NM450 vs NM500 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

NM450およびNM500は、厳しい摩耗と高衝撃荷重が共存する場所で一般的に指定される商業生産された高強度耐摩耗鋼であり、例えば、土木用バケット、クラッシャーライナー、鉱業機器などがあります。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、摩耗寿命、衝撃靭性、溶接性、総ライフサイクルコストのバランスを取る際に、これらを定期的に評価します。

これらの2つのグレード間の中心的なトレードオフは、古典的な硬度対靭性の決定です：より高い指定のNM500は、より高い表面硬度を提供し、多くの摩耗性スライディング/圧痕アプリケーションでより長い摩耗寿命を実現するように設計されていますが、NM450は通常、衝撃による破損に対する抵抗がやや高く、同等の加工条件下で靭性が向上します。両グレードは、制御された焼入れおよび焼戻しまたは熱機械的圧延によって処理されるため、選択はしばしば部品の形状、期待されるサービス衝撃エネルギー、および下流の製造要件に依存します。

1. 規格と指定

• これらの耐摩耗鋼が現れる一般的な産業規格および参照システム：
• GB/T（中国国家標準） — NMシリーズの名称はここに由来します。
• EN（欧州標準） — 比較可能な鋼は、AR（耐摩耗）グレード（例：AR400/AR500）として指定されることが多く、焼入れおよび焼戻し鋼の特定のEN番号によっても指定されます。
• ASTM/ASME — いくつかのASTM指定は高強度の焼入れおよび焼戻し鋼をカバーしています；直接の1対1のマッピングには供給者の証明書が必要です。
• JIS — 日本の規格では、異なる名称で同等の耐摩耗鋼がリストされることがあります。
• 分類：これらのグレードは、耐摩耗性のために調整された高強度の焼入れおよび焼戻し低合金鋼であり（ステンレス鋼ではない）；工具鋼やステンレスグレードよりも、耐摩耗性HSLA/焼入れおよび焼戻し鋼として最もよく説明されます。

2. 化学組成と合金戦略

NMシリーズの耐摩耗鋼は、焼入れおよび焼戻し後に硬く、耐摩耗性のある微細構造を達成しながら、適切な靭性を維持することに焦点を当てた合金戦略です。厳密な数値組成値（供給者や熱処理経路によって異なる）ではなく、以下の表は、NM450/NM500材料で一般的に指定される各元素の目的のある存在と役割を要約しています。

元素	典型的な相対レベル	主な冶金的役割
C（炭素）	中程度	主な硬化性とマルテンサイト強度；Cが高いほど硬度と耐摩耗性が増しますが、靭性と溶接性が低下します。
Mn（マンガン）	中程度	硬化性と引張強度を増加させます；また、脱酸を促進し、耐摩耗性に寄与します。
Si（シリコン）	低–中程度	脱酸剤および強度の寄与者；過剰なSiは表面特性と溶接性を損なう可能性があります。
P（リン）	微量（制御された低）	不純物；脆化を避けるために低く保たれます。
S（硫黄）	微量（制御された低）	通常は最小限に抑えられます；自由切削グレードはSが高いですが、ここでは望ましくありません。
Cr（クロム）	低–中程度（存在する場合）	硬化性と焼戻し抵抗を改善します；少量は耐摩耗性を向上させることがあります。
Ni（ニッケル）	微量–低	靭性を改善します、特に低温で含まれる場合。
Mo（モリブデン）	微量–低	強い硬化性と高温強度の寄与者；焼戻し抵抗を助けます。
V（バナジウム）	微量–低（微合金化）	炭化物/窒化物を形成して粒径を細かくし、靭性と強度を改善します。
Nb（ニオブ）	微量（微合金化）	粒子の細化と析出強化；熱入力後に靭性を維持するのに役立ちます。
Ti（チタン）	微量	窒素を制御し、包含物を細かくします；靭性を助けます。
B（ホウ素）	非常に低（ppm）	非常に低濃度で強い硬化性向上剤；注意して使用されます。
N（窒素）	制御された低	窒化物形成元素；脆化を避け、有益な微合金析出物を形成するために制御されます。

説明：NM450およびNM500の合金化は、焼入れ後にマルテンサイトまたはベイナイトマトリックスの形成を許可するために適度な炭素含量を中心に行われ、制御されたMn、小量のCr/Mo/Niで硬化性と焼戻し応答を調整し、微合金化（V、Nb、Ti）で粒径を細かくし、熱処理後に靭性を保持します。供給者は、目標とする硬度と衝撃基準を満たすために正確な化学組成を調整します。

3. 微細構造と熱処理応答

NM450およびNM500の典型的な最終微細構造は、制御された焼入れおよび焼戻し（または熱機械的圧延と焼入れ）によって設計され、主に焼戻しマルテンサイトまたは焼戻しベイナイトマトリックスを生成し、制御された量の残留オーステナイトと微細な炭化物/窒化物を含みます。

• NM450：
• 目標微細構造：焼戻しマルテンサイトまたは混合焼戻しマルテンサイト–ベイナイト、微細な炭化物析出を伴います。
• 焼戻しは、約450 HBの目標に近い硬度のバランスを取るために選択され、衝撃靭性を保持します；高温での焼戻しは硬度を低下させますが、靭性と破壊靭性を向上させます。

• 熱機械的制御は、前オーステナイト粒径を細かくし、靭性を改善することができます。

• NM500：

• 目標微細構造：より高い硬度の焼戻しマルテンサイトで、わずかに高い合金化または加工強度を通じてより強い硬化性を持ちます；いくつかの加工バリエーションでは、マルテンサイトの体積分率が高く、潜在的に薄い残留オーステナイト膜を含むことがあります。
• 焼戻しは通常軽め（低い焼戻し温度または短い焼戻し）で、高い硬度を保持するために行われ、これによりNM450に対して靭性と衝撃靭性が低下しますが、補償的な微合金化/粒子細化が適用される場合を除きます。
• 厚いセクションの場合、硬化性と制御された冷却が重要で、柔らかいコアや過剰な残留応力を避ける必要があります。

熱処理経路の影響： - 正常化：均一性と粒子細化を改善しますが、最終的な高硬度を単独で生成することはできません；最終的な焼入れおよび焼戻しが依然として必要です。 - 焼入れ＆焼戻し：設計された硬度と靭性のバランスを得るための主要な経路；焼入れの厳しさと焼戻しスケジュールが最終的な特性を定義します。 - 熱機械的圧延：粒径を細かくし、特定の硬度で靭性を改善することができ、特にNM450での強度–靭性バランスを向上させます。

4. 機械的特性

供給者は、厚さ、熱処理、および試験基準に応じて異なる特性保証を発表します。グレード名による硬度は実用的な基準であり、他の機械的属性は質的に比較するのが最適です。

特性	NM450（典型的な挙動）	NM500（典型的な挙動）
硬度	~450 HBW名目（設計目標）	~500 HBW名目（設計目標）
引張強度	高い；摩耗部品に適している；同じ熱処理強度に対してNM500より低い	高い硬度とマルテンサイト分率によって駆動されるより高い究極の引張強度
降伏強度	高い；NM500より相対的に低い	硬い微細構造を反映したより高い降伏強度
伸び（靭性）	同等の厚さ/温度でNM500より大きな靭性	高い硬度のためNM450に対して伸びが減少
衝撃靭性	一般的に高い（衝撃下での亀裂伝播に対する抵抗が良好）	特定の微合金化/加工が使用されない限り、衝撃靭性が低い

解釈：NM500は最大の耐摩耗性を実現するように設計されているため、NM450よりも高い硬度と静的強度を示します。NM450は通常、衝撃試験でより良い吸収エネルギーとより大きな靭性を提供し、これは厳しい衝撃や衝撃荷重のあるアプリケーションで決定的な要因となる可能性があります。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素当量と微合金化/硬化性に依存します。一般的に使用される2つの経験的指標は、IIW炭素当量とより詳細なPcmです。

• 炭素当量の例： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

質的解釈： - 硬化性を高めるための炭素と合金化（NM500のように）が$CE_{IIW}$と$P_{cm}$を上昇させ、したがって硬く脆い熱影響部（HAZ）や溶接後の冷間割れのリスクを増加させます。 - NM450は、目標硬度がやや低く、合金化強度がしばしば低いため、標準的な手順で溶接しやすい傾向があります；前加熱要件が低く、消耗品の選択肢が広がります。 - 両グレードにおいて、良好な溶接実践が不可欠です：前加熱、パス間温度制御、靭性と強度が一致する消耗品の選択、および必要に応じた適切な溶接後熱処理（PWHT）または応力緩和。 - 厚いセクションとNM500グレードの目標は、HAZの脆化を避けるために、しばしば高い前加熱、制御されたパス間温度、低水素消耗品、および場合によってはPWHTを必要とします。

6. 腐食と表面保護

NM450およびNM500はステンレス鋼ではなく、基材の炭素/低合金が提供する以上の設計された腐食抵抗はありません。

• 典型的な保護戦略：
• 一般サービス用の塗装（エポキシ/ウレタンプライマーおよびトップコート）。
• 金属コーティング（熱浸漬亜鉛メッキは可能ですが、非常に硬い焼入れおよび焼戻しされた板では寸法変化や微細亀裂のリスクがあるため、あまり一般的ではありません；供給者に相談してください）。
• 熱スプレー（メタライジング）、ハードフェイシング、またはオーバーレイ溶接は、耐摩耗性の表面層とより靭性のある基材を組み合わせることができます。
• PRENの適用性：PREN指数 $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ はステンレスグレードにのみ使用されます；NM450/NM500には適用されません。なぜなら、クロム、モリブデン、窒素のレベルが低すぎてステンレスの腐食抵抗を与えないからです。

ガイダンス：屋外および湿潤環境では、曝露に適した表面保護を使用してください；非常に腐食性の環境では、耐摩耗性のステンレスオーバーレイまたは代替のステンレス耐摩耗合金を検討してください。

7. 製造、加工性、および成形性

• 切断：プラズマ、酸素燃料、レーザー、およびウォータージェット切断が一般的に使用されます。硬度レベル（約450–500 HBW）が工具の摩耗を増加させ、耐摩耗性の切断消耗品と遅い送り速度が必要になる場合があります。
• 加工性：両グレードは硬化状態での加工が難しい；加工は通常、圧延後または加工可能な焼戻し状態で行われるか、研削によって行われます。工具の選択（カーバイド/PCD）と冷却が重要です。
• 成形および曲げ：硬化状態での高強度と低靭性により冷間成形が制限されます；曲げと成形は通常、最終硬化前または低硬度供給条件で行われます。部品が硬化後に成形される必要がある場合、局所加熱（誘導）または設計上の配慮が必要です。
• 仕上げ：研削、ショットブラスト、および最終表面修復またはフィッティングのための専門的な溶接/オーバーレイ操作が一般的です。

8. 典型的な用途

NM450 — 典型的な用途	NM500 — 典型的な用途
摩耗と衝撃の組み合わせが存在し、ある程度の靭性が必要な掘削機のバケットとライナー	厳しい摩耗が支配し、最大の摩耗寿命が求められるクラッシャーの顎、スクリーン、およびホッパー
中程度の衝撃が予想されるトラックボディ、スキッププレート	スライディング摩耗が支配する鉱物処理用の摩耗プレート
衝撃抵抗が必要な農業耕作およびプラウ部品	主に摩耗作用を伴う高摩耗のコンベヤーチュートおよび摩耗ライナー

選択の理由：繰り返しの衝撃、衝撃、または脆い破損の可能性が懸念される場合はNM450を選択し、やや短い摩耗寿命が許容される場合；摩耗寿命を最大化することが優先され、設計が脆い破損リスクを最小限に抑える場合（例えば、形状、厚さ、支持バックによって）はNM500を選択します。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト：NM500は一般的にNM450よりもトンあたりのコストが高く、より高い硬度目標が厳格なプロセス管理、潜在的により多くの合金化/微合金添加、および時にはより集中的な熱処理を必要とします。しかし、コスト対ライフメトリックは、部品のサービス寿命を大幅に延ばす場合、NM500に有利になることがあります。
• 製品形状と入手可能性：両グレードは、専門の製鋼所やディストリビューターから板、シート、および製造されたライナーとして一般的に入手可能です。入手可能性とリードタイムは、厚さ、板のサイズ、および必要な認定機械的特性に依存します。カスタム熱処理や試験（例：指定された温度での衝撃試験を受けた大セクションの板）は、コストとリードタイムを増加させる可能性があります。

10. 要約と推奨

基準	NM450	NM500
溶接性	多くの供給者条件でより良い（低CE）；手順が簡単	より要求が厳しい；高い前加熱と制御がしばしば必要
強度–靭性バランス	同等のサービス温度でより良い靭性と延性	より高い硬度と強度；補償的な加工なしでは靭性が低下
コスト（材料）	低から中程度	高い（ただし、摩耗寿命の向上が支配的な場合は潜在的に低いライフサイクルコスト）

結論と実用的な推奨： - NM450を選択する場合：アプリケーションに頻繁な衝撃、衝撃荷重、または破壊靭性、延性、より寛容な溶接性が重要な複雑な溶接構造が含まれる場合。NM450は、 substantialな動的荷重を伴う混合モード摩耗を経験する部品にとって、より安全な選択であることが多いです。 - NM500を選択する場合：サービスが摩耗（スライディング/圧痕）によって支配され、設計が厚さ方向の応力と脆い破損リスクを最小限に抑え、調達の目的が摩耗寿命を最大化し、メンテナンスのダウンタイムを減少させることが優先される場合 — 溶接、前加熱、および製造手順が厳密に管理されている限り。

最終的な注意：正確な機械的保証、溶接前加熱ルール、および化学組成は、製造業者および板の厚さによって異なります。最終設計または調達の前に、常に製鋼所の証明書と供給者の推奨する溶接および製造手順を取得し、確認してください。