Thép 20Cr: Tổng quan về tính chất và ứng dụng chính

Thép 20Cr được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình, chủ yếu được hợp kim hóa với crom, giúp tăng cường khả năng làm cứng, độ bền và khả năng chống ăn mòn. Ký hiệu "20Cr" biểu thị hàm lượng crom danh nghĩa khoảng 2%, đóng góp đáng kể vào các đặc tính tổng thể của thép. Loại thép này thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi sự kết hợp giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn, làm cho thép phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật và kết cấu khác nhau.

Tổng quan toàn diện

Thép 20Cr nổi tiếng với các đặc tính cơ học tuyệt vời, bao gồm độ bền kéo cao, độ dẻo tốt và khả năng chống mài mòn được cải thiện do có chứa crom. Các nguyên tố hợp kim trong Thép 20Cr đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính của nó. Ví dụ, crom không chỉ tăng cường độ bền mà còn cải thiện khả năng chống oxy hóa và ăn mòn của thép, giúp thép phù hợp với các môi trường khắc nghiệt.

Những ưu điểm chính của Thép 20Cr bao gồm:

• Độ bền và độ dẻo dai cao : Hàm lượng carbon trung bình cho phép thép có khả năng làm cứng tốt, phù hợp cho các ứng dụng hạng nặng.
• Khả năng chống ăn mòn : Hàm lượng crom mang lại khả năng chống ăn mòn nhất định, có lợi trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.
• Tính linh hoạt : 20Cr có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ linh kiện ô tô đến các bộ phận máy móc.

Tuy nhiên, vẫn có những hạn chế cần cân nhắc:

• Khả năng hàn : Mặc dù có thể hàn, nhưng phải đặc biệt cẩn thận để tránh nứt, đặc biệt là ở những phần dày hơn.
• Chi phí : Việc bổ sung crom có ​​thể làm tăng chi phí so với thép hợp kim thấp hơn.

Trong lịch sử, Thép 20Cr đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thành phần hiệu suất cao trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, nơi mà độ bền và độ tin cậy là tối quan trọng.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	G41400	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn gần nhất tương đương với AISI 4130 với một số khác biệt nhỏ về thành phần.
AISI/SAE	20Cr	Hoa Kỳ	Tên gọi thông dụng ở Bắc Mỹ.
Tiêu chuẩn ASTM	A29/A29M	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn chung cho thép hợp kim.
VI	1.7035	Châu Âu	Tương đương với tiêu chuẩn Châu Âu.
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SCM420	Nhật Bản	Tính chất tương tự nhưng có các nguyên tố hợp kim khác nhau.
Anh	20Cr	Trung Quốc	Tương đương trực tiếp với các tính chất tương tự.

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và giá trị tương đương khác nhau cho Thép 20Cr. Đáng chú ý là trong khi các loại như SCM420 và 1.7035 thường được coi là tương đương, chúng có thể có những khác biệt nhỏ trong các nguyên tố hợp kim có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như khả năng chống va đập hoặc khả năng làm cứng.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,18 - 0,23
Cr (Crom)	1,80 - 2,20
Mn (Mangan)	0,60 - 0,90
Si (Silic)	0,15 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,035
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,035

Các nguyên tố hợp kim chính trong Thép 20Cr bao gồm:

• Crom (Cr) : Tăng khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn.
• Mangan (Mn) : Tăng cường độ bền và độ dẻo dai, hỗ trợ quá trình khử oxy.
• Cacbon (C) : Tăng độ cứng và độ bền thông qua xử lý nhiệt.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	800 - 1000MPa	116.000 - 145.000 psi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	600 - 800MPa	87.000 - 116.000 psi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	12-18%	12-18%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	28 - 34HRC	28 - 34HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Làm nguội & tôi luyện	-20°C (-4°F)	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Các tính chất cơ học của Thép 20Cr làm cho nó đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến tải trọng động và tính toàn vẹn của cấu trúc. Độ bền kéo và độ bền chảy cao cho thấy khả năng chịu được tải trọng đáng kể, trong khi tỷ lệ giãn dài phản ánh độ dẻo tốt, cho phép biến dạng mà không bị gãy.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	-	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	20°C (68°F)	45 W/m·K	31 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	20°C (68°F)	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	20°C (68°F)	0,0006 Ω·m	0,00002 Ω·trong

Mật độ và điểm nóng chảy của Thép 20Cr cho thấy độ bền của nó, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng cho thấy tính phù hợp của nó đối với các ứng dụng liên quan đến truyền nhiệt. Điện trở suất tương đối thấp, khiến nó trở thành chất dẫn điện tốt, có thể có lợi trong các ứng dụng cụ thể.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-5	25°C (77°F)	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ.
Axit sunfuric	10	50°C (122°F)	Nghèo	Không khuyến khích.
Natri Hydroxit	50	25°C (77°F)	Tốt	Sức đề kháng vừa phải.

Thép 20Cr có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, đặc biệt là trong môi trường có clorua và các chất kiềm. Tuy nhiên, thép này dễ bị ăn mòn rỗ trong môi trường giàu clorua và nên thận trọng khi sử dụng trong điều kiện có tính axit. So với các loại thép không gỉ khác như AISI 304 , có khả năng chống ăn mòn vượt trội, thép 20Cr có thể không phải là lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng có tính ăn mòn cao.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	500	932	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao.
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	600	1112	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn.
Nhiệt độ đóng băng	700	1292	Nguy cơ oxy hóa tăng lên.

Thép 20Cr vẫn giữ được tính chất cơ học ở nhiệt độ cao, phù hợp với các ứng dụng liên quan đến tiếp xúc với nhiệt. Tuy nhiên, cần lưu ý tránh oxy hóa ở nhiệt độ cao, có thể làm giảm tính toàn vẹn của thép.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
MIG	ER70S-6	Argon + CO2	Nên làm nóng trước.
TIG	ER80S-Ni	Khí Argon	Cần xử lý nhiệt sau khi hàn.
Dán	E7018	-	Thích hợp cho các phần dày hơn.

Thép 20Cr có thể được hàn bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng thường cần phải gia nhiệt trước để giảm nguy cơ nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn cũng được khuyến nghị để giảm ứng suất dư và cải thiện độ dẻo dai.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép 20Cr	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	Khả năng gia công trung bình.
Tốc độ cắt điển hình	30 m/phút	50 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất.

Khả năng gia công của Thép 20Cr ở mức trung bình và mặc dù có thể gia công hiệu quả nhưng đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các thông số về dụng cụ và cắt để đạt được kết quả tối ưu.

Khả năng định hình

Thép 20Cr có khả năng định hình tốt, cho phép thực hiện cả quy trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, cần phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức, có thể dẫn đến nứt trong quá trình uốn. Bán kính uốn khuyến nghị phải được tuân thủ, tùy thuộc vào độ dày của vật liệu.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	600 - 700 / 1112 - 1292	1 - 2 giờ	Không khí	Làm mềm, tăng độ dẻo.
Làm nguội	850 - 900 / 1562 - 1652	30 phút	Dầu hoặc Nước	Làm cứng, tăng cường độ.
Làm nguội	400 - 600 / 752 - 1112	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dẻo dai.

Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô của Thép 20Cr, tăng cường các tính chất cơ học của nó. Làm nguội làm tăng độ cứng, trong khi ram làm giảm độ giòn, làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn (Tóm tắt)
Ô tô	Bánh răng và trục	Độ bền cao, độ dẻo dai	Cần thiết cho các thành phần chịu tải.
Hàng không vũ trụ	Linh kiện động cơ	Chống ăn mòn, ổn định ở nhiệt độ cao	Cần thiết cho độ tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt.
Máy móc	Trục khuỷu	Khả năng chống mài mòn, sức mạnh	Quan trọng đối với độ bền và hiệu suất.

Các ứng dụng khác bao gồm:

• Linh kiện thiết bị xây dựng
• Linh kiện máy móc hạng nặng
• Các thành phần của ngành dầu khí

Thép 20Cr được lựa chọn cho các ứng dụng này vì có sự cân bằng tuyệt vời giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn, khiến nó trở nên lý tưởng cho các bộ phận chịu ứng suất và mài mòn cao.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép 20Cr	Tiêu chuẩn AISI 4130	SCM420	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Sức mạnh vừa phải	Độ bền cao	20Cr có khả năng chống ăn mòn tốt hơn AISI 4130.
Góc nhìn ăn mòn chính	Vừa phải	Nghèo	Tốt	20Cr có khả năng chống chịu tốt hơn AISI 4130 nhưng kém hơn SCM420.
Khả năng hàn	Vừa phải	Tốt	Hội chợ	20Cr cần phải được gia nhiệt trước; AISI 4130 dễ hàn hơn.
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Hội chợ	20Cr khó gia công hơn AISI 4130.
Khả năng định hình	Tốt	Vừa phải	Nghèo	20Cr có khả năng định hình tốt hơn SCM420.
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Thấp	Cao	Chi phí thay đổi tùy theo nguyên tố hợp kim.
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Ít phổ biến hơn	20Cr được sử dụng rộng rãi ở nhiều dạng khác nhau.

Khi lựa chọn Thép 20Cr, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, khả năng chống ăn mòn và tính phù hợp để hàn và gia công. Chi phí vừa phải và tính khả dụng của nó khiến nó trở thành lựa chọn thiết thực cho nhiều ứng dụng. Ngoài ra, các yếu tố an toàn nên được đánh giá dựa trên ứng dụng cụ thể và điều kiện môi trường.

Tóm lại, Thép 20Cr là loại thép hợp kim cacbon trung bình đa năng, cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn, phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật. Các đặc tính của thép này có thể được cải thiện hơn nữa thông qua các quy trình xử lý nhiệt và chế tạo thích hợp, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong các môi trường khắc nghiệt.