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

Giới thiệu

65Mn và 60CrMnA là hai loại thép cacbon cao thường gặp trong sản xuất lò xo, chịu mài mòn và linh kiện kỹ thuật. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân bằng các ưu tiên cạnh tranh về độ bền, độ dẻo dai, khả năng tôi, chi phí và quá trình xử lý tiếp theo (khả năng hàn, tạo hình, gia công). Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn thép lò xo khi độ bền mỏi bề mặt và độ ổn định ram là rất quan trọng, hoặc lựa chọn vật liệu thanh/trục khi yêu cầu độ tôi xuyên suốt và các đặc tính đồng nhất trên các tiết diện lớn hơn.

Điểm khác biệt chính về mặt luyện kim là 60CrMnA có chứa hàm lượng crom (và thường là mangan hơi khác biệt) so với 65Mn. Crom làm tăng khả năng tôi cứng và cải thiện độ ổn định khi ram, điều này làm thay đổi cách thép phản ứng với quá trình tôi và ram, do đó ảnh hưởng đến độ dai, khả năng chịu ram và khả năng phù hợp với tiết diện ngang lớn hơn. Vì vậy, hai loại thép này thường được so sánh, trong đó cả độ bền cao và khả năng ram đáng tin cậy đều quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 65 triệu
• Thường được quy định trong tiêu chuẩn GB của Trung Quốc (ký hiệu là 65Mn) và được tìm thấy dưới dạng thép lò xo/thép cacbon cao trong nhiều tiêu chuẩn quốc gia. Các loại thép tương đương hoặc tương tự xuất hiện trong các hệ thống khác (ví dụ: SAE 1065 là thép cacbon cao tương đương mặc dù thành phần Mn và các nguyên tố khác khác nhau).

• Phân loại: Thép lò xo cacbon cao / thép dụng cụ hợp kim cacbon / thép lò xo.

• 60CrMnA

• Xuất hiện trong một số hệ thống đặt tên quốc gia (ví dụ, ký hiệu cũ của châu Âu/Đức hoặc Trung Quốc); "Cr" biểu thị hợp kim crom; "A" thường biểu thị biến thể cấp thương mại. Ký hiệu chính xác có thể khác nhau tùy theo nhà cung cấp và tiêu chuẩn.
• Phân loại: Thép hợp kim có hàm lượng cacbon cao (thép lò xo hợp kim/thép kỹ thuật) — độ cứng cao hơn so với các loại thép hợp kim có hàm lượng cacbon cao thông thường.

Lưu ý: Luôn xác nhận chính xác bảng tiêu chuẩn (GB, JIS, EN, ASTM) và giấy chứng nhận nhà máy về các yêu cầu về hóa chất và cơ học trước khi mua sắm.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện các phạm vi thành phần đại diện thường gặp trong thực tiễn thương mại. Giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn ban hành và lô nhà máy; hãy coi đây là phạm vi điển hình chứ không phải giới hạn tuyệt đối.

Yếu tố	Điển hình 65 triệu (đại diện)	60CrMnA điển hình (đại diện)
C	0,62–0,70%	0,55–0,65%
Mn	0,90–1,20%	0,50–1,00%
Si	0,17–0,37%	0,17–0,37%
P	≤0,035%	≤0,035%
S	≤0,035%	≤0,035%
Cr	0–0,20% (thường thấp)	~0,40–1,00%
Ni	dấu vết–0,30%	dấu vết–0,30%
Mo	dấu vết	dấu vết
V, Nb, Ti, B, N	thường rất thấp hoặc không được thêm vào một cách có chủ ý	có thể chứa các chất bổ sung hợp kim nhỏ tùy thuộc vào biến thể

Các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Cacbon: yếu tố chính tạo nên độ cứng và độ bền; hàm lượng C cao hơn làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Mangan: cải thiện độ cứng và độ bền kéo; hoạt động như chất khử oxy và chống lại tác động của lưu huỳnh. - Silic: tăng cường độ bền cho ferit và hỗ trợ quá trình khử oxy. - Crom: tăng khả năng tôi cứng, tăng độ ổn định ram (duy trì độ cứng ở nhiệt độ ram cao hơn) và có thể cải thiện độ dai khi kết hợp với xử lý nhiệt thích hợp. Đây là sự khác biệt quan trọng có ý nghĩa giữa 60CrMnA và 65Mn. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti, B): khi có hàm lượng nhỏ, sẽ làm mịn kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai và độ bền, đặc biệt là sau quá trình xử lý nhiệt cơ.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình:

• 65 triệu
• Cán/chuẩn hóa: chủ yếu là perlit + ferit (có thể xuất hiện dải perlit tùy thuộc vào quá trình làm nguội và thành phần).
• Sau khi tôi (dầu/nước tùy thuộc vào kích thước mặt cắt) và ram: martensite ram với cacbua còn lại; có thể đạt được độ cứng cao và độ bền kéo cao do hàm lượng cacbon và mangan cao hơn.

• Độ ổn định khi tôi luyện: phù hợp với lò xo và các thành phần có tiết diện nhỏ; tôi luyện kéo dài ở nhiệt độ cao có thể làm giảm độ cứng đáng kể so với thép hợp kim crom.

• 60CrMnA

• Cán/chuẩn hóa: cấu trúc vi mô perlit/ferrit ban đầu tương tự nhưng phân bố cacbua mịn hơn nếu sử dụng phương pháp làm nguội và hợp kim hóa vi mô thích hợp.
• Sau khi làm nguội và ram: martensite ram cộng với hợp kim cacbua; crom thúc đẩy quá trình hình thành cacbua ổn định hơn và tăng khả năng làm cứng để các phần lớn hơn có thể đạt được tỷ lệ martensite cao hơn.
• Độ ổn định khi ram được cải thiện so với thép cacbon cao thông thường: quá trình ram mềm được giảm ở nhiệt độ ram tương đương, cho phép cân bằng tốt hơn giữa độ bền và độ dẻo dai sau khi ram.

Tác động của các tuyến xử lý: - Chuẩn hóa làm mịn kích thước hạt ở cả hai cấp và là bước xử lý trước phổ biến. - Làm nguội và ram là phương pháp tiêu chuẩn để đạt được độ bền cao; 60CrMnA sẽ đạt được độ cứng đồng đều hơn ở các mặt cắt ngang lớn hơn và duy trì độ cứng tốt hơn trong quá trình ram. - Xử lý nhiệt cơ học với cán kiểm soát và làm nguội nhanh có thể cải thiện độ dẻo dai và giảm hiện tượng tạo dải cho cả hai phương pháp, nhưng các loại hợp kim thường có phản ứng tốt hơn.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất cơ học tiêu biểu phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt. Bảng dưới đây thể hiện phạm vi điển hình của các điều kiện tôi và ram được sử dụng trong các linh kiện và lò xo kỹ thuật.

Tài sản	65Mn (điều kiện điển hình, Q+T / lò xo)	60CrMnA (điển hình, Q+T)
Độ bền kéo (MPa)	~900–1600	~800–1400
Giới hạn chảy (MPa)	~700–1400	~600–1200
Độ giãn dài (%)	~4–12	~6–15
Độ bền va đập (J, V‑notch)	rất thay đổi: ~5–60 tùy thuộc vào tính khí	thường cao hơn ở cường độ tương đương: ~10–80 tùy thuộc vào tính khí
Độ cứng (HRC)	~40–60 (thép lò xo thường có độ cứng 45–60 HRC)	~35–55 HRC

Giải thích: - Ở cùng độ cứng hoặc mức độ chịu kéo danh nghĩa, 60CrMnA thường mang lại độ dẻo dai hoặc khả năng chịu nhiệt tốt hơn vì crom làm tăng độ ổn định của cacbua và tăng cường khả năng tôi. Do đó, đối với các tiết diện hoặc chi tiết lớn hơn cần nhiệt độ tôi cao hơn, 60CrMnA thường là lựa chọn phù hợp hơn. - Thép 65Mn có thể đạt độ cứng và độ bền kéo rất cao ở các phần nhỏ hơn và tiết kiệm chi phí cho các bộ phận lò xo và chịu mài mòn thông thường khi không yêu cầu tôi cứng các phần cắt ngang lớn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là:

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

Và

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

Giải thích định tính: - Cả 65Mn và 60CrMnA đều có hàm lượng cacbon tương đối cao, làm tăng khả năng hình thành martensite cứng và giòn ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và do đó dẫn đến nứt nguội. - Hàm lượng Cr cao hơn của 60CrMnA và đôi khi là Mn khác nhau làm tăng nhẹ lượng cacbon tương đương, làm tăng nguy cơ cứng hóa HAZ ở các phần dày hơn — nhưng crom cũng làm tăng khả năng tôi cứng nên các biện pháp gia nhiệt trước/sau có thể hiệu quả hơn trong việc ngăn ngừa nứt. - Đối với cả hai loại mối hàn, việc gia nhiệt trước, đầu vào nhiệt thấp, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) thường được yêu cầu cho các mối hàn quan trọng. Việc hàn lò xo thường được tránh trừ khi được thực hiện bằng các quy trình có kinh nghiệm với quá trình ram sau hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 65Mn và 60CrMnA đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều cần được bảo vệ bề mặt khi cần khả năng chống ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ thông thường: mạ kẽm (nhúng nóng hoặc mạ điện), phủ phosphat cộng với sơn, sơn tĩnh điện và bôi dầu để bảo vệ tạm thời.
• Vì crom có ​​trong 60CrMnA nhưng ở hàm lượng thấp không đủ để làm thép không gỉ, nên PREN không áp dụng được để đánh giá khả năng chống ăn mòn. Để tham khảo, công thức PREN cho hợp kim thép không gỉ là:

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

• Việc sử dụng lớp mạ, lớp phủ hy sinh hoặc lớp phủ kỹ thuật là phổ biến đối với cả hai loại khi các thành phần hoạt động trong môi trường ăn mòn.

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

• Khả năng gia công: Hàm lượng cacbon và độ cứng cao hơn làm giảm khả năng gia công. Các thanh thép chưa tôi hoặc đã được chuẩn hóa dễ gia công hơn; xử lý nhiệt sau gia công thường được áp dụng cho các chi tiết đòi hỏi độ cứng cao. Thép 65Mn có thể khó gia công hơn một chút do hàm lượng cacbon và mangan cao hơn khi so sánh với các thép có độ cứng tương đương.
• Khả năng tạo hình/uốn: Cả hai loại thép này đều bị hạn chế khi hàm lượng cacbon cao; chúng thường được tạo hình trong điều kiện ủ hoặc thường hóa. Ép lò xo thường được sử dụng với thép 65Mn ở trạng thái ủ, sau đó là tôi/rau.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều có thể được mài, đánh bóng hoặc tôi bằng ngọn lửa hoặc cảm ứng. Thép chứa crom có ​​thể phản ứng khác nhau với quá trình tôi bề mặt và xử lý bề mặt; việc lựa chọn tùy thuộc vào khả năng tương thích của quy trình.

8. Ứng dụng điển hình

65 triệu	60CrMnA
Lò xo kéo nguội, lò xo lá, lò xo cuộn, các bộ phận chịu mài mòn có độ cứng cao (chốt, ống lót), xích, lưỡi cưa, lưỡi cắt sau khi xử lý nhiệt	Lò xo chịu tải nặng cho các phần lớn hơn, trục, các bộ phận rèn cần tôi luyện, trục chịu lực nặng, khuôn và chốt có độ ổn định tôi luyện được cải thiện, các bộ phận cần độ dẻo dai tốt hơn ở nhiệt độ tôi luyện cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 65Mn khi độ cứng tối đa có thể đạt được và hiệu suất lò xo cổ điển ở các phần nhỏ/trung bình là ưu tiên và nhạy cảm về chi phí cao. - Chọn 60CrMnA khi cần làm cứng toàn bộ tiết diện lớn hơn, độ ổn định và độ dẻo dai khi ram là ưu tiên hàng đầu hoặc khi cần cải thiện tuổi thọ chống mỏi khi ram ở nhiệt độ cao.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 65Mn thường có giá thành thấp hơn vì đây là loại thép có hàm lượng carbon cao đơn giản hơn, không có hợp kim crom cố ý. 60CrMnA có giá cao hơn một chút do hàm lượng crom bổ sung và quá trình xử lý cần thiết để kiểm soát khả năng tôi và phản ứng ram.
• Tính khả dụng: Cả hai đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng thanh, dây lò xo và rèn từ các nhà sản xuất thép khu vực. Dây lò xo 65Mn được tiêu chuẩn hóa cao và có sẵn trên toàn cầu; tính khả dụng của 60CrMnA thay đổi tùy theo khu vực và theo tiêu chuẩn cụ thể - hãy xác nhận chứng nhận nhà máy và biểu mẫu giao hàng với nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (so sánh định tính)

Thuộc tính	65 triệu	60CrMnA
Khả năng hàn	Thấp hơn (C cao) — tránh hoặc sử dụng nhiệt độ trước/sau nghiêm ngặt	Thấp đến trung bình — Cr làm tăng CE; yêu cầu hàn có kiểm soát
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền rất cao, độ dẻo dai được giữ lại thấp hơn ở nhiệt độ cao hơn	Độ bền cao với độ ổn định khi tôi luyện tốt hơn và độ dẻo dai được cải thiện cho các phần lớn hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn 65Mn nếu bạn cần loại thép lò xo có hàm lượng carbon cao, tiết kiệm chi phí cho lò xo có tiết diện từ nhỏ đến trung bình, các bộ phận chịu mài mòn hoặc các thành phần yêu cầu độ cứng rất cao và hình dạng bộ phận cho phép làm nguội nhanh. - Chọn 60CrMnA nếu ứng dụng đòi hỏi khả năng tôi luyện và độ ổn định khi ram tốt hơn (ví dụ, trục lớn hơn, lò xo chịu tải nặng cần ram ở nhiệt độ cao hơn hoặc các bộ phận cần duy trì độ dẻo dai khi ram ở nhiệt độ cao) hoặc khi việc làm cứng toàn bộ ở các phần dày hơn là rất quan trọng.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác minh thành phần chính xác và các yêu cầu về tính chất cơ học trên giấy chứng nhận nhà máy của nhà cung cấp và điều chỉnh các quy trình xử lý nhiệt và chế tạo (làm nóng trước, môi trường làm nguội, lịch trình ram, PWHT) với cấp đã chọn để đạt được hiệu suất sử dụng theo yêu cầu.