50CrVA so với 55CrVA – 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 cân nhắc giữa các loại thép hợp kim có mối quan hệ mật thiết, trong đó những thay đổi về thành phần hóa học gia tăng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất, chi phí và quy trình xử lý tiếp theo. Việc lựa chọn giữa 50CrVA và 55CrVA là một ví dụ điển hình: cả hai đều là thép hợp kim crom-vanadi được sử dụng cho các chi tiết đòi hỏi sự cân bằng giữa khả năng chống mài mòn, độ bền và độ dẻo dai, nhưng chúng lại có vị trí hơi khác nhau trên phổ độ bền-độ dẻo dai và khả năng tôi cứng.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở hàm lượng carbon và lượng hợp kim vanadi vi mô. Những khác biệt này ảnh hưởng đến khả năng tôi cứng, độ cứng đạt được sau khi xử lý nhiệt, phản ứng ram và yêu cầu xử lý nhiệt trước hoặc sau khi hàn. Vì nhiều quyết định mua sắm và thiết kế phụ thuộc vào sự cân bằng chặt chẽ (độ bền so với khả năng gia công, khả năng hàn so với tuổi thọ chịu mài mòn, và chi phí so với hiệu suất vòng đời), việc hiểu rõ các hệ quả về mặt luyện kim và thực tiễn là điều cần thiết.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các hệ thống tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế phổ biến có thể bao gồm GB (Trung Quốc), JIS (Nhật Bản), EN (Châu Âu) và các tên gọi riêng của nhà cung cấp khác. Cả 50CrVA và 55CrVA đều không phải là tên gọi tiêu chuẩn ASTM; chúng thường được tìm thấy trong chuỗi cung ứng của Trung Quốc/Châu Á hoặc trong danh pháp nhà máy độc quyền.
• Phân loại:
• 50CrVA: thép hợp kim crom-vanadi có hàm lượng carbon trung bình đến cao — thuộc nhóm thép hợp kim/thép dụng cụ (được sử dụng cho các bộ phận đã tôi và ram).
• 55CrVA: biến thể có hàm lượng carbon cao hơn của thép hợp kim crom-vanadi — cũng là một loại thép hợp kim/thép dụng cụ, có độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn.

Lưu ý: Vì quy ước đặt tên khác nhau tùy theo quốc gia và nhà máy, hãy luôn kiểm tra thông số kỹ thuật của nhà sản xuất hoặc tiêu chuẩn quốc gia có liên quan để biết các yêu cầu chính xác về hóa chất và cơ học trước khi mua hàng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện thành phần so sánh, mang tính chỉ dẫn, tập trung vào các nguyên tố có liên quan nhất đến hiệu suất. Các số liệu này là phạm vi đại diện được sử dụng trong các cuộc thảo luận trong ngành; giới hạn thành phần chính xác phải được xác nhận dựa trên chứng chỉ nhà máy hoặc các tiêu chuẩn hiện hành.

Yếu tố	50CrVA (điển hình, chỉ định)	55CrVA (điển hình, chỉ định)	Vai trò/Hiệu ứng
C (cacbon)	Trung bình (~0,48–0,52 wt%)	Cao hơn (~0,52–0,58 wt%)	Cacbon làm tăng độ cứng và độ bền sau khi tôi nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo.
Mn (mangan)	~0,50–1,00	tương tự	Mn cải thiện khả năng làm cứng và độ bền kéo; cũng hoạt động như một chất khử oxy.
Si (silicon)	~0,15–0,40	tương tự	Si hỗ trợ tăng cường sức mạnh và khử oxy; quá nhiều có thể làm giòn.
P (phốt pho)	≤ 0,03 (vết)	≤ 0,03	Tạp chất — hàm lượng cao làm giảm độ dẻo dai.
S (lưu huỳnh)	≤ 0,035 (vết)	≤ 0,035	Tạp chất — mức độ cao làm giảm độ dẻo dai; cải thiện khả năng gia công nếu biến thể gia công tự do.
Cr (crom)	~0,8–1,3	tương tự	Cr cải thiện khả năng làm cứng, chống mài mòn và chống ram.
Ni (niken)	dấu vết	dấu vết	Nếu có, sẽ cải thiện độ dẻo dai.
Mo (molypden)	theo dõi đến mức thấp	theo dõi đến mức thấp	Mo làm tăng khả năng làm cứng và độ bền ở nhiệt độ cao.
V (vanadi)	Thấp (ví dụ: ~0,03–0,08)	Cao hơn (ví dụ, ~0,05–0,12)	Vanadi tạo thành cacbua/nitrit giúp tinh chỉnh hạt, cải thiện độ bền và giúp tôi luyện khả năng chống chịu.
Nb / Ti / B / N	dấu vết, nếu có	dấu vết, nếu có	Các nguyên tố hợp kim vi mô dùng để tinh chế hạt hoặc tăng cường kết tủa.

Chiến lược hợp kim hoạt động như thế nào: - Cacbon là yếu tố chính thúc đẩy khả năng tôi luyện: lượng cacbon tăng nhỏ sẽ làm tăng độ cứng đạt được ở cùng mức độ tôi luyện. - Crom và molypden kéo dài đường cong độ cứng và giảm xu hướng hình thành martensite thô; chúng cũng cải thiện khả năng chống mài mòn và độ ổn định khi ram. - Vanadi hoạt động chủ yếu như một hợp kim vi mô: nó tạo thành các kết tủa VC hoặc V(C,N) mịn giúp tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó, tăng cường độ thông qua quá trình làm cứng kết tủa và giúp duy trì độ cứng ở nhiệt độ tôi cao. - Hiệu ứng ròng: Mục tiêu gia tăng hàm lượng cacbon và vanadi của 55CrVA là tạo ra độ bền tôi và khả năng chống mài mòn cao hơn ở các lịch trình xử lý nhiệt tương đương với 50CrVA, với cái giá phải trả là khả năng hàn và khả năng tạo hình giảm đôi chút.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ, cả hai loại đều thể hiện ma trận ferit-perlit; thành phần perlit tăng theo hàm lượng cacbon. - Sau khi làm nguội và ram, cấu trúc vi mô mục tiêu được ram martensite bằng các hợp kim cacbua phân tán (các hợp chất/cacbua giàu Cr và giàu V).

Tác dụng của quá trình xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra cấu trúc vi mô ferit-pearlit tương đối đồng đều, phù hợp cho gia công và các ứng dụng có độ bền trung bình. - Tôi & ram (Q&T): xử lý dung dịch (austenit hóa), tôi để tạo thành martensite, sau đó ram để điều chỉnh độ dai/cứng. Hàm lượng cacbon cao hơn (55CrVA) sẽ tạo ra độ cứng sau khi tôi cao hơn; ram phải được lựa chọn để cân bằng độ dai và độ cứng còn lại. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát) có thể tạo ra các hạt austenit mịn hơn, cải thiện độ dẻo dai ở cùng độ bền. Kết tủa vanadi có thể xác định ranh giới hạt trong quá trình gia nhiệt và cán, hỗ trợ tinh chế hạt. - Ý nghĩa thực tiễn: 55CrVA đạt độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn sau khi làm nguội và ram; 50CrVA có độ dẻo/độ dai tốt hơn một chút đối với cùng mục tiêu độ cứng hoặc có thể được xử lý nhiệt ở nhiệt độ ram thấp hơn một chút để phù hợp với độ bền của 55CrVA trong khi vẫn giữ được độ dai tốt hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi chỉ định điển hình cho điều kiện tôi và ram được sử dụng trong các linh kiện công nghiệp. Giá trị thực tế phụ thuộc vào thành phần hóa học chính xác, kích thước tiết diện, nhiệt độ austenit hóa, môi trường tôi và chế độ ram.

Thuộc tính (Hỏi & Đáp, mang tính chỉ dẫn)	50CrVA	55CrVA	Bình luận
Độ bền kéo (MPa)	~800–1100	~900–1200	55CrVA có xu hướng đạt giá trị độ bền kéo cao hơn do hàm lượng carbon và vanadi cao hơn.
Giới hạn chảy (MPa)	~600–900	~700–1000	Năng suất tăng theo hàm lượng carbon và lượng mưa.
Độ giãn dài (%)	~10–16	~8–14	50CrVA thường có độ dẻo tốt hơn một chút.
Tác động Charpy (J)	thay đổi theo xử lý nhiệt; thường ở mức vừa phải	thường thấp hơn ở cùng độ cứng	Độ dẻo dai phụ thuộc vào kích thước mặt cắt và quá trình tôi luyện; 50CrVA thường có độ dẻo dai cao hơn.
Độ cứng (HRC, phạm vi điển hình sau Q&T)	~28–50 HRC	~30–55 HRC	55CrVA có thể đạt được HRC cao hơn cho các ứng dụng quan trọng về độ mài mòn.

Cái nào mạnh hơn/cứng hơn/dẻo hơn: - Bền hơn: 55CrVA (độ bền và độ cứng cao hơn). - Dẻo hơn/dẻo hơn: 50CrVA (độ dẻo dai tốt hơn ở mức độ cứng nhất định do hàm lượng carbon thấp hơn và ít bị cứng hơn do cacbua). - Sự đánh đổi phải được cân bằng với hình dạng của linh kiện và tuổi thọ chịu mỏi cần thiết.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim vi mô. Hai chỉ số được sử dụng rộng rãi:

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

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

Giải thích định tính: - Hàm lượng carbon cao hơn và hàm lượng vanadi cao hơn một chút của 55CrVA làm tăng chỉ số tương đương carbon, cho thấy nguy cơ nứt nguội cao hơn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) và xu hướng hình thành martensite cứng sau khi hàn. - Vanadi có thể làm tăng nhẹ khả năng tôi luyện và độ cứng HAZ; tuy nhiên, kết tủa hợp kim vi mô cũng có thể làm giảm sự phát triển của hạt trong chu kỳ hàn, có thể làm giảm một số tổn thất về độ dẻo dai. - Hướng dẫn thực hành: - Nhiệt độ giữa các đường hàn được kiểm soát và làm nóng trước có thể cần thiết hơn đối với 55CrVA, đặc biệt là đối với các phần dày hơn. - Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) như ram hoặc giảm ứng suất có thể được chỉ định thường xuyên hơn đối với 55CrVA để giảm ứng suất dư và ram martensit giòn. - Việc sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, thiết kế mối nối phù hợp và quy trình hàn đạt chuẩn là điều cần thiết cho cả hai loại khi hàn trong điều kiện có độ bền cao hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này là thép hợp kim không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế so với thép không gỉ.
• Các tùy chọn bảo vệ điển hình:
• Lớp phủ bề mặt (hệ thống sơn), phốt phát và sơn, và mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ chống ăn mòn trong khí quyển.
• Đối với dịch vụ kết hợp chống mài mòn và ăn mòn, có thể áp dụng lớp phủ cứng hoặc mạ cục bộ.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ sau. Để tham khảo, PREN được sử dụng cho các hợp kim thép không gỉ:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

• Sử dụng các khoản phụ cấp ăn mòn, các đặc điểm thiết kế hoặc lớp phủ hy sinh ở những nơi có khả năng tiếp xúc lâu dài.

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

• Khả năng gia công: Hàm lượng carbon cao hơn và cấu trúc vi mô cứng hơn làm giảm khả năng gia công. Trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa, cả hai loại thép đều có thể gia công được; 55CrVA ở trạng thái carbon cao hơn hoặc sau khi tôi một phần sẽ cắt chậm hơn và làm mòn dụng cụ nhanh hơn.
• Khả năng tạo hình: Carbon thấp (50CrVA) dễ uốn/tạo hình hơn. Ép nguội 55CrVA bị hạn chế hơn; có thể cần ủ sơ bộ để tạo hình đáng kể.
• Mài và hoàn thiện: Độ cứng cao hơn ở 55CrVA làm tăng mức tiêu thụ vật liệu mài mòn và thời gian chu kỳ.
• Có thể áp dụng các phương pháp xử lý bề mặt (thấm nitơ, làm cứng cảm ứng) tùy thuộc vào yêu cầu về độ mài mòn; cả hai loại đều có thể được làm cứng bề mặt, nhưng phải xem xét các đặc tính lõi và khả năng làm cứng để tránh nứt khi làm nguội.

8. Ứng dụng điển hình

50CrVA – Công dụng điển hình	55CrVA – Công dụng điển hình
Trục, bánh răng và các thành phần được tôi và ram đa năng, nơi cần có sự cân bằng giữa độ bền và độ cứng	Trục chịu tải nặng, bánh răng dễ bị mài mòn và các bộ phận ưu tiên độ cứng/khả năng chống mài mòn cao hơn
Các thành phần ô tô cần có độ dẻo dai và khả năng chống mỏi	Các thành phần trong dụng cụ, khuôn mẫu hoặc dịch vụ chịu mài mòn cao, trong đó độ cứng bề mặt và độ bền lõi là rất quan trọng
Các bộ phận máy móc chung, chốt trục, bánh răng dẫn hướng chịu tải trung bình	Các ứng dụng đòi hỏi độ cứng dịch vụ cao hơn và tuổi thọ mài mòn dài hơn, đôi khi ở các mặt cắt ngang nhỏ hơn, nơi có thể đạt được quá trình làm cứng xuyên suốt

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 50CrVA khi dịch vụ yêu cầu độ bền cân bằng tốt hơn, chế tạo dễ dàng hơn và khả năng hàn được cải thiện đôi chút. - Chọn 55CrVA khi yêu cầu chính là độ bền cao hơn, khả năng chống mài mòn và khả năng giữ độ cứng cao hơn sau khi ram, chấp nhận kiểm soát chặt chẽ hơn khi hàn và tạo hình.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 55CrVA thường đắt hơn một chút do hàm lượng hợp kim và carbon cao hơn và quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn để tạo ra các đặc tính đồng nhất.
• Nguồn cung/tính khả dụng: Cả hai loại này thường có sẵn tại các nhà máy chuyên dụng và nhà phân phối ở dạng thanh, tấm và rèn, nhưng tính khả dụng theo khu vực phụ thuộc vào nhu cầu địa phương và dòng sản phẩm của nhà máy.
• Hình dạng sản phẩm: Thanh (tròn, vuông), rèn, và đôi khi là tấm; thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu có thể thay đổi. Vui lòng ghi rõ chứng chỉ nhà máy và điều kiện xử lý nhiệt chính xác khi đặt hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	50CrVA	55CrVA
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Thấp hơn (CE cao hơn; cần làm nóng trước/PWHT)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt ở mức độ bền vừa phải	Độ bền và độ cứng cao hơn, độ dẻo dai thấp hơn ở cùng độ cứng
Trị giá	Thấp đến trung bình	Cao hơn một chút

Kết luận và khuyến nghị cụ thể: - Chọn 50CrVA nếu: - Linh kiện đòi hỏi sự cân bằng tốt hơn giữa độ dẻo dai và độ bền. - Các bước chế tạo bao gồm hàn, tạo hình hoặc gia công mở rộng, trong đó tính dễ gia công là yếu tố quan trọng. - Thiết kế nhạy cảm với hiệu suất chịu mỏi và đặc tính HAZ.

• Chọn 55CrVA nếu:
• Yêu cầu chính là độ cứng cao hơn, khả năng chống mài mòn hoặc cường độ kéo/giới hạn chảy cao hơn.
• Kích thước tiết diện và khả năng xử lý nhiệt cho phép tôi xuyên suốt mà không có nguy cơ nứt vỡ không thể chấp nhận được.
• Kế hoạch mua sắm và chế tạo bao gồm các biện pháp kiểm soát hàn phù hợp (làm nóng trước, vật tư tiêu hao ít hydro, PWHT nếu cần).

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác nhận cấp độ đã chọn dựa trên dữ liệu hóa học và cơ học được chứng nhận của nhà sản xuất và xác nhận quy trình xử lý nhiệt và hàn trên vật liệu đại diện và độ dày của phần trước khi sản xuất.