55CrVA so với 60CrVA – 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 khi thiết kế các bộ phận chịu lực, lò xo hoặc các chi tiết chống mài mòn. Việc lựa chọn giữa 55CrVA và 60CrVA thường tập trung vào việc cân bằng giữa độ bền và khả năng chống mỏi cao hơn với độ dẻo, độ dai và tính dễ chế tạo. Trên thực tế, sự đánh đổi kỹ thuật chính nằm ở việc lựa chọn giữa loại thép có hàm lượng carbon thấp hơn một chút, do đó có khả năng định hình và độ dai tốt hơn, so với loại thép có hàm lượng carbon cao hơn được thiết kế để mang lại giới hạn đàn hồi và độ bền cực đại cao hơn.

Cả hai loại này thường được so sánh vì chúng được sử dụng cho các ứng dụng tương tự (lò xo, ốc vít cường độ cao và các bộ phận chịu mài mòn) và khác nhau chủ yếu ở hàm lượng cacbon và phản ứng xử lý nhiệt, giúp kiểm soát khả năng làm cứng, hành vi ram và tính chất cơ học của chúng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các hệ thống tiêu chuẩn chung có các cấp thép có tên gọi tương tự: GB (Trung Quốc), JIS (Nhật Bản) và các chỉ định độc quyền của ngành/nhà sản xuất. Chúng không phải là thép không gỉ và cũng không phải HSLA theo nghĩa hiện đại; chúng là thép hợp kim cacbon trung bình đến cao với quá trình hợp kim hóa vi mô nhằm cải thiện khả năng tôi và khả năng chịu ram.
• Phân loại:
• 55CrVA: Họ thép cacbon hợp kim / thép lò xo (cacbon trung bình với hợp kim vi mô Cr và V).
• 60CrVA: Họ thép cacbon hợp kim / thép lò xo (hàm lượng cacbon cao hơn với hợp kim vi mô Cr và V).
• Lưu ý: Số hiệu tiêu chuẩn chính xác (ví dụ: GB/T hoặc tương đương JIS) thay đổi tùy theo nhà sản xuất và quy ước đặt tên khu vực. Vui lòng kiểm tra chứng nhận nhà máy để biết tiêu chuẩn cụ thể và phân tích hóa học khi mua hàng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: mô tả định tính về chiến lược hợp kim điển hình cho các loại này.

Yếu tố	55CrVA (định tính)	60CrVA (định tính)
C	Trung bình-cao (thấp hơn 60CrVA)	Cao hơn (được thiết kế để có độ bền cao hơn và giới hạn đàn hồi cao hơn)
Mn	Tác nhân khử oxy và làm cứng (trung bình)	Tương tự như 55CrVA (trung bình)
Si	Khử oxy hóa, đóng góp sức mạnh (thấp–trung bình)	Thấp-trung bình
P	Kiểm soát tạp chất — giữ ở mức thấp	Giữ ở mức thấp
S	Kiểm soát tạp chất — giữ ở mức thấp	Giữ ở mức thấp
Cr	Hợp kim để tăng khả năng làm cứng và khả năng chống ram (hiện tại)	Mức độ tương tự; hỗ trợ khả năng tôi luyện và ổn định khi ram
Ni	Thông thường thấp/không có	Thông thường thấp/không có
Mo	Thông thường thấp/không có; được sử dụng trong một số biến thể để tăng khả năng làm cứng	Thông thường thấp/không có
V	Hợp kim vi mô để tinh chỉnh hạt và cải thiện khả năng chịu nhiệt	Tương tự hoặc cao hơn một chút — hỗ trợ sức mạnh và chống mệt mỏi
Nb, Ti, B	Có thể có ở mức ppm để kiểm soát hạt (tùy thuộc vào ứng dụng)	Có thể có ở mức ppm
N	Dấu vết — ảnh hưởng đến nitrua nếu cố ý thêm vào	Dấu vết

Giải thích: - Thành phần chính giữa 55CrVA và 60CrVA là cacbon. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ cứng và độ bền kéo sau khi tôi và ram, nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Crom làm tăng khả năng tôi cứng và cải thiện khả năng chống ram, giúp duy trì độ bền ở nhiệt độ ram cao. - Vanadi (V) làm mịn kích thước hạt austenit trước đó thông qua kết tủa và góp phần làm cứng thứ cấp và cải thiện tuổi thọ chịu mỏi. - Các nguyên tố hợp kim vi mô khác (Nb, Ti, B) đôi khi được sử dụng với lượng nhỏ để kiểm soát sự phát triển của hạt và cải thiện độ dẻo dai; đây thường không phải là thành phần chính trong các nhóm cấp độ này nhưng có thể xuất hiện trong các biến thể nhà sản xuất cụ thể.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình: - Điều kiện cán/chuẩn hóa: - Cả hai loại đều có cấu trúc vi mô ferit-pearlit hoặc bainit-pearlit tùy thuộc vào tốc độ làm nguội. 55CrVA, với hàm lượng cacbon thấp hơn, có xu hướng tạo ra cấu trúc perlit mềm hơn với độ dẻo được giữ lại cao hơn; 60CrVA có xu hướng tạo thành perlit hoặc bainit mịn hơn ở tốc độ làm nguội tương tự do khả năng làm cứng cao hơn. - Làm nguội và ram: - Cả hai đều phản ứng với chu trình làm nguội và ram để tạo ra martensite đã ram. 60CrVA đạt độ cứng sau khi tôi cao hơn do hàm lượng carbon cao hơn. - Quá trình tôi luyện làm giảm độ cứng và cải thiện độ dẻo dai; 60CrVA cần có lịch trình tôi luyện cẩn thận để cân bằng độ bền và độ dẻo dai vì hàm lượng carbon cao hơn có thể dẫn đến độ giòn khi tôi luyện ở nhiệt độ không phù hợp. - Thường hóa và gia công cơ nhiệt: - Cán có kiểm soát và xử lý nhiệt cơ học có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai ở cả hai cấp độ. Hợp kim vi mô với V giúp tăng cường độ kết tủa và ổn định kích thước hạt trong quá trình này, cải thiện tuổi thọ chịu mỏi ở cả hai cấp độ. - Ý nghĩa thực tiễn: - 55CrVA cung cấp cấu trúc vi mô có khả năng phục hồi tốt hơn khi tôi quá mức và có cửa sổ quy trình rộng hơn để đạt được độ dẻo dai tốt trong khi vẫn duy trì độ bền tốt. 60CrVA đòi hỏi kiểm soát xử lý nhiệt chặt chẽ hơn để tránh giòn đồng thời tối đa hóa giới hạn đàn hồi và độ bền.

4. Tính chất cơ học

Bảng: tính chất cơ học so sánh định tính.

Tài sản	55CrVA	60CrVA
Độ bền kéo	Cao, nhưng thấp hơn 60CrVA	Cao hơn (sức mạnh tối đa có thể đạt được lớn hơn)
Giới hạn chảy / Giới hạn đàn hồi	Cao, nhưng dưới 60CrVA	Giới hạn đàn hồi cao hơn do hàm lượng cacbon/độ cứng cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt hơn	Độ dẻo giảm
Độ bền va đập	Độ bền tổng thể tốt hơn ở mức độ sức mạnh tương đương	Độ dẻo dai thấp hơn ở cường độ tương đương; cần tối ưu hóa quá trình tôi luyện
Độ cứng (phạm vi HRC/HB)	Độ cứng đỉnh thấp hơn sau khi tôi	Độ cứng đỉnh cao hơn sau khi tôi

Giải thích: - 60CrVA có khả năng chịu kéo và chịu lực cao hơn sau khi tôi cứng do có hàm lượng cacbon cao hơn và khả năng làm cứng cao hơn một chút; tuy nhiên, độ giãn dài giảm và độ bền va đập thấp hơn trừ khi được tôi luyện đúng cách. - 55CrVA đánh đổi một số sức mạnh hàng đầu để có độ dẻo dai, độ bền tốt hơn và cửa sổ xử lý nhiệt dễ chịu hơn.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn: - Hàm lượng cacbon và hợp kim kết hợp kiểm soát khả năng tôi cứng và nguy cơ hình thành martensite chưa ram trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Một số chỉ số thực nghiệm giúp dự đoán khả năng hàn: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Giải thích: - 60CrVA sẽ có giá trị tương đương cacbon cao hơn 55CrVA, cho thấy xu hướng làm cứng HAZ cao hơn và cần phải gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) trong nhiều trường hợp. - 55CrVA dễ hàn hơn nhưng vẫn có thể cần phải gia nhiệt trước và PWHT đối với các thành phần quan trọng, tùy thuộc vào độ dày và thiết kế mối nối. - Hướng dẫn thực hành: - Đối với bất kỳ cấp độ hàn nào, hãy tuân thủ thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) với quy trình gia nhiệt trước và PWHT phù hợp khi CE/Pcm cho thấy nguy cơ. Sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và kiểm soát tốc độ làm nguội để tránh nứt vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đây là loại thép hợp kim không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại bị hạn chế.
• Phương pháp bảo vệ bề mặt:
• Mạ kẽm, sơn, phủ bột hoặc phốt phát thường được sử dụng để bảo vệ cả hai loại thép đang sử dụng.
• Đối với các bộ phận dễ bị mài mòn hoặc mỏi trong môi trường ăn mòn, hãy cân nhắc sử dụng lớp phủ bảo vệ (ví dụ: mạ crom cứng, thấm nitơ với xử lý sơ bộ phù hợp) hoặc chọn các vật liệu thay thế bằng thép không gỉ.
• PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ sau:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Chỉ số này được sử dụng cho các loại thép không gỉ và không áp dụng cho thép cacbon Cr–V hợp kim thấp.
• Khi yếu tố ăn mòn là yếu tố quyết định trong thiết kế, không nên chỉ định 55CrVA hoặc 60CrVA mà không có biện pháp bảo vệ bề mặt phù hợp; nên ưu tiên hợp kim không gỉ hoặc chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công:
• 55CrVA, có độ cứng thấp hơn khi ủ và hàm lượng carbon thấp hơn, thường dễ gia công hơn 60CrVA, đặc biệt là sau khi xử lý nhiệt.
• Các phôi 60CrVA có hàm lượng carbon cao hơn yêu cầu dụng cụ và thông số phù hợp với vật liệu cứng hơn và có thể được hưởng lợi từ dụng cụ cacbua và lưu lượng chất làm mát cao hơn.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• 55CrVA có đặc tính tạo hình nguội tốt hơn; 60CrVA dễ bị nứt hơn khi uốn mạnh trừ khi được ủ.
• Quá trình tạo hình nóng và ủ thích hợp giúp giảm thiểu các vấn đề về tạo hình cho cả hai loại.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều chấp nhận các quy trình hoàn thiện tiêu chuẩn; mài sau xử lý nhiệt và phun bi là phương pháp phổ biến cho các thành phần quan trọng chịu mỏi.

8. Ứng dụng điển hình

55CrVA — Công dụng điển hình	60CrVA — Công dụng điển hình
Lò xo (tải trọng vừa phải), nhíp lá, ốc vít ưu tiên độ dẻo dai và độ bền	Lò xo hiệu suất cao, lò xo van, các thành phần có giới hạn đàn hồi cao khi cần giới hạn đàn hồi tối đa
Trục và chốt có yêu cầu mài mòn vừa phải	Chốt chịu mài mòn cường độ cao, các thành phần truyền động công suất nhỏ yêu cầu cường độ cao hơn
Các thành phần rèn đòi hỏi độ dẻo dai tốt sau khi tôi luyện	Các thành phần chịu ứng suất tuần hoàn cao hoặc nơi độ lệch tối thiểu là quan trọng
Các thành phần dịch vụ chung yêu cầu khả năng hàn và tạo hình dễ dàng hơn	Các ứng dụng chuyên biệt cần tỷ lệ cường độ trên kích thước cao hơn và có thể kiểm soát chặt chẽ quá trình xử lý nhiệt

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 60CrVA khi thiết kế yêu cầu giới hạn đàn hồi tối đa hoặc khi hình dạng linh kiện được hưởng lợi từ độ bền cao hơn nhưng lại giảm độ dẻo. Chọn 55CrVA khi độ bền, tính dễ chế tạo và khoảng thời gian xử lý nhiệt rộng hơn là yếu tố quan trọng hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• 60CrVA thường đắt hơn một chút ở điều kiện xử lý nhiệt do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn, rủi ro phế liệu cao hơn trong quá trình chế tạo và chi phí hoàn thiện có thể cao hơn. Chênh lệch chi phí nguyên liệu thô thường nhỏ vì lượng hợp kim bổ sung không đáng kể.
• 55CrVA thường mang lại tổng chi phí sản xuất thấp hơn do dễ gia công, tạo hình và yêu cầu xử lý nhiệt không quá nghiêm ngặt.
• Khả dụng:
• Cả hai loại thép này đều có sẵn tại các nhà máy thép chuyên dụng và nhà phân phối dưới dạng thanh, que và tấm. Tính khả dụng theo dạng sản phẩm (ví dụ: dây lò xo, thanh kéo nguội) phụ thuộc vào nhà cung cấp địa phương. Vui lòng kiểm tra thời gian giao hàng và chứng chỉ khi mua hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Đặc điểm	55CrVA	60CrVA
Khả năng hàn	Tốt hơn / dễ tha thứ hơn	Thấp hơn — yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt với sức mạnh tốt	Sức mạnh đỉnh cao hơn; khó cân bằng với độ dẻo dai
Chi phí (tác động đến sản xuất)	Giảm rủi ro chi phí sản xuất chung	Có khả năng cao hơn do quá trình chế biến/hoàn thiện

Sự giới thiệu: - Chọn 55CrVA nếu bạn cần vật liệu dễ gia công hơn, độ bền va đập tốt hơn ở các cửa sổ quy trình tương đương, hàn dễ hơn hoặc khi tổng chi phí và khả năng sản xuất là yếu tố quan trọng. - Chọn 60CrVA nếu ứng dụng của bạn yêu cầu giới hạn đàn hồi cao nhất có thể, độ bền kéo và giới hạn chảy cao hơn trong một mặt cắt ngang nhỏ và bạn có thể thực hiện các quy trình xử lý nhiệt và sau hàn chính xác để kiểm soát độ dẻo dai và các đặc tính HAZ.

Ghi chú kết luận: Luôn xác nhận chính xác các chứng chỉ hóa học và cơ học từ nhà cung cấp và tiến hành thử nghiệm xử lý nhiệt ở cấp độ linh kiện cho các ứng dụng quan trọng. Khi nghi ngờ về thiết kế chịu mỏi hoặc các hạn chế về hàn, hãy tham khảo ý kiến ​​các kỹ sư luyện kim để tối ưu hóa cấp độ, xử lý nhiệt và trình tự chế tạo cho các điều kiện sử dụng dự kiến.