09Mn2Si so với 16Mn – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải lựa chọn giữa các loại thép cacbon hợp kim thấp có mối quan hệ mật thiết với nhau cho bình chịu áp lực, các bộ phận kết cấu và cụm hàn. Việc lựa chọn thường tập trung vào độ bền so với độ dẻo dai, khả năng hàn so với khả năng tôi, và chi phí so với hiệu suất nhiệt độ thấp cần thiết.

09Mn2Si và 16Mn thường được so sánh vì cả hai đều là thép cacbon tăng cường mangan tiết kiệm, được sử dụng trong các chi tiết dạng tấm, tấm phẳng và định hình, nhưng chúng được tối ưu hóa cho các phạm vi ứng dụng khác nhau. Yếu tố phân biệt chính mà các kỹ sư phải cân nhắc là hiệu suất của từng loại ở nhiệt độ thấp hơn: một loại được thiết kế để duy trì độ bền va đập ở nhiệt độ dưới nhiệt độ môi trường, trong khi loại còn lại nhấn mạnh vào độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn trong điều kiện nhiệt độ phòng và tải trọng cao. Điều này dẫn đến sự khác biệt về thành phần, phản ứng xử lý nhiệt và ứng dụng cuối cùng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 09Mn2Si
• Thường xuất hiện trong các thông số kỹ thuật của Trung Quốc và Đông Âu; tên gọi tuân theo quy ước, trong đó "09" biểu thị hàm lượng carbon danh nghĩa ~0,09% và "Mn2Si" biểu thị hàm lượng mangan và silic cao. Thép này được phân loại là thép carbon hợp kim thấp, được thiết kế để cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp.

• Các họ thép tiêu chuẩn điển hình có cấp độ tương tự: GB (Trung Quốc), GOST (Nga/Liên Xô cũ). Không phải là một ký hiệu ASTM, mặc dù có các loại thép tương đương trong các họ EN và ASTM.

• 16 triệu

• Một tên gọi phổ biến của Trung Quốc dành cho thép cacbon-mangan có độ bền trung bình. Số "16" trong lịch sử biểu thị một đặc tính mục tiêu hoặc số thứ tự chứ không phải chỉ thành phần hóa học trực tiếp. Thép này được phân loại là thép kết cấu cacbon-mangan.
• Xuất hiện trong các tiêu chuẩn GB và có ứng dụng tương tự như một số loại thép kết cấu EN và ASTM (ví dụ: tấm bình chịu áp suất hợp kim thấp), nhưng hãy kiểm tra tính tương đương của tiêu chuẩn chính xác trước khi thay thế.

Phân loại: cả hai đều là thép cacbon/hợp kim thấp (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, không phải HSLA theo nghĩa hiện đại nghiêm ngặt), với 09Mn2Si được pha chế để cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp và 16Mn được pha chế để có độ bền cao hơn trong các ứng dụng kết cấu thông thường.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây tóm tắt các thành phần danh nghĩa điển hình được báo cáo cho các loại vật liệu này. Đây là các phạm vi đại diện; để sử dụng cho mục đích mua sắm và thiết kế, hãy luôn kiểm tra các giới hạn chính xác trong tiêu chuẩn vật liệu hoặc chứng chỉ nhà máy áp dụng.

Yếu tố	09Mn2Si (phạm vi danh nghĩa điển hình)	16Mn (phạm vi danh nghĩa điển hình)
C	0,06–0,12%	0,12–0,20%
Mn	1,6–2,3%	0,8–1,6%
Si	0,3–1,0%	0,15–0,40%
P	≤0,035% (tối đa)	≤0,035% (tối đa)
S	≤0,035% (tối đa)	≤0,035% (tối đa)
Cr	- (dấu vết)	- (dấu vết)
Ni	- (dấu vết)	- (dấu vết)
Mo, V, Nb, Ti, B, N	nói chung là hợp kim vi mô tối thiểu hoặc dấu vết tùy thuộc vào nhà cung cấp	có thể chứa các chất bổ sung hợp kim nhỏ để kiểm soát độ bền trong một số biến thể

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - Carbon: hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ bền và khả năng tôi nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. 16Mn thường có hàm lượng carbon cao hơn 09Mn2Si, góp phần làm tăng độ bền khi cán. - Mangan: cả hai loại đều sử dụng Mn để tăng độ cứng và độ bền kéo; 09Mn2Si thường có hàm lượng Mn cao hơn để hỗ trợ đạt được độ dẻo dai tốt sau quá trình xử lý có kiểm soát. - Silic: được sử dụng làm chất khử oxy và có thể tăng độ bền; hàm lượng Si cao hơn trong 09Mn2Si giúp cân bằng độ dẻo dai/độ dẻo và quá trình gia công, nhưng hàm lượng Si dư có thể làm giảm khả năng hàn. - Hợp kim vi lượng dạng vết (Nb, V, Ti) có thể được đưa vào một số biến thể 16Mn thương mại để tạo ra cường độ giới hạn chảy cao hơn thông qua quá trình tăng cường kết tủa; những điều này không phải là nội tại của tên gọi 16Mn danh nghĩa trừ khi được chỉ định.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - 09Mn2Si: Khi được xử lý bằng phương pháp thường hóa hoặc cán có kiểm soát, cấu trúc vi mô chủ yếu là ferit hạt mịn với các vùng ferit bainite hoặc ferit hình kim ram tùy thuộc vào tốc độ làm nguội. Sự cân bằng hợp kim và hàm lượng cacbon thấp được kiểm soát tạo ra kích thước hạt mịn hơn và độ bền va đập cao hơn, đặc biệt là sau khi thường hóa. - 16Mn: Cấu trúc vi mô điển hình khi cán chứa ferit đa giác và peclit, có thể có các đảo bainit nếu làm nguội nhanh hơn. Với hàm lượng cacbon cao hơn và khả năng hợp kim hóa vi mô, 16Mn có thể đạt được độ bền cao hơn nhưng thường có hạt thô hơn và độ dai giữ lại ở nhiệt độ thấp thấp hơn so với 09Mn2Si.

Ảnh hưởng của xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: cả hai loại đều đáp ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách tinh chỉnh hạt. 09Mn2Si được hưởng lợi đáng kể—chuẩn hóa cải thiện độ bền va đập ở nhiệt độ thấp. 16Mn cải thiện độ bền ở mức vừa phải nhưng vẫn giữ được độ bền cao hơn. - Làm nguội và ram (Q&T): cả hai loại đều không được chỉ định chủ yếu là hợp kim đã được làm nguội và ram ở dạng tiêu chuẩn; tuy nhiên, với hợp kim và độ dày tiết diện phù hợp, các biến thể 16Mn có thể được làm nguội và ram để tăng cường độ. 09Mn2Si ít được sử dụng trong điều kiện làm nguội và ram cường độ cao vì tính chất hóa học của nó hướng đến độ dẻo dai hơn là khả năng làm cứng cao. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): Cả hai đều có thể được hưởng lợi từ TMCP để đạt được cấu trúc vi mô hạt mịn. Các biến thể TMCP của 16Mn có thể đạt được sự kết hợp độ bền-độ dẻo dai được cải thiện, nhưng 09Mn2Si thường được ưu tiên khi cần hiệu suất đông lạnh hoặc ở nhiệt độ thấp.

4. Tính chất cơ học

Các phạm vi tính chất cơ học tiêu biểu (danh nghĩa; tiêu chuẩn/thông số kỹ thuật xác minh) được hiển thị để minh họa những khác biệt điển hình trong thực tiễn ứng dụng.

Tài sản	09Mn2Si (điển hình)	16Mn (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	380–520	420–620
Giới hạn chảy (MPa)	220–360	260–420
Độ giãn dài (%)	20–28	16–24
Độ bền va đập (Charpy V, J)	Cao ở nhiệt độ thấp (ví dụ, giữ nhiệt tốt ở nhiệt độ từ -20°C đến -40°C)	Trung bình; giảm nhanh hơn khi nhiệt độ giảm
Độ cứng (HB)	~120–200 (tùy theo tính khí)	~140–240 (tùy thuộc vào cấp độ/chế biến)

Giải thích: - Độ bền: Thép 16Mn thường có thể đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn trong điều kiện cán hoặc chuẩn hóa, đặc biệt nếu được hợp kim hóa vi mô hoặc xử lý TMCP. - Độ dẻo dai và độ dai: 09Mn2Si thường có độ dẻo dai chịu va đập ở nhiệt độ thấp vượt trội và độ giãn dài cao hơn do hàm lượng carbon thấp hơn và cân bằng mangan/silic cao hơn cũng như các chiến lược tinh chế hạt. - Độ cứng: tương quan với độ bền; các biến thể 16Mn có thể cứng hơn và chống mài mòn tốt hơn trong một số ứng dụng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, hợp kim kết hợp (khả năng làm cứng) và tạp chất.

Chỉ số khả năng hàn quan trọng: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Khả năng hàn ống quốc tế (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 09Mn2Si: hàm lượng cacbon thấp hơn làm giảm khả năng nứt nguội; hàm lượng Mn và Si cao hơn làm tăng nhẹ độ tôi cứng nhưng CE và Pcm tổng thể vẫn ở mức trung bình, cho khả năng hàn tốt với các quy trình hàn trước/sau tiêu chuẩn, đặc biệt là đối với các tiết diện mỏng hơn. Độ dẻo dai vượt trội ở nhiệt độ thấp cũng giúp giảm nguy cơ gãy giòn trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt khi tuân thủ đúng quy trình. - 16Mn: hàm lượng carbon cao hơn và khả năng hợp kim hóa vi mô làm tăng CE và Pcm so với 09Mn2Si, làm tăng nguy cơ cứng hóa vùng HAZ và nứt nguội ở các tiết diện dày hơn. Việc gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn có thể cần thiết cho các tiết diện lớn hơn hoặc các ứng dụng quan trọng.

Hướng dẫn thực hành: thực hiện tính toán CE/Pcm bằng cách sử dụng phân tích thực tế của nhà máy để đánh giá quy trình hàn. Sử dụng quy trình hàn có lượng hydro tiêu hao thấp hơn và áp dụng quy trình gia nhiệt trước/gia nhiệt sau cho mỗi quy trình khi CE/Pcm tăng cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 09Mn2Si và 16Mn đều là thép cacbon thông thường/hợp kim thấp không gỉ; khả năng chống ăn mòn vốn có trong môi trường khí quyển hoặc nước bị hạn chế.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình: sơn, phủ epoxy, mạ kẽm nhúng nóng, anode hy sinh hoặc các phương pháp xử lý bề mặt khác. Lựa chọn tùy thuộc vào môi trường, tuổi thọ dự kiến ​​và chiến lược bảo trì.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép không gỉ; tuy nhiên, để tham khảo, hợp kim thép không gỉ sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Vì cả hai cấp so sánh đều có Cr, Mo và N không đáng kể nên PREN không phải là số liệu liên quan.

Lưu ý thực tế: Thành phần của 09Mn2Si nhấn mạnh vào độ bền hơn là khả năng chống ăn mòn; nếu môi trường làm việc liên quan đến độ ẩm hoặc ăn mòn, hãy chỉ định lớp phủ thích hợp hoặc chọn hợp kim chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công:
• 09Mn2Si: hàm lượng cacbon thấp hơn và độ dẻo cao hơn thường cải thiện khả năng gia công so với thép có hàm lượng cacbon cao hơn, mặc dù hàm lượng Mn và Si cao hơn có thể làm giảm nhẹ chất lượng hình thành phoi. Sử dụng dụng cụ và cấp liệu tiêu chuẩn; khả năng gia công ở mức trung bình.
• 16Mn: độ bền và hàm lượng carbon cao hơn có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và yêu cầu tốc độ cắt thấp hơn; các biến thể hợp kim vi mô có thể khó gia công hơn.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• 09Mn2Si: khả năng tạo hình nguội và tính đàn hồi tốt hơn do độ dẻo cao hơn; phù hợp với các hoạt động uốn và tạo hình mà không cần ủ nhiều đối với độ dày vừa phải.
• 16Mn: có khả năng tạo hình nhưng bán kính uốn cong hẹp hơn và có thể đàn hồi nhiều hơn; có thể cần tạo hình hỗ trợ nhiệt hoặc ủ trung gian để chế tạo bán kính hẹp.
• Hoàn thiện bề mặt và nối: cả hai đều chấp nhận hoàn thiện bề mặt thông thường và phương pháp nối cơ học; 09Mn2Si thường yêu cầu kiểm soát ít nghiêm ngặt hơn đối với hiện tượng nứt nguội trong các cụm hàn.

8. Ứng dụng điển hình

09Mn2Si	16 triệu
Bình chịu áp suất phục vụ nhiệt độ thấp hoặc nhiệt độ cực thấp (trong đó độ bền va đập ở nhiệt độ thấp là rất quan trọng)	Các thành phần kết cấu, đường ray cần cẩu, khung và vỏ bình chịu áp lực ở những nơi cần độ bền cao hơn
Các thành phần ngoài khơi hoặc nhiệt độ môi trường đòi hỏi độ bền và khả năng hàn tốt	Bánh răng, trục và các bộ phận có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn là hữu ích (trong các biến thể được xử lý nhiệt thích hợp)
Tấm đóng tàu và bộ phận làm cứng thân tàu ưu tiên độ dẻo dai và độ bền	Các bộ phận máy móc hạng nặng, các phần cán và các cấu trúc chế tạo chịu tải trọng tĩnh hoặc tải trọng tuần hoàn cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 09Mn2Si khi độ bền va đập ở nhiệt độ thấp là yếu tố thiết kế chính, đặc biệt đối với các kết cấu hàn hoạt động dưới mức đóng băng hoặc trong phạm vi nhiệt độ cực thấp. - Chọn 16Mn khi cần độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn và nhiệt độ làm việc không quá thấp, với điều kiện là các biện pháp kiểm soát hàn có thể giảm thiểu rủi ro HAZ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Cả hai loại thép này thường có giá thành thấp hơn so với thép hợp kim hoặc thép không gỉ. Các biến thể 16Mn bao gồm hợp kim vi mô hoặc xử lý bổ sung (TMCP, Q&T) có thể đắt hơn một chút so với thép 09Mn2Si tiêu chuẩn do phải xử lý bổ sung hoặc thêm hợp kim.
• Tính khả dụng: 16Mn được cung cấp rộng rãi trong nhiều dòng sản phẩm cán thép toàn cầu cho thép tấm và thép kết cấu. 09Mn2Si có sẵn nhiều ở các khu vực tuân thủ các quy ước GB/GOST và trong số các nhà máy phục vụ thị trường đóng tàu và bình chịu áp lực, nhưng hãy kiểm tra hàng tồn kho tại địa phương để biết độ dày tấm cụ thể và tình trạng xử lý nhiệt.
• Hình dạng sản phẩm: cả hai đều có dạng tấm cán nóng, cuộn cán nguội (ở khổ mỏng hơn) và dạng chế tạo; thời gian hoàn thiện thay đổi tùy theo yêu cầu của nhà máy và hoàn thiện (ví dụ: thử nghiệm va đập được chứng nhận, chuẩn hóa).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	09Mn2Si	16 triệu
Khả năng hàn	Tốt (C thấp, CE trung bình)	Trung bình (nhiệt độ C cao hơn, có thể cần làm nóng trước)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Được tối ưu hóa cho độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Được tối ưu hóa để có cường độ cao hơn ở nhiệt độ môi trường xung quanh
Trị giá	Tiết kiệm (xử lý tiêu chuẩn)	Tiết kiệm; các biến thể có TMCP hoặc hợp kim vi mô có thể có giá cao hơn
Phong bì ứng dụng tốt nhất	Bình chịu nhiệt độ thấp, kết cấu hàn yêu cầu độ bền va đập cao	Các thành phần cấu trúc, bình chịu tải trọng cao hơn, các bộ phận dễ bị mài mòn (với xử lý nhiệt thích hợp)

Sự giới thiệu: - Chọn 09Mn2Si nếu thiết kế của bạn yêu cầu độ bền gãy đáng tin cậy ở nhiệt độ thấp hoặc dưới nhiệt độ môi trường, kiểm soát chặt chẽ nguy cơ gãy giòn ở các mối hàn và khả năng tạo hình tốt - đặc trưng cho bồn chứa lạnh, thân tàu và bình chịu áp suất ở vùng khí hậu lạnh. - Chọn 16Mn nếu các yêu cầu chính là độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn, độ cứng hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn và nhiệt độ vận hành gần với nhiệt độ môi trường xung quanh với các quy trình hàn có thể kiểm soát quá trình làm cứng HAZ—thường dùng cho các bộ phận kết cấu nặng, khung và bình chịu tải trọng cao.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác nhận cấp thép đã chọn dựa trên thông số kỹ thuật, độ dày và các yêu cầu kiểm tra sau chế tạo chính xác cho dự án của bạn. Để kiểm tra hàn và NDT, hãy sử dụng phân tích hóa học nhà máy để tính $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ và chạy các thử nghiệm kiểm tra quy trình phù hợp với độ dày tiết diện và nhiệt độ làm việc.