NM450 so với NM500 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

NM450 và NM500 là thép chịu mài mòn cường độ cao được sản xuất thương mại, thường được chỉ định cho những nơi chịu mài mòn nghiêm trọng và chịu tải trọng va đập mạnh — ví dụ như gầu xúc đất, ống lót máy nghiền và thiết bị khai thác mỏ. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường xuyên đánh giá chúng khi cân bằng tuổi thọ chịu mài mòn, độ bền va đập, khả năng hàn và tổng chi phí vòng đời.

Sự đánh đổi cốt lõi giữa hai loại thép này là quyết định kinh điển về độ cứng so với độ dẻo dai: loại thép NM500 có ký hiệu cao hơn được thiết kế để mang lại độ cứng bề mặt cao hơn và do đó kéo dài tuổi thọ mài mòn trong nhiều ứng dụng trượt/lõi mài mòn, trong khi NM450 thường có khả năng chống gãy do va đập tốt hơn một chút và độ dẻo dai được cải thiện khi gia công tương đương. Vì cả hai loại thép đều được gia công bằng phương pháp tôi và ram có kiểm soát hoặc cán nhiệt cơ, việc lựa chọn thường phụ thuộc vào hình dạng chi tiết, năng lượng va đập dự kiến ​​khi gia công và các yêu cầu chế tạo tiếp theo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các thông số kỹ thuật công nghiệp phổ biến và hệ thống tham chiếu nơi xuất hiện các loại thép chống mài mòn này:
• GB/T (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc) — Danh pháp dòng NM có nguồn gốc từ đây.
• EN (tiêu chuẩn Châu Âu) — các loại thép tương đương thường được chỉ định là loại AR (chống mài mòn) (ví dụ: AR400/AR500) hoặc theo số EN cụ thể cho thép tôi và thép ram.
• ASTM/ASME — một số ký hiệu ASTM bao gồm thép tôi và ram cường độ cao; việc lập bản đồ trực tiếp một-một yêu cầu phải có chứng chỉ của nhà cung cấp.
• JIS — Các tiêu chuẩn của Nhật Bản có thể liệt kê các loại thép chống mài mòn tương đương dưới những tên gọi khác nhau.
• Phân loại: Các loại thép này là thép hợp kim thấp được tôi và ram cường độ cao, được thiết kế để chống mài mòn (không phải thép không gỉ); chúng được mô tả tốt nhất là thép HSLA/thép tôi và ram chống mài mòn hơn là thép dụng cụ hoặc thép không gỉ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thép chống mài mòn dòng NM là chiến lược hợp kim hóa tập trung vào việc đạt được cấu trúc vi mô cứng, chống mài mòn sau khi tôi và ram, đồng thời vẫn duy trì độ dẻo dai cần thiết. Thay vì các giá trị thành phần số học nghiêm ngặt (thay đổi tùy theo nhà cung cấp và quy trình xử lý nhiệt), bảng dưới đây tóm tắt sự hiện diện và vai trò có mục đích của từng nguyên tố thường được chỉ định trong vật liệu NM450/NM500.

Yếu tố	Mức độ tương đối điển hình	Vai trò luyện kim chính
C (cacbon)	Vừa phải	Độ cứng chính và độ bền martensite; C cao hơn làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn.
Mn (mangan)	Vừa phải	Tăng khả năng làm cứng và độ bền kéo; đồng thời thúc đẩy quá trình khử oxy và góp phần chống mài mòn.
Si (silicon)	Thấp-trung bình	Chất khử oxy và tăng cường độ bền; Si quá nhiều có thể làm giảm tính chất bề mặt và khả năng hàn.
P (phốt pho)	Dấu vết (kiểm soát thấp)	Tạp chất; giữ ở mức thấp để tránh bị giòn.
S (lưu huỳnh)	Dấu vết (kiểm soát thấp)	Thường được giảm thiểu; các loại cắt tự do có S cao hơn, nhưng điều đó không mong muốn ở đây.
Cr (crom)	Thấp-trung bình (nếu có)	Cải thiện khả năng làm cứng và khả năng chống ram; một lượng nhỏ có thể cải thiện khả năng chống mài mòn.
Ni (niken)	Dấu vết-thấp	Cải thiện độ dẻo dai, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp, khi đưa vào.
Mo (molypden)	Dấu vết-thấp	Khả năng làm cứng mạnh và tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao; hỗ trợ khả năng chống tôi.
V (vanadi)	Dấu vết thấp (hợp kim vi mô)	Tạo thành cacbua/nitrit để tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện độ dẻo dai và độ bền.
Nb (niobi)	Dấu vết (hợp kim vi mô)	Làm mịn hạt và tăng cường kết tủa; giúp duy trì độ dẻo dai sau khi gia nhiệt.
Ti (titan)	Dấu vết	Kiểm soát nitơ và lọc tạp chất; tăng độ dẻo dai.
B (bo)	Rất thấp (ppm)	Chất tăng cường độ cứng mạnh ở nồng độ rất thấp; sử dụng cẩn thận.
N (nitơ)	Kiểm soát thấp	Nguyên tố tạo nitride; được kiểm soát để tránh giòn và tạo thành các kết tủa hợp kim vi mô có lợi.

Giải thích: Hợp kim hóa cho NM450 và NM500 tập trung vào hàm lượng carbon vừa phải để tạo thành ma trận martensitic hoặc bainit sau khi tôi, với hàm lượng Mn được kiểm soát, một lượng nhỏ Cr/Mo/Ni để điều chỉnh độ cứng và phản ứng ram, và hợp kim hóa vi mô (V, Nb, Ti) để tinh chỉnh kích thước hạt và duy trì độ dẻo dai sau khi xử lý nhiệt. Các nhà cung cấp điều chỉnh thành phần hóa học chính xác để đáp ứng các tiêu chí về độ cứng và độ va đập cho độ dày tấm.

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

Cấu trúc vi mô cuối cùng điển hình cho NM450 và NM500 được thiết kế bằng cách làm nguội và ram có kiểm soát (hoặc cán nhiệt cơ học cộng với làm nguội) để tạo ra ma trận martensite hoặc bainit ram chủ yếu với lượng austenit giữ lại và cacbua/nitrit mịn được kiểm soát từ quá trình hợp kim hóa vi mô.

• NM450:
• Cấu trúc vi mô mục tiêu: martensite tôi luyện hoặc hỗn hợp martensite-bainite tôi luyện, với kết tủa cacbua mịn.
• Quá trình tôi luyện được lựa chọn để cân bằng độ cứng gần mục tiêu 450 HB và để duy trì độ bền va đập; quá trình tôi luyện ở nhiệt độ cao hơn làm giảm độ cứng nhưng tăng độ dẻo và độ bền gãy.

• Kiểm soát nhiệt cơ có thể tạo ra kích thước hạt austenit trước mịn hơn, cải thiện độ dẻo dai.

• NM500:

• Cấu trúc vi mô mục tiêu: martensite ram có độ cứng cao hơn với khả năng tôi cứng hơn thông qua cường độ hợp kim hoặc chế biến cao hơn một chút; có thể chứa phần thể tích martensite cao hơn và có khả năng tạo thành lớp austenit mỏng trong một số biến thể chế biến.
• Quá trình ram thường nhẹ hơn (nhiệt độ ram thấp hơn hoặc thời gian ram ngắn hơn) để duy trì độ cứng cao hơn, làm giảm độ dẻo và độ bền va đập so với NM450 trừ khi áp dụng quá trình tinh chế hạt/hợp kim vi mô bù trừ.
• Đối với các phần dày, khả năng làm cứng và làm mát có kiểm soát là điều cần thiết để tránh lõi mềm hoặc ứng suất dư quá mức.

Tác dụng của các phương pháp xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: cải thiện tính đồng nhất và độ tinh khiết của hạt nhưng không tự nó tạo ra độ cứng cao cuối cùng; vẫn cần phải làm nguội và ram cuối cùng. - Làm nguội và ram: phương pháp chính để đạt được độ cứng và độ dẻo dai theo thiết kế; mức độ làm nguội và lịch trình ram xác định các tính chất cuối cùng. - Cán nhiệt cơ học: tinh chỉnh kích thước hạt và có thể cải thiện độ dẻo dai ở độ cứng nhất định, cho phép cân bằng độ bền-độ dẻo dai tốt hơn, đặc biệt là ở NM450.

4. Tính chất cơ học

Các nhà cung cấp công bố các bảo đảm về đặc tính thay đổi tùy theo độ dày, xử lý nhiệt và tiêu chuẩn thử nghiệm. Độ cứng theo tên cấp là một tiêu chí thực tế, và các đặc tính cơ học khác nên được so sánh định tính.

Tài sản	NM450 (hành vi điển hình)	NM500 (hành vi điển hình)
Độ cứng	~450 HBW danh nghĩa (mục tiêu thiết kế)	~500 HBW danh nghĩa (mục tiêu thiết kế)
Độ bền kéo	Cao; phù hợp với các bộ phận chịu mài mòn; thấp hơn NM500 đối với cùng cường độ xử lý nhiệt	Độ bền kéo cực đại cao hơn nhờ độ cứng và thành phần martensite cao hơn
Sức chịu lực	Cao; tương đối thấp hơn NM500	Độ bền kéo cao hơn phản ánh cấu trúc vi mô cứng hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo cao hơn NM500 ở độ dày/nhiệt độ tương đương	Độ giãn dài giảm so với NM450 do độ cứng cao hơn
Độ bền va đập	Nói chung là cao hơn (khả năng chống nứt lan truyền tốt hơn khi va chạm)	Độ bền va đập thấp hơn trừ khi sử dụng hợp kim/xử lý vi mô cụ thể để bù đắp

Diễn giải: NM500 được thiết kế để có khả năng chống mài mòn tối đa và do đó thể hiện độ cứng và độ bền tĩnh cao hơn NM450 khi cả hai được xử lý đạt mục tiêu danh nghĩa. NM450 thường hấp thụ năng lượng tốt hơn trong các bài kiểm tra va đập và có độ dẻo dai cao hơn, điều này có thể quyết định trong các ứng dụng chịu va đập mạnh hoặc tải trọng sốc.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và độ vi hợp kim/độ tôi. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là lượng cacbon tương đương IIW và chỉ số Pcm phức tạp hơn.

• Ví dụ về cacbon tương đương: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Giải thích định tính: - Hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn để tăng khả năng tôi luyện (như trong NM500) làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ và do đó làm tăng nguy cơ xuất hiện vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cứng, giòn và nứt nguội sau khi hàn. - NM450, có độ cứng mục tiêu thấp hơn một chút và cường độ hợp kim thường giảm, có xu hướng dễ hàn hơn bằng các quy trình tiêu chuẩn, yêu cầu làm nóng trước thấp hơn và có nhiều lựa chọn vật tư tiêu hao hơn. - Đối với cả hai loại, cần phải thực hành hàn tốt: làm nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn, lựa chọn vật tư tiêu hao có độ bền và độ dẻo dai phù hợp, cũng như xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) hoặc giảm ứng suất thích hợp khi cần thiết. - Các phần dày và mục tiêu cấp NM500 thường yêu cầu nhiệt độ nung nóng trước cao hơn, nhiệt độ giữa các lớp được kiểm soát, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và có thể là PWHT để tránh hiện tượng giòn HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

NM450 và NM500 không phải là thép không gỉ; chúng không có khả năng chống ăn mòn được thiết kế vượt quá khả năng chống ăn mòn của thép cacbon/hợp kim thấp cơ bản.

• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Sơn (sơn lót và sơn phủ epoxy/urethane) cho dịch vụ chung.
• Lớp phủ kim loại (có thể mạ kẽm nhúng nóng nhưng ít phổ biến hơn trên các tấm rất cứng, đã tôi và ram do thay đổi kích thước và nguy cơ nứt nhỏ; tham khảo ý kiến ​​nhà cung cấp).
• Phun nhiệt (kim loại hóa), gia cố bề mặt hoặc hàn phủ có thể kết hợp các lớp bề mặt chống mài mòn với chất nền cứng hơn.
• Khả năng áp dụng PREN: Chỉ số PREN $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ chỉ được sử dụng cho các loại thép không gỉ; không áp dụng cho NM450/NM500 vì hàm lượng crom, molypden và nitơ của chúng quá thấp để mang lại khả năng chống ăn mòn cho thép không gỉ.

Hướng dẫn: Đối với môi trường ngoài trời và ẩm ướt, hãy sử dụng biện pháp bảo vệ bề mặt phù hợp với mức độ tiếp xúc; đối với môi trường có tính ăn mòn cao, hãy cân nhắc sử dụng lớp phủ thép không gỉ chống mài mòn hoặc hợp kim thép không gỉ chống mài mòn thay thế.

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

• Cắt: Cắt plasma, cắt oxy-nhiên liệu, cắt laser và cắt tia nước thường được sử dụng. Độ cứng (~450–500 HBW) làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và có thể yêu cầu vật tư cắt chống mài mòn và tốc độ cắt chậm hơn.
• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều khó gia công ở trạng thái tôi cứng; gia công thường được thực hiện ở trạng thái cán hoặc ram sau khi gia công, hoặc bằng phương pháp mài. Việc lựa chọn dụng cụ (cacbua/PCD) và làm nguội là rất quan trọng.
• Tạo hình và uốn: Tạo hình nguội bị hạn chế bởi độ bền cao và độ dẻo thấp ở trạng thái tôi cứng; uốn và tạo hình thường được thực hiện trước khi tôi cứng hoàn toàn hoặc trong điều kiện cung cấp có độ cứng thấp hơn. Nếu các bộ phận phải được tạo hình sau khi tôi cứng, cần phải gia nhiệt cục bộ (cảm ứng) hoặc điều chỉnh thiết kế.
• Hoàn thiện: Mài, phun bi và các hoạt động hàn/phủ chuyên dụng thường được sử dụng để phục hồi hoặc lắp đặt bề mặt cuối cùng.

8. Ứng dụng điển hình

NM450 — Công dụng điển hình	NM500 — Công dụng điển hình
Gầu xúc và lớp lót có sự kết hợp giữa mài mòn và va đập và cần có độ dẻo nhất định	Hàm nghiền, sàng và phễu nơi mài mòn nghiêm trọng chiếm ưu thế và cần tuổi thọ mài mòn tối đa
Thân xe tải, tấm chắn ở những nơi có khả năng va chạm ở mức độ vừa phải	Tấm mài mòn trong quá trình chế biến khoáng sản nơi mài mòn trượt chiếm ưu thế
Các bộ phận cày và làm đất nông nghiệp cần khả năng chống va đập	Máng băng tải chịu mài mòn cao và lớp lót chịu mài mòn chủ yếu có tác dụng mài mòn

Cơ sở lựa chọn: Chọn NM450 khi lo ngại về va đập, sốc hoặc gãy giòn lặp đi lặp lại và chấp nhận tuổi thọ hao mòn giảm đôi chút; chọn NM500 khi ưu tiên tối đa hóa tuổi thọ hao mòn khi trượt/lún mài mòn và thiết kế giảm thiểu rủi ro gãy giòn (ví dụ: thông qua hình học, độ dày và lớp nền hỗ trợ).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: NM500 thường có giá thành trên mỗi tấn cao hơn NM450 vì mục tiêu độ cứng cao hơn đòi hỏi quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn, có khả năng bổ sung nhiều hợp kim/vi hợp kim hơn, và đôi khi phải xử lý nhiệt chuyên sâu hơn. Tuy nhiên, chỉ số chi phí trên vòng đời có thể ưu tiên NM500 nếu nó kéo dài đáng kể tuổi thọ linh kiện.
• Hình dạng sản phẩm và khả năng cung cấp: Cả hai loại thép này thường được cung cấp dưới dạng tấm, lá và lớp lót chế tạo sẵn từ các nhà máy và nhà phân phối chuyên dụng. Khả năng cung cấp và thời gian giao hàng phụ thuộc vào độ dày, kích thước tấm và các đặc tính cơ học được chứng nhận theo yêu cầu. Việc xử lý nhiệt hoặc thử nghiệm tùy chỉnh (ví dụ: thử nghiệm va đập ở nhiệt độ quy định cho các tấm thép tiết diện lớn) có thể làm tăng chi phí và thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	NM450	NM500
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn) trong nhiều điều kiện của nhà cung cấp; thủ tục dễ dàng hơn	Đòi hỏi khắt khe hơn; thường yêu cầu nhiệt độ làm nóng trước và kiểm soát cao hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ dai tốt hơn ở nhiệt độ dịch vụ tương đương	Độ cứng và độ bền cao hơn; độ dẻo dai giảm đi nếu không có quá trình xử lý bù trừ
Chi phí (vật liệu)	Thấp đến trung bình	Cao hơn (nhưng chi phí vòng đời có khả năng thấp hơn nếu lợi ích về tuổi thọ chiếm ưu thế)

Kết luận và khuyến nghị thực tế: - Chọn NM450 nếu: ứng dụng bao gồm các va đập thường xuyên, tải trọng va đập, hoặc các kết cấu hàn phức tạp, đòi hỏi độ bền gãy, độ dẻo dai và khả năng hàn dễ dàng hơn. NM450 thường là lựa chọn an toàn hơn cho các chi tiết chịu mài mòn hỗn hợp với tải trọng động đáng kể. - Chọn NM500 nếu: dịch vụ chủ yếu là mài mòn (trượt/lún), thiết kế giảm thiểu ứng suất xuyên qua độ dày và nguy cơ gãy giòn, và mục tiêu mua sắm là tối đa hóa tuổi thọ mài mòn và giảm thời gian ngừng hoạt động để bảo trì — với điều kiện là các quy trình hàn, gia nhiệt trước và chế tạo được quản lý chặt chẽ.

Lưu ý cuối cùng: Bảo hành cơ học chính xác, quy tắc gia nhiệt hàn trước và thành phần hóa học thay đổi tùy theo nhà sản xuất và độ dày tấm. Luôn luôn lấy và xem xét chứng chỉ nhà máy cũng như quy trình hàn và chế tạo được nhà cung cấp khuyến nghị cho điều kiện giao hàng cụ thể trước khi thiết kế hoặc mua sắm cuối cùng.