SUP9 so với 60Si2Mn – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SUP9 và 60Si2Mn là hai loại thép hợp kim carbon thường xuất hiện trong các quyết định thiết kế và mua sắm đòi hỏi độ bền cao, khả năng chống mài mòn và tuổi thọ chịu mỏi. Các kỹ sư thường cân nhắc các yếu tố đánh đổi như khả năng tôi và khả năng chống mài mòn so với khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn giữa các loại thép này cho các bộ phận như lò xo, bánh răng, chốt và chi tiết chịu mài mòn.

Sự khác biệt chính giữa hai loại này nằm ở chiến lược hợp kim hóa và phạm vi ứng dụng dự kiến: một loại được thiết kế để có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn nhờ bổ sung crom và các hợp kim khác, trong khi loại còn lại được tối ưu hóa thành thép lò xo silicon-mangan cho giới hạn đàn hồi cao và khả năng chống mỏi. Sự khác biệt này thúc đẩy các lựa chọn về xử lý nhiệt, chế tạo và không gian ứng dụng phù hợp.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung và hệ thống chỉ định nơi có thể tìm thấy các cấp độ tương đương:
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản)
• GB/T (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc)
• EN (Tiêu chuẩn Châu Âu) và ISO
• ASTM/ASME (chủ yếu dành cho thực hành của Hoa Kỳ, các cấp độ tương đương)
• Phân loại:
• SUP9: được mô tả tốt nhất là thép hợp kim crom có ​​hàm lượng carbon cao (được sử dụng cho các bộ phận cần khả năng làm cứng và chống mài mòn tốt hơn).
• 60Si2Mn: thép lò xo silicon-mangan có hàm lượng carbon trung bình đến cao (được thiết kế cho lò xo và các bộ phận yêu cầu giới hạn đàn hồi và độ bền mỏi cao).

Lưu ý: Thành phần hóa học chính xác và tên gọi thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp. Luôn tham khảo bảng tiêu chuẩn cụ thể (JIS/GB/EN/ASTM) hoặc giấy chứng nhận nhà máy để được chấp nhận mua hàng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng so sánh định tính các nguyên tố hợp kim phổ biến và vai trò của chúng đối với từng loại. Các giá trị được hiển thị theo định tính (Cao / Trung bình / Thấp / Vết / Không điển hình) vì tỷ lệ phần trăm chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn hoặc nhà sản xuất.

Yếu tố	SUP9 (định tính)	60Si2Mn (định tính)
C (cacbon)	Cao (để tăng độ cứng và độ bền)	Cao (thép lò xo; tăng độ bền và độ đàn hồi)
Mn (mangan)	Trung bình (khử oxy, độ cứng)	Trung bình-Cao (độ bền, khả năng làm cứng, độ dẻo dai)
Si (silicon)	Thấp–Trung bình (khử oxy, cường độ)	Cao (cần thiết cho tính chất mùa xuân)
P (phốt pho)	Dấu vết (tạp chất được kiểm soát)	Dấu vết (tạp chất được kiểm soát)
S (lưu huỳnh)	Dấu vết (thường thấp để tăng độ dẻo dai)	Dấu vết (thường thấp do mệt mỏi)
Cr (crom)	Trung bình (độ cứng, khả năng chống mài mòn)	Thấp–Không điển hình
Ni (niken)	Không điển hình (trừ khi cấp độ được sửa đổi)	Không điển hình
Mo (molypden)	Có thể có dấu vết/thấp (phản ứng cứng lại)	Không điển hình
V (vanadi)	Dấu vết có thể có (tinh chế hạt)	Không điển hình
Nb/Ti (hợp kim vi mô)	Hiếm/Vết (để kiểm soát hạt nếu có)	Hiếm/Dấu vết
B (bo)	Dấu vết (đôi khi được sử dụng để tăng khả năng làm cứng)	Không điển hình
N (nitơ)	Được kiểm soát (nếu có)	Được kiểm soát (nếu có)

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon là nguyên tố làm cứng chính cho cả hai loại; hàm lượng carbon cao hơn sẽ làm tăng độ cứng và độ bền nhưng sẽ làm giảm khả năng hàn và độ dẻo nếu không được tôi luyện. - Silic và mangan trong 60Si2Mn được sử dụng để tạo ra giới hạn đàn hồi cao và khả năng chống mỏi cần thiết cho lò xo và các bộ phận có chu kỳ cao. - Crom trong SUP9 làm tăng khả năng làm cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng làm cứng thứ cấp, khiến nó phù hợp với các phần và bộ phận được làm cứng sâu hơn dễ bị mài mòn. - Các nguyên tố hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti) khi có mặt sẽ làm mịn kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng xử lý nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý:

• SUP9:
• Cán: ferit–perlit với thể tích perlit phụ thuộc vào hàm lượng cacbon.
• Làm nguội và ram: có khả năng tạo ra martensite ram với các cacbua mịn (các cacbua giàu Cr nếu có Cr), tạo ra độ cứng cao và khả năng chống mài mòn.
• Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô; hữu ích trước khi làm nguội cuối cùng đối với các phần lớn hơn.

• Phản hồi: crom và bất kỳ hợp kim vi mô nào cũng làm tăng khả năng tôi cứng và khả năng chống ram (duy trì độ cứng ở nhiệt độ ram cao).

• 60Si2Mn:

• Khi cán: ferit–pearlit hoặc bainit tùy thuộc vào quá trình làm nguội.
• Làm nguội & ram (hoặc làm nguội bằng dầu): tạo ra martensite ram được tối ưu hóa cho quá trình ram lò xo—độ bền kéo cao trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai hợp lý và tuổi thọ chịu mỏi.
• Phun bi hoặc các phương pháp xử lý bề mặt khác thường được sử dụng để cải thiện hiệu suất chịu mỏi.
• Phản hồi: hàm lượng silic cao hỗ trợ quá trình tôi luyện giúp duy trì tính chất đàn hồi; Mn cải thiện khả năng tôi luyện và độ dẻo dai.

Quá trình xử lý nhiệt cơ (cán có kiểm soát) có thể tăng cường độ dẻo dai và tuổi thọ chịu mỏi cho cả hai loại bằng cách tạo ra các cấu trúc hạt mịn.

4. Tính chất cơ học

Vì các tính chất cơ học thực tế phụ thuộc vào kích thước mặt cắt và xử lý nhiệt nên bảng dưới đây cung cấp xếp hạng so sánh định tính trong điều kiện xử lý nhiệt thông thường.

Tài sản	SUP9 (HT điển hình)	60Si2Mn (HT điển hình)
Độ bền kéo	Cao	Rất cao (thép lò xo được tối ưu hóa)
Cường độ chịu kéo	Cao	Rất cao (năng suất cao cho vụ xuân)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Vừa phải	Thấp-Trung bình (tùy thuộc vào tính khí)
Độ bền va đập	Trung bình–Tốt (có tính khí đúng đắn)	Vừa phải (có thể thấp hơn nếu quá nóng)
Độ cứng (HRC/HV)	Có thể đạt được mức cao (tùy thuộc vào quá trình làm nguội và tôi luyện)	Có thể đạt được mức cao (nhắm mục tiêu vào phạm vi độ cứng của lò xo)

Giải thích: - 60Si2Mn thường đạt được độ bền kéo cao hơn do yêu cầu về lò xo, mang lại khả năng phục hồi và khả năng chịu mỏi cao. - SUP9 thường mang lại sự cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai; hàm lượng crom trong nó giúp tăng cường khả năng duy trì độ cứng sau khi tôi luyện. - Độ dẻo dai và độ dai phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tôi luyện: tôi luyện quá mức làm giảm độ bền nhưng cải thiện độ dẻo.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của cả hai loại thép phải được đánh giá dựa trên hàm lượng cacbon, khả năng tôi cứng tổng thể và hợp kim vi mô.

Chỉ số hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức Pcm (để dự đoán khả năng nứt nguội):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Đánh giá định tính: - SUP9: hàm lượng crom cao hơn và có thể cả các hợp kim khác làm tăng $CE$ và $P_{cm}$ so với thép cacbon thông thường, làm giảm khả năng hàn nếu không có quy trình gia nhiệt trước và kiểm soát. Việc gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và ram sau khi hàn thường được yêu cầu để tránh nứt do hydro và martensite giòn trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). - 60Si2Mn: hàm lượng cacbon và silic mangan cao cũng làm tăng $CE$ và $P_{cm}$; thép lò xo thường được coi là khó hàn. Việc hàn thường được tránh đối với các bộ phận lò xo quan trọng; nếu cần hàn, cần phải gia nhiệt sơ bộ nghiêm ngặt, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và xử lý nhiệt sau hàn.

Khuyến nghị: Đối với cả hai loại thép, hãy tham khảo $CE$ và $P_{cm}$ của nhiệt dung riêng và tuân thủ các thông số kỹ thuật quy trình hàn do kỹ sư hàn soạn thảo. Khi nghi ngờ, hãy thiết kế để tránh các mối hàn ở những khu vực chịu ứng suất cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SUP9 và 60Si2Mn đều là thép hợp kim cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và cần được bảo vệ trong hầu hết các môi trường.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ chống ăn mòn trong khí quyển.
• Sơn, sơn phủ dạng bột hoặc lớp phủ chuyển đổi (phosphat hóa) để bảo vệ ở mức độ vừa phải.
• Mạ cục bộ (niken, crom) hoặc làm cứng bề mặt bằng lớp hy sinh cho các ứng dụng kết hợp chống mài mòn và ăn mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này chỉ áp dụng cho thép không gỉ và không liên quan đến SUP9 hoặc 60Si2Mn.

Khi phải kết hợp khả năng chống ăn mòn và hiệu suất cơ học, hãy chọn các phương án thay thế bằng thép không gỉ/HSLA hoặc chỉ định phương pháp xử lý bề mặt mạnh mẽ.

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

• Khả năng gia công:
• Điều kiện cán hoặc ủ: cả hai đều có thể gia công bằng dụng cụ tiêu chuẩn, nhưng hàm lượng cacbon và hợp kim cao làm giảm khả năng gia công so với thép cacbon thấp.
• Sau khi tôi cứng: gia công trở nên khó khăn; mài và EDM thường được sử dụng để hoàn thiện các bộ phận đã tôi cứng.
• Khả năng định hình:
• 60Si2Mn trong điều kiện ủ có hình dạng và độ cứng tốt; sau khi làm cứng/tạo hình, nó có đặc tính đàn hồi.
• SUP9 có thể cần phải tạo hình cẩn thận do hàm lượng hợp kim cao hơn; nên tạo hình ấm hoặc tạo hình trong điều kiện mềm hơn.
• Cần phải xem xét đến nguy cơ nứt và biến dạng do xử lý nhiệt; phương pháp làm nguội có kiểm soát và đồ gá có thể giảm thiểu biến dạng.
• Hoàn thiện bề mặt: bề mặt cứng được hoàn thiện tốt nhất bằng cách mài; xử lý thấm nitơ hoặc thấm cacbon làm thay đổi chiến lược gia công bề mặt.

8. Ứng dụng điển hình

SUP9 – Công dụng điển hình	60Si2Mn – Ứng dụng điển hình
Các bộ phận chịu mài mòn, chốt, trục, con lăn cần có khả năng chống mài mòn + độ bền	Lò xo lá, lò xo cuộn, thanh xoắn, kẹp lò xo
Các bộ phận cần độ cứng sâu hơn hoặc khả năng chịu nhiệt cao hơn	Các thành phần chịu mỏi chu kỳ cao trong hệ thống treo và liên kết cơ học
Ống lót và bánh răng nhỏ khi cần độ cứng xuyên suốt hoặc vỏ	Lò xo cho ô tô, đường sắt, máy móc công nghiệp
Các bộ phận có thể được xử lý bề mặt (ví dụ, thấm nitơ) để kết hợp các đặc tính chống mài mòn và chống mỏi	Các loại ốc vít và khuôn dây cần có lò xo

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SUP9 khi một bộ phận yêu cầu sự kết hợp giữa khả năng chống mài mòn, khả năng làm cứng sâu hơn và khả năng chịu nhiệt tốt—đặc biệt là khi sự hiện diện của crom làm tăng tuổi thọ mài mòn. - Chọn 60Si2Mn khi yêu cầu chính là giới hạn đàn hồi cao, khả năng phục hồi và khả năng chống mỏi đặc trưng của ứng dụng lò xo.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• 60Si2Mn thường có hiệu quả về mặt chi phí cho các ứng dụng thép lò xo vì thép lò xo silicon-mangan được sản xuất rộng rãi.
• SUP9 có thể đắt hơn một chút do có chứa crom và bất kỳ hợp kim bổ sung nào; chi phí cũng phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt và hoàn thiện cần thiết.
• Khả dụng:
• Cả hai loại thép này thường có dạng thanh, dây, dải và phôi rèn; tính khả dụng ở các kích thước/hình dạng cụ thể tùy thuộc vào nhà máy và nhà cung cấp trong khu vực.
• Bộ phận mua sắm nên yêu cầu giấy chứng nhận của nhà máy và kiểm tra thời gian giao hàng đối với các phương pháp xử lý nhiệt đặc biệt hoặc dung sai hóa học chặt chẽ.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	SUP9	60Si2Mn
Khả năng hàn	Trung bình–Khó (yêu cầu kiểm soát)	Khó (độ C cao; thường cần phải làm nóng trước và PWHT)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao với khả năng chống mài mòn và tôi luyện tốt hơn	Độ bền mỏi và năng suất rất cao; hành vi đặc trưng của lò xo
Trị giá	Trung bình–Cao hơn (chi phí hợp kim)	Trung bình–Thấp hơn (thép lò xo thông thường)

Kết luận: - Chọn SUP9 nếu bạn cần: - Thép có khả năng làm cứng và chống mài mòn cao hơn dành cho các bộ phận cần được làm cứng hoàn toàn hoặc yêu cầu khả năng chịu nhiệt cao hơn. - Các thành phần sẽ được xử lý bề mặt (thấm nitơ/thấm cacbon) hoặc yêu cầu các phần cứng sâu hơn với độ dẻo dai chấp nhận được. - Chọn 60Si2Mn nếu bạn cần: - Thép lò xo chuyên dụng có giới hạn đàn hồi cao, hiệu suất chịu mỏi tuyệt vời và khả năng cung cấp tiết kiệm chi phí cho lò xo, kẹp và các thành phần chu kỳ cao. - Vật liệu được tối ưu hóa để có khả năng đàn hồi và phục hồi liên tục thay vì khả năng chống mài mòn tối đa.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra chính xác dữ liệu hóa học và cơ học so với chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp và tiêu chuẩn hiện hành. Điều chỉnh quy trình xử lý nhiệt và hàn cho phù hợp với đặc tính hóa học và hình dạng linh kiện của lô hàng cụ thể; thuê chuyên gia luyện kim và hàn cho các linh kiện quan trọng.