52100 Tổng quan về tính chất và ứng dụng chính của thép
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Thép 52100, còn được gọi là Thép ổ trục , 100Cr6 hoặc EN31, là thép hợp kim crom cacbon cao chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các bộ phận lăn trong ổ trục. Được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình, nó thường chứa khoảng 1,0% cacbon và 1,5% crom, giúp tăng đáng kể độ cứng và khả năng chống mài mòn. Các nguyên tố hợp kim trong thép 52100 đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các tính chất cơ học, cấu trúc vi mô và hiệu suất tổng thể của nó trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.
Tổng quan toàn diện
Thép 52100 nổi tiếng với độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ bền mỏi đặc biệt, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao khi chịu tải. Các nguyên tố hợp kim chính, cacbon và crom, góp phần tạo nên khả năng đạt được độ cứng cao thông qua các quy trình xử lý nhiệt. Sự hiện diện của crom không chỉ cải thiện khả năng tôi mà còn tăng cường khả năng chống ăn mòn ở một mức độ nào đó.
Ưu điểm của thép 52100:
- Độ cứng và khả năng chống mài mòn cao: Độ cứng đạt được có thể vượt quá 60 HRC sau khi xử lý nhiệt thích hợp, phù hợp cho các ứng dụng chịu tải cao.
- Độ bền chịu mỏi tốt: Khả năng chịu tải trọng tuần hoàn làm cho nó trở thành sự lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng ổ trục.
- Ứng dụng đa năng: Ngoài vòng bi, nó còn được sử dụng trong nhiều công cụ và linh kiện khác nhau đòi hỏi khả năng chống mài mòn cao.
Hạn chế của thép 52100:
- Dễ bị ăn mòn: Mặc dù có khả năng chống ăn mòn nhưng nó không phải là thép không gỉ và có thể bị gỉ nếu không được bảo dưỡng đúng cách.
- Khó hàn: Hàm lượng carbon cao có thể dẫn đến nứt trong quá trình hàn, đòi hỏi phải xử lý nhiệt cẩn thận trước và sau khi hàn.
Trong lịch sử, thép 52100 đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển vòng bi hiệu suất cao, góp phần vào sự tiến bộ trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ và máy móc. Vị thế thị trường của nó vẫn vững mạnh nhờ hiệu suất và độ tin cậy đã được chứng minh.
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 | G52100 | Hoa Kỳ | Tương đương gần nhất với AISI 52100 |
| AISI/SAE | 52100 | Hoa Kỳ | Thường được sử dụng trong các ứng dụng vòng bi |
| Tiêu chuẩn ASTM | A295 | Hoa Kỳ | Tiêu chuẩn cho thép chịu lực crom cacbon cao |
| VI | 100Cr6 | Châu Âu | Tương đương với AISI 52100 với sự khác biệt nhỏ về thành phần |
| ĐẠI HỌC | 1.3505 | Đức | Tính chất tương tự, nhưng có sự thay đổi nhỏ trong các nguyên tố hợp kim |
| Tiêu chuẩn Nhật Bản | SUJ2 | Nhật Bản | Cấp độ tương đương với các ứng dụng tương tự |
| Anh | GCr15 | Trung Quốc | Tương đương với sự khác biệt nhỏ về hàm lượng carbon |
| Tiêu chuẩn ISO | 100Cr6 | Quốc tế | Tiêu chuẩn chỉ định cho thép chịu lực |
Sự khác biệt giữa các cấp độ tương đương này thường nằm ở hàm lượng cacbon và crom cụ thể, có thể ảnh hưởng đến khả năng tôi và khả năng chống mài mòn. Ví dụ, trong khi GCr15 và 100Cr6 rất giống nhau, các quy trình xử lý nhiệt cụ thể có thể mang lại các đặc tính hiệu suất khác nhau.
Thuộc tính chính
Thành phần hóa học
| Nguyên tố (Ký hiệu và Tên) | Phạm vi phần trăm (%) |
|---|---|
| C (Cacbon) | 0,98 - 1,10 |
| Cr (Crom) | 1,30 - 1,60 |
| Mn (Mangan) | 0,25 - 0,45 |
| Si (Silic) | 0,15 - 0,40 |
| P (Phốt pho) | ≤ 0,025 |
| S (Lưu huỳnh) | ≤ 0,025 |
Vai trò chính của carbon trong thép 52100 là tăng cường độ cứng và độ bền thông qua quá trình hình thành cacbua trong quá trình xử lý nhiệt. Crom cải thiện khả năng làm cứng và chống mài mòn, trong khi mangan góp phần tạo nên độ dai và độ bền. Silic hoạt động như một chất khử oxy và có thể tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao.
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 | 850 - 1000MPa | 123 - 145 ksi | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%) | Làm nguội & tôi luyện | Nhiệt độ phòng | 600 - 800MPa | 87 - 116 ksi | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Độ giãn dài | Làm nguội & tôi luyện | Nhiệt độ phòng | 10-15% | 10-15% | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Độ cứng (HRC) | Làm nguội & tôi luyện | Nhiệt độ phòng | 58 - 65HRC | 58 - 65HRC | Tiêu chuẩn ASTM E18 |
| Sức mạnh tác động (Charpy) | Làm nguội & tôi luyện | -20 °C | 20 - 30 giờ | 15 - 22 ft-lbf | Tiêu chuẩn ASTM E23 |
Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao, cùng với độ cứng tuyệt vời, làm cho thép 52100 phù hợp với các ứng dụng chịu tải cơ học đáng kể. Độ bền va đập của nó, mặc dù thấp hơn một số loại thép khác, nhưng đủ cho nhiều ứng dụng chịu lực mà tải va đập không quá lớn.
Tính chất vật lý
| Tài sản | Điều kiện/Nhiệt độ | Giá trị (Đơn vị đo lường) | Giá trị (Anh) |
|---|---|---|---|
| Tỉ trọng | Nhiệt độ phòng | 7,85g/cm³ | 0,284 lb/in³ |
| Điểm nóng chảy | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Độ dẫn nhiệt | Nhiệt độ phòng | 45 W/m·K | 31 BTU·in/h·ft²·°F |
| Nhiệt dung riêng | Nhiệt độ phòng | 460 J/kg·K | 0,11 BTU/lb·°F |
| Điện trở suất | Nhiệt độ phòng | 0,0006 Ω·m | 0,0004 Ω·trong |
| Hệ số giãn nở nhiệt | Nhiệt độ phòng | 11,5 x 10⁻⁶/K | 6,4 x 10⁻⁶/°F |
Mật độ của thép 52100 góp phần tạo nên độ bền và độ chắc chắn tổng thể của nó. Điểm nóng chảy của nó cho thấy độ ổn định nhiệt tốt, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến tản nhiệt. Điện trở suất tương đối thấp, có lợi trong một số ứng dụng điện.
Chống ăn mòn
| Chất ăn mòn | Sự tập trung (%) | Nhiệt độ (°C/°F) | Xếp hạng sức đề kháng | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| Nước | - | Môi trường xung quanh | Hội chợ | Nguy cơ rỉ sét |
| Axit (HCl) | 10-20 | Môi trường xung quanh | Nghèo | Dễ bị rỗ |
| Dung dịch kiềm | - | Môi trường xung quanh | Hội chợ | Sức đề kháng hạn chế |
| Clorua | - | Môi trường xung quanh | Nghèo | Nguy cơ nứt do ăn mòn ứng suất |
Thép 52100 có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, chủ yếu là do hàm lượng crom. Tuy nhiên, thép này không phù hợp với môi trường có độ ẩm cao hoặc tiếp xúc với các tác nhân ăn mòn như clorua và axit mạnh. So với thép không gỉ như AISI 304 hoặc AISI 316, thép 52100 có khả năng chống ăn mòn kém hơn đáng kể, khiến nó kém lý tưởng hơn cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt.
Khả năng chịu nhiệt
| Tài sản/Giới hạn | Nhiệt độ (°C) | Nhiệt độ (°F) | Nhận xét |
|---|---|---|---|
| Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa | 150 °C | 302 °F | Ngoài ra, các thuộc tính bị suy thoái |
| Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa | 200 °C | 392 °F | Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn |
| Nhiệt độ đóng băng | 300 °C | 572 °F | Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ cao hơn |
| Cân nhắc về sức bền biến dạng | 400 °C | 752 °F | Bắt đầu mất sức |
Ở nhiệt độ cao, thép 52100 có thể bị giảm các đặc tính cơ học, đặc biệt là độ cứng và độ bền. Không nên sử dụng liên tục ở nhiệt độ trên 150 °C vì điều này có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của thép. Khả năng chống oxy hóa bị hạn chế, đòi hỏi phải có lớp phủ bảo vệ hoặc xử lý trong các ứng dụng nhiệt độ cao.
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 | Hỗn hợp Argon + CO2 | Nên làm nóng trước |
| TIG | ER80S-Ni | Khí Argon | Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn |
| Dán | E7018 | - | Không khuyến khích cho các phần dày |
Thép 52100 khó hàn do hàm lượng cacbon cao, có thể dẫn đến nứt. Việc nung nóng trước khi hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn là điều cần thiết để giảm thiểu những rủi ro này. Việc sử dụng kim loại phụ thích hợp là rất quan trọng để đảm bảo khả năng tương thích và duy trì các đặc tính cơ học.
Khả năng gia công
| Thông số gia công | 52100 Thép | AISI 1212 | Ghi chú/Mẹo |
|---|---|---|---|
| Chỉ số khả năng gia công tương đối | 60 | 100 | Chỉ số cao hơn cho thấy gia công dễ dàng hơn |
| Tốc độ cắt điển hình | 30-50 m/phút | 60-80 m/phút | Điều chỉnh dựa trên công cụ |
Gia công thép 52100 đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các công cụ cắt và thông số do độ cứng của nó. Nên sử dụng các công cụ thép tốc độ cao (HSS) hoặc carbide và nên sử dụng chất làm mát để quản lý nhiệt trong quá trình gia công.
Khả năng định hình
Thép 52100 không thực sự phù hợp cho các quy trình tạo hình mở rộng do hàm lượng cacbon cao và độ cứng kết quả. Tạo hình nguội bị hạn chế, trong khi tạo hình nóng có thể khả thi ở nhiệt độ cao. Vật liệu này thể hiện sự cứng khi gia công, có thể làm phức tạp các hoạt động tạo hình.
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 | 800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F | 1 - 2 giờ | Không khí | Giảm độ cứng, cải thiện khả năng gia công |
| Làm nguội | 800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F | 30 phút | Dầu | Đạt được độ cứng cao |
| Làm nguội | 150 - 200 °C / 302 - 392 °F | 1 giờ | Không khí | Giảm độ giòn, tăng độ dai |
Các quy trình xử lý nhiệt đối với thép 52100 làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của nó, biến austenite thành martensite trong quá trình tôi, tạo nên độ cứng cao của nó. Tôi luyện là điều cần thiết để giảm ứng suất và tăng độ dẻo dai, giúp thép phù hợp với các ứng dụng động.
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 |
|---|---|---|---|
| Ô tô | Vòng bi bánh xe | Độ cứng cao, độ bền mỏi | Cần thiết cho độ bền khi chịu tải |
| Hàng không vũ trụ | Linh kiện động cơ | Chống mài mòn, độ bền cao | Quan trọng đối với hiệu suất và sự an toàn |
| Máy móc công nghiệp | Trục bánh răng | Độ bền, khả năng chống mài mòn | Yêu cầu cho các ứng dụng tải cao |
| Sản xuất công cụ | Dụng cụ cắt | Độ cứng, khả năng chống mài mòn | Cần thiết cho tuổi thọ và hiệu suất |
Các ứng dụng khác bao gồm:
- Vòng bi con lăn trong các loại máy móc khác nhau
- Trục tốc độ cao trong động cơ
- Dụng cụ chính xác cho hoạt động gia công
Việc lựa chọn thép 52100 cho các ứng dụng này chủ yếu là do độ cứng và khả năng chống mài mòn tuyệt vời của nó, những yếu tố rất quan trọng đối với các bộ phận chịu ứng suất và ma sát cao.
Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn
| Tính năng/Thuộc tính | 52100 Thép | AISI440C | Tiêu chuẩn AISI 4140 | Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi |
|---|---|---|---|---|
| Tính chất cơ học chính | Độ cứng cao | Khả năng chống ăn mòn cao hơn | Độ bền tốt | 52100 có khả năng chống mài mòn vượt trội, trong khi 440C tốt hơn về khả năng chống ăn mòn |
| Góc nhìn ăn mòn chính | Hội chợ | Xuất sắc | Hội chợ | 52100 không phù hợp với môi trường ăn mòn |
| Khả năng hàn | Nghèo | Hội chợ | Tốt | 52100 yêu cầu chăm sóc đặc biệt trong quá trình hàn |
| Khả năng gia công | Vừa phải | Tốt | Tốt | 52100 khó gia công hơn 4140 |
| Khả năng định hình | Nghèo | Hội chợ | Tốt | 52100 khó định hình hơn do hàm lượng carbon cao |
| Chi phí tương đối xấp xỉ | Vừa phải | Cao hơn | Thấp hơn | Chi phí thay đổi tùy theo điều kiện thị trường |
| Khả năng cung cấp điển hình | Chung | Ít phổ biến hơn | Chung | 52100 có sẵn rộng rãi ở nhiều dạng khác nhau |
Khi lựa chọn thép 52100, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, khả năng chống ăn mòn và thách thức trong chế tạo. Tính hiệu quả về chi phí và tính khả dụng của nó khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng hiệu suất cao, mặc dù có những hạn chế trong môi trường ăn mòn và khả năng hàn. Việc lựa chọn giữa 52100 và các loại thép thay thế thường phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, bao gồm điều kiện tải, tiếp xúc với môi trường và quy trình sản xuất.
Tóm lại, thép 52100 là vật liệu đa năng và hiệu suất cao, vượt trội trong các ứng dụng đòi hỏi độ cứng và khả năng chống mài mòn đặc biệt. Ý nghĩa lịch sử và sự liên quan liên tục của nó trong kỹ thuật hiện đại nhấn mạnh giá trị của nó trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.