16MnDR so với 20MnDR – 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 phải đối mặt với sự đánh đổi giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn thép cacbon hợp kim thấp. Hai loại thép thường được so sánh trong các bối cảnh kết cấu, chịu áp lực và chế tạo nặng là 16MnDR và ​​20MnDR. Vấn đề nan giải trong lựa chọn thực tế thường xoay quanh việc nên ưu tiên độ bền và độ cứng cao hơn một chút (có thể hỗ trợ khả năng chịu tải hoặc chống mài mòn) hay ưu tiên hàm lượng cacbon thấp hơn để cải thiện độ dẻo và dễ hàn hơn.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này là sự điều chỉnh có chủ đích về hàm lượng carbon và mangan: dòng thép 20MnDR được điều chế với hàm lượng carbon và mangan cao hơn so với dòng thép 16MnDR. Sự thay đổi này làm tăng khả năng tôi và độ bền đạt được, nhưng đòi hỏi phải chú ý hơn đến quy trình hàn và xử lý nhiệt để duy trì độ bền và tránh nứt. Những đặc điểm này giải thích tại sao hai loại thép này thường được so sánh trong các quyết định thiết kế, chế tạo và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung của khu vực và quốc tế để tham khảo cho các loại thép này hoặc các loại thép có liên quan chặt chẽ:
• GB (Trung Quốc): nhiều loại thép kết cấu hợp kim thấp có nguồn gốc từ thông số kỹ thuật của GB; các ký hiệu như “16Mn” và “20Mn” thường được bắt gặp trong thực tiễn công nghiệp của GB và Trung Quốc.
• EN (Châu Âu): các loại thép tương tự có thể được xếp vào loại EN 10025 (thép kết cấu) hoặc tiêu chuẩn EN cho các loại thép thường hóa/hợp kim vi mô.
• JIS (Nhật Bản): thép cacbon hợp kim thấp tương đương xuất hiện dưới các ký hiệu JIS với danh pháp khác nhau.
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ): các loại thép có thể so sánh được xuất hiện trong ASTM A36, A572, A516 và các loại thép chịu áp lực/kết cấu khác nhưng có giới hạn hóa học và phân loại khác nhau.
• Phân loại: Cả 16MnDR và ​​20MnDR đều là thép cacbon hợp kim thấp (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ). Đôi khi chúng được coi là thép giống HSLA hoặc thép cacbon-mangan tùy thuộc vào việc bổ sung hợp kim vi mô và xử lý nhiệt cơ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	16MnDR (vai trò điển hình)	20MnDR (vai trò điển hình)
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp hơn so với 20MnDR; cân bằng giữa độ bền và khả năng hàn	Hàm lượng carbon cao hơn 16MnDR để tăng cường độ và khả năng làm cứng
Mn (Mangan)	Mangan vừa phải để tăng cường sức mạnh và khử oxy	Hàm lượng mangan cao hơn để tăng khả năng làm cứng và bù đắp cho hàm lượng cacbon cao hơn
Si (Silic)	Chất khử oxy, thường có ở mức thấp	Chức năng tương tự; mức độ thường tương đương
P (Phốt pho)	Kiểm soát mức độ tạp chất thấp	Kiểm soát mức độ tạp chất thấp
S (Lưu huỳnh)	Mức độ tạp chất thấp được kiểm soát (gia công tự do có thể khác nhau)	Kiểm soát mức độ tạp chất thấp
Cr, Ni, Mo	Thông thường không cố ý cao; có thể có ở dạng vết hoặc lượng hợp kim nhỏ	Giống nhau — thường không phải là những bổ sung lớn trừ khi được chỉ định cho các cấp độ đặc biệt
V, Nb, Ti	Có thể có mặt ở dạng vết hoặc lượng hợp kim vi mô nếu cần xử lý nhiệt cơ học	Có thể có mặt tương tự, nhưng không phải lúc nào cũng vậy
B, N	Mức vết; B đôi khi được sử dụng trong thép hợp kim siêu nhỏ, thép chuyên dụng	Mức vết; thường không phải là một tính năng thiết kế cho tiêu chuẩn 20MnDR

Ghi chú: - Bảng này phản ánh chiến lược hợp kim hóa hơn là các giới hạn số cụ thể. Sự khác biệt tương đối về C và Mn là các biến thiết kế có chủ đích: 20MnDR sử dụng C và Mn cao hơn để tăng độ cứng và độ bền; 16MnDR giữ hàm lượng cacbon thấp hơn để tăng độ dẻo và khả năng hàn. - Có thể thêm hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) vào bất kỳ loại nào để tinh luyện hạt và tăng cường độ kết tủa, đặc biệt nếu nhà sản xuất chỉ định cán nhiệt cơ học.

Ý nghĩa của hợp kim - Carbon chủ yếu kiểm soát cường độ cơ bản, tiềm năng độ cứng và khả năng hàn. Sự gia tăng nhỏ có tác động đáng kể đến khả năng tôi cứng và khả năng nứt nguội do hydro gây ra. - Mangan làm tăng độ cứng, độ bền kéo và có thể bù đắp một phần độ dẻo bị mất đi từ cacbon. Nó cũng hoạt động như một chất khử oxy và ảnh hưởng đến độ dẻo dai khi cán. - Silic và các nguyên tố hợp kim vi mô ảnh hưởng đến kích thước hạt, khả năng tăng cường kết tủa và phản ứng làm cứng kết tủa trong quá trình xử lý nhiệt.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - 16MnDR cán/chuẩn hóa: nhìn chung cho thấy ma trận ferit-pearlit với kích thước hạt ferit tương đối mịn khi áp dụng chuẩn hóa hoặc cán có kiểm soát. Hàm lượng cacbon thấp hơn tạo ra thành phần ferit mềm hơn, dẻo hơn và peclit phân tán mịn hơn. - 20MnDR cán/chuẩn hóa: hàm lượng carbon và mangan cao hơn thúc đẩy tỷ lệ perlit cao hơn và xu hướng hình thành bainit cao hơn khi làm nguội nhanh hơn. Điều này tạo ra cấu trúc vi mô chắc hơn, cứng hơn nếu làm nguội mạnh.

Các phương pháp xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: cả hai loại đều đáp ứng bằng cách tinh chỉnh hạt và cải thiện độ dẻo dai. 16MnDR đạt độ dẻo dai chấp nhận được với khả năng kiểm soát ít mạnh mẽ hơn. 20MnDR được hưởng lợi nhiều hơn từ việc kiểm soát nhiệt độ cẩn thận để tránh cấu trúc perlit thô. - Làm nguội và ram: 20MnDR đạt độ cứng khi làm nguội cao hơn/độ bền khi ram cao hơn do khả năng làm cứng được tăng cường. 16MnDR cũng có thể được làm nguội và ram nhưng đạt độ bền tối đa thấp hơn trong cùng điều kiện ram. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát): cả hai loại đều đạt được độ dẻo dai và khả năng kiểm soát độ bền đáng kể. Việc bổ sung vi hợp kim (Nb, V, Ti) đặc biệt hiệu quả khi kết hợp với TMCP để tạo ra cấu trúc vi mô bainit/ferit hạt mịn.

Lưu ý thực tế: khả năng làm cứng cao hơn của 20MnDR có nghĩa là các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) trong các kết cấu hàn cần được xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) hoặc kiểm soát gia nhiệt trước cẩn thận hơn để quản lý ứng suất dư và cấu trúc vi mô.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	16MnDR (điển hình)	20MnDR (điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình (cân bằng để sử dụng cho kết cấu)	Cao hơn (được thiết kế để có độ bền/khả năng chịu lực lớn hơn)
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo cao hơn khi xử lý tương tự	Độ dẻo thấp hơn so với 16MnDR ở cùng một quá trình xử lý
Độ bền va đập	Tốt, đặc biệt là sau khi chuẩn hóa	Có thể tốt nhưng nhạy cảm hơn với xử lý nhiệt; độ bền HAZ có thể thấp hơn nếu không được xử lý cẩn thận
Độ cứng	Thấp-trung bình	Cao hơn (độ cứng tiềm năng lớn hơn sau khi tôi/HT)

Ghi chú: - Bảng thể hiện xu hướng tương đối. Giá trị tuyệt đối phụ thuộc nhiều vào độ dày, quá trình xử lý (chuẩn hóa so với tôi và ram) và hợp kim vi mô. - Tóm lại: 20MnDR đánh đổi một số độ dẻo dai và khả năng hàn để tăng cường độ bền và khả năng chống mài mòn; 16MnDR dễ chế tạo hơn và thường có độ dẻo dai cao hơn để sử dụng cho kết cấu chung.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Các công thức thực nghiệm hữu ích bao gồm:

• Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Tham số toàn diện hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính) - Vì 20MnDR chứa nhiều carbon và mangan hơn, nên $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tính toán của nó thường cao hơn so với 16MnDR. Các giá trị tương đương carbon cao hơn cho thấy nguy cơ cứng hóa vùng HAZ và nứt nguội do hydro cao hơn, do đó đòi hỏi các quy trình hàn nghiêm ngặt hơn (nung nóng trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp hoặc PWHT). - 16MnDR, với hàm lượng carbon tương đương thấp hơn, thường dễ hàn hơn, cho phép phạm vi quy trình rộng hơn và nhu cầu gia nhiệt trước/PWHT thấp hơn cho nhiều độ dày. - Nếu có hợp kim vi mô (Nb, V, Ti), nó có thể làm giảm nhẹ biên độ hàn vì các nguyên tố như vậy có thể làm tăng khả năng tôi; sự hiện diện của chúng cần được tính đến trong $P_{cm}$.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 16MnDR và ​​20MnDR đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với thép cacbon thông thường/thép hợp kim thấp.
• Các lựa chọn bảo vệ bề mặt phù hợp:
• Mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ chống ăn mòn trong khí quyển.
• Lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn tĩnh điện) với bề mặt được chuẩn bị phù hợp.
• Lớp phủ kim loại (phun nhiệt) cho tình huống mài mòn + ăn mòn.
• PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Để tham khảo, PREN được tính như sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng chỉ số này chỉ có ý nghĩa đối với hợp kim thép không gỉ khi Cr, Mo và N được bổ sung có mục đích chống ăn mòn.

Hướng dẫn thực tế - Đối với môi trường ngoài trời hoặc môi trường ăn mòn, hãy chỉ định hệ thống sơn phủ phù hợp; thép có độ bền cao hơn (như 20MnDR) thường yêu cầu hệ thống bảo vệ giống như 16MnDR, nhưng phải xem xét các hạn chế về chế tạo (hàn nóng trước, PWHT) để tránh làm hỏng lớp phủ trong quá trình hàn.

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

• Khả năng tạo hình: 16MnDR dễ tạo hình nguội và uốn cong hơn do hàm lượng carbon thấp hơn và độ dẻo cao hơn. 20MnDR, cứng hơn và ít dẻo hơn trong cùng trạng thái xử lý, yêu cầu bán kính uốn lớn hơn và có thể kém chịu được quá trình làm nguội khắc nghiệt.
• Khả năng gia công: Độ bền và độ cứng cao hơn của 20MnDR có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ và tăng lực cắt. Khả năng gia công cũng bị ảnh hưởng bởi hàm lượng lưu huỳnh và cấu trúc vi mô; không loại nào được tối ưu hóa cho khả năng gia công cao trừ khi được hợp kim hóa đặc biệt cho mục đích đó.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều sử dụng các thao tác hoàn thiện thông thường (mài, phun bi, sơn). 20MnDR cứng hơn có thể cần vật liệu mài mòn mạnh hơn hoặc tốc độ nạp liệu chậm hơn.

8. Ứng dụng điển hình

16MnDR – Công dụng điển hình	20MnDR – Công dụng điển hình
Các thành phần kết cấu chung cần có khả năng hàn và độ bền tốt (cầu, khung, chế tạo chung)	Các bộ phận kết cấu chịu lực nặng hơn, cần độ bền/khả năng tôi luyện cao hơn (các bộ phận chịu tải trọng tĩnh cao hơn)
Bình chịu áp suất (xử lý bình thường hoặc điều chỉnh để kiểm soát độ dẻo dai)	Các bộ phận chịu mài mòn hoặc có độ bền cao hơn có thể được làm nguội và ram để sử dụng
Các thành phần chế tạo đòi hỏi phải hàn tại hiện trường rộng rãi và làm nóng sơ bộ ít nghiêm ngặt hơn	Các thành phần có thể kiểm soát chặt chẽ hơn quá trình xử lý nhiệt và độ bền cao hơn chứng minh được việc kiểm soát hàn chặt chẽ hơn
Các ứng dụng ưu tiên độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng (sốc/độ bền)	Các ứng dụng ưu tiên năng suất và độ bền kéo cao hơn hoặc khả năng chống mài mòn được cải thiện sau khi xử lý nhiệt

Cơ sở lựa chọn - Chọn 16MnDR khi tính đơn giản trong chế tạo, khả năng hàn và độ bền HAZ là những mối quan tâm chính và khi tải trọng thiết kế có thể đáp ứng được với độ bền vừa phải. - Chọn 20MnDR khi thiết kế yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn, khả năng chống biến dạng dẻo tốt hơn hoặc khi có thể áp dụng xử lý nhiệt sau trong điều kiện được kiểm soát.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 20 triệu DR thường có mức chênh lệch giá khiêm tốn so với 16 triệu DR do hàm lượng hợp kim cao hơn (nhiều mangan hơn và có thể cần xử lý/xử lý nhiệt chặt chẽ hơn). Mức chênh lệch giá này phụ thuộc vào bối cảnh và thường nhỏ so với tổng chi phí linh kiện.
• Tính khả dụng: 16MnDR thường được dự trữ rộng rãi hơn vì các đặc tính cân bằng của nó được quy định rộng rãi trong các ứng dụng kết cấu. Tính khả dụng của 20MnDR có thể tương tự đối với các dạng sản phẩm thông thường nhưng có thể ít phổ biến hơn ở một số thị trường, trừ khi được quy định cụ thể bởi các ngành công nghiệp (ví dụ: ứng dụng kết cấu nặng hơn hoặc chống mài mòn).
• Hình dạng sản phẩm: Cả hai loại này thường có dạng tấm, thanh và cán; việc cung cấp các kích thước đặc biệt hoặc xử lý nhiệt được kiểm soát chặt chẽ có thể cần thời gian thực hiện.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Loại	16 triệu DR	20 triệu DR
Khả năng hàn	Tốt hơn (lượng carbon tương đương thấp hơn; phạm vi quy trình rộng hơn)	Yêu cầu khắt khe hơn (lượng carbon tương đương cao hơn; quá trình nung nóng trước/PWHT nghiêm ngặt hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt và sức mạnh đủ	Độ bền cao hơn, nhưng khó duy trì độ bền HAZ nếu không kiểm soát
Trị giá	Thấp đến trung bình	Cao hơn một chút (tùy thuộc vào thị trường và yêu cầu xử lý nhiệt)

Chọn 16MnDR nếu: - Bạn cần hàn dễ hơn và dung sai chế tạo rộng hơn (hàn tại hiện trường, lắp ráp phức tạp). - Độ dẻo dai và độ bền va đập trong nhiều điều kiện khác nhau là yếu tố thiết kế chính. - Độ nhạy về chi phí và tính sẵn có của vật liệu là những yếu tố cần cân nhắc quan trọng.

Chọn 20MnDR nếu: - Cần có độ bền cao hơn khi giao hàng hoặc sau khi xử lý nhiệt và khả năng làm cứng tốt hơn. - Môi trường chế tạo cho phép kiểm soát các quy trình hàn, gia nhiệt trước và PWHT khi cần thiết. - Ứng dụng được hưởng lợi từ khả năng chống mài mòn cao hơn hoặc khả năng chịu tải cao hơn và nhóm kỹ thuật có thể quản lý các rủi ro về luyện kim.

Nhận xét cuối cùng Luôn kiểm tra các yêu cầu hóa học và cơ học chính xác với tiêu chuẩn hoặc chứng chỉ nhà cung cấp có liên quan cho dạng sản phẩm cụ thể và phương pháp xử lý nhiệt dự kiến. Các mô tả tương đối ở đây phản ánh sự đánh đổi điển hình trong luyện kim và kỹ thuật thực tế, chủ yếu được thúc đẩy bởi sự khác biệt có kiểm soát về hàm lượng carbon và mangan.