Thép EN31 (52100): Tính chất và ứng dụng chính

Thép EN31, còn được gọi là Thép ổ trục hoặc 52100, là thép hợp kim cacbon cao chủ yếu được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình. Loại thép này nổi tiếng với độ cứng tuyệt vời, khả năng chống mài mòn và khả năng chịu tải trọng cao, khiến nó đặc biệt phù hợp để sản xuất các bộ phận lăn trong ổ trục, chẳng hạn như bi và con lăn. Các nguyên tố hợp kim chính trong EN31 bao gồm crom, giúp tăng khả năng tôi và chống ăn mòn, và cacbon, góp phần tạo nên độ cứng và độ bền của nó.

Tổng quan toàn diện

Thép EN31 được đặc trưng bởi hàm lượng cacbon cao (khoảng 0,95% đến 1,05%) và crom (khoảng 1,30% đến 1,60%), cùng nhau mang lại các tính chất cơ học đáng kể. Cấu trúc vi mô của thép thường bao gồm một ma trận peclit mịn với xi măngit phân tán, kết quả từ các quy trình xử lý nhiệt thích hợp.

Các đặc điểm quan trọng nhất của EN31 bao gồm:

• Độ cứng cao : Độ cứng có thể đạt tới 60 HRC sau khi xử lý nhiệt đúng cách.
• Khả năng chống mài mòn tuyệt vời : Độ cứng và cấu trúc vi mô mang lại khả năng chống mài mòn vượt trội, lý tưởng cho các ứng dụng chịu tải cao.
• Độ bền tốt : Mặc dù có độ cứng, EN31 vẫn duy trì độ bền hợp lý, điều này rất cần thiết cho các ứng dụng năng động.

Ưu điểm (Pros) :
- Độ bền mỏi và khả năng chống mài mòn vượt trội.
- Thích hợp cho các ứng dụng chịu ứng suất cao, đặc biệt là tiếp xúc lăn.
- Khả năng gia công tốt khi ủ.

Hạn chế (Nhược điểm) :
- Khả năng chống ăn mòn hạn chế hơn so với thép không gỉ.
- Cần xử lý nhiệt cẩn thận để đạt được tính chất mong muốn.
- Có thể giòn nếu chế biến không đúng cách.

Trong lịch sử, EN31 đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ cho các thành phần như bánh răng, trục và ổ trục, khẳng định vị thế là vật liệu quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật.

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 EN31
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 crom cacbon cao
VI	EN31	Châu Âu	Tiêu chuẩn chỉ định ở Châu Âu
ĐẠI HỌC	100Cr6	Đức	Tính chất tương tự, sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUJ2	Nhật Bản	Cấp độ tương đương với những thay đổi nhỏ về tính chất

Sự khác biệt giữa các cấp độ tương đương này có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn dựa trên các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Ví dụ, trong khi G52100 và EN31 thường có thể hoán đổi cho nhau, G52100 có thể cung cấp khả năng làm cứng tốt hơn một chút do hàm lượng carbon cụ thể của nó.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,95 - 1,05
Cr (Crom)	1,30 - 1,60
Mn (Mangan)	0,30 - 0,50
Si (Silic)	0,15 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,025
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,025

Vai trò chính của carbon trong EN31 là tăng cường độ cứng và độ bền, trong khi crom cải thiện khả năng làm cứng và chống mài mòn. Mangan góp phần tạo độ bền và hỗ trợ khử oxy trong quá trình sản xuất thép, trong khi silicon tăng cường độ bền và độ đàn hồi.

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	1000 - 1200MPa	145 - 174 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	850 - 1000MPa	123 - 145 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 - 62HRC	58 - 62HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Làm nguội & tôi luyện	-20°C (-4°F)	20 - 30 giờ	15 - 22 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao làm cho EN31 phù hợp với các ứng dụng liên quan đến tải trọng động, chẳng hạn như ổ trục và bánh răng, nơi khả năng chống biến dạng là rất quan trọng.

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	31,2 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	0,000006 Ω·trong

Mật độ của EN31 góp phần tạo nên trọng lượng và độ bền của nó, trong khi độ dẫn nhiệt có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến tản nhiệt. Nhiệt dung riêng cho biết cần bao nhiêu năng lượng để tăng nhiệt độ, điều này rất quan trọng trong các quy trình liên quan đến chu trình nhiệt.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Nước	0 - 100	20 - 100 / 68 - 212	Hội chợ	Nguy cơ rỉ sét
Axit	0 - 10	20 - 100 / 68 - 212	Nghèo	Dễ bị rỗ
Clorua	0 - 5	20 - 100 / 68 - 212	Nghèo	Nguy cơ nứt do ăn mòn ứng suất
kiềm	0 - 10	20 - 100 / 68 - 212	Hội chợ	Sức đề kháng vừa phải

Thép EN31 có khả năng chống ăn mòn hạn chế, đặc biệt là trong môi trường axit và clorua, khiến nó ít phù hợp hơn cho các ứng dụng tiếp xúc với điều kiện khắc nghiệt mà không có lớp phủ bảo vệ. So với thép không gỉ, chẳng hạn như AISI 304 hoặc AISI 316, khả năng bị ăn mòn của EN31 cao hơn đáng kể, đòi hỏi các biện pháp bảo vệ trong môi trường ăn mòn.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	200	392	Ngoài ra, các thuộc tính có thể bị suy thoái
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	300	572	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ thang đo	600	1112	Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ cao hơn

Ở nhiệt độ cao, EN31 duy trì độ cứng và độ bền ở một giới hạn nhất định, nhưng tiếp xúc lâu dài có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và mất các đặc tính cơ học. Xử lý nhiệt thích hợp có thể nâng cao hiệu suất của nó 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	Argon + CO2	Nên làm nóng trước
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Cần kiểm soát cẩn thận
Dán	E7018	Không có	Khuyến nghị xử lý nhiệt sau khi hàn

EN31 thường không được khuyến nghị để hàn vì hàm lượng carbon cao, có thể dẫn đến nứt. Việc gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau khi hàn là điều cần thiết để giảm thiểu những rủi ro này.

Khả năng gia công

Thông số gia công	EN31	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60%	100%	EN31 khó gia công hơn do độ cứng.
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30-50 m/phút	60-80 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất.

Gia công EN31 đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận về dụng cụ và tốc độ cắt do độ cứng của nó. Các dụng cụ cacbua được khuyến nghị để đạt được kết quả tối ưu.

Khả năng định hình

EN31 có khả năng định hình hạn chế do hàm lượng cacbon cao, khiến nó ít phù hợp với các quy trình đòi hỏi biến dạng đáng kể. Có thể định hình nguội nhưng cần thận trọng để tránh nứt. Có thể định hình nóng ở nhiệt độ cao để cải thiện độ dẻo.

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	Giảm độ cứng, cải thiện khả năng gia công
Làm nguội	800 - 850 / 1472 - 1562	30 phút	Dầu hoặc Nước	Tăng độ cứng và sức mạnh
Làm nguội	150 - 200 / 302 - 392	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô của EN31, biến đổi nó từ trạng thái mềm hơn, dẻo hơn thành trạng thái cứng, chống mài mòn. Quá trình tôi luyện thích hợp rất quan trọng để cân bằng độ cứng và độ dẻo dai.

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	Vòng bi	Độ cứng cao, chống mài mòn	Cần thiết cho độ bền
Hàng không vũ trụ	Trục bánh răng	Độ bền kéo cao, chống mỏi	Quan trọng cho sự an toàn
Chế tạo	Linh kiện dụng cụ	Độ bền, khả năng gia công	Yêu cầu về độ chính xác
Dầu khí	Các thành phần van	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	Cần thiết trong môi trường khắc nghiệt

Các ứng dụng khác bao gồm:

• Máy móc công nghiệp : Được sử dụng trong các bộ phận đòi hỏi khả năng chống mài mòn cao.
• Kỹ thuật robot : Dùng cho các bộ phận chịu được áp lực cao và đòi hỏi độ chính xác.
• Thiết bị y tế : Trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ tin cậy cao.

Việc lựa chọn EN31 cho các ứng dụng này chủ yếu là do các đặc tính cơ học tuyệt vời của nó, đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất trong những điều kiện khắc nghiệt.

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

Tính năng/Thuộc tính	EN31	Tiêu chuẩn AISI 4140	AISI440C	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ cứng cao	Độ cứng vừa phải	Độ cứng cao	EN31 có khả năng chống mài mòn vượt trội nhưng độ bền thấp hơn 4140.
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Tốt	Xuất sắc	EN31 có khả năng chống ăn mòn kém hơn 440C, điều này rất quan trọng trong một số môi trường nhất định.
Khả năng hàn	Nghèo	Hội chợ	Tốt	EN31 yêu cầu thực hiện các biện pháp hàn cẩn thận hơn so với 4140.
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Nghèo	EN31 khó gia công hơn 4140, đòi hỏi phải có công cụ chuyên dụng.
Khả năng định hình	Giới hạn	Tốt	Giới hạn	EN31 có khả năng định hình kém hơn 4140, điều này có thể có lợi trong một số ứng dụng nhất định.
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Vừa phải	Cao hơn	Những cân nhắc về chi phí có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn dựa trên ngân sách dự án.
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Ít phổ biến hơn	EN31 được sử dụng rộng rãi trong khi 440C có thể khó tìm hơn.

Khi lựa chọn EN31, cần cân nhắc đến các yêu cầu ứng dụng cụ thể, hiệu quả về chi phí và tính khả dụng. Độ cứng và khả năng chống mài mòn cao của nó khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng mà độ bền là tối quan trọng, trong khi những hạn chế về khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn của nó phải được giải quyết thông qua các lựa chọn thiết kế và xử lý phù hợp.

Tóm lại, thép EN31 là vật liệu đa năng và bền chắc, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, đặc biệt là khi hiệu suất cao và độ tin cậy là điều cần thiết. Hiểu được các đặc tính và hạn chế của nó cho phép các kỹ sư đưa ra quyết định sáng suốt để có kết quả ứng dụng tối ưu.