65Mn so với SAE1070 – 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 xuyên cân nhắc giữa độ bền, khả năng tôi, khả năng hàn, khả năng gia công và chi phí khi lựa chọn thép cacbon cho các chi tiết chịu lực hoặc chống mài mòn. Hai loại thép cacbon cao thường được so sánh là 65Mn — một loại thép lò xo cacbon cao thường được quy định trong các tiêu chuẩn Đông Á — và SAE 1070 — một loại thép cacbon cao thông thường của Hoa Kỳ / quốc tế thuộc dòng 10xx.

Quyết định lựa chọn giữa chúng thường tập trung vào khả năng tôi cứng và hiệu suất lò xo so với tính đơn giản của hóa học và tính khả dụng tại từng khu vực. Vì hai loại này được quy định theo các công ước quốc gia khác nhau và có các chiến lược hợp kim khác nhau, nên chúng hoạt động khác nhau dưới cùng một trình tự xử lý nhiệt và chế tạo, khiến việc thay thế trực tiếp trở nên không hề đơn giản nếu không có sự điều chỉnh quy trình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 65Mn — Thường xuất hiện trong tiêu chuẩn thép lò xo GB/GB/T của Trung Quốc (thường được tham chiếu đến dây và dải lò xo). Được phân loại là thép lò xo cacbon cao.
• SAE 1070 (AISI 1070) — Một phần của dòng thép cacbon trơn SAE/AISI 10xx. Được phân loại là thép cacbon trơn có hàm lượng cacbon cao.
• Các tiêu chuẩn/ký hiệu có liên quan khác: ASTM/ASME (cho dạng sản phẩm), EN (các tiêu chuẩn tương đương của Châu Âu thường được chỉ định theo tính chất cơ học thay vì thành phần chính xác), JIS (các tiêu chuẩn của Nhật Bản có thể có thép lò xo tương đương) và nhiều thông số kỹ thuật của nhà máy khác nhau.

Phân loại: - 65Mn: Thép lò xo hàm lượng cacbon cao (không hợp kim nhưng được gia cường bằng mangan và silic). - SAE1070: Thép cacbon cao thông thường (không hợp kim).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là các dải thành phần điển hình được cung cấp làm giá trị tham khảo từ các dải thông số kỹ thuật/nhà máy phổ biến. Luôn kiểm tra chứng chỉ thử nghiệm nhà máy để biết thành phần chính xác trước khi thiết kế hoặc tính toán hàn.

Yếu tố	65Mn (phạm vi điển hình)	SAE 1070 (phạm vi điển hình)
C	0,62 – 0,70% khối lượng	0,65 – 0,75% khối lượng
Mn	0,80 – 1,20% khối lượng	0,30 – 0,60% khối lượng
Si	0,15 – 0,40% khối lượng	0,10 – 0,35% khối lượng
P	≤ 0,035% khối lượng	≤ 0,04% khối lượng
S	≤ 0,035% khối lượng	≤ 0,05% khối lượng
Cr	thường theo dõi (≤ 0,25)	thường theo dõi (≤ 0,25)
Ni	thường theo dõi	thường theo dõi
Mo	thường theo dõi	thường theo dõi
V, Nb, Ti, B, N	không được cố ý thêm vào các cấp độ tiêu chuẩn; có thể có mức vết	không được cố ý thêm vào các cấp độ tiêu chuẩn; có thể có mức vết

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon kiểm soát độ cứng và độ bền tối đa có thể đạt được sau khi tôi và ram; cả hai loại đều có hàm lượng carbon cao và do đó có khả năng đạt độ cứng cao. - Mangan làm tăng khả năng tôi cứng và độ bền kéo, đồng thời góp phần tạo nên độ bền cho cấu trúc martensitic sau khi tôi cứng. Hàm lượng Mn cao hơn của 65Mn làm tăng khả năng tôi cứng so với SAE1070. - Silicon là chất khử oxy và giúp tăng độ bền; cả hai loại đều có hàm lượng Si vừa phải. - Các nguyên tố hợp kim và tạp chất (Cr, Mo, V) dù có ở mức thấp cũng ảnh hưởng đến khả năng tôi và phản ứng ram; sự hiện diện của chúng khác nhau tùy theo nhà máy.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình: - Điều kiện ủ: Cả hai loại đều là cấu trúc ferit/perlit với perlit thô nếu làm nguội chậm; tính dẻo và khả năng gia công được tối đa hóa. - Chuẩn hóa: Tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra ma trận perlit mịn hơn; cả hai đều phản ứng tích cực, nhưng 65Mn được hưởng lợi từ tính đồng nhất về độ cứng được cải thiện trong quá trình làm nguội tiếp theo. - Làm nguội và ram: Cả hai đều có thể được làm nguội từ nhiệt độ austenit hóa để tạo thành martensite. Do hàm lượng Mn cao hơn, 65Mn đạt được chuyển biến martensite sâu hơn (khả năng tôi tốt hơn) ở các mặt cắt dày hơn hoặc môi trường tôi chậm hơn so với SAE1070. Sau đó, quá trình ram sẽ điều chỉnh sự cân bằng độ cứng/độ dai. - Gia công nhiệt cơ: Kéo nguội hoặc cán có kiểm soát sau đó xử lý nhiệt thích hợp là phương pháp điển hình đối với dây lò xo (65Mn), tạo ra cấu trúc vi mô martensite hoặc bainit tôi luyện có giới hạn đàn hồi và độ bền mỏi cao.

Ý nghĩa thực tiễn: Đối với các ứng dụng yêu cầu tôi xuyên suốt đồng đều (ví dụ: lò xo tiết diện trung bình, linh kiện có độ bền cao), thép 65Mn thường chịu được tiết diện lớn hơn mà không cần biến dạng hoàn toàn. SAE1070 có thể yêu cầu tốc độ làm nguội nhanh hơn, tiết diện nhỏ hơn hoặc điều chỉnh hợp kim để đạt được độ tôi xuyên suốt tương đương.

4. Tính chất cơ học

Giá trị phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt và kích thước tiết diện; bảng dưới đây cung cấp các phạm vi chức năng điển hình sau các quá trình xử lý nhiệt công nghiệp tiêu biểu (ủ và tôi & ram). Những giá trị này chỉ mang tính chất tham khảo — hãy tham khảo dữ liệu của nhà cung cấp và báo cáo thử nghiệm để biết giá trị thiết kế.

Bất động sản (điển hình)	65Mn (ủ → khoảng QT)	SAE1070 (ủ → phạm vi QT)
Độ bền kéo (MPa)	Ủ: ~550–750 → QT: ~1100–1600	Ủ: ~550–750 → QT: ~900–1200
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	Ủ: ~300–500 → QT: ~800–1400	Ủ: ~300–500 → QT: ~600–1100
Độ giãn dài (%)	Ủ: ~15–25 → QT: ~6–15	Ủ: ~15–25 → QT: ~6–12
Độ bền va đập (Charpy, J)	Biến đổi theo độ cứng: cải thiện khi độ cứng cao hơn; hiệu suất chống mỏi nhìn chung tốt khi được tôi luyện đúng cách	Độ bền gãy thường thấp hơn trong phạm vi độ cứng tương đương; nhạy cảm hơn với kích thước mặt cắt
Độ cứng (HRC/HV)	Ủ: ~150–220 HB → QT: ~40–60 HRC (tùy thuộc vào nhiệt độ)	Ủ: ~150–220 HB → QT: ~35–55 HRC (tùy thuộc vào nhiệt độ)

Giải thích: - Độ bền: Khi được làm cứng và ram cho các ứng dụng lò xo hoặc chống mài mòn, 65Mn thường đạt độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn SAE1070 do khả năng làm cứng và hàm lượng Mn cao hơn. - Độ dẻo dai và độ dai: Việc tôi luyện đúng cách là rất quan trọng. SAE1070 có thể dẻo dai trong điều kiện ủ nhưng đạt độ dẻo dai mặt cắt ngang thấp hơn ở độ cứng cao so với 65Mn có độ cứng tương tự. - Chịu mỏi: 65Mn, được sản xuất dưới dạng dây lò xo hoặc dải lò xo với quy trình xử lý được kiểm soát, thường mang lại khả năng chống mỏi vượt trội cho các ứng dụng tuần hoàn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố thúc đẩy khả năng tôi. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là:

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

• Tham số ngăn ngừa martensite (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: - Hàm lượng Mn và C cao hơn của 65Mn tạo ra $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn SAE1070 trong thành phần điển hình, cho thấy xu hướng hình thành vùng HAZ cứng của martensitic cao hơn và nguy cơ nứt nguội tăng lên nếu hàn mà không nung nóng trước và ram sau khi hàn. - SAE1070, với hàm lượng Mn thấp hơn, có xu hướng dễ hàn hơn, nhưng hàm lượng carbon cao vẫn cần được kiểm soát cẩn thận: lượng nhiệt đầu vào thấp, gia nhiệt trước thích hợp và/hoặc sử dụng vật tư tiêu hao và quy trình để tránh hình thành martensite và nứt hydro. - Đối với cả hai loại, các phương pháp được khuyến nghị bao gồm gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn, điện cực có hàm lượng hydro thấp hoặc kim loại hàn phụ và xử lý nhiệt sau hàn tùy thuộc vào chức năng của linh kiện.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 65Mn và SAE1070 đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại thấp. Sử dụng biện pháp bảo vệ bề mặt phù hợp khi làm việc trong môi trường ăn mòn.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng (đối với tấm/bộ phận có cấu trúc cho phép), mạ điện, lớp phủ chuyển đổi, sơn/lớp phủ bề mặt hoặc bảo vệ catốt cho các cụm lắp ráp.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ áp dụng cho hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Không áp dụng cho các loại thép cacbon cao không phải thép không gỉ này.
• Đối với các bộ phận cũng yêu cầu khả năng chống ăn mòn, hãy cân nhắc các giải pháp thay thế bằng thép không gỉ hoặc lớp phủ bảo vệ; quá trình làm cứng và ram có thể ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ và ứng suất dư, do đó hãy lập kế hoạch xử lý bề mặt cho phù hợp.

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

• Cắt và gia công: SAE1070 nhìn chung có khả năng gia công tốt hơn một chút trong điều kiện ủ tương đương do hàm lượng Mn thấp hơn và cấu trúc vi mô dễ dự đoán hơn. Sau khi tôi cứng, cả hai loại thép đều có tính mài mòn đối với dụng cụ do các pha cứng; có thể cần mài thay vì tiện đối với các chi tiết đã tôi cứng.
• Tạo hình và uốn cong: Ở trạng thái ủ, cả hai đều tạo hình tốt; ở trạng thái tôi, 65Mn khó tạo hình hơn nhiều. Sản xuất lò xo thường sử dụng phương pháp kéo nguội và ram có kiểm soát để đạt được các đặc tính lò xo mong muốn ở 65Mn.
• Những cân nhắc về xử lý nhiệt: 65Mn cần phải làm nguội có kiểm soát (thường là làm nguội bằng dầu đối với lò xo) và các chu trình ram để tránh độ giòn quá mức; SAE1070 có thể cần phải làm nguội nhanh hơn hoặc kiểm soát kích thước mặt cắt để đạt được độ cứng tương đương.

8. Ứng dụng điển hình

65Mn (sử dụng phổ biến)	SAE1070 (sử dụng phổ biến)
Lò xo lá và cuộn hiệu suất cao, các thành phần hệ thống treo	Trục, trục, chốt, trục quay, lò xo đơn giản trong các phần nhỏ
Dây lò xo và dải lò xo, lò xo phẳng chính xác	Thanh rèn và các thành phần gia công đòi hỏi độ cứng cao
Các bộ phận mài mòn, dao, lưỡi cắt ở những nơi cần độ bền và khả năng làm cứng	Lò xo (tiết diện nhỏ), các cạnh cắt nơi hóa học đơn giản hơn đủ
Lưỡi cưa, đục, dụng cụ dập chống giòn (sau khi tôi luyện đúng cách)	Các bộ phận máy không yêu cầu tôi cứng hoặc ưu tiên tính đơn giản của quá trình hàn và gia công

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 65Mn khi yêu cầu chính là khả năng làm cứng vượt trội, hiệu suất lò xo và khả năng chống mỏi, đặc biệt đối với lò xo có tiết diện trung bình đến lớn hoặc khi cần làm cứng xuyên suốt đồng đều. - Chọn SAE1070 khi hóa học đơn giản hơn, khả năng gia công tốt hơn một chút ở trạng thái ủ hoặc tính khả dụng theo khu vực phù hợp với thiết kế và khi các bộ phận mỏng hoặc sẽ được làm nguội trong môi trường nhanh để làm cứng hoàn toàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Tính khả dụng: Thép SAE 10xx có mặt ở nhiều thị trường phương Tây và được cung cấp tại nhiều nhà máy dưới dạng thanh, que và tấm. Thép 65Mn thường được dự trữ tại các khu vực sử dụng tiêu chuẩn Trung Quốc và có sẵn cho dây lò xo, dải lò xo và các sản phẩm lò xo cụ thể.
• Chi phí: Giá vật liệu bị ảnh hưởng bởi sản lượng theo khu vực, quy mô lô, hình dạng (dây, dải, thanh) và hoàn thiện. 65Mn có thể tiết kiệm chi phí cho các sản phẩm lò xo được sản xuất quy mô lớn tại các khu vực sản xuất chính; SAE1070 có thể tiết kiệm chi phí và được tiêu chuẩn hóa rộng rãi ở Bắc Mỹ và Châu Âu.
• Thời gian giao hàng: Các dạng lò xo đặc biệt (dây kéo, dải cứng) 65Mn có thể có thời gian giao hàng lâu hơn nếu không có sẵn tại địa phương; thanh thép SAE1070 thường có sẵn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	65 triệu	SAE1070
Khả năng hàn	Trung bình đến thấp (CE cao hơn, yêu cầu làm nóng trước / PWHT cho các mối hàn quan trọng)	Trung bình (vẫn cần được chăm sóc do nhiệt độ C cao)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ cứng và hiệu suất chịu mỏi cao khi được chế tạo thành lò xo	Tiềm năng chịu lực tốt nhưng khả năng tôi cứng thấp hơn
Chi phí / Khả dụng	Thuận lợi về mặt khu vực trong chuỗi cung ứng sản phẩm mùa xuân; có thể ít có sẵn hơn ở một số thị trường	Có sẵn rộng rãi trên nhiều thị trường; thường có chi phí hậu cần thấp hơn cho thanh kỹ thuật chung

Phần kết luận: - Chọn 65Mn nếu bạn cần thép lò xo có khả năng làm cứng và chịu mỏi vượt trội trên các mặt cắt ngang vừa phải hoặc khi chỉ định dây/dải lò xo thương mại có quy trình xử lý được kiểm soát. - Chọn SAE1070 nếu bạn thích thép cacbon cao thông thường đơn giản hơn cho các bộ phận có tiết diện nhỏ, dễ gia công hơn ở trạng thái ủ hoặc khi tính khả dụng tại địa phương và tiêu chuẩn hóa theo SAE/AISI là lợi thế về mua sắm.

Ghi chú thực tế cuối cùng: - Luôn xác nhận thành phần chính xác và tính chất cơ học từ chứng chỉ thử nghiệm nhà máy trước khi hoàn thiện thiết kế hoặc quy trình hàn. - Đối với các cụm hàn, hãy tính toán lượng cacbon tương đương ($CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$) từ phân tích hóa học thực tế và chỉ định xử lý nhiệt trước và sau khi hàn cho phù hợp. - Đối với các ứng dụng lò xo chịu mỏi chu kỳ cao hoặc quan trọng về an toàn, hãy ưu tiên vật liệu được chỉ định và xử lý như thép lò xo (65Mn hoặc tương đương) với các biện pháp kiểm soát sản xuất đã được chứng minh.