52100 so với 51100 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

52100 và 51100 là hai loại thép ổ trục carbon cao thường được cân nhắc khi các nhà thiết kế và đội ngũ mua sắm phải cân bằng giữa khả năng chống mài mòn, độ bền, khả năng sản xuất và chi phí. Các kỹ sư thường phải đối mặt với sự đánh đổi giữa khả năng tôi luyện cao hơn và tuổi thọ chịu mài mòn so với hóa học đơn giản hơn, gia công dễ dàng hơn và chi phí vật liệu thấp hơn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu cho ổ trục lăn, bộ phận chịu mài mòn, trục hoặc chốt tôi cứng, trong đó việc tôi xuyên suốt, khả năng chống mỏi bề mặt và độ bền là rất quan trọng.

Chiến lược phân biệt chính giữa hai loại thép này là sử dụng hợp kim để tăng khả năng tôi và khả năng chống mài mòn: một loại được bổ sung crom một cách có chủ đích để tăng khả năng tôi và khả năng chống mỏi tiếp xúc lăn, trong khi loại còn lại về cơ bản là thép hợp kim thấp, hàm lượng cacbon cao, dựa trên cacbon và quá trình tôi-ram thông thường để tạo ra độ cứng cần thiết. Vì cả hai đều được sử dụng cho các ứng dụng chịu lực và chống mài mòn, chúng thường được so sánh về tuổi thọ ổ trục, phản ứng nhiệt luyện và các tác động trong quá trình chế tạo tiếp theo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung tham chiếu đến các cấp độ này:
• ASTM/ASME/SAE: SAE/AISI 52100; SAE/AISI 51100.
• EN: 52100 thường được gọi là 1.3505 (hoặc 100Cr6 theo tên gọi của Châu Âu); 51100 không có tiêu chuẩn EN tương đương trực tiếp nhưng lại liên quan đến thép cacbon cao được sử dụng làm ổ trục trong các tiêu chuẩn quốc gia cụ thể.
• JIS/GB: 52100 tương ứng với JIS SUJ2 và GB 52100 (thuật ngữ khác nhau tùy theo quốc gia); các sản phẩm tương đương của 51100 xuất hiện trong các tiêu chuẩn quốc gia dưới dạng thép chịu lực cacbon cao không chứa crom hoặc thép cacbon cao thông thường.
• Phân loại:
• 52100: thép chịu lực crom cacbon cao (thép hợp kim / thép chịu lực).
• 51100: thép chịu lực/thép kỹ thuật không chứa crom có ​​hàm lượng cacbon cao (thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp, thường được xử lý như thép chịu lực trong ngành công nghiệp chịu lực).

Lưu ý: việc lập bản đồ chỉ định chính xác sẽ khác nhau giữa các ủy ban tiêu chuẩn; luôn xác nhận số tiêu chuẩn cụ thể và văn bản thông số kỹ thuật để mua sắm.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng — Thành phần hóa học điển hình (% khối lượng) cho các thông số kỹ thuật thương mại thông thường. Các giá trị hiển thị là phạm vi điển hình; tham khảo thông số kỹ thuật mua hàng áp dụng để được chấp thuận hợp đồng.

Yếu tố	52100 (khối lượng điển hình%)	51100 (khối lượng điển hình%)
C	0,98 – 1,10	0,90 – 1,05
Mn	0,25 – 0,45	0,20 – 0,50
Si	0,15 – 0,35	0,10 – 0,35
P	≤ 0,025	≤ 0,035
S	≤ 0,025	≤ 0,040
Cr	1,30 – 1,65	≤ 0,30 (vết)
Ni	dấu vết – 0,25	dấu vết
Mo	dấu vết	dấu vết
V	dấu vết	dấu vết
Nb, Ti, B, N	theo dõi nếu có	theo dõi nếu có

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon chủ yếu kiểm soát độ cứng và độ bền có thể đạt được sau khi tôi và ram; cả hai loại đều có hàm lượng carbon cao để có thể làm cứng theo kiểu martensitic. - Crom trong 52100 giúp tăng khả năng tôi luyện, cải thiện hiệu suất chống mài mòn, tăng độ ổn định của cacbua và tăng khả năng chống mỏi tiếp xúc lăn so với thép có hàm lượng Cr thấp. Crom cũng cải thiện phản ứng ram và góp phần tạo nên độ cứng của cacbua được giữ lại. - 51100 dựa vào cacbon và hợp kim thông thường; hàm lượng crom thấp hơn làm giảm khả năng tôi cứng và khả năng chống mài mòn khi xử lý nhiệt giống hệt nhau, nhưng đơn giản hóa thành phần cho một số quá trình xử lý nhiệt và xử lý bề mặt.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện ủ, cả hai loại đều có thành phần cementit perlit hoặc hình cầu trong nền ferit tùy thuộc vào chu kỳ chuẩn hóa và hình cầu hóa. Đối với ứng dụng chịu lực, cả hai loại thường được tôi cứng thành martensite với cacbua phân tán. - 52100 sau khi làm cứng và ram thích hợp sẽ tạo thành martensite với các cacbua crom mịn; các cacbua thường mịn hơn và phân tán nhiều hơn so với thép có hàm lượng Cr thấp, cải thiện khả năng chống mài mòn và tuổi thọ chịu mỏi dưới bề mặt. - 51100 tạo thành martensite cộng với carbide cementite; với hàm lượng hợp kim thấp hơn, sự phân bố carbide có thể thô hơn nếu quá trình cầu hóa/ủ không được kiểm soát cẩn thận.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa cải thiện độ tinh khiết của hạt cho cả hai trường hợp, nhưng 52100 được hưởng lợi nhiều hơn từ quá trình làm cứng ở nhiệt độ austenit hóa cao hơn vì Cr làm tăng khả năng làm cứng—cho phép làm cứng sâu hơn ở các phần lớn hơn. - Làm nguội và ram: - 52100 đạt được khả năng tôi luyện cao hơn và có thể đạt được độ cứng đồng đều thông qua độ dày tiết diện đáng kể; quá trình ram được sử dụng để điều chỉnh độ dẻo dai so với độ cứng cho hiện tượng mỏi tiếp xúc lăn. - 51100 sẽ cứng lại hiệu quả ở các phần nhỏ hơn; ở các phần lớn hơn, nó có thể có lõi mềm hơn và dễ bị thay đổi độ dày hơn. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát và làm nguội nhanh) có thể tạo ra kích thước hạt và tính chất cơ học vượt trội ở cả hai phương pháp, nhưng hợp kim trong 52100 giúp dễ dàng tôi luyện hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng — Các tính chất cơ học điển hình (phạm vi phụ thuộc nhiều vào quá trình xử lý nhiệt; các giá trị cho thấy phạm vi sử dụng chung).

Tài sản	52100 (thông số kỹ thuật về vòng bi/ tôi cứng và ram)	51100 (đã tôi cứng và ram)
Độ bền kéo (MPa)	~900 – 2000 (tùy thuộc vào độ cứng/HRC)	~800 – 1600
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%) (MPa)	~700 – 1800 (tùy thuộc vào quy trình)	~600 – 1400
Độ giãn dài (%)	2 – 15 (giảm khi độ cứng tăng)	3 – 18
Độ bền va đập (J ở nhiệt độ phòng)	Trung bình; được tối ưu hóa thông qua quá trình tôi luyện	Tương đương hoặc cao hơn một chút ở cùng độ cứng đối với các phần nhỏ
Độ cứng (HRC)	Thông thường là 58 – 66 HRC cho vòng bi/bóng	Thông thường có thể đạt được 55 – 63 HRC ở các phần nhỏ hơn

Vật liệu nào bền hơn, cứng hơn hay dẻo hơn và tại sao: - Độ bền và độ cứng: 52100 thường đạt được độ bền hiệu dụng cao hơn và khả năng tôi xuyên suốt ở kích thước tiết diện bằng nhau do hàm lượng crom và khả năng tôi cứng của nó. - Độ dẻo dai: Độ dẻo dai phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt và cấu trúc vi mô. Ở độ cứng bề mặt tương đương, 51100 đôi khi có thể thể hiện độ dẻo dai biểu kiến ​​tương tự hoặc cao hơn một chút ở các tiết diện nhỏ do phân bố cacbua đơn giản hơn; tuy nhiên, 52100 thường có tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn và khả năng chống nứt bề mặt tốt hơn nhờ các cacbua crom mịn và khả năng tôi cứng được cải thiện. - Độ dẻo: Cả hai loại đều mất đi độ dẻo ở độ cứng cao; 51100 có thể có độ giãn dài cao hơn một chút ở độ cứng tương đương ở các phần nhỏ, nhưng điều này phụ thuộc rất nhiều vào quy trình.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu được quyết định bởi hàm lượng cacbon tương đương và khả năng làm cứng; hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn làm tăng nguy cơ nứt nguội và đòi hỏi phải xử lý nhiệt trước và/hoặc sau khi hàn.

Chỉ số hữu ích: - Lượng cacbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - PCM của Đức: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - 52100 thường có CE/Pcm được tính toán cao hơn 51100 do hàm lượng crom cố ý của nó; điều này làm tăng khả năng nứt nguội do hydro gây ra và hình thành martensite trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. - 51100, thiếu Cr đáng kể, thường có hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn một chút và dễ hàn hơn, nhưng hàm lượng cacbon cao vẫn khiến việc hàn trở nên khó khăn nếu không có sự kiểm soát chặt chẽ. - Hướng dẫn thực hành: Đối với cả hai loại mác thép, nên tránh hàn trên bề mặt chịu lực chính. Nếu cần hàn, hãy sử dụng phương pháp gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, điện cực/chất độn hydro thấp và phương pháp PWHT thích hợp để ram martensite và giảm ứng suất dư. Bất cứ khi nào có thể, hãy tạo hình dạng cuối cùng trước khi tôi cứng hoặc sử dụng phương pháp ghép nối cơ học.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 52100 và 51100 đều không phải thép không gỉ; cả hai đều dễ bị ăn mòn. Hàm lượng crom trong 52100 không đủ để đảm bảo hiệu suất của thép không gỉ.
• Các biện pháp bảo vệ chung:
• Sơn, phốt phát hóa, tra dầu và mạ (ví dụ, kẽm) để bảo vệ chống ăn mòn nói chung.
• Thấm cacbon/crom hóa cục bộ hoặc làm cứng bề mặt để chống mài mòn cùng lớp phủ hy sinh để bảo vệ chống ăn mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng vì các cấp độ này không phải là hợp kim thép không gỉ. Để tham khảo, PREN được định nghĩa như sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng nó áp dụng cho thép không gỉ có hàm lượng Cr, Mo và N đáng kể—không áp dụng cho 52100/51100.

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

• Khả năng gia công:
• Trong điều kiện ủ, cả hai đều có thể được gia công bằng thép tốc độ cao tiêu chuẩn hoặc dụng cụ cacbua. 51100 (hàm lượng hợp kim thấp hơn) thường có khả năng gia công tốt hơn một chút so với 52100 vì crom làm tăng độ mài mòn dụng cụ và xu hướng làm cứng khi gia công.
• Ở trạng thái cứng, cả hai đều khó gia công; mài và gia công siêu mài mòn là phương pháp phổ biến để hoàn thiện bề mặt ổ trục.
• Khả năng định hình:
• Quá trình tạo hình nguội bị hạn chế bởi hàm lượng cacbon cao; quá trình ủ/tạo hình cầu thường được thực hiện trước khi tạo hình để cải thiện độ dẻo.
• Uốn và dập có thể thực hiện được trong điều kiện ủ; tạo hình trong điều kiện cứng là không thực tế.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Đánh bóng và mài chính xác là công đoạn thường xuyên đối với các bộ phận ổ trục 52100 để đạt được độ nhám bề mặt và dung sai hình học cần thiết.
• Có thể áp dụng các phương pháp xử lý bề mặt (làm cứng cảm ứng, thấm nitơ) tùy thuộc vào thiết kế; hiệu suất thấm nitơ có thể khác nhau vì Cr ảnh hưởng đến quá trình hình thành nitrit.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng — Công dụng điển hình

52100	51100
Vòng bi lăn (bi, con lăn, vòng) đòi hỏi tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn cao	Các thành phần ổ trục trong các phần nhỏ, chốt cứng đơn giản và các bộ phận chịu mài mòn mà Cr không được chỉ định
Vòng bi chính xác trong ô tô, hàng không vũ trụ, máy móc công nghiệp	Mũi, chốt và trục dụng cụ có hàm lượng carbon cao, nơi các giải pháp tiết kiệm chi phí được chấp nhận
Các thành phần chịu mài mòn cao với xử lý nhiệt được kiểm soát: bánh răng, cam (trong một số thiết kế)	Các thành phần đòi hỏi hóa học đơn giản hơn và khả năng gia công dễ dàng hơn (trong điều kiện ủ)
Các ứng dụng yêu cầu độ cứng xuyên suốt tốt hơn ở các phần vừa phải đến lớn	Các bộ phận có khối lượng thấp và thiết kế cũ trong đó 51100 được chỉ định

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 52100 khi tuổi thọ chịu mỏi lăn kéo dài, quá trình tôi sâu hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn là những yêu cầu chính và khi chi phí và khả năng hàn giảm nhẹ được chấp nhận. - Chọn 51100 khi giải pháp có hàm lượng carbon cao là đủ, chi phí và khả năng gia công ở trạng thái ủ là ưu tiên hoặc khi kích thước tiết diện đủ nhỏ để khả năng tôi không bị hạn chế.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• 52100 thường có mức giá cao hơn 51100 một chút do hàm lượng crom và nhu cầu trên thị trường vòng bi.
• Giá thị trường biến động theo chi phí của các nguyên tố hợp kim (đặc biệt là Cr) và nhu cầu toàn cầu về các loại thép chịu lực.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• 52100 được cung cấp rộng rãi dưới dạng thanh, vòng, bi và phôi mài chính xác; các nhà sản xuất vòng bi có chuỗi cung ứng ổn định.
• 51100 có sẵn ở dạng thanh, que và một số dạng ổ trục nhưng có thể ít phổ biến hơn đối với các ổ trục chính xác ở một số khu vực.
• Mẹo mua sắm: nêu rõ tiêu chuẩn chính xác và trạng thái xử lý nhiệt cần thiết. Thời gian hoàn thiện cho các linh kiện mài và tôi cứng chính xác có thể lâu hơn đáng kể.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng — So sánh nhanh

Thuộc tính	52100	51100
Khả năng hàn	Thấp hơn (CE cao hơn; thường yêu cầu làm nóng trước/PWHT)	Trung bình (vẫn còn khó khăn do nhiệt độ C cao)
Độ bền – Độ dẻo dai (đã tôi luyện)	Độ bền cao, khả năng chống mỏi lăn tuyệt vời	Độ bền tốt; có thể bị hạn chế bởi khả năng làm cứng ở các phần lớn hơn
Trị giá	Trung bình-cao (hàm lượng crom và nhu cầu thị trường)	Thông thường thấp hơn (hóa học đơn giản hơn)

Sự giới thiệu: - Chọn 52100 nếu: - Bạn cần tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn cao, khả năng chống mài mòn vượt trội và khả năng làm cứng đáng tin cậy ở các phần từ trung bình đến lớn (ví dụ: ổ trục chính xác, con lăn chịu tải nặng). - Ứng dụng này chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn một chút và yêu cầu hiệu suất vòng bi ổn định trong thời gian dài. - Chọn 51100 nếu: - Thiết kế của bạn bị giới hạn ở các phần nhỏ hoặc bạn cần hóa học đơn giản hơn để tiết kiệm chi phí hoặc gia công. - Bạn có thể chấp nhận độ cứng thấp hơn hoặc sẽ áp dụng các quy trình làm cứng bề mặt và không yêu cầu tuổi thọ chịu mỏi tăng cường bằng crom.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều là thép cacbon cao và yêu cầu thông số kỹ thuật cẩn thận về xử lý nhiệt, độ sạch (kiểm soát tạp chất) và hoàn thiện để đạt được mục tiêu hiệu suất. Luôn tham khảo chính xác các yêu cầu về tiêu chuẩn và xử lý nhiệt trong tài liệu mua hàng và xác nhận hiệu suất bằng các thử nghiệm cụ thể cho từng ứng dụng (thử nghiệm mỏi tiếp xúc lăn, thử nghiệm mài mòn và đánh giá ứng suất dư) trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt.