55Si2Mn so với 60Si2Mn – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

55Si2Mn và 60Si2Mn là loại thép silic-mangan có hàm lượng cacbon trung bình đến cao, được sử dụng rộng rãi, thường được chỉ định cho lò xo, dây, chốt và các chi tiết đòi hỏi giới hạn đàn hồi và khả năng chịu mỏi cao. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với một tình huống khó xử trong việc lựa chọn: nên ưu tiên độ bền tôi cao hơn một chút với cái giá phải trả là khả năng tôi luyện cao hơn và những thách thức tiềm ẩn về khả năng hàn, hay chấp nhận hàm lượng cacbon thấp hơn để có độ dẻo tốt hơn và dễ chế tạo hơn.

Sự khác biệt chính giữa các loại thép này là hàm lượng carbon và sự khác biệt về giới hạn đàn hồi và độ cứng. Do hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng, giới hạn chảy (đàn hồi) và độ nhạy với xử lý nhiệt, hai loại thép này thường được so sánh khi thiết kế các chi tiết chịu lực, chống mỏi hoặc lựa chọn thép lò xo và thép dây cho sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và định danh quốc gia và quốc tế phổ biến có thể bao gồm các cấp độ sau (hoặc tương đương):
• GB (Trung Quốc): các cấp thường được liệt kê là 55Si2Mn, 60Si2Mn trong các tiêu chuẩn quốc gia và danh mục sản phẩm của Trung Quốc.
• EN (Châu Âu): các loại thép lò xo tương đương được tìm thấy trong sê-ri EN 47 / EN 10089 và các tên gọi thép lò xo khác (lưu ý: tên số trực tiếp 55/60Si2Mn không phải là tên gọi chuẩn mực EN nhưng thường được tham chiếu chéo).
• JIS (Nhật Bản): thép lò xo được chỉ định khác nhau (ví dụ: SUP6, SUP7 là thép lò xo/lá).
• ASTM/ASME: ASTM không sử dụng cùng một cách viết tắt số; các đơn vị tương đương được chỉ định theo thành phần và yêu cầu về cơ học.
• Loại vật liệu: Cả hai đều là thép lò xo hợp kim carbon (hợp kim silicon-mangan, hàm lượng carbon cao). Chúng không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép HSLA theo nghĩa hiện đại; chúng thường được coi là thép hợp kim carbon cao dùng cho lò xo và dây.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Phạm vi điển hình — 55Si2Mn (wt%)	Phạm vi điển hình — 60Si2Mn (wt%)
C	0,50 – 0,58	0,57 – 0,64
Si	1,50 – 2,10	1,50 – 2,10
Mn	0,50 – 1,05	0,50 – 1,05
P	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
S	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
Cr	≤ 0,30 (thường không có)	≤ 0,30 (thường không có)
Ni	≤ 0,30 (thường không có)	≤ 0,30 (thường không có)
Mo	≤ 0,10 (thường là không có)	≤ 0,10 (thường là không có)
V, Nb, Ti, B, N	Theo dõi/kiểm soát nếu được thêm vào để tạo hợp kim vi mô	Theo dõi/kiểm soát nếu được thêm vào để tạo hợp kim vi mô

Ghi chú: - Đây là các dải danh nghĩa tiêu biểu được sử dụng trong thực tế công nghiệp. Giới hạn chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn cung cấp, quy trình sản xuất của nhà máy và liệu vật liệu được kéo nguội hay dùng cho các chi tiết có tiết diện lớn. - Si được cố ý tăng cao để cải thiện độ đàn hồi và tính chất lò xo; Mn hỗ trợ khả năng tôi luyện và độ bền. Hàm lượng cacbon là biến số chính phân biệt hai loại.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon: tăng độ bền kéo, giới hạn chảy (đàn hồi), khả năng tôi và độ cứng sau khi tôi; cacbon cao hơn làm giảm độ dẻo và tăng độ nhạy hàn. - Silic: làm tăng độ bền ferit, tăng giới hạn đàn hồi (độ đàn hồi) và cải thiện khả năng chịu nhiệt; Si quá nhiều có thể làm giảm khả năng gia công. - Mangan: tăng khả năng tôi và độ bền kéo, cung cấp khả năng khử oxy trong quá trình luyện thép; hàm lượng Mn quá cao có thể làm tăng nguy cơ austenit còn sót lại sau khi tôi nếu không được ram đúng cách. - Các nguyên tố hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti) khi có mặt sẽ làm mịn kích thước hạt và tăng cường độ mà không làm giảm độ dẻo dai theo tỷ lệ.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Điều kiện ủ: cấu trúc chủ yếu là perlit/ferit với cacbua hình cầu trong thép lò xo ủ đúng cách để có khả năng gia công và tạo hình tốt. - Điều kiện tôi: nền martensitic với lượng austenit giữ lại khác nhau tùy thuộc vào độ dày của mặt cắt và hàm lượng cacbon. - Điều kiện tôi luyện: martensite tôi luyện cộng với carbide mịn; nhiệt độ tôi luyện kiểm soát sự cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo dai.

Cách thức xử lý các tuyến đường ảnh hưởng đến cả hai cấp độ: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra cấu trúc vi mô đồng nhất hơn; hữu ích trước khi tạo hình nguội hoặc xử lý nhiệt tiếp theo. - Làm nguội & ram (Q&T): Phương pháp tiêu chuẩn để đạt được giới hạn đàn hồi cần thiết. Nhiệt độ austenit hóa điển hình nằm trong khoảng 830–880°C (tùy thuộc vào nhà cung cấp và kích thước tiết diện), sau đó là tôi dầu hoặc muối để tạo ra martensite, rồi ram để đạt được độ cứng/độ bền mong muốn. Hàm lượng cacbon cao hơn trong 60Si2Mn thúc đẩy độ cứng martensite cao hơn sau khi tôi và do đó khả năng ram cao hơn. - Xử lý nhiệt cơ học (cán nóng với quá trình làm nguội có kiểm soát): có thể cải thiện độ dẻo dai và tính đồng nhất; cả hai loại đều đáp ứng với quá trình làm nguội có kiểm soát, nhưng loại có hàm lượng cacbon cao hơn cho khả năng tôi cứng tốt hơn và nhiều martensite hơn ở cùng một tốc độ làm nguội nhất định.

Ý nghĩa thực tiễn: 60Si2Mn đạt được giới hạn đàn hồi cao hơn với cùng một phương pháp xử lý nhiệt nhưng cần phải làm nguội và ram có kiểm soát hơn để tránh giòn và quản lý ứng suất dư.

4. Tính chất cơ học

Tính chất (điều kiện điển hình, Q&T hoặc lò xo được tôi luyện)	55Si2Mn (phạm vi xấp xỉ)	60Si2Mn (phạm vi xấp xỉ)
Độ bền kéo (MPa)	~800 – 1400	~900 – 1600
Giới hạn chảy / Giới hạn đàn hồi (MPa)	~600 – 1200	~700 – 1400
Độ giãn dài (%)	~8 – 18	~6 – 15
Charpy Impact (J)	Biến đổi; thường ở mức vừa phải khi được điều chỉnh đúng cách (ví dụ, 5–30 J tùy thuộc vào tính chất)	Nói chung thấp hơn 55Si2Mn đối với độ cứng tương đương; nhạy cảm với nhiệt độ và kích thước mặt cắt
Độ cứng (HRC hoặc HB)	~28 HRC – 58 HRC (hoặc HB 280–650)	~30 HRC – 60 HRC (hoặc HB 300–700)

Lưu ý: - Các phạm vi này chỉ mang tính minh họa cho các điều kiện tôi và ram điển hình được sử dụng cho lò xo và dây. Giá trị thực tế phụ thuộc vào thành phần chính xác, nhiệt độ xử lý nhiệt, kích thước tiết diện và phương pháp ram. - Nhìn chung, 60Si2Mn có độ bền/độ cứng cao hơn và giới hạn đàn hồi cao hơn; 55Si2Mn tương đối dẻo hơn và dễ đạt được độ dẻo dai cân bằng hơn đối với một độ bền nhất định.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hàm lượng cacbon và hợp kim, cũng như hình dạng chi tiết và khả năng quản lý nhiệt. Hai chỉ số thực nghiệm phổ biến để đánh giá định tính:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Hàm lượng cacbon cao hơn trong 60Si2Mn làm tăng giá trị $CE$ và $P_{cm}$ so với 55Si2Mn, cho thấy nguy cơ nứt nguội lớn hơn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) và xu hướng hình thành các cấu trúc vi mô cứng, giòn sau khi hàn. - Cả hai loại vật liệu này đều không lý tưởng cho hàn nóng chảy nếu không có quá trình gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). Biện pháp giảm thiểu thông thường: sử dụng quá trình gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và áp dụng PWHT (rau khử ứng suất) để giảm độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và ứng suất dư. - Nếu cần hàn, 55Si2Mn thường dễ hàn hơn 60Si2Mn do hàm lượng carbon thấp hơn, nhưng cả hai đều yêu cầu quy trình hàn được thiết kế cho lò xo có hàm lượng carbon cao (kim loại độn thích hợp, kiểm soát hydro và chu trình nhiệt).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và tương tự như thép cacbon thông thường.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến: sơn, phốt phát hóa, tra dầu, mạ điện và mạ kẽm nhúng nóng — lựa chọn phụ thuộc vào ứng dụng, môi trường và những thay đổi về kích thước/xử lý nhiệt cho phép.
• Chỉ số chống ăn mòn thép không gỉ (PREN) không áp dụng được vì hàm lượng Cr, Mo và N không đáng kể: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Công thức này không áp dụng cho 55Si2Mn hoặc 60Si2Mn vì chúng không phải là loại thép không gỉ.

Lưu ý thực tế: - Mạ kẽm có thể được sử dụng để bảo vệ chống ăn mòn trên các bộ phận đã định hình nhưng có thể làm thay đổi tình trạng bề mặt và đưa hydro vào; đối với các bộ phận đã được làm nguội và ram, hãy xem xét tác động của quá trình phủ lên các đặc tính cơ học cuối cùng và ứng suất dư.

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

• Khả năng gia công: Hàm lượng cacbon và độ cứng cao hơn (như 60Si2Mn) làm giảm khả năng gia công. Vật liệu ủ hoặc cầu hóa được ưu tiên cho gia công. Hoàn thiện kéo nguội cải thiện độ chính xác kích thước nhưng tăng lực cắt.
• Tạo hình/uốn nguội: Cả hai loại đều cần ủ hoặc ram có kiểm soát để đạt được khả năng tạo hình chấp nhận được. 55Si2Mn dễ tạo hình hơn một chút do hàm lượng carbon thấp hơn.
• Mài và hoàn thiện: Độ cứng cao hơn đòi hỏi vật liệu mài mòn và dụng cụ mạnh hơn. Mài bề mặt và phun bi là những phương pháp phổ biến để cải thiện tuổi thọ chịu mỏi của lò xo.
• Biến dạng do xử lý nhiệt và quản lý ứng suất dư quan trọng hơn với 60Si2Mn do khả năng tôi cứng cao hơn và hình thành martensite nhiều hơn.

8. Ứng dụng điển hình

55Si2Mn — Ứng dụng điển hình	60Si2Mn — Ứng dụng điển hình
Lò xo lá ô tô, lò xo cuộn nhỏ, kẹp, ốc vít khi cần độ bền cân bằng và tuổi thọ chịu mỏi	Lò xo cuộn ứng suất cao, lò xo van, thanh xoắn và dây có độ đàn hồi cao khi cần giới hạn đàn hồi tối đa
Dây lò xo mục đích chung và các thành phần được tạo hình trong đó một số thao tác hàn hoặc uốn là cần thiết	Lò xo và các bộ phận chịu tải trọng tuần hoàn cao hơn hoặc thiết kế nhỏ gọn đòi hỏi khả năng chịu ứng suất cao hơn
Các thành phần có lợi thế là dễ chế tạo (hàn/uốn) và độ dẻo dai được cải thiện	Các ứng dụng ưu tiên mức độ ứng suất cao hơn, mặt cắt ngang nhỏ hơn với tốc độ làm mát có thể dập tắt và lực lò xo tối đa trên mỗi thể tích

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại thép có giới hạn đàn hồi cần thiết theo lộ trình xử lý nhiệt và chế biến tiết kiệm nhất, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về độ bền mỏi và độ dẻo dai. 60Si2Mn được chọn cho các thiết kế có khả năng chịu tải cao hơn, 55Si2Mn được chọn khi độ dẻo, độ nhạy chế tạo thấp hơn hoặc chi phí là những yếu tố quyết định.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 60Si2Mn thường có giá cao hơn một chút so với 55Si2Mn do hàm lượng carbon cao hơn và thường yêu cầu kiểm soát quá trình xử lý để đáp ứng các thông số kỹ thuật về độ cứng và độ bền mỏi. Tuy nhiên, chênh lệch giá thường nhỏ so với chi phí xử lý và hoàn thiện.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được sản xuất rộng rãi dưới dạng thanh, dây, dải lò xo và kéo nguội tại các khu vực có cơ sở hạ tầng sản xuất thép lò xo đáng kể. Tính khả dụng theo từng dạng sản phẩm cụ thể (ví dụ: đường kính dây, chiều rộng dải, trạng thái xử lý nhiệt) phụ thuộc vào hàng tồn kho của nhà máy địa phương và khối lượng mua.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chuẩn	55Si2Mn	60Si2Mn
Khả năng hàn	Tốt hơn (hàm lượng carbon thấp hơn → nguy cơ độ cứng HAZ thấp hơn)	Thách thức hơn (carbon cao hơn → $CE/P_{cm}$ cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Thỏa hiệp tốt; dễ đạt được độ dẻo dai với độ bền vừa phải	Độ bền tối đa và giới hạn đàn hồi cao hơn; cần cẩn thận hơn để duy trì độ dẻo dai
Trị giá	Thấp hơn một chút ở nhiều thị trường	Cao hơn một chút do nhu cầu xử lý và kiểm soát chất lượng

Khuyến nghị: - Chọn 55Si2Mn nếu: - Bạn cần sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo với khả năng chế tạo dễ dàng hơn (hàn, tạo hình). - Thiết kế đòi hỏi độ dẻo dai tốt hơn hoặc tiết diện lớn hơn để nguội chậm trong quá trình làm nguội. - Ưu tiên hàng đầu là tính nhạy cảm về chi phí và khả năng kiểm soát xử lý nhiệt đơn giản hơn.

• Chọn 60Si2Mn nếu:
• Yếu tố thiết kế chính là giới hạn đàn hồi cao hơn, độ bền kéo cao hơn hoặc lực lò xo tối đa trên một đơn vị thể tích.
• Các bộ phận có kích thước nhỏ hoặc tiết diện cho phép làm nguội nhanh (có thể sử dụng khả năng làm cứng cao hơn) và có thể áp dụng phương pháp xử lý nhiệt cẩn thận.
• Ứng dụng này liên quan đến ứng suất tuần hoàn cao, trong đó độ bền tĩnh và độ đàn hồi cao hơn giúp cải thiện tuổi thọ chịu mỏi và bạn có thể kiểm soát các quy trình hàn/xử lý nhiệt.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều hoạt động đáng tin cậy khi được kết hợp với xử lý nhiệt, bảo vệ bề mặt và kiểm soát sản xuất phù hợp. Đối với bất kỳ thành phần quan trọng nào, hãy yêu cầu chứng chỉ nhà máy, thực hiện thử nghiệm cơ học đại diện và xác nhận quy trình hàn và lịch trình ram trên các mẫu đại diện cho sản xuất trước khi triển khai trên quy mô lớn.