GCr15 so với 100CrMn6 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

GCr15 và 100CrMn6 là hai loại thép ổ trục cacbon cao thường được cân nhắc sử dụng cho các chi tiết lăn, vòng bi, con lăn và các bộ phận chịu mài mòn. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc các tiêu chí cạnh tranh khi lựa chọn giữa chúng: tuổi thọ mỏi tiếp xúc tối đa và độ cứng cao so với độ bền, khả năng gia công và chi phí tối ưu. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết kế ổ trục và trục, trong đó khả năng chống mài mòn, độ ổn định của vỏ và chi phí trên mỗi kilôgam phải được cân nhắc so với khả năng hàn và độ phức tạp của quá trình gia công sau này.

Sự khác biệt kỹ thuật cốt lõi giữa hai loại nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: một loại nhấn mạnh vào crom để cải thiện khả năng tôi và chống mài mòn, trong khi loại còn lại dựa vào hàm lượng mangan cao hơn với crom vừa phải để điều chỉnh khả năng tôi và độ dẻo dai. Sự khác biệt này thúc đẩy sự khác biệt trong quá trình tiến hóa cấu trúc vi mô, phản ứng xử lý nhiệt, hiệu suất cơ học và các cân nhắc về sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GCr15
• Từ đồng nghĩa phổ biến: GCr15 (Trung Quốc), 52100 (tương đương không chính thức của SAE/AISI), EN 100Cr6 (tương đương gần đúng của Châu Âu).
• Phân loại: Thép chịu lực crom cacbon cao (nhóm thép hợp kim/thép dụng cụ cacbon cao dùng cho ổ trục).
• 100CrMn6
• Từ đồng nghĩa phổ biến: 100CrMn6 (biến thể chỉ định của Châu Âu), đôi khi được tham chiếu trong các tiêu chuẩn quốc gia về thép crom-mangan có hàm lượng cacbon cao.
• Phân loại: Thép crom-mangan có hàm lượng cacbon cao (biến thể thép chịu lực/chịu mài mòn với Mn là nguyên tố hợp kim chính).

Các tiêu chuẩn có thể bao gồm hoặc tham chiếu đến các loại sau: GB (Trung Quốc), EN (EU), ASTM/ASME (tiêu chuẩn tương đương và tham chiếu chéo của Hoa Kỳ), JIS (Nhật Bản). Trên thực tế, việc lựa chọn thường dựa trên các cấp độ lưu kho tại địa phương và các tiêu chuẩn tương đương được quốc tế công nhận (ví dụ: EN 100Cr6 / AISI 52100 cho GCr15).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	GCr15 (danh nghĩa điển hình)	100CrMn6 (danh nghĩa điển hình)
C	~0,95–1,05%	~0,95–1,05%
Mn	~0,25–0,45%	~1,0–1,6%
Si	~0,15–0,35%	~0,15–0,35%
P	≤0,025% (tối đa)	≤0,025% (tối đa)
S	≤0,025% (tối đa)	≤0,025% (tối đa)
Cr	~1,3–1,7%	~0,6–1,1%
Ni	thường theo dõi	thường theo dõi
Mo, V, Nb, Ti, B, N	thường theo dõi hoặc kiểm soát thấp	thường theo dõi hoặc kiểm soát thấp

Ghi chú: - Các giá trị trên là phạm vi danh nghĩa điển hình được sử dụng trong bản tóm tắt thông số kỹ thuật; các tiêu chuẩn cụ thể đưa ra giới hạn chính xác. - Cả hai đều là thép có hàm lượng cacbon cao (~1% C). GCr15 nhấn mạnh hàm lượng Cr cao hơn (để hình thành cacbua và khả năng tôi luyện), trong khi 100CrMn6 làm tăng hàm lượng Mn (để cải thiện khả năng tôi luyện và tăng cường cấu trúc vi mô sau khi tôi) với hàm lượng Cr vừa phải.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon (~1%): thành phần chính tạo nên độ cứng và khả năng chống mài mòn thông qua quá trình hình thành martensite và carbide; tăng độ bền nhưng giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Crom: thúc đẩy khả năng làm cứng và tạo thành crom cacbua, cải thiện khả năng chống mài mòn và độ ổn định khi ram. - Mangan: tăng khả năng tôi cứng, cải thiện độ bền sau khi tôi và độ dẻo dai khi va đập, đồng thời chống lại hiện tượng giòn do lưu huỳnh; hàm lượng Mn quá cao có thể làm phức tạp quá trình kiểm soát quá trình khử cacbon. - Silic, các nguyên tố vi lượng: ảnh hưởng đến quá trình khử oxy, độ bền và tính chất hạt; P/S được kiểm soát giúp cải thiện tuổi thọ chịu mỏi.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa, cả hai loại thép đều thể hiện cấu trúc vi mô perlit/ferrit với cacbua hình cầu sau khi ủ hình cầu. - Sau khi tôi ở nhiệt độ austenit hóa và ram thích hợp, cả hai đều tạo thành nền martensitic với các cacbua phân tán. Phần thể tích và độ phân tán của các cacbua khác nhau do sự cân bằng Cr so với Mn.

Hành vi xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra perlit mịn; được sử dụng như một bước chuẩn bị cho quá trình làm cứng tiếp theo. - Làm nguội và ram: cả hai đều đáp ứng tốt—carbon cao cho phép độ cứng cao (martensite) sau khi làm nguội bằng dầu hoặc bằng khí, tùy thuộc vào kích thước tiết diện và hợp kim. GCr15 (Cr cao hơn) thường có độ tôi cao hơn một chút và khả năng tạo martensite đồng đều tốt hơn trên các tiết diện lớn hơn. 100CrMn6 (Mn cao hơn) cũng tăng cường độ tôi nhưng có xu hướng tạo ra martensite dai hơn, ít giòn hơn ở một độ cứng nhất định khi được tối ưu hóa. - Ủ cầu hóa: thường được thực hiện trước khi gia công để tạo ra các cấu trúc perlit/cầu hóa mềm, dẻo. - Xử lý nhiệt cơ học: cán có kiểm soát sau đó làm nguội có thể được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt để tối ưu hóa độ dẻo dai và tính chất chịu mỏi; cả hai cấp độ đều có thể được điều chỉnh thông qua các tuyến quy trình.

Hành vi của hạt và cacbua: - Crom tạo thành cacbua cứng hơn, ổn định hơn giúp cải thiện khả năng chống mài mòn ở độ cứng và nhiệt độ tôi cao. - Mangan chủ yếu tồn tại ở dạng dung dịch rắn góp phần làm cứng hơn là tạo thành cacbua rời rạc.

4. Tính chất cơ học

Tính chất (xử lý nhiệt sau)	GCr15 (điển hình)	100CrMn6 (điển hình)
Độ bền kéo	~1200–2000 MPa (tùy thuộc vào độ cứng)	~1100–1800 MPa
Sức chịu lực	~900–1600 MPa	~800–1400 MPa
Độ giãn dài (A5)	~1–12% (thấp hơn ở độ cứng cao)	~1,5–12%
Độ bền va đập (KV)	Thấp đến trung bình, phụ thuộc nhiều vào quá trình tôi luyện	Trung bình; thường cao hơn một chút so với GCr15 ở độ cứng tương đương
Độ cứng (HRC)	~58–66 HRC (xử lý nhiệt ổ trục)	~55–64 HRC

Giải thích: - GCr15 thường đạt độ cứng đỉnh và khả năng chống mài mòn cao hơn một chút nhờ hàm lượng Cr cao hơn một chút và các hợp kim cacbua ổn định. Điều này đồng nghĩa với khả năng chống mỏi tiếp xúc tối đa cao hơn đối với các tiếp điểm lăn được bôi trơn đúng cách. - 100CrMn6 có xu hướng mang lại sự cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo dai được cải thiện ở mức độ cứng tương đương do hàm lượng Mn cao hơn góp phần vào khả năng tôi cứng và độ giòn cacbua thấp hơn, khiến nó trở thành lựa chọn tốt hơn khi cần va đập thường xuyên hoặc biên độ dẻo dai cao hơn. - Tất cả các tính chất đều thay đổi mạnh theo nhiệt độ austenit hóa, môi trường tôi, kích thước tiết diện và lịch trình ram; các giá trị trên là các phạm vi điển hình thấy trong quá trình xử lý nhiệt cấp chịu lực.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của cả hai loại thép đều gặp khó khăn do hàm lượng carbon cao. Độ cứng và hợp kim vi mô làm tăng nguy cơ nứt nguội và hình thành martensite HAZ.

Công thức dự đoán hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Pcm chi tiết 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: - Cả hai loại thép này thường có giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao do có ~1% C cộng với hợp kim—điều này cho thấy khả năng hàn kém khi hàn nóng chảy thông thường mà không nung nóng trước và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). - GCr15 (có hàm lượng Cr cao hơn) thường có xu hướng tạo ra martensite HAZ cứng, giòn, đòi hỏi phải nung nóng cẩn thận và làm nguội chậm hoặc PWHT. Hàm lượng Mn cao hơn của 100CrMn6 cũng làm tăng khả năng tôi cứng, đồng thời cũng đòi hỏi các quy trình được kiểm soát. - Thực hành tốt nhất: tránh hàn nếu có thể; nếu cần hàn, hãy sử dụng phương pháp đầu vào nhiệt độ thấp, làm nóng trước để giảm tốc độ làm mát, sử dụng kim loại hàn phù hợp và thực hiện PWHT để giảm ứng suất dư và độ cứng trong vùng HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả GCr15 và 100CrMn6 đều không phải thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn chỉ giới hạn ở mức crom khiêm tốn; chúng dễ bị gỉ sét trong môi trường ẩm ướt hoặc ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình: tra dầu, mạ (kẽm, niken), phủ phosphate, sơn hoặc phủ chuyển đổi. Đối với các bộ phận lăn, mỡ bảo vệ và thiết kế kín là tiêu chuẩn.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Để tham khảo, công thức PREN cho hợp kim thép không gỉ là: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Lựa chọn cho môi trường ăn mòn nên chuyển sang các loại ổ trục bằng thép không gỉ (ví dụ: AISI 440C) hoặc sử dụng kỹ thuật bề mặt (lớp phủ, thấm cacbon rồi mạ) thay vì dựa vào khả năng chống chịu của kim loại cơ bản.

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

• Ở trạng thái mềm hoặc hình cầu, cả hai đều có thể gia công được; hàm lượng cacbon và cacbua cao hơn sẽ làm tăng độ mài mòn của dụng cụ khi được tôi luyện.
• GCr15 (Cr/cacbua cao hơn) có thể mài mòn dụng cụ trong quá trình gia công và mài nhiều hơn 100CrMn6 có độ cứng tương đương.
• 100CrMn6 có hàm lượng Mn cao hơn thường tạo thành các cấu trúc vi mô cứng hơn, đồng nhất hơn khi được tôi luyện, đôi khi giúp quá trình nghiền và tiện dễ dàng hơn một chút.
• Ép nguội bị hạn chế bởi hàm lượng cacbon cao—quá trình tạo hình thường được thực hiện trong điều kiện ủ (hình cầu) để tránh nứt.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều cần mài mịn cho bề mặt ổ trục; GCr15 có thể yêu cầu lựa chọn bánh xe hơi khác nhau một chút do hàm lượng cacbua.

8. Ứng dụng điển hình

GCr15 (công dụng điển hình)	100CrMn6 (công dụng điển hình)
Vòng bi, con lăn, vòng và rãnh chính xác cho khả năng tiếp xúc lăn bền bỉ	Các bộ phận chịu lực cần độ bền cao hơn; con lăn, chốt, trục chịu tác động hỗn hợp của va đập/mài mòn
Trục mài mòn cao và dụng cụ gia công nguội đòi hỏi tuổi thọ mỏi tiếp xúc cao	Các thành phần cần được tôi cứng hơn và cải thiện độ dẻo dai đôi chút (ví dụ, một số ổ trục lăn nặng)
Vòng bi có độ chính xác cao trong máy công cụ, vòng bi bánh xe ô tô (nơi có độ cứng cao và tuổi thọ chịu mỏi rất quan trọng)	Các ứng dụng ưu tiên gia công và biên độ HAZ cứng hơn; một số loại ổ trục đặc biệt và các bộ phận chịu mài mòn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn GCr15 khi yêu cầu chính là tuổi thọ chịu mỏi tiếp xúc tối đa, độ cứng bề mặt cao và môi trường bôi trơn được kiểm soát tốt. - Chọn 100CrMn6 khi cần độ dẻo dai cao hơn một chút, làm cứng xuyên suốt ở các phần dày hơn hoặc khả năng gia công được cải thiện một chút và cân bằng chi phí.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Cả hai loại thép này đều được sản xuất rộng rãi tại các vùng sản xuất thép lớn. Tính khả dụng theo dạng sản phẩm (thanh, vòng, tấm) phụ thuộc vào chuỗi cung ứng địa phương.
• GCr15 (là loại thép chịu lực phổ biến và được Trung Quốc chỉ định) thường có sẵn và thường có giá thành cạnh tranh trên thị trường châu Á.
• 100CrMn6 có thể được chỉ định trong một số danh mục ở Châu Âu và có thể được định giá cạnh tranh tại các nhà máy khu vực cung cấp. Chênh lệch chi phí không đáng kể so với các bước xử lý và hoàn thiện (nghiền, xử lý nhiệt, kiểm soát chất lượng).
• Chi phí giao hàng cuối cùng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi quá trình xử lý nhiệt, dung sai kích thước, quá trình nghiền và kiểm tra chứ không chỉ riêng hợp kim cơ bản.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	GCr15	100CrMn6
Khả năng hàn	Kém (CE cao; cần làm nóng trước/PWHT)	Kém (CE cao; cần làm nóng trước/PWHT)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ cứng đỉnh cao hơn và khả năng chống mài mòn; độ dẻo dai thấp hơn một chút ở độ cứng tương đương	Độ dẻo dai tốt hơn một chút ở độ cứng tương đương; khả năng tôi luyện tốt
Trị giá	Có sẵn rộng rãi; có tính cạnh tranh (đặc biệt là ở Châu Á)	Có thể so sánh; tình trạng sẵn có ở từng khu vực có thể ảnh hưởng đến giá

Phần kết luận: - Chọn GCr15 nếu bạn yêu cầu độ cứng bề mặt tối đa và tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn trong các ứng dụng ổ trục chính xác, và bạn có thể kiểm soát quá trình xử lý nhiệt, mài và bôi trơn (ví dụ: ổ trục chính xác, bi, con lăn). - Chọn 100CrMn6 nếu bạn cần loại thép chịu lực có hàm lượng carbon cao tương tự nhưng có biên độ dẻo dai cao hơn một chút và khả năng tôi xuyên suốt được cải thiện cho các phần dày hơn hoặc các ứng dụng chịu tải trọng va đập, hoặc nơi nguồn cung cấp trong khu vực ưa chuộng thành phần này.

Lời khuyên thực tế cuối cùng: - Chỉ định độ cứng cuối cùng cần thiết, ứng suất dư cho phép và lộ trình gia công (cầu hóa để gia công; tôi và ram để gia công độ cứng cuối cùng) thay vì chỉ sử dụng ký hiệu thô. Đối với các linh kiện quan trọng, hãy yêu cầu chứng chỉ vật liệu và hồ sơ xử lý nhiệt (vi cấu trúc, bản đồ độ cứng) và, nếu không thể tránh khỏi việc hàn, hãy lập kế hoạch cho các quy trình đủ tiêu chuẩn với gia nhiệt trước và PWHT.