60Si2Mn so với 65Mn – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự cân bằng giữa hai loại thép cacbon lò xo và thép kỹ thuật thường được chỉ định: 60Si2Mn và 65Mn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu cho lò xo chịu lực, các bộ phận chịu mỏi chu kỳ cao hoặc các bộ phận dễ bị mài mòn, trong đó độ bền, giới hạn đàn hồi, tuổi thọ mỏi, khả năng hàn và chi phí phải được cân bằng.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là một loại được thiết kế như thép lò xo silicon-mangan (hàm lượng silicon cao hơn để tăng độ đàn hồi và khả năng chịu nhiệt), trong khi loại còn lại là thép lò xo với thành phần chính là mangan với hàm lượng carbon cao hơn một chút để tối đa hóa độ bền và khả năng chống mài mòn. Các chiến lược hợp kim này khiến chúng trở thành lựa chọn thay thế gần như hoàn hảo trong nhiều ứng dụng lò xo và linh kiện nhỏ, nhưng mỗi loại lại mang đến những tác động khác nhau về mặt gia công và hiệu suất, điều quan trọng cần được xác định ngay từ đầu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 60Si2Mn: Thường được tìm thấy trong các tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc (GB), thường được tham chiếu cho dây lò xo và dải lò xo. Các ký hiệu vật liệu tương đương hoặc tương tự có thể xuất hiện trong các thông số kỹ thuật khu vực khác cho thép lò xo.
• 65Mn: Được công nhận rộng rãi trong các tiêu chuẩn Trung Quốc (GB), Nhật Bản (JIS, thường là SUP7/65Mn) và các tiêu chuẩn khác dành cho thép lò xo hàm lượng carbon cao. Đây là cấp độ tiêu chuẩn cho dây đàn và lò xo cuộn nguội.

Phân loại: - Cả 60Si2Mn và 65Mn đều là thép lò xo hợp kim hàm lượng carbon cao (không phải thép không gỉ). Chúng không phải là thép dụng cụ, thép không gỉ hoặc thép HSLA, mặc dù chúng đã được xử lý nhiệt để tạo ra các vi cấu trúc martensitic có độ bền cao, được sử dụng trong lò xo và các bộ phận chịu mài mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây trình bày phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (%) được các nhà sản xuất sử dụng cho các loại thép này. Các nhà cung cấp và tiêu chuẩn riêng lẻ có thể quy định các giới hạn chặt chẽ hơn — hãy tham khảo chứng chỉ nhà máy cụ thể để mua sắm.

Yếu tố	Phạm vi điển hình — 60Si2Mn (wt%)	Phạm vi điển hình — 65Mn (wt%)
C	0,55 – 0,65	0,60 – 0,70
Mn	0,60 – 1,20	0,70 – 1,20
Si	1,50 – 2,00	0,15 – 0,40
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	≤ 0,25	≤ 0,25
Ni	- (dấu vết)	- (dấu vết)
Mo	- (dấu vết)	- (dấu vết)
V, Nb, Ti, B, N	thường không được chỉ định / số lượng vết	thường không được chỉ định / số lượng vết

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon: Thành phần chính tạo nên độ cứng và độ bền sau khi tôi và ram; hàm lượng C cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Mangan: Cải thiện độ cứng và độ bền kéo, hỗ trợ quá trình khử oxy; có trong cả hai loại. - Silic: Được cố ý đưa vào 60Si2Mn để tăng độ đàn hồi của lò xo (giới hạn đàn hồi cao hơn), cải thiện khả năng chống ram và tăng cường độ bền ở độ cứng nhất định; silic cũng hỗ trợ quá trình khử oxy trong quá trình luyện thép. - Các thành phần phụ (P, S): Giữ ở mức thấp để duy trì hiệu suất chịu mỏi và độ bền.

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

Cấu trúc vi mô khởi đầu điển hình và phản ứng: - Nguyên liệu giao hàng (dây kéo nguội hoặc dải cán nóng): Chủ yếu là perlit với một ít ferit tùy thuộc vào cacbon và quy trình chế biến. Dây lò xo kéo nguội có thể có perlit kéo dài và mật độ lệch tăng lên. - Làm nguội và ram: Cả hai loại đều được làm nguội để tạo thành martensite, sau đó ram để điều chỉnh độ cứng, độ bền, độ dẻo và khả năng chống mỏi. Cấu trúc vi mô cuối cùng là ram martensite với carbide. - Chuẩn hóa: Tạo ra cấu trúc vi mô perlit/ferit tinh chế và được sử dụng khi cần ứng suất dư thấp hơn và khả năng gia công tốt hơn trước khi làm cứng cuối cùng. - Gia công nhiệt cơ: Kéo nguội hoặc cán có kiểm soát sẽ tinh chế ferit-perlit và có thể cải thiện tuổi thọ chịu mỏi.

Ghi chú so sánh: - Thép 60Si2Mn (Si cao hơn) thường có khả năng chịu nhiệt tốt — nó có thể duy trì độ bền cao hơn sau khi tôi luyện so với thép Si thấp hơn có cùng độ cứng. Điều này làm cho nó trở nên hấp dẫn khi cần giới hạn đàn hồi cao và phản ứng nhiệt luyện ổn định. - Thép 65Mn, với hàm lượng carbon và mangan cao hơn một chút, đạt độ cứng và độ bền kéo sau khi tôi rất cao nhưng cần được ram cẩn thận để tránh bị giòn quá mức. Khả năng tôi tốt nhờ hàm lượng mangan, tạo điều kiện cho martensite đồng đều ở các mặt cắt dày hơn so với thép cacbon thông thường.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học thay đổi tùy theo quá trình xử lý nhiệt và hình dạng sản phẩm. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi đại diện cho các điều kiện tôi và ram hoặc ram lò xo thường được chỉ định cho lò xo và các chi tiết gia công nhỏ.

Tính chất (đã được làm nguội và tôi luyện / tính chất mùa xuân)	60Si2Mn (phạm vi điển hình)	65Mn (phạm vi điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	1000 – 1600	1100 – 1700
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	800 – 1400	900 – 1500
Độ giãn dài (%)	6 – 14	5 – 11
Tác động Charpy V-notch (J)	15 – 50 (tùy thuộc vào nhiệt độ)	10 – 40 (tùy thuộc vào nhiệt độ)
Độ cứng (HRC)	35 – 60 (tùy thuộc vào quy trình)	40 – 62 (tùy thuộc vào quy trình)

Giải thích: - Độ bền: 65Mn thường có độ bền cuối cùng cao hơn một chút khi được tôi luyện do hàm lượng cacbon cao hơn; tuy nhiên, 60Si2Mn có thể đạt được độ bền tương đương khi được tôi luyện nhờ silicon. - Độ dẻo dai và độ dai: 60Si2Mn thường có độ dẻo dai và độ dai tốt hơn một chút trong điều kiện tôi luyện do có độ ổn định tôi luyện tăng cường silicon, có thể giúp cải thiện tuổi thọ chịu mỏi của lò xo. - Độ cứng: Cả hai đều có thể được làm cứng đến giá trị HRC cao; lựa chọn phụ thuộc vào phạm vi đàn hồi cần thiết và hành vi mỏi thay vì chỉ dựa vào độ cứng tuyệt đối.

5. Khả năng hàn

Hàm lượng cacbon và hợp kim cao khiến cả hai loại thép này đều khó hàn nếu không có quy trình đặc biệt. Các yếu tố chính: - Giá trị cacbon tương đương tăng theo C, Mn, Cr, Mo, V, làm giảm khả năng hàn và tăng nguy cơ nứt nguội. Sử dụng các phương trình cacbon tương đương để đánh giá nhu cầu gia nhiệt trước/sau gia nhiệt.

Chỉ số chung: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai loại thép đều có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tương đối cao so với thép cacbon thấp; do đó, việc nung nóng trước, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn thường là bắt buộc đối với các mối hàn quan trọng. - 65Mn (hàm lượng cacbon cao hơn) thường có khả năng hàn kém hơn 60Si2Mn. Mặc dù 60Si2Mn chứa hàm lượng Si cao hơn, nhưng ảnh hưởng của silic lên lượng cacbon tương đương nhỏ hơn ảnh hưởng trực tiếp của cacbon; do đó, 60Si2Mn có thể dễ hàn hơn một chút nhưng vẫn cần áp dụng các biện pháp tối ưu. - Đối với các cụm hàn quan trọng, các giải pháp thay thế của nhà thiết kế bao gồm sử dụng thiết kế bu lông/nối hoặc chỉ định các giải pháp thay thế ít carbon, vì nhiệt hàn ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô, ứng suất dư và tuổi thọ chịu mỏi của thép lò xo.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 60Si2Mn và 65Mn đều là thép hợp kim cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại thấp.
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện (kẽm/oxit đen), phủ phosphate, sơn phủ và tra dầu. Việc lựa chọn tùy thuộc vào môi trường và yêu cầu về độ bền mỏi — một số lớp phủ (ví dụ, mạ kẽm dày) có thể làm thay đổi kích thước bề mặt và tình trạng bề mặt liên quan đến độ bền mỏi và cần được xem xét trong thiết kế.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng được vì đây không phải là hợp kim thép không gỉ và không chứa Cr, Mo hoặc N đáng kể để mang lại khả năng chống ăn mòn cục bộ.

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

• Khả năng gia công: Thép lò xo hàm lượng cacbon cao khó gia công hơn ở trạng thái tôi. Quá trình gia công thường được thực hiện ở trạng thái ủ hoặc thường hóa. Hàm lượng cacbon cao hơn một chút của thép 65Mn có thể khiến nó khó gia công hơn một chút so với thép 60Si2Mn trong cùng điều kiện.
• Tạo hình/uốn nguội: Cả hai đều phù hợp để tạo hình nguội khi được cung cấp ở trạng thái mềm hơn (ủ hoặc thường hóa). Sau khi tạo hình cuối cùng, chúng thường được xử lý nhiệt (làm nguội và ram). Hàm lượng silic cao hơn của 60Si2Mn có thể làm tăng độ đàn hồi nhờ độ ổn định mô đun đàn hồi cao hơn.
• Mài và hoàn thiện: Các bộ phận cứng cần được mài mòn thích hợp; thép giàu silic có thể tạo ra khả năng mài khác nhau; các thông số quy trình cần được xác nhận.
• Xử lý bề mặt (bắn bi) thường được áp dụng cho lò xo để cải thiện tuổi thọ chịu mỏi, bất kể cấp độ.

8. Ứng dụng điển hình

60Si2Mn — Ứng dụng điển hình	65Mn — Công dụng điển hình
Lò xo lá và lò xo cuộn ô tô (nơi độ ổn định nhiệt độ và giới hạn đàn hồi là rất quan trọng)	Hệ thống treo và lò xo ly hợp cường độ cao
Lò xo chính xác cho ốc vít, van và cơ cấu nhỏ	Dây lò xo cho dây nhạc, lò xo khuôn và lò xo chịu tải cao
Các bộ phận được tôi luyện đòi hỏi khả năng chống mỏi tốt và độ ổn định về kích thước	Dụng cụ cầm tay, lưỡi cưa (ở dạng cụ thể), các bộ phận dễ bị mài mòn
Các thành phần cần có khả năng chịu nhiệt và phục hồi đàn hồi	Các thành phần ưu tiên độ bền tối đa và khả năng chống mài mòn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 60Si2Mn khi giới hạn đàn hồi, khả năng chịu nhiệt và tuổi thọ mỏi dưới tải trọng tuần hoàn là ưu tiên và khi hàm lượng silic cao hơn có lợi cho hiệu suất của lò xo. - Chọn 65Mn khi nhu cầu chính là độ bền và độ cứng tối đa có thể đạt được ở lò xo hoặc bộ phận cơ khí nhỏ và khi chi phí/khả năng sẵn có ủng hộ thép lò xo mangan-cacbon.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 65Mn là loại thép được sản xuất rộng rãi trên toàn thế giới và thường có dạng dây, dải và thanh; giá cả thường cạnh tranh do sản xuất với số lượng lớn.
• 60Si2Mn được cung cấp rộng rãi, đặc biệt là ở thị trường châu Á, và thường được sử dụng cho các ứng dụng lò xo trong ô tô và công nghiệp. Giá cả có thể tương tự 65Mn nhưng tùy thuộc vào thị trường, hình dạng (dây, dải, thanh) và yêu cầu về bề mặt/gia công.
• Các dạng sản phẩm đặc biệt (ví dụ: dây kéo nguội chính xác, dải tôi luyện trước hoặc thanh dung sai chặt chẽ) sẽ làm tăng chi phí bất kể cấp cơ sở.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	60Si2Mn	65 triệu
Khả năng hàn	Tốt hơn một chút (vẫn còn hạn chế; thường cần làm nóng trước và PWHT)	Khó hơn (C cao hơn → CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Khả năng chịu nhiệt tốt; hiệu suất chịu mỏi mạnh	Độ bền sau khi tôi cao hơn một chút; có thể kém dẻo hơn trong điều kiện độ cứng cao
Chi phí/Tính khả dụng	Có sẵn rộng rãi; cạnh tranh	Có sẵn rộng rãi; thường có giá thấp nhất cho dây lò xo tiêu chuẩn

Sự giới thiệu: - Chọn 60Si2Mn nếu bạn cần thép lò xo có khả năng chống ram và độ ổn định đàn hồi được cải thiện cho các ứng dụng chịu mỏi chu kỳ cao hoặc khi độ ổn định ram và giới hạn đàn hồi là những yếu tố thiết kế quan trọng. - Chọn 65Mn nếu ưu tiên của bạn là tối đa hóa độ bền kéo và độ cứng cho lò xo hoặc các bộ phận dễ bị mài mòn và bạn chấp nhận các ràng buộc hàn và xử lý nhiệt hạn chế hơn hoặc khi quá trình mua sắm ưu tiên thép lò xo được tiêu chuẩn hóa rộng rãi và có khả năng cạnh tranh về giá.

Lưu ý cuối cùng: Đối với bất kỳ ứng dụng quan trọng nào, hãy ghi rõ tiêu chuẩn chính xác, dạng sản phẩm, quy trình xử lý nhiệt và các bài kiểm tra nghiệm thu (độ cứng, độ bền kéo, độ mỏi) trên đơn đặt hàng. Luôn yêu cầu và xem xét các chứng chỉ kiểm tra nhà máy về thành phần và các đặc tính cơ học đã chỉ định, đồng thời xác nhận quy trình hàn hoặc phủ với các mẫu thử nghiệm để tránh các sự cố hiệu suất không mong muốn.