoặc độ bền trong các dạng sản phẩm cụ thể.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Khi chuẩn hóa: cả hai loại thép đều có cấu trúc bainit/pearlit ram với ma trận ferrit tùy thuộc vào tốc độ làm nguội. Kích thước hạt phụ thuộc vào nhiệt độ gia công nóng và nhiệt độ chuẩn hóa. - Tôi và ram (QT): cả hai đều tạo ra martensite hoặc bainite ram tùy thuộc vào mức độ tôi. Nhiệt độ ram kiểm soát sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai.

Hiệu ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí sau quá trình austenit hóa) làm mịn kích thước hạt và tạo ra cấu trúc vi mô đồng nhất có thể gia công và ổn định về kích thước — thường được sử dụng làm điều kiện cung cấp để rèn phôi và một số thanh. - Làm nguội (dầu/nước/có kiểm soát) từ austenit hóa tiếp theo là ram là phương pháp tiêu chuẩn để đạt được độ bền cao. Mức độ tôi và độ dày tiết diện chi tiết quyết định thành phần martensite và ứng suất dư thu được. - Quá trình tôi luyện làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo dai; thép chứa niken (40CrNiMoA) thường giữ được độ dẻo dai tốt hơn ở nhiệt độ tôi luyện tương đương vì niken ổn định ma trận và làm giảm xu hướng giòn tôi trong nhiều chế độ. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát và làm nguội nhanh) có thể tạo ra các cấu trúc bainit mịn với sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai tuyệt vời; 40CrNiMoA được hưởng lợi nhiều hơn từ quá trình xử lý TM khi cần độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Các đặc tính cơ học điển hình cho điều kiện tôi và ram. Các giá trị này là phạm vi chỉ dẫn cho các điều kiện tôi Q&T công nghiệp điển hình và sẽ thay đổi tùy theo quy trình xử lý nhiệt chính xác và kích thước tiết diện.

Tài sản	42CrMo (QT, phạm vi điển hình)	40CrNiMoA (QT, phạm vi điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	800 – 1100	850 – 1150
Giới hạn chảy (MPa)	600 – 900	650 – 950
Độ giãn dài (% A)	10 – 16	10 – 18
Độ bền va đập (Charpy V, J)	20 – 60 (tùy thuộc vào nhiệt độ và tính khí)	40 – 120 (thường cao hơn, tốt hơn ở mức thấp)
Độ cứng (HRC)	24 – 40 (tùy theo tính khí)	24 – 44 (phạm vi tương tự; có thể cứng hơn ở độ cứng tương đương)

Giải thích: - Cả hai loại đều có thể được xử lý nhiệt để đạt được mức độ bền tương đương. 40CrNiMoA thường có độ bền va đập và khả năng chống mỏi được cải thiện ở cùng độ cứng/độ bền vì niken tăng cường độ bền và giảm nhiệt độ chuyển tiếp từ dẻo sang giòn. - 42CrMo có thể tiết kiệm hơn một chút đối với các bộ phận có nhu cầu về độ dẻo dai ở mức trung bình và khả năng làm cứng khi tôi chỉ từ Cr–Mo là đủ. - Trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền gãy cao hoặc hoạt động ở nhiệt độ thấp, 40CrNiMoA thường được ưu tiên mặc dù có đặc tính chịu kéo tương tự.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và độ tôi. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng:

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

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

Giải thích định tính: - Vì cả hai loại đều có hàm lượng cacbon trung bình và chứa Cr và Mo nên chúng có khả năng tôi luyện vừa phải và có nguy cơ hình thành martensite cứng ở vùng chịu nhiệt (HAZ) không đáng kể nếu hàn mà không nung nóng trước và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). - Niken của 40CrNiMoA làm giảm nhẹ tác động tương đương của cacbon lên xu hướng nứt nguội và cải thiện độ bền HAZ, giúp hàn dễ dàng hơn ở các bộ phận quan trọng trong dịch vụ — nhưng nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát vẫn thường được yêu cầu đối với cả hai loại. - Đối với cả hai loại thép, phương pháp tốt nhất cho các cụm hàn thường bao gồm vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, gia nhiệt trước thích hợp (theo độ dày và CE/Pcm), nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát và PWHT để tôi martensite HAZ và giảm ứng suất dư. - Sử dụng công thức $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ với phân tích hóa học thực tế để xác định quy trình hàn chính xác.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 42CrMo và 40CrNiMoA đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều dễ bị ăn mòn tổng thể và cục bộ trong môi trường tiếp xúc trực tiếp.
• Niken có một số tác dụng có lợi đối với khả năng chống ăn mòn trong một số môi trường nước (ví dụ, giảm khả năng giòn do hydro và cải thiện khả năng chống lại một số axit khử), nhưng nó không làm cho hợp kim trở nên “không gỉ”.
• Đối với hầu hết các ứng dụng về kết cấu và cơ khí, các phương pháp bảo vệ tiêu chuẩn được áp dụng:
• Mạ kẽm nhúng nóng cho kết cấu thép ngoài trời khi tương thích với xử lý nhiệt sau.
• Lớp phủ dạng lỏng hoặc dạng bột (hệ thống sơn), phủ phosphat hoặc phủ dầu cho các bộ phận không thích hợp để mạ kẽm.
• Kỹ thuật bề mặt (thấm nitơ, thấm cacbon, làm cứng cảm ứng) để tăng khả năng chống mài mòn — lưu ý rằng các quy trình này tương tác với hóa học hợp kim cơ bản và xử lý nhiệt.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng khi xem xét các loại thép không gỉ trong môi trường ăn mòn thì chỉ số là: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ Sử dụng hợp kim không gỉ thay vì dựa vào hàm lượng niken trong thép cacbon/hợp kim khi khả năng chống ăn mòn là yêu cầu chính.

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

• Gia công:
• Ở điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ, cả hai đều có thể gia công bằng phương pháp gia công thép hợp kim tiêu chuẩn. Niken trong 40CrNiMoA có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công so với thành phần niken thấp hơn, nhưng sự khác biệt không đáng kể.
• Sau khi làm nguội và ram, độ cứng tăng lên và khả năng gia công giảm xuống; phương pháp khuyến nghị là thực hiện gia công thô và xử lý nhiệt trước khi gia công nếu có thể.
• Hình thành:
• Ép nguội bị giới hạn bởi hàm lượng cacbon; Ép nóng và rèn là những phương pháp phổ biến để tạo hình dạng phức tạp. Chuẩn hóa sau khi ép nóng là phương pháp điển hình.
• Sự hiện diện của niken trong 40CrNiMoA giúp cải thiện độ dẻo và có thể cho phép tạo hình theo cách mạnh hơn một chút trước khi nứt.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều chấp nhận mài, đánh bóng và mạ. Các phương pháp xử lý bề mặt chống mài mòn (thấm cacbon, thấm nitơ, tôi cảm ứng) phải tính đến thành phần hóa học cơ bản và độ cứng/độ dai mong muốn sau cùng.

8. Ứng dụng điển hình

42CrMo (sử dụng phổ biến)	40CrNiMoA (sử dụng phổ biến)
Trục, trục, bánh răng, khớp nối cho máy móc công nghiệp nói chung	Trục có độ bền cao, phụ kiện bánh đáp, bánh răng chịu lực cao và trục khuỷu khi độ bền là yếu tố quan trọng
Linh kiện rèn, ốc vít chịu lực trung bình, xi lanh thủy lực	Các thành phần quay quan trọng, ốc vít chịu tải nặng, các thành phần chịu va đập hoặc dịch vụ T thấp
Đế máy và các bộ phận dụng cụ cần độ cứng tốt	Các thành phần cơ khí hàng không vũ trụ/quốc phòng hoặc an toàn cao, trong đó khả năng chống mỏi và chống gãy được ưu tiên

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 42CrMo khi chi phí và tính khả dụng là yếu tố chính, yêu cầu về độ bền ở mức trung bình và chu trình làm nguội và ram tiêu chuẩn mang lại độ bền cần thiết. - Chọn 40CrNiMoA khi cần độ bền gãy cao hơn, tuổi thọ chịu mỏi và hiệu suất ở nhiệt độ thấp ở mức độ bền tương đương — ví dụ, các bộ phận hoặc linh kiện quay quan trọng đối với an toàn phải chịu tải trọng va đập.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Niken là một yếu tố chi phí đáng kể. 40CrNiMoA thường có giá thành trên mỗi kg cao hơn 42CrMo do hàm lượng niken cao hơn và đôi khi yêu cầu xử lý/kiểm tra chặt chẽ hơn.
• Khả dụng:
• 42CrMo được sản xuất rộng rãi và dự trữ ở nhiều kích cỡ thanh và rèn khác nhau; loại thép này thường có sẵn trên toàn cầu.
• 40CrNiMoA thường có sẵn nhưng có thể được sản xuất với phạm vi sản phẩm hẹp hơn và thời gian giao hàng lâu hơn tùy thuộc vào nhà máy và nhu cầu trong khu vực.
• Hình thức sản phẩm: Cả hai đều được cung cấp dưới dạng thanh, rèn và đôi khi là ống hoặc tấm cán; hãy chỉ định giấy chứng nhận nhà máy và phương pháp xử lý nhiệt ngay từ đầu khi mua sắm để tránh chậm trễ.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt:

Tiêu chí	42CrMo	40CrNiMoA
Khả năng hàn	Trung bình (cần làm nóng trước/PWHT cho các phần dày)	Độ bền HAZ trung bình-tốt hơn do Ni, vẫn cần hàn cẩn thận
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao; độ dẻo dai tốt với quá trình tôi luyện thích hợp	Độ bền tương đương với độ bền va đập và khả năng chống mỏi vượt trội
Trị giá	Thấp hơn (thường tiết kiệm hơn)	Cao hơn (niken làm tăng chi phí vật liệu)
Khả dụng	Rộng	Có sẵn rộng rãi, có thể ít phổ biến hơn ở một số thị trường

Khuyến nghị cuối cùng: - Chọn 42CrMo nếu: - Thiết kế đòi hỏi độ bền tĩnh và khả năng chống mài mòn cao với giá thành kinh tế hơn. - Các thành phần có độ bền trung bình, quy trình hàn dễ quản lý và nhiệt độ làm việc/yêu cầu về độ bền ở mức vừa phải. - Bạn cần có sẵn nhiều loại thanh và kích thước rèn khác nhau.

• Chọn 40CrNiMoA nếu:
• Linh kiện phải kết hợp độ bền cao với độ bền va đập vượt trội, khả năng chống gãy hoặc hiệu suất ở nhiệt độ thấp (ví dụ: các bộ phận quay chịu tải nặng, các thành phần an toàn quan trọng hoặc dịch vụ mà tuổi thọ chịu mỏi là tối quan trọng).
• Khả năng hàn và độ bền HAZ đặc biệt quan trọng và chứng minh được giá trị của vật liệu này.
• Bạn có thể chấp nhận thời gian chờ dài hơn hoặc chi phí mua sắm cao hơn một chút để cải thiện độ tin cậy khi sử dụng.

Khi xác định bất kỳ cấp độ nào, hãy luôn xác định điều kiện xử lý nhiệt cần thiết, các đặc tính cơ học mục tiêu, giới hạn độ cứng chấp nhận được và các chứng nhận cần thiết. Đối với hàn, hãy sử dụng phân tích hóa học đã đo để tính toán $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ và xác định quy trình hàn; đối với các ứng dụng nhạy cảm với ăn mòn, hãy cân nhắc các lựa chọn thép không gỉ thay vì dựa vào niken trong thép hợp kim.