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國內外低合金耐磨鋼研發現狀
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-08-27
目前國外生產耐磨鋼板的著名廠家有瑞典奧克隆德、德國迪林根、德國蒂森克虜伯、日本的JFE，其中，瑞典奧克隆德生產的HARDOX系列，硬度達HB400、HB500、HB550和HB600；德國迪林根的400V和500V；德國蒂森克虜伯的XAR400、XAR450、XAR500；日本的JFE—EH400和EH500等。我國能生產低合金高強度耐磨鋼的廠家主要有舞鋼、武鋼、寶鋼、南鋼等。鞍鋼也已開發出AM360、AM400及AM450耐磨鋼，但產品性能穩定性和整體品質與國外產品相比還存在一定差距。
? ? ? ?金屬材料的破壞主要有三種形式：即斷裂、腐蝕和磨損。據統計，由磨損造成的經濟損失是相當驚人的，美國約500億美元/年，德國300億馬克/年，我國每年因球磨機磨球磨損消耗近200萬t，各種破碎機襯板消耗近50萬t，軋輥消耗近60萬t，各種工程挖掘機、裝載機、輸送管道、破碎機錘頭和鄂板等消耗超過50萬t，因此對耐磨的研究具有十分重大的意義。
? ? ? ?低合金高強度耐磨鋼的研究是近幾十年開始的，該鋼種具有良好的可加工性能和優良的耐磨性能，使用壽命是傳統結構鋼板的數倍，生產工藝簡單，一般采用軋后淬火加回火，或者通過控軋控冷工藝進行強化。日本、德國及瑞典等國的一些鋼鐵公司都生產低合金高強度耐磨鋼，我國在近10年才打破傳統16Mn鋼的低級別狀態，開始向經濟型和高性能方向發展。
1國內外低合金耐磨鋼生產現狀
目前國外生產耐磨鋼板的著名廠家有瑞典奧克隆德、德國迪林根、德國蒂森克虜伯、日本的JFE，其中，瑞典奧克隆德生產的HARDOX系列，硬度達HB400、HB500、HB550和HB600；德國迪林根的400V和500V；德國蒂森克虜伯的XAR400、XAR450、XAR500；日本的JFE—EH400和EH500等。我國能生產低合金高強度耐磨鋼的廠家主要有舞鋼、武鋼、寶鋼、南鋼等。鞍鋼也已開發出AM360、AM400及AM450耐磨鋼，但產品性能穩定性和整體品質與國外產品相比還存在一定差距。
瑞典奧克隆德的HARDOX悍達400和450是多用途的耐磨板，由于其高韌性、良好的彎曲和焊接性能，在一些應用中也可用作承載用途。HARDOX悍達500是一種可彎曲和焊接的耐磨板，可應用于對耐磨性能要求更高的領域。HARDOX悍達550是一種平均硬度為550HB的耐磨鋼板，其韌性與HARDOX悍達500相同，被應用于高磨損的場合。當從HARDOX悍達500鋼板升級到該產品時，在布氏硬度上提高了50個單位，在不損失鋼板韌性的情況下延長了耐磨壽命；HARDOX悍達600是世界上最硬的耐磨鋼板，硬度值達到600HB。
德國蒂森克虜伯XAR系列耐磨鋼，硬度范圍覆蓋HB300-600，主要以Cr、Mo合金化。
德國迪林根DILLIDUR400、DILLIDUR500等系列耐磨鋼板，布氏硬度分別為HB400、HB500，厚度范圍可覆蓋6-150mm，采用淬火+低溫回火工藝。
我國近年在低合金馬氏體耐磨鋼研究方面有很大進展。低合金馬氏體鋼是采用Cr、Ni、Mo等元素合金化，然后通過淬火與低溫回火熱處理，獲得回火馬氏體組織，如中國舞陽鋼廠生產的WNM系列耐磨鋼是國內耐磨鋼的代表。舞陽鋼廠擁有先進水平的電爐冶煉、連鑄（模鑄）、軋制、熱處理、精整短流程生產線。主體設備有：4座90t、100t?超高功率電爐，5座90t、100t?LF精煉爐，4座90t、100t?VD真空爐，3臺1900mm、2500mm大型板坯連鑄機，9條鋼錠大型模鑄線，2座4100mm、4200mm寬厚板軋機和常化爐、淬火爐、外機爐、車底爐等熱處理爐群，具有500萬t鋼、360萬t寬厚板的生產能力，是國內生產耐磨鋼實力較強的企業。
與國內相比，國外能生產更高強度級別的耐磨鋼，布氏硬度覆蓋HB200-600，生產厚度規格覆蓋6-120mm的范圍，遠遠大于國內生產能力最強的舞鋼8-80mm，而鞍鋼耐磨鋼目前只具有生產厚度為20-60mm的能力，跟國內外先進水平都存在較大差距。
2鞍鋼低合金耐磨鋼成分和組織設計特點
鞍鋼生產低合金耐磨鋼AM360及AM400采用了Cr、Ni、Mo系列合金化，通過淬火與低溫回火熱處理，獲得回火馬氏體組織。由于馬氏體的高密度位錯、細小的孿晶、碳的偏聚以及馬氏體的間隙固溶，使馬氏體組織具有高強度，其屈服強度達1100MPa以上，硬度值達到HB330-400，能滿足一般機械構件的使用要求。但這種靠馬氏體基體硬度來抗磨的耐磨鋼，在高應力磨料磨損條件下，耐磨性顯得不夠。面對一些復雜工況或者具有高沖擊應力情況下，需要進一步提高耐磨鋼的強度和硬度以及耐磨性，研制開發出具有更高硬度級別的耐磨鋼。
具有良好耐磨性的組織應能提供較高的硬度和足夠的韌性，馬氏體組織具有高強度和高硬度，但其韌性不足，以下分析較高硬度組織狀態的韌性和耐磨性。傳統高錳耐磨鋼鑄態組織是奧氏體+馬氏體+碳化物，水韌處理后為單一的奧氏體組織，高錳鋼的主要特征是屈服強度低，具有良好的韌性和加工硬化能力，即在強烈的沖擊載荷或擠壓載荷下，受力表面被加工硬化，從而具有良好的耐磨性，但它的使用范圍受到限制。低合金鋼中淬硬態的組織有馬氏體、貝氏體、殘余奧氏體和未溶碳化物等。有資料表明：板條馬氏體在準解理斷裂時消耗較多的斷裂功，從而提高了韌性，而片狀馬氏體斷裂時伴有的微裂紋造成片狀馬氏體的脆性，因此板條馬氏體韌性高于片狀馬氏體。下貝氏體以不同位向的鐵素體板條為最小斷裂單元，其韌性較相同硬度的回火馬氏體高，也高于上貝氏體。貝氏體鋼基本相板條極細，碳含量較高，碳化物多是以微細顆粒均勻分布在基體上，組織內應力較低，具有較高的抗變形能力，其耐磨性高于回火馬氏體鋼。殘余奧氏體存在于馬氏體板條或馬氏體片間，也存在于下貝氏體組織中，因其能使應力松馳，阻礙裂紋擴展，材料斷裂時吸收能量增加，而使韌性改善。未溶碳化物會引起應力集中，形成裂紋源，有利于裂紋擴展，加速脆斷，降低韌性。
不同組織的耐磨性取決于硬度和韌性，在接近硬度下韌性良好的組織相應也有良好的耐磨性。資料表明：板條馬氏體耐磨性優于片狀馬氏體；下貝氏體耐磨性高于相同硬度的回火馬氏體。殘余奧氏體的作用取決于磨損類型：在低應力磨損下，殘余奧氏體增多，硬度降低，耐磨性下降。高應力與沖擊不大的磨損條件下，殘余奧氏體增加，可抑制裂紋形成和擴展，阻礙變形和剝層疲勞磨損。而提高耐磨性，在較大沖擊條件下，如大磨機中的磨球，過多殘余奧氏體對耐磨性不利，因在沖擊變形中殘余奧氏體發生馬氏體相變，體積膨脹，應力集中而發生脆性剝落。在M/A基體中分布細小彌散碳化物對耐磨性有利，而在基體中分布大塊未溶碳化物。在高應力較大沖擊下碳化物作為裂紋源引起脆性斷裂剝落，對耐磨性不利。
根據以上分析，低合金耐磨鋼應通過合金控制和熱處理獲得如下類型的組織狀態：板條馬氏體+板條間殘余奧氏體的組織，可由淬火+低溫回火獲得。鞍鋼AM360、AM400就是按照這種方法生產。下貝氏體或貝氏體+馬氏體的復合組織，可通過等溫處理或連續冷卻獲得。由于這種組織的耐磨性高于單純馬氏體組織的耐磨性，鞍鋼將AM450以上級別的耐磨鋼設計成貝氏體+馬氏體的復合組織。
3鞍鋼低合金耐磨鋼生產工藝設計特點
從冶煉上來講，低合金高強耐磨鋼的生產需要嚴格控制鋼的化學成分。采用爐外精煉、吹氬脫氣等技術，降低鋼中的有害氣體、夾雜及S、P含量，提高鋼質純度。這方面鞍鋼的技術已經比較成熟，為低合金高強耐磨鋼的生產提供了必要的基礎。
以AM450生產為例，為了獲得所需要的貝氏體+馬氏體的復合組織，并且使晶粒細化，提高耐磨鋼的綜合性能，最經濟最有效的方法是控制軋制加控制冷卻。通過控軋控冷可以使鋼材的強度和韌性同時提高，而且能節約熱處理過程造成的能源消耗，簡化生產工序，提高生產效率。
控制軋制工藝采用高溫奧氏體再結晶區和未再結晶區軋制，控制變形奧氏體的再結晶數量，盡可能達到完全再結晶，爭取在高溫條件下軋制較多道次，并適當延長軋后停留時間，增加變形奧氏體的再結晶數量，使組織均勻化。待鋼材溫度降到奧氏體未再結晶區時進行第二階段軋制，保證未再結晶區總壓下率大于45%，并適當加大道次變形量。為奧氏體向鐵素體相變形核創造條件，增加形核部位，達到細化鐵素體晶粒的目的。軋后通過控制冷卻來控制相變條件、碳化物的析出行為等達到最終產品的組織和性能，獲得需要的貝氏體+馬氏體復合組織和強韌性要求。
4鞍鋼低合金耐磨鋼生產情況
鞍鋼2004年開始生產鏟刃用鋼ACR950，用于制造挖掘機或推土機等設備的鏟刃，是鞍鋼最早的低合金耐磨型鋼鐵材料，生產厚度范圍8-40mm。2005制定了《鏟刃用熱軋鋼板》企業標準，2006年開始研發AM360，2007年投入生產試制；2008年開始研發AM400，并于當年投入生產試制，2009年開始研發AM450，目前處于實驗室階段。
5結語
低合金耐磨鋼具有廣闊的應用前景。隨著國內鋼鐵企業中厚板技術裝備水平的提高，目前國內低合金高強度耐磨鋼的開發和應用已越來越成熟，如舞鋼已研制出相當數量的耐磨鋼品種。耐磨鋼生產逐步系列化、標準化，2009年已正式形成國家標準GB/T?24186-2009《工程機械用高強度耐磨鋼板》。不過鞍鋼耐磨鋼的研制和生產還處于較低水平。隨著鞍鋼鲅魚圈的先進煉鋼裝備及5500mm厚板軋機的順利投產，加大高品質、高附加值、高強度耐磨鋼產品改進和開發力度，提高鞍鋼耐磨鋼實物質量。
大量的試驗研究表明，在高強度馬氏體基體上分布一定體積分數的下貝氏體，可在保持較高強度前提下顯著提高材料的塑性以及沖擊和斷裂韌性。同時具有較高的抗磨損能力，是低合金耐磨鋼發展的一個重要組織結構設計方向。
通過提高熔煉技術，即純凈鋼的冶煉技術，研究在線淬火技術和超快速冷卻技術在耐磨鋼上應用，挖掘現有低成本材料的潛力，生產低成本高性能的耐磨鋼是一個重要的生產工藝設計方向。