55SiCr so với 60SiCr7 – 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 thép lò xo và thép hợp kim có liên quan chặt chẽ khi chỉ định các thành phần như lò xo cuộn, nhíp lá, chốt và các bộ phận dễ bị mài mòn. Việc lựa chọn thường liên quan đến việc cân bằng giữa độ bền và độ dẻo, khả năng tôi cứng so với khả năng hàn, và hiệu suất so với chi phí.

55SiCr và 60SiCr7 thường được so sánh vì chúng chiếm vị trí liền kề trong phổ độ bền-dẻo của thép lò xo/hợp kim silicon-crom. Sự khác biệt thực tế chính giữa chúng liên quan đến hàm lượng silicon tương đối (và những khác biệt nhỏ về thiết kế đi kèm), ảnh hưởng đến độ tôi, giới hạn đàn hồi và phản ứng xử lý nhiệt. Việc hiểu được sự thay đổi thành phần đó ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc vi mô, tính chất cơ học, chế tạo và mục đích sử dụng cuối cùng cho phép lựa chọn các linh kiện được thiết kế một cách sáng suốt.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

55SiCr và 60SiCr7 là những tên gọi thường được sử dụng trong thương mại và kỹ thuật châu Âu/châu Á cho thép hợp kim Si-Cr có hàm lượng carbon trung bình đến cao, dùng cho lò xo, ổ trục hoặc các chi tiết có độ bền cao. Các họ tiêu chuẩn chính bao gồm thép loại này bao gồm:

• EN / ISO: Nhiều loại thép lò xo Si–Cr được quy định trong các tiêu chuẩn EN dành cho thép lò xo (ví dụ: họ EN 10089 hoặc các loại thép lò xo cụ thể).
• JIS: Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản dành cho thép lò xo (ví dụ: họ SUP9, SUP10) có ứng dụng tương đương.
• GB (Trung Quốc): Các ký hiệu GB/T của Trung Quốc thường sử dụng danh pháp SiCr (ví dụ: 60SiCr, 60SiCr7).
• ASTM/ASME: ASTM không thường sử dụng trực tiếp tên SiCr nhưng có các loại thép hợp kim cacbon cao tương đương dùng làm lò xo và các bộ phận có độ bền cao.

Phân loại: Cả 55SiCr và 60SiCr7 đều là thép cacbon/hợp kim thấp (thép lò xo/hợp kim), không phải thép không gỉ hay HSLA theo nghĩa chặt chẽ. Chúng được sử dụng làm thép lò xo và thép chống mài mòn thay vì thép HSLA kết cấu hoặc thép không gỉ chống ăn mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: mức độ thành phần tương đối (định tính). Phạm vi hóa chất chính xác thay đổi tùy theo nhà cung cấp và tiêu chuẩn—luôn xác nhận bằng giấy chứng nhận của nhà máy.

Yếu tố	55SiCr (điển hình)	60SiCr7 (điển hình)	Vai trò và tác dụng
C (cacbon)	Trung bình-Cao (trên danh nghĩa thấp hơn cấp độ 60)	Trung bình-Cao (trên danh nghĩa cao hơn cấp 55)	Độ cứng và độ bền cơ bản; nhiều C → độ cứng và độ bền kéo cao hơn nhưng độ dẻo và khả năng hàn thấp hơn.
Mn (mangan)	Vừa phải	Vừa phải	Cải thiện khả năng làm cứng và độ bền kéo; hỗ trợ quá trình khử oxy.
Si (silicon)	Vừa phải	Cao hơn (tăng đáng kể)	Tăng giới hạn đàn hồi và năng suất, góp phần tăng cường độ bền và tính chất đàn hồi, hỗ trợ khử oxy; hàm lượng Si cao có thể làm giảm khả năng hàn và ảnh hưởng đến bề mặt hoàn thiện.
P (phốt pho)	Thấp (mức độ tạp chất)	Thấp	Nói chung được giảm thiểu để tăng độ bền.
S (lưu huỳnh)	Thấp (nếu khả năng gia công được cải thiện thì tăng lên)	Thấp	Thường giữ ở mức thấp; thêm lưu huỳnh sẽ tăng khả năng gia công nhưng làm giảm độ dẻo dai.
Cr (crom)	Thấp–Trung bình	Thấp–Trung bình	Tăng khả năng làm cứng, chống mài mòn và chống ram; bổ sung một lượng nhỏ Cr giúp duy trì độ bền ở độ cứng cao.
Ni (niken)	Thường theo dõi	Thường theo dõi	Nếu có, sẽ cải thiện độ dẻo dai và khả năng làm cứng.
Mo, V, Nb, Ti, B	Theo dõi đến mức thấp (phụ thuộc vào quy trình)	Theo dõi đến mức thấp (phụ thuộc vào quy trình)	Các nguyên tố hợp kim vi mô (nếu sử dụng) sẽ tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện khả năng làm cứng và độ bền khi có.
N (nitơ)	Dấu vết	Dấu vết	Thường được kiểm soát/giảm thiểu; tác động đến quá trình hình thành nitrua trong một số loại thép.

Ghi chú: - Hậu tố “7” trong một số tiêu chuẩn (ví dụ: 60SiCr7) có thể chỉ ra một biến thể cụ thể hoặc kiểm soát chặt chẽ hơn đối với một dòng sản phẩm — hãy kiểm tra tiêu chuẩn hiện hành để biết phạm vi đảm bảo chính xác. - Silicon là biến số cố ý quan trọng giữa các cấp độ này: biến thể cấp độ 60 được tạo ra với hàm lượng silicon cao hơn để nâng cao giới hạn đàn hồi và cải thiện đặc tính của lò xo.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và crom làm tăng độ cứng và độ bền đạt được sau khi tôi và ram. - Silic góp phần không cân xứng vào mô đun đàn hồi trong thép lò xo, làm tăng ứng suất giới hạn chảy (giới hạn chảy) mà không làm tăng quá mức khả năng tôi luyện so với mức tăng C tương đương. - Mangan và Cr hỗ trợ khả năng tôi luyện, cho phép tôi luyện xuyên suốt ở các phần dày hơn. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) làm mịn kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai ở một độ bền nhất định.

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

Cấu trúc vi mô điển hình cho cả hai loại khi được xử lý để có độ bền cao:

• Cán/chuẩn hóa: ferit + perlit với perlit mịn hơn khi sử dụng tốc độ làm nguội cao hơn/xử lý nhiệt cơ học.
• Đã tôi: chủ yếu là martensite (và austenite giữ lại tùy thuộc vào cacbon) cho cả hai loại; hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn làm tăng thành phần martensite và độ cứng.
• Tôi luyện: martensite được tôi luyện bằng kết tủa cacbua; nhiệt độ tôi luyện kiểm soát sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai.

Tác động của các quá trình cụ thể: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ phía trên A3) tạo ra ma trận ferit-pearlit tương đối đồng đều và tinh chỉnh kích thước hạt—là cơ sở tốt cho quá trình xử lý tiếp theo. - Làm nguội & ram (austenit hóa → làm nguội để tạo thành martensite → ram) là phương pháp tiêu chuẩn để đạt được độ bền cao với độ dẻo dai có thể sử dụng. 60SiCr7, với hàm lượng silic và cacbon cao hơn, thường đạt độ cứng khi làm nguội và giới hạn chảy cao hơn ở nhiệt độ ram tương đương, nhưng có thể cần kiểm soát chặt chẽ hơn để tránh quá giòn. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát + làm nguội nhanh) có thể tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện độ dẻo dai ở cường độ cao ở cả hai cấp. - Quá trình khử cacbon bề mặt, ứng suất dư và austenit giữ lại phải được kiểm soát bằng các chu trình xử lý nhiệt và ram có kiểm soát.

4. Tính chất cơ học

Bảng: so sánh định tính (tham khảo bảng dữ liệu của nhà cung cấp để biết các ký hiệu số và giá trị đảm bảo).

Tài sản	55SiCr	60SiCr7	Ghi chú
Độ bền kéo	Cao	Cao hơn	Cấp 60 thường hướng tới độ bền kéo cực đại cao hơn do có nhiều C và Si hơn một chút.
Sức chịu lực	Cao	Cao hơn	Tăng hàm lượng silic và cacbon làm tăng ứng suất (bằng chứng) – quan trọng đối với các ứng dụng lò xo.
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt hơn	Thấp hơn một chút	Thép có độ bền cao hơn thường có độ dẻo kém hơn trừ khi sử dụng phương pháp xử lý đặc biệt.
Độ bền va đập	Tốt hơn (khi được điều chỉnh phù hợp)	Tương đương với mức thấp hơn, có thể thấp hơn nếu quá cứng	Độ dẻo dai phụ thuộc rất nhiều vào quá trình ram; 60SiCr7 cần được ram cẩn thận để tránh bị giòn.
Độ cứng (HRC/HV sau khi tôi và ram)	Cao	Cao hơn	Cấp 60 có thể đạt độ cứng cao hơn để xử lý nhiệt tương đương, được sử dụng khi cần chịu mài mòn hoặc tải lò xo cao hơn.

Giải thích: - 60SiCr7 thường có độ bền cao hơn 55SiCr, do đó được ưa chuộng hơn khi cần tải trọng tĩnh hoặc tải trọng mỏi cao hơn. - Độ dẻo dai và độ giãn dài phụ thuộc vào quy trình. Với quá trình tôi luyện tối ưu, 60SiCr7 có thể cung cấp độ dẻo dai chấp nhận được cho nhiều bộ phận lò xo và chịu ứng suất cao, nhưng biên độ an toàn cho hư hỏng giòn lại hẹp hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu được quyết định bởi hàm lượng cacbon, hợp kim kết hợp (khả năng tôi cứng) và các nguyên tố thúc đẩy sự hình thành martensite trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Chỉ số thực nghiệm chung: - CE (tương đương carbon IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Pcm (để đánh giá khả năng hàn chính xác hơn): $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Giải thích định tính: - Cả hai loại này đều không lý tưởng cho hàn nóng chảy mà không có quy trình trước và sau khi hàn vì cacbon và hợp kim tạo ra các cấu trúc HAZ cứng, martensitic dễ bị nứt. - 60SiCr7 (hàm lượng carbon và silicon cao hơn) thường có hệ số CE/Pcm cao hơn và do đó khả năng hàn kém hơn so với 55SiCr. Điều này đồng nghĩa với việc khả năng nứt nguội cao hơn và cần phải gia nhiệt trước, cấp nhiệt thấp hơn và ram sau hàn (PWHT). - Đối với các sửa chữa nhỏ hoặc hàn đính, hãy sử dụng quy trình đầu vào nhiệt độ thấp (TIG với vật liệu hàn có thành phần hóa học và độ dẻo dai phù hợp), làm nóng trước để hạn chế tốc độ làm nguội và áp dụng quá trình tôi sau khi hàn theo khuyến nghị của nhà cung cấp thép.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Những loại thép này không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế. Việc lựa chọn thép cho môi trường ngoài trời hoặc môi trường ăn mòn đòi hỏi phải có lớp bảo vệ bề mặt.
• Các lựa chọn bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện kẽm, phủ lớp chuyển đổi phosphate bằng sơn, sơn tĩnh điện hoặc dầu/mỡ cho các bộ phận bên trong.
• Công thức PREN để xếp hạng ăn mòn thép không gỉ không áp dụng cho thép lò xo Si–Cr không phải thép không gỉ: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Sử dụng lớp phủ chống ăn mòn hoặc chọn vật liệu thay thế bằng thép không gỉ (nếu mục đích chính là chống ăn mòn) thay vì dựa vào hợp kim 55SiCr hoặc 60SiCr7.

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

• Khả năng gia công: Hàm lượng carbon và silicon cao hơn làm giảm khả năng gia công. 60SiCr7 thường khó gia công hơn 55SiCr ở cùng độ cứng. Sử dụng vật liệu dụng cụ phù hợp, giảm tốc độ cắt, dung dịch làm mát và kiểm soát phoi.
• Khả năng tạo hình: Khả năng tạo hình nguội bị hạn chế sau khi thép được tôi cứng; cả hai loại thép đều được gia công ở trạng thái ủ hoặc chuẩn hóa để tạo hình. Silic có thể làm giảm độ dẻo trong quá trình tạo hình nguội; do đó, cần thiết kế quy trình tạo hình cho phù hợp.
• Xử lý nhiệt trước khi gia công cuối cùng: Thực hành phổ biến là xử lý nhiệt (làm nguội và ram) rồi mới tiến hành gia công/mài nhẹ cuối cùng. Tiện cứng hoặc mài cứng được sử dụng cho các kích thước hoàn thiện có độ cứng cao.
• Hoàn thiện bề mặt: Hàm lượng silicon cao có thể ảnh hưởng đến độ bám dính của cặn và quá trình mài; hãy chú ý đến việc chuẩn bị bề mặt sau khi xử lý nhiệt.

8. Ứng dụng điển hình

55SiCr	60SiCr7
Lò xo thông thường (tải trọng trung bình), các bộ phận nhíp lá cho tải trọng vừa phải, các thành phần trục chịu tải trung bình, các bộ phận chính xác nhẹ khi cần cân bằng giữa độ bền và sức mạnh.	Lò xo chịu tải trọng cao (lò xo van, lò xo lá/cuộn nặng), chốt và trục chịu ứng suất cao, các bộ phận chịu mài mòn đòi hỏi độ bền hoặc tốc độ lò xo cao hơn, các bộ phận yêu cầu ứng suất thử cao hơn và hiệu suất lò xo có kích thước chặt chẽ hơn.

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 55SiCr khi cần sự cân bằng tốt giữa độ dẻo dai, độ dẻo dai và độ bền với khả năng hàn tốt hơn và gia công dễ dàng hơn. - Chọn 60SiCr7 khi nhu cầu chính là độ bền cao hơn, giới hạn đàn hồi cao hơn hoặc khả năng chống mỏi cao hơn trong ứng dụng lò xo và khi các phương pháp chế tạo (xử lý nhiệt, kiểm soát hàn) có thể giảm thiểu khả năng hàn và khả năng gia công.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 60SiCr7 thường đắt hơn một chút ở cấp độ hợp kim và chế biến do kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn và có khả năng xử lý nhiệt khắt khe hơn; tuy nhiên, giá thị trường phụ thuộc vào hình dạng (dây, thanh, dải) và nguồn cung theo khu vực.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường được sản xuất dưới dạng sản phẩm thép lò xo (dây, dải, thanh). Các biến thể thép cấp 55 có thể được cung cấp rộng rãi hơn ở các kích thước tiêu chuẩn tại một số thị trường; các biến thể thép cấp 60 có thể được đặt hàng hoặc cung cấp từ các nhà cung cấp chuyên biệt cho các sản phẩm lò xo có độ bền cao.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: so sánh nhanh

Thuộc tính	55SiCr	60SiCr7
Khả năng hàn	Tốt hơn (tương đối)	Thấp hơn (tương đối)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt	Độ bền cao hơn, đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ hơn về độ dẻo dai
Trị giá	Thấp đến trung bình	Trung bình đến cao hơn

Hướng dẫn kết luận: - Chọn 55SiCr nếu bạn cần thép lò xo/hợp kim đáng tin cậy với khả năng hàn và độ bền cân bằng hơn cho các ứng dụng tải trọng trung bình, gia công dễ dàng hơn và chi phí thấp hơn một chút. - Chọn 60SiCr7 nếu thiết kế của bạn yêu cầu giới hạn đàn hồi cao hơn hoặc độ bền giới hạn/độ bền chảy cao hơn (ví dụ: lò xo nặng hơn, các bộ phận có nhu cầu mỏi cao hơn) và bạn có thể đáp ứng được xử lý nhiệt nghiêm ngặt hơn, kiểm soát hàn và có thể là chi phí gia công cao hơn.

Ghi chú cuối cùng: - Luôn luôn lấy và xem xét tiêu chuẩn cụ thể hoặc chứng chỉ nhà máy để biết chính xác các bảo đảm về hóa chất và cơ học cho lô hàng bạn định sử dụng. Việc xác minh trong phòng thí nghiệm và thẩm định quy trình (lịch trình xử lý nhiệt, thông số kỹ thuật quy trình hàn và thử nghiệm không phá hủy nếu có) là rất cần thiết khi thay thế cấp thép trong các ứng dụng quan trọng về an toàn.