XAR500 so với NM500 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

XAR500 và NM500 là hai loại thép chống mài mòn (AR) được sử dụng rộng rãi, dành riêng cho các ứng dụng đòi hỏi độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn cao. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc các yếu tố đánh đổi như tuổi thọ so với chi phí, khả năng hàn so với độ cứng, và độ bền so với độ dễ chế tạo khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm lớp lót cho thiết bị chế biến khoáng sản, răng gầu, bộ phận máy nghiền và tấm chịu mài mòn chịu tải nặng, trong đó thời gian ngừng sản xuất và tổng chi phí sở hữu là yếu tố quyết định sự lựa chọn.

Yếu tố phân biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim hóa và luyện kim của chúng: một loại đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ mài mòn thông qua quy trình xử lý nhiệt, đa hợp kim và hàm lượng carbon thấp được kiểm soát, hướng đến khả năng tôi và độ bền tối ưu, trong khi loại còn lại dựa nhiều hơn vào quá trình tôi carbon-mangan với quy trình hóa học và quy trình đơn giản hơn. Vì cả hai loại thép đều được tiếp thị để đạt độ cứng danh nghĩa khoảng 500 HB, các nhà thiết kế thường so sánh chúng dựa trên độ bền, khả năng hàn, đặc tính chế tạo và chi phí vòng đời hơn là chỉ dựa trên độ cứng danh nghĩa.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• XAR500
• Thường là nhãn hiệu/thương hiệu được đăng ký (thường liên quan đến các nhà sản xuất như SSAB và các nhà cung cấp tương tự) dành cho thép chống mài mòn đã tôi và ram có độ cứng danh nghĩa ~500 HB.
• Thể loại: Thép chịu mài mòn hợp kim tôi và ram (thép AR có độ cứng cao / tính chất giống HSLA về mặt quản lý độ dẻo dai).

• Tài liệu điển hình: bảng dữ liệu độc quyền, tiêu chuẩn cụ thể của nhà cung cấp; có thể được bán để đáp ứng các mẫu sản phẩm EN/ASTM nhưng không phải là tên cấp ASTM chính thức.

• NM500

• Cấp độ được sử dụng ở một số thị trường (đặc biệt là Trung Quốc và Châu Á) cho thép chống mài mòn có độ cứng danh nghĩa ~500 HB.
• Thể loại: Thép cacbon/thép hợp kim siêu nhỏ chống mài mòn dùng cho bề mặt có độ cứng cao.
• Tài liệu điển hình: Các tiêu chuẩn tương đương GB/JIS/EN được tham chiếu theo giấy chứng nhận của nhà máy; thường được bán dưới tên sản phẩm chung bởi nhiều nhà sản xuất.

Tiêu chuẩn: Mặc dù XAR500 và NM500 đều không phải là loại thép ASTM phổ thông duy nhất, các tiêu chuẩn liên quan và dạng sản phẩm bao gồm: - Tiêu chuẩn sản phẩm thép chống mài mòn EN ISO / EN (về kích thước sản phẩm và thử nghiệm). - Tiêu chuẩn địa phương (GB/T tại Trung Quốc, JIS tại Nhật Bản) về thử nghiệm cơ học và kiểm tra độ cứng. - ASTM/ASME cho các kết cấu hàn và thực hành chế tạo khi áp dụng (ví dụ, chứng nhận quy trình hàn).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Lưu ý: Phạm vi hóa chất chính xác có thể thay đổi tùy theo nhà cung cấp và lô sản phẩm. Nhiều loại AR là độc quyền; nhà sản xuất công bố các ngưỡng hóa chất điển hình thay vì một thông số kỹ thuật duy nhất. Bảng dưới đây tóm tắt sự hiện diện/vai trò điển hình của các nguyên tố thay vì tỷ lệ phần trăm tuyệt đối.

Yếu tố	XAR500 (chiến lược hợp kim điển hình)	NM500 (chiến lược hợp kim điển hình)
C (Cacbon)	Thấp–trung bình; được kiểm soát để hạn chế độ giòn và cải thiện khả năng hàn	Trung bình; được sử dụng để đạt được độ cứng và độ bền kinh tế
Mn (Mangan)	Trung bình; hỗ trợ khả năng làm cứng và độ bền với các chất bổ sung được tối ưu hóa cho độ dẻo dai	Trung bình–cao; chất ổn định austenit chính và đóng góp vào khả năng làm cứng
Si (Silic)	Thấp-trung bình; khử oxy và tăng cường nhẹ	Thấp-trung bình; khử oxy và cường độ
P (Phốt pho)	Được kiểm soát (giữ ở mức thấp) để tránh giòn	Được kiểm soát (giữ ở mức thấp)
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp; đôi khi ở mức cực thấp để tăng độ bền	Giữ ở mức thấp; có thể cao hơn một chút tùy thuộc vào thực hành của nhà máy
Cr (Crom)	Có mặt với số lượng được kiểm soát trong nhiều công thức để cải thiện khả năng làm cứng và phản ứng ram	Thường xuất hiện với số lượng khiêm tốn trong một số biến thể NM500
Ni (Niken)	Có thể có tác dụng cải thiện độ dẻo dai ở mức độ cứng nhất định	Nói chung là tối thiểu hoặc không có trong các loại hàng hóa NM
Mo (Molypden)	Được sử dụng trong một số công thức XAR để tinh chỉnh cấu trúc vi mô và cải thiện khả năng làm cứng	Có thể có ở mức vết trong một số biến thể NM
V (Vanadi)	Nguyên tố hợp kim vi mô trong một số công thức để tinh chỉnh hạt và cải thiện độ dẻo dai	Xuất hiện như một nguyên tố hợp kim vi mô trong một số tuyến sản xuất
Nb (Niobi)	Theo dõi hoặc hiện diện trong các biến thể hợp kim vi mô để kiểm soát sự phát triển của hạt	Hiếm trong các công thức NM cơ bản; được một số nhà máy sử dụng
Ti (Titan)	Dấu vết để kiểm soát quá trình khử oxy/kết tủa ở một số cấp độ	Theo dõi nơi được chỉ định
B (Bo)	Bổ sung dấu vết vào một số công thức có độ cứng cao để tăng khả năng cứng ở mức carbon thấp	Nói chung không được sử dụng trong thép NM hàng hóa cơ bản
N (Nitơ)	Được kiểm soát; có liên quan đến hiệu ứng kết tủa hoặc độ cứng nếu có	Được kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Cacbon và mangan chủ yếu kiểm soát độ cứng đạt được thông qua khả năng tôi luyện và sự hình thành martensite trong quá trình tôi; hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. - Các nguyên tố hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti) và một lượng nhỏ Ni, Cr, Mo hoặc B bổ sung có thể cải thiện khả năng tôi, khả năng chịu nhiệt và độ dẻo dai mà không cần phụ thuộc vào hàm lượng carbon cao hơn. Điều này cho phép sử dụng các bazơ carbon thấp hơn để có khả năng hàn và hiệu suất chống gãy tốt hơn trong khi vẫn duy trì độ cứng mong muốn. - Các nhà cung cấp các loại thép cao cấp (ví dụ: dòng XAR) thường sử dụng kết hợp giữa hợp kim và xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát để tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - XAR500: Cấu trúc vi mô mục tiêu là martensite ram hoặc nền martensite-bainit với kích thước hạt mịn được tạo ra bằng phương pháp tôi và ram có kiểm soát, và trong một số trường hợp, cán nhiệt cơ. Quá trình hợp kim hóa và gia công nhằm mục đích tối đa hóa độ dẻo dai ở độ cứng cao. - NM500: Cấu trúc vi mô điển hình là martensitic với thành phần bainitic tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và thành phần hóa học. Nếu không có quá trình vi hợp kim hóa, ma trận có thể thô hơn hoặc chứa nhiều martensitic chưa ram hơn trừ khi được xử lý nhiệt cẩn thận.

Hiệu ứng của các tuyến xử lý - Chuẩn hóa: Có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai nhưng có thể không đạt được độ cứng tối đa theo yêu cầu của tấm AR; thường là quá trình chuẩn bị trước khi làm nguội/ram trong sản xuất thép AR. - Làm nguội & ram: Phương pháp chính để đạt được ~500 HB ở cả hai cấp độ. Ram loại bỏ độ giòn quá mức đồng thời duy trì khả năng chống mài mòn. Các công thức cao cấp đạt được độ dẻo dai tốt hơn sau khi ram nhờ kiểm soát hợp kim. - Cán nhiệt cơ học (TMCP): Được một số nhà sản xuất sử dụng để tạo ra cấu trúc vi mô bainit/martensitic mịn với độ dẻo dai được cải thiện mà không làm tăng hàm lượng cacbon quá mức. Phương pháp này phổ biến hơn đối với các loại thép độc quyền cao cấp.

4. Tính chất cơ học

Vì các nhà cung cấp đưa ra nhiều mức bảo đảm khác nhau nên bảng dưới đây sử dụng các mô tả định tính và danh nghĩa điển hình thay vì các giá trị bảo đảm tuyệt đối.

Tài sản	XAR500 (điển hình)	NM500 (điển hình)
Độ bền kéo	Cao (được thiết kế để có UTS cao ở độ cứng mục tiêu)	Cao
Sức chịu lực	Cao	Cao
Độ giãn dài	Trung bình (cân bằng về độ dai)	Trung bình–thấp hơn tùy thuộc vào hóa học
Độ bền va đập	Tương đối cao đối với loại 500 HB do hợp kim/xử lý	Tốt đến trung bình; phụ thuộc vào xử lý nhiệt và hàm lượng carbon
Độ cứng	Về mặt danh nghĩa ≈500 HB (mục tiêu độ cứng bề mặt)	Về mặt danh nghĩa ≈500 HB (mục tiêu độ cứng bề mặt)

Cái nào mạnh hơn/cứng hơn/dẻo hơn và tại sao - Về độ cứng, cả hai đều được thiết kế để đạt được các cấp độ cứng bề mặt tương tự nhau, nhưng độ dẻo dai lại khác biệt. Cấp độ có hàm lượng carbon thấp hơn và hợp kim vi mô chiến lược (thường được sử dụng cho các cấp độ cao cấp loại XAR) thường mang lại độ bền va đập và khả năng chống gãy tốt hơn ở độ cứng tương đương so với các loại NM carbon-mangan đơn giản hơn. - Độ dẻo (độ giãn dài) trong thép AR bị giới hạn bởi thiết kế; tuy nhiên, các chiến lược hợp kim cao cấp cho phép duy trì độ dẻo cao hơn một chút mà không làm giảm độ cứng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và khả năng tôi luyện, cũng như ứng suất dư từ nhiệt lượng cục bộ khi hàn. Công thức hữu ích trong ngành: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 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 - Hàm lượng cacbon thấp hơn và hợp kim vi mô được kiểm soát trong thép loại XAR cao cấp thường tạo ra lượng cacbon hiệu dụng tương đương thấp hơn cho cùng độ cứng, giúp cho yêu cầu gia nhiệt trước và PWHT bớt khắc nghiệt hơn và dễ dàng hơn trong việc xác nhận quy trình hàn. - NM500, với hàm lượng cacbon và mangan tương đối cao hơn trong một số công thức, có thể cho thấy CE cao hơn và dễ bị nứt hydro hoặc martensite do hàn hơn trừ khi sử dụng đầu vào nhiệt được kiểm soát/gia nhiệt trước thích hợp. - Bất kể cấp độ, quy trình chung bao gồm: lựa chọn điện cực/vật liệu hàn có hàm lượng hydro thấp, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, gia nhiệt sơ bộ cho các tiết diện dày và xử lý nhiệt sau hàn nếu cần. Khả năng hàn phải luôn được xác nhận bằng quy trình hàn (WPS) cho sản phẩm cán đã chọn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả XAR500 và NM500 đều là thép cacbon/hợp kim không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại bị hạn chế.
• Chiến lược bảo vệ: mạ kẽm nhúng nóng (giới hạn bởi độ dày tấm và mức độ hao mòn khi sử dụng), lớp phủ bảo vệ (epoxy hai thành phần, polyurethane), phun nhiệt (lớp phủ kim loại/gốm), lớp lót cao su hoặc composite và lớp phủ chịu mài mòn.
• PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng để đảm bảo tính đầy đủ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này được sử dụng cho các loại thép không gỉ và không có ý nghĩa đối với thép cacbon AR.
• Việc lựa chọn hệ thống bảo vệ phụ thuộc vào cơ chế mài mòn (trượt, va đập, khoét) cùng với các mối lo ngại về ăn mòn môi trường; trong môi trường ăn mòn mạnh, hãy cân nhắc lớp phủ hoặc lớp ốp bằng thép không gỉ.

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

• Cắt: Plasma, tia nước và oxy-nhiên liệu thường được sử dụng. Độ cứng gần 500 HB làm tăng độ mài mòn vật tư tiêu hao và có thể yêu cầu tốc độ cắt cao hơn và thay dao thường xuyên hơn.
• Tạo hình/uốn cong: Cả hai loại thép này đều có khả năng tạo hình nguội hạn chế ở độ cứng cao. Việc uốn cong thường được thực hiện ở trạng thái cán (độ cứng thấp hơn) hoặc cần gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau vì vật liệu 500 HB không dễ tạo hình nguội mà không bị nứt.
• Khả năng gia công: Cả hai đều khó khăn; cần có dụng cụ cacbua và chế độ chạy dao/khoảng chạy dao được tối ưu hóa. Khả năng gia công thường thấp hơn đối với các biến thể có độ bền cao hơn/hợp kim cao hơn.
• Hoàn thiện: Mài và gia công để lắp ráp và bịt kín bề mặt là công việc thường xuyên nhưng sẽ tiêu tốn dụng cụ nhanh hơn so với thép mềm.

8. Ứng dụng điển hình

XAR500 (sử dụng)	NM500 (sử dụng)
Các thành phần chịu tác động mạnh, chịu mài mòn cao, trong đó độ bền là yếu tố quan trọng (ví dụ: cạnh gầu xúc, lớp lót chịu mài mòn chịu tác động mạnh)	Tấm mài mòn và các thành phần có hiệu quả về chi phí và độ cứng cao là yếu tố chính (ví dụ: máng, phễu, lớp lót)
Các bộ phận mài mòn có chế tạo phức tạp hoặc cụm hàn đòi hỏi khả năng chống gãy tốt hơn	Bề mặt chịu mài mòn diện tích lớn, nơi chế tạo đơn giản và kinh tế thay thế chiếm ưu thế
Các vùng va chạm chính/nghiền nát quan trọng cần giảm thiểu rủi ro gãy giòn	Các thành phần hao mòn hàng hóa trong các ứng dụng ít nhạy cảm với gãy xương

Cơ sở lựa chọn - Chọn loại hợp kim cao cấp khi hình dạng linh kiện, mức độ tập trung ứng suất hoặc nguy cơ gãy giòn là đáng kể hoặc khi chi phí thời gian chết biện minh cho chi phí vật liệu cao hơn. - Chọn loại cấp độ tiết kiệm NM500 khi nhu cầu chính là khả năng chống mài mòn, thay thế linh kiện đơn giản và ngân sách hạn chế.

9. Chi phí và tính khả dụng

• XAR500 (hoặc thép AR cao cấp có thương hiệu): Thường có giá thành đơn vị cao hơn do hợp kim và quy trình xử lý độc quyền, nhưng có thể mang lại chi phí vòng đời thấp hơn nhờ tuổi thọ dài hơn và ít hỏng hóc hơn. Tình trạng sẵn có trên toàn cầu thông qua các nhà phân phối thương hiệu nhìn chung tốt, nhưng thời gian giao hàng và trọng lượng đặt hàng tối thiểu có thể ảnh hưởng đến việc mua hàng.
• NM500: Chi phí nguyên vật liệu ban đầu thường thấp hơn và có sẵn rộng rãi từ nhiều nhà sản xuất, đặc biệt là ở thị trường châu Á. Thời gian giao hàng và nguồn hàng sẵn có tại địa phương thường thuận lợi cho việc mua sắm hàng hóa.
• Hình dạng sản phẩm (độ dày tấm, hình dạng cắt, trạng thái xử lý nhiệt) ảnh hưởng đến giá cả và thời gian giao hàng—sản phẩm càng được xử lý hoặc chứng nhận nhiều (ví dụ: đã thử nghiệm va đập, chứng nhận khả năng hàn) thì chi phí càng cao.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	XAR500 (điển hình)	NM500 (điển hình)
Khả năng hàn	Tốt hơn (kỹ thuật chế tạo hợp kim vi mô, hàm lượng C thấp)	Tốt đến trung bình (có thể cần làm nóng trước nghiêm ngặt hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tuyệt vời (được thiết kế để có độ bền ở mức 500 HB)	Tốt (có thể giòn hơn tùy thuộc vào hàm lượng C)
Trị giá	Cao hơn (lớp cao cấp)	Thấp hơn (hạng hàng hóa)

Chọn XAR500 nếu: - Bộ phận này phải chịu tác động kết hợp và mài mòn, trong đó nguy cơ gãy xương là đáng kể. - Hàn, dung sai chế tạo chặt chẽ hoặc tính liên tục quan trọng về an toàn/dịch vụ đòi hỏi độ bền cao hơn. - Tổng chi phí sở hữu ưu tiên cho thời gian sử dụng lâu hơn và giảm tần suất thay thế.

Chọn NM500 nếu: - Khả năng chống mài mòn (tuổi thọ trên mỗi đơn vị chi phí) là mối quan tâm chính và việc thay thế bộ phận không thể tránh khỏi là điều có thể chấp nhận được. - Ngân sách và nguồn cung hạn chế tại địa phương tạo điều kiện cho hàng hóa có giá thành thấp hơn. - Hình dạng ứng dụng và tải trọng không dễ bị gãy giòn và yêu cầu hàn ít nghiêm ngặt hơn.

Lưu ý kết luận: Đối với bất kỳ ứng dụng quan trọng nào, hãy yêu cầu bảng dữ liệu nhà máy và báo cáo thử nghiệm nhà máy, thực hiện thử nghiệm mài mòn cụ thể cho ứng dụng nếu có thể và xác nhận quy trình hàn với lô tấm thực tế. Sự khác biệt về hiệu suất thực tế thường không chỉ phụ thuộc vào tên loại mà còn vào quy trình kiểm soát của nhà cung cấp, thực hành xử lý nhiệt và các đặc điểm cụ thể của môi trường làm việc.