NM400 против NM360 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
NM360 и NM400 — это две широко применяемые износостойкие стали с закалкой и отпуском, предназначенные для областей применения, где первостепенным требованием является стойкость к абразивному износу. Инженерам, менеджерам по закупкам и планировщикам производства часто приходится выбирать между этими марками: жертвуя свариваемостью, формуемостью и стоимостью ради повышенной твёрдости и срока службы. Типичные ситуации выбора возникают при подборе материала для горно-добывающих и карьерных износных деталей (где требуется максимальная абразивостойкость), в отличие от случаев, когда важнее технологичность изготовления и вязкость ударного воздействия, а не абсолютная твёрдость.
Главное практическое отличие между марками в том, что NM400 по требованиям обеспечивает более высокую твёрдость и износостойкость по сравнению с NM360. Это достигается главным образом за счёт умеренного увеличения содержания углерода и/или легирующих элементов, а также более строгого контроля термомеханической обработки и термообработки. Эти компромиссы и обусловливают частые сравнения марок при проектировании и закупках.
1. Стандарты и обозначения
- Основные национальные и международные стандарты, в которых встречаются износостойкие стали и их аналоги:
- GB (Китай): NM360, NM400 — распространённые китайские обозначения по стандартам GB/T для износостойких сталей.
- EN (Европа): Часто сравниваются с износостойкими сталями по европейским стандартам (например, аналоги AR/Hardox), однако для точного прямого соответствия необходимо проверять химический состав и твёрдость.
- JIS (Япония): Имеются собственные обозначения износостойких сталей.
- ASTM/ASME (США): Нет прямых наименований серии NM; типичные аналоги определяются по твёрдости или функциональному классу (например, AR400).
- Классификация: NM360 и NM400 — это высокопрочные низколегированные конструкционные углеродистые износостойкие стали с закалкой и отпуском (закаленные и отпущенные углеродистые/низколегированные стали), не нержавеющие и не инструментальные.
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице ниже приведены основные легирующие элементы для износостойких сталей типа NM. Вместо конкретных числовых значений (которые варьируются у разных производителей и по стандартам), используются качественные обозначения наличия или относительного уровня, отражающие типичную практику поставщиков.
| Элемент | NM360 (типично) | NM400 (типично) | Роль / Примечания |
|---|---|---|---|
| C (углерод) | Средний (ниже, чем у NM400) | Средне-высокий (выше, чем у NM360) | Основной фактор закаливаемости и твёрдости; увеличение C повышает прочность и твёрдость, снижая свариваемость и пластичность. |
| Mn (марганец) | Средний | Средне-высокий | Повышает прочность, закаливаемость и способствует раскислению; избыток увеличивает углеродный эквивалент (CE). |
| Si (кремний) | Низкий — следы | Низкий — следы | Раcкислитель; незначительное твердое растворение. |
| P (фосфор) | Следы / контролируемо низкий | Следы / контролируемо низкий | Примесь; ограничивается для сохранения вязкости. |
| S (сера) | Следы / контролируемо низкий | Следы / контролируемо низкий | Примесь; контролируется для предотвращения хрупкости и проблем при обработке резанием. |
| Cr (хром) | Следы — низкий | Следы — низкий / низкий | Повышает закаливаемость и сопротивление отпуску. |
| Ni (никель) | Следы | Следы | Улучшает вязкость при низких температурах. |
| Mo (молибден) | Следы — низкий | Следы — низкий | Повышает закаливаемость и термическую стабильность отпуска. |
| V (ванадий) | Следы | Следы | Микролегирование для измельчения зерна и повышения прочности. |
| Nb (ниобий) | Следы | Следы | Измельчение зерна, улучшение вязкости при наличии. |
| Ti (титан) | Следы | Следы | Раcкисление и измельчение зерна. |
| B (бор) | Следы (иногда) | Следы (иногда) | Очень малые количества существенно повышают закаливаемость. |
| N (азот) | Следы | Следы | Контролируемый; взаимодействует с микроэлементами легирования. |
Влияние легирования на свойства - Закаливаемость и прочность: такие элементы, как C, Mn, Cr, Mo, а также малые добавки B, Nb, V повышают способность стали образовывать мартенсит и бейнит при закалке, увеличивая твёрдость и предел прочности на разрыв. - Вязкость: низкие уровни примесей (P, S), продуманное микролегирование (Nb, V, Ti) и оптимальная термообработка сохраняют ударную вязкость. - Коррозионная стойкость: эти стали не являются нержавеющими, легирование не направлено на улучшение коррозионной стойкости.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичная начальная микроструктура сталей типа NM после горячей прокатки — это феррит-перлит или бейнитно-ферритная, в зависимости от состава и скорости охлаждения. Конечные свойства достигаются путем контролируемой закалки и отпуска или термомеханической контролируемой обработки (TMCP).
- NM360: Разработана для баланса между твёрдостью и вязкостью. После закалки и отпуска микроструктура обычно содержит отпущенный мартенсит и/или низший бейнит с тонкодисперсными карбидными включениями. За счёт меньшего содержания углерода и легирующих элементов по сравнению с NM400 обеспечивается немного большая остаточная пластичность и обычно более лёгкий отклик на отпуск.
- NM400: Ориентирована на более твёрдую и износостойкую микроструктуру — обычно отпущенный мартенсит с более высокой плотностью дислокаций и более мелким осаждением карбидов. Более высокое содержание углерода и контролируемое легирование/микролегирование повышают закаливаемость, что позволяет достигать более высокой твёрдости при заданной толщине после закалки и отпуска или TMCP.
Влияние термообработки - Нормализация: измельчает зерно, немного повышает прочность и твёрдость, но сама по себе не обеспечивает необходимую твёрдость износа — обычно ее дополняют закалкой с отпуском для обеих марок. - Закалка и отпуск: обеспечивают нужное сочетание твёрдости и вязкости. Повышение температуры отпуска снижает твёрдость, но улучшает вязкость. - Термомеханическая обработка (TMCP): позволяет получать мелкозернистые бейнитные/мартенситные микроструктуры с отличной вязкостью при высокой твёрдости, что особенно важно для толстолистового проката, чтобы избежать чрезмерных зёрен твёрдых зон.
4. Механические свойства
Механические свойства NM360 и NM400 отличаются прежде всего целевым показателем твёрдости. Твёрдость часто указывается как основной параметр производительности, поскольку срок службы при абразивном износе в значительной степени коррелирует с твёрдостью.
| Свойство | NM360 (типично) | NM400 (типично) |
|---|---|---|
| Твёрдость | ~360 HBW (целевая) | ~400 HBW (целевая) |
| Временное сопротивление разрыву | Высокое | Выше, чем у NM360 |
| Предел текучести | Высокий | Выше, чем у NM360 |
| Относительное удлинение (пластичность) | Лучше, чем у NM400 | Чуть ниже, чем у NM360 |
| Ударная вязкость | Хорошая (сбалансированная) | Хорошая, но может быть немного ниже при одинаковой толщине и отпуске из-за повышенной твёрдости |
Выводы - NM400 специально делают более прочной и твёрдой по сравнению с NM360, что обеспечивает повышенную абразивостойкость ценой некоторого снижения пластичности и возможного уменьшения вязкости при неправильной термообработке. - Степень компромисса зависит от толщины, тепловой обработки и точного химического состава; современные технологии TMCP и микролегирование помогают уменьшить эти оговорки.
5. Свариваемость
Свариваемость в основном определяется содержанием углерода, легирующих элементов и степенью закаливаемости. Повышенное содержание углерода и легирующих элементов увеличивает риск образования холодных трещин и требует более тщательного подогрева и контроля интервалов прохождения сварки.
Полезные показатели углеродного эквивалента: - IIW (Международный институт сварки) углеродный эквивалент (качественный показатель свариваемости): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Формула Pcm (для рекомендаций по подогреву) Международного института сварки: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
Качественная интерпретация - NM400, с более высоким номинальным содержанием углерода/легирующих элементов и целевым значением твёрдости, обычно имеет более высокий $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с NM360, что указывает на более жёсткие требования к технологиям сварки (большее предварительный подогрев, более медленное охлаждение между швами, использование электродов с низким содержанием водорода). - Меры смягчения: контролируемый предварительный подогрев и температуры между проходами, использование сварочных материалов с достаточной вязкостью, соответствующих или превышающих свойства основного металла, постсварочная термообработка (PWHT) при необходимости, а также строгий контроль влажности для ограничения диффузионного водорода. - Для тяжёлого изготовления сварочные технологии должны быть квалифицированы для толщины листа и марки стали, чтобы избежать наклёпа зоны термического влияния и склонности к холодным трещинам.
6. Коррозионная стойкость и защита поверхности
- Не нержавеющие: и NM360, и NM400 являются углеродистыми/низколегированными сталями, не обладающими коррозионной стойкостью.
- Варианты защиты поверхности: оцинковка (горячее цинкование или предварительное покрытие), защитные лакокрасочные покрытия, порошковые покрытия и жертвенные покрытия. Следует учитывать, что оцинковка или интенсивные термические покрытия могут повлиять на твёрдость поверхности или вызвать локальные напряжения; необходимо учитывать совместимость процесса покрытия с требуемой конечной твёрдостью и износостойкостью.
- PREN: Эквивалентное число стойкости к точечной коррозии, $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ не применимо к этим не нержавеющим маркам; защита от коррозии должна обеспечиваться подбором покрытий и стратегиями катодной защиты по мере необходимости.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: NM400 труднее обрабатывать, чем NM360, из-за более высокой твёрдости и прочности; износ режущего инструмента увеличивается. Рекомендуется использование твердосплавных инструментов, снижение подачи и оптимизация параметров резания. Преобработка перед окончательной термообработкой может быть выгодной.
- Формуемость: холодная деформация ограничена у обеих марок по сравнению с низкоуглеродистыми конструкционными сталями; NM360 предлагает лучшую гибкость, чем NM400. При необходимости сложной формовки предпочтительно проводить её в более мягком состоянии до окончательной закалки и отпуска либо использовать термомеханические методы, улучшающие пластичность.
- Соединение и сборка: механическое крепление широко применяется в тех случаях, когда сварка может ухудшить локальную износостойкость; рекомендуется разборное соединение с наплавленными износостойкими элементами для удобства замены.
8. Типичные области применения
| Области применения NM360 | Области применения NM400 |
|---|---|
| Кузова грузовиков и прицепов, облицовки со средней абразивностью | Облицовки дробилок, тяжелые ковши и зубья для горнодобывающей промышленности |
| Реадеры, бункеры и конвейеры для средней абразивности | Износостойкие плиты в первичных дробилках, мельницы с интенсивным износом |
| Сельскохозяйственные детали, решетки и ножи | Кромки ковшей экскаваторов и погрузчиков, изнашиваемые детали с заменяемыми вкладышами |
| Конвейерные компоненты со средней степенью износа | Высоконагруженные износостойкие горно-шахтные узлы с длительным сроком службы |
Обоснование выбора - Выбирайте NM360, когда приоритетом являются средняя абразивная стойкость, лучшая пластичность/формуемость и более простая сварка, а детали имеют небольшую толщину и нагрузка на изгиб умеренная. - Выбирайте NM400, когда требуется продлить срок службы при серьёзном абразивном износе, что оправдывает более высокую стоимость материала и обработки, а также когда методы изготовления способны обеспечить строгий контроль сварки и формовки.
9. Стоимость и наличие
- Стоимость: NM400 обычно дороже за килограмм по сравнению с NM360 из-за более высокого легирования и твёрдости, а также более строгих требований к обработке. Реальная стоимость зависит от поставщика, толщины листа и стабильности термообработки.
- Наличие: обе марки широко доступны в виде листового проката от крупных производителей стали; однако листы с очень высокой твёрдостью и большой толщиной могут иметь длительные сроки поставки или ограниченный складской запас. NM360 чаще доступен в большем ассортименте толщин и размеров.
10. Итоги и рекомендации
Таблица сравнения
| Критерий | NM360 | NM400 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (ниже CE) | Сложнее (выше CE) |
| Баланс прочности и вязкости | Сбалансирован (лучше пластичность) | Более высокая прочность и твёрдость, слегка пониженная пластичность |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Рекомендации - Выбирайте NM400, если необходима максимальная абразивная стойкость и длительный срок службы в тяжёлых условиях эксплуатации (например, вскрышные работы, первичное дробление, тяжёлые горно-шахтные узлы) и возможно использование более жёстких условий сварки, формовки и более высокой стоимости материала. - Выбирайте NM360, если требуется сбалансированное сочетание износостойкости с лучшей свариваемостью, формуемостью и низкой начальной стоимостью — подходит для конвейеров, кузовов грузовиков, реадеров и деталей со средней степенью износа.
Заключительное замечание При спецификации любой из марок требуйте от поставщика заводские сертификаты с указанием химического состава и твёрдости, обеспечивайте квалификацию сварочных процедур (PQR/WPS) для планируемой толщины и условий эксплуатации, а также рассматривайте разработку изнашиваемых деталей с возможностью замены для оптимизации стоимости жизненного цикла.