60Si2Mn so với 55CrSi – 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 lựa chọn giữa các loại thép lò xo cacbon cao, có độ bền cao, khả năng chống mỏi và phản ứng xử lý nhiệt dự đoán được. Hai loại thép thường được so sánh trong nhóm này là 60Si2Mn và 55CrSi. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường xoay quanh việc cân nhắc giữa khả năng tôi cứng cho các tiết diện dày hơn, độ bền và tuổi thọ mỏi đạt được, khả năng hàn và dễ chế tạo, và chi phí vật liệu.

Sự khác biệt chính giữa các loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim: một loại nhấn mạnh vào thành phần hóa học silic-mangan để tăng cường độ bền và độ đàn hồi ở hàm lượng cacbon cao, trong khi loại còn lại kết hợp crom với silic để tăng khả năng tôi cứng và khả năng chịu nhiệt. Vì vậy, chúng thường được so sánh với các loại lò xo, ốc vít và các chi tiết chịu ứng suất cao, trong đó cả hiệu suất cơ học và khả năng sản xuất đều quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và chỉ định chung thường gặp trong ngành:
• GB (Trung Quốc): 60Si2Mn, 55CrSi (danh pháp thường dùng trong tiêu chuẩn và chuỗi cung ứng của Trung Quốc).
• EN/ISO: Các loại thép EN tương đương dành cho thép lò xo bao gồm các loại tương đương 60Si2Mn và các loại tương tự SAE/ASTM (ví dụ: SAE 9254/55 dành cho thép lò xo SiCr), nhưng các tham chiếu chéo chính xác phụ thuộc vào thông số kỹ thuật chi tiết.
• JIS: Thép lò xo JIS (ví dụ: họ SUP9/SUP10) có thể được sử dụng như sản phẩm tương đương về mặt chức năng trong một số ứng dụng.
• ASTM/ASME: Không có chỉ định ASTM chung nào cho các loại thép lò xo thương mại này; nguồn cung thường được quản lý theo tiêu chuẩn quốc gia hoặc tiêu chuẩn riêng của khách hàng.
• Phân loại:
• Cả 60Si2Mn và 55CrSi đều là thép lò xo hợp kim cacbon cao (không phải thép không gỉ). Chúng không phải là thép dụng cụ, thép không gỉ hay HSLA theo nghĩa thông thường.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Lưu ý: Thành phần thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình (xấp xỉ) để minh họa chiến lược hợp kim thay vì giới hạn thông số kỹ thuật chính xác.

Yếu tố (%)	60Si2Mn (phạm vi điển hình)	55CrSi (phạm vi điển hình)
C	0,56–0,64	0,50–0,60
Mn	0,50–1,00	0,30–0,80
Si	1,60–2,00	0,90–1,50
P	≤ 0,03 (tối đa)	≤ 0,03 (tối đa)
S	≤ 0,03 (tối đa)	≤ 0,03 (tối đa)
Cr	≤ 0,25 (vết)	0,80–1,30
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	—	≤ 0,10 (nhỏ)
V, Nb, Ti	— (thường vắng mặt)	— (thường vắng mặt)
B, N	—	—

Hiệu ứng hợp kim: - Cacbon là nguyên tố làm cứng chính: C cao hơn làm tăng độ cứng và độ bền đạt được sau khi tôi và ram, nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Silic làm tăng độ bền, độ đàn hồi và hiệu suất lò xo; nó cũng ổn định ferit và có thể cải thiện độ dẻo dai trong một số điều kiện nhiệt độ. - Mangan cải thiện độ cứng và độ bền kéo và hoạt động như một chất khử oxy. - Crom làm tăng khả năng làm cứng và khả năng chống ram—quan trọng đối với các tiết diện dày hơn và nhiệt độ làm việc cao hơn. - Các nguyên tố vi lượng và kiểm soát chặt chẽ P/S giúp cải thiện tuổi thọ chịu mỏi và giảm tạp chất.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và hành vi xử lý nhiệt khác nhau do sự cân bằng hợp kim: - 60Si2Mn (Si–Mn chiếm ưu thế): - Ở điều kiện chuẩn hóa: cấu trúc chủ yếu là perlit/ferit cho độ bền vừa phải. - Sau khi làm nguội và ram: ma trận martensitic được ram đến độ cứng mong muốn; mức độ silicon giúp duy trì tính chất đàn hồi cho ứng dụng lò xo. - Độ nhạy độ dày: trung bình; mangan có khả năng làm cứng nhưng kém hiệu quả hơn crom, do đó các thành phần dày hơn có thể không được làm cứng hoàn toàn trừ khi được điều chỉnh. - 55CrSi (Cr–Si chiếm ưu thế): - Ở điều kiện chuẩn hóa: peclit + ferit tùy thuộc vào độ nguội. - Sau khi làm nguội và ram: ram martensite; crom làm tăng khả năng tôi cứng và thúc đẩy quá trình chuyển đổi martensite đồng đều hơn ở các phần dày hơn. - Khả năng chống ram: được cải thiện nhờ Cr; giúp duy trì độ bền tốt hơn ở nhiệt độ ram cao và cải thiện khả năng chống làm mềm theo thời gian.

Các tuyến xử lý: - Chuẩn hóa/tinh chỉnh kích thước hạt: cả hai đều đáp ứng tốt, nhưng lựa chọn nhiệt độ chuẩn hóa phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và kích thước mặt cắt. - Làm nguội & ram: thường dùng cho thép lò xo. Môi trường làm nguội, nhiệt độ austenit hóa và biên dạng ram kiểm soát độ cứng và độ dai cuối cùng. - Gia công nhiệt cơ (để cuộn dây hoặc lò xo): làm mát có kiểm soát và gia công nguội cùng với quá trình ram giảm ứng suất là tiêu chuẩn.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học thay đổi đáng kể tùy theo phương pháp xử lý nhiệt và kích thước tiết diện. Bảng dưới đây thể hiện các phạm vi điển hình có thể đạt được sau các chu kỳ tôi và ram thông thường trong ngành cho các ứng dụng lò xo và cường độ cao.

Tài sản	60Si2Mn (điển hình)	55CrSi (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	900–1600 (tùy thuộc vào tính khí)	900–1700 (tốt hơn ở các phần dày hơn)
Giới hạn chảy (MPa)	700–1400	700–1450
Độ giãn dài (%)	6–18 (thấp hơn ở cường độ cao hơn)	6–18 (phạm vi tương tự)
Độ bền va đập (J, Charpy)	Thấp đến trung bình khi ở điều kiện độ cứng cao; cải thiện khi tôi luyện	Xu hướng tương tự; Cr có thể cải thiện độ dẻo dai được giữ lại ở độ cứng tương đương
Độ cứng (HRC)	~30–65 (tùy theo tính khí)	~30–65 (có thể duy trì ở những phần dày hơn do Cr)

Giải thích: - Cả hai loại đều có thể đạt được độ bền kéo rất cao khi được làm cứng và ram; sự khác biệt thường phụ thuộc vào ứng dụng và hình dạng. - 55CrSi thường có khả năng làm cứng cao hơn và các đặc tính đồng nhất hơn ở các phần dày hơn, do đó được ưa chuộng hơn khi cần làm cứng toàn bộ các thành phần lớn hơn. - 60Si2Mn có hiệu quả đối với dây, lò xo đường kính nhỏ và các thành phần yêu cầu độ đàn hồi và hiệu suất chịu mỏi rất cao ở các phần nhỏ.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu được quyết định bởi lượng cacbon tương đương và độ tôi. Hai chỉ số thường được sử dụng là lượng cacbon tương đương IIW và chỉ số Pcm (chỉ số hàng không/chế tạo):

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

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

Giải thích định tính: - Giá trị C và CE/Pcm cao hơn ngụ ý khả năng nứt nguội cao hơn và cần xử lý nhiệt trước/sau khi hàn. - 60Si2Mn thường có hàm lượng silic cao hơn một chút và hàm lượng cacbon tương đương hoặc cao hơn nhưng hàm lượng crom thấp hơn; khả năng tôi ở mức trung bình. Đối với các chi tiết nhỏ, việc hàn có thể thực hiện được với các biện pháp kiểm soát chặt chẽ (làm nóng trước, điện cực hydro thấp). Đối với thép lò xo có độ cứng cao, việc hàn thường được tránh trừ khi áp dụng ủ và ram cục bộ. - 55CrSi, do có chứa crom, thường có CE cao hơn với cùng hàm lượng carbon và có khả năng tôi cứng tốt hơn. Điều này làm cho việc hàn trở nên khó khăn hơn ở các tiết diện dày hơn do vùng HAZ martensitic cứng có thể hình thành. Gia nhiệt sơ bộ và PWHT thường được yêu cầu; nhiều ứng dụng ưa chuộng phương pháp ghép nối cơ học hoặc tạo hình nguội hơn là hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 60Si2Mn và 55CrSi đều không phải thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và phụ thuộc vào khả năng bảo vệ bề mặt:
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến bao gồm mạ kẽm, mạ điện, phủ phosphate, sơn hoặc phủ polyme.
• Đối với các ứng dụng lò xo mà lớp phủ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, cần phải cân nhắc các giải pháp thay thế bằng thép không gỉ hoặc các tính năng thiết kế bảo vệ.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) áp dụng cho hợp kim thép không gỉ:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

• PREN không áp dụng được cho các loại thép lò xo không gỉ này vì hàm lượng Cr và thiết kế hợp kim của chúng không đủ để tạo ra khả năng bảo vệ chống ăn mòn thụ động.

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

• Khả năng gia công:
• Hàm lượng cacbon cao và độ cứng cao của cả hai loại thép ở trạng thái tôi luyện đều làm giảm khả năng gia công. Việc tiện trước khi tôi luyện bị hạn chế; việc sử dụng dụng cụ và tốc độ phù hợp, cũng như ram để giảm độ cứng trước khi gia công nặng là tiêu chuẩn.
• 60Si2Mn có thể gia công dễ dàng hơn một chút ở trạng thái ủ hoặc chuẩn hóa do hàm lượng Cr thấp hơn.
• Khả năng định hình:
• Ép nguội và cuộn: cả hai đều được thiết kế để tạo hình lò xo; 60Si2Mn được sử dụng rộng rãi cho lò xo có đường kính nhỏ do có độ đàn hồi cao.
• Uốn và cán nguội: tiến hành trong điều kiện ủ; tránh tạo hình khi có độ cứng cao.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Mài và phun bi là phương pháp phổ biến để xử lý các bộ phận chịu mỏi; cả hai loại thép đều phản ứng tốt với phun bi để cải thiện tuổi thọ chịu mỏi.

8. Ứng dụng điển hình

60Si2Mn (sử dụng phổ biến)	55CrSi (sử dụng phổ biến)
Lò xo cuộn có độ đàn hồi cao (đường kính nhỏ), lò xo treo cho các bộ phận nhỏ, dây lò xo, lò xo xoắn chịu lực nhẹ	Lò xo cuộn chịu lực nặng, lò xo lá, lò xo giảm xóc, lò xo treo và lò xo rung đường kính lớn hơn
Lò xo chính xác và các thành phần cơ khí nhỏ đòi hỏi khả năng phục hồi cao	Các thành phần nặng hơn, dày hơn cần có độ cứng và độ bền tôi luyện
Dây carbon cao và ốc vít nhỏ trong môi trường chịu lực cao	Các thành phần đòi hỏi khả năng làm cứng vượt trội, hiệu suất HAZ bền hơn và khả năng chống tôi tốt hơn

Cơ sở lựa chọn: - Lựa chọn dựa trên cường độ tải, hình dạng cấu kiện (độ dày tiết diện), tuổi thọ chịu mỏi cần thiết và liệu có cần tôi xuyên suốt hay không. 60Si2Mn tiết kiệm chi phí cho các chi tiết nhỏ có độ đàn hồi cao; 55CrSi được ưu tiên cho các chi tiết lớn hơn, chịu ứng suất cao, trong đó khả năng tôi và ram đồng đều là yếu tố quan trọng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• 60Si2Mn thường có giá thành thấp hơn trên mỗi kilôgam vì nó không chứa hàm lượng crom đáng kể và được sản xuất rộng rãi dưới dạng thép lò xo.
• 55CrSi có giá thành đắt hơn một chút do hàm lượng crom và khả năng kiểm soát chặt chẽ hơn khi ứng dụng vào lò xo.
• Khả dụng:
• Cả hai loại thép này thường có dạng thanh, dây và thanh thông qua các nhà cung cấp thép lò xo; tình trạng cung cấp tại địa phương phụ thuộc vào sản lượng khu vực và tiêu chuẩn sử dụng (ví dụ: 55CrSi có thể phổ biến hơn trong chuỗi cung ứng ô tô, nơi cần các bộ phận dày hơn).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	60Si2Mn	55CrSi
Khả năng hàn	Tốt hơn cho các bộ phận nhỏ (có điều khiển)	Thách thức hơn do độ cứng cao hơn
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền cao cho các phần nhỏ; độ đàn hồi tuyệt vời	Độ bền tương đương hoặc cao hơn ở các bộ phận dày hơn; khả năng chống tôi luyện được cải thiện
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị kết luận: - Chọn 60Si2Mn nếu: - Bạn cần giới hạn đàn hồi cao và hiệu suất chịu mỏi ở lò xo hoặc dây có tiết diện nhỏ. - Độ nhạy về chi phí và sản lượng lớn đối với các linh kiện nhỏ là yếu tố then chốt. - Không cần phải tôi cứng các phần dày và việc hàn được tối thiểu hóa hoặc kiểm soát chặt chẽ. - Chọn 55CrSi nếu: - Linh kiện có tiết diện lớn hơn hoặc cần được tôi cứng đồng đều trên toàn bộ tiết diện. - Cần cải thiện khả năng chống tôi luyện và duy trì các đặc tính tốt hơn sau khi tôi luyện hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao. - Ứng dụng này chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn một chút và bạn có thể kiểm soát quy trình hàn/xử lý nhiệt để đảm bảo an toàn.

Cả hai vật liệu đều là những lựa chọn hàng đầu trong thiết kế lò xo và linh kiện cường độ cao. Lựa chọn cuối cùng nên được quyết định bởi độ dày tiết diện, cấu hình tôi luyện cần thiết, yêu cầu về độ mỏi và nứt mỏi, cũng như các hạn chế chế tạo tiếp theo như hàn và hoàn thiện bề mặt.