NM400 so với NM450 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

NM400 và NM450 là loại thép chống mài mòn (AR) cường độ cao được sử dụng rộng rãi, chuyên dùng cho các ứng dụng mà độ mài mòn bề mặt chi phối tuổi thọ linh kiện: gầu xúc, máng xối, ống lót, máy nghiền và các dụng cụ tiếp đất hạng nặng. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường quyết định lựa chọn giữa chúng dựa trên sự cân bằng giữa khả năng chống mài mòn, độ bền, khả năng hàn, khả năng sản xuất và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc liệu chi phí vật liệu ban đầu cao hơn để có khả năng chống mài mòn tốt hơn có hợp lý với tuổi thọ dài hơn hay liệu độ bền va đập tốt hơn và khả năng chế tạo dễ dàng hơn có quan trọng hơn không.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này là mức độ chống mài mòn được thiết kế: NM450 được chỉ định và xử lý để mang lại độ cứng cao hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn NM400, trong khi NM400 được tối ưu hóa để có cấu hình độ bền-độ dẻo dai-chế tạo cân bằng hơn. Vì cả hai loại thép đều nhắm đến các dòng sản phẩm tương tự (tấm, lớp lót và tiết diện), chúng thường được so sánh khi tối ưu hóa tuổi thọ linh kiện, chu kỳ bảo trì và tổng chi phí sở hữu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Thép loại NM thường được sử dụng trong các tiêu chuẩn quốc gia và khu vực về thép cacbon/hợp kim chống mài mòn hơn là các tiêu chuẩn thép không gỉ hoặc dụng cụ quốc tế.

• GB (Trung Quốc): NM400, NM450 xuất hiện trong các tiêu chuẩn của Trung Quốc về thép chịu mài mòn (thường được tham chiếu trong giấy chứng nhận mua sắm và nhà máy).
• EN (Châu Âu): Các sản phẩm tương đương được bán trên thị trường dưới tên như AR400/AR450 hoặc theo họ EN 10029/10051; việc trao đổi trực tiếp một-một đòi hỏi phải kiểm tra giấy chứng nhận của nhà máy.
• JIS (Nhật Bản) / ASTM/ASME (Hoa Kỳ): Các tiêu chuẩn này cung cấp các họ riêng biệt cho thép chống mài mòn và tấm có độ cứng cao (ví dụ: ASTM A611, A514 hoặc AR400 tương đương), nhưng một lần nữa, tên cấp sẽ khác nhau — hãy kiểm tra thành phần hóa học và cơ học thay vì chỉ tên.

Phân loại: NM400 và NM450 là thép cacbon/hợp kim chống mài mòn, thường được coi là thuộc nhóm thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) và thép tôi/ram rộng hơn là thép dụng cụ hoặc thép không gỉ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là so sánh định tính về các phương pháp thiết kế hóa chất phổ biến cho từng loại. Thành phần chính xác thay đổi tùy theo nhà máy và phải được xác nhận bằng chứng chỉ vật liệu cho bất kỳ ứng dụng quan trọng nào.

Yếu tố	NM400 (ý định thiết kế điển hình)	NM450 (ý định thiết kế điển hình)
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp-trung bình để cân bằng độ cứng và độ dẻo dai	Hàm lượng carbon vừa phải, thường cao hơn NM400 để hỗ trợ độ cứng cao hơn
Mn (Mangan)	Mn vừa phải để tăng cường độ bền và khả năng làm cứng	Mn tăng vừa phải để hỗ trợ khả năng làm cứng và độ bền
Si (Silic)	Bổ sung nhỏ để khử oxy và tăng cường sức mạnh	Tương tự như NM400; mức độ được kiểm soát
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp (kiểm soát tạp chất)	Giữ ở mức thấp
S (Lưu huỳnh)	Thấp, được kiểm soát (giảm thiểu tạp chất)	Thấp, được kiểm soát
Cr (Crom)	Có thể có mặt với số lượng nhỏ để cải thiện tình trạng hao mòn	Thường cao hơn một chút hoặc được kiểm soát về khả năng làm cứng và chống mài mòn
Ni (Niken)	Thông thường là tối thiểu hoặc không có	Tối thiểu hoặc được kiểm soát nếu mục tiêu là tăng cường độ dẻo dai
Mo (Molypden)	Có thể sử dụng với số lượng nhỏ để tăng khả năng làm cứng	Được sử dụng trong một số công thức nấu ăn để cải thiện khả năng làm cứng và khả năng chống tôi luyện
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Có thể bổ sung thêm hợp kim siêu nhỏ để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai	Có thể bao gồm hợp kim vi mô để cải thiện độ bền và độ dẻo dai ở độ cứng cao hơn
B (Bo)	Không phải là một tính năng thiết kế chính nhưng có thể được sử dụng với số lượng nhỏ để tăng khả năng làm cứng	Có thể thêm dấu vết vào một số nhà máy
N (Nitơ)	Được kiểm soát để tránh giòn	Được kiểm soát

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. Hàm lượng cacbon cao hơn tạo ra độ cứng cao hơn cho một quá trình xử lý nhiệt nhất định nhưng lại có xu hướng làm giảm độ dẻo và làm phức tạp quá trình hàn. - Bổ sung một lượng nhỏ Cr và Mo làm tăng khả năng tôi cứng và khả năng chống mài mòn cũng như cải thiện khả năng chịu nhiệt. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ bền mà không cần quá nhiều cacbon, cải thiện độ dẻo dai ở mức độ cứng cao. - Lưu huỳnh và phốt pho được kiểm soát vì chúng làm giảm độ dẻo dai và có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn.

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

Các tuyến sản xuất điển hình bao gồm quá trình cán/nhiệt cơ học có kiểm soát, làm nguội và ram (Q&T) và trong một số trường hợp là làm nguội nhanh để tạo ra cấu trúc bainit hoặc ram martensit.

NM400 - Được sản xuất để đạt được ma trận martensite hoặc ma trận bainite/martensite mịn tùy thuộc vào quá trình chế biến. - Cán nhiệt cơ học với quá trình làm mát có kiểm soát tạo ra cấu trúc ferit-pearlit hoặc bainit tinh chế với các pha cứng cục bộ; các biến thể Q&T tạo ra martensite tôi luyện để có độ cứng cao hơn. - Phản ứng với xử lý nhiệt: độ cứng vừa phải cho phép đạt được độ cứng mục tiêu với các chu trình làm nguội thông thường; quá trình ram giúp phục hồi độ dẻo dai.

NM450 - Được xử lý để đạt được độ cứng cao hơn; cấu trúc vi mô điển hình hướng đến bainite mịn hơn, có độ bền cao hơn hoặc martensite đã tôi luyện với tỷ lệ thành phần cứng lớn hơn. - Cán nhiệt cơ học với phương pháp làm nguội mạnh hơn hoặc Q&T được thiết kế để có khả năng làm cứng cao hơn là phương pháp phổ biến. - Phản ứng với xử lý nhiệt: yêu cầu chu kỳ nhiệt hơi khác nhau để tránh độ giòn quá mức trong khi vẫn tối đa hóa độ cứng; quá trình ram rất quan trọng để cân bằng độ bền và độ dẻo dai.

Hậu quả thực tế - Cấu trúc vi mô của NM450 được đẩy lên độ cứng cao hơn và pha chống mài mòn; điều này cải thiện tuổi thọ mài mòn nhưng đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ hơn về tốc độ xử lý nhiệt và làm mát để duy trì độ dẻo dai. - Chu trình chuẩn hóa hoặc giảm ứng suất được sử dụng theo cách khác nhau: tôi quá mức hoặc làm mát không đúng cách có thể làm giảm hiệu suất chống mài mòn; tôi không đủ có thể để lại các cấu trúc vi mô giòn.

4. Tính chất cơ học

Được cung cấp dưới dạng so sánh định tính; tính chất cơ học chính xác phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm, độ dày và xử lý nhiệt của nhà máy.

Tài sản	NM400	NM450
Độ bền kéo	Cao (hướng dịch vụ)	Cao hơn NM400
Sức chịu lực	Cao	Cao hơn NM400
Độ giãn dài (độ dẻo)	Trung bình — cân bằng tốt	Thấp hơn một chút so với NM400 ở độ cứng tương đương
Độ bền va đập	Sự cân bằng tốt hơn giữa độ dẻo dai và độ cứng	Có thể thấp hơn nếu độ cứng được tối đa hóa; các nhà sản xuất thường điều chỉnh để có độ dẻo dai phù hợp
Độ cứng (bề mặt/độ cứng)	Được thiết kế để đạt hiệu suất độ cứng ~400 HB (cơ sở chỉ định)	Được thiết kế để đạt hiệu suất độ cứng ~450 HB (cơ sở chỉ định)

Tại sao những khác biệt này xảy ra - NM450 hướng tới độ cứng cao hơn để chống mài mòn bằng cách tăng hàm lượng cacbon, hợp kim hoặc xử lý khác nhau; điều này làm tăng độ bền kéo và độ bền chảy nhưng có thể làm giảm độ giãn dài và độ bền va đập nếu không cân bằng với hợp kim và xử lý nhiệt. - NM400 thường được lựa chọn khi cần cân bằng giữa độ bền và khả năng chống mài mòn, đặc biệt là khi va đập và vết xước là đáng kể.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phần lớn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim vi mô. Hai công thức thực nghiệm phổ biến được sử dụng để đánh giá nguy cơ nứt nguội do hydro và làm cứng vùng ảnh hưởng nhiệt là:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Diễn giải (định tính) - Hàm lượng carbon cao hơn, hàm lượng Mn cao hơn và việc bổ sung Cr/Mo/V làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, cho thấy khả năng tôi cứng cao hơn và nguy cơ cứng và nứt vùng HAZ cao hơn. NM450 thường cho thấy các chỉ số cao hơn NM400, ngụ ý yêu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn chặt chẽ hơn. - Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) làm tăng độ bền nhưng có thể làm tăng khả năng tôi cứng; tuy nhiên, mức độ được kiểm soát và quy trình hàn thích hợp sẽ giảm thiểu nguy cơ nứt. - Khuyến nghị thực tế: sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, làm nóng trước các phần dày hơn hoặc thép $CE$ cao, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xem xét PWHT hoặc quản lý nhiệt cục bộ khi hàn NM450 ở các phần dày.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

NM400 và NM450 là thép cacbon/hợp kim không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và không phải là đặc tính vốn có của chúng.

• Bảo vệ không gỉ: các biện pháp bảo vệ bề mặt phổ biến bao gồm sơn, lớp phủ chống mài mòn, lớp phủ phun nhiệt và mạ kẽm nhúng nóng (nếu phù hợp với môi trường làm việc). Trong hầu hết các môi trường mài mòn, lớp phủ hy sinh sẽ nhanh chóng bị ăn mòn; thường thì lớp lót chịu mài mòn được sử dụng làm lớp hy sinh có thể thay thế.
• Khi xem xét các chỉ số ăn mòn giống thép không gỉ, công thức PREN được sử dụng cho các loại thép không gỉ; công thức này không áp dụng cho các loại thép không gỉ NM:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

• Làm rõ: Cấp NM không được thiết kế để chống ăn mòn; tiêu chuẩn PREN và thép không gỉ không liên quan trừ khi thành phần hóa học của hợp kim cố ý bao gồm Cr/Mo và N đáng kể (trong trường hợp đó, vật liệu sẽ không phải là NM400/NM450 thông thường).

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

• Cắt: Độ cứng cao hơn của NM450 làm tăng độ mài mòn dụng cụ trong quá trình cắt nhiệt và gia công cơ khí so với NM400. Các thông số cắt plasma và oxy-nhiên liệu cần được điều chỉnh; có thể cần gia nhiệt trước và cắt chậm hơn để tránh nứt.
• Uốn/tạo hình: Độ dẻo giảm ở độ cứng cao hơn có nghĩa là NM400 thường dễ tạo hình hơn; NM450 yêu cầu kiểm soát bán kính uốn chặt chẽ hơn và có thể phải gia nhiệt trước hoặc xử lý nhiệt cục bộ đối với các hoạt động tạo hình khắc nghiệt.
• Khả năng gia công: Cả hai đều khó gia công hơn thép mềm; NM450 thường khó gia công hơn do độ cứng cao hơn và có chứa cacbua mài mòn. Việc sử dụng dụng cụ cacbua, thiết lập cứng nhắc và các thông số bảo thủ là tiêu chuẩn.
• Hoàn thiện: Quá trình mài và hoàn thiện bề mặt cho NM450 đòi hỏi phải mài dụng cụ thường xuyên hơn và chú ý đến việc tạo nhiệt để tránh làm nóng bề mặt.

8. Ứng dụng điển hình

NM400 (sử dụng phổ biến)	NM450 (sử dụng phổ biến)
Lớp lót gầu xe tải và máy xúc nơi xảy ra va chạm và mài mòn vừa phải	Lớp lót, máng trượt và lưới chắn chịu mài mòn cao, chịu sự mài mòn nghiêm trọng trong đó tuổi thọ sử dụng được ưu tiên
Băng tải trượt, tấm mài mòn trong môi trường mài mòn vừa phải	Lớp lót máy nghiền, hàm nghiền chịu tải nặng và các ứng dụng mà mài mòn cắt/mài chiếm ưu thế
Các bộ phận cần sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền và độ mài mòn (ví dụ: máy phá đá)	Các bộ phận yêu cầu khả năng chống mài mòn tối đa và phải giảm thiểu thời gian thay thế

Cơ sở lựa chọn - Chọn NM400 khi các bộ phận chịu tác động và mài mòn kết hợp, yêu cầu độ dẻo dai và khả năng hàn tốt hơn hoặc khi tổng chi phí vật liệu thấp hơn với tần suất thay thế thường xuyên hơn là chấp nhận được. - Chọn NM450 khi mài mòn là chế độ hỏng chủ yếu và việc tối đa hóa thời gian giữa các lần bảo dưỡng hoặc thay thế quan trọng hơn chi phí vật liệu và chế tạo bổ sung.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: NM450 thường có giá cao hơn NM400 do hàm lượng hợp kim cao hơn, quy trình xử lý nghiêm ngặt hơn và yêu cầu kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn. Chênh lệch giá chính xác phụ thuộc vào thị trường, độ dày và nhà máy.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được sản xuất rộng rãi dưới dạng tấm và dạng lớp bởi các nhà máy lớn, nhưng tính khả dụng cho từng độ dày và điều kiện bề mặt cụ thể có thể khác nhau tùy theo khu vực. NM400 thường có sẵn với nhiều độ dày hơn; NM450 có thể được lưu kho theo kích thước tấm tiêu chuẩn và một số dải độ dày nhất định.

Cân nhắc về hình thức sản phẩm - Tấm, lớp lót cắt theo kích thước, cụm hàn và các thành phần chế tạo là những dạng sản phẩm phổ biến. Thời gian hoàn thiện và xử lý nhiệt tùy chỉnh tăng theo độ phức tạp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Đặc điểm	NM400	NM450
Khả năng hàn	Tốt hơn (độ cứng trung bình thấp hơn)	Yêu cầu khắt khe hơn (độ cứng cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng (độ dẻo và độ dai tốt)	Độ bền và độ cứng cao hơn; độ dẻo dai phải được thiết kế
Trị giá	Thấp hơn (nói chung)	Cao hơn (nói chung)

Sự giới thiệu - Chọn NM400 nếu: - Dịch vụ này bao gồm sự kết hợp đáng kể giữa tác động và mài mòn. - Khả năng chế tạo, khả năng hàn và độ dẻo rất quan trọng để giảm độ phức tạp khi sửa chữa. - Ưu tiên hàng đầu là chi phí vật liệu thấp hơn và hàn tại chỗ dễ dàng hơn.

• Chọn NM450 nếu:
• Mài mòn là chế độ hỏng hóc chủ yếu và việc tối đa hóa tuổi thọ có giá trị hơn vật liệu ban đầu và chi phí chế tạo.
• Quá trình thiết kế và chế tạo có thể đáp ứng được yêu cầu kiểm soát hàn và xử lý nhiệt chặt chẽ hơn.
• Các bộ phận là lớp lót hoặc linh kiện có thể thay thế, trong đó độ cứng cao hơn có nghĩa là ít can thiệp hơn.

Những cân nhắc cuối cùng - Luôn kiểm tra chứng chỉ của nhà máy về tính chất hóa học và cơ học thực tế trước khi chỉ định hoặc chấp nhận vật liệu. - Đối với các thành phần quan trọng, hãy yêu cầu bản đồ độ cứng, hồ sơ xử lý nhiệt và nếu cần, dữ liệu độ bền va đập ở nhiệt độ sử dụng dự kiến. - Các cuộc thử nghiệm thí điểm, thử nghiệm thực địa hoặc thử nghiệm mài mòn trong điều kiện dịch vụ tiêu biểu thường cung cấp cơ sở tốt nhất cho việc lựa chọn cấp độ cuối cùng và tính toán tổng chi phí sở hữu.