NM450 so với NM500HB – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

NM450 và NM500HB là hai loại thép chịu mài mòn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khai thác mỏ, san lấp mặt bằng, xử lý vật liệu rời và chế biến cốt liệu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa tuổi thọ chịu mài mòn, độ bền, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc ưu tiên khả năng chống mài mòn khi sử dụng (tuổi thọ chịu mài mòn dài hơn) với cái giá phải trả là độ dẻo dai và khả năng sửa chữa, hay ưu tiên chế tạo dễ dàng hơn và khả năng chịu va đập tốt hơn ở độ cứng thấp hơn.

Sự khác biệt chính về vận hành giữa hai loại thép này là độ cứng danh nghĩa và sự cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và độ bền cơ học. Vì cả hai đều được sản xuất dưới dạng thép tấm chống mài mòn, chúng thường được so sánh trong thiết kế linh kiện, tính toán chi phí vòng đời và lập kế hoạch chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và chỉ định chung của khu vực:
• Trung Quốc: Thép chống mài mòn GB/T thường được gọi là NM (ví dụ: NM450, NM500). NM là tên gọi của Trung Quốc dành cho thép chống mài mòn được tôi và ram.
• Châu Âu: Các tiêu chuẩn EN sử dụng các ký hiệu khác nhau (ví dụ: tương đương AR400/450 hoặc cấp AR độc quyền).
• Nhật Bản: JIS có thép chống mài mòn nhưng danh pháp khác nhau.
• Hoa Kỳ: ASTM/ASME không xác định trực tiếp các cấp độ NM; các nhà sản xuất thường cung cấp thép AR (chống mài mòn) hoặc các thương hiệu độc quyền.
• Phân loại:
• Cả NM450 và NM500HB đều là thép cacbon cường độ cao, hợp kim thấp/đã tôi và ram, chống mài mòn (không phải thép không gỉ). Chúng được phân loại tốt nhất là thép tôi và ram chống mài mòn (một phân nhóm của thép kỹ thuật tương tự HSLA với quy trình hợp kim hóa và xử lý nhiệt được kiểm soát).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Vai trò điển hình trong các lớp NM
C	Hàm lượng carbon trung bình-thấp giúp tăng khả năng tôi và độ cứng sau khi tôi - được cân bằng để duy trì khả năng hàn. Phạm vi thương mại điển hình khác nhau; giá trị chính xác phụ thuộc vào nhà cung cấp và dạng sản phẩm.
Mn	Được bổ sung để tăng cường độ bền, khả năng làm cứng và khả năng chịu lực; hàm lượng vừa phải sẽ cải thiện độ dẻo dai khi được kiểm soát.
Si	Chất khử oxy và tăng cường; hàm lượng vừa phải hỗ trợ khả năng làm cứng nhưng hàm lượng Si quá cao có thể làm giảm khả năng hàn.
P	Giữ ở mức thấp (tạp chất) để duy trì độ dẻo dai và tránh bị phân tách.
S	Ở mức thấp; lưu huỳnh làm tăng khả năng gia công nhưng làm giảm độ dẻo dai.
Cr	Thường có hàm lượng nhỏ để cải thiện khả năng làm cứng và chống mài mòn; hàm lượng cao hơn ở các cấp độ nhằm mục đích tăng độ cứng.
Ni	Có thể có một lượng nhỏ để cải thiện độ dẻo dai, hiếm khi có ý nghĩa đáng kể.
Mo	Sử dụng lượng phụ gia thấp để tăng khả năng làm cứng và khả năng chịu nhiệt.
V, Nb, Ti	Các nguyên tố hợp kim vi mô để tinh chế hạt và tăng cường kết tủa; mức ppm nhỏ–phần mười phần trăm thấp.
B	Có thể sử dụng thêm một lượng rất nhỏ (ppm) để tăng khả năng làm cứng khi có.
N	Thông thường ở mức thấp; nitrua có thể hình thành với các nguyên tố hợp kim vi mô và ảnh hưởng đến độ dẻo dai.

Ghi chú: - Thành phần hóa học chính xác khác nhau tùy theo nhà sản xuất và mã sản phẩm. NM500HB thường được sản xuất với mục tiêu độ cứng cao hơn một chút (và do đó thường có hàm lượng C hoặc hợp kim cao hơn một chút) so với NM450 để đạt được độ cứng Brinell cao hơn theo quy định khi giao hàng. - Luôn tham khảo chứng chỉ nhà máy để biết giới hạn thành phần trước khi hàn hoặc sử dụng quan trọng.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Cả hai loại đều được sản xuất bằng phương pháp tôi và ram (Q&T) để tạo ra ma trận martensitic hoặc bainit ram với chất gia cường phân tán từ hợp kim siêu nhỏ cacbua/nitrit.
• NM450 (độ cứng danh nghĩa thấp hơn) có thể được sản xuất bằng martensite tôi cứng hơn hoặc bainite có hàm lượng carbon thấp hơn; NM500HB hướng đến cấu trúc martensite tôi cứng hơn với độ phân tán cacbua mịn hơn.
• Các tuyến xử lý và hiệu ứng:
• Chuẩn hóa: giảm ứng suất dư và tinh chỉnh kích thước hạt nhưng sẽ không đạt được độ cứng mong muốn nếu không có quá trình làm nguội/ram sau đó.
• Làm nguội & ram: phương pháp chính để đạt được độ cứng danh nghĩa. Mức độ làm nguội cao hơn và hàm lượng hợp kim cao hơn một chút sẽ làm tăng khả năng tôi cứng và cho phép các phần dày hơn đạt được độ cứng mong muốn.
• Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): có thể cải thiện độ dẻo dai ở độ cứng nhất định thông qua kích thước hạt austenit trước được tinh chỉnh và chuyển đổi có kiểm soát.
• Ý nghĩa thực tiễn: Để đạt được độ cứng NM500HB ở các tấm dày đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ hơn về mặt hóa học và chu trình nhiệt; NM450 dễ sản xuất theo thông số kỹ thuật hơn ở các phần dày hơn trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai tương đối tốt hơn.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	NM450 (hành vi điển hình)	NM500HB (hành vi điển hình)
Độ cứng	≈450 HB danh nghĩa trong điều kiện giao hàng (được thiết kế để có khả năng chống mài mòn cao)	≈500 HB danh nghĩa trong điều kiện giao hàng (khả năng chống mài mòn cao hơn)
Độ bền kéo	Cao hơn so với thép mềm; thường thấp hơn NM500HB ở độ cứng được cung cấp	Độ bền kéo cao hơn thường tương quan với độ cứng cao hơn
Sức chịu lực	Cao đối với thép kết cấu; thấp hơn NM500HB đối với các phần tương đương	Giá trị độ bền/giới hạn chảy cao hơn ở độ dày nhất định do độ cứng/khả năng tôi luyện cao hơn
Độ giãn dài	Độ dẻo cao hơn NM500HB ở cùng độ dày do độ cứng thấp hơn	Độ dẻo giảm so với NM450 (đánh đổi cho độ cứng)
Độ bền va đập	Thông thường tốt hơn NM500HB khi cả hai đều được cung cấp ở độ cứng danh nghĩa, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp	Nhìn chung, năng lượng va đập thấp hơn NM450 khi so sánh với độ cứng danh nghĩa được cung cấp; có thể được cải thiện bằng cách kiểm soát quy trình nhưng vẫn là sự đánh đổi

Giải thích: - Độ cứng là thông số kiểm soát khả năng chống mài mòn; độ cứng cao hơn thường làm tăng tuổi thọ mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo và độ bền va đập. - Hợp kim vi mô, nhiệt độ ram và độ dày đều ảnh hưởng đến sự cân bằng độ bền - độ dai cuối cùng. Nhà cung cấp đôi khi có thể cung cấp NM500HB với độ dai xuyên suốt được cải thiện thông qua TMCP, nhưng cần phải kiểm tra các yếu tố đánh đổi và tính biến thiên theo từng lô.

5. Khả năng hàn

• Các yếu tố chính quyết định khả năng hàn: hàm lượng cacbon, hợp kim kết hợp (khả năng tôi), độ dày tấm và ứng suất dư. Các nguyên tố vi hợp kim (V, Nb, Ti) và lượng Cr/Mo bổ sung nhỏ làm tăng khả năng tôi và tăng nguy cơ nứt nguội nếu quá trình gia nhiệt trước và kiểm soát quá trình hàn không đầy đủ.
• Công thức đánh giá chung:
• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Chỉ số Pcm (độ dễ nứt nguội khi hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Diễn giải (định tính):
• NM500HB thường có hệ số CE/Pcm hiệu dụng cao hơn NM450 do cần độ tôi cao hơn để đạt được độ cứng lớn hơn. Do đó, NM500HB thường yêu cầu quá trình nung nóng sơ bộ, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và đôi khi là xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) nghiêm ngặt hơn để tránh nứt nguội do hydro hỗ trợ.
• NM450, với mục tiêu độ cứng thấp hơn và thường có hàm lượng hợp kim thấp hơn, nhìn chung thân thiện với mối hàn hơn, nhưng cả hai loại đều yêu cầu các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn (vật tư tiêu hao ít hydro, gia nhiệt trước phù hợp với độ dày và quy trình hàn đạt tiêu chuẩn).
• Hướng dẫn thực tế:
• Luôn luôn tìm hiểu và sử dụng quy trình hàn do nhà cung cấp chỉ định. Đối với các mối hàn quan trọng hoặc các phần dày, hãy thực hiện kiểm tra chất lượng quy trình (PWHT nếu cần, kiểm tra va đập kim loại mối hàn, kiểm tra độ cứng trong vùng HAZ).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép NM này là thép cacbon/hợp kim—không phải thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon:
• Phương pháp bảo vệ: lớp phủ bề mặt (mạ kẽm nhúng nóng nếu có thể), sơn, lót polyme hoặc lớp phủ hy sinh khi có hiện tượng ăn mòn đáng kể.
• Đối với các ứng dụng yêu cầu cả khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn, hãy cân nhắc hàn phủ, ốp hoặc sử dụng lớp lót chống mài mòn bằng thép không gỉ; các loại NM không có khả năng chống ăn mòn đáng kể theo thành phần.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ áp dụng cho hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Không áp dụng cho NM450/NM500HB, đây là loại thép không gỉ.

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

• Cắt:
• Cả hai loại đều có thể cắt bằng oxy-nhiên liệu, cắt bằng plasma hoặc cắt bằng laser, nhưng loại cứng hơn (NM500HB) có tính mài mòn cao hơn đối với vật liệu tiêu hao khi cắt.
• Khả năng gia công:
• Tình trạng bề mặt cứng làm giảm khả năng gia công; khả năng chịu cắt tăng theo độ cứng. Việc gia công các chi tiết hoàn thiện thường được giảm thiểu; các bộ phận thường được chế tạo rồi gia công tại chỗ.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• Cấp độ cứng thấp hơn (NM450) có khả năng tạo hình nguội tốt hơn NM500HB. Việc uốn tấm đã tôi cứng bị hạn chế; nên uốn trước khi tôi/ram cuối cùng hoặc bằng các quy trình được kiểm soát với dụng cụ được thiết kế cho tấm có độ bền cao.
• Hoàn thiện:
• Việc mài và hoàn thiện bề mặt mài mòn tốn nhiều thời gian hơn trên NM500HB; độ mài mòn của bánh mài cao hơn.

8. Ứng dụng điển hình

NM450	NM500HB
Môi gầu, lớp lót, lưới chắn, máng xối nơi cần cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và độ bền va đập; hoạt động tốt trong đất và quặng có độ mài mòn vừa phải.	Lớp lót chịu mài mòn cao, các bộ phận chịu mài mòn của máy nghiền, bộ phận nạp liệu tạp dề dễ bị va đập, trong đó khả năng chống mài mòn tối đa và tuổi thọ kéo dài được ưu tiên hơn độ dẻo dai.
Tấm lót thùng xe tải, tấm lót thùng xe chở rác có nhu cầu chế tạo và sửa chữa thường xuyên.	Môi trường có độ mài mòn cao, trượt nhiều như mạch nghiền thông lượng cao và lớp lót cố định, nơi cần giảm thiểu tần suất thay thế.
Các công cụ tiếp xúc với mặt đất có thể chịu tác động và mài mòn kết hợp (nếu tác động chiếm ưu thế, hãy chọn loại cứng hơn hoặc phần dày hơn).	Các ứng dụng có tuổi thọ dài dưới điều kiện mài mòn nghiêm trọng đòi hỏi phải tăng cường kiểm soát chế tạo và tăng chi phí vật liệu.

Cơ sở lựa chọn: - Chọn NM450 khi thiết kế linh kiện đòi hỏi sự cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và độ bền, khả năng hàn và sửa chữa dễ dàng hơn hoặc khi dịch vụ bao gồm tải trọng va đập lặp đi lặp lại. - Chọn NM500HB khi khả năng chống mài mòn tối đa là yếu tố chính và phân tích chi phí vòng đời hỗ trợ việc thay thế ít thường xuyên hơn mặc dù quá trình chế tạo đòi hỏi nhiều hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• NM500HB hầu như luôn có giá cao hơn NM450 vì để đạt được độ cứng cao hơn ở dạng tấm đòi hỏi phải kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn, xử lý nhiệt nhiều hơn và các bước sản xuất có thể tốn kém hơn.
• Hình thức sản phẩm và tình trạng sẵn có:
• Cả hai loại thép này thường có sẵn ở dạng tấm từ các nhà máy khu vực và nhà sản xuất chuyên dụng. Khả năng cung cấp thép tấm rất dày hoặc chiều rộng/chiều dài chuyên dụng có thể hạn chế hơn đối với thép NM500HB có độ cứng cao hơn tùy thuộc vào năng lực của nhà máy địa phương.
• Mẹo mua sắm:
• So sánh tổng chi phí vòng đời (vật liệu + chế tạo + thời gian ngừng hoạt động + thay thế) thay vì giá thành đơn vị. Trong nhiều trường hợp, NM500HB giảm tần suất thay thế nhưng lại tăng chi phí hàn/sửa chữa.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	NM450	NM500HB
Khả năng hàn	Tốt hơn (xu hướng CE/Pcm thấp hơn)	Yêu cầu khắt khe hơn (tiềm năng CE/Pcm cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai/dẻo dai tốt hơn ở độ dày nhất định	Độ cứng và độ bền cao hơn; độ dẻo/độ dai giảm
Trị giá	Chi phí vật liệu thấp hơn và chế tạo dễ dàng hơn	Chi phí vật liệu cao hơn; tuổi thọ sử dụng lâu hơn thường bù đắp chi phí

Kết luận và khuyến nghị thực tế: - Chọn NM450 nếu: bạn cần sự cân bằng mạnh mẽ giữa khả năng chống mài mòn và độ bền va đập, yêu cầu hàn dễ dàng hơn và khả năng sửa chữa tại chỗ hoặc đang thiết kế cho các ứng dụng có va đập đáng kể và cần giảm thiểu nguy cơ gãy giòn đột ngột. - Chọn NM500HB nếu: mục tiêu chính của bạn là tối đa hóa khả năng chống mài mòn và kéo dài thời gian bảo dưỡng trong môi trường trượt/mài mòn khắc nghiệt, và bạn có thể đáp ứng các điều khiển hàn nghiêm ngặt hơn, chi phí vật liệu ban đầu cao hơn và nhiều nỗ lực hơn trong việc chế tạo và lập kế hoạch bảo trì.

Lưu ý cuối cùng: tính chất chính xác và quy trình hàn/xử lý được khuyến nghị sẽ khác nhau tùy theo nhà máy và lô sản phẩm. Luôn xem xét chứng chỉ nhà máy, yêu cầu dữ liệu độ bền xuyên suốt chiều dày nếu có, và xác nhận quy trình hàn cho nhà cung cấp tấm và độ dày cụ thể trước khi sử dụng trong sản xuất.