20R so với 20MnR – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường xuyên cân nhắc giữa các loại thép cacbon hợp kim thấp để cân bằng giữa chi phí, khả năng định hình và hiệu suất cơ học. Hai loại thép thường gặp trong quá trình mua sắm và thiết kế là 20R và 20MnR. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu cơ bản cho các chi tiết rèn hoặc gia công, trong đó sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng tôi và khả năng hàn là rất quan trọng — ví dụ như trục, đinh tán, bánh răng và các chi tiết kết cấu hàn.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa các loại thép này là một loại về cơ bản là thép cacbon thấp thông thường, trong khi loại còn lại được pha trộn với mangan một cách có chủ đích để tăng độ cứng và độ bền mà không làm giảm đáng kể độ dẻo. Sự khác biệt này ảnh hưởng đến phản ứng xử lý nhiệt, tính chất cơ học và tính phù hợp cho các quy trình chế tạo khác nhau, đó là lý do tại sao các nhà thiết kế thường so sánh chúng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Hệ thống tiêu chuẩn chung có các cấp độ được chỉ định tương tự nhau:
• GB/T (Trung Quốc) — các loại như 20, 20Mn, 20R, 20MnR được sử dụng trong danh mục thực hành quốc gia và danh mục nhà cung cấp.
• EN (Châu Âu) — các loại EN tương đương bao gồm thép trong nhóm 1.0xxx hoặc 1.1xxx (ví dụ: EN C20, C20E) và thép hợp kim thấp (ví dụ: tương đương 20Mn).
• JIS (Nhật Bản) và ASTM/ASME (Hoa Kỳ) không phải lúc nào cũng sử dụng cùng một nhãn số, nhưng có những loại thép tương đương (ví dụ: AISI 1020 cho thép C thông thường 0,20%).
• Phân loại:
• 20R — thép kết cấu ít cacbon (thép cacbon thông thường), được sử dụng cho các bộ phận kết cấu và gia công chung.
• 20MnR — thép cacbon hợp kim thấp (cacbon + mangan), được phân loại là thép kết cấu gia cường bằng mangan; đôi khi được chỉ định để tăng độ cứng hoặc độ bền ở các phần dày hơn.
• Lưu ý: Hậu tố “R” có thể xuất hiện trong tên nhà cung cấp hoặc tên quốc gia để biểu thị quy trình chế biến cụ thể (ví dụ: loại vành, loại cán hoặc loại tinh luyện) trong một số tiêu chuẩn. Luôn xác nhận tiêu chuẩn và chứng nhận chính xác từ nhà máy khi việc mua sắm yêu cầu các đặc tính chính xác.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây tóm tắt các đặc điểm thành phần điển hình. Đây là các phạm vi ngành tiêu biểu được sử dụng để minh họa sự tương phản giữa hai loại thép; luôn sử dụng thành phần chính xác từ giấy chứng nhận nhà máy hoặc tiêu chuẩn áp dụng khi thiết kế hoặc mua sắm.

Yếu tố	20R (đặc điểm điển hình)	20MnR (đặc điểm điển hình)
C (cacbon)	Hàm lượng carbon thấp — danh nghĩa khoảng 0,17–0,24 wt%	Hàm lượng carbon thấp — hàm lượng carbon danh nghĩa tương tự nhưng có thể được kiểm soát để thấm cacbon/làm cứng
Mn (mangan)	Hàm lượng Mn thấp đến trung bình (vai trò cường độ/khử oxy)	Hàm lượng Mn cao (nguyên tố hợp kim chính tạo nên độ bền và khả năng làm cứng)
Si (silicon)	Bổ sung chất khử oxy nhỏ	Tương tự Si thấp; được kiểm soát để xử lý
P (phốt pho)	Giữ ở mức thấp (giới hạn tạp chất)	Giữ ở mức thấp (giới hạn tạp chất)
S (lưu huỳnh)	Thấp (cải thiện độ dẻo)	Thấp (có thể kiểm soát chặt chẽ hơn về độ dẻo dai)
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	Nói chung là mức tối thiểu hoặc mức vết trừ khi được chỉ định	Nói chung là tối thiểu ngoại trừ Mn được thêm vào một cách có chủ ý; hợp kim vi mô có thể có trong một số biến thể

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon chủ yếu kiểm soát độ bền và khả năng làm cứng; cả hai loại đều có hàm lượng carbon thấp để có khả năng tạo hình và hàn tốt. - Mangan trong 20MnR làm tăng độ bền kéo, khả năng làm cứng (khả năng tạo thành martensite/bainite ở các phần dày hơn khi nguội nhanh hơn) và góp phần tăng độ dẻo dai khi được xử lý nhiệt đúng cách. - Các hợp kim và nguyên tố vi lượng khác (Si, S, P) được kiểm soát để cân bằng độ dẻo, khả năng gia công và khả năng tạo hình.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và cách xử lý ảnh hưởng đến từng loại:

• 20R:
• Cán hoặc chuẩn hóa: chủ yếu là ferit với perlit phân tán — ma trận mềm, dẻo thích hợp để tạo hình và gia công.
• Làm nguội và ram: khả năng làm cứng hạn chế do hàm lượng Mn thấp; bề mặt và các phần mỏng có thể được làm cứng, nhưng các phần dày hơn sẽ không tạo ra được hàm lượng martensite cao nếu không làm nguội rất nhanh.

• Chuẩn hóa giúp cải thiện tính đồng nhất và tinh chỉnh kích thước hạt, mang lại những cải thiện khiêm tốn về độ bền và độ dẻo dai.

• 20MnR:

• Khi cán hoặc chuẩn hóa: ferit cộng với phần thể tích perlit cao hơn 20R, do hàm lượng Mn; cấu trúc vi mô cứng hơn và ít biến dạng hơn ở trạng thái khi cung cấp.
• Làm nguội và ram: khả năng làm cứng cao hơn cho phép làm cứng sâu hơn ở các phần dày hơn; với chu trình T/T phù hợp, 20MnR có thể đạt được mức độ bền cao hơn và độ dẻo dai thuận lợi.
• Quá trình xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát) có thể tạo ra cấu trúc vi mô ferit/pearlit hoặc bainit tinh chế với sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai được cải thiện.

Ý nghĩa thực tiễn: 20MnR phản ứng tốt hơn với quá trình làm nguội/ram và mang lại độ bền cao hơn ở mặt cắt ngang lớn hơn so với 20R trong điều kiện xử lý nhiệt tương đương.

4. Tính chất cơ học

Sự tương phản về đặc tính cơ học tiêu biểu được trình bày một cách định tính và với các phạm vi điển hình mà các kỹ sư thường sử dụng để lựa chọn. Sử dụng chứng chỉ nhà máy hoặc báo cáo thử nghiệm để có số liệu thiết kế chính xác.

Tài sản	20R (điển hình)	20MnR (điển hình)
Độ bền kéo (Rm)	Trung bình (ví dụ, phạm vi hàng trăm MPa từ thấp đến trung bình trong điều kiện chuẩn hóa)	Cao hơn 20R đối với xử lý nhiệt tương đương; tăng thêm Mn và khả năng làm cứng
Giới hạn chảy (Rp0.2)	Vừa phải	Cao hơn 20R
Độ giãn dài (%)	Độ dẻo tốt	Độ dẻo thấp hơn một chút ở độ bền tương đương do hàm lượng perlit/độ bền cao hơn
Độ bền va đập (Charpy)	Nói chung là tốt, đặc biệt là khi được chuẩn hóa	Có thể bằng hoặc tốt hơn khi được xử lý nhiệt đúng cách; Mn có thể cải thiện độ dẻo dai khi cấu trúc vi mô được kiểm soát
Độ cứng (HRC/HB)	Thấp hơn ở trạng thái cuộn/chuẩn hóa	Độ cứng có thể đạt được cao hơn sau khi tôi và ram hoặc khi cán do Mn

Vật liệu nào bền hơn, cứng hơn hay dẻo hơn và tại sao: - Độ bền: 20MnR thường mang lại độ bền cao hơn (cả độ bền kéo và độ bền chảy) cho cùng một quá trình xử lý nhiệt vì mangan thúc đẩy cấu trúc vi mô perlit/bainit cứng hơn và tăng khả năng tôi luyện. - Độ dẻo dai: Với quá trình xử lý thích hợp, 20MnR có thể đạt hoặc vượt quá độ dẻo dai va đập của 20R; tuy nhiên, xử lý nhiệt không đúng cách hoặc tốc độ làm nguội quá mức có thể làm giòn thép có hàm lượng Mn cao hơn. - Độ dẻo: 20R có xu hướng dẻo hơn ở điều kiện ủ/chuẩn hóa do hàm lượng thành phần cứng thấp hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Hai công thức thực nghiệm thường được sử dụng hữu ích cho việc diễn giải định tính; hãy chèn các biểu mẫu áp dụng tại đây để đánh giá.

Biểu mẫu hiển thị của lượng cacbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Một tham số toàn diện hơn được sử dụng trong một số thông số kỹ thuật: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 20R: Mn thấp hơn và C thấp hơn cho giá trị tương đương cacbon tương đối thấp → nhìn chung khả năng hàn tốt, nguy cơ nứt nguội thấp và yêu cầu gia nhiệt trước tối thiểu đối với các phần mỏng. - 20MnR: Mn tăng cao làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ so với 20R, cho thấy nguy cơ hình thành vùng cứng và nứt hỗ trợ hydro cao hơn ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) đối với các tiết diện dày hoặc mối hàn có độ kiềm chế cao. Việc gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, luyện kim đắp phù hợp và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) có thể giảm thiểu rủi ro. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (nếu có) và ứng suất dư cũng ảnh hưởng đến khả năng hàn. Luôn tính toán lượng cacbon tương đương cho hóa chất được chứng nhận thực tế và tuân thủ các thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 20R và 20MnR đều không phải là thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon thấp và cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường tiếp xúc trực tiếp.
• Các phương pháp bảo vệ thông thường: sơn, phủ, mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện hoặc bảo vệ chống ăn mòn hy sinh tùy thuộc vào môi trường sử dụng và tuổi thọ thiết kế.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép hợp kim thấp không phải thép không gỉ; chỉ sử dụng thông số sau cho hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Hướng dẫn lựa chọn: Nếu khả năng chống ăn mòn là yếu tố quan trọng, hãy chỉ định lớp phủ bảo vệ thích hợp hoặc chọn hợp kim không gỉ hoặc chống ăn mòn thay vì 20R/20MnR.

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

• Khả năng gia công:
• 20R: Khả năng gia công nói chung tốt trong điều kiện ủ/chuẩn hóa; hàm lượng Mn thấp hơn và độ cứng thấp hơn giúp cắt dễ dàng hơn.
• 20MnR: Khả năng gia công giảm nhẹ do có độ bền cao hơn và cấu trúc vi mô cứng hơn; khả năng gia công được cải thiện sau khi ủ hoặc ram thích hợp.
• Khả năng tạo hình và gia công nguội:
• 20R: Tốt hơn cho việc uốn, kéo sâu và tạo hình nguội do có độ dẻo cao hơn.
• 20MnR: Khả năng tạo hình phù hợp với nhiều mục đích sử dụng kết cấu nhưng có thể cần bán kính uốn lớn hơn hoặc ủ trung gian để tạo hình nghiêm ngặt.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều chấp nhận các phương pháp hoàn thiện tiêu chuẩn (mài, đánh bóng, phun bi), nhưng độ bền cao hơn (20MnR) làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và năng lượng cần thiết để tạo hình.

8. Ứng dụng điển hình

20R — Công dụng điển hình	20MnR — Công dụng điển hình
Các thành phần cấu trúc chung, trục, chốt, đinh tán, các bộ phận gia công nhẹ, khung hàn trong đó chi phí và khả năng định hình là mối quan tâm chính	Trục và trục xe yêu cầu độ bền/khả năng làm cứng cao hơn, bánh răng, các phần dày hơn cần làm cứng sâu hơn, các bộ phận được làm nguội và ram, các bộ phận kết cấu chống mài mòn
Ứng dụng nhấn mạnh độ dẻo tốt và dễ hàn	Các ứng dụng mà cường độ tăng lên, khả năng làm cứng tốt hơn hoặc xử lý nhiệt được kiểm soát để cải thiện hiệu suất

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 20R khi thiết kế ưu tiên khả năng tạo hình, khả năng hàn và chi phí vật liệu thấp hơn, và khi mức độ bền yêu cầu ở mức khiêm tốn hoặc có thể đạt được bằng quy trình xử lý đơn giản hơn. - Chọn 20MnR khi cần độ bền cao hơn hoặc khả năng làm cứng tốt hơn ở các phần dày hơn hoặc khi quá trình làm nguội và ram nhằm đạt được mục tiêu hiệu suất cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 20MnR thường đắt hơn một chút so với 20R thông thường do hàm lượng mangan cao hơn và các biện pháp kiểm soát chế biến bổ sung tiềm ẩn. Mức chênh lệch chính xác phụ thuộc vào sản lượng nhà máy khu vực và điều kiện thị trường.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường có sẵn ở dạng tấm, thanh và rèn từ các nhà máy và nhà phân phối khu vực, nhưng tính khả dụng của thép 20MnR được chứng nhận ở một số dạng sản phẩm nhất định (ví dụ: rèn lớn, xử lý nhiệt đặc biệt) có thể hạn chế hơn so với thép 20R thông thường. Thời gian giao hàng có thể thay đổi tùy theo hình dạng, kích thước và xử lý nhiệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	20R	20 triệu đô la
Khả năng hàn	Tốt (CE thấp hơn)	Trung bình — yêu cầu kiểm soát hàn nhiều hơn (CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo tốt	Độ bền cao hơn có thể đạt được với độ dẻo dai tốt khi được xử lý nhiệt đúng cách
Trị giá	Thấp hơn	Trung bình (cao hơn 20R)

Sự giới thiệu: - Chọn 20R nếu bạn cần loại thép tiết kiệm chi phí, dễ gia công và định hình cho các thành phần kết cấu chung, các bộ phận gia công hoặc cụm hàn không yêu cầu độ cứng tiết diện lớn. - Chọn 20MnR nếu ứng dụng yêu cầu khả năng tôi luyện được cải thiện, độ bền cao hơn khi giao hàng hoặc khả năng đạt được độ bền cao hơn bằng cách làm nguội và ram trên các phần dày hơn — ví dụ như trục, bánh răng hoặc các bộ phận cần tôi luyện toàn bộ hoặc tăng khả năng chống mỏi.

Ghi chú cuối cùng: - Luôn kiểm tra thông số kỹ thuật hóa học và cơ học chính xác trên giấy chứng nhận thử nghiệm của nhà máy và chỉ định tiêu chuẩn có liên quan trong đơn đặt hàng. - Đối với các kết cấu hàn hoặc các thành phần quan trọng, hãy tính toán lượng cacbon tương đương áp dụng (ví dụ: $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$) bằng cách sử dụng hóa chất được chứng nhận và tuân theo các quy trình hàn đủ tiêu chuẩn. - Khi độ ăn mòn, tuổi thọ chịu mỏi hoặc độ bền chống gãy là yêu cầu thiết kế chi phối, hãy tiến hành thử nghiệm chất lượng vật liệu hoặc chọn vật liệu được chỉ định cụ thể cho các đặc tính đó.