50CrV4 so với 51CrV4 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

50CrV4 và 51CrV4 là hai loại thép lò xo hợp kim có liên quan chặt chẽ với nhau, được chứng nhận tiêu chuẩn châu Âu, thường được sử dụng cho các bộ phận lò xo và kỹ thuật có độ bền từ trung bình đến cao. Các nhà quản lý mua sắm, kỹ sư thiết kế và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng định hình và các quy trình tiếp theo như hàn, xử lý nhiệt và hoàn thiện bề mặt.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này tuy nhỏ nhưng lại có ý nghĩa quan trọng: 51CrV4 được chỉ định với mục tiêu cacbon/độ cứng hiệu dụng cao hơn một chút so với 50CrV4, tạo ra độ cứng và độ bền cao hơn một chút sau khi tôi và ram ở các chế độ xử lý tương đương. Vì cả hai đều thuộc cùng một họ thép lò xo crom-vanadi, chúng thường được so sánh khi những thay đổi nhỏ về tính chất cơ học, độ cứng hoặc chi phí ảnh hưởng đến quyết định thiết kế cuối cùng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn điển hình tham chiếu đến các loại thép này bao gồm các ký hiệu thuộc họ Châu Âu/EN và các tiêu chuẩn quốc gia bắt nguồn từ thông số kỹ thuật thép lò xo EN. Các tài liệu tham khảo quốc gia hoặc khu vực tương đương (ví dụ: một số tiêu chuẩn JIS, GB hoặc DIN cũ) có thể có trong tài liệu của nhà cung cấp.
• Phân loại theo loại:
• Cả 50CrV4 và 51CrV4 đều là thép lò xo cacbon hợp kim được sử dụng cho các bộ phận chịu tải và đàn hồi (không phải thép không gỉ, không phải HSLA theo nghĩa hiện đại).
• Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng lò xo và trục kỹ thuật và do đó được xếp vào loại "thép lò xo hợp kim" trong danh mục lựa chọn vật liệu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Tổng quan về thành phần định tính (dành cho kỹ sư/bộ phận mua sắm để so sánh vai trò của các thành phần). Giới hạn chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp; tham khảo chứng chỉ nhà máy để mua sắm.

Yếu tố	50CrV4 (vai trò điển hình)	51CrV4 (vai trò điển hình)
C (Cacbon)	Trung bình–cao: yếu tố chính góp phần tạo nên độ bền/độ cứng; được thiết kế để tôi luyện vào mùa xuân.	Cao hơn một chút so với 50CrV4: tăng khả năng tôi luyện và độ cứng tôi có thể đạt được.
Mn (Mangan)	Trung bình: hỗ trợ khả năng làm cứng và độ bền kéo.	Tương tự như 50CrV4; góp phần tăng khả năng tôi luyện.
Si (Silic)	Trung bình: có tác dụng khử oxy và tăng cường sức mạnh.	Mức độ tương đương; hỗ trợ sức đề kháng và sức mạnh.
P (Phốt pho)	Tạp chất còn lại (giữ ở mức thấp).	Mức độ tạp chất thấp, được kiểm soát.
S (Lưu huỳnh)	Lượng còn lại (giữ ở mức thấp đến trung bình để dễ gia công).	Tương tự; ưu tiên mức thấp.
Cr (Crom)	Nguyên tố hợp kim (khoảng 1%): tăng khả năng làm cứng, chống mài mòn và chống ram.	Hàm lượng Cr tương tự; được sử dụng để có được tính chất lò xo.
Ni (Niken)	Thông thường là tối thiểu hoặc không có.	Thông thường là tối thiểu hoặc không có.
Mo (Molypden)	Thường rất thấp hoặc không có ở cấp độ chuẩn.	Nói chung là không có hoặc không có dấu vết.
V (Vanadi)	Hợp kim vi mô (~ppm nhỏ đến thấp %) để tinh luyện hạt và làm cứng thứ cấp.	Hàm lượng vanadi thấp tương tự; tăng cường độ bền và độ dẻo dai.
Nb, Ti, B	Có dấu vết hoặc không áp dụng; có thể được sử dụng trong các chất tan chảy đặc biệt.	Có dấu vết hoặc không áp dụng.
N (Nitơ)	Chất dư được kiểm soát; không phải là nguyên tố hợp kim chính.	Kiểm soát dư lượng.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Cacbon: yếu tố chính quyết định độ bền và khả năng làm cứng; tăng một lượng nhỏ sẽ làm tăng độ cứng tối đa nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Crom và vanadi: cải thiện khả năng làm cứng, khả năng chịu nhiệt và khả năng chống mài mòn; vanadi làm mịn kích thước hạt, cải thiện độ dẻo dai. - Mangan và silic: hỗ trợ khử oxy và tăng cường độ cứng, đồng thời ảnh hưởng đến độ dai sau khi xử lý nhiệt. - Các nguyên tố hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti) giúp kiểm soát sự phát triển của hạt trong quá trình xử lý nhiệt độ cao và có thể cải thiện độ dẻo dai sau khi ram.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - Trong điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ: ferit cộng với perlit với các cacbua nhỏ và các cacbua vanadi hoặc cacbonitrit phân tán mịn (nếu có). - Sau khi tôi và ram: ram martensite với cacbua giữ lại và có thể là cacbua hợp kim mịn (Cr, V) cung cấp khả năng làm cứng thứ cấp và khả năng chống ram. - 51CrV4, với hàm lượng cacbon/khả năng tôi luyện cao hơn một chút, sẽ tạo ra tỷ lệ martensite lớn hơn khi tôi ở mức độ nghiêm ngặt giống hệt nhau so với 50CrV4 ở cùng một mặt cắt ngang.

Các tuyến xử lý nhiệt và phản ứng tương đối - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra cấu trúc vi mô ferit-perlit đồng nhất; cả hai loại đều phản ứng tương tự nhau, mặc dù 51CrV4 có thể cần làm mát hơi khác nhau để tránh độ cứng quá mức ở các phần lớn hơn. - Làm nguội và tôi luyện (phổ biến nhất đối với lò xo): - Nhiệt độ tôi (austenit hóa) và thời gian ngâm được lựa chọn để hòa tan cacbua và đồng nhất hóa thành phần. - Mức độ tôi (làm nguội bằng dầu, bằng polyme hoặc bằng không khí nhanh tùy thuộc vào kích thước mặt cắt) quyết định thành phần martensitic cuối cùng. 51CrV4 thường yêu cầu mức độ tôi nguội nhẹ hơn một chút để đạt được độ cứng nhất định do khả năng làm cứng cao hơn. - Quá trình tôi luyện cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai; cả hai loại đều có phản ứng theo dự đoán, nhưng 51CrV4 đạt đến độ cứng cao hơn ở điều kiện tôi luyện tương đương. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát/làm nguội nhanh) ít phổ biến hơn đối với các loại thép lò xo này nhưng có thể được sử dụng để tinh chỉnh cấu trúc vi mô và cải thiện tuổi thọ chịu mỏi.

4. Tính chất cơ học

Bảng: so sánh định tính (giá trị chính xác phụ thuộc vào phương pháp xử lý nhiệt và hình dạng sản phẩm; tham khảo báo cáo thử nghiệm của nhà máy).

Tài sản	50CrV4	51CrV4	Diễn giải
Độ bền kéo	Cao (điển hình cho thép lò xo đã tôi và ram)	Cao hơn một chút (ở mức làm nguội/ủ tương đương)	51CrV4 thường mang lại khả năng tăng độ bền kéo biên do độ cứng C cao hơn.
Cường độ chịu kéo	Cao	Cao hơn một chút	Cùng xu hướng như lực kéo.
Độ giãn dài (%)	Trung bình (sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo)	Thấp hơn một chút	Hàm lượng carbon cao hơn làm giảm phần nào độ dẻo.
Độ bền va đập	Tốt cho thép lò xo khi được tôi luyện đúng cách	Giảm nhẹ so với 50CrV4 ở cùng mức cường độ	Độ dẻo dai phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt và kích thước mặt cắt; 51CrV4 có thể cần điều chỉnh độ cứng.
Độ cứng (HRC/HV)	Độ cứng đạt được cao sau khi Q&T	Độ cứng có thể đạt được cao hơn một chút	51CrV4 cho phép độ cứng khi tôi cao hơn hoặc độ cứng tương tự nhưng tôi ít nghiêm trọng hơn.

Tại sao những khác biệt này xảy ra - Hàm lượng cacbon tăng nhẹ và khả năng tôi cứng hiệu quả cho phép tạo ra tỷ lệ martensitic lớn hơn sau khi tôi, đồng thời tăng cường độ bền và độ cứng. Tuy nhiên, hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ nhạy nứt trong quá trình hàn và có thể làm giảm nhẹ độ dẻo dai và độ dẻo dai nếu không được ram đúng cách.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc phần lớn vào lượng cacbon tương đương và lượng hợp kim bổ sung giúp tăng khả năng tôi luyện.

Các kỹ sư sử dụng công thức tính lượng cacbon tương đương tiêu biểu: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ - Công thức BSI/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 - Cả hai loại đều có hàm lượng cacbon và hợp kim vừa phải; giá trị CE/Pcm của chúng sẽ nằm trong phạm vi yêu cầu phải nung nóng trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn để tránh nứt nguội ở vùng HAZ (vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt). - 51CrV4, với hàm lượng carbon/khả năng tôi cao hơn một chút, sẽ có CE/Pcm cao hơn và do đó khả năng hàn kém thuận lợi hơn: rủi ro gia nhiệt trước và sau khi hàn tăng lên, và quy trình hàn nghiêm ngặt hơn. - Biện pháp giảm thiểu: giảm thiểu sự hạn chế, sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, gia nhiệt trước dựa trên độ dày của tiết diện và CE, và cân nhắc xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) hoặc tránh hàn ở các tiết diện lò xo chịu ứng suất cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 50CrV4 và 51CrV4 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương tự như thép hợp kim cacbon và nhìn chung ở mức trung bình.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình:
• Cơ khí: sơn, sơn tĩnh điện.
• Lớp phủ kim loại: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện kẽm hoặc lớp phủ chuyển đổi tùy thuộc vào ứng dụng và độ nhạy mỏi.
• Quá trình thụ động hóa không áp dụng được đối với thép không gỉ.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) dành riêng cho hợp kim thép không gỉ và không áp dụng cho các loại thép lò xo không phải thép không gỉ sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Lưu ý: mạ kẽm hoặc phủ lớp có thể thay đổi hiệu suất chịu mỏi; hãy xem xét tác động của độ dày lớp phủ và độ giòn do hydro đối với bề mặt tôi và ram có độ bền cao.

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

• Khả năng gia công: Trong điều kiện ủ, cả hai loại thép đều gia công tương tự nhau; hàm lượng carbon cao hơn (51CrV4) có thể làm cho việc gia công trên dụng cụ trở nên mài mòn hơn một chút trong điều kiện khắc nghiệt. Khả năng gia công được cải thiện ở trạng thái ủ/chuẩn hóa, và giảm dần khi độ cứng tăng lên sau khi tôi.
• Khả năng định hình và uốn nguội: Tốt hơn ở điều kiện ủ/chuẩn hóa. 50CrV4 có khả năng định hình tốt hơn một chút do độ bền/khả năng làm cứng thấp hơn một chút; 51CrV4 yêu cầu kiểm soát biến dạng cẩn thận hơn hoặc ủ trung gian.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều chấp nhận các phương pháp hoàn thiện thông thường (mài, phun bi để cải thiện độ mỏi). 51CrV4 cứng hơn sau khi xử lý nhiệt có thể cần phải mài mạnh hơn và cân nhắc đến độ mài mòn dụng cụ.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình (hai cột).

50CrV4 — Công dụng điển hình	51CrV4 — Công dụng điển hình
Lò xo lá và lò xo cuộn ô tô đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền và tuổi thọ chịu mỏi	Lò xo và trục hiệu suất cao, ưu tiên độ bền tối đa cho mỗi phần
Thanh xoắn, bộ phận treo chịu tải trung bình	Lò xo chịu ứng suất cao trong các ứng dụng có kích thước tiết diện hạn chế, nơi cần độ cứng cao hơn
Trục, trục nhỏ và lò xo cơ học nói chung	Các thành phần yêu cầu độ bền cao hơn một chút hoặc nơi xử lý nhiệt có thể được kiểm soát chặt chẽ
Sản xuất dụng cụ cần có đặc tính lò xo có độ bền tốt	Lò xo chuyên dụng trong thiết bị địa hình hoặc xe đua thể thao, nơi có độ bền cao hơn một chút để kiểm soát mối hàn chặt chẽ hơn

Cơ sở lựa chọn - Chọn 50CrV4 khi độ bền, khả năng hàn và dễ tạo hình là ưu tiên hàng đầu và khi có thể chấp nhận được độ bền thấp hơn một chút. - Chọn 51CrV4 khi thiết kế yêu cầu độ cứng tôi hoặc độ bền kéo cao hơn một chút cho cùng một hình dạng và khi sản xuất có thể kiểm soát quy trình xử lý nhiệt và hàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Vì thành phần gần giống nhau và đều là loại thép lò xo phổ biến ở châu Âu nên chênh lệch chi phí vật liệu cơ bản thường nhỏ. 51CrV4 có thể có mức giá cao hơn một chút do kiểm soát chặt chẽ hơn hoặc nhu cầu ở một số thị trường cụ thể.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại thép này đều có sẵn dưới dạng thanh, dây, rèn và băng trong danh mục nhà cung cấp trên khắp châu Âu và tại các công ty thương mại thép toàn cầu. Tình trạng sẵn có theo dạng sản phẩm có thể khác nhau tùy theo nhà máy; các sản phẩm thép cán dài hoặc thép cán nóng tùy chỉnh nên được chỉ định sớm trong quá trình mua sắm.
• Lưu ý mua sắm: Chỉ định tiêu chuẩn chính xác, trạng thái xử lý nhiệt cần thiết, độ cứng và chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy để tránh sai sót.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: so sánh ngắn gọn

Thuộc tính	50CrV4	51CrV4
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Kém hơn một chút (CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt ở cường độ cao	Độ bền cao hơn một chút; độ dẻo dai giảm nhẹ ở cùng nhiệt độ
Trị giá	Nói chung là thấp hơn hoặc tương tự	Phí bảo hiểm tương tự hoặc thấp

Sự giới thiệu - Chọn 50CrV4 nếu: - Bạn cần một loại thép lò xo cân bằng tốt với khả năng hàn tốt hơn và độ dẻo/độ bền tốt hơn một chút cho các ứng dụng đòi hỏi tuổi thọ chịu mỏi và khả năng sửa chữa. - Khả năng định hình và giảm thiểu rủi ro trong quá trình hàn/lắp ráp là ưu tiên hàng đầu. - Chọn 51CrV4 nếu: - Bạn cần độ bền tôi và ram cao hơn một chút hoặc độ cứng tối đa trong một mặt cắt ngang nhất định và có thể kiểm soát các quy trình tôi, ram và hàn. - Ứng dụng này đòi hỏi các phần nhỏ hơn hoặc khả năng chịu ứng suất cao hơn và môi trường sản xuất hỗ trợ các quy trình hàn và xử lý nhiệt nghiêm ngặt hơn.

Ghi chú kết thúc cho các kỹ sư và bộ phận mua sắm - Sự khác biệt thực tế giữa các cấp độ này được cố ý giảm xuống mức nhỏ. Lựa chọn chính xác phụ thuộc vào toàn bộ bối cảnh sản xuất và dịch vụ: hình dạng và kích thước tiết diện của chi tiết (ảnh hưởng đến khả năng tôi và lựa chọn phương pháp tôi), tuổi thọ chịu mỏi cần thiết, khả năng thực hiện quy trình hàn và liệu việc xử lý nhiệt sau hàn có khả thi hay không. Luôn ghi rõ các đặc tính cơ học cần thiết, trạng thái xử lý nhiệt và các bài kiểm tra nghiệm thu trên đơn đặt hàng, đồng thời yêu cầu chứng nhận nhà máy để xác minh sự phù hợp về mặt hóa học và cơ học.