GCr18 so với GCr18Mo – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

GCr18 và GCr18Mo là thép hợp kim/ổ trục crôm cacbon cao, được sử dụng rộng rãi cho các chi tiết lăn, trục và các bộ phận chịu mài mòn. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa tuổi thọ chịu mỏi, khả năng chống mài mòn, khả năng tôi, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn mác thép cho ổ trục tiết diện sâu, thiết kế các bộ phận cần tôi xuyên suốt thay vì tôi vỏ, hoặc lựa chọn vật liệu có thể sản xuất đáng tin cậy ở tiết diện lớn.

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim là việc bổ sung molypden một cách có chủ đích vào GCr18Mo để tăng khả năng tôi cứng và cải thiện khả năng chống mài mòn và ram so với GCr18 thông thường. Vì vậy, cả hai loại thép này được so sánh trong thiết kế và sản xuất, trong đó kích thước tiết diện, phản ứng xử lý nhiệt và độ mài mòn khi sử dụng là rất quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và tương đương quốc gia và quốc tế phổ biến:
• GB (Trung Quốc): GCr18, GCr18Mo (Danh pháp quốc gia Trung Quốc dành cho thép hợp kim/vòng bi).
• EN (Châu Âu): Có liên quan chặt chẽ với 100Cr6 / 1.3505 (đối với GCr18); biến thể chứa Mo có thể được chỉ định theo cấp 1.3505 đã sửa đổi hoặc các ký hiệu EN cụ thể.
• AISI/SAE: 52100 / SAE 52100 tương tự như GCr15/100Cr6; GCr18 thường được so sánh với các loại thép chịu lực này về mặt hóa học và ứng dụng, nhưng sự tương đương chính xác phụ thuộc vào giới hạn.
• JIS (Nhật Bản): Các loại thép chịu lực tương tự xuất hiện trong JIS nhưng việc lập bản đồ chỉ định trực tiếp một-một đòi hỏi phải kiểm tra bảng thành phần.
• Phân loại:
• Cả GCr18 và GCr18Mo đều là thép hợp kim chứa nhiều cacbon, crom, thường được sử dụng làm thép chịu lực/dụng cụ/chịu mài mòn thay vì thép không gỉ hoặc thép kết cấu HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình của các công thức GCr18 và GCr18Mo tiêu biểu. Giới hạn chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn, nhà sản xuất và thông số kỹ thuật xử lý nhiệt; người dùng nên tham khảo giấy chứng nhận nhà máy hoặc tiêu chuẩn áp dụng để mua sắm.

Yếu tố	GCr18 điển hình (wt.%)	GCr18Mo điển hình (wt.%)
C	0,95 – 1,05	0,95 – 1,05
Mn	0,20 – 0,40	0,20 – 0,40
Si	0,10 – 0,40	0,10 – 0,40
P	≤ 0,025	≤ 0,025
S	≤ 0,025	≤ 0,025
Cr	1,30 – 1,70	1,30 – 1,70
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mo	≤ 0,03	0,10 – 0,30
V	≤ 0,03	≤ 0,03
Nb/Ti/B/N	Cấp độ mã/theo dõi	Cấp độ mã/theo dõi

Ghi chú: - Hàm lượng cacbon cao giúp tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn sau khi tôi và ram. - Crom có ​​khả năng làm cứng, chống mài mòn và hình thành cacbua. - Molypden trong GCr18Mo được thêm vào với lượng nhỏ để tăng khả năng tôi cứng và khả năng chống ram; nó cũng cải thiện phản ứng ram và giảm nguy cơ cấu trúc vi mô bị giòn khi làm nguội ở các phần lớn hơn. - Các nguyên tố phụ (V, Nb, Ti) thường chỉ có ở dạng vết hoặc dưới dạng hợp kim vi mô tùy thuộc vào quy trình của nhà cung cấp.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - C và Cr kiểm soát độ cứng có thể đạt được và cấu trúc cacbua—C cao hơn làm tăng độ cứng nhưng làm giảm khả năng hàn. - Cr ở mức 1,3–1,7% góp phần làm cứng thứ cấp và chống mài mòn nhưng không làm cho thép trở nên không gỉ. - Mo làm tăng khả năng tôi luyện, nâng cao khả năng chống ram (duy trì độ cứng ở nhiệt độ ram cao hơn) và có thể cải thiện tuổi thọ tiếp xúc lăn. - Mn và Si là chất khử oxy và góp phần không nhỏ vào khả năng làm cứng và độ bền.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và tác động của quá trình xử lý:

• Đã cuộn/chuẩn hóa:

• Cả hai loại đều có ma trận cacbua perlit hoặc cầu hóa tùy thuộc vào phương pháp ủ. Chu trình thường hóa/tinh chế tạo ra pelit mịn và cacbua giữ lại, thích hợp cho quá trình tôi và ram tiếp theo.

• Làm nguội và ram:

• Làm cứng điển hình: austenit hóa (ví dụ: 780–840°C, tùy thuộc vào tiết diện và thông số kỹ thuật) sau đó tôi dầu/tôi hoặc tôi khí/tôi cho các hình dạng cụ thể. Quá trình ram tiếp theo tạo ra martensite ram với crom cacbua phân tán.
• GCr18: đạt độ cứng cao và phân bố cacbua mịn ở các phần nhỏ hơn; ở các phần lớn hơn, nó dễ bị biến đổi không hoàn toàn (lõi mềm) và có nguy cơ nứt khi tôi cao hơn nếu không được kiểm soát cẩn thận.

• GCr18Mo: Mo làm tăng khả năng tôi cứng, thúc đẩy cấu trúc martensitic tôi cứng hơn ở các mặt cắt ngang lớn hơn. Mo cũng làm thay đổi khả năng chịu nhiệt, do đó độ cứng sau khi ram được duy trì tốt hơn ở nhiệt độ ram cao hơn.

• Xử lý nhiệt cơ học:

• Quá trình xử lý nhiệt cơ học và cán nóng ảnh hưởng đến kích thước hạt austenite ban đầu. Các hạt austenite mịn hơn cải thiện độ dẻo dai và giảm nhiệt độ austenit hóa cần thiết; Mo giúp duy trì độ dẻo dai ở các mặt cắt thô hơn bằng cách cải thiện khả năng tôi.

Tóm lại, việc kiểm soát cấu trúc vi mô cho cả hai loại đều tập trung vào việc tạo ra ma trận martensitic với các cacbua crom phân tán; GCr18Mo dễ sử dụng hơn đối với các phần lớn hơn và nhiệt độ tôi cao hơn.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt chính xác. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi nhiệt độ sau khi tôi và ram điển hình được sử dụng cho các ứng dụng chịu lực/chống mài mòn; hãy coi đây là giá trị đại diện chứ không phải giá trị đảm bảo.

Tài sản	GCr18 điển hình (đã tôi và ram)	GCr18Mo điển hình (đã tôi và ram)
Độ bền kéo (MPa)	900 – 1800 (phụ thuộc vào xử lý nhiệt)	900 – 1900 (cao hơn ở các phần được làm cứng xuyên suốt)
Giới hạn chảy (MPa)	600 – 1600	600 – 1650
Độ giãn dài (%)	4 – 12 (thấp hơn ở độ cứng cao hơn)	4 – 12
Độ bền va đập (J, Charpy)	Thấp hơn ở độ cứng rất cao; cải thiện khi tôi luyện	Nói chung là tương tự hoặc cải thiện đôi chút ở các phần lớn hơn do quá trình tôi xuyên tốt hơn
Độ cứng (HRC)	58 – 66 (phạm vi độ cứng ổ trục)	58 – 66 (giữ nguyên tốt hơn sau khi tôi luyện ở cấp Mo)

Giải thích: - Độ cứng đỉnh và độ bền kéo chủ yếu được kiểm soát bằng cacbon và xử lý nhiệt. Cả hai loại đều đạt độ cứng đỉnh tương tự nhau ở các chi tiết nhỏ. - GCr18Mo có khả năng tôi luyện được cải thiện, do đó ở những bộ phận lớn hơn, nó có thể đạt được độ cứng và độ bền lõi cao hơn so với GCr18 thông thường được xử lý giống hệt nhau. - Sự khác biệt về độ dẻo dai phụ thuộc vào ứng dụng và cách xử lý; Mo có thể cải thiện độ dẻo dai ở các phần nặng hơn bằng cách tạo ra phản ứng martensitic đồng đều hơn và bằng cách tôi luyện tính ổn định của cấu trúc vi mô.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn đối với thép có hàm lượng carbon cao, độ cứng cao cần được kiểm soát cẩn thận do hàm lượng carbon tương đương cao và xu hướng hình thành martensite cứng, giòn ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Chỉ số khả năng hàn phổ biến được sử dụng để định tính: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả GCr18 và GCr18Mo đều có hàm lượng cacbon cao; giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ của chúng sẽ đủ cao để đảm bảo quá trình nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn cho các ứng dụng quan trọng. - Sự có mặt của Mo làm tăng nhẹ $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$; nói cách khác, GCr18Mo dễ bị cứng hóa HAZ và có nguy cơ nứt hơn GCr18 khi hàn mà không có biện pháp phòng ngừa. - Đối với các sửa chữa nhỏ hoặc mối nối không quan trọng, hãy sử dụng kim loại hàn phù hợp, làm nóng trước để giảm tốc độ làm nguội và thực hiện PWHT (xử lý nhiệt sau hàn) để tôi martensite ở vùng HAZ. - Khi cần giảm thiểu hoặc loại bỏ hàn, phương pháp ghép nối cơ khí hoặc gia công để lắp ráp phù hợp được ưu tiên.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả GCr18 và GCr18Mo đều không phải là thép không gỉ; hàm lượng crom của chúng không đủ để tạo ra khả năng thụ động trong môi trường nước.
• Các chiến lược bảo vệ bề mặt điển hình:
• Lớp phủ bảo vệ: sơn, mạ (kẽm, niken) hoặc lớp phủ phosphate.
• Mạ kẽm là một lựa chọn cho một số thành phần cấu trúc hoặc thành hình, mặc dù xử lý nhiệt sau khi mạ kẽm không phải là phương pháp phổ biến.
• Bôi trơn và thiết kế để thoát nước là những biện pháp phổ biến đối với các tiếp điểm lăn nhằm giảm thiểu sự mài mòn do ăn mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép chịu lực không phải thép không gỉ này vì PREN được sử dụng để đánh giá khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Sử dụng hợp kim chống ăn mòn (thép chịu lực không gỉ) khi dịch vụ yêu cầu cả khả năng chống ăn mòn và hiệu suất chống mài mòn/mỏi.

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

• Khả năng gia công:
• Hàm lượng cacbon cao và khả năng chịu lực cao đồng nghĩa với việc cả hai loại thép này đều khó gia công hơn ở trạng thái tôi. Quá trình ủ hoặc cầu hóa được sử dụng để gia công nhằm cải thiện tuổi thọ dụng cụ.
• GCr18Mo ở trạng thái tôi/làm cứng có thể khó hơn một chút do tác động của Mo, nhưng sự khác biệt là không đáng kể đối với điều kiện gia công trước.
• Tạo hình và uốn nguội:
• Không thuận lợi trong điều kiện cứng; việc tạo hình được thực hiện ở trạng thái ủ mềm hơn.
• Hàm lượng carbon cao hạn chế việc kéo sâu hoặc tạo hình rộng mà không bị nứt.
• Mài và hoàn thiện:
• Cả hai đều phản ứng tốt với quá trình mài chính xác sau khi tôi cứng. Sự phân bố cacbua và austenit dư có thể ảnh hưởng đến quá trình mài và độ ổn định kích thước cuối cùng.
• Những cân nhắc về xử lý nhiệt:
• Ủ hình cầu để gia công: giảm lực cắt và ngăn ngừa sứt mẻ cạnh.
• Phương pháp làm nguội được kiểm soát, lịch trình tôi luyện và giảm ứng suất là rất quan trọng để giảm thiểu sự biến dạng.

8. Ứng dụng điển hình

GCr18 (công dụng điển hình)	GCr18Mo (sử dụng điển hình)
Vòng bi và bi lăn chính xác (kích thước nhỏ đến trung bình)	Vòng bi và trục có tiết diện lớn hơn cần được tôi cứng hoàn toàn
Vòng bi, con lăn và rãnh được sử dụng trong máy móc chính xác	Con lăn có tiết diện lớn, vòng bi lớn và các bộ phận chịu tác động mỏi tiếp xúc lăn lớn
Các bộ phận hao mòn trong các thành phần có kích thước từ thấp đến trung bình, nơi chi phí là quan trọng	Các bộ phận và trục chịu mài mòn có khả năng chịu nhiệt và độ cứng được cải thiện giúp kéo dài tuổi thọ
Các thành phần dụng cụ yêu cầu độ cứng bề mặt cao (trong các bộ phận nhỏ)	Các thành phần hoạt động ở nhiệt độ cao hoặc cần duy trì độ cứng tốt hơn sau khi tôi luyện

Cơ sở lựa chọn: - Chọn GCr18 cho các ổ trục có tiết diện nhỏ đến trung bình và các bộ phận chịu mài mòn khi xử lý nhiệt thông thường đạt được độ cứng cần thiết và tuổi thọ chịu mỏi một cách kinh tế. - Chọn GCr18Mo khi kích thước tiết diện, tải trọng vận hành dự kiến ​​hoặc nhiệt độ tôi cao hơn có nghĩa là cần cải thiện quá trình tôi xuyên suốt, độ cứng được giữ lại cao hơn sau khi tôi hoặc tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn tốt hơn một chút.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• GCr18 thường rẻ hơn GCr18Mo vì không chứa molypden, một nguyên tố hợp kim có giá thành cao hơn.
• Chi phí gia tăng của GCr18Mo là hợp lý khi khả năng tôi luyện, giảm phế liệu hoặc cải thiện hiệu suất mang lại khả năng tiết kiệm vòng đời.
• Khả dụng:
• Cả hai loại thép này đều thường có sẵn dưới dạng sản phẩm thép chịu lực (thanh, vòng, tấm và phôi rèn) thông qua các nhà cung cấp thép chuyên dụng.
• Thời gian giao hàng có thể lâu hơn một chút đối với các biến thể ổ trục Mo có dung sai chặt chẽ hoặc đối với các phương pháp xử lý nhiệt cụ thể; hãy chỉ định giấy chứng nhận nhà máy và phương pháp xử lý nhiệt khi đặt hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	GCr18	GCr18Mo
Khả năng hàn	Kém đến hạn chế (cần làm nóng trước/PWHT)	Kém hơn một chút (khả năng làm cứng cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Có thể đạt được độ cứng cao; độ dẻo dai phụ thuộc vào phần/HT	Tương tự hoặc cải tiến ở các phần nặng do quá trình tôi xuyên tốt hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (do Mo)

Sự giới thiệu: - Chọn GCr18 nếu bạn cần thép chịu lực/chịu mài mòn tiết kiệm chi phí cho mặt cắt ngang từ nhỏ đến trung bình, trong đó phương pháp tôi và ram tiêu chuẩn đạt được độ cứng và tuổi thọ chịu mỏi cần thiết. - Chọn GCr18Mo nếu các linh kiện của bạn có tiết diện lớn hơn, cần được tôi đồng đều hơn qua mặt cắt ngang, cần cải thiện khả năng chống ram hoặc sẽ được hưởng lợi từ những cải tiến khiêm tốn về độ mài mòn và tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn mà molypden mang lại.

Ghi chú thực tế cuối cùng: - Luôn ghi rõ giới hạn hóa chất, lịch trình xử lý nhiệt và thử nghiệm chấp nhận (độ cứng, cấu trúc vi mô, thử nghiệm không phá hủy) trên đơn đặt hàng. - Đối với các cụm hàn hoặc các thành phần chịu mỏi quan trọng, hãy liên hệ với các kỹ sư quy trình luyện kim ngay từ đầu để xác định nhiệt độ nung nóng trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn và PWHT cần thiết để tránh hiện tượng giòn HAZ và hỏng hóc khi sử dụng.