NM450 против NM500 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

NM450 и NM500 — это коммерчески производимые высокопрочные стали, устойчивые к абразивному износу, которые обычно указываются там, где сосуществуют сильный износ и высокие ударные нагрузки — например, в ковшах для земляных работ, обечайках дробилок и горнодобывающем оборудовании. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства регулярно оценивают их, балансируя между сроком службы, ударной вязкостью, свариваемостью и общей стоимостью жизненного цикла.

Центральный компромисс между этими двумя марками — это классическое решение о твердости и вязкости: сталь с более высоким обозначением NM500 разработана для обеспечения более высокой поверхностной твердости и, следовательно, более длительного срока службы в многих абразивных приложениях скольжения/вдавливания, в то время как NM450 обычно сохраняет несколько большую устойчивость к трещинообразованию, вызванному ударами, и улучшенную пластичность при сопоставимой обработке. Поскольку обе марки обрабатываются контролируемым закаливанием и отпуском или термомеханической прокаткой, выбор часто зависит от геометрии детали, ожидаемой энергии удара в эксплуатации и требований к последующей обработке.

1. Стандарты и обозначения

• Общие промышленные спецификации и системы ссылок, в которых появляются эти типы сталей, устойчивых к абразивному износу:
• GB/T (китайские национальные стандарты) — номенклатура серии NM происходит отсюда.
• EN (европейские стандарты) — сопоставимые стали часто указываются как марки AR (устойчивые к абразивному износу) (например, AR400/AR500) или по конкретным номерам EN для закаленных и отпущенных сталей.
• ASTM/ASME — несколько обозначений ASTM охватывают высокопрочные закаленные и отпущенные стали; прямое сопоставление один к одному требует сертификатов поставщика.
• JIS — японские стандарты могут перечислять эквивалентные стали, устойчивые к износу, под другими названиями.
• Классификация: Эти марки являются высокопрочными закаленными и отпущенными низколегированными сталями, адаптированными для устойчивости к износу (не нержавеющими); их лучше всего описывать как устойчивые к абразивному износу HSLA/закаленные и отпущенные стали, а не как инструментальные стали или нержавеющие марки.

2. Химический состав и стратегия легирования

Стали серии NM, устойчивые к абразивному износу, легированы с целью достижения твердой, устойчивой к износу микроструктуры после закалки и отпуска, сохраняя при этом адекватную вязкость. Вместо строгих числовых значений состава (которые варьируются в зависимости от поставщика и маршрута термообработки) таблица ниже обобщает целенаправленное присутствие и роль каждого элемента, обычно указываемого в материалах NM450/NM500.

Элемент	Типичный относительный уровень	Основная металлургическая роль
C (углерод)	Умеренный	Основная закаливаемость и прочность мартенсита; более высокий C увеличивает твердость и устойчивость к износу, но снижает вязкость и свариваемость.
Mn (марганец)	Умеренный	Увеличивает закаливаемость и прочность на растяжение; также способствует дегазации и вносит вклад в устойчивость к износу.
Si (кремний)	Низкий–умеренный	Дегазатор и источник прочности; избыточный Si может ухудшить поверхностные свойства и свариваемость.
P (фосфор)	Следы (контролируемо низкий)	Примесь; поддерживается на низком уровне, чтобы избежать хрупкости.
S (сера)	Следы (контролируемо низкий)	Обычно минимизируется; свободно резающие марки имеют более высокий S, но это нежелательно здесь.
Cr (хром)	Низкий–умеренный (если присутствует)	Улучшает закаливаемость и устойчивость к отпуску; небольшие количества могут улучшить износостойкость.
Ni (никель)	Следы–низкий	Улучшает вязкость, особенно при низких температурах, когда включен.
Mo (молибден)	Следы–низкий	Сильный источник закаливаемости и прочности при высоких температурах; помогает устойчивости к отпуску.
V (ванадий)	Следы–низкий (микролегирование)	Образует карбиды/нитриды для уточнения размера зерна, улучшая вязкость и прочность.
Nb (ниобий)	Следы (микролегирование)	Уточнение зерна и упрочнение осаждением; помогает поддерживать вязкость после теплового воздействия.
Ti (титан)	Следы	Контролирует азот и уточняет включения; способствует вязкости.
B (бор)	Очень низкий (ppm)	Сильный улучшитель закаливаемости при очень низких концентрациях; используется осторожно.
N (азот)	Контролируемо низкий	Элемент, образующий нитриды; контролируется, чтобы избежать хрупкости и образовать полезные осадки микролегирования.

Объяснение: Легирование для NM450 и NM500 сосредоточено на умеренном содержании углерода, чтобы позволить образованию мартенситной или бейнитной матрицы после закалки, с контролируемым Mn, небольшими количествами Cr/Mo/Ni для настройки закаливаемости и реакции на отпуск, и микролегированием (V, Nb, Ti) для уточнения размера зерна и сохранения вязкости после термической обработки. Поставщики корректируют точные химические составы, чтобы соответствовать целевым критериям твердости и удара для толщины пластины.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные конечные микроструктуры для NM450 и NM500 разрабатываются с помощью контролируемого закаливания и отпуска (или термомеханической прокатки с последующей закалкой), чтобы получить преимущественно отпущенный мартенсит или отпущенный бейнит с контролируемыми количествами оставшегося аустенита и мелких карбидов/нитридов от микролегирования.

• NM450:
• Целевая микроструктура: отпущенный мартенсит или смешанный отпущенный мартенсит–бейнит с мелким осаждением карбидов.
• Отпуск выбирается для балансировки твердости около 450 HB и для сохранения ударной вязкости; отпуск при более высоких температурах снижает твердость, но увеличивает пластичность и ударную вязкость.

• Термомеханический контроль может привести к более мелким размерам зерен предшествующего аустенита, улучшая вязкость.

• NM500:

• Целевая микроструктура: отпущенный мартенсит с более высокой твердостью и более сильной закаливаемостью за счет немного более высокого легирования или интенсивности обработки; может содержать более высокую объемную долю мартенсита и потенциально тонкую пленку оставшегося аустенита в некоторых вариантах обработки.
• Отпуск обычно легче (более низкая температура отпуска или более короткий отпуск), чтобы сохранить более высокую твердость, что снижает пластичность и ударную вязкость по сравнению с NM450, если не применяется компенсирующее микролегирование/уточнение зерна.
• Для толстых секций закаливаемость и контролируемое охлаждение имеют решающее значение, чтобы избежать мягких сердцевин или чрезмерных остаточных напряжений.

Эффект маршрутов термообработки: - Нормализация: улучшает однородность и уточнение зерна, но сама по себе не приведет к окончательной высокой твердости; все еще требуется финальная закалка и отпуск. - Закалка и отпуск: основной маршрут для получения запланированного баланса твердости и вязкости; степень закалки и график отпуска определяют конечные свойства. - Термомеханическая прокатка: уточняет размер зерна и может улучшить вязкость при заданной твердости, обеспечивая лучший баланс прочности и вязкости, особенно в NM450.

4. Механические свойства

Поставщики публикуют гарантии свойств, которые варьируются в зависимости от толщины, термообработки и стандартов испытаний. Твердость по названию марки является практическим якорем, а другие механические характеристики лучше всего сравнивать качественно.

Свойство	NM450 (типичное поведение)	NM500 (типичное поведение)
Твердость	~450 HBW номинально (целевой показатель)	~500 HBW номинально (целевой показатель)
Прочность на растяжение	Высокая; достаточная для износостойких деталей; ниже, чем у NM500 при одинаковой интенсивности термообработки	Более высокая предельная прочность на растяжение, обусловленная более высокой твердостью и долей мартенсита
Предельная прочность	Высокая; относительно ниже, чем у NM500	Более высокая предельная прочность, отражающая более жесткую микроструктуру
Удлинение (пластичность)	Более высокая пластичность, чем у NM500 при сопоставимой толщине/температурах	Сниженное удлинение по сравнению с NM450 из-за более высокой твердости
Ударная вязкость	Как правило, выше (лучше сопротивление распространению трещин при ударе)	Низкая ударная вязкость, если не используется специфическое микролегирование/обработка для компенсации

Интерпретация: NM500 разработана для максимальной устойчивости к износу и, следовательно, демонстрирует более высокую твердость и большую статическую прочность, чем NM450, когда обе обрабатываются до своих номинальных целей. NM450 обычно обеспечивает лучшее поглощение энергии в испытаниях на удар и большую пластичность, что может быть решающим в приложениях с сильными ударами или ударными нагрузками.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит в первую очередь от углеродного эквивалента и микролегирования/закаливаемости. Два часто используемых эмпирических индекса — это углеродный эквивалент IIW и более сложный Pcm.

• Пример углеродного эквивалента: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Качественная интерпретация: - Более высокий углерод и легирование для увеличения закаливаемости (как в NM500) повышают $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ и, следовательно, увеличивают риск жестких, хрупких зон, затронутых теплом (HAZ), и холодных трещин после сварки. - NM450, с немного более низкой целевой твердостью и часто сниженной интенсивностью легирования, как правило, легче сваривается стандартными процедурами, с более низкими требованиями к предварительному нагреву и более широким выбором расходных материалов. - Для обеих марок хорошая практика сварки имеет решающее значение: предварительный нагрев, контроль температуры между проходами, выбор расходных материалов с соответствующей вязкостью и прочностью, а также соответствующая термообработка после сварки (PWHT) или снятие напряжений, где это необходимо. - Толстые секции и цели класса NM500 часто требуют более высокого предварительного нагрева, контролируемых температур между проходами, низкогидрогеновых расходных материалов и, возможно, PWHT, чтобы избежать хрупкости HAZ.

6. Коррозия и защита поверхности

NM450 и NM500 не являются нержавеющими сталями; у них нет запланированной коррозионной стойкости, кроме той, которую обеспечивает базовый углерод/низколегированный состав.

• Типичные стратегии защиты:
• Покраска (эпоксидные/уретановые грунтовки и верхние покрытия) для общего использования.
• Металлургические покрытия (горячее цинкование возможно, но менее распространено на очень твердых, закаленных и отпущенных пластинах из-за изменения размеров и риска микротрещин; проконсультируйтесь с поставщиком).
• Термическое распыление (металлизирование), наплавка или наложение сварки могут сочетать износостойкие поверхностные слои с более прочным субстратом.
• Применимость PREN: Индекс PREN $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ используется только для нержавеющих марок; он не применим к NM450/NM500, поскольку их уровни хрома, молибдена и азота слишком низки, чтобы обеспечить нержавеющую коррозионную стойкость.

Рекомендации: Для наружных и влажных условий используйте защиту поверхности, соответствующую воздействию; для сильно коррозионных условий рассмотрите возможность использования износостойких нержавеющих наложений или альтернативных нержавеющих износостойких сплавов.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка: Плазменная, кислородно-газовая, лазерная и водоструйная резка широко используются. Уровни твердости (~450–500 HBW) увеличивают износ инструмента и могут потребовать абразивостойких расходных материалов и более медленных скоростей подачи.
• Обрабатываемость: Обе марки сложно обрабатывать в закаленном состоянии; обработка обычно выполняется в состоянии после прокатки или после отпуска, или путем шлифования. Выбор инструмента (карбид/PCD) и охлаждение имеют критическое значение.
• Формование и изгиб: Холодное формование ограничено высокой прочностью и низкой пластичностью в закаленном состоянии; изгиб и формование обычно выполняются до окончательной закалки или в условиях поставки с более низкой твердостью. Если детали необходимо формовать после закалки, требуется локальный нагрев (индукция) или проектные приспособления.
• Финишная обработка: Шлифование, дробеструйная обработка и специализированные операции сварки/наложения являются обычными для окончательной реставрации поверхности или подгонки.

8. Типичные применения

NM450 — Типичные применения	NM500 — Типичные применения
Ковши и обечайки экскаваторов, где присутствует сочетание абразивного износа и ударных нагрузок, и требуется некоторая пластичность	Челюсти дробилок, экраны и бункеры, где доминирует сильный абразивный износ и требуется максимальный срок службы
Корпуса грузовиков, плиты для сыпучих материалов, где ожидается умеренный удар	Износостойкие плиты в минералообработке, где преобладает скользящий абразивный износ
Сельскохозяйственные части для обработки почвы и плуги, требующие устойчивости к ударам	Конвейерные желоба с высоким износом и износостойкие обечайки с преобладающим абразивным действием

Обоснование выбора: Выбирайте NM450, если повторяющиеся удары, шоковые нагрузки или потенциальные хрупкие разрушения вызывают беспокойство, и немного сокращенный срок службы износа приемлем; выбирайте NM500, если приоритетом является максимизация срока службы при абразивном скольжении/вдавливании, и проект минимизирует риск хрупкого разрушения (например, за счет геометрии, толщины и поддерживающей основы).

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: NM500, как правило, стоит дороже за тонну, чем NM450, поскольку более высокие целевые твердости требуют более строгого контроля процесса, потенциально большего легирования/микролегирования и иногда более интенсивной термообработки. Однако метрика стоимости за срок службы может благоприятствовать NM500, если она значительно увеличивает срок службы компонентов.
• Формы продукции и доступность: Обе марки обычно доступны в виде пластин, листов и изготовленных обечаек от специализированных заводов и дистрибьюторов. Доступность и сроки поставки зависят от толщины, размера пластины и требуемых сертифицированных механических свойств. Индивидуальная термообработка или испытания (например, испытания на удар для пластин большой толщины при заданных температурах) могут увеличить стоимость и время поставки.

10. Резюме и рекомендации

Критерий	NM450	NM500
Свариваемость	Лучше (низкий CE) в многих условиях поставщика; более простые процедуры	Более требовательная; часто требуется более высокий предварительный нагрев и контроль
Баланс прочности и вязкости	Лучшая вязкость и пластичность при сопоставимых рабочих температурах	Более высокая твердость и прочность; сниженная вязкость без компенсирующей обработки
Стоимость (материал)	Ниже средней	Выше (но потенциально более низкая стоимость жизненного цикла, если выигрыши в сроке службы износа доминируют)

Выводы и практические рекомендации: - Выбирайте NM450, если: применение включает частые удары, шоковые нагрузки или сложные сварные конструкции, где важны ударная вязкость, пластичность и более прощаемая свариваемость. NM450 часто является более безопасным выбором для деталей, которые испытывают смешанный износ с существенными динамическими нагрузками. - Выбирайте NM500, если: служба доминируется абразивным износом (скольжение/вдавливание), проект минимизирует напряжения по толщине и риск хрупкого разрушения, а цель закупки — максимизация срока службы износа и снижение времени простоя на обслуживание — при условии, что процедуры сварки, предварительного нагрева и обработки строго контролируются.

Заключительная заметка: Точные механические гарантии, правила предварительного нагрева при сварке и химический состав варьируются в зависимости от производителя и толщины пластины. Всегда получайте и проверяйте сертификат завода и рекомендуемые поставщиком процедуры сварки и обработки для конкретного условия поставки перед окончательным проектированием или закупкой.