60CrMnA so với 60Si2MnA – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa thép 60CrMnA và 60Si2MnA khi chỉ định thép cacbon trung bình đến cao cho các chi tiết cần cân bằng giữa độ bền, tuổi thọ chịu mỏi và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn hợp kim lò xo hoặc trục, lựa chọn vật liệu cho các chi tiết chịu tải trọng tuần hoàn và cân bằng giữa nhu cầu tôi xuyên và giới hạn đàn hồi cao trong các tiết diện mỏng.

Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại này nằm ở phương pháp hợp kim hóa của chúng: một loại nhấn mạnh vào khả năng tôi cứng và hàm lượng hợp kim chứa crom để đạt được phản ứng tôi cứng sâu hơn và cải thiện độ dẻo dai ở các tiết diện lớn hơn, trong khi loại còn lại dựa vào hàm lượng silicon cao hơn để tăng giới hạn đàn hồi và hiệu suất chịu mỏi ở các chi tiết mảnh. Vì lý do này, chúng thường được so sánh khi các nhà thiết kế phải đánh đổi giữa độ tôi cứng và độ nhạy kích thước tiết diện với độ đàn hồi và khả năng chống mỏi bề mặt.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 60CrMnA: Thường thấy trong các ký hiệu GB của Trung Quốc và tương đương với một số loại thép lò xo và trục JIS/EN. Được phân loại là thép hợp kim crom-mangan hàm lượng cacbon trung bình-cao (cấp thép hợp kim/lò xo/trục).
• 60Si2MnA: Được tìm thấy trong danh mục GB và JIS là loại thép lò xo silicon-mangan có hàm lượng carbon trung bình-cao (thép lò xo carbon/hợp kim).
• Tiêu chuẩn áp dụng (điển hình):
• GB (tiêu chuẩn của Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa) — nguồn chính cho các tên cấp độ này.
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản) — có thép lò xo tương tự (ví dụ: lò xo SUP9/55SiCr).
• EN (Châu Âu) và ASTM/ASME không sử dụng chính xác các tên cấp này nhưng có các loại sản phẩm tương đương (thép lò xo/trục, SAE 5160, họ 9254, v.v.).
• Phân loại: cả hai đều là thép hợp kim/cacbon không gỉ. Chúng thuộc nhóm thép lò xo/trục/hợp kim chứ không phải thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (được biểu thị bằng phần trăm trọng lượng). Đây là các phạm vi đại diện được sử dụng trong thông số kỹ thuật của ngành — vui lòng tham khảo giấy chứng nhận nhà máy để biết giá trị lô chính xác.

Yếu tố	60CrMnA (phạm vi điển hình)	60Si2MnA (phạm vi điển hình)
C	0,55–0,65	0,55–0,65
Mn	0,60–1,00	0,40–0,80
Si	0,15–0,40	1,60–2,00
P	≤0,035	≤0,035
S	≤0,035	≤0,035
Cr	0,70–1,10	≤0,25
Ni	≤0,30 (vết)	≤0,30 (vết)
Mo	≤0,10	≤0,10
V, Nb, Ti, B	không có dấu vết	không có dấu vết
N	dấu vết	dấu vết

Các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon (C): Hệ số cường độ và độ cứng chính. Cả hai loại đều có hàm lượng cacbon cao (~0,60%) để đạt được độ cứng cao sau khi tôi. - Crom (Cr): Trong 60CrMnA, Cr làm tăng khả năng tôi cứng, khả năng chống mài mòn và độ ổn định khi ram, cải thiện khả năng tôi cứng ở các phần lớn hơn và khả năng chống mềm trong quá trình ram. - Silic (Si): Trong 60Si2MnA, Si cao hơn làm tăng độ bền, giới hạn đàn hồi và độ bền mỏi; nó cũng góp phần khử oxy trong quá trình luyện thép và thúc đẩy phản ứng ferit/perit hoặc martensite ram mạnh ở các phần mỏng. - Mangan (Mn): Tăng cường khả năng làm cứng và độ bền kéo ở cả hai loại; nó cũng hoạt động như một chất khử oxy và chống lại độ giòn. - Lưu huỳnh/Phốt pho: Giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai và khả năng gia công.

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

Cấu trúc vi mô điển hình phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt:

• Chuẩn hóa:
• Cả hai loại thép này đều sẽ phát triển cấu trúc ferit-pearlit hoặc martensite mịn khi được chuẩn hóa đúng cách. Quá trình chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện tính đồng nhất cho quá trình tôi sau đó.
• Làm nguội và tôi luyện (Q&T):
• 60CrMnA: Với hàm lượng Cr và Mn cao hơn, nó có khả năng tôi cứng tốt hơn — đạt được chuyển biến martensitic dễ dàng hơn ở các mặt cắt ngang lớn hơn. Sau khi tôi và ram thích hợp, ta thu được martensitic ram có độ dẻo dai tốt và độ cứng ổn định.
• 60Si2MnA: Ở các đoạn mỏng hoặc dây, quá trình tôi tạo ra martensite hàm lượng cacbon cao; hàm lượng Si cao giúp ổn định độ bền và khả năng chịu ram, tạo ra giới hạn đàn hồi cao. Ở các đoạn dày hơn, khả năng tôi cứng hạn chế có thể dẫn đến các cấu trúc chuyển tiếp (bainit/pearlit) trừ khi được tôi mạnh.
• Xử lý nhiệt cơ:
• Cả hai loại thép đều đáp ứng tốt với biến dạng có kiểm soát và làm nguội nhanh để tinh chỉnh cấu trúc vi mô và cải thiện các đặc tính chịu mỏi. Đối với thép lò xo, làm nguội có kiểm soát sau khi kéo dây hoặc tạo hình nguội kết hợp ram là tiêu chuẩn.

Hậu quả về mặt vi cấu trúc: - 60CrMnA có xu hướng cho thấy lõi martensitic sâu hơn ở các phần dày; 60Si2MnA đạt được độ bền bề mặt/gần bề mặt cao hơn và giới hạn đàn hồi trong các ứng dụng dây/dải mỏng.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình sau khi tôi và ram thông thường trong ngành hoặc xử lý nhiệt lò xo/trục. Các giá trị chỉ mang tính chất tham khảo; tham khảo thông số kỹ thuật và báo cáo thử nghiệm tại nhà máy để biết dữ liệu thiết kế.

Tài sản	60CrMnA (điển hình)	60Si2MnA (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	Cao — tùy thuộc vào tính khí; phạm vi rộng (ví dụ: 800–1200+)	Rất cao ở các phần mỏng; tương đương với 60CrMnA trong lò xo
Giới hạn chảy (MPa)	Cao sau khi tôi luyện; cải thiện ở các phần lớn hơn	Độ đàn hồi/giới hạn rất cao trong điều kiện lò xo
Độ giãn dài (%)	Trung bình (giảm C cao)	Trung bình đến thấp — ứng dụng lò xo chấp nhận độ giãn dài thấp hơn
Độ bền va đập	Tốt khi được làm nguội và ram đúng cách (tốt hơn ở 60CrMnA đối với các phần dày)	Tốt cho các phần mỏng; có xu hướng thấp hơn 60CrMnA ở các phần dày
Độ cứng (HRC/HB)	Phạm vi có thể đạt được được kiểm soát bằng cách tôi luyện; làm cứng dễ dàng hơn	Có thể đạt được độ cứng bề mặt cao; khối lượng phụ thuộc vào kích thước mặt cắt

Giải thích: - Độ bền: Cả hai loại thép đều có thể đạt độ bền kéo cao khi được xử lý nhiệt; 60Si2MnA có xu hướng được ưa chuộng cho giới hạn đàn hồi rất cao (thép lò xo) ở các phần mỏng, trong khi 60CrMnA mang lại độ bền cao đáng tin cậy ở các bộ phận dày hơn do khả năng làm cứng vượt trội. - Độ dẻo dai và độ dai: 60CrMnA thường có độ dẻo dai tốt hơn ở mặt cắt ngang lớn hơn vì Cr làm tăng khả năng tôi cứng và giảm nguy cơ tâm mềm. 60Si2MnA được tối ưu hóa cho khả năng phục hồi tuần hoàn thay vì độ dẻo tối đa.

5. Khả năng hàn

Hàm lượng carbon cao ở cả hai loại thép đều làm giảm khả năng hàn so với thép có hàm lượng carbon thấp. Những cân nhắc chính: - Khả năng làm cứng và hợp kim làm tăng nguy cơ nứt nguội, hình thành martensite ở vùng chịu nhiệt (HAZ) và nhu cầu xử lý nhiệt trước và sau hàn (PWHT). - Sử dụng các phép tính tương đương carbon giúp đánh giá nhu cầu gia nhiệt trước. Ví dụ về chỉ số: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Hướng dẫn định tính: - 60CrMnA: Hàm lượng Cr và Mn cao hơn làm tăng giá trị tương đương carbon; dự kiến ​​nhu cầu gia nhiệt trước/PWHT, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và quy trình hàn hydro thấp sẽ cao hơn. Cần có quy trình hàn phù hợp và kim loại hàn đủ tiêu chuẩn, đặc biệt là đối với các tiết diện dày hơn. - 60Si2MnA: Si tăng cao làm tăng CE một chút và có thể làm cho quá trình tôi cứng HAZ nghiêm trọng hơn ở các tiết diện mỏng; Si cũng có xu hướng làm tăng độ nhạy nứt ở một số mối hàn. Việc nung nóng trước và ram sau khi hàn thường được yêu cầu để đảm bảo tính toàn vẹn của kết cấu. - Khuyến nghị: Tránh hàn quá mức các chi tiết đã qua xử lý nhiệt và chịu ứng suất cao nếu có thể. Nếu cần hàn, hãy sử dụng các quy trình hàn đã được thẩm định trước bao gồm gia nhiệt trước, vật tư tiêu hao ít hydro, làm mát có kiểm soát và hàn nóng chảy (PWHT) nếu cần.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 60CrMnA và 60Si2MnA đều là thép cacbon/hợp kim không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ chống ăn mòn trong khí quyển.
• Sơn, vecni hoặc lớp phủ polyme để bảo vệ thẩm mỹ và ngăn ngừa hư hại.
• Lớp phủ chuyển đổi phosphat hoặc thụ động hóa giúp tăng độ bám dính của sơn và cải thiện khả năng chống mài mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ sau:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Chỉ số PREN áp dụng cho hợp kim không gỉ và không có ý nghĩa đối với thép hợp kim có hàm lượng cacbon cao với hàm lượng Cr thấp.
• Đối với các thành phần hoạt động trong môi trường ăn mòn, hãy cân nhắc các giải pháp thép không gỉ hoặc tráng phủ; có thể cần bảo vệ catốt hy sinh cho hoạt động ngập nước hoặc có tính ăn mòn.

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

• Khả năng gia công:
• Hàm lượng cacbon và hợp kim cao làm giảm khả năng gia công so với thép mềm. Việc bổ sung lưu huỳnh (không có trong các loại thép có hàm lượng S thấp này) thường cải thiện khả năng gia công, nhưng ở đây hàm lượng S thấp được duy trì để đảm bảo độ dẻo dai.
• Thép 60Si2MnA có hàm lượng Si cao hơn có thể khó gia công hơn một chút so với thép có hàm lượng Si thấp; thép 60CrMnA có Cr có thể làm cứng và làm cùn dụng cụ theo cách khó dự đoán hơn.
• Khả năng tạo hình và gia công nguội:
• 60Si2MnA thường được sử dụng trong các hoạt động tạo lò xo và cuộn nguội; silicon cải thiện độ đàn hồi nhưng làm giảm giới hạn dẻo.
• 60CrMnA thường được hình thành trong điều kiện ủ sau đó là làm nguội và ram; đối với các phần nặng, thường là tạo hình nóng và xử lý nhiệt sau đó.
• Hoàn thiện:
• Mài và phun bi là phương pháp phổ biến để cải thiện tuổi thọ chịu mỏi (đặc biệt là đối với các ứng dụng lò xo). Nên sử dụng dụng cụ cacbua và kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn để đảm bảo tính nhất quán.

8. Ứng dụng điển hình

60CrMnA — Công dụng điển hình	60Si2MnA — Ứng dụng điển hình
Trục, trục, chốt, ốc vít nặng và các thành phần có tiết diện trung bình cần được tôi cứng và chống mài mòn	Lò xo cuộn, lò xo lá, lò xo dây mỏng chịu ứng suất cao, lò xo treo, lò xo lá nhỏ
Bánh răng và trục cần được tôi luyện sâu hơn và độ dẻo dai ở các phần lớn hơn là rất quan trọng	Các thành phần chịu mỏi chu kỳ cao trong các phần mỏng, kẹp lò xo, lò xo giữ
Các thành phần được gia công nguội sẽ được làm nguội và ram để đạt được các tính chất ổn định	Lò xo treo ô tô và các bộ phận lò xo công nghiệp

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 60CrMnA khi các bộ phận có tiết diện từ trung bình đến lớn, yêu cầu phản ứng làm nguội sâu hoặc phải chống mài mòn và giữ được độ dẻo dai. - Chọn 60Si2MnA khi ưu tiên giới hạn đàn hồi, khả năng phục hồi và tuổi thọ chịu mỏi vượt trội ở các tiết diện mỏng, nơi phản ứng dập tắt không bị giới hạn bởi kích thước tiết diện.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Yếu tố chi phí: nguyên tố hợp kim (Cr đắt hơn Si), chế biến (kiểm soát chặt chẽ, xử lý nhiệt) và hình thức sản phẩm (dây, thanh, thanh).
• Chi phí tương đối và tính khả dụng:
• 60Si2MnA: Thường được cung cấp rộng rãi dưới dạng dây lò xo, dải và thanh tiêu chuẩn; chi phí thường thấp hơn so với các loại tương tự có chứa Cr vì Si rẻ hơn Cr.
• 60CrMnA: Chi phí vật liệu cao hơn một chút do hàm lượng crom; thanh và vật liệu rèn thường được sử dụng trong các ứng dụng trục/trục chính, nhưng các dạng đặc biệt có thể ít phổ biến hơn dây lò xo.
• Lưu ý mua sắm: chi phí cuối cùng phụ thuộc vào độ hoàn thiện bề mặt, chứng nhận và số lượng. Đối với dây lò xo số lượng lớn, 60Si2MnA có giá thành rẻ và dễ dàng dự trữ. Đối với các sản phẩm rèn lớn hoặc trục chính xác, 60CrMnA có thể có chi phí gia công cao.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (so sánh định tính)

Thuộc tính	60CrMnA	60Si2MnA
Khả năng hàn	Trung bình đến kém (CE cao hơn, cần làm nóng trước/PWHT)	Trung bình đến kém (C + Si cao, cần quy trình hàn được kiểm soát)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ cứng xuyên suốt mạnh mẽ và độ dẻo dai tốt hơn ở các phần lớn hơn	Giới hạn đàn hồi và hiệu suất mỏi tuyệt vời ở các phần mỏng; độ dẻo dai bị hạn chế ở các phần nặng
Trị giá	Trung bình (Hàm lượng Cr làm tăng chi phí)	Thông thường thấp hơn (Si không đắt); có sẵn rộng rãi cho lò xo

Kết luận và khuyến nghị: - Chọn 60CrMnA nếu: - Bạn cần độ cứng sâu hơn cho mặt cắt ngang từ trung bình đến lớn. - Linh kiện phải kết hợp được độ bền cao với độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn được cải thiện sau khi tôi và ram. - Bộ phận sẽ được gia công hoặc rèn thành các thành phần như trục, chốt hoặc bánh răng, trong đó quá trình tôi cứng là cần thiết. - Chọn 60Si2MnA nếu: - Yêu cầu chính là giới hạn đàn hồi cao, tuổi thọ chịu mỏi tuyệt vời và hiệu suất lò xo ở các phần mỏng (lò xo cuộn, lò xo lá, kẹp). - Bạn đang chỉ định dây lò xo hoặc dải lò xo có khả năng đàn hồi dự đoán được và tuổi thọ cao với chi phí vừa phải. - Linh kiện sẽ được sản xuất theo hình dạng có thể chấp nhận được giới hạn về khả năng dập tắt (dây, thanh có tiết diện nhỏ).

Lưu ý cuối cùng: hai loại thép này có vai trò bổ sung cho nhau. Đối với một ứng dụng cụ thể, cần xác minh thành phần hóa học chính xác và dữ liệu thử nghiệm tại nhà máy, thực hiện các phép tính tương đương carbon và, nếu cần, xử lý nhiệt mẫu và thử nghiệm mỏi. Sự phối hợp giữa các kỹ sư thiết kế, nhà cung cấp vật liệu xử lý nhiệt và bộ phận mua sắm là rất cần thiết để đảm bảo loại thép được chọn đáp ứng các ràng buộc về tải trọng, tuổi thọ mỏi, khả năng sản xuất, hàn và chi phí.