50Mn so với 65Mn – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

50Mn và 65Mn là hai loại thép lò xo cacbon cao được sử dụng rộng rãi mà các nhà thiết kế và kỹ sư quy trình thường cân nhắc khi chỉ định các bộ phận cho lò xo, kẹp, bộ phận chịu mài mòn và các thiết bị chịu lực kéo/nén khác. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường tập trung vào việc cân bằng độ bền, tuổi thọ chịu mỏi và chi phí với nhu cầu sản xuất và dịch vụ — ví dụ, liệu độ bền tĩnh và độ bền mỏi cao hơn có vượt trội hơn chi phí hoàn thiện tăng thêm và khả năng hàn giảm hay không. Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này là hàm lượng cacbon và các tác động hạ lưu của nó lên khả năng tôi và độ bền ram: loại có hàm lượng cacbon cao hơn (65Mn) đạt được độ cứng và độ bền kéo cao hơn sau khi tôi và ram, trong khi loại có hàm lượng cacbon thấp hơn (50Mn) thường có độ dẻo tốt hơn và dễ chế tạo hơn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tên gọi chung của quốc gia/cổ điển:
• GB (Trung Quốc): 50 triệu, 65 triệu (được sử dụng rõ ràng trong các tiêu chuẩn và thông lệ công nghiệp của Trung Quốc).
• EN / JIS / ASTM: Không có đơn vị đo lường phổ quát nào tương đương một-một; các đơn vị đo lường chức năng được lựa chọn bằng cách so sánh thành phần hóa học và tính chất cơ học thay vì tên.
• Phân loại:
• Cả 50Mn và 65Mn đều là thép lò xo carbon cao, không gỉ (tức là thép lò xo carbon). Chúng không phải là thép dụng cụ, thép không gỉ hoặc cấp HSLA hiện đại.
• Lưu ý thực tế: Khi tìm nguồn cung ứng quốc tế, các kỹ sư nên so sánh các phạm vi thành phần hóa học và các tính chất cơ học được đảm bảo thay vì chỉ dựa vào tên loại.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (wt%). Các giá trị chỉ mang tính chất tham khảo và phụ thuộc vào giới hạn quốc gia/thông số kỹ thuật cụ thể — luôn tham khảo thông số kỹ thuật khi mua hàng.

Yếu tố	50Mn (phạm vi điển hình)	65Mn (phạm vi điển hình)
C	0,47 – 0,55	0,62 – 0,70
Mn	0,60 – 1,10	0,60 – 1,00
Si	0,15 – 0,40	0,15 – 0,40
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	≤ 0,25 (vết)	≤ 0,25 (vết)
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	≤ 0,08 (vết)	≤ 0,08 (vết)
V	≤ 0,08 (vết)	≤ 0,08 (vết)
Nb, Ti, B	thường không được chỉ định / theo dõi	thường không được chỉ định / theo dõi
N	dấu vết	dấu vết

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon (C): Đòn bẩy chính cho độ bền và độ cứng. C càng cao thì độ cứng và độ bền kéo của martensite càng tăng sau khi tôi/ram nhưng lại làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Mangan (Mn): Khử oxy và cải thiện khả năng làm cứng và tính chất kéo; cả hai loại đều có Mn vừa phải để hỗ trợ khả năng làm cứng. - Silic (Si): Chất khử oxy và cải thiện độ bền; một lượng nhỏ bổ sung giúp tăng độ bền mà không làm giảm đáng kể độ dẻo dai. - Các nguyên tố vi lượng (Cr, Ni, Mo, V): Nếu có, chúng sẽ làm tăng khả năng tôi cứng và khả năng chống tôi; hầu hết các loại 50Mn/65Mn được giữ ở mức thấp trong các loại này để duy trì tính đàn hồi và kiểm soát chi phí.

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

• Cấu trúc vi mô khi cán/ủ: Cả hai loại này thường có cấu trúc vi mô ferit + perlit sau khi ủ thường hóa hoặc ủ mềm, mang lại khả năng định hình và gia công tốt trước khi xử lý nhiệt cuối cùng.
• Phản ứng dập tắt:
• 65Mn (cacbon cao hơn) tạo thành martensite có hàm lượng cacbon cao hơn với độ cứng sau khi tôi và khả năng làm cứng cao hơn (đối với kích thước tiết diện nhất định), tạo ra độ bền cuối cùng cao hơn sau khi ram.
• 50Mn tạo thành martensite ít cacbon (martensite mềm hơn) dễ ram hơn để đạt được sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo dai.
• Hành vi điều chỉnh:
• Cả hai loại thép này thường được tôi và ram; nhiệt độ ram kiểm soát sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai. Nhiệt độ ram cao hơn làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo dai/độ dai.
• 65Mn vẫn giữ được độ bền cao hơn ở nhiệt độ tôi luyện nhất định do hàm lượng carbon cao hơn, nhưng cũng nhạy cảm hơn với tác động của tôi luyện quá mức đối với độ dẻo dai và độ mỏi.
• Các quy trình khác:
• Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt và ổn định cấu trúc vi mô trước khi gia công nguội hoặc làm cứng cuối cùng.
• Các phương pháp xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát) ít phổ biến hơn đối với các loại thép này nhưng có thể cải thiện tính đồng nhất và tuổi thọ chịu mỏi khi áp dụng.

4. Tính chất cơ học

Các giá trị này phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt, kích thước tiết diện và phương pháp ram. Các phạm vi sau đây chỉ mang tính chất tham khảo cho các điều kiện tôi và ram điển hình được sử dụng cho lò xo và các bộ phận có độ bền cao.

Tài sản	50 phút (thông thường sau khi hỏi đáp)	65Mn (thông thường sau khi hỏi đáp)
Độ bền kéo (MPa)	~800 – 1.100	~1.100 – 1.600
Giới hạn chảy (MPa)	~600 – 900	~900 – 1.400
Độ giãn dài (A%, % tính bằng 50 mm)	~8 – 16	~6 – 12
Độ bền va đập (định tính)	vừa phải	thấp hơn (cùng độ cứng)
Độ cứng (HRC)	~30 – 48 (tùy theo tính khí)	~40 – 60 (tùy theo tính khí)

Giải thích: - Độ bền: Thép 65Mn thường đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn sau khi tôi cứng và ram do có hàm lượng carbon cao hơn. - Độ dẻo dai/Độ dai: 50Mn thường có độ dẻo dai và khả năng chống va đập tốt hơn ở độ cứng tương đương. Các kỹ sư phải tôi luyện 65Mn cẩn thận để tránh hiện tượng giòn. - Độ mỏi: Đối với lò xo chịu mỏi nghiêm trọng, 65Mn có thể cung cấp giới hạn độ bền cao hơn ở độ cứng thiết kế tương đương, nhưng quá trình hoàn thiện (bắn bi, chất lượng bề mặt) và quá trình ram đúng cách là yếu tố quyết định tuổi thọ.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu được kiểm soát bởi hàm lượng cacbon và độ tôi cứng. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng nguy cơ hình thành martensite cứng, giòn ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nứt nguội.

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích (để giải thích định tính): - Đương lượng cacbon (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Chỉ số 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: - 65Mn, với hàm lượng carbon cao hơn đáng kể, sẽ có hàm lượng carbon tương đương cao hơn 50Mn trong điều kiện hóa học tương tự, cho thấy khả năng hàn kém hơn và nhu cầu về gia nhiệt trước, đầu vào nhiệt được kiểm soát và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) cao hơn. - Hàn thường không được khuyến khích đối với thép lò xo đã tôi và ram, trừ khi quy trình bao gồm gia nhiệt trước, vật tư tiêu hao ít hydro và PWHT phù hợp. Đối với các bộ phận cần hàn, hãy chỉ định các phương án thay thế ít carbon hoặc thiết kế để tránh các mối hàn trong các phần đã tôi cứng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 50Mn và 65Mn đều là thép cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và phụ thuộc vào môi trường.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ kẽm điện phân để bảo vệ môi trường nói chung.
• Lớp phủ phosphat và hệ thống sơn giúp sơn bám dính tốt và chống ăn mòn ở mức độ vừa phải.
• Dầu hoặc mỡ bảo vệ cho lò xo và dây để giảm thiểu sự ăn mòn bề mặt và cải thiện tuổi thọ.
• Các chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Ví dụ về PREN (chỉ dành cho các loại thép không gỉ): $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Hoàn thiện bề mặt và phun bi thường được chỉ định để cải thiện tuổi thọ chịu mỏi. Bất kỳ quy trình phủ nào cũng phải tương thích với quá trình xử lý nhiệt cuối cùng để tránh hiện tượng giòn do hydro hoặc cặn bám làm giảm độ mỏi.

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

• Khả năng gia công:
• Trong điều kiện ủ, cả hai loại đều gia công tương tự nhau; trong điều kiện tôi luyện, cả hai đều trở nên khó gia công hơn. 65Mn ở trạng thái có độ cứng cao khó gia công hơn 50Mn.
• Khả năng định hình/uốn cong:
• Tạo hình nguội dễ dàng trong điều kiện ủ. Sau khi tôi và ram, việc tạo hình bị hạn chế; không khuyến khích uốn cong/biến dạng siêu đàn hồi ở trạng thái tôi cứng.
• Cắt/hoàn thiện:
• Cắt mài mòn hoặc phay CNC công suất cao với dụng cụ carbide/CBN thường được sử dụng cho các chi tiết đã tôi cứng. Mài là quy trình hoàn thiện điển hình cho các chi tiết đã tôi cứng với dung sai chặt chẽ.
• Những cân nhắc về xử lý nhiệt:
• Thực hiện tạo hình và gia công trong điều kiện ủ mềm nếu có thể, sau đó làm nguội và ram lần cuối.
• Cần lưu ý đến cặn và quá trình khử cacbon trong quá trình vận hành ở nhiệt độ cao — có thể sử dụng môi trường bảo vệ hoặc khí thu nhiệt cho các bộ phận quan trọng.

8. Ứng dụng điển hình

50Mn — Công dụng điển hình	65Mn — Công dụng điển hình
Lò xo lá cho xe hạng nhẹ, kẹp, thanh xoắn nhỏ, lò xo đa năng khi tính dẻo dai và tính kinh tế là quan trọng	Lò xo cuộn hiệu suất cao, lò xo treo ô tô, ốc vít và kẹp yêu cầu khả năng chịu ứng suất cao hơn, các bộ phận chịu mài mòn tải trọng cao
Các loại chốt và đinh ghim cần có độ bền vừa phải và có khả năng định hình	Lò xo chính xác và các thành phần dây trong dụng cụ, kẹp chịu lực nặng và bộ phận giữ khi cần độ bền mỏi cao hơn
Các thành phần tránh xử lý nhiệt sau hàn hoặc phương pháp ghép nối cục bộ	Các ứng dụng trong đó hoàn thiện bề mặt (phun bi, mài) và kiểm soát chặt chẽ quá trình xử lý nhiệt tạo ra tuổi thọ chịu mỏi cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 50Mn vì chi phí, độ bền và chế tạo dễ dàng hơn (bao gồm cả việc tạo hình và ghép nối vừa phải) là yếu tố quyết định. - Chọn 65Mn khi cường độ tối đa có thể đạt được và độ bền mỏi trên một đơn vị thể tích là yếu tố quyết định và khi các quy trình sản xuất (làm cứng, ram, hoàn thiện bề mặt) được kiểm soát để giảm thiểu độ giòn và hiện tượng mỏi.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 65 triệu thường đắt hơn 50 triệu một chút do hàm lượng carbon cao hơn, quy trình xử lý và kiểm soát nhiệt chặt chẽ hơn đối với lò xo hiệu suất cao, và khả năng nhạy cảm với phế liệu cao hơn. Tuy nhiên, chênh lệch giá trên mỗi kg là không đáng kể; tổng chi phí phụ thuộc vào quá trình hoàn thiện và xử lý sau.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng dây, thanh, thanh thép và dải từ các nhà cung cấp thép lò xo. 65Mn đặc biệt phổ biến trong dây lò xo và lò xo thành phẩm.
• Thời gian giao hàng và tính ổn định của nguồn cung phụ thuộc vào các nhà sản xuất trong khu vực; thông số kỹ thuật về điều kiện xử lý nhiệt (tôi và ram, tôi, dung sai) ảnh hưởng đến tính khả dụng và giá cả.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	50 triệu	65 triệu
Khả năng hàn	Tốt hơn (C thấp hơn)	Tệ hơn (C cao hơn)
Sự đánh đổi giữa sức mạnh và độ bền	Độ bền vừa phải với độ dẻo dai tương đối tốt hơn	Độ bền cao hơn có thể đạt được; độ dẻo dai thấp hơn ở độ cứng tương đương
Chi phí (tương đối)	Thấp hơn	Cao hơn một chút

Khuyến nghị kết luận: - Chọn 50Mn nếu bạn cần loại thép lò xo tiết kiệm chi phí, có độ dẻo tốt hơn và chế tạo dễ hơn một chút (ví dụ: lò xo chịu lực vừa phải, kẹp, các bộ phận có thể cần tạo hình hoặc ghép nối hạn chế hoặc khi khả năng chống va đập là quan trọng). - Chọn 65Mn nếu thiết kế của bạn yêu cầu độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn cũng như giới hạn độ bền cao hơn (ví dụ: lò xo cuộn ứng suất cao, linh kiện nhỏ gọn chịu tải trọng cao) và bạn có thể kiểm soát quá trình xử lý nhiệt, hoàn thiện bề mặt và tránh hoặc quản lý cẩn thận quá trình hàn.

Lời khuyên thực tế cuối cùng: - Chỉ định các tính chất cơ học cuối cùng cần thiết và tuổi thọ chịu mỏi thay vì chỉ nêu tên loại; điều này cho phép nhà cung cấp đề xuất lịch trình ram tối ưu và hình thức sản phẩm. - Đối với mối hàn hoặc cụm lắp ráp, hãy cân nhắc các phương án thiết kế thay thế (buộc cơ học, ống bọc) hoặc cấp độ carbon thấp hơn để tránh các quy trình gia nhiệt trước/PWHT phức tạp. - Luôn yêu cầu chứng chỉ nhà máy và hồ sơ xử lý nhiệt đối với các thành phần lò xo quan trọng và xác nhận hiệu suất chịu mỏi bằng thử nghiệm tiêu biểu khi tuổi thọ lò xo là yếu tố quan trọng.