MS1200 so với MS1500 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự đánh đổi giữa độ bền vật liệu và khả năng sản xuất khi chỉ định thép cường độ cao. Các mác thép MS1200 và MS1500 thường được so sánh trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng chịu tải, khả năng chống mài mòn và tối ưu hóa kích thước/trọng lượng — ví dụ, ốc vít, trục, dụng cụ và các bộ phận an toàn chịu lực cao. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc cân bằng giữa khả năng hàn và độ bền với việc đạt được tiết diện nhỏ nhất cho một tải trọng nhất định, hoặc lựa chọn giữa chi phí mua thấp hơn và tuổi thọ sử dụng dài hơn.

Sự khác biệt kỹ thuật chủ yếu giữa hai loại thép này nằm ở độ bền cơ học mục tiêu, cấu trúc vi mô martensitic và khả năng tôi luyện tương ứng cần thiết để đạt được độ bền này. MS1500 được thiết kế để đạt độ bền tối đa cao hơn và khả năng tôi luyện tốt hơn MS1200, điều này ảnh hưởng đến tính chất hóa học, xử lý nhiệt, độ bền và đặc tính chế tạo. Bài viết này so sánh hai loại thép này theo các tiêu chuẩn, tính chất hóa học, cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt, tính chất cơ học, khả năng hàn, khả năng chống ăn mòn, đặc tính chế tạo, ứng dụng, chi phí và khung khuyến nghị cuối cùng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

MS1200 và MS1500 là tên mác thép mang tính chức năng/mô tả, được sử dụng để chỉ thép martensitic cường độ cao hoặc thép tôi và ram có độ bền kéo lần lượt là khoảng 1200 MPa và 1500 MPa. Chúng không phải là các ký hiệu tiêu chuẩn phổ quát như số ASTM AISI; vật liệu được cung cấp dưới những tên gọi này thường là độc quyền hoặc được so sánh với các tiêu chuẩn quốc gia. Các tiêu chuẩn và hệ thống phân loại phổ biến mà người mua và kỹ sư nên tham khảo khi chỉ định các giá trị tương đương bao gồm:

• Họ ASTM/ASME (ví dụ, hợp kim tôi và ram trong ASTM A564/A572/A514 tùy thuộc vào thành phần và phương pháp xử lý)
• EN (ví dụ, họ EN 10083 dành cho thép hợp kim đã tôi và ram, EN 10269 dành cho thép cường độ cao)
• JIS (nhiều loại thép tôi cường độ cao)
• GB (Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc về thép tôi và ram và thép kết cấu cường độ cao)

Phân loại: cả MS1200 và MS1500 đều là thép martensitic/thép tôi và ram cường độ cao (một phân nhóm thép hợp kim/HSLA tùy thuộc vào phương pháp hợp kim hóa vi mô). Chúng không phải là thép không gỉ trừ khi được hợp kim hóa rõ ràng với hàm lượng Cr/Ni cao và được chỉ định là thép không gỉ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng so sánh thực tế, mang tính chỉ dẫn về phạm vi thành phần và chiến lược điển hình. Các phạm vi này chỉ mang tính minh họa; hãy luôn kiểm tra chứng chỉ nhà máy và thông số kỹ thuật của cửa hàng để biết giá trị chính xác.

Yếu tố	MS1200 (điển hình, wt%) — chỉ định	MS1500 (điển hình, wt%) — chỉ định
C	0,18 – 0,30	0,25 – 0,45
Mn	0,30 – 1,20	0,30 – 1,50
Si	0,15 – 0,60	0,15 – 0,60
P	≤ 0,025 (tối đa)	≤ 0,025 (tối đa)
S	≤ 0,010 (tối đa)	≤ 0,010 (tối đa)
Cr	0,30 – 1,50	0,50 – 2,00
Ni	0 – 1,00	0 – 2,00
Mo	0,05 – 0,50	0,10 – 0,80
V	dấu vết–0,20	dấu vết–0,30
Lưu ý	dấu vết (≤0,05)	dấu vết (≤0,05)
Ti	dấu vết (≤0,05)	dấu vết (≤0,05)
B	vết (ppm)	vết (ppm)
N	vết (ppm)	vết (ppm)

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - Carbon: yếu tố chính tạo nên độ cứng và độ bền; hàm lượng carbon cao hơn trong MS1500 làm tăng độ bền kéo nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Mn, Cr, Mo, Ni: tăng khả năng tôi và khả năng chịu nhiệt; thúc đẩy khả năng tôi sâu hơn ở các tiết diện dày hơn. MS1500 thường có hàm lượng hợp kim cao hơn để tạo ra nền martensitic cường độ cao xuyên qua các tiết diện dày hơn. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti, B): cho phép tinh chế hạt, tăng cường kết tủa và kiểm soát độ dẻo dai; được sử dụng để cân bằng độ bền và độ dẻo dai đồng thời giảm thiểu cacbon. - Lưu huỳnh và phốt pho được kiểm soát để duy trì độ dẻo dai và tuổi thọ chịu mỏi.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại đều được thiết kế để tạo ra ma trận martensitic sau khi tôi; martensitic được tôi luyện với sự phân bố cacbua/kết tủa được kiểm soát là mục tiêu để có độ bền và độ dẻo dai cân bằng. - MS1200 thường đạt được đặc tính của nó với gói hợp kim có độ cứng thấp hơn và các chu trình tôi và ram thông thường. Kết quả là martensite ram mịn với các cacbua chuyển tiếp phân tán hoặc kết tủa nano khi được hợp kim hóa vi mô. - MS1500 cần độ cứng cao hơn để sản xuất martensite qua các mặt cắt ngang lớn hơn; do đó, nó có xu hướng có tỷ lệ martensite chưa ram cao hơn trước khi ram và (nếu tôi quá mức) có thể dễ bị austenit giữ lại hoặc martensite giòn hơn nếu quá trình ram không đủ.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: có hiệu quả trong việc tinh chế kích thước hạt austenit trước đó ở cả hai cấp; được sử dụng như một bước chuẩn bị nhưng không đủ để đạt được cường độ mục tiêu. - Làm nguội & ram (Q&T): quy trình tiêu chuẩn cho cả hai phương pháp. MS1500 thường sử dụng mức độ làm nguội cao hơn và ram lâu hơn/có kiểm soát để đạt được độ dẻo dai mong muốn ở cường độ cao. Việc lựa chọn nhiệt độ ram rất quan trọng: nhiệt độ ram cao hơn làm giảm cường độ nhưng cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): chủ yếu được sử dụng trong sản xuất tấm/dải để đạt được cấu trúc vi mô mịn và độ dẻo dai được cải thiện mà không cần quá nhiều cacbon hoặc hợp kim; phổ biến hơn đối với các sản phẩm tương đương MS1200 khi nhấn mạnh vào sự cân bằng.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất điển hình khi sử dụng (mang tính chất tham khảo; xác minh bằng chứng chỉ nhà máy/thử nghiệm):

Tài sản	MS1200 (điển hình)	MS1500 (điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	~1100 – 1300 MPa	~1400 – 1600 MPa
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	~900 – 1100 MPa	~1200 – 1400 MPa
Độ giãn dài (A%)	~8 – 12%	~6 – 10%
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng hoặc theo chỉ định)	Thay đổi rất nhiều: thường ở mức trung bình (20–60 J tùy thuộc vào tính khí)	Thông thường thấp hơn; có thể là 5–30 J tùy thuộc vào độ dày và độ cứng của phần
Độ cứng	~30 – 45 HRC (hoặc 250–450 HB tùy thuộc vào độ cứng)	~42 – 55 HRC (hoặc 380–550 HB)

Giải thích: - Độ bền: MS1500 có độ bền cao hơn theo thiết kế (khoảng +20–30% UTS), đạt được thông qua hàm lượng carbon và hợp kim cao hơn cùng quá trình làm cứng nghiêm ngặt hơn. - Độ dẻo dai và độ dai: MS1200 thường có độ dẻo dai và độ dai vượt trội ở các điều kiện ram tương tự do hàm lượng carbon và hợp kim thấp hơn, đồng thời kiểm soát cấu trúc vi mô tốt hơn. MS1500 đòi hỏi quá trình ram và điều chỉnh hợp kim cẩn thận để duy trì độ dẻo dai chấp nhận được; trong nhiều trường hợp, độ dẻo dai bị hy sinh để đạt được độ bền rất cao. - Hiệu suất chịu mỏi: phụ thuộc vào cấu trúc vi mô, ứng suất dư, độ hoàn thiện bề mặt và xử lý nhiệt. MS1200 thường mang lại sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền mỏi và độ nhạy rãnh, trừ khi MS1500 được tối ưu hóa cụ thể (ví dụ: phun bi, dư lượng bề mặt nén).

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, khả năng tôi và hợp kim vi mô. Các chỉ số phổ biến được sử dụng trong đánh giá định tính bao gồm tương đương cacbon IIW và công thức Pcm:

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

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

Giải thích định tính: - MS1500 thường có giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn do hàm lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim cao hơn; điều này làm tăng nguy cơ hình thành các vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cứng, giòn và nứt. MS1500 thường yêu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, quy trình hàn đầu vào nhiệt thấp và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). - MS1200, với hàm lượng cacbon và hợp kim thấp hơn, dễ hàn hơn nhưng vẫn có thể cần phải nung nóng trước và PWHT đối với các phần dày hơn hoặc các ứng dụng quan trọng để tránh hiện tượng giòn HAZ. - Việc sử dụng kim loại hàn phù hợp hoặc quá phù hợp, tốc độ làm nguội được kiểm soát và quy trình hàn đủ tiêu chuẩn là bắt buộc đối với cả hai trường hợp khi sử dụng trong các ứng dụng quan trọng về an toàn hoặc chu kỳ cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả MS1200 và MS1500 đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với thép cacbon/hợp kim thấp. Các phương pháp bảo vệ bề mặt bao gồm mạ kẽm, sơn, sơn tĩnh điện, mạ điện hoặc ốp chống ăn mòn tùy thuộc vào môi trường sử dụng.
• Các chỉ số liên quan đến thép không gỉ như PREN không được áp dụng trừ khi một loại thép được hợp kim hóa đặc biệt và được chứng nhận là thép không gỉ. Để đầy đủ, PREN được tính như sau:

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

và chỉ áp dụng cho thép không gỉ austenit/duplex — không áp dụng cho thép martensitic đã tôi và ram như MS1200/MS1500 trừ khi được pha chế đặc biệt.

• Đối với điều kiện mài mòn hoặc ăn mòn, hãy cân nhắc việc làm cứng bề mặt (thấm nitơ, thấm cacbon), làm cứng bề mặt hoặc phủ lớp chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công: MS1500 cứng hơn và dễ mài mòn hơn khi cắt; dụng cụ phải chắc chắn hơn (ví dụ: dụng cụ carbide/PCD/CBN), tốc độ thấp hơn, độ cứng cao hơn và kiểm soát phoi cẩn thận. MS1200 dễ gia công hơn nhưng vẫn yêu cầu dụng cụ cứng và các thông số được tối ưu hóa so với thép cacbon thấp.
• Khả năng tạo hình và uốn cong: MS1200 có khả năng tạo hình nguội tốt hơn; MS1500 có độ dẻo kém hơn và cần bán kính uốn lớn hơn, đôi khi phải tạo hình ấm hoặc xử lý nhiệt trước và sau để tránh nứt.
• Mài, EDM và hoàn thiện: MS1500 có yêu cầu cao hơn về đánh bóng và mài do độ cứng cao hơn; EDM thường được sử dụng cho công việc gia công khuôn mẫu trên MS1500.
• Tạo ren và định hình nguội các chi tiết cố định: MS1200 thường được sử dụng khi cần có khả năng tạo ren; chi tiết cố định MS1500 thường được rèn và làm nguội/rau với quy trình kiểm soát cẩn thận.

8. Ứng dụng điển hình

MS1200 — Công dụng điển hình	MS1500 — Công dụng điển hình
Các bộ phận kết cấu có độ bền cao, yêu cầu độ dẻo dai và một số độ linh hoạt (trục, thanh ngang)	Các thành phần có độ bền cực cao trong đó tiết diện tối thiểu là rất quan trọng (bu lông an toàn, ốc vít chuyên dụng, miếng chèn giáp)
Bu lông cường độ cao và ốc vít định hình nguội chịu lực trung bình	Khuôn dập nguội, đột dập và các bộ phận chịu mài mòn đòi hỏi độ cứng rất cao
Thanh piston thủy lực, chốt và trục cần có tuổi thọ chịu mỏi tốt	Đầu nối chịu tải cao, biến dạng thấp và chốt chịu ứng suất cao trong khai thác mỏ/quốc phòng
Các thành phần ô tô đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền và khả năng sản xuất	Lò xo và linh kiện đặc biệt đòi hỏi độ bền tĩnh rất cao (thường có xử lý bề mặt)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn MS1200 cho các ứng dụng cần cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và chi phí chế tạo và có thể sử dụng độ dày tiết diện vừa phải. - Chọn MS1500 khi cần giảm thiểu diện tích mặt cắt ngang hoặc tối đa hóa khả năng chịu tải và khi các biện pháp bổ sung về độ bền và chế tạo được chấp nhận.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: MS1500 thường đắt hơn tính theo kg do hàm lượng hợp kim cao hơn, quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và sản lượng thấp hơn. Hoàn thiện bề mặt, xử lý nhiệt đặc biệt và kiểm tra bổ sung làm tăng tổng chi phí vòng đời.
• Tính khả dụng: Vật liệu tương đương MS1200 thường được lưu kho dưới dạng thanh, tấm và rèn từ nhiều nhà cung cấp. Vật liệu kiểu MS1500 thường được sản xuất theo đơn đặt hàng, có sẵn ở một số dạng sản phẩm hạn chế (thanh, rèn đặc biệt, tấm nhỏ) và thời gian giao hàng có thể lâu hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	MS1200	MS1500
Khả năng hàn	Tốt–Trung bình (dễ hàn hơn MS1500)	Thách thức (kiểm soát quy trình và làm nóng trước/PWHT cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt; dễ dàng đạt được độ dẻo dai chấp nhận được	Độ bền rất cao; độ dẻo dai thường thấp hơn trừ khi được xử lý đặc biệt
Chi phí và tính khả dụng	Chi phí thấp hơn; khả năng tiếp cận rộng rãi hơn	Chi phí cao hơn; khả năng cung cấp hạn chế hơn

Kết luận và khuyến nghị thực tế: - Hãy chọn MS1200 nếu bạn cần vật liệu có độ bền cao, cân bằng hợp lý giữa độ dẻo dai, khả năng hàn và tổng chi phí thấp. MS1200 là lựa chọn mặc định tốt cho các thành phần kết cấu, ốc vít cường độ cao thông dụng và các bộ phận cần độ dẻo dai và dễ chế tạo hơn. - Chọn MS1500 nếu ứng dụng yêu cầu độ bền tĩnh cao nhất có thể hoặc tiết diện cắt tối thiểu và bạn có thể đáp ứng các quy trình chế tạo nghiêm ngặt hơn (gia nhiệt trước/PWHT), chi phí vật liệu cao hơn và tính khả dụng hạn chế. MS1500 phù hợp với các đầu nối chuyên dụng chịu tải nặng, phần cứng an ninh và các linh kiện mà yếu tố thiết kế chính là thay thế trọng lượng bằng độ bền.

Luôn kiểm tra chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp, ghi rõ độ bền và quy trình hàn cần thiết trong tài liệu mua hàng, đồng thời ghi rõ quy trình xử lý nhiệt và xử lý nhiệt sau hàn theo yêu cầu của quy chuẩn thiết kế và điều kiện vận hành. Việc lựa chọn vật liệu nên được xác nhận bằng thử nghiệm cấp độ chi tiết (thử nghiệm cơ học, thử nghiệm va đập ở nhiệt độ vận hành, thử nghiệm mỏi nếu có) và tham khảo ý kiến ​​chuyên gia luyện kim và hàn cho các ứng dụng quan trọng.