NM450 مقابل NM500 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

NM450 و NM500 هما فولاذان مقاومان للاحتكاك عاليان القوة يتم إنتاجهما تجارياً، وغالباً ما يتم تحديدهما حيث يتواجد التآكل الشديد والأحمال العالية التأثير معاً - على سبيل المثال، دلو الحفر، بطانات الكسارات، ومعدات التعدين. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بتقييمهما بشكل روتيني عند موازنة عمر التآكل، وقوة التأثير، وقابلية اللحام، وتكلفة دورة الحياة الإجمالية.

التبادل المركزي بين هذين الدرجتين هو قرار تقليدي يتعلق بالصلابة مقابل المتانة: تم تصميم NM500 ذو التسمية الأعلى لتقديم صلابة سطحية أعلى وبالتالي عمر تآكل أطول في العديد من التطبيقات التي تتضمن الانزلاق/الانغماس الكاشط، بينما يحتفظ NM450 عادة بمقاومة أكبر قليلاً للكسر الناتج عن التأثير وتحسين قابلية الانحناء تحت معالجة مماثلة. نظرًا لأن كلا الدرجتين تتم معالجتهما عن طريق التبريد والتحكم في درجة الحرارة أو الدرفلة الحرارية الميكانيكية، فإن الاختيار يعتمد غالبًا على هندسة الجزء، وطاقة تأثير الخدمة المتوقعة، ومتطلبات التصنيع اللاحقة.

1. المعايير والتسميات

• المواصفات الصناعية الشائعة وأنظمة المرجع حيث تظهر هذه الأنواع من الفولاذ المقاوم للاحتكاك:
• GB/T (المعايير الوطنية الصينية) - تنشأ تسمية سلسلة NM من هنا.
• EN (المعايير الأوروبية) - غالباً ما يتم تحديد الفولاذات المماثلة كدرجات AR (مقاومة للاحتكاك) (مثل AR400/AR500)، أو بواسطة أرقام EN محددة للفولاذات المعالجة بالتبريد والتحكم في درجة الحرارة.
• ASTM/ASME - تغطي عدة تسميات ASTM الفولاذات عالية القوة المعالجة بالتبريد والتحكم في درجة الحرارة؛ يتطلب التوافق المباشر شهادة الموردين.
• JIS - قد تسرد المعايير اليابانية الفولاذات المقاومة للتآكل المعادلة تحت أسماء مختلفة.
• التصنيف: هذه الدرجات هي فولاذات منخفضة السبائك عالية القوة معالجة بالتبريد والتحكم في درجة الحرارة مصممة لمقاومة التآكل (ليست مقاومة للصدأ)؛ يتم وصفها بشكل أفضل على أنها فولاذات مقاومة للاحتكاك HSLA/معالجة بالتبريد والتحكم في درجة الحرارة بدلاً من فولاذات الأدوات أو الدرجات المقاومة للصدأ.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تستند استراتيجيات سبائك فولاذ NM-series المقاوم للاحتكاك إلى تحقيق بنية ميكروية صلبة ومقاومة للاحتكاك بعد التبريد والتحكم في درجة الحرارة مع الحفاظ على متانة كافية. بدلاً من قيم التركيب الرقمي الصارمة (التي تختلف حسب المورد وطريقة المعالجة الحرارية)، تلخص الجدول أدناه وجود كل عنصر ودوره بشكل هادف كما هو محدد عادة في مواد NM450/NM500.

عنصر	مستوى نسبي نموذجي	الدور المعدني الأساسي
C (الكربون)	معتدل	الصلابة الأساسية وقوة المارتنسيت؛ زيادة C تعزز الصلابة ومقاومة التآكل ولكن تقلل من المتانة وقابلية اللحام.
Mn (المنغنيز)	معتدل	يزيد من الصلابة وقوة الشد؛ يعزز أيضاً إزالة الأكسدة ويساهم في مقاومة التآكل.
Si (السيليكون)	منخفض–معتدل	عامل إزالة الأكسدة ومساهم في القوة؛ يمكن أن يؤثر السيليكون الزائد على خصائص السطح وقابلية اللحام.
P (الفوسفور)	أثر (منخفض تحت السيطرة)	شوائب؛ يتم الحفاظ عليها منخفضة لتجنب الهشاشة.
S (الكبريت)	أثر (منخفض تحت السيطرة)	عادة ما يتم تقليلها؛ درجات القطع الحرة تحتوي على كبريت أعلى، لكن ذلك غير مرغوب هنا.
Cr (الكروم)	منخفض–معتدل (إذا كان موجوداً)	يحسن من الصلابة ومقاومة التحكم في درجة الحرارة؛ كميات صغيرة يمكن أن تحسن من مقاومة التآكل.
Ni (النيكل)	أثر–منخفض	يحسن من المتانة، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة، عند تضمينه.
Mo (الموليبدينوم)	أثر–منخفض	مساهم قوي في الصلابة وقوة درجات الحرارة العالية؛ يساعد في مقاومة التحكم في درجة الحرارة.
V (الفاناديوم)	أثر–منخفض (سبائك دقيقة)	يشكل كربيدات/نيتريد لتحسين حجم الحبيبات، مما يحسن المتانة والقوة.
Nb (النيوبيوم)	أثر (سبائك دقيقة)	تحسين الحبيبات وتقوية الترسيب؛ يساعد في الحفاظ على المتانة بعد إدخال الحرارة.
Ti (التيتانيوم)	أثر	يسيطر على النيتروجين ويقوم بتنقية الشوائب؛ يساعد في المتانة.
B (البورون)	منخفض جداً (جزء في المليون)	معزز قوي للصلابة عند تركيزات منخفضة جداً؛ يستخدم بحذر.
N (النيتروجين)	منخفض تحت السيطرة	عنصر تشكيل النيتريد؛ يتم التحكم فيه لتجنب الهشاشة ولتشكيل ترسيبات دقيقة مفيدة.

التفسير: تركز سبائك NM450 و NM500 على محتوى كربون معتدل للسماح بتكوين مصفوفة مارتنسيتية أو باينيتية بعد التبريد، مع التحكم في المنغنيز، وكميات صغيرة من الكروم/الموليبدينوم/النيكل لضبط الصلابة واستجابة التحكم في درجة الحرارة، والسبائك الدقيقة (الفاناديوم، النيوبيوم، التيتانيوم) لتحسين حجم الحبيبات والحفاظ على المتانة بعد المعالجة الحرارية. يقوم الموردون بضبط الكيمياء الدقيقة لتلبية معايير الصلابة والتأثير المستهدفة لسمك اللوحات.

3. البنية الميكروية واستجابة المعالجة الحرارية

تتم هندسة البنى الميكروية النهائية النموذجية لـ NM450 و NM500 عن طريق التبريد والتحكم في درجة الحرارة (أو الدرفلة الحرارية الميكانيكية بالإضافة إلى التبريد) لإنتاج مصفوفة مارتنسيتية أو باينيتية معالجتها بشكل أساسي مع كميات متحكم فيها من الأوستينيت المحتفظ به وكربيدات/نيتريدات دقيقة من السبائك الدقيقة.

• NM450:
• البنية الميكروية المستهدفة: مارتنسيت معالج أو مارتنسيت–باينيت مختلط، مع ترسيب كربيد دقيق.
• تم اختيار التحكم في درجة الحرارة لتحقيق توازن الصلابة بالقرب من الهدف التقريبي 450 HB والحفاظ على متانة التأثير؛ يؤدي التحكم في درجة الحرارة عند درجات حرارة أعلى إلى تقليل الصلابة ولكن يزيد من قابلية الانحناء وقوة الكسر.

• يمكن أن يؤدي التحكم الحراري الميكانيكي إلى إنتاج أحجام حبيبات أوستينيت سابقة أدق، مما يحسن المتانة.

• NM500:

• البنية الميكروية المستهدفة: مارتنسيت معالج بصلابة أعلى مع صلابة أقوى من خلال زيادة طفيفة في السبائك أو كثافة المعالجة؛ قد تحتوي على نسبة حجم أعلى من المارتنسيت وربما فيلم رقيق من الأوستينيت المحتفظ به في بعض متغيرات المعالجة.
• عادة ما يكون التحكم في درجة الحرارة أخف (درجة حرارة معالجة أقل أو معالجة أقصر) للحفاظ على صلابة أعلى، مما يقلل من قابلية الانحناء ومتانة التأثير مقارنة بـ NM450 ما لم يتم تطبيق سبائك دقيقة/تحسين الحبيبات التعويضية.
• بالنسبة للأقسام السميكة، تعتبر الصلابة والتبريد المتحكم فيه ضروريين لتجنب النوى اللينة أو الضغوط المتبقية المفرطة.

أثر طرق المعالجة الحرارية: - التطبيع: يحسن التجانس وتحسين الحبيبات ولكنه لن ينتج بمفرده الصلابة العالية النهائية؛ لا يزال مطلوباً التبريد والمعالجة النهائية. - التبريد والتحكم في درجة الحرارة: الطريق الرئيسي للحصول على توازن الصلابة والمتانة المصمم؛ تحدد شدة التبريد وجدول التحكم في درجة الحرارة الخصائص النهائية. - الدرفلة الحرارية الميكانيكية: تحسن حجم الحبيبات ويمكن أن تحسن المتانة عند صلابة معينة، مما يمكّن من تحقيق توازن أفضل بين القوة والمتانة خاصة في NM450.

4. الخصائص الميكانيكية

تنشر الموردون ضمانات الخصائص التي تختلف حسب السمك، والمعالجة الحرارية، ومعايير الاختبار. تعتبر الصلابة حسب اسم الدرجة مرساة عملية، وأفضل مقارنة الخصائص الميكانيكية الأخرى نوعياً.

الخاصية	NM450 (سلوك نموذجي)	NM500 (سلوك نموذجي)
الصلابة	~450 HBW اسمياً (هدف التصميم)	~500 HBW اسمياً (هدف التصميم)
قوة الشد	عالية؛ كافية لأجزاء التآكل؛ أقل من NM500 لنفس شدة المعالجة الحرارية	قوة شد نهائية أعلى مدفوعة بصلابة أعلى ونسبة مارتنسيت
قوة العائد	عالية؛ أقل نسبياً من NM500	قوة عائد أعلى تعكس بنية أكثر صلابة
التمدد (قابلية الانحناء)	قابلية انحناء أكبر من NM500 عند سمك/درجات حرارة مماثلة	تمدد أقل مقارنة بـ NM450 بسبب الصلابة الأعلى
متانة التأثير	عموماً أعلى (مقاومة أفضل لانتشار الشقوق تحت التأثير)	متانة تأثير أقل ما لم يتم استخدام معالجة/سبائك دقيقة محددة للتعويض

التفسير: تم تصميم NM500 لتحقيق أقصى مقاومة للتآكل وبالتالي يظهر صلابة أعلى وقوة ثابتة أعلى من NM450 عندما تتم معالجة كلاهما إلى أهدافهما الاسمية. عادةً ما يوفر NM450 طاقة ممتصة أفضل في اختبارات التأثير ومرونة أكبر، مما يمكن أن يكون حاسماً في التطبيقات التي تتعرض لتأثيرات شديدة أو تحميل صدمات.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام بشكل أساسي على المعادل الكربوني والسبائك الدقيقة/الصلابة. اثنان من المؤشرات التجريبية الشائعة هما المعادل الكربوني IIW و Pcm الأكثر تعقيداً.

• مثال على المعادل الكربوني: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (أكثر شمولاً): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - زيادة الكربون والسبائك لزيادة الصلابة (كما في NM500) ترفع $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ وبالتالي تزيد من خطر المناطق المتأثرة بالحرارة (HAZ) الصلبة والهشة والتشقق البارد بعد اللحام. - NM450، مع صلابة مستهدفة أقل قليلاً وغالباً ما تكون كثافة سبائك أقل، يميل إلى أن يكون أسهل في اللحام باستخدام الإجراءات القياسية، ومتطلبات تسخين أقل، وخيارات أوسع من المواد الاستهلاكية. - بالنسبة لكلا الدرجتين، تعتبر ممارسة اللحام الجيدة ضرورية: التسخين المسبق، التحكم في درجة حرارة التداخل، اختيار المواد الاستهلاكية مع مطابقة المتانة والقوة، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) أو تخفيف الضغط عند الضرورة. - غالباً ما تتطلب الأقسام السميكة وأهداف درجة NM500 تسخين مسبق أعلى، ودرجات حرارة تداخل متحكم فيها، ومواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، وربما PWHT لتجنب هشاشة HAZ.

6. التآكل وحماية السطح

NM450 و NM500 ليستا فولاذات مقاومة للصدأ؛ ليس لديهما مقاومة مصممة للتآكل تتجاوز ما يوفره الكربون الأساسي/السبائك المنخفضة.

• استراتيجيات الحماية النموذجية:
• الطلاء (البرايمرات والإيبوكسي/البولي يوريثان والطلاءات العليا) للخدمة العامة.
• الطلاءات المعدنية (التغليف بالغمس الساخن ممكن ولكن أقل شيوعاً على الألواح الصلبة جداً المعالجة بالتبريد والتحكم في درجة الحرارة بسبب تغير الأبعاد وخطر الشقوق الدقيقة؛ استشر المورد).
• الرش الحراري (التعدين)، والتغطية الصلبة، أو اللحام الإضافي يمكن أن تجمع بين طبقات سطح مقاومة للاحتكاك مع قاعدة أكثر صلابة.
• تطبيق PREN: يتم استخدام مؤشر PREN $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ فقط للدرجات المقاومة للصدأ؛ لا ينطبق على NM450/NM500 حيث أن مستويات الكروم والموليبدينوم والنيتروجين منخفضة جداً لتوفير مقاومة للتآكل المقاوم للصدأ.

إرشادات: بالنسبة للبيئات الخارجية والرطبة، استخدم حماية سطحية مناسبة للتعرض؛ بالنسبة للبيئات شديدة التآكل، اعتبر استخدام تغطيات مقاومة للاحتكاك من الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك بديلة مقاومة للاحتكاك.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: يتم استخدام قطع البلازما، والغاز الأكسجيني، والليزر، وقطع المياه بشكل شائع. مستويات الصلابة (~450–500 HBW) تزيد من تآكل الأدوات وقد تتطلب مواد استهلاكية مقاومة للاحتكاك ومعدلات تغذية أبطأ.
• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين صعبة التشغيل في الحالة المعالجة؛ عادة ما يتم التشغيل في الحالة المدرفلة أو بعد المعالجة الحرارية، أو عن طريق الطحن. اختيار الأدوات (كربيد/PCD) والتبريد أمران حاسمان.
• التشكيل والانحناء: يقتصر التشكيل البارد على القوة العالية وقابلية الانحناء المنخفضة في الحالة المعالجة؛ يتم عادةً إجراء الانحناء والتشكيل قبل المعالجة النهائية أو في ظروف إمداد أقل صلابة. إذا كان يجب تشكيل الأجزاء بعد المعالجة، فإن التسخين الموضعي (التحريض) أو التعديلات التصميمية مطلوبة.
• التشطيب: الطحن، والرش بالكرات، وعمليات اللحام/التغطية المتخصصة شائعة لاستعادة السطح النهائي أو التركيب.

8. التطبيقات النموذجية

NM450 - الاستخدامات النموذجية	NM500 - الاستخدامات النموذجية
دلاء الحفارات وبطانات حيث يتواجد مزيج من الاحتكاك والتأثير ويتطلب بعض المرونة	فكوك الكسارات، والشاشات، والصناديق حيث يهيمن الاحتكاك الشديد ويُسعى لتحقيق أقصى عمر تآكل
هياكل الشاحنات، وألواح التفريغ حيث يُتوقع تأثير معتدل	ألواح التآكل في معالجة المعادن حيث يهيمن الاحتكاك الانزلاقي
أجزاء الحراثة والزراعة التي تتطلب مقاومة للصدمات	قنوات النقل عالية التآكل وبطانات التآكل ذات العمل الكاشط بشكل أساسي

مبررات الاختيار: اختر NM450 حيث تكون التأثيرات المتكررة، أو الصدمات، أو خطر الكسر الهش مصدر قلق، ويكون عمر التآكل المخفض قليلاً مقبولاً؛ اختر NM500 حيث تكون الأولوية لتحقيق أقصى عمر تآكل تحت الانزلاق/الانغماس الكاشط، ويقلل التصميم من خطر الكسر الهش (على سبيل المثال، من خلال الهندسة، والسمك، والدعم الخلفي).

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: NM500 عادة ما تكون أكثر تكلفة لكل طن من NM450 لأن أهداف الصلابة الأعلى تتطلب تحكمًا أكثر صرامة في العملية، وقد تتطلب المزيد من الإضافات السبائكية/السبائك الدقيقة، وأحيانًا معالجة حرارية أكثر كثافة. ومع ذلك، يمكن أن تفضل مقياس التكلفة لكل حياة NM500 إذا كانت تزيد بشكل كبير من عمر الخدمة للمكونات.
• أشكال المنتجات والتوافر: كلا الدرجتين متاحة عادة كألواح، وأوراق، وبطانات مصنعة من مطاحن وموزعين متخصصين. يعتمد التوافر وأوقات التسليم على السمك، وحجم اللوحات، والخصائص الميكانيكية المعتمدة المطلوبة. يمكن أن تزيد المعالجة الحرارية المخصصة أو الاختبار (مثل الألواح السميكة المختبرة للتأثير عند درجات حرارة محددة) من التكلفة ووقت التسليم.

10. الملخص والتوصية

المعيار	NM450	NM500
قابلية اللحام	أفضل (CE أقل) في العديد من ظروف المورد؛ إجراءات أسهل	أكثر تطلباً؛ غالباً ما تتطلب تسخين مسبق أعلى وتحكم
توازن القوة–المتانة	أفضل متانة وقابلية انحناء عند درجات حرارة خدمة مماثلة	صلابة وقوة أعلى؛ متانة مخفضة دون معالجة تعويضية
التكلفة (المادة)	أقل إلى معتدل	أعلى (لكن قد تكون التكلفة الإجمالية لدورة الحياة أقل إذا كانت مكاسب عمر التآكل تهيمن)

الاستنتاجات والتوصيات العملية: - اختر NM450 إذا: كانت التطبيق يتضمن تأثيرات متكررة، أو أحمال صدمية، أو هياكل ملحومة معقدة حيث تكون متانة الكسر، وقابلية الانحناء، وقابلية اللحام الأكثر تسامحاً مهمة. غالباً ما يكون NM450 هو الخيار الأكثر أماناً للأجزاء التي تتعرض لتآكل مختلط مع تحميل ديناميكي كبير. - اختر NM500 إذا: كانت الخدمة تهيمن عليها مقاومة التآكل (الانزلاق/الانغماس)، ويقلل التصميم من الضغوط عبر السمك وخطر الكسر الهش، وهدف الشراء هو تحقيق أقصى عمر تآكل وتقليل وقت الصيانة - شريطة أن يتم إدارة اللحام، والتسخين المسبق، وإجراءات التصنيع بشكل صارم.

ملاحظة نهائية: تختلف الضمانات الميكانيكية الدقيقة، وقواعد التسخين المسبق للحام، والتركيب الكيميائي حسب الشركة المصنعة وسمك اللوحة. احصل دائماً على شهادة المصنع واستعرض إجراءات اللحام والتصنيع الموصى بها من المورد لحالة التسليم المحددة قبل التصميم النهائي أو الشراء.