45# so với 55# – 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 xuyên phải lựa chọn giữa các loại thép carbon trung bình, đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, chi phí và khả năng sản xuất. Hai loại thép thường được xem xét trong lĩnh vực này là các ký hiệu thép Trung Quốc 45# và 55# (tương ứng với các loại thép có hàm lượng carbon danh nghĩa lần lượt là khoảng 0,45% và 0,55%). Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết kế trục và trục, rèn và dập, các chi tiết được xử lý nhiệt, và các trường hợp cần cân bằng giữa khả năng hàn và độ bền và khả năng chống mài mòn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này là hàm lượng carbon cao hơn trong thép 55# thường tạo ra độ bền và khả năng tôi luyện cao hơn, nhưng lại làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. Sự đánh đổi này là lý do tại sao các nhà thiết kế so sánh hai loại thép này khi chỉ định các chi tiết cần độ cứng bề mặt hoặc độ cứng xuyên thấu cao hơn so với các chi tiết ưu tiên độ bền, độ định hình và khả năng ghép nối.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB/T (Trung Quốc): 45# và 55# là các loại thép cacbon thông thường phổ biến trong GB/T 699 và các tiêu chuẩn liên quan dành cho thép kết cấu cacbon và thép cacbon trung bình.
• Tương đương AISI/SAE (xấp xỉ): 45# ≈ AISI/SAE 1045; 55# ≈ AISI/SAE 1055 (trên danh nghĩa).
• EN (Châu Âu): Các loại thép này thuộc nhóm thép cacbon không hợp kim (ví dụ: nhóm C45 trong EN 10083) chứ không phải nhóm hợp kim, dụng cụ, thép không gỉ hoặc HSLA.
• Phân loại: Cả hai đều là thép cacbon thông thường (không phải thép không gỉ, không phải thép HSLA, không phải thép dụng cụ). Chúng thường được coi là thép cacbon trung bình, thích hợp để tôi và ram hoặc làm cứng bề mặt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Điển hình 45# (wt%)	Điển hình 55# (wt%)
C	0,42 – 0,50	0,52 – 0,60
Mn	0,50 – 0,80	0,50 – 0,90
Si	≤ 0,40	≤ 0,40
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	≤ 0,25 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	≤ 0,08 (vết)	≤ 0,08 (vết)
V, Nb, Ti, B, N	thường chỉ ở mức vết/ppm trừ khi được hợp kim hóa vi mô	thường chỉ ở mức vết/ppm trừ khi được hợp kim hóa vi mô

Ghi chú: - Các phạm vi thành phần trên mang tính đại diện cho các loại thép thương mại thông dụng 45# và 55#; giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn quốc gia và nhà sản xuất cụ thể. - Cả hai loại thép đều được gia cường chủ yếu bằng cacbon. Một lượng nhỏ Mn và Si có tác dụng khử oxy và gia cường; các nguyên tố khác thường ở mức vết, trừ khi thép được cố ý pha tạp vi hợp kim. - Chiến lược hợp kim: tăng hàm lượng cacbon làm tăng độ bền, độ cứng và khả năng tôi luyện (khả năng hình thành martensite qua các phần dày hơn). Mangan góp phần tăng độ bền kéo và khả năng tôi luyện, đồng thời hỗ trợ quá trình khử oxy; silic chủ yếu hỗ trợ độ bền và khả năng đàn hồi nhưng với hàm lượng nhỏ.

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

• Tình trạng cán hoặc ủ:
• Cả hai loại thép này thường có cấu trúc vi mô ferit + perlit. Thép 55# sẽ có tỷ lệ thể tích perlit lớn hơn do hàm lượng cacbon cao hơn, tạo ra độ cứng và độ bền cao hơn nhưng độ dẻo thấp hơn.
• Chuẩn hóa:
• Chuẩn hóa sẽ tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra cấu trúc perlit/ferrit đồng đều hơn; cả hai loại đều phản ứng tốt, với loại 55# vẫn giữ được độ bền cao hơn.
• Làm nguội và ram (Q&T):
• Làm nguội để tạo thành martensite và sau đó là quá trình ram là phương pháp tiêu chuẩn để đạt được sự kết hợp độ bền và độ dẻo dai cao ở cả hai loại.
• Thép 55# đạt độ cứng sau khi tôi cao hơn và độ cứng sâu hơn đối với mức độ tôi nhất định do hàm lượng cacbon cao hơn (và thường có hàm lượng Mn cao hơn một chút), nhưng dễ bị nứt do tôi hơn và cần phải ram cẩn thận để phục hồi độ dẻo dai.
• Xử lý nhiệt cơ học:
• Rèn và cán có kiểm soát có thể tinh chỉnh cấu trúc vi mô và cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại; hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) sẽ thay đổi phản ứng đáng kể nếu có.
• Độ cứng:
• Độ cứng là một chức năng của cacbon và hợp kim; với hàm lượng cacbon và Mn cao hơn, thép 55# thường có độ cứng cao hơn thép 45#, cho phép tạo ra các cấu trúc vi mô cứng hơn ở mặt cắt ngang lớn hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng thể hiện phạm vi tính chất cơ học điển hình. Giá trị phụ thuộc nhiều vào thành phần danh nghĩa, kích thước tiết diện và xử lý nhiệt.

Thuộc tính (phạm vi điển hình)	45# (chuẩn hóa / Q&T điển hình)	55# (chuẩn hóa / Q&T điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	Chuẩn hóa: 550 – 700; Hỏi & Đáp: 700 – 1000+	Chuẩn hóa: 650 – 820; Hỏi & Đáp: 800 – 1100+
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	Chuẩn hóa: 320 – 430; Hỏi & Đáp: 500 – 900	Chuẩn hóa: 420 – 620; Hỏi & Đáp: 600 – 1000
Độ giãn dài (A%)	Chuẩn hóa: 12 – 18%; Hỏi & Đáp: 8 – 16%	Chuẩn hóa: 8 – 14%; Q&T: 6 – 12%
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng, J)	Biến đổi: 25 – 60 J (tùy theo phần)	Biến đổi: 15 – 45 J (tùy theo phần)
Độ cứng (HB)	Chuẩn hóa: ~160 – 210 HB; Q&T: ~200 – 320 HB	Chuẩn hóa: ~190 – 240 HB; Q&T: ~240 – 350 HB

Giải thích: - Độ bền: Thép 55# có thể đạt được độ bền giới hạn và độ bền chảy cao hơn trong điều kiện tương đương do có hàm lượng cacbon cao hơn (và thành phần perlit/martensit lớn hơn). - Độ dẻo dai và độ dai: Thép 45# thường dẻo dai và dai hơn ở trạng thái chuẩn hóa và ít có khả năng bị giòn sau khi tôi và ram—đặc biệt đối với các phần lớn hơn hoặc ram không đúng cách. - Độ cứng: 55# thường tạo ra giá trị độ cứng cao hơn trong cả điều kiện giao hàng và điều kiện xử lý nhiệt. - Tất cả các giá trị đều phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt (mức độ làm nguội, nhiệt độ/thời gian tôi), mặt cắt ngang và tính chất hóa học cụ thể.

5. Khả năng hàn

• Hàm lượng cacbon và độ tôi là những yếu tố chính quyết định khả năng hàn của thép cacbon thông thường. Hàm lượng cacbon cao hơn và độ tôi cao hơn làm tăng nguy cơ hình thành martensite cứng, giòn trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), gây nứt nguội trừ khi sử dụng vật liệu độn thích hợp và gia nhiệt trước/sau gia nhiệt.
• Chỉ số dự đoán chung:
• Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Dearden–O'Neill (Pcm) để lựa chọn vật tư tiêu hao: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Giải thích định tính:
• 55# sẽ ghi nhận lượng carbon tương đương cao hơn 45# chủ yếu là do lượng carbon cao hơn (và có khả năng Mn cao hơn một chút), do đó 55# khó hàn hơn nếu không được xử lý nhiệt trước hoặc sau khi hàn (PWHT).
• Đối với các kết cấu hàn quan trọng, hãy chọn vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, thực hiện gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và xem xét PWHT ở mức 55# để tránh nứt vùng HAZ.
• 45# dễ nối hơn và trong nhiều ứng dụng trong xưởng có thể hàn bằng vật tư tiêu hao tiêu chuẩn và nhiệt độ vừa phải.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 45# và 55# đều là thép cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại thấp.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ ngoài trời/khí quyển.
• Lớp phủ hữu cơ (epoxy, polyurethane) hoặc sơn cho môi trường nhẹ.
• Xử lý bề mặt như phủ phosphat hoặc tra dầu cho các bộ phận trong nhà, không quan trọng.
• Đối với bề mặt chịu mài mòn hoặc trượt, có thể áp dụng phương pháp làm cứng hoặc làm cứng vỏ (thấm cacbon/thấm nitơ sau đó hoàn thiện)—thấm cacbon có thể được sử dụng cho thép 45# nhưng ít phổ biến hơn đối với thép 55# do hàm lượng cacbon đã cao hơn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ liên quan đến thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• PREN không áp dụng cho thép cacbon thông thường như 45# và 55#.

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

• Khả năng gia công:
• Hàm lượng carbon cao hơn ở loại 55# làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và giảm khả năng gia công so với loại 45#. Khi tốc độ gia công và tuổi thọ dụng cụ là yếu tố quan trọng, loại 45# có lợi thế hơn.
• Độ cứng sau khi xử lý nhiệt làm giảm khả năng gia công; hãy cân nhắc cắt gián đoạn và sử dụng dụng cụ thích hợp cho điều kiện tôi cứng.
• Khả năng tạo hình và gia công nguội:
• Thép 45# có khả năng tạo hình nguội, uốn và kéo tốt hơn do độ cứng thấp hơn và độ dẻo cao hơn.
• Thép 55# dễ bị nứt hơn trong quá trình tạo hình và cần ứng suất tạo hình thấp hơn hoặc nhiệt độ/phương pháp tạo hình cao hơn.
• Mài, khoan và hoàn thiện:
• Cả hai đều có thể được hoàn thiện với dung sai cao, nhưng thông số cắt tối ưu phụ thuộc vào độ cứng cuối cùng. Chi phí hoàn thiện bề mặt tăng theo độ cứng (chi tiết xử lý nhiệt 55# có chi phí hoàn thiện cao hơn).
• Hạn chế xử lý nhiệt:
• Thép 55# cần được kiểm soát quá trình làm nguội và ram cẩn thận hơn để tránh biến dạng/nứt ở các sản phẩm rèn và các phần lớn.

8. Ứng dụng điển hình

45# (Công dụng điển hình)	55# (Công dụng điển hình)
Trục, trục (tải trọng vừa phải), trục khuỷu (khi rèn/tôi luyện), khớp nối, các bộ phận cơ khí chung yêu cầu khả năng gia công tốt và độ bền hợp lý	Trục, chốt chịu lực nặng hơn, một số loại phôi bánh răng, bộ phận chịu mài mòn, các thành phần yêu cầu độ cứng xuyên suốt cao hơn hoặc độ cứng dịch vụ cao hơn
Các thành phần được rèn và gia công sẽ được chuẩn hóa hoặc Q&T để có độ bền vừa phải và độ dẻo dai tốt	Các thành phần được thiết kế để có độ cứng cao hơn sau khi tôi và ram, bao gồm một số bộ phận nông nghiệp và xây dựng
Các bộ phận được tạo hình nguội đòi hỏi độ dẻo và uốn cong	Các bộ phận chịu ứng suất tiếp xúc cao hơn hoặc ưu tiên độ bền tĩnh/khả năng chống mài mòn cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại thép 45# khi ưu tiên tính dễ sản xuất, khả năng hàn và độ bền, kích thước tiết diện vừa phải. - Chọn loại thép 55# khi cần độ bền cao hơn hoặc độ cứng sâu hơn và quy trình sản xuất có thể đáp ứng các yêu cầu xử lý nhiệt, hàn và gia công nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Cả hai loại đều là thép cacbon thông thường. Thép 45# thường rẻ hơn một chút do được sử dụng rộng rãi hơn và hàm lượng cacbon thấp hơn một chút (do đó dễ gia công hơn).
• Thép 55# có thể đắt hơn một chút do hàm lượng carbon cao hơn và khả năng kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn đối với các ứng dụng xử lý nhiệt.
• Khả dụng:
• Thép 45# cực kỳ phổ biến trong các loại thép thanh, thép tấm và thép rèn. Thép 55# cũng được bán rộng rãi nhưng ít phổ biến hơn thép 45# ở một số thị trường và dạng sản phẩm.
• Thời gian hoàn thành đối với các bộ phận 55# đã qua xử lý nhiệt, xử lý bề mặt hoặc có tiết diện lớn có thể lâu hơn do quy trình xử lý (lịch trình làm nóng trước, ram, làm mát có kiểm soát).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	45#	55#
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Thấp hơn (CE cao hơn; yêu cầu làm nóng trước/PWHT)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt với độ bền vừa phải	Độ bền cao hơn có thể đạt được, độ dẻo thấp hơn nếu không được tôi luyện đúng cách
Trị giá	Thấp hơn một chút, có sẵn nhiều hơn	Cao hơn một chút, có thể cần kiểm soát xử lý nhiệt chặt chẽ hơn

Chọn 45# nếu: - Thiết kế nhấn mạnh vào độ dẻo, độ bền va đập, khả năng gia công hoặc hàn thường xuyên. - Các bộ phận có tiết diện trung bình và cần sản xuất tiết kiệm và có sẵn rộng rãi. - Bạn muốn có một cửa sổ xử lý nhiệt dễ sử dụng và dễ dàng xử lý trên sàn xưởng.

Chọn 55# nếu: - Cần có độ cứng cao hơn khi giao hàng, cường độ chịu kéo và giới hạn chảy cao hơn hoặc cải thiện khả năng làm cứng các phần dày hơn. - Kế hoạch sản xuất bao gồm việc làm nguội và ram có kiểm soát hoặc làm cứng bề mặt khi cacbon cơ bản có lợi. - Bạn chấp nhận các biện pháp phòng ngừa hàn và gia công bổ sung và có thể phải trả thêm một khoản phí nhỏ về vật liệu và chi phí gia công.

Lưu ý kết luận: Thông số kỹ thuật cần xem xét hình dạng, phương pháp xử lý nhiệt dự kiến, độ hoàn thiện bề mặt cần thiết, yêu cầu về mối hàn và tải trọng vận hành. Nếu còn nghi ngờ, hãy yêu cầu mẫu phiếu kiểm tra nhiệt luyện hoặc thực hiện thử nghiệm độ cứng/độ dai trên các mặt cắt tiêu biểu trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt.