NM400 so với NM400HB – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

NM400 và NM400HB là hai nhãn thường gặp trong thông số kỹ thuật vật liệu chịu mài mòn, bảng kê mua sắm và bản vẽ chế tạo cho các chi tiết chịu tải nặng. Các kỹ sư và quản lý mua sắm phải quyết định giữa các cấp độ danh nghĩa và các lô hàng được giao theo độ cứng khi cân bằng chi phí, khả năng sản xuất, khả năng hàn và hiệu suất sử dụng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn giữa cấp độ được xác định theo thông số kỹ thuật hóa học/cơ học so với cấp độ được xác định chủ yếu theo độ cứng chấp nhận được (ví dụ, khi tuổi thọ mài mòn là yếu tố quyết định), và đối chiếu báo cáo thử nghiệm của nhà cung cấp với kế hoạch chất lượng dự án.

Sự khác biệt thực tế chính giữa các định danh này nằm ở trọng tâm chấp nhận và thử nghiệm: một định danh thường được sử dụng như một định nghĩa về cấp độ chịu mài mòn danh nghĩa, trong khi định danh còn lại kết hợp rõ ràng tiêu chí chấp nhận và phương pháp thử nghiệm dựa trên độ cứng. Do độ cứng và tiêu chuẩn thử nghiệm liên quan quyết định cách thức sản xuất và kiểm tra vật liệu, các nhà thiết kế so sánh NM400 và NM400HB để quyết định phương pháp nào phù hợp hơn với các yêu cầu về hiệu suất, quy trình QA và quy trình xử lý tiếp theo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung và cơ quan chỉ định cần xem xét:
• GB (Trung Quốc): Họ thép NM bắt nguồn từ hệ thống phân loại thép chống mài mòn của Trung Quốc.
• EN / ISO (Châu Âu / Quốc tế): Thép AR (chống mài mòn) như Hardox, XAR là những loại thép tương đương thường được sử dụng trên thị trường Châu Âu/Quốc tế.
• JIS (Nhật Bản) và ASTM / ASME (Hoa Kỳ): có phân loại thép chịu mài mòn và thép tôi/ram riêng; sự tương đương chính xác phụ thuộc vào ứng dụng.
• Phân loại vật liệu:
• NM400 / NM400HB: được phân loại là thép cacbon-mangan (và hợp kim vi mô) chống mài mòn, đã được tôi và ram — hợp kim thấp (HSLA) có độ bền cao về mặt chức năng tập trung vào khả năng chống mài mòn hơn là thép không gỉ hoặc thép dụng cụ.
• Đây không phải là thép không gỉ, cũng không phải là thép dụng cụ thông thường; chúng được thiết kế để chống mài mòn với khả năng làm cứng và độ dẻo dai được kiểm soát.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thành phần của các loại thép NM chịu mài mòn được điều chỉnh để đạt được sự cân bằng giữa độ cứng, độ bền, độ dẻo dai và khả năng hàn. Thành phần chính xác thay đổi tùy theo nhà cung cấp và tiêu chuẩn quốc gia; bảng dưới đây tóm tắt các vai trò hợp kim điển hình thay vì tỷ lệ phần trăm chính xác.

Bảng: Sự nhấn mạnh về thành phần điển hình của NM400 so với NM400HB

Yếu tố	Vai trò và sự nhấn mạnh mong đợi (chất lượng)
C	Yếu tố làm cứng chính — hàm lượng thấp đến trung bình để có thể làm nguội/rau trong khi vẫn duy trì khả năng hàn.
Mn	Chất tăng cường độ bền và khả năng làm cứng; thường có ở mức độ vừa phải để hỗ trợ quá trình cán và xử lý nhiệt cơ.
Si	Chất khử oxy và tăng độ bền; thường ở mức thấp đến trung bình.
P	Được kiểm soát như tạp chất — giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai.
S	Được kiểm soát như tạp chất — giữ ở mức thấp; S cao hơn sẽ cải thiện khả năng gia công nhưng làm giảm độ dẻo dai.
Cr	Có thể có hàm lượng thấp để tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn; không phải là tác nhân chính gây gỉ sét.
Ni	Nói chung là thấp hoặc không có; chỉ được thêm vào khi nhu cầu về độ dẻo dai được chỉ định.
Mo	Có thể bổ sung thêm một lượng nhỏ để cải thiện khả năng làm cứng và khả năng chịu nhiệt.
V	Hợp kim vi mô để tinh chế hạt và tăng cường kết tủa — thường ở mức vết đến thấp.
Nb (Nb/Ta)	Làm mịn và tăng cường hạt bằng cách kết tủa trong tấm gia công cơ nhiệt; sử dụng với lượng được kiểm soát.
Ti	Vai trò hợp kim hóa vi mô/khử oxy hóa; thỉnh thoảng có mặt để kiểm soát tạp chất.
B	Có thể sử dụng lượng bổ sung rất thấp để tăng khả năng làm cứng nếu được kiểm soát theo tiêu chuẩn.
N	Được kiểm soát như tạp chất; hàm lượng N cao hơn có thể kết hợp với các nguyên tố khác nhưng thường ở mức thấp để bảo vệ độ dẻo dai.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan là những yếu tố chính quyết định độ cứng và khả năng tôi luyện: hàm lượng C tăng làm tăng độ cứng đạt được nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) làm mịn kích thước hạt austenit trước đó và cho phép kết hợp độ bền-độ dẻo dai tốt hơn mà không có quá nhiều cacbon. - Một lượng nhỏ Cr và Mo làm tăng khả năng tôi cứng và ổn định khi ram, giúp duy trì độ cứng ở các tấm dày hơn. - Các nhà cung cấp điều chỉnh thành phần để đáp ứng thông số kỹ thuật cơ học theo cấp độ (NM400) hoặc sản phẩm được kiểm tra độ cứng rõ ràng (NM400HB).

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng dự kiến ​​khi xử lý nhiệt:

• Tình trạng sản xuất:
• Tấm thép thương mại loại NM400 thường được sản xuất bằng phương pháp cán và tôi/ram có kiểm soát hoặc làm nguội nhanh sau khi cán nóng. Cấu trúc vi mô thu được nhằm mục đích chống mài mòn là martensite và/hoặc bainite ram, với các hạt carbide mịn và cấu trúc hạt austenite tinh chế.

• Các lô hàng NM400HB, trong đó chấp nhận độ cứng là yếu tố kiểm soát chính, có thể được xử lý để đảm bảo phân phối độ cứng Brinell mục tiêu thông qua các công thức làm nguội/ram tương tự hoặc làm mát có kiểm soát.

• Chuẩn hóa:

• Chuẩn hóa có thể tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra cấu trúc vi mô ban đầu đồng nhất; tuy nhiên, đối với các cấp độ mài mòn, quá trình làm nguội/rau củ và làm mát có kiểm soát tiếp theo là những phương pháp phổ biến hơn.

• Làm nguội và ram:

• Quá trình tôi và ram tạo ra độ cứng cao (ram martensite ở mức độ kiểm soát) và cho phép điều chỉnh độ dẻo dai bằng nhiệt độ ram; các phần dày hơn cần được kiểm soát chính xác để tránh các vùng cứng không mong muốn.

• Xử lý kiểm soát nhiệt cơ:

• Cán nhiệt cơ học kết hợp làm nguội nhanh thường được sử dụng trong sản xuất tấm để thu được cấu trúc bainit/martensit mịn có độ dẻo dai tốt và giảm sự phụ thuộc vào hàm lượng cacbon cao.

Cấu trúc vi mô tương phản: - Cả NM400 và NM400HB đều nhắm đến các cấu trúc vi mô cơ bản tương tự; sự khác biệt thực tế là NM400HB được xác thực dựa trên các phép đo độ cứng, điều này có thể khiến các nhà sản xuất phải thay đổi một chút phương pháp xử lý nhiệt để đảm bảo đáp ứng được ngưỡng độ cứng trên toàn bộ độ dày tấm và vùng bề mặt.

4. Tính chất cơ học

Các đặc tính cơ học thường được xác định theo độ bền kéo, giới hạn chảy, độ giãn dài, độ bền va đập và độ cứng. Vì NM400 là tên gọi của một loại thép, trong khi NM400HB nhấn mạnh vào độ cứng, nên các loại đặc tính cơ học tương tự nhau nhưng khác nhau về cách thức đảm bảo.

Bảng: Nhấn mạnh tính chất cơ học (so sánh định tính)

Tài sản	NM400 (cấp độ cụ thể)	NM400HB (độ cứng được chỉ định)
Độ bền kéo	Cao — được chỉ định bởi các yêu cầu thử nghiệm cơ học (phụ thuộc vào nhà cung cấp)	Cao — gián tiếp được kiểm soát bởi độ cứng chấp nhận
Sức chịu lực	Cao — phù hợp với thông số kỹ thuật về độ bền kéo	Cao — phù hợp với cửa sổ độ cứng
Độ giãn dài (độ dẻo)	Mức tối thiểu được chỉ định để đảm bảo độ dẻo dai	Có thể là thứ yếu so với độ cứng; các nhà cung cấp thường đảm bảo độ dẻo chấp nhận được
Độ bền va đập	Thường được chỉ định (Charpy) cho các ứng dụng quan trọng	Có thể hoặc không thể được chỉ định; tiêu chí độ cứng có thể che giấu độ giòn cục bộ trừ khi bao gồm các thử nghiệm va đập
Độ cứng	Được chỉ định là phạm vi mục tiêu nhưng có thể kết hợp với các thử nghiệm cơ học	Được chỉ định và thử nghiệm rõ ràng, thường thông qua phương pháp Brinell (HB)

Cái nào bền hơn, cứng hơn hay dẻo hơn: - Độ bền: Cả hai đều được thiết kế để có độ bền cao tương tự nhau; vật liệu có độ cứng được chỉ định có xu hướng tạo ra độ cứng bề mặt đồng nhất trên các lô hàng. - Độ dẻo dai và độ dai: Khi độ dẻo dai và khả năng chống va đập là yếu tố quan trọng, nên sử dụng thép NM400 được chỉ định theo cấp độ với thử nghiệm độ dẻo dai rõ ràng vì độ cứng không thể mô tả đầy đủ hiện tượng nứt gãy. Thép NM400HB có thể hoạt động tương đương trong nhiều trường hợp, nhưng phải kèm theo dữ liệu độ dẻo dai cho các mục đích sử dụng quan trọng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, các phép đo hợp kim tương đương và các nguyên tố hợp kim vi mô. Các công thức cacbon tương đương phổ biến được sử dụng để ước tính khả năng hàn bao gồm:

• Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Giải thích định tính: - Hàm lượng cacbon thấp và Mn vừa phải tạo ra khả năng hàn tốt hơn. Các nguyên tố vi hợp kim làm tăng khả năng tôi cứng (Cr, Mo, V, Nb) sẽ làm tăng các chỉ số này và do đó làm tăng nguy cơ cứng hóa vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nứt nguội nếu việc kiểm soát quá trình nung nóng trước và quá trình hàn xen kẽ không đầy đủ. - Thép loại NM400 thường có thể hàn được bằng các quy trình phù hợp (nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, sử dụng kim loại điền đầy phù hợp, xử lý nhiệt sau hàn nếu cần). Do được xác nhận về độ cứng, thép loại NM400HB có thể yêu cầu quy trình hàn nghiêm ngặt hơn nếu mục tiêu độ cứng cao hoặc nếu kim loại nền chứa các nguyên tố làm tăng khả năng tôi; đảm bảo quy trình hàn được phê duyệt có tính đến độ cứng chấp nhận được và các đặc tính HAZ.

Thực hành tốt nhất: - Sử dụng tính toán CE hoặc Pcm để chọn điều kiện nung nóng trước/chuyển tiếp và kim loại độn. - Đối với các kết cấu quan trọng, yêu cầu kiểm tra chất lượng quy trình hàn bao gồm kiểm tra độ cứng và độ dẻo dai của các mối hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Phân loại không gỉ: NM400 và NM400HB không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn của chúng là đặc trưng của thép cacbon hợp kim thấp.
• Chiến lược bảo vệ bề mặt:
• Hệ thống sơn, lớp phủ epoxy và lớp lót polymer thường được sử dụng cho môi trường khí quyển và hóa chất nhẹ.
• Có thể sử dụng phương pháp mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ kim loại khi cần bảo vệ hy sinh, mặc dù phương pháp xử lý bề mặt phải tương thích với độ cứng cần thiết và quy trình chế tạo tiếp theo.
• Trong dịch vụ mài mòn nặng kết hợp với môi trường ăn mòn, các chiến lược song công (lớp phủ + lớp hy sinh) được sử dụng.
• Công thức PREN (chống rỗ) không áp dụng cho các hợp kim không phải thép không gỉ sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Làm rõ: Vì NM400/NM400HB không phụ thuộc vào Cr, Mo và N để có khả năng chống ăn mòn như hợp kim thép không gỉ nên PREN không phải là chỉ số liên quan.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Cắt: Thép chống mài mòn khó cắt hơn; plasma, oxy-nhiên liệu, laser và tia nước là những phương pháp cắt phổ biến. Độ mài mòn dụng cụ cao hơn do độ cứng cao hơn.
• Gia công: Độ cứng và độ bền cao hơn làm giảm khả năng gia công. Gia công dễ dàng hơn khi sản xuất ở trạng thái ủ hoặc có độ cứng thấp hơn; vật liệu có độ cứng quy định có thể yêu cầu dụng cụ chắc chắn hơn và tốc độ cấp liệu chậm hơn.
• Tạo hình/Uốn: Độ dẻo và độ đàn hồi phụ thuộc vào nhiệt độ và độ cứng. Việc uốn các tấm có độ cứng cao sẽ hạn chế hơn; cần uốn trước và thiết kế khuôn cẩn thận. Đối với tạo hình bán kính hẹp, hãy chọn độ cứng thấp hơn hoặc thực hiện tạo hình trước khi xử lý nhiệt cuối cùng nếu có thể.
• Hoàn thiện: Mài bề mặt, phun bi hoặc gia công cứng sau xử lý thường được sử dụng để kéo dài tuổi thọ trong các ứng dụng chịu mài mòn nghiêm trọng.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Các ứng dụng điển hình — NM400 so với NM400HB

NM400 (cấp độ cụ thể)	NM400HB (độ cứng được chỉ định)
Lớp lót máng và tấm phễu khi cần có chứng chỉ kiểm tra độ bền và cơ học cụ thể	Lớp lót và tấm mài mòn được bán với độ cứng Brinell được chấp nhận để mua sắm trực tiếp tuổi thọ mài mòn
Gầu xúc, môi máy xúc nơi quy trình hàn và thử nghiệm độ bền được chỉ định	Tấm mài mòn cho lớp lót cố định, màn hình và băng tải nơi độ cứng kiểm soát chu kỳ thay thế
Các thành phần cấu trúc trong thiết bị khai thác có yêu cầu Charpy cụ thể	Lớp phủ chống mài mòn khi độ cứng đồng đều là điều cần thiết
Các ứng dụng yêu cầu ma trận tính chất cơ học được chứng nhận (độ bền kéo, độ bền kéo, độ va đập)	Các bộ phận hao mòn khối lượng lớn được chỉ định theo độ cứng và dung sai kích thước

Cơ sở lựa chọn: - Chọn vật liệu có cấp độ quy định (NM400) khi ma trận tính chất cơ học tích hợp (độ bền, độ dẻo và độ bền va đập) là cần thiết cho tính toàn vẹn của cấu trúc. - Chọn vật liệu có độ cứng được chỉ định (NM400HB) khi việc mua sắm được thúc đẩy bởi khả năng chống mài mòn có thể dự đoán được và tính đồng nhất về độ cứng trên các lô hoặc tấm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• Nhìn chung, chi phí kim loại cơ bản tương tự, nhưng giá giao hàng NM400HB có thể thấp hơn một chút tính theo tấn trong quá trình mua sắm hàng hóa vì việc chấp nhận thông qua độ cứng giúp đơn giản hóa quá trình kiểm tra đối với một số nhà cung cấp.
• Ngược lại, khi cần thử nghiệm cơ học bổ sung hoặc hồ sơ chứng nhận (độ bền, PMI, UT), NM400 được chỉ định với các thử nghiệm đó có thể phải chịu chi phí cao hơn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Các thành phần chế tạo dạng tấm, lá và hàn thường có sẵn từ nhiều nhà cung cấp ở nhiều khu vực. Khả năng cung cấp tại địa phương phụ thuộc vào năng lực của nhà sản xuất về khả năng làm mát có kiểm soát và kiểm soát độ cứng.
• Các kích thước hoặc độ dày đặc biệt có dung sai về độ cứng hoặc độ dẻo dai nghiêm ngặt có thể cần thời gian thực hiện lâu hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: Tóm tắt so sánh nhanh (định tính)

Tiêu chí	NM400 (cấp)	NM400HB (dựa trên độ cứng)
Khả năng hàn	Tốt với các quy trình tiêu chuẩn; được kiểm soát rõ ràng bằng các thử nghiệm cơ học	Tốt nhưng cần chú ý nếu độ cứng cao; theo dõi độ cứng HAZ
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về cơ học và độ bền	Độ bền được đảm bảo thông qua độ cứng; độ dẻo dai phải được yêu cầu riêng
Trị giá	Biến đổi — có thể cao hơn nếu cần thử nghiệm mở rộng	Thường tiết kiệm chi phí cho những lần mua hạn chế hao mòn
Trọng tâm kiểm tra	Ma trận thử nghiệm cơ học, thử nghiệm va đập và chứng chỉ	Kiểm tra độ cứng (Brinell) là tiêu chí chấp nhận chính

Khuyến nghị kết luận: - Chọn NM400 nếu ứng dụng của bạn yêu cầu ma trận tính chất cơ học được chứng nhận (bao gồm năng lượng va đập Charpy, giá trị kéo và giới hạn chảy) và khi độ bền gãy và hành vi vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của mối hàn là rất quan trọng. Đây là lựa chọn an toàn hơn cho các bộ phận kết cấu hoặc liên quan đến an toàn. - Chọn NM400HB nếu yếu tố mua sắm là tuổi thọ mài mòn có thể dự đoán được với việc kiểm tra độ cứng đơn giản, và khi độ bền hoặc nhu cầu về kết cấu chỉ là yếu tố thứ yếu hoặc được giải quyết bằng thiết kế. NM400HB phù hợp cho các chi tiết chịu mài mòn khối lượng lớn hoặc lớp lót thay thế, trong đó độ cứng đồng đều giữa các lần giao hàng giúp đơn giản hóa việc lập kế hoạch vòng đời.

Các bước thực tế tiếp theo dành cho kỹ sư và quản lý mua sắm: - Ghi rõ cả các thử nghiệm cơ học cần thiết (ví dụ: thử kéo, thử va đập) và phương pháp chấp nhận độ cứng trong tài liệu mua hàng để loại bỏ sự mơ hồ. - Nếu sử dụng NM400HB, cần có độ bền Charpy/HAZ hoặc trình độ hàn tiêu biểu trong điều kiện dịch vụ bao gồm tải trọng va đập hoặc tải trọng động. - Sử dụng các phép tính $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ trong quá trình thiết kế quy trình hàn và bao gồm các điều khiển làm nóng trước và xen kẽ trong các thông số kỹ thuật hàn cho các phần dày hơn hoặc hóa chất có độ cứng cao hơn.

Bằng cách kết hợp lựa chọn với chế độ kiểm soát lỗi (mài mòn so với gãy) và điều chỉnh các yêu cầu kiểm tra theo quy trình của nhà cung cấp, các nhóm có thể đảm bảo sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất, chi phí và rủi ro cho các ứng dụng thép chống mài mòn.