51CrV4 so với 60SiCr7 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

51CrV4 và 60SiCr7 là hai loại thép hợp kim thường được sử dụng trong thực tế tại châu Âu, đặc biệt khi yêu cầu độ bền cao, khả năng chống mỏi và chống mài mòn—các ứng dụng điển hình bao gồm trục, trục khuỷu, lò xo và các bộ phận máy được tôi luyện. Các kỹ sư và quản lý mua sắm phải cân nhắc những yếu tố đánh đổi như độ bền so với độ dẻo dai, độ phức tạp của quá trình xử lý nhiệt, khả năng gia công và chi phí khi lựa chọn giữa chúng.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là 51CrV4 là thép hợp kim vi lượng crom-vanadi cacbon trung bình được thiết kế để đạt được độ bền-độ dẻo dai cân bằng sau khi tôi và ram, trong khi 60SiCr7 là thép lò xo silicon-crom cacbon cao hơn, được tối ưu hóa để đạt độ cứng và tính đàn hồi cao sau khi xử lý nhiệt có kiểm soát. Những khác biệt này thúc đẩy việc lựa chọn vật liệu khi khả năng chịu tải tĩnh, tuổi thọ mỏi hoặc hành vi lò xo chiếm ưu thế trong các yêu cầu thiết kế.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 51CrV4 — Thường được tìm thấy trong các ký hiệu Châu Âu/DIN (EN / DIN); các số hiệu cũ điển hình bao gồm 1.8159 / 51CrV4. Được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình (hợp kim vi mô) dùng cho các ứng dụng kết cấu và trục có thể xử lý nhiệt.
• 60SiCr7 — Xuất hiện trong một số danh sách thép lò xo châu Âu; được phân loại là thép lò xo silicon-crom có ​​hàm lượng carbon cao dùng cho lò xo và các bộ phận có độ bền cao, độ đàn hồi cao.

Lưu ý: Cả hai loại đều không phải thép không gỉ. Các loại thép tương đương hoặc tương tự có thể xuất hiện trong các tiêu chuẩn quốc gia (các tiêu chuẩn tương đương của JIS, GB, ASTM có thể khác nhau); luôn kiểm tra chứng chỉ nhà cung cấp và ký hiệu tiêu chuẩn chính xác để thử nghiệm nghiệm thu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (%) theo tiêu chuẩn và bảng dữ liệu nhà máy thông thường. Đây là các phạm vi điển hình—tham khảo giấy chứng nhận nhà máy để biết vật liệu thực tế.

Yếu tố	51CrV4 (phạm vi điển hình)	60SiCr7 (phạm vi điển hình)
C	0,47–0,55	0,56–0,64
Mn	0,50–0,80	0,30–0,60
Si	0,15–0,40	0,80–1,20
P	≤ 0,025–0,035	≤ 0,025–0,035
S	≤ 0,025–0,035	≤ 0,025–0,035
Cr	0,80–1,20	0,50–0,90
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mo	≤ 0,10	≤ 0,10
V	0,05–0,12	≤ 0,05 (thường không có)
Lưu ý	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	–	–

Giải thích: - 51CrV4 sử dụng cacbon vừa phải cộng với Cr và hợp kim vi mô với V để tinh chỉnh kích thước hạt, tăng khả năng tôi và cải thiện khả năng chịu nhiệt. Vanadi tạo thành cacbua/nitrit giúp gia cường martensite đã tôi và cải thiện hiệu suất chịu mỏi. - 60SiCr7 sử dụng hàm lượng carbon cao hơn với hàm lượng silic cao hơn (khử oxy và gia cường) và crom để kiểm soát khả năng làm cứng và khả năng chịu nhiệt; tính chất hóa học của nó được thiết kế riêng cho các đặc tính của lò xo (giới hạn đàn hồi, độ mỏi) hơn là độ dẻo dai.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - 51CrV4 cán/chuẩn hóa: ferit + perlit với sự phân tán mịn của cacbua/nitrit V; độ tinh luyện hạt vừa phải do V. - 60SiCr7 cán/chuẩn hóa: cấu trúc tương đối giống perlit/ferit với thành phần perlit cao hơn do hàm lượng cacbon và silic tăng lên; perlit mịn hơn nếu được xử lý nhiệt cơ học.

Phản ứng xử lý nhiệt: - 51CrV4: phản ứng tốt với quá trình tôi và ram (austenit hóa, tôi dầu/nước tùy theo tiết diện, sau đó ram). Tôi tạo ra martensite ram; V làm chậm quá trình thô hóa cacbua và cải thiện khả năng chịu ram, cho phép độ bền cao với độ dai được duy trì. Thường hóa cải thiện khả năng gia công và tinh chỉnh cấu trúc vi mô trước khi ram cuối cùng. - 60SiCr7: thường tôi cứng dễ dàng hơn do hàm lượng cacbon và Si cao hơn. Đối với ứng dụng lò xo, vật liệu này thường được tôi cứng và ram để đạt được giới hạn chảy cao và độ đàn hồi phù hợp (nhiệt độ và thời gian ram rất quan trọng đối với đặc tính giãn nở khi đông cứng). Nguy cơ giòn sau khi ram nông cao hơn; cần thực hiện các chu kỳ ram cẩn thận để cân bằng độ đàn hồi và độ dẻo dai.

Các phương pháp xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát + làm nguội nhanh) có thể tăng cường độ bền và độ dẻo dai cho cả hai loại, nhưng 51CrV4 hợp kim vi mô được hưởng lợi nhiều hơn từ quá trình gia cường kết tủa.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt. Phạm vi điển hình cho điều kiện tôi và ram hoặc xử lý nhiệt lò xo:

Tài sản	51CrV4 (đã tôi và ram)	60SiCr7 (được tôi cứng bằng lò xo/ram)
Độ bền kéo (MPa)	700–1100	800–1500
Giới hạn chảy (0,2% proof, MPa)	550–900	700–1400
Độ giãn dài (%)	10–18	6–15
Độ bền va đập (Charpy V, J)	trung bình đến tốt (ví dụ, 30–80 J tùy thuộc vào phần/tính khí)	thấp hơn, thay đổi — thép lò xo thường giảm tác động để có độ bền cao hơn
Độ cứng (HRC)	~20–40 (tùy theo tính khí)	~28–55 (tùy theo tính khí)

Giải thích: - 60SiCr7 có thể đạt được độ bền kéo và độ bền cực đại cao hơn do hàm lượng cacbon cao hơn và khả năng tạo thành martensite tôi cường độ cao, đó là lý do tại sao nó được ưa chuộng để làm lò xo và dây. - 51CrV4 mang lại sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền và độ dẻo dai; sự hiện diện của V và carbon vừa phải mang lại độ dẻo dai và khả năng chống va đập được cải thiện ở mức độ tôi luyện tương đương. - Lựa chọn phụ thuộc vào việc thiết kế ưu tiên giới hạn đàn hồi tối đa (60SiCr7) hay độ bền và độ dẻo dai kết hợp (51CrV4).

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, các yếu tố làm cứng và sự hiện diện của hợp kim vi mô.

Chỉ số khả năng hàn chính (chỉ sử dụng cho mục đích định tính): - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ - Pcm (bảo thủ hơn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 60SiCr7 có hàm lượng cacbon và silic cao hơn; điều này làm tăng giá trị tương đương cacbon và tăng nguy cơ nứt nguội ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của mối hàn cũng như xu hướng hình thành martensite cứng. Thông thường, cần phải gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) có kiểm soát. - 51CrV4, với hàm lượng cacbon và hợp kim vi mô thấp hơn, thường cho khả năng hàn tốt hơn 60SiCr7 nhưng vẫn có thể cần nung nóng và ram sau khi hàn ở trạng thái tôi và ram. Vanadi và crom làm tăng khả năng tôi, do đó quy trình hàn vẫn nên cân nhắc kích thước tiết diện và hạn chế. - Cả hai loại thép này đều không dễ hàn như thép ít cacbon; quy trình hàn đạt chuẩn và kiểm soát hydro là rất quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 51CrV4 và 60SiCr7 đều không phải là thép không gỉ chống ăn mòn. Khả năng chống ăn mòn đạt được nhờ lớp phủ và xử lý bề mặt:
• Mạ kẽm, mạ điện, phủ lớp chuyển đổi phosphate, hệ thống sơn và lớp phủ hữu cơ là phổ biến.
• Thiết kế và khoảng cách thoát nước có thể quan trọng để kéo dài tuổi thọ.
• PREN (hệ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Để tham khảo, PREN là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Đối với các bộ phận tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt, hãy cân nhắc sử dụng thép không gỉ hoặc áp dụng phương pháp xử lý bề mặt mạnh mẽ.

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

• Khả năng gia công:
• 51CrV4 ở điều kiện chuẩn hóa có khả năng gia công khá tốt; sau khi tôi cứng, việc gia công trở nên khó khăn hơn. Hợp kim vi mô với V có thể làm tăng độ mài mòn dụng cụ ở mức độ vừa phải.
• 60SiCr7 có độ cứng cao hơn sau khi xử lý nhiệt; gia công ở trạng thái tôi cứng rất khó khăn và thường đòi hỏi phải mài hoặc gia công EDM. Ở trạng thái ủ/thường hóa, khả năng gia công ở mức trung bình nhưng silicon có thể làm tăng độ mài mòn dụng cụ.
• Khả năng định hình:
• 51CrV4 có độ dẻo tốt hơn khi ủ hoặc ở trạng thái chuẩn hóa và có thể tạo hình nguội ở mức độ hạn chế; tránh tạo hình ở trạng thái cứng.
• 60SiCr7 khó định hình hơn do có hàm lượng carbon cao hơn và được thiết kế chủ yếu để tạo hình lò xo khi có thể gia công nguội có kiểm soát (các nhà sản xuất dây/lò xo sử dụng các quy trình chuyên biệt).
• Xử lý nhiệt:
• Cả hai đều cần được kiểm soát cẩn thận để tránh hiện tượng thoát cacbon và đạt được các đặc tính cơ học mong muốn. Mài và phun bi là các bước hoàn thiện phổ biến.

8. Ứng dụng điển hình

51CrV4	60SiCr7
Trục, trục xe, linh kiện rèn, ốc vít cường độ cao, các bộ phận máy được tôi luyện khi cần độ bền	Lò xo (lá, cuộn, dây), linh kiện đàn hồi chịu ứng suất cao, lưỡi cưa, chốt chịu ứng suất cao trong đó giới hạn đàn hồi tối đa và tuổi thọ chịu mỏi là rất quan trọng
Các bộ phận kết cấu chung đòi hỏi khả năng chống mỏi và độ bền tốt	Các thành phần yêu cầu độ bền kéo cao và hành vi giãn nở được kiểm soát (ví dụ: lò xo treo)

Cơ sở lựa chọn: - Sử dụng 51CrV4 khi các bộ phận yêu cầu độ bền tĩnh cao với khả năng chống va đập và mỏi (ví dụ: trục ô tô, rèn tải nặng). - Sử dụng 60SiCr7 khi yêu cầu chính là giới hạn đàn hồi cao, tuổi thọ chịu mỏi và hiệu suất lò xo, chấp nhận độ bền va đập thấp hơn và yêu cầu kiểm soát nhiệt/hàn khắt khe hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 60SiCr7 có thể rẻ hơn một chút tính theo tấn về giá thành hợp kim cơ bản vì nó không chứa các nguyên tố hợp kim vi mô như vanadi, nhưng tổng chi phí linh kiện có thể cao hơn do yêu cầu xử lý nhiệt và hoàn thiện nghiêm ngặt hơn. 51CrV4 có thể có chi phí nguyên liệu thô cao hơn một chút do hàm lượng Cr+V.
• Phân loại theo dạng sản phẩm: Cả hai loại thép này thường có dạng thanh, dây (60SiCr7 được sử dụng rộng rãi dưới dạng dây lò xo) và dạng rèn. 60SiCr7 thường được các nhà cung cấp thép lò xo dự trữ. 51CrV4 là thép rèn/trục tiêu chuẩn có sẵn tại nhiều trung tâm dịch vụ thép.
• Thời gian hoàn thành và chi phí phụ thuộc vào kích thước, chứng nhận và quy trình xử lý đặc biệt (ví dụ, làm nguội và ram theo các tính chất cụ thể, phun bi).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt:

Thuộc tính	51CrV4	60SiCr7
Khả năng hàn (định tính)	Tốt hơn, nhưng cần phải làm nóng trước/PWHT cho các phần dày	Thách thức hơn do C & Si cao hơn; thường yêu cầu phải làm nóng trước và PWHT
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt (martensite tôi luyện + hợp kim vi mô)	Độ bền và năng suất cao hơn, độ dẻo dai thấp hơn trong điều kiện tương đương
Chi phí (nguyên liệu thô)	Vừa phải	Thấp hơn một chút; tổng chi phí xử lý có thể cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn 51CrV4 nếu bạn cần sự kết hợp cân bằng giữa độ bền kéo, độ dẻo dai và khả năng chống mỏi trong trục, chi tiết rèn và các bộ phận đòi hỏi khả năng chống va đập và khả năng hàn. Đây là lựa chọn an toàn hơn khi độ giòn của chi tiết và các đặc tính sau hàn là yếu tố quan trọng. - Chọn 60SiCr7 nếu ứng dụng của bạn ưu tiên giới hạn đàn hồi tối đa, độ bền mỏi cao và tính chất lò xo (lò xo cuộn hoặc lá, dây chịu ứng suất cao). Chấp nhận nhu cầu xử lý nhiệt có kiểm soát, hạn chế hàn tiềm ẩn và bảo vệ bề mặt cẩn thận hơn.

Lưu ý cuối cùng: việc lựa chọn vật liệu phải được xác nhận bằng chứng chỉ nhà máy thực tế, lịch trình xử lý nhiệt cụ thể và quy trình hàn đã được xác nhận cho hình dạng sản phẩm và điều kiện sử dụng dự kiến. Khi tồn tại các giới hạn an toàn quan trọng, nên tiến hành tạo mẫu và thử nghiệm (đánh giá độ bền kéo, va đập, mỏi và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của mối hàn) trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt.