65Mn so với SUP9 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, người mua và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với một tình huống khó xử chung khi lựa chọn thép lò xo và thép dây/thanh cường độ cao: ưu tiên chi phí vật liệu thấp nhất và khả năng cung cấp trong nước, hay chỉ định một loại thép có kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn và quy trình xử lý nhất quán theo một tiêu chuẩn quốc gia cụ thể? Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn giữa các loại thép lò xo cacbon tương đương cho các bộ phận treo, lựa chọn thanh thép cho lò xo cán nguội, và quyết định loại thép nào sẽ chỉ định cho các bộ phận thay thế trên khắp chuỗi cung ứng quốc tế.

65Mn và SUP9 đều là thép lò xo cacbon cao, được sử dụng rộng rãi cho lò xo, dây và các thành phần chịu nhiệt độ cao khác. Sự khác biệt cơ bản giữa chúng không nằm ở các lớp hợp kim khác nhau hoàn toàn mà nằm ở nguồn gốc và thông số kỹ thuật: một loại là tên gọi thép lò xo cacbon cao được sử dụng rộng rãi của Trung Quốc, trong khi loại còn lại là tên gọi tiêu chuẩn của Nhật Bản với thành phần hóa học và phạm vi ứng dụng tương đương. Điều này dẫn đến những khác biệt tinh tế về giới hạn thành phần được chỉ định, kiểm soát chất lượng và thực hành chuỗi cung ứng, vốn ảnh hưởng đến khâu mua sắm, xử lý nhiệt và kiểm soát sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 65 triệu
• Tiêu chuẩn điển hình: Tiêu chuẩn GB/T (Trung Quốc) dành cho thép lò xo (ví dụ: 65Mn theo tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc).

• Phân loại: Thép lò xo cacbon cao (thép cacbon, dùng để làm lò xo và dây thép đã tôi và ram).

• SUP9

• Tiêu chuẩn điển hình: Tiêu chuẩn thép lò xo JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản) (thường được gọi là SUP9 trong họ thông số kỹ thuật JIS).
• Phân loại: Thép lò xo có hàm lượng cacbon cao (thép cacbon dùng cho lò xo và các bộ phận tương tự).

Các điểm tham chiếu quốc tế liên quan khác thường được sử dụng cho vạch qua đường: - Tương đương EN/AISI: 65Mn và SUP9 thuộc cùng một họ chung với thép loại EN 1.1231/CK67 hoặc AISI 1065 về mặt ứng dụng (thép lò xo có hàm lượng cacbon cao), mặc dù giới hạn hóa học chính xác và các yêu cầu cơ học khác nhau tùy theo tiêu chuẩn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các phạm vi thành phần đại diện cho các nguyên tố chính. Các phạm vi này mang tính minh họa, cho thấy cách thức hai loại được xây dựng; thông số kỹ thuật thực tế của dự án phải tham chiếu đến tiêu chuẩn kiểm soát hoặc chứng chỉ thử nghiệm nhà máy để biết giới hạn chính xác.

Yếu tố	Điển hình 65Mn (phạm vi đại diện)	SUP9 điển hình (phạm vi đại diện)
C (Cacbon)	0,62–0,70%	0,60–0,70%
Mn (Mangan)	0,70–1,00%	0,60–1,00%
Si (Silic)	0,15–0,35%	0,15–0,35%
P (Phốt pho)	≤0,035% (tối đa)	≤0,035% (tối đa)
S (Lưu huỳnh)	≤0,035% (tối đa)	≤0,035% (tối đa)
Cr (Crom)	thường là dấu vết/không có (≤0,25% nếu có)	thường có dấu vết/không có
Ni (Niken)	thường không đáng kể	thường không đáng kể
Mo (Molypden)	thường không đáng kể	thường không đáng kể
V, Nb, Ti, B, N	thường không được thêm vào một cách có chủ ý; hiếm khi thấy hợp kim vi mô	có thể kiểm soát tạp chất chặt chẽ hơn; việc bổ sung hợp kim siêu nhỏ không phổ biến

Ghi chú: - Cả hai loại thép này về cơ bản đều là thép có hàm lượng cacbon cao, trong đó cacbon và mangan là nguyên tố hợp kim chính tạo nên độ bền và khả năng làm cứng. - Hóa học của SUP9 và 65Mn chồng chéo mạnh; sự khác biệt thường nằm ở giới hạn trên/dưới được phép, kiểm soát tạp chất (P, S) và đôi khi ở dải dung sai silic hoặc mangan. - Cả hai loại đều không phải là thép dụng cụ không gỉ hoặc hợp kim — khả năng chống ăn mòn là tối thiểu nếu không có lớp phủ bảo vệ.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon: tăng khả năng làm cứng và độ bền tối đa có thể đạt được nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo ở phần trăm cao hơn. - Mangan: tăng độ cứng và độ bền kéo, giảm độ giòn do lưu huỳnh gây ra; nó cũng hỗ trợ quá trình tôi luyện. - Silic: lượng bổ sung nhỏ làm tăng độ bền và độ đàn hồi của lò xo; lượng Si quá nhiều làm giảm độ dẻo và có thể ảnh hưởng đến bề mặt hoàn thiện. - Hợp kim hoặc tạp chất (P, S) ảnh hưởng chủ yếu đến độ dẻo dai và khả năng gia công; kiểm soát chặt chẽ hơn sẽ cải thiện tuổi thọ chịu mỏi và tính nhất quán.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình:

• Đã cuộn / chuẩn hóa:
• Cả hai loại thép ở trạng thái thường hóa thường có cấu trúc vi mô ferit-pearlit. Quá trình thường hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện khả năng gia công và độ dẻo dai trước khi xử lý nhiệt cuối cùng.
• Đã tôi (từ nhiệt độ austenit hóa) và ram:
• Sau khi tôi, hàm lượng cacbon cao thúc đẩy quá trình chuyển đổi martensitic. Quá trình tôi làm giảm độ cứng và cải thiện độ dẻo dai để đáp ứng các thông số lò xo cụ thể của từng ứng dụng.
• Lộ trình xử lý thông thường: austenit hóa → làm nguội bằng dầu hoặc nước (tùy thuộc vào kích thước mặt cắt và khả năng làm cứng cần thiết) → ram đến độ cứng hoặc đặc tính kéo mục tiêu.
• Xử lý nhiệt cơ:
• Cán có kiểm soát hoặc làm nguội có kiểm soát có thể tinh chỉnh cấu trúc vi mô và cải thiện độ bền cho các thành phần quan trọng. Vật liệu theo tiêu chuẩn JIS (SUP9) có thể được sản xuất với quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn trong một số chuỗi cung ứng, mang lại độ sạch và hình thái tạp chất được cải thiện đôi chút.

Điểm so sánh: - Cả hai loại đều tạo thành các cấu trúc vi mô martensitic tương tự nhau khi được xử lý để ứng dụng cho lò xo; sự khác biệt về phản ứng chủ yếu được điều chỉnh bởi hàm lượng cacbon và mangan chính xác và độ sạch (hàm lượng tạp chất phi kim loại). - SUP9, khi được sản xuất theo thông số kỹ thuật của Nhật Bản, có thể thể hiện cấu trúc vi mô đồng nhất hơn một chút giữa các lô do quy trình và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt hơn ở nhiều nhà cung cấp.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt (môi trường tôi, nhiệt độ austenit hóa, nhiệt độ/thời gian ram) và kích thước tiết diện. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi nhiệt độ sau khi tôi và ram điển hình được sử dụng để hướng dẫn thiết kế; bảng này chỉ mang tính chất minh họa.

Tính chất (điển hình, dập tắt & tôi luyện)	65 triệu (đại diện)	SUP9 (đại diện)
Độ bền kéo (UTS)	~800–1400 MPa (tùy thuộc vào tính chất)	~800–1400 MPa (phạm vi tương tự)
Sức chịu lực	~600–1100 MPa (tùy thuộc vào nhiệt độ)	~600–1100 MPa
Độ giãn dài (A%)	6–15% (tính khí thay đổi)	6–15%
Độ bền va đập (Charpy, theo quy định)	Trung bình; tăng khi nhiệt độ tăng cao	Có thể so sánh được; thường nhất quán hơn một chút nếu độ sạch của vật liệu được kiểm soát
Độ cứng (HRC / HB)	HRC ~40–60 (hoặc HB 300–650) tùy thuộc vào nhiệt độ	Phạm vi tương tự; mục tiêu được kiểm soát theo thông số kỹ thuật

Giải thích: - Cả hai loại đều đạt được độ bền và độ cứng tương đương khi trải qua quá trình xử lý nhiệt tương đương vì tính chất hóa học của chúng tương tự nhau. - Những khác biệt nhỏ về thành phần và sản xuất có thể dẫn đến sự khác biệt về khả năng tái tạo các đặc tính, tuổi thọ chịu mỏi và độ dẻo dai ở một độ cứng nhất định. Đối với các lò xo chịu mỏi nghiêm trọng hoặc an toàn tính mạng, việc kiểm soát chặt chẽ hơn thường đi kèm với chứng nhận nhà máy SUP9 có thể là điều mong muốn. - Độ dẻo và độ bền va đập được xác định chủ yếu thông qua quá trình tôi luyện; tôi luyện càng cao thì độ cứng càng thấp nhưng độ bền lại tăng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép lò xo có hàm lượng cacbon cao bị giới hạn bởi hàm lượng cacbon và khả năng tôi luyện. Những cân nhắc chính: - Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng nguy cơ hình thành martensite cứng, giòn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) và làm tăng khả năng nứt nguội. - Mangan và các nguyên tố hợp kim khác ảnh hưởng đến khả năng tôi luyện và tính chất HAZ.

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích (không thay thế số ở đây — diễn giải theo hướng định tính): - Carbon tương đương (dạng IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $CE_{IIW}$ cao hơn cho thấy nguy cơ nứt và cứng vùng HAZ của mối hàn cao hơn; cả hai loại này thường tạo ra giá trị CE tương đối cao do hàm lượng carbon của chúng. - Pcm (thông số khả năng hàn của thép): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - $P_{cm}$ cao hơn ngụ ý yêu cầu xử lý trước và sau khi hàn cao hơn.

Hướng dẫn thực tế: - Xử lý nhiệt trước và sau hàn (PWHT) thường được yêu cầu khi hàn các loại thép này để tránh nứt. - Đối với các thành phần quan trọng, thường được khuyến cáo tránh hàn hoàn toàn (hoặc sử dụng mối nối cơ học). - Cả 65Mn và SUP9 đều có khả năng hàn hạn chế; SUP9 có thể có khả năng hàn tốt hơn một chút hoặc có thể dự đoán được hơn nếu nhà cung cấp cung cấp vật liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp, phốt pho thấp và kiểm soát Mn/Si nhất quán.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 65Mn và SUP9 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn ở trạng thái thô là rất thấp.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ điện cho các bộ phận cần bảo vệ chống ăn mòn, lưu ý rằng mạ kẽm có thể ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học và hiệu suất chịu mỏi nếu không được chỉ định chính xác.
• Sơn, sơn bột hoặc sơn hữu cơ để bảo vệ môi trường.
• Phosphat hóa và tra dầu cho dây và lò xo để giảm ma sát và ăn mòn ban đầu.
• PREN (Chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Nếu cần khả năng chống ăn mòn ở cấp độ thép không gỉ, hãy chỉ định loại thép không gỉ phù hợp và sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

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 khi chưa ram hoặc tôi. Gia công tốt nhất nên được thực hiện ở trạng thái ủ (hoặc thường hóa).
• Tuổi thọ của dụng cụ bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon và hình thái tạp chất; thép sạch hơn (thường liên quan đến thép SUP9 cao cấp) có thể mang lại khả năng gia công và độ hoàn thiện bề mặt được cải thiện đôi chút.
• Tạo hình và uốn nguội:
• Đối với các thao tác tạo hình, hãy thực hiện tạo hình nguội trong điều kiện ủ mềm nếu có thể. Việc dự đoán độ đàn hồi là cần thiết do cường độ chảy cao ở trạng thái tôi cuối cùng.
• Những cân nhắc về xử lý nhiệt:
• Kiểm soát kích thước thông qua quá trình tôi và ram cần đến các thiết bị gá/đồ gá cho hình dạng phức tạp. Các nhà cung cấp SUP9 có thể cung cấp dải đặc tính hẹp hơn giúp giảm thiểu việc gia công lại.
• Bề mặt hoàn thiện:
• Tình trạng khử cacbon, cặn bẩn và bề mặt gồ ghề có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ chịu mỏi. Vui lòng ghi rõ tình trạng bề mặt khi mua hàng (ví dụ: ngâm, kéo sáng, ngâm và bôi dầu).

8. Ứng dụng điển hình

65Mn (sử dụng phổ biến)	SUP9 (sử dụng phổ biến)
Lò xo treo ô tô, lò xo lá và lò xo cuộn nhỏ	Lò xo cuộn chính xác và các thành phần treo đòi hỏi kiểm soát thông số kỹ thuật chặt chẽ hơn
Các lựa chọn thay thế cho dây cường độ cao và dây nhạc	Lò xo chịu mỏi chu kỳ cao dành cho OEM Nhật Bản và các cụm lắp ráp chính xác
Suối nông nghiệp và công nghiệp	Linh kiện thay thế cho thiết bị theo tiêu chuẩn JIS và linh kiện xuất khẩu yêu cầu chứng nhận JIS
Kẹp, chốt và các thành phần nhỏ dễ bị mài mòn sau khi xử lý nhiệt thích hợp	Các dạng dây chính xác và các thành phần nhỏ có khả năng truy xuất nguồn gốc chất lượng nghiêm ngặt

Cơ sở lựa chọn: - Lựa chọn dựa trên mức tải, chu kỳ mỏi dự kiến ​​và liệu chuỗi sản xuất có yêu cầu khả năng truy xuất nguồn gốc JIS (SUP9) hay GB (65Mn) hay không. - Đối với các ứng dụng trong nước có khối lượng lớn và nhạy cảm về giá, 65Mn là lựa chọn phổ biến. - Đối với các ứng dụng đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ hơn các đặc tính cơ học và khả năng tái tạo theo từng lô (hoặc khi cần tài liệu JIS), SUP9 thường được ưu tiên.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• 65Mn được sản xuất rộng rãi ở Trung Quốc và thường có giá cạnh tranh trên thị trường trong nước và khu vực.
• SUP9, với tư cách là một chỉ định của JIS, có thể có giá cao hơn ở những thị trường yêu cầu chứng nhận JIS và khả năng truy xuất nguồn gốc nhà cung cấp; chi phí nhập khẩu có thể làm tăng giá giao hàng.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Các dạng thanh, dây và dây lò xo thường có sẵn cho cả hai loại, nhưng hình dạng, trạng thái ủ và các tùy chọn chứng nhận sẽ khác nhau tùy theo nhà máy.
• Thời gian hoàn thành và số lượng đặt hàng tối thiểu có thể khác nhau; việc lập kế hoạch tồn kho tại địa phương cần tính đến chứng nhận bắt buộc (MTC), số lượng nhiệt và thử nghiệm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	65 triệu	SUP9
Khả năng hàn	Hạn chế (nhiều carbon)	Hạn chế (nhiều carbon); khả năng dự đoán tương tự nhưng có thể tốt hơn với hóa học được kiểm soát
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao sau HT; độ dẻo dai phụ thuộc vào nhiệt độ	Độ bền tương đương; độ bền thường ổn định hơn một chút đối với các nhà cung cấp có thông số kỹ thuật chặt chẽ
Trị giá	Thông thường thấp hơn ở những khu vực có nguồn cung GB mạnh	Thông thường cao hơn khi cần truy xuất nguồn gốc JIS hoặc nhập khẩu

Khuyến nghị cuối cùng: - Chọn 65Mn nếu: - Bạn cần một loại thép lò xo có hàm lượng carbon cao, phổ biến và tiết kiệm chi phí cho các lò xo, kẹp và linh kiện đa năng, trong đó thông số kỹ thuật GB/T được chấp nhận. - Ứng dụng này có thể chấp nhận một số thay đổi về độ dẻo dai và nguồn cung cấp là tại địa phương có quy trình xử lý nhiệt đã biết.

• Chọn SUP9 nếu:
• Bạn cần khả năng truy xuất nguồn gốc theo tiêu chuẩn JIS, kiểm soát hóa chất và in ấn chặt chẽ hơn hoặc tính chất nhất quán hơn theo từng lô đối với lò xo chịu mỏi chu kỳ cao và các thành phần chính xác.
• Dự án hoặc hợp đồng OEM chỉ định các ký hiệu vật liệu JIS hoặc khi nào việc kiểm soát nhà máy/quy trình và tài liệu được cải thiện là quan trọng ngay cả khi chi phí cao hơn một chút.

Lời kết: 65Mn và SUP9 thuộc cùng một họ thép lò xo cacbon cao và thường được coi là tài liệu tham khảo chéo cho thiết kế và mua sắm. Sự khác biệt thực tế hiếm khi nằm ở kỹ thuật luyện kim cơ bản mà nằm ở giới hạn thông số kỹ thuật, kiểm soát tạp chất và hệ thống chất lượng của nhà cung cấp. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy yêu cầu chứng chỉ kiểm tra nhà máy, chỉ định các thông số xử lý nhiệt và xem xét các cuộc kiểm toán hoặc thử nghiệm của nhà cung cấp (mỏi, va đập) để xác nhận vật liệu đã chọn cho mục đích sử dụng dự kiến.