XAR400 so với NM400 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn đúng loại thép chịu mài mòn là một bài toán khó thường gặp trong khâu mua sắm và thiết kế đối với các kỹ sư, nhà hoạch định sản xuất và người mua vật liệu. Các quyết định thường cân bằng giữa độ cứng và khả năng chống mài mòn so với khả năng hàn, độ bền và chi phí; bối cảnh sản xuất (độ dày, hình dạng và quá trình xử lý tiếp theo) ảnh hưởng rất lớn đến lựa chọn đúng đắn.

XAR400 và NM400 đều là thép có độ cứng cao, chống mài mòn, được tiếp thị cho các ứng dụng chịu mài mòn nặng, nhưng chúng bắt nguồn từ các tiêu chuẩn hóa và truyền thống thương mại khác nhau, do đó được chỉ định và sản xuất với các trọng tâm hợp kim và gia công khác nhau. Vì các nhà thiết kế thường cần thay thế hoặc so sánh các mác thép này trên khắp chuỗi cung ứng, việc hiểu rõ các chiến lược hóa học, phản ứng xử lý nhiệt, hành vi cơ học và ý nghĩa chế tạo của chúng là điều cần thiết.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia chung liên quan đến thép chống mài mòn:
• EN (Tiêu chuẩn Châu Âu) — dành cho các tấm kết cấu và chịu mài mòn (ví dụ: EN 10029, EN 10163 và các thông số kỹ thuật của ngành)
• ASTM/ASME — được sử dụng cho thử nghiệm cơ học, tấm và tài liệu tham khảo chung (ví dụ: ASTM A514/A514, họ A572 có mục đích khác nhau)
• JIS — Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản về thép và tấm
• GB/T — Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc về thép chống mài mòn (ví dụ: dòng NM thuộc họ GB/T 4171 hoặc các thông số kỹ thuật liên quan)

• Tên thương mại độc quyền từ nhà sản xuất máy nghiền (ví dụ: XAR, WELDOX, AR, Hardox)

• Phân loại vật liệu:

• Cả XAR400 và NM400 đều là thép cacbon/hợp kim có độ bền cao, chống mài mòn (thường được coi là thép tấm chống mài mòn, không phải thép không gỉ hoặc thép dụng cụ). Chúng thuộc họ HSLA/AR, tập trung vào hóa học được kiểm soát và xử lý nhiệt để đạt được bề mặt martensitic/bainit cứng kết hợp với độ dẻo dai chấp nhận được.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng các dải nguyên tố hợp kim điển hình và các nguyên tố vi lượng phổ biến cho XAR400 và NM400. Các dải này phản ánh thông lệ nhà máy điển hình đối với các tấm chống mài mòn hiện đại; thành phần có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất và thông số kỹ thuật của sản phẩm. Luôn kiểm tra với giấy chứng nhận nhà máy cho tấm được cung cấp.

Yếu tố	XAR400 điển hình (phạm vi điển hình)	NM400 điển hình (phạm vi điển hình)
C (khối lượng%)	0,08 – 0,20	0,08 – 0,20
Mn (khối lượng%)	0,5 – 1,6	0,6 – 1,6
Si (khối lượng%)	0,2 – 0,8	0,2 – 0,8
P (% khối lượng, tối đa)	≤ 0,03	≤ 0,03
S (% khối lượng, tối đa)	≤ 0,01 – 0,035	≤ 0,01 – 0,035
Cr (khối lượng%)	0,2 – 1,2 (thường thấp)	0,2 – 1,0 (thường thấp)
Ni (khối lượng%)	lên đến ~0,6 (thường là dấu vết)	lên đến ~0,6 (thường là dấu vết)
Mo (khối lượng%)	lên đến ~0,3 (có dấu vết trong một số biến thể)	lên đến ~0,3 (có dấu vết trong một số biến thể)
V (khối lượng%)	vết – 0,10 (nếu hợp kim vi mô)	vết – 0,10 (nếu hợp kim vi mô)
Nb (khối lượng%)	dấu vết (hợp kim vi mô)	dấu vết (hợp kim vi mô)
Ti (khối lượng%)	dấu vết (thỉnh thoảng)	dấu vết (thỉnh thoảng)
B (ppm)	dấu vết (thỉnh thoảng được sử dụng trong hợp kim vi mô)	dấu vết (thỉnh thoảng)
N (ppm)	mức độ được kiểm soát; có liên quan khi N được hợp kim	mức độ được kiểm soát; có liên quan khi N được hợp kim

Ghi chú: - XAR400 là dòng sản phẩm thương mại, trong đó quy trình kiểm soát của máy nghiền (xử lý nhiệt cơ, tôi/ram) và công nghệ hóa học độc quyền quyết định các tính chất cuối cùng. Một số biến thể XAR nhấn mạnh vào kỹ thuật hợp kim hóa vi mô hơi khác biệt. - NM400 là cấp độ mài mòn tiêu chuẩn của Trung Quốc trong dòng NM, trong đó thành phần hóa học được thiết lập để đạt được cấp độ cứng mục tiêu trong khi cho phép các biến thể trên các nhà máy. - Các nguyên tố hợp kim như Cr, Mo, Ni, V, Nb và các chất bổ sung vi hợp kim giúp cải thiện khả năng tôi, khả năng chịu nhiệt và độ tinh luyện hạt. Hàm lượng Mn và Cr cao hơn làm tăng khả năng tôi nhưng có thể làm cho quá trình hàn trở nên khó khăn hơn.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu kiểm soát độ cứng và khả năng tôi sau khi tôi. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. - Crom, molypden và niken làm tăng khả năng tôi cứng và khả năng chịu nhiệt, hỗ trợ các phần dày hơn và độ cứng xuyên suốt cao hơn. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) có thể tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện độ dẻo dai và tạo ra độ bền thông qua quá trình làm cứng kết tủa mà không cần lượng cacbon dư thừa. - Hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho được giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai và khả năng hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại thép này đều được sản xuất để đạt được cấu trúc vi mô martensitic hoặc martensitic-bainitic chủ yếu trên bề mặt tấm thép khi giao hàng nhằm mang lại khả năng chống mài mòn. Cấu trúc vi mô lõi và điều kiện xuyên suốt độ dày phụ thuộc vào độ dày và đường dẫn nhiệt của máy cán. - XAR400 (xử lý thương mại) thường sử dụng phương pháp làm nguội có kiểm soát, làm nguội nhanh hoặc cán nhiệt cơ học sau đó ram để tạo ra cấu trúc vi mô bên ngoài cứng với độ dẻo dai chấp nhận được. - NM400 thường tuân theo các thông lệ sản xuất quốc gia (cán và tôi/ram có kiểm soát hoặc làm nguội nhanh) để đạt được cấp độ cứng cần thiết với hỗn hợp martensite và bainit.

Phản ứng với xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: sẽ tinh chỉnh kích thước hạt nhưng sẽ không tạo ra được độ cứng cao như mong đợi của thép AR trừ khi tiếp theo là quá trình tôi có kiểm soát. - Tôi và ram: được sử dụng để tăng độ cứng và sau đó ram để đạt được sự cân bằng mong muốn giữa độ cứng và độ dẻo dai. Nhiệt độ ram kiểm soát độ dẻo dai được duy trì: ram cao hơn làm giảm độ cứng nhưng cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo. - Gia công nhiệt cơ: cán có kiểm soát và làm nguội nhanh trong máy cán có thể tạo ra các cấu trúc bainit hoặc martensit mịn có độ dẻo dai tốt và giảm nhu cầu xử lý nhiệt sau cán. - Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT): thường tránh áp dụng cho các tấm AR tại hiện trường; có thể chỉ định PWHT tại chỗ để giảm độ cứng HAZ và nguy cơ nứt hydro, nhưng tính khả thi phụ thuộc vào kích thước và dịch vụ của linh kiện.

Hiệu ứng độ dày: - Ở các tấm dày hơn, khả năng làm cứng (hàm lượng hợp kim và tốc độ làm nguội) quyết định độ sâu của lớp được làm cứng; cả XAR400 và NM400 đều được thiết kế để tối ưu hóa độ cứng ở độ dày tấm thông thường, nhưng cần xem xét chứng chỉ nhà máy để đảm bảo tính chất xuyên suốt của độ dày.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là các phạm vi tính chất cơ học điển hình gặp phải trong sản xuất đối với các loại tấm chịu mài mòn này. Đây là các phạm vi mang tính đại diện và có thể thay đổi tùy theo nhà máy, phương pháp ram và độ dày.

Tài sản	XAR400 điển hình (phạm vi điển hình)	NM400 điển hình (phạm vi điển hình)
Độ cứng (HBW)	~360 – 440	~360 – 440
Độ bền kéo (MPa)	~900 – 1400	~900 – 1400
Giới hạn chảy (MPa)	~600 – 1100 (tùy thuộc vào độ nét và độ dày)	~600 – 1100
Độ giãn dài (%)	8 – 20 (tùy thuộc vào độ dày)	8 – 20 (tùy thuộc vào độ dày)
Độ bền va đập (Charpy V, J)	Biến đổi: thấp đến trung bình ở nhiệt độ thấp; cụ thể theo nhà máy (ví dụ: 10–40 J chỉ định cho các phần mỏng hơn)	Biến đổi: thấp đến trung bình; cụ thể theo nhà máy

Giải thích: - Độ cứng là thuộc tính được kiểm soát chính cho cả hai loại; các con số ở trên biểu thị loại “400 HB”. - Độ bền kéo và độ bền chảy thay đổi theo độ cứng và quá trình ram; độ cứng cao hơn tương ứng với độ bền cao hơn nhưng độ dẻo thấp hơn. - Độ dẻo dai (năng lượng va đập) nhạy cảm với thành phần, lịch trình cán và làm nguội cũng như độ dày; một số biến thể XAR thương mại có thể cung cấp độ dẻo dai xuyên suốt độ dày được cải thiện nhờ quy trình xử lý độc quyền. - Cả hai loại đều không phải là “không gỉ” về bản chất. Khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn.

5. Khả năng hàn

Đánh giá khả năng hàn tập trung vào hàm lượng cacbon, hợp kim và khả năng tôi. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là tương đương cacbon IIW và công thức Pcm.

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

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

Giải thích định tính: - Giá trị $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy nguy cơ cứng HAZ và nứt nguội cao hơn; cần phải gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp và vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp khi chỉ số tăng. - Cả XAR400 và NM400 thường có hàm lượng cacbon vừa phải với hợp kim được điều chỉnh để tạo khả năng tôi cứng; tuy nhiên, hiệu ứng kết hợp có thể tạo ra độ cứng HAZ đáng kể nếu sử dụng các phương pháp hàn thép mềm tiêu chuẩn. Do đó: - Thông thường, cần phải gia nhiệt trước và thực hiện quy trình hàn có kiểm soát đối với độ dày vượt quá giới hạn nhất định. - Khuyến khích sử dụng điện cực có hàm lượng hydro thấp/hồ quang lõi thuốc và vật liệu hàn có độ bền phù hợp hoặc thấp hơn để tránh làm cứng quá mức vùng HAZ. - Khi ghép các tấm chịu mài mòn vào thép mềm, việc thiết kế các mối nối chuyển tiếp hoặc mối hàn xử lý nhiệt sẽ giúp giảm nguy cơ nứt. - Lời khuyên thực tế: luôn xem xét các hướng dẫn hàn do nhà máy cung cấp và xác nhận thông số kỹ thuật quy trình (WPS/PQR) cho độ dày lắp ráp và điều kiện dịch vụ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai loại đều là thép cacbon/hợp kim (không phải thép không gỉ); khả năng chống ăn mòn bị hạn chế. Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Sơn hoặc lớp phủ epoxy gốc dung môi cho môi trường chung.
• Mạ kẽm nhúng nóng cho các bộ phận tiếp xúc với khí quyển khi có thể mạ kẽm (cân nhắc giới hạn độ dày và độ bám dính cho các bề mặt có độ cứng cao).
• Phủ kim loại (phun nhiệt) hoặc ốp ở những nơi cần khả năng chống mài mòn và ăn mòn.

• Đối với môi trường bùn, có thể chỉ định lớp phủ hàn cứng hoặc hy sinh (thép không gỉ hoặc coban).

• PREN không áp dụng cho thép không gỉ; nó được tính như sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này chỉ có ý nghĩa đối với hợp kim thép không gỉ chống ăn mòn và do đó không liên quan đến XAR400 hoặc NM400.

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

• Cắt: Tấm chống mài mòn được cắt bằng phương pháp oxy-nhiên liệu, plasma, laser hoặc tia nước. Độ cứng và khả năng làm cứng bề mặt đòi hỏi vật tư tiêu hao phù hợp (plasma công suất cao, tia nước cho độ chính xác cao).
• Khả năng gia công: Độ cứng cao làm giảm khả năng gia công — nên sử dụng dụng cụ cacbua, tốc độ nạp liệu thấp và chất làm mát thích hợp cho quá trình gia công sau.
• Uốn/tạo hình: Việc tạo hình nguội các tấm AR bị hạn chế; độ đàn hồi và nguy cơ nứt tăng theo độ cứng. Việc tạo hình thường được thực hiện bằng phương pháp tạo hình gia nhiệt hoặc bằng cách uốn trên các phôi có bán kính lớn; một số quy trình lựa chọn tạo hình trong điều kiện tôi mềm hơn trước khi tôi cứng cục bộ.
• Hoàn thiện bề mặt: Có thể cần mài hoặc phun bi để chuẩn bị bề mặt trước khi hàn hoặc phủ. Cần lưu ý rằng mài có thể làm bong lớp hoàn thiện cứng cục bộ và làm thay đổi hiệu suất mài mòn.

8. Ứng dụng điển hình

XAR400 — Công dụng điển hình	NM400 — Công dụng điển hình
Các cạnh gầu máy xúc, thân xe ben, lớp lót cho máng xối và phễu	Tấm mài mòn gầu xúc đất, lớp lót máy nghiền, thiết bị sàng lọc
Máy nghiền và máy cán trong khai thác mỏ và tổng hợp	Lớp lót chống mài mòn trong các nhà máy xi măng, xử lý than và thiết bị nạo vét
Tấm chắn băng tải và dải chống mài mòn chịu tác động mạnh	Tấm mài mòn trong thiết bị hạng nặng được sản xuất trong chuỗi cung ứng địa phương/khu vực
Các ứng dụng trong đó quá trình xử lý bằng máy nghiền độc quyền được chỉ định để có độ dẻo dai ở độ dày nhất định	Các ứng dụng ưu tiên cấp độ quốc gia tiêu chuẩn và cơ sở nhà cung cấp rộng rãi

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại vật liệu (và nhà cung cấp) có độ cứng và độ dẻo dai đã được kiểm chứng theo độ dày và điều kiện tải trọng cụ thể. Đối với mài mòn do va đập mạnh, hãy cân nhắc sự cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo dai; độ cứng thấp hơn một chút nhưng độ dẻo dai tốt hơn sẽ được ưu tiên trong các ứng dụng chịu va đập mạnh. - Việc mua sắm thường phụ thuộc vào kích thước tấm có sẵn, sự quen thuộc với nhà cung cấp địa phương và chứng nhận (báo cáo thử nghiệm tại nhà máy).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Các yếu tố chi phí: xử lý bằng máy cán (cán nhiệt cơ, tôi/rau), bổ sung hợp kim, độ dày tấm và hậu cần.
• Tính khả dụng: XAR là thương hiệu thương mại có sẵn tại các nhà máy có kênh xuất khẩu đã được thiết lập; NM400 được sản xuất rộng rãi tại Trung Quốc và các thị trường lân cận theo thông số kỹ thuật NM tiêu chuẩn và có thể dễ dàng có sẵn hơn và tiết kiệm chi phí hơn ở những khu vực đó.
• Hình thức sản phẩm: cả hai loại đều có dạng tấm; dạng cắt theo chiều dài, đục lỗ sẵn hoặc lắp ráp hàn khác nhau tùy theo nhà cung cấp và thị trường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	XAR400	NM400
Khả năng hàn	Trung bình; yêu cầu các quy trình đủ tiêu chuẩn và hướng dẫn làm nóng trước; hướng dẫn của nhà máy có thể khác nhau	Trung bình; những cân nhắc tương tự; kiểm tra hướng dẫn cụ thể của nhà máy
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Được chế tạo bằng máy nghiền; một số biến thể XAR nhấn mạnh vào độ dẻo dai được tăng cường cho độ cứng nhất định	Được thiết kế để đạt được cấp độ cứng tiêu chuẩn; độ dẻo dai thay đổi tùy theo thực hành của nhà máy
Chi phí / Khả năng cung cấp tại địa phương	Có thể cao hơn hoặc thay đổi tùy theo thương hiệu và khu vực	Thường có giá cả cạnh tranh và có sẵn rộng rãi ở các khu vực do các nhà sản xuất quốc gia bao phủ

Khuyến nghị: - Chọn XAR400 nếu bạn cần tấm có thương hiệu thương mại với quy trình kiểm soát bằng máy nghiền được ghi chép lại, trong đó độ dẻo dai xuyên suốt được xác minh ở độ cứng quy định là rất quan trọng và bạn có thể tìm nguồn cung ứng thương hiệu với chi phí và thời gian giao hàng chấp nhận được. - Chọn NM400 nếu bạn thích tấm chịu mài mòn tiêu chuẩn, có sẵn rộng rãi với lợi thế về chi phí tại thị trường địa phương/khu vực và khi chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp và thử nghiệm hiệu suất (độ cứng, va đập) đáp ứng các yêu cầu ứng dụng.

Ghi chú thực tế cuối cùng: - Luôn luôn lấy báo cáo thử nghiệm máy cán (phân tích hóa học, bản đồ độ cứng và thử nghiệm cơ học) để biết độ dày tấm cụ thể và số nhiệt. - Xác nhận trước các quy trình hàn và xác nhận hiệu suất bằng các phiếu tiêu chuẩn cho độ dày và dịch vụ mong muốn. - Đối với các bộ phận quan trọng dễ bị ăn mòn và mài mòn hoặc va đập mạnh, hãy cân nhắc sử dụng lớp phủ chống mài mòn hoặc vật liệu composite thay vì chỉ dựa vào độ cứng của tấm đế.