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

Giới thiệu

Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa 60Si2Mn và 65Si2Mn khi chỉ định lò xo cường độ cao hoặc các linh kiện chống mài mòn. Các quyết định thường xoay quanh sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, phản ứng xử lý nhiệt, chi phí chế tạo và các điều kiện vận hành như tải trọng tuần hoàn hoặc mài mòn.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở một sự khác biệt nhỏ nhưng mang tính chiến lược về hàm lượng carbon (cả hai hợp kim đều sử dụng silicon và mangan làm nguyên liệu hợp kim chính). Sự gia tăng carbon tinh tế này ở loại thép có số thứ tự cao hơn ảnh hưởng đến khả năng tôi cứng, độ bền đạt được sau khi xử lý nhiệt và một số khía cạnh chế tạo. Vì cả hai loại thép đều được sử dụng cho các ứng dụng tương tự (lò xo, kẹp, các chi tiết chịu mài mòn cao), các nhà sản xuất và nhà thiết kế so sánh chúng để tối ưu hóa hiệu suất so với chi phí và khả năng sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tài liệu tham khảo quốc gia và quốc tế phổ biến có thông số kỹ thuật tương đương hoặc liên quan:
• GB (Trung Quốc): các loại thép thường được gọi trực tiếp là 60Si2Mn và 65Si2Mn trong các tiêu chuẩn thép của Trung Quốc.
• JIS (Nhật Bản): thép lò xo tương tự xuất hiện trong loạt JIS S (ví dụ: họ SUP9/SUP10), không phải nhãn chính xác 1:1.
• EN (Châu Âu) / ASTM: không có sự so sánh trực tiếp một-một; các loại thép lò xo tương đương được mô tả theo thành phần/yêu cầu thay vì cùng một tên gọi.
• ISO: thường tham chiếu đến các lớp thành phần/hiệu suất thay vì các tên chính xác này.

Phân loại: Cả 60Si2Mn và 65Si2Mn đều là thép lò xo hợp kim trung bình, hàm lượng cacbon cao (thuộc nhóm thép cacbon). Chúng không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ theo nghĩa hợp kim cao, hoặc các loại thép HSLA hiện đại. Chúng thường được chỉ định cho lò xo, dây thép cường độ cao, kẹp, trục và một số bộ phận chịu mài mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi danh nghĩa tiêu biểu thường thấy trong các thông số kỹ thuật của ngành. Đây là các thành phần mục tiêu điển hình; giới hạn chính xác phụ thuộc vào nhà máy cung cấp và tiêu chuẩn áp dụng — luôn luôn kiểm tra với giấy chứng nhận vật liệu.

Yếu tố	60Si2Mn (danh nghĩa điển hình)	65Si2Mn (danh nghĩa điển hình)
C (khối lượng%)	~0,56 – 0,64	~0,60 – 0,68
Si (khối lượng%)	~1,8 – 2,2	~1,8 – 2,2
Mn (khối lượng%)	~0,6 – 1,0	~0,6 – 1,0
P (tối đa)	≤ 0,035 (điển hình)	≤ 0,035 (điển hình)
S (tối đa)	≤ 0,035 (điển hình)	≤ 0,035 (điển hình)
Cr (khối lượng%)	dấu vết-thấp (nếu có)	dấu vết-thấp (nếu có)
Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	thường <0,05 hoặc dưới dạng bổ sung dấu vết	thường <0,05 hoặc dưới dạng bổ sung dấu vết

Giải thích về chiến lược hợp kim: - Cacbon: là thành phần chính tạo nên độ bền thông qua quá trình hình thành martensite sau khi tôi và ram; sự gia tăng nhỏ làm tăng khả năng tôi và độ cứng sau khi tôi. - Silic: làm tăng độ bền của ferit và martensite, cải thiện tính chất đàn hồi (có lợi cho thép lò xo); Silic còn giúp khử oxy trong quá trình luyện thép. - Mangan: tăng cường khả năng làm cứng và độ bền kéo, chống lại độ giòn từ hàm lượng cacbon cao hơn; đồng thời cải thiện tính chất gia công nóng. - P và S thấp: giữ ở mức thấp để duy trì độ bền và tuổi thọ chịu mỏi. - Hợp kim vết (Cr, V, Mo) có thể có trong các biến thể cụ thể để tăng khả năng làm cứng hoặc khả năng chống ram nhưng không phải là nguyên tố xác định tên gọi của các loại này.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện ủ: chủ yếu là peclit và ferit; peclit dạng phiến phổ biến trong các biến thể cacbon cao hơn. - Sau khi tôi ở nhiệt độ austenit hóa thích hợp và ram: ram martensite hoặc bainit tùy thuộc vào mức độ tôi và hàm lượng hợp kim.

Các phương pháp xử lý nhiệt và tác dụng: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra ma trận perlit/ferit đồng nhất, cải thiện độ bền vừa phải so với ủ; được sử dụng khi ưu tiên khả năng gia công và độ dẻo. - Tôi và ram: tiêu chuẩn cho cả hai loại khi cần độ bền và khả năng chịu mỏi cao. Tôi trong dầu hoặc nước (tùy thuộc vào kích thước tiết diện và độ cứng yêu cầu), sau đó ram để đạt được sự cân bằng độ dai/độ cứng mong muốn. Hàm lượng carbon cao hơn một chút trong 65Si2Mn sẽ dịch chuyển sự cân bằng độ cứng-độ dai đạt được về phía độ cứng cao hơn ở cùng nhiệt độ ram. - Xử lý nhiệt cơ học (ví dụ, cán nóng có kiểm soát và làm nguội nhanh) có thể tạo ra các cấu trúc bainit hoặc martensit mịn hơn giúp cải thiện sự kết hợp giữa độ bền/độ dẻo dai và giảm lượng carbon cần thiết cho cùng một tính chất.

Lưu ý thực tế: Vì 65Si2Mn chứa nhiều cacbon hơn một chút nên cần chú ý nhiều hơn đến nhiệt độ austenit hóa và mức độ làm nguội để tránh độ cứng quá mức và kiểm soát nguy cơ biến dạng và nứt.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt và kích thước tiết diện. Bảng dưới đây cung cấp thông số so sánh điển hình cho các chi tiết được tôi và ram — các giá trị chỉ mang tính chất tham khảo và cần được xác nhận bằng chứng nhận thử nghiệm của nhà cung cấp.

Tài sản	60Si2Mn (Q&T điển hình)	65Si2Mn (Q&T điển hình)
Độ bền kéo	Cao (ví dụ, phạm vi ~1000–1400 MPa)	Cao hơn một chút (từ hàng chục đến hàng trăm MPa)
Cường độ chịu kéo	Cao; giới hạn đàn hồi tốt cho lò xo	Năng suất cao hơn một chút ở cùng một tính khí
Độ giãn dài (%)	Trung bình (giảm với cường độ cao hơn)	Thấp hơn một chút so với 60Si2Mn ở cường độ tương đương
Độ bền va đập	Tốt khi được tôi luyện đúng cách; nhạy cảm với kích thước phần	Có thể thấp hơn một chút ở độ cứng tương đương vì C cao hơn
Độ cứng (HRC/HV)	Cao sau khi Q&T; được tôi luyện đến HRC yêu cầu	Đạt được độ cứng cao hơn ở nhiệt độ tôi luyện tương tự

Người giải thích: - Độ bền: 65Si2Mn thường đạt được độ bền giới hạn và độ bền chảy cao hơn cho cùng một quá trình xử lý nhiệt do hàm lượng cacbon tăng dần. - Độ dẻo dai/dẻo dai: hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo dai và độ bền va đập ở một độ cứng nhất định. Việc tôi luyện đúng cách có thể giảm thiểu sự đánh đổi này. - Ý nghĩa thiết kế: nếu tuổi thọ chịu mỏi dưới tải trọng chu kỳ cao là quan trọng, hãy chọn các thông số tôi luyện để tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai thay vì chỉ dựa vào lựa chọn cấp độ.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị hạn chế bởi hàm lượng carbon và hợp kim (xu hướng cứng hóa và nguy cơ nứt nguội). Hai chỉ số thực nghiệm phổ biến để đánh giá định tính:

• Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Tham số toàn diện hơn (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả 60Si2Mn và 65Si2Mn đều có hàm lượng cacbon tương đối cao và hàm lượng Mn/Si vừa phải, do đó $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ của chúng có xu hướng cho thấy khả năng hàn hạn chế so với thép cacbon thấp. - Hàm lượng carbon cao hơn một chút của 65Si2Mn làm tăng nguy cơ hình thành vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn martensitic cứng, giòn và nứt nguội so với 60Si2Mn. - Hướng dẫn thực tế: gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và ram sau hàn (PWHT) giúp giảm nguy cơ nứt. Đối với các cụm hàn quan trọng, hãy cân nhắc sử dụng các phương án thay thế carbon thấp hơn hoặc thiết kế mối hàn để giảm thiểu nồng độ ứng suất vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này là thép cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc với môi trường.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện, phủ lớp thụ động, sơn polyme hoặc bôi dầu để bảo vệ tạm thời.
• Khi chỉ định sử dụng cho môi trường ngoài trời hoặc môi trường ăn mòn, hãy chọn lớp phủ phù hợp và xem xét các tính năng thiết kế để tránh ăn mòn khe hở và tích tụ độ ẩm.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng để đầy đủ hơn, công thức PREN được sử dụng cho hợp kim thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Việc sử dụng PREN chỉ áp dụng khi Cr, Mo và N là các nguyên tố hợp kim quan trọng (không áp dụng cho tiêu chuẩn 60Si2Mn/65Si2Mn).

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

• Khả năng gia công: trạng thái ủ có thể gia công được; các bộ phận được tôi và ram có tính mài mòn và làm cứng, làm giảm tuổi thọ của dụng cụ. 65Si2Mn, với hàm lượng carbon cao hơn một chút, thường cứng hơn một chút khi gia công bằng dụng cụ sau khi được tôi.
• Tạo hình và uốn nguội: hàm lượng carbon cao hơn làm giảm khả năng tạo hình. 60Si2Mn ở trạng thái ủ dễ tạo hình hơn 65Si2Mn. Đối với lò xo, dây thường được kéo ra và sau đó được xử lý nhiệt để đạt được các tính chất cuối cùng; tạo hình nguội ở trạng thái tôi cứng hoàn thiện rất hạn chế.
• Hoàn thiện bề mặt: Độ cứng cao hơn đòi hỏi phải mài, phun bi thường được sử dụng để cải thiện tuổi thọ chịu mỏi. Dung sai mài và lựa chọn đá mài phải tính đến độ cứng tăng thêm của 65Si2Mn sau khi kiểm tra và đánh giá (Q&T).

8. Ứng dụng điển hình

60Si2Mn	65Si2Mn
Lò xo chịu lực trung bình và nặng (lò xo lá, lò xo cuộn) khi cần cân bằng giữa độ bền và độ cứng	Lò xo chịu ứng suất cao và các phần nhỏ đòi hỏi độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn
Các loại ốc vít và kẹp cần có khả năng chống mỏi tốt sau khi tôi luyện	Các bộ phận, chốt và trục mài mòn ở những nơi cần độ cứng cao hơn
Dây dùng để sản xuất lò xo khi cần độ dẻo để tạo hình trước khi xử lý nhiệt	Các ứng dụng có thể chịu được độ dẻo dai sau khi tôi luyện thấp hơn để có độ bền cao hơn (ví dụ, một số linh kiện ô tô chính xác)
Các bộ phận cứng đa năng trong đó độ nhạy về chi phí ủng hộ lượng carbon thấp hơn	Các thành phần mà cường độ tối đa trên mỗi phần là quan trọng và việc kiểm soát xử lý nhiệt bổ sung là chấp nhận được

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 60Si2Mn khi bạn cần sự cân bằng tốt hơn giữa độ dẻo dai và độ dẻo dai, dễ tạo hình hơn ở trạng thái ủ hoặc khi yêu cầu hàn khắt khe hơn. - Chọn 65Si2Mn khi cần độ bền sau xử lý nhiệt hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn và khi các biện pháp kiểm soát sản xuất (xử lý nhiệt, gia công, xử lý sau hàn) đủ để quản lý độ dẻo dai và rủi ro nứt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 65Si2Mn thường đắt hơn một chút do hàm lượng carbon cao hơn và yêu cầu kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn để giảm thiểu nguy cơ nứt giòn. Chênh lệch giá thường nhỏ so với tổng chi phí sản xuất chi tiết.
• Tính khả dụng: cả hai loại đều phổ biến ở các khu vực sản xuất ô tô và lò xo quy mô lớn (Trung Quốc, Đông Á, Châu Âu), có sẵn dưới dạng dây, thanh và cán nguội. Tính khả dụng ở dạng sản phẩm đặc biệt (ví dụ: trục mài tôi trước) phụ thuộc vào năng lực nhà máy tại địa phương.
• Mẹo mua sắm: chỉ rõ điều kiện xử lý nhiệt và độ cứng/dung sai cần thiết trên đơn đặt hàng để đảm bảo nhà cung cấp giao vật liệu đã qua xử lý theo trạng thái mong muốn chứ không phải là vật liệu ủ thông thường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Loại	60Si2Mn	65Si2Mn
Khả năng hàn	Tốt hơn (nhưng vẫn cần kiểm soát)	Tệ hơn một chút (nguy cơ nứt cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt; độ dẻo dai cao hơn ở cùng độ bền	Độ bền có thể đạt được cao hơn; độ dẻo dai giảm ở cùng độ cứng
Trị giá	Thấp hơn một chút	Cao hơn một chút

Phần kết luận: - Chọn 60Si2Mn nếu: bạn cần một loại thép lò xo cân bằng, đáng tin cậy với độ bền tương đối tốt hơn và dễ tạo hình/hàn hơn. Ưu tiên lựa chọn này khi khả năng chống mỏi và khả năng sản xuất được ưu tiên hơn các mức gia cường cuối cùng. - Chọn 65Si2Mn nếu: thiết kế của bạn yêu cầu độ bền hoặc độ cứng cao hơn sau khi xử lý trong cùng một hình dạng và bạn có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát nhiệt, hàn và xử lý nghiêm ngặt hơn để quản lý độ dẻo giảm và nguy cơ nứt cao hơn.

Khuyến nghị cuối cùng: xác định chính xác các mục tiêu về tính chất cơ học và lộ trình xử lý nhiệt ngay từ đầu (bao gồm nhiệt độ ram và độ dẻo dai cần thiết) và yêu cầu chứng nhận kiểm tra tại nhà máy. Cách tiếp cận này đảm bảo rằng sự khác biệt nhỏ về thành phần giữa 60Si2Mn và 65Si2Mn được chuyển hóa thành hiệu suất vận hành đáng tin cậy thay vì các vấn đề sản xuất hoặc vận hành bất ngờ.