Thép 20Cr – Thành phần hóa học, Tính chất cơ học, Chế độ nhiệt luyện và Ứng dụng thực tế
1. Tổng quan về thép 20Cr
Thép 20Cr là mác thép hợp kim Cr (Chromium) có hàm lượng carbon thấp, giúp vật liệu có độ dẻo cao, dễ gia công cơ khí và thích hợp cho thấm carbon để tăng độ cứng bề mặt. Đây là một trong những loại thép được sử dụng phổ biến trong chế tạo bánh răng, trục truyền, cam, trục vít và bu lông chịu tải trung bình.
Tiêu chuẩn Trung Quốc (GB/T): 3077–2015
Tiêu chuẩn tương đương ASTM/AISI: 5120
Tương đương thép Nhật (JIS): SCM420
Đặc tính nổi bật:
Dễ gia công, dẻo, chịu tải vừa.
Sau khi thấm carbon và tôi, có thể đạt độ cứng bề mặt cao (HRC 58–62) trong khi lõi vẫn dẻo dai.
Khả năng chịu mài mòn tốt, tuổi thọ chi tiết cao.
👉 Tóm lại: 20Cr là thép hợp kim lý tưởng cho các chi tiết yêu cầu bề mặt cứng – lõi dai, đặc biệt trong ngành cơ khí chế tạo, ô tô, thiết bị truyền động.
2. Thành phần hóa học của thép 20Cr (% trọng lượng)
| Nguyên tố | Tỷ lệ (%) | Chức năng chính |
|---|---|---|
| C (Carbon) | 0.17 – 0.24 | Tăng độ cứng, độ bền sau nhiệt luyện |
| Si (Silicon) | 0.17 – 0.37 | Cải thiện độ bền nhiệt và chống oxy hóa |
| Mn (Mangan) | 0.50 – 0.80 | Tăng độ dẻo, cải thiện khả năng chịu tải |
| Cr (Chromium) | 0.70 – 1.00 | Tăng độ cứng, chống mài mòn và tăng khả năng chịu nhiệt |
| P (Phốt pho) | ≤ 0.035 | Tạp chất, ảnh hưởng nhẹ đến độ dai |
| S (Lưu huỳnh) | ≤ 0.035 | Cải thiện khả năng gia công, nhưng làm giảm độ dai nếu cao |
Kết luận:
Thép 20Cr có hàm lượng C thấp, giúp duy trì độ dẻo và dễ gia công.
Hàm lượng Cr (0.7–1.0%) giúp tăng khả năng chịu mài mòn và chống oxy hóa.
Là loại thép lý tưởng để thấm carbon (carburizing), giúp tăng độ cứng bề mặt mà vẫn giữ được lõi thép dẻo dai, chịu tải tốt.
3. Tính chất cơ học của thép 20Cr
| Tiêu chí | Trạng thái chưa nhiệt luyện | Sau nhiệt luyện (Tôi + Ram) |
|---|---|---|
| Độ cứng (HB) | 156 – 197 | 179 – 229 |
| Độ bền kéo (MPa) | ≥ 295 | 735 – 980 |
| Giới hạn chảy (MPa) | ≥ 295 | ≥ 785 |
| Độ giãn dài (%) | ≥ 21 | ≥ 12 |
| Độ dai va đập (J/cm²) | ≥ 39 | ≥ 39 |
Kết luận:
Độ cứng của 20Cr thấp hơn 40Cr hoặc SCM440, nhưng bù lại có độ dẻo và khả năng gia công cao hơn.
Sau khi thấm carbon + tôi, độ cứng bề mặt có thể đạt HRC 58–62, giúp tăng khả năng chịu mài mòn và độ bền sử dụng.
Lõi thép vẫn giữ độ dai tốt, tránh giòn gãy khi chịu tải động.
4. Chế độ nhiệt luyện của thép 20Cr
| Công đoạn | Nhiệt độ (°C) | Môi trường | Kết quả đạt được |
|---|---|---|---|
| Ủ (Annealing) | 860 – 880°C | Làm nguội chậm | Giảm độ cứng, dễ gia công |
| Thấm Carbon (Carburizing) | 880 – 920°C | Môi trường khí hoặc muối | Tăng độ cứng bề mặt |
| Tôi (Quenching) | 780 – 820°C | Dầu | Đạt độ cứng cao nhất |
| Ram (Tempering) | 150 – 200°C | Không khí | Ổn định độ cứng bề mặt |
| Thường hóa (Normalizing) | 870 – 890°C | Không khí | Cải thiện độ bền tổng thể |
Kết luận:
Quy trình quan trọng nhất là thấm carbon (Carburizing), giúp bề mặt cứng hơn trong khi lõi vẫn dẻo dai.
Sau khi tôi dầu + ram, bề mặt có thể đạt độ cứng HRC 58–62.
Nếu chỉ tôi mà không thấm carbon, độ cứng bề mặt chỉ đạt khoảng HRC 45–50.
5. Ứng dụng thực tế của thép 20Cr
| Ứng dụng | 20Cr có phù hợp không? | Ghi chú |
|---|---|---|
| Bánh răng, trục cam, trục truyền động | ✅ Rất phù hợp | Cần độ cứng bề mặt và lõi dẻo |
| Bu lông, đinh tán chịu tải nhẹ | ❌ Không phù hợp | Nên dùng 40Cr hoặc SCM440 |
| Chi tiết chịu tải trung bình | ✅ Phù hợp | Cần thấm carbon để tăng tuổi thọ |
| Dụng cụ cắt, khuôn ép | ❌ Không phù hợp | Cần dùng thép dụng cụ như SKD11 |
| Bộ truyền động, trục hộp số ô tô | ✅ Phù hợp | Sau thấm carbon có độ cứng cao |
Kết luận:
Thép 20Cr phù hợp nhất cho các chi tiết yêu cầu độ cứng bề mặt cao nhưng lõi vẫn dai.
Không thích hợp cho chi tiết chịu tải trọng hoặc nhiệt độ quá cao.
Là giải pháp tiết kiệm hơn 40Cr, nhưng vẫn đảm bảo độ bền cho chi tiết vừa và nhỏ.
6. So sánh thép 20Cr với các loại thép khác
| Chỉ tiêu so sánh | 20Cr | 40Cr | SCM440 |
|---|---|---|---|
| Độ cứng (HB) | 156 – 197 | 170 – 229 | 197 – 241 |
| Độ bền kéo (MPa) | 735 – 980 | 980 – 1080 | 980 – 1180 |
| Giới hạn chảy (MPa) | ≥ 785 | ≥ 785 | ≥ 835 |
| Độ giãn dài (%) | 12 | 12 | 10 |
| Khả năng thấm carbon | Rất tốt | Trung bình | Trung bình |
| Khả năng chịu tải lớn | Trung bình | Cao | Rất cao |
| Khả năng gia công | Rất tốt | Tốt | Trung bình |
Kết luận so sánh:
20Cr có độ dẻo cao hơn 40Cr, nhưng chịu tải kém hơn.
Khi cần độ bền mài mòn cao, nên dùng 40Cr hoặc SCM440.
Nếu cần độ cứng bề mặt cao nhưng lõi mềm dẻo, 20Cr là lựa chọn tối ưu và kinh tế.
7. Tổng kết
Thép 20Cr là thép hợp kim thấp chứa Cr (Chromium), nổi bật với khả năng thấm carbon tốt, giúp đạt độ cứng bề mặt cao trong khi lõi vẫn dẻo và chịu tải tốt.
Với ưu điểm dễ gia công, giá thành thấp, độ cứng – độ dai cân đối, thép 20Cr được ứng dụng rộng rãi trong:
Trục cam, trục truyền, bánh răng, trục vít, trục hộp số ô tô, vòng bi, chi tiết cơ khí chính xác.
