NM400 vs AR400 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
NM400 e AR400 são dois aços resistentes à abrasão amplamente referenciados, usados para componentes altamente expostos ao desgaste, como baldes, revestimentos, calhas e trituradores. O dilema de seleção que os engenheiros enfrentam é frequentemente um compromisso entre resistência ao desgaste (dureza), tenacidade (resistência a trincas sob impacto), soldabilidade e custo de fabricação. Os contextos típicos de decisão incluem a escolha de uma chapa para serviço de alto impacto e alta abrasão, onde a tenacidade é crítica (por exemplo, baldes de mineração), em comparação com um ambiente de desgaste principalmente por deslizamento, onde a máxima dureza superficial e a eficiência de custo são priorizadas.
O principal fator distintivo entre esses dois rótulos é sua origem em diferentes tradições de especificação e práticas de usina: um é mais comumente fornecido sob especificações da série NM chinesa e o outro sob designações comerciais do estilo americano/AR. Como cada rótulo é uma classe comercial em vez de um único padrão internacional totalmente harmonizado, a equivalência direta requer a verificação de certificados de usina, testes mecânicos e metas de dureza, em vez de assumir química idêntica.
1. Normas e Designações
- AR400: Comumente uma designação comercial resistente à abrasão ("AR") usada na América do Norte e por muitas usinas globalmente; frequentemente fornecida a padrões específicos de clientes ou usinas com uma dureza Brinell nominal em torno de 400 HBW. Não é um único padrão ASTM, mas frequentemente produzida de acordo com especificações reconhecidas de chapas AR.
- NM400: Tipicamente uma designação usada em normas chinesas para chapa de aço resistente ao desgaste (a série NM); comumente referenciada a GB/T ou especificações de fornecedores com dureza nominal próxima a 400 HBW.
- Outras normas e notações relacionadas que os engenheiros podem encontrar:
- ASTM/ASME: Não há uma única classe ASTM "AR400", mas as chapas são frequentemente fornecidas de acordo com ASTM A36, A572, A514 etc. quando um processamento especial é aplicado; a variação depende do fornecedor.
- EN: Normas europeias classificam chapas resistentes ao desgaste por classes de dureza (por exemplo, HARDOX 400 é uma classe proprietária da Suécia).
- JIS: O Japão tem sua própria série resistente ao desgaste (por exemplo, SNCM, outras designações).
- GB: O sistema GB/T chinês inclui graus NM (NM400, NM450, etc.).
- Categoria: Tanto NM400 quanto AR400 são aços de baixo carbono e baixa liga, temperados e revenidos, com alta dureza, comumente considerados aços estruturais resistentes ao desgaste (não inoxidáveis, não aços para ferramentas no sentido de alta liga). Eles são frequentemente tratados como HSLA no sentido de composições controladas e processamento termomecânico para alcançar um equilíbrio entre dureza e tenacidade.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Nota: As faixas de composição abaixo são representativas, comumente relatadas pela literatura de produtos da usina. A composição real pode variar por produtor e especificação — sempre revise o certificado da usina (MTC).
| Elemento | NM400 Típico (aprox.) | AR400 Típico (aprox.) |
|---|---|---|
| C | 0.12 – 0.25 wt% | 0.10 – 0.20 wt% |
| Mn | 0.8 – 1.6 wt% | 0.4 – 1.2 wt% |
| Si | 0.2 – 0.8 wt% | 0.1 – 0.5 wt% |
| P | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| S | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Cr | traço – 0.4 wt% | traço – 0.4 wt% |
| Ni | traço – 0.5 wt% | traço – 0.5 wt% |
| Mo | traço – 0.2 wt% | traço – 0.2 wt% |
| V | traço – 0.1 wt% | traço – 0.1 wt% |
| Nb (Cb) | traço – 0.05 wt% | traço – 0.05 wt% |
| Ti | traço | traço |
| B | traço (raro) | traço (raro) |
| N | baixo (controlado pela usina) | baixo (controlado pela usina) |
Como a liga afeta o desempenho: - Carbono (C): Elemento de fortalecimento primário para alcançar a dureza requerida; maior C aumenta a temperabilidade e resistência ao desgaste, mas reduz a soldabilidade e tenacidade. - Manganês (Mn): Melhora a temperabilidade e resistência à tração; ajuda na desoxidação; maior Mn em graus NM frequentemente aumenta a tenacidade, mas também aumenta a necessidade de pré-aquecimento na soldagem. - Silício (Si): Desoxidante e contribuinte para a resistência; quantidades moderadas ajudam na resistência sem prejudicar significativamente a tenacidade. - Elementos de microliga (Cr, Mo, V, Nb): Adicionados em pequenas quantidades em algumas receitas de usina para aumentar a temperabilidade, resistência ao revenido e refino de grão, melhorando o equilíbrio entre resistência e tenacidade. - Impurezas (P, S): Mantidas baixas para preservar a tenacidade e soldabilidade.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Tanto NM400 quanto AR400 são produzidos por laminação controlada e têmpera & revenido para gerar uma microestrutura predominantemente martensítica temperada, frequentemente com alguma bainita temperada, dependendo da taxa de resfriamento e química. - Microligação e estratégias de controle do tamanho de grão de austenita anterior influenciam a distribuição final de carbonetos e austenita residual.
Respostas ao tratamento térmico/processamento: - Normalização: Aumenta a tenacidade e refina o tamanho do grão, mas não produzirá a alta dureza ao desgaste necessária; usada para alívio de tensões ou antes dos ciclos finais de têmpera/revenido. - Têmpera & revenido: O caminho padrão para alcançar 360–440 HB. A têmpera cria martensita dura; o revenido ajusta o compromisso entre dureza e tenacidade. Temperaturas de revenido mais altas diminuem a dureza e aumentam a tenacidade. - Processamento termomecânico controlado (TMCP): Usado por algumas usinas (notavelmente para a série NM) para obter estruturas de grão fino que oferecem tenacidade superior a uma dureza dada em comparação com produtos simples de têmpera/revenido. - Diferenças de resposta: Variantes NM400 de rotas TMCP podem mostrar uma tenacidade a baixa temperatura um pouco melhor para a mesma dureza nominal em comparação com a química AR400 mais simples, que depende mais fortemente de rotas de têmpera/revenido.
4. Propriedades Mecânicas
Faixas de propriedades mecânicas representativas (aproximadas) — verificar por certificado do fornecedor.
| Propriedade | NM400 (aprox.) | AR400 (aprox.) |
|---|---|---|
| Resistência à tração | 900 – 1,200 MPa | 850 – 1,150 MPa |
| Resistência ao escoamento (offset de 0.2%) | 700 – 1,000 MPa | 650 – 950 MPa |
| Alongamento (A%) | 8 – 18% | 8 – 16% |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, temperatura ambiente ou -20°C) | Altamente variável; frequentemente moderada–boa, dependendo do processamento | Variável; pode ser menor se a química/temperabilidade for maior |
| Dureza (Brinell) | ~360 – 440 HB | ~360 – 440 HB |
Explicação: - A resistência e a dureza são controladas principalmente pelo tratamento térmico (têmpera/revenido) e carbono/temperabilidade. Ambas as classes são fornecidas em janelas de dureza semelhantes e, portanto, frequentemente têm faixas de tração/escoamento sobrepostas. - As diferenças de tenacidade são influenciadas pela química, limpeza de inclusões e processamento termomecânico. Produtos NM400 produzidos sob receitas rigorosas de TMCP podem oferecer uma tenacidade um pouco melhor a uma dureza equivalente em comparação com algumas ofertas de AR400, mas isso depende do fornecedor. - A ductilidade (alongamento) tende a diminuir à medida que a dureza aumenta; variantes de baixo carbono e grão fino retêm mais alongamento.
5. Soldabilidade
A soldabilidade depende do teor de carbono, do conteúdo de liga combinada (temperabilidade) e da presença de elementos de microliga.
Índices de soldabilidade úteis: - Equivalente de Carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (índice mais conservador para pré-aquecimento): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Valores mais altos de $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ indicam maior risco de trincas a frio assistidas por hidrogênio e a necessidade de pré-aquecimento, controle de temperatura entre passes e possivelmente PWHT (tratamento térmico pós-soldagem). - Variantes NM400 podem conter mais Mn ou microligação controlada para melhorar a tenacidade e temperabilidade; isso pode aumentar ligeiramente os índices de soldabilidade em relação às composições AR400 de menor liga, aumentando os requisitos de pré-aquecimento. - AR400 com menor carbono e liga é frequentemente um pouco mais fácil de soldar, mas como ambos os tipos são destinados a serem endurecíveis, a dureza localizada da HAZ e as trincas continuam sendo preocupações. - Melhor prática: siga os procedimentos de soldagem do fornecedor, use consumíveis de baixo hidrogênio, aplique controles de pré-aquecimento e entre passes apropriados e verifique a tenacidade da HAZ da solda com testes de qualificação para componentes críticos.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Tanto NM400 quanto AR400 são aços carbono/ligados não inoxidáveis. Eles não oferecem resistência à corrosão além do aço carbono comum.
- Medidas de proteção recomendadas: pintura, revestimento em pó, galvanização (onde apropriado) ou revestimentos sacrificial. Para peças que operam em ambientes corrosivos combinados com abrasão, considere soldagem de sobreposição com ligas resistentes à corrosão ou especificar revestimentos de desgaste inoxidáveis.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável para esses aços não inoxidáveis, mas para referência: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Use PREN apenas ao avaliar graus inoxidáveis; NM400/AR400 devem ser especificados com proteção de superfície apropriada se a exposição à corrosão for esperada.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Corte: Chapas resistentes à abrasão a ~400 HB são difíceis de cortar por métodos convencionais de oxicorte sem pré-aquecimento. Corte a plasma e a laser são comuns; corte a jato d'água é ideal para cortes sem calor.
- Maquinabilidade: Baixa — a alta dureza e a tendência ao trabalho a frio tornam a usinagem convencional lenta e desgastante para as ferramentas; ferramentas de carboneto e estratégias de usinagem otimizadas são necessárias.
- Dobra/Formação: A formação a frio é limitada e tipicamente não recomendada em plena dureza. A dobra pode causar trincas na HAZ ou fraturas no lado de tração. Onde a formação é necessária, considere a formação a quente ou o pré-annealing e reendurecimento, ou use dobras fabricadas de fornecedores.
- Acabamento: A moagem e o perfilamento de superfície requerem ferramentas robustas e refrigerante; a moagem abrasiva é comum para acabamento de costuras de solda ou ajuste.
8. Aplicações Típicas
| NM400 (Exemplos) | AR400 (Exemplos) |
|---|---|
| Baldes e revestimentos de mineração onde ocorrem impacto e abrasão; transportadores em operações de mineração pesada | Baldes de escavadeira, revestimentos de triturador, chapas de desgaste para reciclagem e pedreiras |
| Mandíbulas de triturador de alta resistência, calhas e funis com desgaste combinado de impacto e deslizamento | Corpos de caminhões e revestimentos de caçamba para agregados abrasivos |
| Peças de desgaste produzidas por TMCP onde é necessária tenacidade a baixa temperatura | Chapinhas de desgaste de uso geral onde dureza e disponibilidade consistentes são importantes |
Racional de seleção: - Escolha um produto específico (NM400 ou AR400) com base no mecanismo de desgaste dominante: desgaste por deslizamento favorece maior dureza; impacto + abrasão requer melhor tenacidade. Também considere o histórico do fornecedor, certificados de teste e desempenho em campo para o serviço particular.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: O custo relativo depende da região do mercado e da certificação. A chapa AR400 de grandes usinas ocidentais pode ter um preço premium onde rastreabilidade, certificações e planicidade da chapa são críticas. NM400 de usinas regionais pode ser competitivo em custo, especialmente na Ásia, mas variantes certificadas com TMCP ou tratamentos de tenacidade aprimorada podem custar mais.
- Disponibilidade por forma: Ambas as classes estão disponíveis como chapas, mas os prazos de entrega variam por espessura, tamanho da chapa e estoque local. Substitutos proprietários (por exemplo, HARDOX) podem ter preços premium e canais de fornecimento controlados.
- Nota de aquisição: Sempre solicite certificados de teste da usina (análise química, dureza, testes mecânicos) e recomendações de fabricação/soldagem específicas do fornecedor. O custo total do ciclo de vida (frequência de substituição, tempo de inatividade para reparo, reparabilidade da solda) muitas vezes supera as decisões de custo inicial.
10. Resumo e Recomendação
| Parâmetro | NM400 | AR400 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Regular (depende de Mn e liga; pode precisar de pré-aquecimento) | Regular a Boa (frequentemente um pouco mais fácil se CE mais baixo) |
| Equilíbrio entre Resistência e Tenacidade | Bom (variantes TMCP podem oferecer tenacidade superior a uma dureza) | Bom (sobreposição nas propriedades; depende do fornecedor) |
| Custo | Competitivo (dependente da região) | Competitivo a premium (dependente da região e do fornecedor) |
Conclusão e orientação prática: - Escolha NM400 se: - Você precisa de uma chapa de desgaste especificada sob a série NM ou cadeia de fornecimento do estilo GB/T e deseja benefícios potenciais de material produzido por TMCP com melhor tenacidade a uma dureza dada. - Seu serviço inclui impacto e abrasão combinados, onde a tenacidade é crítica e o fornecedor pode fornecer dados de tenacidade e procedimentos de soldagem. - Custo e disponibilidade regional favorecem usinas da série NM e você tem acesso às certificações necessárias da usina.
- Escolha AR400 se:
- Você requer um produto amplamente reconhecido do estilo AR em mercados onde AR400 é a mercadoria dominante e prontamente disponível e as práticas de soldagem/fabricação do fornecedor estão estabelecidas.
- Sua aplicação enfatiza resistência à abrasão direta com impacto moderado e você deseja uma aquisição mais simples e comum em cadeias de fornecimento norte-americanas ou globais.
- Você prefere uma classe com potencialmente menor carbono/ligação dentro da mesma faixa de dureza para soldagem ligeiramente mais fácil.
Recomendação final: Não assuma intercambialidade direta apenas pelo nome. Especifique a dureza requerida, energia de impacto mínima (se serviço de impacto), espessura e exija um certificado da usina com análise química e testes mecânicos. Para montagens soldadas ou componentes críticos, solicite especificações de procedimentos de soldagem e, quando necessário, testes de qualificação em larga escala. A seleção do produto certo é uma combinação de alvo de dureza, tenacidade verificada, restrições de soldabilidade e qualidade do fornecedor — não apenas o rótulo da classe.