GCr15 so với GCr18 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

GCr15 và GCr18 là hai loại thép crom cacbon cao có liên quan chặt chẽ với nhau, được sử dụng rộng rãi cho ổ trục, chi tiết chịu mài mòn và các linh kiện chính xác. Các kỹ sư và quản lý mua sắm thường cân nhắc giữa độ cứng có thể đạt được, khả năng tôi xuyên suốt, khả năng chống mài mòn và chi phí khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm: chỉ định vòng bi trong đó tuổi thọ chịu mỏi và độ cứng bề mặt là tối quan trọng, lựa chọn trục hoặc con lăn cần tôi sâu hơn, hoặc tối ưu hóa chi phí mua sắm so với tuổi thọ sử dụng.

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim giữa các loại thép này là hàm lượng crom trong GCr18 cao hơn so với GCr15. Nồng độ crom cao hơn này làm thay đổi cân bằng hợp kim theo hướng tăng độ cứng và hình thành cacbua, từ đó ảnh hưởng đến phản ứng xử lý nhiệt, đặc tính mài mòn và các cân nhắc về chế tạo. Vì cả hai đều là thép chứa crom hàm lượng carbon cao, được thiết kế cho các ứng dụng tương tự, nên chúng thường được so sánh trực tiếp trong các lựa chọn thiết kế và sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tài liệu tham khảo quốc tế phổ biến và tương đương:
• GB (Trung Quốc): GCr15, GCr18 (cấp quốc gia Trung Quốc được sử dụng trong các bộ phận chịu lực và chống mài mòn).
• EN / ISO: 100Cr6 (EN) thường được coi là tương đương với GCr15/AISI 52100 trong thực tế.
• JIS: SUJ2 thường được so sánh với GCr15.

• ASTM/ASME: không có chỉ định ASTM chung nào cho các cấp GB cụ thể này, nhưng AISI 52100 là tiêu chuẩn tương tự phổ biến của Hoa Kỳ đối với GCr15.

• Phân loại:

• Cả GCr15 và GCr18 đều là thép chịu lực không gỉ, crôm cacbon cao (thép hợp kim cacbon cao tập trung vào khả năng chống mài mòn và mỏi). Chúng không phải là loại thép không gỉ, cũng không phải là thép HSLA hợp kim thấp cấu trúc.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Thành phần điển hình (% khối lượng, gần đúng; tham khảo tiêu chuẩn cụ thể hoặc giấy chứng nhận nhà máy để biết giới hạn chính xác)

Yếu tố	GCr15 (điển hình)	GCr18 (điển hình)
C	0,95–1,05	0,95–1,05
Mn	0,25–0,45	0,25–0,45
Si	0,17–0,37	0,17–0,37
P	≤0,025 (tối đa)	≤0,025 (tối đa)
S	≤0,025 (tối đa)	≤0,025 (tối đa)
Cr	1,40–1,65 (xấp xỉ)	1,70–2,00 (xấp xỉ; cao hơn GCr15)
Ni	≤0,30 (vết)	≤0,30 (vết)
Mo	≤0,10 (thường không có)	≤0,10 (thường không có)
V, Nb, Ti, B, N	Dấu vết hoặc tạp chất được kiểm soát	Dấu vết hoặc tạp chất được kiểm soát

Ghi chú: - Các giá trị trên chỉ là phạm vi điển hình mang tính chất chỉ dẫn được sử dụng trong thực tế công nghiệp; luôn kiểm tra theo chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy hoặc thông số kỹ thuật GB/T có liên quan. - Sự thay đổi thành phần chính là sự gia tăng có chủ ý của crom trong GCr18 so với GCr15; các nguyên tố khác vẫn tương đương và nhìn chung ở mức thấp.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon cung cấp cơ sở cho khả năng tôi luyện và độ cứng martensitic đạt được; cả hai loại đều có hàm lượng carbon cao để hỗ trợ độ cứng cao và khả năng chống mài mòn. - Crom làm tăng khả năng tôi cứng, độ cứng của cacbua (crom cacbua) và khả năng chịu nhiệt. Hàm lượng Cr cao hơn cải thiện khả năng tôi cứng và chống mài mòn, đồng thời tăng độ ổn định nhiệt. - Mangan và silic đóng vai trò là chất khử oxy và là chất góp phần làm cứng vừa phải; các nguyên tố hợp kim vết hoặc hợp kim vi mô (V, Nb) sẽ ảnh hưởng đến sự phân tán cacbua mịn nếu có.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng xử lý nhiệt: - Điều kiện ủ/hình cầu: cả hai loại này thường được cung cấp hoặc chế biến thành cấu trúc perlit hình cầu hoặc ferit hình cầu + cacbua để cải thiện khả năng gia công và định hình trước khi xử lý nhiệt cuối cùng. - Điều kiện tôi và ram: xử lý nhiệt tạo ra martensite được ram đến độ cứng cần thiết với sự phân tán các cacbua giàu crom. Hình thái cacbua và tỷ lệ thể tích chịu ảnh hưởng của hàm lượng Cr; GCr18 có xu hướng tạo ra tỷ lệ cacbua ổn định cao hơn một chút và có thể cho thấy các cacbua Cr mịn hơn hoặc nhiều hơn ở các quá trình xử lý nhiệt tương đương. - Chuẩn hóa: khôi phục cấu trúc vi mô perlit/tôi mịn trước khi gia công hoàn thiện hoặc làm cứng; hiệu ứng tương tự cho cả hai cấp. - Ảnh hưởng của Cr cao hơn trong GCr18: - Khả năng làm cứng tăng lên: GCr18 đạt được cấu trúc martensitic sâu hơn với cùng mức độ làm nguội hoặc cho phép làm nguội ở mức độ thấp hơn đạt được độ cứng mục tiêu, cải thiện tính đồng nhất ở các phần lớn hơn. - Độ ổn định/thể tích của cacbua: nhiều Cr có xu hướng ổn định cacbua và có thể làm giảm quá trình làm mềm ở nhiệt độ tôi nhất định, giúp cải thiện khả năng chống mài mòn nhưng có thể làm giảm độ dẻo dai nếu kích thước/tính liên tục của cacbua tăng lên.

Quá trình xử lý nhiệt cơ học giúp tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và phân tán cacbua có thể mang lại lợi ích cho cả hai loại; hàm lượng Cr cao hơn của GCr18 mang lại nhiều biên độ hơn cho quá trình tôi xuyên suốt ở các phần dày hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng: So sánh hành vi cơ học (định tính, phụ thuộc vào xử lý nhiệt và kích thước mặt cắt)

Tài sản	GCr15	GCr18
Độ bền kéo (đã tôi cứng)	Cao; phạm vi thép chịu lực điển hình	Tương tự như cao hơn một chút (do khả năng làm cứng cao hơn)
Sức chịu lực	Cao (Phụ thuộc vào xử lý nhiệt)	Tương tự như cao hơn một chút ở các phần dập tắt sâu hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Thấp đến trung bình sau khi đông cứng	Tương tự hoặc giảm nhẹ nếu thể tích cacbua tăng
Độ bền va đập	Nói chung là tốt hơn trong điều kiện tương đương (dễ tha thứ hơn một chút)	Thấp hơn một chút ở độ cứng tương đương nếu tỷ lệ cacbua tăng
Độ cứng (đã tôi luyện/đã tôi luyện)	Có thể đạt được độ cứng ổ trục thông thường (rất cao)	Độ cứng đỉnh tương đương; dễ đạt được hơn qua độ dày

Giải thích: - Cả hai loại đều được thiết kế để có độ cứng và khả năng chống mỏi cao. Hàm lượng crom cao hơn của GCr18 cải thiện độ ổn định khi tôi và ram, cho phép độ bền kéo tương đương hoặc cao hơn một chút đối với các chi tiết dày hơn hoặc trong chế độ tôi nhẹ hơn. Tuy nhiên, hàm lượng cacbua tăng có thể làm giảm nhẹ độ dai và độ dẻo của rãnh khía, vì vậy các nhà thiết kế phải cân bằng độ cứng và độ dẻo dựa trên ứng dụng.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn: - Hàm lượng cacbon cao trong cả hai loại đều hạn chế khả năng hàn; thường yêu cầu phải nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) để tránh nứt nguội và martensite giòn ở các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. - Khả năng làm cứng tăng lên (từ Cr cao hơn) trong GCr18 làm tăng nguy cơ vi cấu trúc HAZ cứng, giòn sau khi hàn, đòi hỏi quy trình hàn bảo thủ hơn so với GCr15 trong một số trường hợp.

Công thức tương đương cacbon hữu ích (diễn giải theo hướng định tính — không thay thế cho việc xác định quy trình): - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm quốc tế để đánh giá khả năng hàn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Cả hai loại đều cho ra chỉ số $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao so với thép kết cấu cacbon thấp; hàm lượng Cr cao hơn trong GCr18 làm tăng nhẹ các chỉ số này, cho thấy xu hướng nứt và cứng vùng HAZ cao hơn một chút nếu hàn mà không có sự kiểm soát. - Khuyến nghị thực tế: giảm thiểu hàn trên các bề mặt chịu lực quan trọng; nếu không thể tránh khỏi việc hàn, hãy sử dụng vật tư gia nhiệt trước đạt tiêu chuẩn, vật tư tiêu hao có thành phần phù hợp, hình dạng rãnh hẹp và PWHT để tôi vùng HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả GCr15 và GCr18 đều không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và phần lớn phụ thuộc vào bề mặt hoàn thiện, chất bôi trơn và các biện pháp kiểm soát môi trường.
• Các phương pháp bảo vệ tiêu chuẩn: bôi trơn bằng dầu hoặc mỡ cho ổ trục, phủ phosphat để chống ăn mòn trước khi sơn, mạ kẽm nhúng nóng hoặc sơn cho các bộ phận kết cấu/chịu mài mòn khi cần thiết.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) là chỉ số của thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không áp dụng cho GCr15/GCr18 vì chúng không phải là hợp kim không gỉ (không đủ Cr và về cơ bản không có Mo/N để tạo thành màng thụ động).

Lưu ý thực tế: Hàm lượng Cr cao hơn một chút của GCr18 mang lại khả năng chống ăn mòn tốt hơn một chút xét về mặt hóa học thuần túy, nhưng sự khác biệt này là nhỏ và không liên quan đến các môi trường yêu cầu khả năng chống ăn mòn thực sự — những ứng dụng như vậy cần thép không gỉ hoặc lớp phủ bề mặt.

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

• Khả năng gia công:
• Cả hai loại thép này đều khó gia công ở trạng thái tôi cứng; quá trình gia công thường được thực hiện ở trạng thái ủ hoặc cầu hóa để bảo vệ tuổi thọ dụng cụ và độ chính xác về kích thước.
• GCr18 có thể gây ra hiện tượng mài mòn cao hơn một chút trên các dụng cụ cắt do hàm lượng cacbua tăng lên; vật liệu dụng cụ và điều kiện cắt nên được lựa chọn phù hợp (lõi cacbua, chất làm mát, tốc độ/bước tiến thích hợp).
• Khả năng định hình:
• Hàm lượng cacbon cao làm giảm độ dẻo khi ở trạng thái cứng; quá trình tạo hình nguội bị hạn chế và thường phải ủ trước.
• Đối với các hoạt động uốn và tạo hình, ủ hoàn toàn hoặc ủ cầu là tiêu chuẩn để tránh nứt.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Các hoạt động mài và hoàn thiện bề mặt ổ trục là tiêu chuẩn; hàm lượng Cr cao hơn có thể làm tăng độ mài mòn của bánh xe nhưng cũng hỗ trợ khả năng chống mài mòn tốt hơn cho bộ phận hoàn thiện.

8. Ứng dụng điển hình

GCr15 (công dụng điển hình)	GCr18 (công dụng điển hình)
Vòng bi và ổ bi lăn chính xác (vòng bi, bi)	Vòng bi và con lăn cần được tôi cứng hơn hoặc cải thiện khả năng chống mài mòn đôi chút
Trục và trục chính cho máy công cụ	Con lăn, trục và vòng chịu mài mòn có tiết diện lớn hơn cần được tôi cứng
Đeo vòng, ống lót, cam (nơi yêu cầu độ cứng bề mặt cao)	Các thành phần hoạt động dưới ứng suất tiếp xúc cao hơn hoặc tiết diện lớn hơn
Các thành phần được tôi luyện chính xác đòi hỏi tuổi thọ chịu mỏi cao	Các ứng dụng được hưởng lợi từ khả năng chống tôi luyện được cải thiện hoặc hàm lượng cacbua cao hơn một chút

Cơ sở lựa chọn: - Chọn GCr15 khi hiệu suất thép chịu lực tiêu chuẩn, tính khả dụng rộng rãi và các tuyến đường xử lý đã được thiết lập là những yếu tố chính cần cân nhắc. - Chọn GCr18 khi độ dày hoặc hình dạng của tiết diện khiến cho việc tôi xuyên qua GCr15 trở nên khó khăn hoặc khi cần cải thiện một chút về khả năng chống mài mòn/chịu nhiệt và có thể chấp nhận được sự đánh đổi nhỏ về độ dẻo dai.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: GCr18 thường có giá cao hơn GCr15 một chút do hàm lượng crom cao hơn và nhu cầu chuyên biệt hơn. Chênh lệch giá thay đổi tùy theo giá thị trường nguyên tố hợp kim và hoạt động của nhà cung cấp.
• Tính khả dụng: GCr15 cực kỳ phổ biến và được lưu kho rộng rãi dưới dạng thanh, vòng và sản phẩm ổ trục thành phẩm. GCr18 cũng có sẵn nhưng ít phổ biến hơn — nó có thể được lưu kho bởi các nhà cung cấp chuyên dụng hoặc được sản xuất theo đơn đặt hàng cho các bộ phận nặng hơn hoặc hiệu suất cao hơn.
• Hình thức sản phẩm: cả hai loại đều có dạng thanh, vòng và phôi rèn cán nóng và kéo nguội; các bộ phận ổ trục hoàn thiện là chuỗi cung ứng hoàn thiện cho GCr15.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: Tóm tắt nhanh

Thuộc tính	GCr15	GCr18
Khả năng hàn	Thách thức (C cao); tốt hơn GCr18 trong cùng điều kiện	Tệ hơn một chút do khả năng làm cứng cao hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt cho nhiều ứng dụng ổ trục	Độ bền/độ cứng cao hơn một chút với chi phí độ dẻo dai thấp hơn một chút
Trị giá	Thấp hơn / có sẵn rộng rãi	Cao hơn / ít phổ biến hơn

Khuyến nghị: - Chọn GCr15 nếu: - Bạn cần loại thép chịu lực đã được kiểm chứng với lộ trình gia công hoàn thiện và có nhiều nhà cung cấp sẵn có. - Thành phần tương đối mỏng hoặc có thể được làm nguội mạnh để quá trình làm cứng không bị hạn chế. - Chi phí và nguồn cung chuẩn hóa là những hạn chế chính.

• Chọn GCr18 nếu:
• Kích thước mặt cắt, thiết kế hoặc giới hạn làm nguội khiến việc làm cứng sâu hơn trở nên cần thiết để đảm bảo các đặc tính đồng nhất qua độ dày.
• Ứng dụng này có lợi từ khả năng chống nhiệt tốt hơn hoặc khả năng chống mài mòn tăng nhẹ và thiết kế cho phép giảm một chút độ bền của khía.
• Bạn chấp nhận mức phí bảo hiểm khiêm tốn và thời gian chờ có thể lâu hơn đối với nguồn cung chuyên biệt.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại đều yêu cầu đặc tả kỹ lưỡng về xử lý nhiệt, hoàn thiện bề mặt và chế độ bôi trơn để đạt được hiệu suất chịu mỏi và mài mòn. Đối với các ổ trục quan trọng hoặc các bộ phận quay có độ tin cậy cao, hãy làm việc với các nhà cung cấp vật liệu và chuyên gia xử lý nhiệt để sản xuất và đánh giá chính xác điều kiện (hồ sơ độ cứng, cấu trúc vi mô, ứng suất dư) theo yêu cầu của ứng dụng.