SUJ2 so với 100Cr6 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SUJ2 và 100Cr6 là hai loại thép ổ trục có hàm lượng carbon cao, hàm lượng crôm cao được công nhận trong ngành, được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới cho các chi tiết lăn, vòng bi và các bộ phận chống mài mòn khác. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa các loại thép này khi chỉ định các bộ phận ổ trục, trục hoặc các bộ phận chịu mài mòn, trong đó khả năng tôi cứng, độ hoàn thiện bề mặt và độ ổn định kích thước khi tiếp xúc lăn là rất quan trọng.

Vấn đề nan giải trong lựa chọn thực tế thường tập trung vào tiêu chuẩn hóa khu vực và chuỗi cung ứng (thực hành thiết kế/thông số kỹ thuật của Nhật Bản so với châu Âu), so với sự tương đương về mặt luyện kim—cả hai loại thép đều dành cho cùng một không gian ứng dụng nhưng được điều chỉnh bởi các tiêu chuẩn và dung sai sản xuất khác nhau. Bài viết này so sánh các tiêu chuẩn, hóa học, cấu trúc vi mô, phản ứng xử lý nhiệt, hiệu suất cơ học, các vấn đề chế tạo và hướng dẫn ứng dụng để các chuyên gia kỹ thuật có thể đưa ra lựa chọn sáng suốt.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• SUJ2: Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản (JIS) thường được gọi là JIS G4805 SUJ2. Tương đương với AISI 52100 về nhiều mặt.
• 100Cr6: Ký hiệu EN theo Tiêu chuẩn Châu Âu (EN 100Cr6). Cũng được tham chiếu là 1.3505 trong hệ thống số EN.
• Tương đương AISI/ASTM: AISI 52100 thường được coi là tương đương với cả SUJ2 và 100Cr6 cho nhiều ứng dụng ổ trục.
• GB (Trung Quốc): Thường được cung cấp theo tiêu chuẩn GB tương đương của Trung Quốc dành cho thép chịu lực, có thành phần hóa học gần giống với các loại thép này.

Phân loại: Cả SUJ2 và 100Cr6 đều là thép chịu lực hợp kim crom, hàm lượng cacbon cao (thép không gỉ, thép tiếp xúc dụng cụ/cán). Chúng không phải là thép không gỉ cũng không phải loại HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các phạm vi thành phần điển hình của SUJ2 và 100Cr6. Các giá trị được đưa ra dưới dạng phần trăm khối lượng và thể hiện phạm vi thông số kỹ thuật chung; nên tham khảo chứng chỉ của các nhà cung cấp cụ thể để biết giới hạn chính xác.

Yếu tố	SUJ2 (phạm vi điển hình, wt%)	100Cr6 (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,95 – 1,10	0,95 – 1,05
Mn	0,25 – 0,45	0,25 – 0,45
Si	0,15 – 0,35	0,15 – 0,35
P	≤ 0,03 – 0,04	≤ 0,03 – 0,04
S	≤ 0,03 – 0,04	≤ 0,03 – 0,04
Cr	1,30 – 1,60	1,30 – 1,65
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	≤ 0,08 (thường không có)	≤ 0,08 (thường không có)
V, Nb, Ti, B, N	thường không được chỉ định hoặc có ở mức vết	thường không được chỉ định hoặc có ở mức vết

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon: Thành phần chính tạo nên độ cứng và độ bền của martensite; ~1,0% C tạo nên độ cứng cao và khả năng chống mài mòn cao sau khi tôi và ram. - Crom (~1,3–1,6%): Tăng khả năng tôi cứng và góp phần chống mài mòn và ổn định khi ram; không đủ cao để mang lại khả năng chống ăn mòn cho thép không gỉ. - Mn/Si: Chất khử oxy và tăng độ bền; Mn cũng hỗ trợ khả năng tôi luyện. - Mức P/S thấp được kiểm soát để đảm bảo hiệu suất mỏi và kiểm soát tạp chất.

Chiến lược hợp kim tổng thể: tối đa hóa độ cứng có thể đạt được và khả năng chống mài mòn thông qua hàm lượng carbon cao cộng với hàm lượng crom vừa phải trong khi vẫn giữ cho thành phần hóa học đơn giản để kiểm soát tạp chất và tuổi thọ chịu mỏi.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Điều kiện ủ/ủ mềm: chủ yếu là cacbua hình cầu trong nền ferit để gia công tốt. Đây là cấu trúc vi mô ban đầu được ưu tiên cho việc tạo hình và gia công. - Được tôi và ram: nền martensitic với các cacbua crom mịn, phân tán; mang lại độ cứng và khả năng chống mài mòn cao. Quá trình tôi xuyên suốt thường được áp dụng cho các vòng bi và bi có kích thước tiết diện nhất định. - Các biến thể tôi cứng: ít phổ biến hơn đối với các loại thép này; quá trình thấm cacbon thường không được sử dụng vì thép đã chứa nhiều cacbon.

Tác động của các quá trình: - Chuẩn hóa (trên A3 và làm mát bằng không khí) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và có thể tạo ra khả năng làm cứng đồng đều hơn trước khi làm cứng cuối cùng. - Làm nguội (dầu hoặc không khí, tùy thuộc vào kích thước tiết diện và độ cứng yêu cầu) sẽ biến đổi austenit thành martensite. Đối với các tiết diện dày hơn hoặc khi cần giảm biến dạng, có thể sử dụng các phương pháp làm nguội gián đoạn hoặc ram austenit. - Tôi luyện làm giảm độ giòn nhưng vẫn giữ được độ cứng cao; nhiệt độ tôi luyện kiểm soát sự cân bằng giữa HRC cuối cùng và độ dẻo dai. Nhiệt độ tôi luyện thấp hơn tạo ra độ cứng cao hơn và độ dẻo dai thấp hơn; tôi luyện cao hơn làm tăng độ dẻo dai nhưng lại làm giảm độ cứng.

Sự khác biệt giữa SUJ2 và 100Cr6 trong việc điều chỉnh cấu trúc vi mô chủ yếu là về mặt thủ tục (chu trình xử lý nhiệt, môi trường làm nguội và dung sai sản xuất) chứ không phải do hóa học thúc đẩy.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt và kích thước tiết diện. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi chỉ định cho điều kiện ủ và tôi cứng; sử dụng làm tài liệu tham khảo và kiểm tra bằng bảng dữ liệu của nhà cung cấp hoặc thử nghiệm kéo.

Tài sản	Ủ (điển hình)	Thông thường đã được tôi luyện (làm nguội và ram)
Độ bền kéo (MPa)	~600 – 900 (đã ủ)	thường >1500 (martensite cứng; có thể vượt quá 2000 MPa tùy thuộc vào độ cứng)
Giới hạn chảy (MPa)	~300 – 600 (đã ủ)	>1200 (đã cứng)
Độ giãn dài (%)	~10 – 20 (ủ)	~1 – 6 (đã cứng)
Độ bền va đập (Charpy, J)	vừa phải (ủ, phụ thuộc vào ứng dụng)	thấp đến trung bình (độ cứng cao làm giảm độ dẻo dai)
Độ cứng	~HB 180–260 (đã ủ)	~58 – 66 HRC (điển hình cho các ứng dụng ổ trục)

Cái nào mạnh hơn/cứng hơn/dẻo hơn: - Cả SUJ2 và 100Cr6 đều có phản ứng cơ học rất giống nhau vì thành phần hóa học của chúng về cơ bản là tương đương nhau. Martensite tôi xuyên có độ bền và độ cứng cao nhưng lại giảm độ dẻo và độ bền va đập; ủ tạo ra cấu trúc mềm hơn, dẻo hơn để gia công và tạo hình.

5. Khả năng hàn

Hàm lượng carbon cao (~1,0%) khiến các loại thép này không phù hợp cho việc hàn thông thường mà không có biện pháp xử lý trước và sau khi hàn. Những cân nhắc chính: - Hàm lượng cacbon cao làm tăng nguy cơ hình thành martensite cứng, giòn ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và tăng khả năng nứt nguội. - Khả năng làm cứng do Cr và Mn tạo ra làm tăng thêm độ cứng của HAZ.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Một Pcm toàn diện 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: - Cả hai công thức đều chỉ ra rằng với C ≈ 1,0 và Cr có thể đo được, các giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ sẽ tăng so với thép cacbon thấp, báo hiệu nhu cầu gia nhiệt trước, quy trình hydro thấp và ram sau hàn. Đối với các chi tiết quan trọng, hàn thường được tránh; ưu tiên ghép nối cơ khí, gia công hoặc thiết kế cho các bộ phận có thể tách rời.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này không phải thép không gỉ; hàm lượng crom khoảng 1,3–1,6% cải thiện khả năng chống ăn mòn đôi chút so với thép cacbon thông thường nhưng không đủ để gọi là thép chống ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: sơn, tra dầu, phosphat hóa hoặc mạ điện; mạ kẽm có thể áp dụng cho một số thành phần phụ nhưng không phổ biến đối với các bộ phận cán chính xác.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không được áp dụng một cách có ý nghĩa vì PREN được sử dụng cho các loại thép không gỉ có hàm lượng Cr, Mo và N cao hơn đáng kể: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Đối với các bộ phận ổ trục dễ bị ăn mòn, cần xử lý bề mặt như mạ crôm cứng hoặc phủ DLC thường xuyên hoặc chuyển sang thép ổ trục không gỉ (ví dụ: ổ trục thép không gỉ AISI 440C hoặc martensitic).

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

• Khả năng gia công: Tốt nhất ở trạng thái ủ (hình cầu)—gia công tốc độ cao các chi tiết cứng đã tôi đòi hỏi dụng cụ cacbua và tốc độ ăn dao chậm. SUJ2/100Cr6 trong máy ủ tương đương với AISI 52100.
• Mài và hoàn thiện: Mài chính xác thường được áp dụng cho các bộ phận lăn và vòng sau khi xử lý nhiệt; dụng cụ cacbua hoặc CBN tốt được sử dụng trên các bộ phận đã tôi cứng.
• Tạo hình/uốn cong: Giới hạn ở trạng thái cứng; các bộ phận dự định tạo hình phải được tạo hình ở trạng thái ủ và sau đó gia công hoàn thiện và xử lý nhiệt.
• Hoàn thiện bề mặt: Đạt được độ nhám bề mặt thấp và độ chính xác kích thước cao là rất quan trọng đối với tuổi thọ của vòng bi; mài mịn và hoàn thiện siêu mịn là tiêu chuẩn.

8. Ứng dụng điển hình

Công dụng điển hình của SUJ2 (JIS)	100Cr6 (EN) sử dụng điển hình
Bi, con lăn, ổ trục nhỏ, trục và trục chính xác cho máy móc thị trường Nhật Bản	Vòng bi lăn (bi, con lăn, vòng), trục, linh kiện chịu mài mòn chính xác tại thị trường Châu Âu
Linh kiện ổ trục cỡ nhỏ đến trung bình cho thiết bị ô tô và công nghiệp	Vòng bi có độ chính xác cao dành cho máy công cụ, hộp số ô tô và công nghiệp nặng
Các thành phần yêu cầu tài liệu chuẩn JIS và chuỗi cung ứng	Các thành phần yêu cầu khả năng truy xuất nguồn gốc theo tiêu chuẩn EN/Châu Âu và sự liên kết chuỗi cung ứng

Cơ sở lựa chọn: hãy chọn các loại thép này cho các chi tiết tiếp xúc lăn đòi hỏi độ cứng cao, độ bền mỏi tốt và khả năng dự đoán được hành vi mài mòn. Việc lựa chọn giữa SUJ2 và 100Cr6 thường dựa trên các tiêu chuẩn khu vực, trình độ của nhà cung cấp và yêu cầu truy xuất nguồn gốc hơn là hiệu suất luyện kim.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Cả hai loại thép này đều là thép chịu lực thông dụng có sẵn trên toàn cầu dưới dạng thanh, vòng, dải và bi chính xác.
• Sự khác biệt theo khu vực: SUJ2 thường được lưu kho ở châu Á và bởi các nhà cung cấp châu Á; 100Cr6 là tiêu chuẩn ở châu Âu. Tại nhiều thị trường, AISI 52100 là tên thương mại phổ biến.
• Chi phí: Nhìn chung là tương đương; sự khác biệt về giá có nhiều khả năng là do hình dạng (thanh, vòng, bi), bề mặt hoàn thiện và quá trình xử lý nhiệt/xử lý cần thiết hơn là sự khác biệt về thành phần hóa học vốn có.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	SUJ2	100Cr6
Khả năng hàn	Kém (độ C cao, cần làm nóng trước/sau)	Kém (tương tự như SUJ2)
Sự đánh đổi giữa sức mạnh và độ bền	Có thể đạt được độ cứng/độ bền cao; độ dẻo dai từ trung bình đến thấp khi được tôi luyện	Hành vi tương đương; phụ thuộc vào xử lý nhiệt
Chi phí và tính khả dụng	Có sẵn rộng rãi ở Châu Á; giá cả cạnh tranh	Có sẵn rộng rãi ở Châu Âu; giá cả cạnh tranh

Khuyến nghị: - Chọn SUJ2 nếu chuỗi cung ứng, thông số kỹ thuật hoặc chấp nhận linh kiện của bạn dựa trên JIS hoặc nếu bạn chủ yếu lấy nguồn từ các nhà cung cấp Nhật Bản hoặc Châu Á có sẵn biểu mẫu sản phẩm và chứng nhận SUJ2. - Chọn 100Cr6 nếu bạn yêu cầu tài liệu theo tiêu chuẩn EN/Châu Âu, khả năng truy xuất nguồn gốc hoặc đang hoạt động trong mạng lưới nhà cung cấp và hoạt động mua sắm theo tiêu chuẩn Châu Âu.

Hướng dẫn thực tế: - Đối với các bộ phận ổ trục quan trọng, hãy chỉ định cấp độ cùng với yêu cầu xử lý nhiệt, phạm vi độ cứng, dung sai hoàn thiện bề mặt và thử nghiệm mỏi cần thiết—những chi tiết xử lý này quan trọng hơn đối với hiệu suất so với những khác biệt nhỏ giữa thành phần hóa học của SUJ2 và 100Cr6. - Tránh hàn các bộ phận được làm từ những loại thép này trừ khi có quy trình hàn đạt tiêu chuẩn, quá trình gia nhiệt trước thích hợp, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và quá trình tôi sau khi hàn là một phần của thông số kỹ thuật quy trình.

Tóm lại: về mặt luyện kim, SUJ2 và 100Cr6 tương đương nhau đối với hầu hết các ứng dụng chịu lực và mài mòn; hãy lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn, khả năng cung cấp của nhà cung cấp và thông số kỹ thuật xử lý thay vì mong đợi sự khác biệt lớn về hiệu suất nội tại.