42CrMo so với 42CrMo4 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

42CrMo và 42CrMo4 là thép hợp kim crom-molypden cacbon trung bình, được sử dụng rộng rãi cho các chi tiết có độ bền cao, có thể xử lý nhiệt như trục, bánh răng và chốt. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường gặp khó khăn trong việc lựa chọn giữa hai loại thép này vì chúng có tính chất luyện kim và hành vi cơ học rất giống nhau nhưng lại được tham chiếu trong các tiêu chuẩn khu vực và chuỗi cung ứng khác nhau. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc cân bằng chứng nhận bắt buộc (tiêu chuẩn khu vực hoặc tiêu chuẩn dự án), chỉ định khả năng hàn và xử lý sau hàn, và tối ưu hóa chi phí và thời gian giao hàng cho các dạng sản phẩm cụ thể.

Sự khác biệt thực tế chủ yếu không phải là sự không tương xứng đáng kể về mặt luyện kim mà là các tiêu chuẩn và quy định kỹ thuật chi phối sản xuất, kiểm tra và chứng nhận. Sự khác biệt đó thúc đẩy việc mua sắm, khả năng truy xuất nguồn gốc, và đôi khi là dung sai thành phần nhỏ hoặc mức độ tạp chất được phép.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• EN (Châu Âu): 42CrMo4 — thường được tham chiếu trong EN 10083–3 và hệ thống đánh số thép EN (thường được đưa ra là 1.7225 trong cơ sở dữ liệu vật liệu).
• GB (Trung Quốc): 42CrMo — được sử dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn quốc gia của Trung Quốc (GB/T) và thường được liệt kê cho thép kết cấu hợp kim.
• ASTM/ASME / AISI (Hoa Kỳ): AISI 4140 / UNS G41400 là tiêu chuẩn tương đương được chấp nhận rộng rãi nhất tại Hoa Kỳ và thường được thay thế bằng 42CrMo/42CrMo4 trong các biểu đồ tham chiếu chéo.
• JIS (Nhật Bản): SCM440 là tiêu chuẩn tương đương thường được trích dẫn tại Nhật Bản.
• Phân loại: cả 42CrMo và 42CrMo4 đều là thép hợp kim thấp, hàm lượng cacbon trung bình, có thể xử lý nhiệt (thép hợp kim thích hợp để tôi và ram; không phải thép không gỉ; không phải HSLA theo nghĩa hiện đại).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	42CrMo điển hình (GB/T)	42CrMo4 điển hình (EN)
C	0,38 – 0,45% khối lượng	0,38 – 0,45% khối lượng
Mn	0,60 – 0,90% khối lượng	0,60 – 0,90% khối lượng
Si	0,10 – 0,40% khối lượng	0,10 – 0,40% khối lượng
P	≤ 0,035% khối lượng	≤ 0,035% khối lượng
S	≤ 0,035% khối lượng	≤ 0,035% khối lượng
Cr	0,90 – 1,20% khối lượng	0,90 – 1,20% khối lượng
Ni	≤ 0,40 wt% (không xác định)	≤ 0,40 wt% (không xác định)
Mo	0,15 – 0,30% khối lượng	0,15 – 0,30% khối lượng
V, Nb, Ti, B, N	dấu vết / không thường được chỉ định	dấu vết / không thường được chỉ định

Ghi chú: - Đây là phạm vi thành phần điển hình; dung sai thực tế phụ thuộc vào tiêu chuẩn và chứng nhận của nhà máy. - Chiến lược hợp kim tập trung vào Cr và Mo để tăng khả năng tôi cứng và khả năng chịu nhiệt, đồng thời duy trì hàm lượng cacbon vừa phải để tăng cường độ bền thông qua xử lý nhiệt. Mn và Si có mặt để tăng cường độ bền và khử oxy. P và S được kiểm soát ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai và tuổi thọ chịu mỏi.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon: là thành phần chính tạo nên độ bền thông qua quá trình hình thành martensite sau khi tôi; hàm lượng C cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Crom và molypden: tăng khả năng làm cứng, chống mài mòn và chống ram ở nhiệt độ cao; chúng thúc đẩy quá trình làm cứng sâu hơn ở các phần dày hơn. - Mangan: tăng độ cứng và độ bền kéo. - Silic: tăng cường độ bền cho ferit và cải thiện tính chất tôi luyện.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Ở điều kiện chuẩn hóa: hỗn hợp ferit và perlit, có hạt mịn nếu làm nguội có kiểm soát. - Sau khi tôi và ram (phương pháp phổ biến nhất đối với các loại thép này): ram martensite với cacbua (giàu Cr/Mo) phân tán bên trong, mang lại độ bền cao với độ dẻo dai được cải thiện.

Xử lý các tuyến đường và phản hồi: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ nhiệt độ austenit hóa): tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra cấu trúc vi mô đồng nhất có thể dự đoán được để có độ bền vừa phải và khả năng gia công được cải thiện. - Làm nguội & ram: austenit hóa (khoảng 820–880°C tùy theo kích thước tiết diện), làm nguội (dầu/nước/polymer kiểm soát), sau đó ram ở 400–650°C để cân bằng độ bền và độ dai. Kết quả: độ bền kéo và độ bền chảy cao với độ dai được duy trì; nhiệt độ ram kiểm soát độ cứng cuối cùng. - Xử lý nhiệt cơ học: rèn kết hợp làm nguội có kiểm soát có thể tạo ra các hạt austenit trước rất mịn và cải thiện khả năng chống mỏi nhưng lại nhạy cảm với quy trình.

Cả hai loại đều phản ứng tương tự với các phương pháp xử lý nhiệt này; sự khác biệt nhỏ về thành phần hóa học được đảm bảo hoặc giới hạn tạp chất có thể ảnh hưởng đôi chút đến biên độ cứng và độ dẻo dai ở các phần lớn.

4. Tính chất cơ học

Thuộc tính (điển hình)	42CrMo / 42CrMo4 (đã chuẩn hóa)	42CrMo / 42CrMo4 (đã tôi và ram)
Độ bền kéo (Rm)	650 – 850 MPa	850 – 1100+ MPa (tùy thuộc vào quy trình)
Giới hạn chảy (Rp0.2)	360 – 600 MPa	600 – 950 MPa
Độ giãn dài (A%)	12 – 18%	8 – 15%
Độ bền va đập (Charpy V, phòng T)	30 – 80 J	20 – 60 J (phụ thuộc vào quá trình tôi luyện và tiết diện)
Độ cứng	180 – 260 HB	220 – 360 HB (hoặc HRC 18–36)

Giải thích: - Cả hai loại thép đều có thể đạt được các tính chất cơ học rất giống nhau khi được xử lý tương đương. Quá trình tôi và ram tạo ra độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn đáng kể nhưng lại làm giảm độ dẻo. - Độ dẻo dai và độ dai phụ thuộc rất nhiều vào các thông số xử lý nhiệt và độ sạch (hàm lượng tạp chất) — sự khác biệt giữa hai nhãn này thường không đáng kể so với hiệu ứng xử lý.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn ở mức trung bình và chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và khả năng tôi cứng từ Cr/Mo. Sử dụng công thức cacbon tương đương để ước tính nhu cầu gia nhiệt trước và PWHT.

Chỉ số chung: - 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 định tính: - $CE_{IIW}$ điển hình đối với các loại thép này là vừa phải (thường vào khoảng 0,4–0,6 tùy thuộc vào thành phần hóa học chính xác), cho thấy xu hướng hình thành martensite cứng trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) trừ khi sử dụng nhiệt độ nung nóng trước và/hoặc nhiệt độ giữa các lớp thích hợp. - Làm nóng trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn giúp giảm tốc độ làm nguội và độ cứng HAZ; PWHT (ủ) được khuyến nghị cho các mối hàn quan trọng, dày hoặc chịu ứng suất cao. - Cả 42CrMo và 42CrMo4 đều có khả năng hàn tương đương nhau; việc lựa chọn được quyết định dựa trên sự chấp nhận của PWHT và môi trường chế tạo. Sử dụng quy trình hàn đạt chuẩn và cân nhắc kiểm soát hydro cũng như gia nhiệt trước để ngăn ngừa nứt.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Những loại thép này không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn ở dạng thô thấp.
• Các lựa chọn bảo vệ bề mặt: sơn, tẩm dầu, phosphat hóa, mạ điện và mạ kẽm nhúng nóng tùy thuộc vào ứng dụng và các hạn chế sau xử lý nhiệt (mạ kẽm sau khi ram có thể chấp nhận được; mạ kẽm trước khi xử lý nhiệt quan trọng thì không).
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép không gỉ, nhưng để tham khảo, công thức là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ và tạo ra các giá trị thấp vô nghĩa đối với các loại thép hợp kim Cr thấp này; do đó, hiệu suất chống ăn mòn nên được quản lý bằng lớp phủ hoặc lớp phủ thép không gỉ khi cần thiết.

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

• Khả năng gia công: Ở điều kiện chuẩn hóa, khả năng gia công ở mức trung bình; ở điều kiện tôi và ram, gia công khó khăn hơn và có thể yêu cầu dụng cụ carbide và giảm lượng ăn mòn. Các biến thể cắt tự do (có bổ sung lưu huỳnh) không phải là tiêu chuẩn cho các loại mác thép này.
• Khả năng tạo hình: Tạo hình nóng và rèn khá đơn giản; tạo hình nguội bị hạn chế bởi hàm lượng cacbon — uốn nguội mạnh có thể gây nứt trừ khi ủ hoặc sử dụng ở điều kiện chuẩn hóa.
• Mài và hoàn thiện: cả hai đều đáp ứng tốt với quá trình mài chính xác sau khi xử lý nhiệt; các phương pháp xử lý bề mặt để tăng tuổi thọ chịu mỏi (phun bi, thấm nitơ) thường được áp dụng.

8. Ứng dụng điển hình

42CrMo (sử dụng phổ biến)	42CrMo4 (sử dụng phổ biến)
Trục, trục chính và trục quay	Trục, trục chính và trục quay
Bánh răng và bánh răng nhỏ	Bánh răng và bánh răng nhỏ
Bu lông và ốc vít có độ bền cao	Bu lông và ốc vít có độ bền cao
Thanh truyền, trục khuỷu ở các phần nhỏ hơn hoặc trung bình	Các thành phần máy móc chịu tải trọng tuần hoàn cao
Các bộ phận chịu áp suất (sau khi xử lý nhiệt thích hợp)	Các bộ phận ô tô và thiết bị nặng yêu cầu truy xuất nguồn gốc EN

Cơ sở lựa chọn: - Cả hai loại đều được lựa chọn vì có độ bền cao và khả năng chống mỏi tốt sau khi tôi và ram. - Lựa chọn dựa trên chứng nhận yêu cầu, tiêu chuẩn quy định, chuỗi cung ứng (nhà máy và khu vực nào) và chấp nhận xử lý nhiệt sau hàn theo yêu cầu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Cả hai vật liệu này đều có sẵn rộng rãi trên toàn thế giới dưới dạng thanh, rèn, ống liền mạch và tấm. Tính khả dụng thay đổi tùy theo khu vực và sở thích của cổ đông.
• 42CrMo4 rất phổ biến ở thị trường châu Âu và thường thuận tiện hơn khi cần chứng nhận EN.
• 42CrMo (GB/T) và các loại tương đương (AISI 4140 / SCM440) thường dễ tìm thấy hơn ở Châu Á và Bắc Mỹ.
• Sự chênh lệch về chi phí tương đối thường nhỏ và phụ thuộc vào hình thức sản phẩm, kích thước mặt cắt và yêu cầu chứng nhận nhà máy hoặc xử lý nhiệt thay vì nhãn mác cấp danh nghĩa.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	42CrMo	42CrMo4
Khả năng hàn	Trung bình; thường yêu cầu làm nóng trước/PWHT	Trung bình; thường yêu cầu làm nóng trước/PWHT
Độ bền – Độ dẻo dai (đã qua xử lý nhiệt)	Cao (phụ thuộc vào quy trình)	Cao (phụ thuộc vào quy trình)
Chi phí / Khả dụng	Có sẵn rộng rãi ở Châu Á/Châu Mỹ; có tính cạnh tranh	Có sẵn rộng rãi ở Châu Âu; cạnh tranh

Khuyến nghị: - Chọn 42CrMo nếu bạn cần tìm nguồn vật liệu trong hệ sinh thái nhà cung cấp GB/AISI hoặc nếu quá trình mua sắm dự án yêu cầu thông số kỹ thuật tương đương của GB hoặc Hoa Kỳ và bạn yêu cầu hiệu suất cơ học điển hình của loại 4140 với khả năng truy xuất nguồn gốc tại địa phương. - Chọn 42CrMo4 nếu thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu chứng nhận vật liệu EN, tuân thủ chuỗi cung ứng Châu Âu hoặc nếu hợp đồng khách hàng/dự án nêu rõ tiêu chuẩn EN (42CrMo4 / EN 1.7225).

Lưu ý cuối cùng: hiệu suất luyện kim và cơ học của hai nhãn này trùng lặp đáng kể; các yếu tố quyết định thường không liên quan đến luyện kim (tuân thủ tiêu chuẩn, chứng nhận nhà máy, khả năng truy xuất nguồn gốc và khả năng cung cấp tại địa phương). Đối với các thành phần quan trọng, hãy luôn chỉ rõ quy trình xử lý nhiệt cần thiết, tiêu chí chấp nhận tính chất cơ học và quy trình xử lý nhiệt NDT/sau hàn thay vì chỉ dựa vào tên mác thép.