GCr15 so với GCr15SiMn – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

GCr15 và GCr15SiMn là loại thép crom cacbon cao cấp dùng cho ổ trục, thường được sử dụng trong thiết kế linh kiện, mua sắm và lập kế hoạch sản xuất. Các kỹ sư và quản lý mua sắm luôn cân nhắc giữa tuổi thọ chịu mỏi, khả năng tôi, khả năng gia công và chi phí khi lựa chọn giữa hai loại thép này: một là thép ổ trục crom đã được sử dụng rộng rãi, và loại còn lại là biến thể silicon-mangan biến tính được thiết kế để thay đổi khả năng tôi và phản ứng xử lý nhiệt.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là biến thể làm giàu Si và Mn được điều chỉnh có chủ đích để tăng khả năng tôi cứng và điều chỉnh phản ứng ram mà không làm thay đổi thành phần hóa học gốc cacbon cao, crom cao. Vì cả hai đều được sử dụng cho các chi tiết lăn, trục và các bộ phận dễ bị mài mòn, sự thay đổi tập trung này trong hợp kim có thể thay đổi quyết định lựa chọn, đặc biệt là khi các hạn chế về tôi xuyên suốt, độ dày tiết diện hoặc gia công trong lò là quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các từ tương đương quốc tế phổ biến và tham chiếu chéo:
• Trung Quốc: GCr15 (GB); GCr15SiMn thường là loại độc quyền hoặc được cải tiến, sản xuất theo yêu cầu của khách hàng/thông số kỹ thuật thay vì theo một tiêu chuẩn quốc gia duy nhất.
• AISI/SAE: AISI 52100 (thường được gọi là GCr15).
• EN (Châu Âu): 100Cr6 (tương đương gần đúng).
• JIS (Nhật Bản): SUJ2.
• Phân loại: Cả hai đều là thép chịu lực có hàm lượng carbon cao, chứa crom. Chúng không phải là thép không gỉ; chúng là thép hợp kim (dụng cụ/ổ trục) chuyên dùng cho tiếp xúc lăn và chống mài mòn hơn là cho kết cấu hoặc chống ăn mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	GCr15 (điển hình, theo các tương đương GB/AISI thông thường)	GCr15SiMn (phạm vi sửa đổi điển hình — phụ thuộc vào nhà cung cấp)
C	0,95–1,05%	0,95–1,05%
Mn	0,25–0,45%	0,6–1,0% (tăng lên để cải thiện khả năng tôi luyện)
Si	0,15–0,35%	0,4–1,2% (tăng để khử oxy và tăng độ cứng)
P	≤0,025%	≤0,025%
S	≤0,025%	≤0,025%
Cr	1,30–1,65%	1,30–1,65%
Ni	thường là ≤0,25%	thường là ≤0,25%
Mo	thường là ≤0,08%	thường là ≤0,08%
V, Nb, Ti, B, N	dấu vết/nhỏ hoặc được kiểm soát	dấu vết/nhỏ hoặc được kiểm soát

Ghi chú: - GCr15 về cơ bản là hóa chất AISI 52100: hàm lượng cacbon cao (~1,0%) và khoảng 1,5% Cr, với hàm lượng thấp các nguyên tố hợp kim khác. - GCr15SiMn biểu thị một loại thép họ GCr15, trong đó Si và Mn được cố ý tăng lên để thay đổi độ cứng và sự tiến hóa của cấu trúc vi mô; tỷ lệ phần trăm chính xác thay đổi tùy theo nhà sản xuất và thông số kỹ thuật. Những thay đổi này ở mức độ khiêm tốn (được giữ phù hợp với đặc tính của thép chịu lực) và nhằm mục đích thúc đẩy quá trình tôi sâu hơn và kiểm soát phản ứng austenit giữ lại và ram.

Quá trình hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon chủ yếu kiểm soát khả năng làm cứng, độ cứng martensite và khả năng chống mài mòn. - Crom tăng cường khả năng tôi cứng, tinh chế cacbua và góp phần tăng khả năng chống mài mòn. - Mangan làm tăng độ cứng và độ bền kéo, đồng thời hoạt động như một chất khử oxy. - Silic làm tăng cường ma trận, hỗ trợ quá trình khử oxy trong luyện thép và có thể cải thiện khả năng làm cứng và khả năng chống ram. - Hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho được giữ ở mức thấp để tránh giòn và giảm các tạp chất gây hại cho tuổi thọ chịu mỏi.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng mục tiêu điển hình:

• GCr15:
• Sau quá trình xử lý nhiệt ổ trục thông thường (austenit hóa → làm nguội → ram), cấu trúc vi mô chủ yếu là ram martensite với các cacbua crom phân tán (chủ yếu là loại M7C3/M3C tùy thuộc vào quá trình xử lý).

• Ở các phần dày, giới hạn độ cứng có thể dẫn đến lớp vỏ martensitic cứng hơn và lõi mềm hơn (biến đổi một phần thành bainit hoặc perlit), ảnh hưởng đến hiệu suất chịu mỏi.

• GCr15SiMn:

• Với hàm lượng Si và Mn cao hơn, quá trình chuyển đổi austenit thành martensite được dịch chuyển để cho phép tôi cứng sâu hơn trong quá trình tôi. Cấu trúc vi mô sau khi xử lý nhiệt tương đương có xu hướng tạo ra martensite ram đồng đều hơn qua các phần dày hơn, với hình thái carbide tương tự nhưng có khả năng phân bố mịn hơn do động học chuyển đổi được điều chỉnh.
• Việc tăng Si có thể làm chậm quá trình kết tủa cacbua trong quá trình ram, cải thiện đôi chút khả năng chống ram nhưng có thể làm tăng austenit giữ lại nếu không được kiểm soát.

Tác động của các tuyến xử lý: - Chuẩn hóa: cả hai loại đều tạo ra các cấu trúc vi mô ferit/pearlit tinh chế; chuẩn hóa được sử dụng trước khi hoàn thiện các thao tác để cải thiện khả năng gia công. - Làm nguội & ram: phương pháp sản xuất chính cho các bộ phận ổ trục. GCr15SiMn thường đạt được độ cứng hiệu quả sâu hơn ở một mức độ tôi nhất định so với GCr15 cơ bản. - Xử lý nhiệt cơ: có thể sử dụng cán có kiểm soát và làm nguội nhanh để tinh chế cacbua và ma trận; lợi ích phụ thuộc vào hợp kim và kích thước mặt cắt.

4. Tính chất cơ học

Ghi chú: Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt (ủ, thường hóa, tôi & ram, tôi cảm ứng). Bảng dưới đây đưa ra các phạm vi tham khảo, điển hình cho vật liệu ổ trục chất lượng đã được xử lý nhiệt hoàn toàn (chỉ mang tính tham khảo; kiểm tra bằng chứng chỉ nhà máy và dữ liệu thử nghiệm sau xử lý).

Tài sản	GCr15 (điều kiện điển hình, đã tôi và ram/chịu lực)	GCr15SiMn (điều kiện điển hình, đã tôi và ram/chịu lực)
Độ bền kéo (Rm)	~1200–2000 MPa (tùy thuộc vào quy trình)	~1300–2100 MPa (thường cao hơn một chút do độ cứng sâu hơn)
Giới hạn chảy (Rp0.2)	~900–1400 MPa	~950–1500 MPa
Độ giãn dài (A%)	~3–12% (thấp hơn ở độ cứng cao hơn)	~3–10%
Độ bền va đập (Charpy V)	Thay đổi; thường ở mức độ trung bình ở độ cứng cao; tốt hơn khi được tôi luyện	Có thể so sánh hoặc thấp hơn một chút ở cùng độ cứng nếu độ cứng tăng lên; có thể cải thiện độ dẻo dai của lõi ở các phần dày do quá trình tôi luyện đồng đều hơn
Độ cứng (HRC)	Thông thường là 58–66 HRC (vòng bi/con lăn sau khi xử lý)	Thông thường là 58–66 HRC (có thể có độ cứng đồng đều hơn qua từng phần)

Giải thích: - Ở các mục tiêu độ cứng tương đương, độ bền nội tại và khả năng chống mài mòn tương đương nhau vì hàm lượng carbon/crom cơ bản là như nhau. Cấp độ biến đổi có xu hướng cho độ cứng đồng đều hơn ở các tiết diện lớn hơn, điều này có thể chuyển thành độ bền hiệu dụng cao hơn và tuổi thọ mỏi được cải thiện cho các chi tiết dày hơn. - Độ dẻo và độ dai cân bằng với độ cứng; nhiệt độ lựa chọn và ram phải phản ánh khả năng chống mỏi cần thiết so với khả năng chống gãy.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố liên quan đến khả năng hàn xoay quanh hàm lượng carbon cao và khả năng tôi luyện tăng cường. Việc sử dụng các công thức carbon tương đương giúp ước tính nguy cơ nứt nguội và nhu cầu gia nhiệt trước/sau gia nhiệt. Ví dụ về số liệu:

• Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Ito–Miyazaki hoặc Pcm để đánh giá thận trọng 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 đều có hàm lượng C cao (~1,0%), tạo ra CE/Pcm cao và do đó khả năng hàn nội tại thấp. Việc nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn thường được yêu cầu để ngăn ngừa nứt nguội do hydro hỗ trợ. - GCr15SiMn, với hàm lượng Mn và Si cao hơn, thường có hệ số CE/Pcm cao hơn so với GCr15 cơ bản, cho thấy khả năng tôi cứng cao hơn và nguy cơ hình thành cấu trúc martensitic cứng trong vùng HAZ cao hơn trừ khi được kiểm soát quy trình. Do đó, cần điều chỉnh quy trình hàn (gia nhiệt sơ bộ và/hoặc PWHT cao hơn, sử dụng vật liệu hàn và kỹ thuật tôi nhiệt phù hợp). - Đối với nhiều bộ phận ổ trục, việc hàn được tránh; thay vào đó, phương pháp ghép nối hoặc hoàn thiện cơ học từ phôi rèn/cán được ưa chuộng hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả GCr15 và GCr15SiMn đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế do hàm lượng Cr thấp so với thép không gỉ.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình: tra dầu cho bề mặt ổ trục, phủ phosphate hoặc lớp phủ chuyển đổi, sơn và mạ kẽm tùy theo môi trường ứng dụng. Ổ trục thường được bôi trơn thay vì phủ lớp phủ.
• PREN không áp dụng được vì không có loại nào được thiết kế hoặc chế tạo như thép không gỉ; tuy nhiên để minh họa: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này chỉ có ý nghĩa đối với hợp kim thép không gỉ có hàm lượng Cr, Mo và N cao hơn.

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

• Khả năng gia công:
• Ở điều kiện ủ, cả hai loại thép đều có khả năng gia công chấp nhận được khi tiện, phay và mài. Hàm lượng lưu huỳnh thường thấp, do đó khả năng gia công không được cải thiện bởi hóa chất cắt gọt tự do.
• Sau khi tôi cứng, mài và tiện cứng là những phương pháp hoàn thiện phổ biến. Các cacbua mịn hơn và độ cứng xuyên suốt cao hơn của GCr15SiMn có thể làm tăng độ mài mòn trên dụng cụ.
• Khả năng định hình/uốn cong:
• Hàm lượng carbon cao hạn chế quá trình tạo hình nguội; các quy trình thường bao gồm tạo hình/rèn nóng sau đó là xử lý nhiệt.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Mài, hoàn thiện siêu mịn và đánh bóng tiếp xúc lăn là các bước tiêu chuẩn. Sự phân bố cacbua và độ cứng của nền ảnh hưởng đến độ hoàn thiện bề mặt có thể đạt được và trạng thái ứng suất dư.

8. Ứng dụng điển hình

GCr15	GCr15SiMn
Vòng bi và ổ trục con lăn và các bộ phận lăn (vòng bi, bi, con lăn)	Các bộ phận lăn có tiết diện lớn hơn, ổ trục đường kính lớn cần được tôi cứng sâu hơn
Trục chính xác, trục quay, ổ trục kim	Các thành phần có sự thay đổi tiết diện vừa phải đòi hỏi độ cứng đồng đều hơn qua độ dày
Các thành phần mài mòn cần có độ cứng cao và cacbua mịn	Ứng dụng mà các bộ phận không thể được làm nguội mạnh nhưng cần cải thiện các đặc tính lõi; một số thành phần ổ trục được cán nguội/chính thức hóa

Cơ sở lựa chọn: - Chọn GCr15 cơ bản cho các thành phần ổ trục có kích thước tiêu chuẩn và khi việc kiểm soát chặt chẽ quy trình xử lý nhiệt ổ trục truyền thống (phương pháp tôi cảm ứng hoặc tôi bề mặt) là đủ và chi phí/tính khả dụng là ưu tiên hàng đầu. - Chọn phiên bản SiMn được sửa đổi khi hình dạng bộ phận hoặc kích thước tiết diện yêu cầu phải tôi xuyên suốt tốt hơn so với phương pháp tôi thông thường để đạt được tuổi thọ chịu mỏi và lợi ích chịu tải, hoặc khi quy trình kiểm soát cụ thể của nhà cung cấp chứng minh hiệu suất được cải thiện đối với bộ phận dự định.

9. Chi phí và tính khả dụng

• GCr15 (AISI 52100/100Cr6) được sản xuất rộng rãi và có sẵn tại nhiều nhà máy trên toàn thế giới dưới dạng thanh, vòng, rèn và ổ trục hoàn thiện—do đó thường có giá thành thấp hơn và nguồn cung ổn định.
• GCr15SiMn có thể được sản xuất theo đơn đặt hàng hoặc được cung cấp bởi một nhóm nhà máy nhỏ hơn như một sửa đổi đặc biệt; chi phí vật liệu trực tiếp có thể cao hơn một chút và thời gian giao hàng có thể lâu hơn đối với các hóa chất tùy chỉnh hoặc các biến thể được nhà cung cấp chứng nhận.
• Tính khả dụng thay đổi tùy theo hình dạng: thanh và vòng bi tiêu chuẩn làm bằng GCr15 là phổ biến; vòng bi GCr15SiMn được xử lý nhiệt theo yêu cầu hoặc các sản phẩm rèn lớn có thể cần thêm thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	GCr15	GCr15SiMn
Khả năng hàn	Thấp (cao C, cần làm nóng trước/PWHT)	Thấp hơn (CE/Pcm cao hơn do có thêm Mn/Si)
Sức mạnh – Độ dẻo dai (sau khi xử lý)	Độ cứng bề mặt cao; tính chất lõi phụ thuộc vào mặt cắt	Độ cứng bề mặt tương tự; cải thiện khả năng làm cứng xuyên suốt cho các phần dày hơn
Trị giá	Thấp hơn, có sẵn rộng rãi	Cao hơn một chút, chuyên biệt hơn

Kết luận: - Chọn GCr15 nếu bạn cần loại thép chịu lực đã được chứng nhận tại nhà máy, có sẵn các tuyến gia công tiêu chuẩn và nguồn cung tiết kiệm chi phí cho các bộ phận lăn thông thường có kích thước thông thường. - Chọn GCr15SiMn nếu linh kiện của bạn có mặt cắt ngang lớn hơn hoặc hình học phức tạp, cần độ cứng sâu hơn, đồng đều hơn để đáp ứng mục tiêu chịu lực hoặc chịu tải, và bạn sẵn sàng chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn một chút hoặc quy trình xử lý được điều chỉnh (xử lý nhiệt và hàn).

Khuyến nghị cuối cùng: xác nhận chứng chỉ vật liệu của nhà cung cấp, yêu cầu bản đồ vi cấu trúc và độ cứng trên các mặt cắt quan trọng, và tiến hành thử nghiệm mỏi cấp độ chi tiết hoặc mỏi tiếp xúc khi điều kiện vận hành đòi hỏi khắt khe. Đối với các cụm chi tiết hàn hoặc khi hiệu suất sau hàn là yếu tố quan trọng, hãy ưu tiên các thiết kế không hàn hoặc áp dụng các quy trình hàn và thử nghiệm hàn đạt tiêu chuẩn do hàm lượng carbon cao và khả năng tôi luyện cao của các loại thép này.