NM400 so với WNM400 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

NM400 và WNM400 là hai loại thép chống mài mòn (AR) có liên quan chặt chẽ với nhau, thường được chỉ định cho các bộ phận chịu mài mòn quan trọng như gầu, máng, phễu, ống lót và các bộ phận băng tải. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa các loại thép này, khi phải cân nhắc giữa tuổi thọ sử dụng so với chi phí mua, khả năng hàn so với độ bền xuyên suốt, và tính đơn giản trong chế tạo so với hiệu suất cơ học được tối ưu hóa.

Điểm khác biệt thực tế chính giữa hai loại này là WNM400 được sản xuất theo quy trình hợp kim hóa vi mô và/hoặc quy trình được kiểm soát nhằm tinh chỉnh cấu trúc vi mô và nâng cao hiệu suất (đặc biệt là độ bền và khả năng hàn) trong khi vẫn duy trì cùng cấp độ cứng danh nghĩa như NM400. Vì cả hai đều được sử dụng cho các ứng dụng mài mòn tương tự và thường được bán trong cùng dải độ cứng (khoảng giá trị HRC/HBW trong cấp 400), chúng thường được so sánh khi chỉ định các tấm, chi tiết chế tạo hoặc lớp lót thay thế.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn quốc gia và khu vực chung nơi thép AR xuất hiện:
• Trung Quốc: GB/T (phổ biến cho dòng NM)
• Nhật Bản: Tiêu chuẩn JIS và JFE/SSAB độc quyền
• Châu Âu: Tiêu chuẩn EN và thép AR độc quyền của nhà cung cấp
• Hoa Kỳ: ASTM/ASME thường tham chiếu đến thép chống mài mòn theo tên thương mại hoặc độ cứng thay vì một tên gọi hóa chất ASTM duy nhất
• Phân loại:
• NM400: Thép cacbon-mangan có độ cứng cao, chống mài mòn (thép AR) — thường là loại hợp kim thấp/HSLA hướng đến khả năng chống mài mòn.
• WNM400: Một biến thể của NM400 được sản xuất bằng phương pháp hợp kim hóa vi mô và xử lý có kiểm soát — vẫn là thép AR cùng loại nhưng có bổ sung hợp kim hóa vi mô được thiết kế và/hoặc xử lý nhiệt cơ học để cải thiện độ dẻo dai và/hoặc khả năng hàn.

Lưu ý: Cả NM400 và WNM400 đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều được thiết kế để chống mài mòn chứ không phải chống ăn mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	NM400 (sự hiện diện điển hình)	WNM400 (hiện diện điển hình)	Vai trò và bình luận
C	Thấp-trung bình	Thấp-trung bình (thường được kiểm soát tương tự)	Carbon mang lại khả năng làm cứng và độ bền nhưng lại làm giảm khả năng hàn và va đập ở nhiệt độ thấp nếu ở nhiệt độ quá cao.
Mn	Vừa phải	Vừa phải	Mangan làm tăng độ cứng và độ bền kéo; thường có trong thép AR.
Si	Thấp-trung bình	Thấp-trung bình	Silic là chất khử oxy và giúp tăng độ bền.
P	Rất thấp (được kiểm soát)	Rất thấp (được kiểm soát)	Phốt pho có hại cho độ dẻo dai và cần được giữ ở mức thấp.
S	Rất thấp (được kiểm soát)	Rất thấp (được kiểm soát)	Lưu huỳnh làm giảm khả năng gia công nhưng lại ảnh hưởng đến độ dẻo dai; mức độ được kiểm soát là tiêu chuẩn.
Cr	Nhỏ hoặc không có	Nhỏ hoặc không có	Crom có ​​thể có ở dạng vết; không phải là nguyên tố chính có khả năng chống ăn mòn.
Ni	Thông thường là không có	Thông thường là không có	Không thường được sử dụng trong thép AR loại NM tiêu chuẩn.
Mo	Thông thường không có hoặc có dấu vết	Thông thường không có hoặc có dấu vết	Mo hiếm khi được sử dụng ở các cấp độ này; có thể xuất hiện một lượng nhỏ.
V	Thông thường không có	Có dấu vết hợp kim vi mô (có thể)	Vanadi là hợp kim vi mô giúp tinh luyện hạt và góp phần tăng cường khả năng kết tủa.
Nb (Nb/Ta)	Thông thường không có	Có dấu vết hợp kim vi mô (có thể)	Niobi làm mịn hạt và cải thiện độ dẻo dai sau khi cán có kiểm soát.
Ti	Thông thường không có	Có dấu vết hợp kim vi mô (có thể)	Titan liên kết với nitơ và có thể làm mịn hạt nếu được thêm vào.
B	Thông thường không có	Đôi khi được sử dụng theo dõi để tăng độ cứng	Bo hiếm khi được sử dụng nhưng có thể làm tăng đáng kể khả năng tôi luyện với một lượng rất nhỏ.
N	Kiểm soát (còn lại)	Được kiểm soát (thường thấp hơn thông qua Ti)	Nitơ ảnh hưởng đến độ bền và độ dẻo dai; việc bổ sung Ti có thể loại bỏ N để cải thiện các đặc tính.

Ghi chú: - Bảng này sử dụng các mô tả định tính vì giới hạn hóa học chính xác thay đổi tùy theo nhà sản xuất và thông số kỹ thuật. Chiến lược xác định WNM400 là việc bổ sung một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti hoặc các kết hợp) một cách có chủ đích và/hoặc kiểm soát chặt chẽ hơn về mặt hóa học và quy trình chế biến để tinh chỉnh cấu trúc vi mô và giảm lượng cacbon tương đương để đạt được độ cứng mục tiêu. - Mức độ hợp kim vi mô nhỏ (ppm–hàng trăm ppm); chúng nhằm mục đích cải thiện khả năng kiểm soát hạt, cho phép đạt mục tiêu carbon thấp hơn với cùng độ cứng và cải thiện sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình (đã cán/làm nguội và ram hoặc đã qua xử lý AR):
• NM400: Được sản xuất để đạt được cấu trúc vi mô cứng, chống mài mòn (thường là martensite, bainite hoặc hỗn hợp martensite/bainite tùy thuộc vào độ dày và xử lý nhiệt). Quy trình xử lý thông thường tạo ra cấu trúc hạt từ thô đến trung bình tùy thuộc vào tốc độ cán và làm nguội.
• WNM400: Hợp kim vi mô và xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát (TMCP) có xu hướng tạo ra ma trận martensitic bainit/rau củ có hạt mịn hơn, đồng đều hơn với các chất kết tủa hợp kim vi mô phân tán giúp xác định ranh giới hạt và tăng độ dẻo dai.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách loại bỏ sự phân tách và tinh chỉnh kích thước hạt; WNM400 có lợi hơn vì các kết tủa hợp kim siêu nhỏ giúp ổn định các hạt mịn.
• Làm nguội & ram: Có thể áp dụng cho các chi tiết dày hơn hoặc cần độ bền cao hơn; quá trình ram sẽ điều chỉnh độ cứng và độ dai. Thép vi hợp kim có thể đạt độ cứng tương tự ở hàm lượng carbon tương đương thấp hơn một chút, giúp phản ứng ram thuận lợi hơn.
• Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): Nếu được áp dụng, TMCP sẽ cải thiện độ dẻo dai và độ bền ở cả hai khía cạnh; khái niệm WNM400 thường dựa vào TMCP cộng với hợp kim vi mô để tối ưu hóa các đặc tính mà không cần chu trình xử lý nhiệt nặng hơn.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	NM400 (hành vi điển hình)	WNM400 (hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Cao (được thiết kế để mặc)	Cao (tương tự hoặc cao hơn một chút do hợp kim vi mô và tinh chế)
Sức chịu lực	Cao	Cao; hợp kim vi mô có thể tăng nhẹ sản lượng ở độ cứng tương đương
Độ giãn dài (độ dẻo)	Trung bình đến thấp (phụ thuộc vào độ cứng và độ dày)	Thường được cải thiện (độ dẻo tốt hơn ở độ cứng tương đương thông qua quá trình tinh chế hạt)
Độ bền va đập	Biến đổi; có thể thấp hơn ở nhiệt độ thấp	Nói chung là tốt hơn; hợp kim vi mô và xử lý có kiểm soát cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp
Độ cứng (lớp danh nghĩa)	~400 lớp HB (phụ thuộc vào nhà cung cấp)	~400 lớp HB (mục tiêu có cùng độ cứng nhưng có độ dẻo dai tốt hơn)

Giải thích: - Mục tiêu cơ học chính của cả hai là khả năng chống mài mòn (độ cứng). WNM400 hướng tới việc duy trì độ cứng mong muốn đồng thời cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo dai thông qua các biện pháp luyện kim thay vì tăng hàm lượng carbon hoặc các nguyên tố có hại khác. - Trên thực tế, WNM400 có thể cho phép sử dụng an toàn hơn ở những phần dày hơn hoặc trong môi trường lạnh hơn, nơi NM400 có thể giòn hơn.

5. Khả năng hàn

• Nhận xét chung:
• Khả năng hàn của thép AR được xác định bởi hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (khả năng tôi), độ dày và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô.
• Thép hợp kim vi mô có thể được thiết kế để có hàm lượng cacbon hiệu dụng thấp hơn cho độ cứng nhất định, cải thiện yêu cầu gia nhiệt trước/sau và giảm nguy cơ nứt.
• Chỉ số hữu ích:
• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm (tham số khả năng hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Giải thích:
• $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn (nguy cơ nứt nguội thấp hơn và kiểm soát lượng nhiệt đầu vào dễ dàng hơn).
• WNM400 thường được thiết kế để đạt được hàm lượng cacbon hiệu dụng thấp hơn cho cùng độ cứng thông qua quá trình kết tủa hợp kim vi mô và kiểm soát quy trình, có thể giảm nhu cầu gia nhiệt trước và nhu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn.
• Tuy nhiên, cả hai loại đều yêu cầu các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn: thiết kế mối nối phù hợp, vật tư tiêu hao thích hợp (kim loại hàn phù hợp hoặc mềm hơn), kiểm soát nhiệt đầu vào và xử lý nhiệt trước/sau khi gia nhiệt khi cần thiết theo độ dày, hạn chế hoặc yêu cầu làm lạnh.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả NM400 và WNM400 đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và không phải là mục tiêu thiết kế cố hữu.
• Chiến lược bảo vệ bề mặt:
• Lớp phủ bảo vệ (sơn, lớp lót polyme) hoặc mạ kẽm nếu cần (lưu ý: mạ kẽm trên tấm AR không phổ biến vì dễ bị mài mòn).
• Hàn lớp phủ hoặc lớp ốp bằng hợp kim chống ăn mòn khi cần bảo dưỡng.
• PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• PREN chỉ liên quan đến hợp kim thép không gỉ; không áp dụng cho các loại NM/WNM vì hàm lượng Cr/Mo/N của chúng không nằm trong phạm vi thép không gỉ.

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

• Cắt:
• Cắt plasma hoặc cắt oxy-nhiên liệu và cắt tia nước mài mòn là phổ biến. Độ cứng cao hơn làm giảm tốc độ cắt và tăng độ mài mòn.
• Uốn/tạo hình:
• Thép AR khó định hình hơn thép mềm; uốn cục bộ có thể bị nứt nếu độ dẻo thấp. Độ dẻo được cải thiện của WNM400 giúp ích nhưng không loại bỏ được các hạn chế về tạo hình.
• Khả năng gia công:
• Nhìn chung kém hơn so với thép mềm. Dụng cụ cacbua và tốc độ cắt/tiến độ cắt giảm là đặc trưng. WNM400 có thể gia công tốt hơn một chút nếu hàm lượng cacbon tương đương được giảm.
• Hoàn thiện:
• Mài và phun bi thường được yêu cầu để xử lý bề mặt ghép nối và chuẩn bị mối hàn; độ mài mòn tăng theo độ cứng.

8. Ứng dụng điển hình

NM400 (sử dụng thông thường)	WNM400 (sử dụng thông thường)
Tấm chịu mài mòn đa năng dành cho máy nghiền, phễu, máng và gầu xúc, nơi mà tuổi thọ chịu mài mòn tiêu chuẩn và kiểm soát chi phí là ưu tiên hàng đầu.	Tấm chịu mài mòn và các thành phần cấu trúc trong các ứng dụng cần độ bền va đập được cải thiện, các phần dày hơn hoặc hiệu suất nhiệt độ lạnh tốt hơn (ví dụ: gầu xúc đất nặng, lớp lót ở vùng khí hậu đóng băng).
Máng băng tải, thùng xe ben, tấm sàng có nhu cầu độ bền vừa phải.	Các bộ phận chịu tải trọng va đập, tác động động hoặc cụm hàn cần giảm nhiệt độ trước/sau gia nhiệt.
Sàn nhà và lớp lót chống mài mòn tại các nhà máy có lịch trình thay thế và chi phí là rất quan trọng.	Các thành phần chế tạo quan trọng mà chi phí thời gian chết biện minh cho chi phí vật liệu cao hơn để có độ tin cậy cao hơn.

Cơ sở lựa chọn: - Chọn NM400 khi khả năng chống mài mòn ở mức chi phí thấp nhất là yếu tố chính và điều kiện sử dụng không quá khắc nghiệt (va đập vừa phải, nhiệt độ môi trường xung quanh). - Chọn WNM400 khi độ bền được cải thiện, độ tin cậy trong các cụm hàn hoặc hiệu suất nhiệt độ thấp tốt hơn giúp giảm chi phí vòng đời.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• NM400: Nhìn chung, chi phí trên mỗi tấn thấp hơn do thành phần hóa học đơn giản hơn và quen thuộc hơn với quy trình sản xuất.
• WNM400: Thông thường có giá cao hơn do hợp kim vi mô được kiểm soát, quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và chu trình cán/xử lý có thể khắt khe hơn.
• Khả dụng:
• Tấm loại NM400 có sẵn rộng rãi từ nhiều nhà cung cấp với độ dày và kích thước phổ biến.
• WNM400 có thể được cung cấp từ các nhà sản xuất và nhà cung cấp lớn có khả năng TMCP; thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu có thể dài hơn. Tình trạng sẵn có tại thị trường địa phương thay đổi tùy theo khu vực và hàng tồn kho của nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	NM400	WNM400
Khả năng hàn	Tốt (biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn)	Tốt hơn (được thiết kế để cải thiện khả năng hàn ở độ cứng tương đương)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ cứng cao, độ dẻo dai vừa phải	Độ cứng tương tự, độ dẻo dai được cải thiện nhờ hợp kim hóa và chế biến vi mô
Trị giá	Thấp hơn (nói chung)	Cao hơn (nói chung)

Phần kết luận: - Chọn NM400 nếu: yêu cầu chính của bạn là khả năng chống mài mòn với mức giá tiết kiệm nhất, điều kiện sử dụng vừa phải (tải trọng va đập hạn chế và nhiệt độ vừa phải) và quá trình chế tạo sử dụng các phương pháp hàn và cắt tiêu chuẩn. - Chọn WNM400 nếu: bạn cần cùng độ cứng được phân loại nhưng cũng cần độ dẻo dai xuyên suốt chiều dày được cải thiện, khả năng hoạt động tốt hơn trong các sản phẩm hàn (giảm nhu cầu gia nhiệt trước/sau gia nhiệt) hoặc hiệu suất được cải thiện trong các phần dày hơn hoặc môi trường lạnh hơn mà giá thành hợp lý.

Lưu ý cuối cùng: Vì quy trình sản xuất và hóa chất của các nhà sản xuất khác nhau, hãy luôn yêu cầu bảng dữ liệu cụ thể của nhà cung cấp (phân tích hóa học, bản đồ độ cứng, dữ liệu độ bền Charpy và quy trình hàn được khuyến nghị) và nếu có thể, hãy yêu cầu một miếng hàn thử hoặc mối hàn mẫu để xác nhận hiệu suất cho ứng dụng cụ thể của bạn.