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

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và người lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa thép cacbon thông thường và thép hợp kim thấp cho trục quay, bánh răng, chốt và các bộ phận máy. 45# (thường được gọi là thép cacbon thông thường có hàm lượng cacbon trung bình) và 40Cr (thép cacbon trung bình hợp kim crom) thường được so sánh vì chúng chiếm không gian thành phần liền kề nhưng mang lại khả năng làm cứng, độ bền và phản ứng xử lý nhiệt khác nhau.

Sự khác biệt cơ bản là việc bổ sung crom vào thép 40Cr làm tăng khả năng tôi cứng và độ bền đạt được sau khi tôi và ram, trong khi thép 45# phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và kích thước tiết diện để đạt được độ cứng và độ bền. Sự khác biệt này thúc đẩy việc lựa chọn thép, trong đó các tiêu chí về tôi cứng, độ dày tiết diện và các mục tiêu cơ học sau xử lý nhiệt là rất quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 45#: Thường được gọi là cấp GB/T “45#” (Trung Quốc). Cấp tương đương của phương Tây: khoảng AISI/SAE 1045 (thép cacbon trung bình). Được phân loại là thép cacbon thông thường (không hợp kim).
• 40Cr: Được tìm thấy trong GB/T với ký hiệu “40Cr”. Tương đương thô: Họ AISI/SAE 5140/4140 (thép crom hợp kim thấp). Được phân loại là thép hợp kim thấp.

Các hệ thống tiêu chuẩn liên quan khác có thể bao gồm các loại thép tương đương: - ASTM/ASME: Dòng SAE/AISI (ví dụ: 1045, 4140). - EN: EN 8 / C45 (gần nhất với 45#); 40Cr gần giống với các biến thể EN 19/42CrMo4 tùy thuộc vào thành phần hóa học chính xác. - JIS: JIS thể hiện các loại thép hợp kim và cacbon trung bình tương tự nhau theo các mã số khác nhau. - GB: Tiêu chuẩn GB/T của Trung Quốc dành cho 45# và 40Cr.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần điển hình (wt%). Giới hạn thông số kỹ thuật thực tế phụ thuộc vào tiêu chuẩn và nhà máy.

Yếu tố	45# (điển hình)	40Cr (điển hình)
C	0,42–0,50	0,37–0,44
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	- (dấu vết)	0,80–1,20
Ni	- (dấu vết)	≤0,30 (có thể không có)
Mo	- (dấu vết)	≤0,08 (nhỏ hoặc không có)
V, Nb, Ti, B, N	theo dõi/kiểm soát	theo dõi/kiểm soát

Quá trình hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon: độ cứng chính và độ bền ở nhiệt độ phòng; C cao hơn làm tăng độ cứng đạt được nhưng làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn. - Crom (trong 40Cr): tăng khả năng chịu nhiệt và chịu ram, cải thiện độ bền và khả năng chống mài mòn sau khi tôi và ram; đồng thời tinh chỉnh cấu trúc cacbua. - Mangan và silic: khử oxy và tăng độ bền; Mn góp phần làm cứng. - Hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh được giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai và khả năng gia công.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - 45#: Trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa, cấu trúc vi mô là ferit + perlit với thành phần perlit trung bình phù hợp với ~0,45%C. Làm nguội + ram tạo ra martensite ram đến độ cứng mong muốn, nhưng vì 45# thiếu các nguyên tố hợp kim mạnh nên khả năng tôi cứng bị hạn chế—martensite lõi chỉ đạt được ở mặt cắt ngang tương đối nhỏ. - 40Cr: Ở trạng thái thường hóa, ferit + peclit với hợp kim cacbua; sau khi tôi có khả năng tạo thành martensite với tiết diện lớn hơn so với 45# nhờ Cr. Quá trình ram tạo ra martensite ram có sự cân bằng độ bền-độ dai tốt hơn và khả năng chịu ram được cải thiện.

Tác dụng của quá trình xử lý chung: - Chuẩn hóa: cả hai loại đều làm mịn kích thước hạt và tạo ra cấu trúc vi mô ferit/perit có thể dự đoán được; 40Cr có thể tạo thành các phân tán cacbua mịn hơn. - Làm nguội và ram: 40Cr đạt được độ bền và độ dẻo dai cao hơn ở các phần dày hơn; 45# có thể đạt được độ cứng tương đương ở các phần nhỏ nhưng cần kiểm soát cẩn thận để tránh hiện tượng giòn. - Làm cứng bề mặt (cảm ứng, thấm cacbon): Cả hai loại đều phù hợp; 40Cr được ưa chuộng khi cần lõi cứng với bề mặt được làm cứng và có thể thấm cacbon để tăng khả năng chống mài mòn bề mặt.

4. Tính chất cơ học

Lưu ý: tính chất cơ học thay đổi mạnh tùy theo xử lý nhiệt và kích thước tiết diện. Các giá trị dưới đây là phạm vi điển hình được sử dụng để so sánh kỹ thuật chứ không phải giá trị thông số kỹ thuật chính thức.

Thuộc tính (phạm vi điển hình)	45#	40Cr
Độ bền kéo (MPa)	520–750	600–1100
Giới hạn chảy (MPa)	300–500	400–950
Độ giãn dài (%)	10–18	8–16
Độ bền va đập (Charpy V, J)	15–60 (phụ thuộc vào xử lý nhiệt)	20–80 (tốt hơn ở trạng thái tôi luyện)
Độ cứng (HB hoặc HRC)	HB 160–250 (HRC ~15–30)	HB 180–320 (HRC ~18–36)

Giải thích: - Độ bền: Thép 40Cr thường có thể đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn sau khi tôi và ram do khả năng làm cứng được tăng cường Cr và độ ổn định của martensite ram. - Độ dẻo dai: Khi được tôi luyện đúng cách, thép 40Cr thường mang lại sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền và độ dẻo dai ở các tiết diện lớn. Ở các tiết diện nhỏ hoặc trong điều kiện ủ, thép 45# có thể cho độ dẻo dai tương đương. - Độ dẻo: Thép 45# ủ có xu hướng giãn dài hơn một chút; thép 40Cr sau khi xử lý nhiệt cường độ cao sẽ kém dẻo hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, các nguyên tố hợp kim và độ dày (xu hướng làm cứng). Các chỉ số độ nghiêm ngặt hữu ích:

• Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

-tham số khả năng hàn ustenit (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 45#: Với C ≈ 0,45% và hàm lượng hợp kim rất thấp, $CE_{IIW}$ ở mức trung bình; nên nung nóng trước và làm nguội có kiểm soát đối với các phần dày hơn để tránh nứt, nhưng khả năng hàn nhìn chung tốt hơn so với thép hợp kim có cùng độ cứng vì có ít nguyên tố thúc đẩy khả năng tôi hơn. - 40Cr: Crom làm tăng các đóng góp $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thông qua hệ số $(Cr+Mo+V)$; do đó, 40Cr có xu hướng tạo ra vùng HAZ cứng, martensitic cao hơn ở các phần dày hơn và thường yêu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn hoặc xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). Nên sử dụng điện cực ít hydro và quy trình hàn được kiểm soát.

Khuyến nghị: Đối với các mối hàn quan trọng hoặc các phần dày, hãy chọn các quy trình có độ cứng cao hơn là 40Cr; đối với các thành phần nhỏ hoặc khi hàn không thường xuyên, 45# sẽ dễ hàn hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 45# và 40Cr đều không gỉ hoặc chống ăn mòn về mặt thành phần hóa học. Khả năng chống ăn mòn tương tự nhau khi ở dạng khối, trừ khi có hợp kim đặc biệt (ví dụ: hàm lượng Cr hoặc Mo cao hơn).
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: sơn, tra dầu, phosphat hóa và mạ kẽm cho môi trường khí quyển; mạ hoặc phủ cho môi trường ăn mòn do mài mòn. Đối với các chi tiết 40Cr đã được xử lý nhiệt, hãy chọn lớp phủ tương thích với quy trình xử lý sau nhiệt.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này; để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng chỉ số này chỉ liên quan đến hợp kim thép không gỉ có hàm lượng Cr, Mo và N đáng kể.

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

• Khả năng gia công: Thép 45# (1045) ở trạng thái ủ có khả năng gia công khá tốt; hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ mài mòn dụng cụ khi cắt vật liệu đã tôi. Thép 40Cr có xu hướng cứng hơn và có thể mài mòn dụng cụ nhiều hơn khi tôi; trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa, khả năng gia công có thể kiểm soát được.
• Khả năng tạo hình/uốn cong: Thép 45# ủ có khả năng tạo hình tốt hơn; thép 40Cr ở trạng thái chuẩn hóa sẽ kém dẻo hơn thép 45# ủ và cần bán kính uốn lớn hơn hoặc phải nung nóng trước để tạo hình nếu ở trạng thái tôi cứng.
• Hoàn thiện bề mặt: cả hai đều phản ứng tốt với quá trình mài, tiện và đánh bóng khi được xử lý nhiệt đúng cách; việc lựa chọn tốc độ cắt và vật liệu dụng cụ phải tính đến độ cứng và quá trình ram.

8. Ứng dụng điển hình

45# (sử dụng thông thường)	40Cr (công dụng điển hình)
Trục, trục, đinh tán, chốt, các bộ phận trục khuỷu ở chế độ làm việc từ thấp đến trung bình	Trục, bánh răng, trục khuỷu, chốt chịu lực cao, phôi bánh răng
Các bộ phận gia công chung yêu cầu độ bền vừa phải và chi phí là vấn đề	Các bộ phận cần độ cứng sâu hơn và độ bền mỏi cao hơn ở các phần lớn hơn
Bu lông và các thành phần được khoét sau khi tôi/ram ở các phần nhỏ	Linh kiện rèn, linh kiện thấm cacbon/tôi để chống mài mòn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại thép 45# khi ưu tiên chi phí, độ bền vừa phải, xử lý nhiệt hoặc hàn đơn giản hơn và mặt cắt ngang nhỏ. - Chọn 40Cr khi cần độ cứng xuyên suốt cao hơn, độ ổn định ram tốt hơn và khả năng chịu tải cao hơn—đặc biệt đối với mặt cắt ngang lớn hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép 45# thường rẻ hơn thép 40Cr trên mỗi tấn vì không có chất phụ gia hợp kim. Thép 40Cr có giá cao hơn do hàm lượng Cr và được chỉ định là thép hợp kim.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn trên toàn thế giới ở dạng thanh, tấm, rèn và phôi tròn. Thép 45# phổ biến để làm phôi đa năng; thép 40Cr được dự trữ rộng rãi cho các ứng dụng kỹ thuật và thường được cung cấp ở dạng chuẩn hóa, tôi & ram, và rèn.
• Thời gian giao hàng: Các thanh và vật rèn theo hệ mét tiêu chuẩn luôn có sẵn; các hóa chất đặc biệt hoặc vật rèn có dung sai chặt chẽ có thể làm tăng thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính cấp cao):

Đặc điểm	45#	40Cr
Khả năng hàn	Tốt (có làm nóng trước cho các phần dày)	Thách thức hơn (thường cần nhiệt độ làm nóng trước/PWHT cao hơn)
Sức mạnh-Độ dẻo dai (sau HT)	Vừa phải	Cao hơn (phản ứng tôi và ram tốt hơn)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Chọn 45# nếu: - Bạn cần loại thép có hàm lượng cacbon trung bình, tiết kiệm chi phí cho mặt cắt ngang từ nhỏ đến trung bình. - Ưu tiên hàng đầu là dễ hàn và quy trình xử lý nhiệt đơn giản hơn. - Ứng dụng yêu cầu độ bền hợp lý, khả năng gia công và tạo hình tốt (sau khi ủ hoặc chuẩn hóa).

Chọn 40Cr nếu: - Bạn cần độ cứng cao hơn và độ bền/độ dẻo dai lớn hơn sau khi tôi và ram, đặc biệt là ở các mặt cắt lớn hơn. - Các bộ phận phải chịu tải trọng mỏi cao hơn, hoạt động nặng hơn hoặc yêu cầu lõi cứng hơn với bề mặt cứng. - Bạn đang chỉ định các thành phần có hiệu suất dự đoán được sau khi xử lý nhiệt và khả năng chịu nhiệt tốt hơn đủ để biện minh cho chi phí vật liệu cao hơn.

Lưu ý kết luận: Lựa chọn cuối cùng nên được quyết định bởi các mục tiêu cơ học cần thiết, độ dày tiết diện, khả năng xử lý nhiệt, yêu cầu hàn và tổng chi phí vòng đời. Khi còn phân vân, hãy chỉ rõ các đặc tính cơ học cần thiết và trạng thái xử lý nhiệt thay vì chỉ dựa vào cấp độ; sau đó, kỹ sư vật liệu có thể lựa chọn cấp độ và quy trình kinh tế nhất để đạt được các mục tiêu đó.