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国内外低合金耐磨钢研发现状
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-08-27
目前国外生产耐磨钢板的著名厂家有瑞典奥克隆德、德国迪林根、德国蒂森克虏伯、日本的JFE，其中，瑞典奥克隆德生产的HARDOX系列，硬度达HB400、HB500、HB550和HB600；德国迪林根的400V和500V；德国蒂森克虏伯的XAR400、XAR450、XAR500；日本的JFE—EH400和EH500等。我国能生产低合金高强度耐磨钢的厂家主要有舞钢、武钢、宝钢、南钢等。鞍钢也已开发出AM360、AM400及AM450耐磨钢，但产品性能稳定性和整体品质与国外产品相比还存在一定差距。
金属材料的破坏主要有三种形式：即断裂、腐蚀和磨损。据统计，由磨损造成的经济损失是相当惊人的，美国约500亿美元/年，德国300亿马克/年，我国每年因球磨机磨球磨损消耗近200万t，各种破碎机衬板消耗近50万t，轧辊消耗近60万t，各种工程挖掘机、装载机、输送管道、破碎机锤头和鄂板等消耗超过50万t，因此对耐磨的研究具有十分重大的意义。
低合金高强度耐磨钢的研究是近几十年开始的，该钢种具有良好的可加工性能和优良的耐磨性能，使用寿命是传统结构钢板的数倍，生产工艺简单，一般采用轧后淬火加回火，或者通过控轧控冷工艺进行强化。日本、德国及瑞典等国的一些钢铁公司都生产低合金高强度耐磨钢，我国在近10年才打破传统16Mn钢的低级别状态，开始向经济型和高性能方向发展。
1国内外低合金耐磨钢生产现状
目前国外生产耐磨钢板的著名厂家有瑞典奥克隆德、德国迪林根、德国蒂森克虏伯、日本的JFE，其中，瑞典奥克隆德生产的HARDOX系列，硬度达HB400、HB500、HB550和HB600；德国迪林根的400V和500V；德国蒂森克虏伯的XAR400、XAR450、XAR500；日本的JFE—EH400和EH500等。我国能生产低合金高强度耐磨钢的厂家主要有舞钢、武钢、宝钢、南钢等。鞍钢也已开发出AM360、AM400及AM450耐磨钢，但产品性能稳定性和整体品质与国外产品相比还存在一定差距。
瑞典奥克隆德的HARDOX悍达400和450是多用途的耐磨板，由于其高韧性、良好的弯曲和焊接性能，在一些应用中也可用作承载用途。HARDOX悍达500是一种可弯曲和焊接的耐磨板，可应用于对耐磨性能要求更高的领域。HARDOX悍达550是一种平均硬度为550HB的耐磨钢板，其韧性与HARDOX悍达500相同，被应用于高磨损的场合。当从HARDOX悍达500钢板升级到该产品时，在布氏硬度上提高了50个单位，在不损失钢板韧性的情况下延长了耐磨寿命；HARDOX悍达600是世界上最硬的耐磨钢板，硬度值达到600HB。
德国蒂森克虏伯XAR系列耐磨钢，硬度范围覆盖HB300-600，主要以Cr、Mo合金化。
德国迪林根DILLIDUR400、DILLIDUR500等系列耐磨钢板，布氏硬度分别为HB400、HB500，厚度范围可覆盖6-150mm，采用淬火+低温回火工艺。
我国近年在低合金马氏体耐磨钢研究方面有很大进展。低合金马氏体钢是采用Cr、Ni、Mo等元素合金化，然后通过淬火与低温回火热处理，获得回火马氏体组织，如中国舞阳钢厂生产的WNM系列耐磨钢是国内耐磨钢的代表。舞阳钢厂拥有先进水平的电炉冶炼、连铸（模铸）、轧制、热处理、精整短流程生产线。主体设备有：4座90t、100t 超高功率电炉，5座90t、100t LF精炼炉，4座90t、100t VD真空炉，3台1900mm、2500mm大型板坯连铸机，9条钢锭大型模铸线，2座4100mm、4200mm宽厚板轧机和常化炉、淬火炉、外机炉、车底炉等热处理炉群，具有500万t钢、360万t宽厚板的生产能力，是国内生产耐磨钢实力较强的企业。
与国内相比，国外能生产更高强度级别的耐磨钢，布氏硬度覆盖HB200-600，生产厚度规格覆盖6-120mm的范围，远远大于国内生产能力最强的舞钢8-80mm，而鞍钢耐磨钢目前只具有生产厚度为20-60mm的能力，跟国内外先进水平都存在较大差距。
2鞍钢低合金耐磨钢成分和组织设计特点
鞍钢生产低合金耐磨钢AM360及AM400采用了Cr、Ni、Mo系列合金化，通过淬火与低温回火热处理，获得回火马氏体组织。由于马氏体的高密度位错、细小的孪晶、碳的偏聚以及马氏体的间隙固溶，使马氏体组织具有高强度，其屈服强度达1100MPa以上，硬度值达到HB330-400，能满足一般机械构件的使用要求。但这种靠马氏体基体硬度来抗磨的耐磨钢，在高应力磨料磨损条件下，耐磨性显得不够。面对一些复杂工况或者具有高冲击应力情况下，需要进一步提高耐磨钢的强度和硬度以及耐磨性，研制开发出具有更高硬度级别的耐磨钢。
具有良好耐磨性的组织应能提供较高的硬度和足够的韧性，马氏体组织具有高强度和高硬度，但其韧性不足，以下分析较高硬度组织状态的韧性和耐磨性。传统高锰耐磨钢铸态组织是奥氏体+马氏体+碳化物，水韧处理后为单一的奥氏体组织，高锰钢的主要特征是屈服强度低，具有良好的韧性和加工硬化能力，即在强烈的冲击载荷或挤压载荷下，受力表面被加工硬化，从而具有良好的耐磨性，但它的使用范围受到限制。低合金钢中淬硬态的组织有马氏体、贝氏体、残余奥氏体和未溶碳化物等。有资料表明：板条马氏体在准解理断裂时消耗较多的断裂功，从而提高了韧性，而片状马氏体断裂时伴有的微裂纹造成片状马氏体的脆性，因此板条马氏体韧性高于片状马氏体。下贝氏体以不同位向的铁素体板条为最小断裂单元，其韧性较相同硬度的回火马氏体高，也高于上贝氏体。贝氏体钢基本相板条极细，碳含量较高，碳化物多是以微细颗粒均匀分布在基体上，组织内应力较低，具有较高的抗变形能力，其耐磨性高于回火马氏体钢。残余奥氏体存在于马氏体板条或马氏体片间，也存在于下贝氏体组织中，因其能使应力松驰，阻碍裂纹扩展，材料断裂时吸收能量增加，而使韧性改善。未溶碳化物会引起应力集中，形成裂纹源，有利于裂纹扩展，加速脆断，降低韧性。
不同组织的耐磨性取决于硬度和韧性，在接近硬度下韧性良好的组织相应也有良好的耐磨性。资料表明：板条马氏体耐磨性优于片状马氏体；下贝氏体耐磨性高于相同硬度的回火马氏体。残余奥氏体的作用取决于磨损类型：在低应力磨损下，残余奥氏体增多，硬度降低，耐磨性下降。高应力与冲击不大的磨损条件下，残余奥氏体增加，可抑制裂纹形成和扩展，阻碍变形和剥层疲劳磨损。而提高耐磨性，在较大冲击条件下，如大磨机中的磨球，过多残余奥氏体对耐磨性不利，因在冲击变形中残余奥氏体发生马氏体相变，体积膨胀，应力集中而发生脆性剥落。在M/A基体中分布细小弥散碳化物对耐磨性有利，而在基体中分布大块未溶碳化物。在高应力较大冲击下碳化物作为裂纹源引起脆性断裂剥落，对耐磨性不利。
根据以上分析，低合金耐磨钢应通过合金控制和热处理获得如下类型的组织状态：板条马氏体+板条间残余奥氏体的组织，可由淬火+低温回火获得。鞍钢AM360、AM400就是按照这种方法生产。下贝氏体或贝氏体+马氏体的复合组织，可通过等温处理或连续冷却获得。由于这种组织的耐磨性高于单纯马氏体组织的耐磨性，鞍钢将AM450以上级别的耐磨钢设计成贝氏体+马氏体的复合组织。
3鞍钢低合金耐磨钢生产工艺设计特点
从冶炼上来讲，低合金高强耐磨钢的生产需要严格控制钢的化学成分。采用炉外精炼、吹氩脱气等技术，降低钢中的有害气体、夹杂及S、P含量，提高钢质纯度。这方面鞍钢的技术已经比较成熟，为低合金高强耐磨钢的生产提供了必要的基础。
以AM450生产为例，为了获得所需要的贝氏体+马氏体的复合组织，并且使晶粒细化，提高耐磨钢的综合性能，最经济最有效的方法是控制轧制加控制冷却。通过控轧控冷可以使钢材的强度和韧性同时提高，而且能节约热处理过程造成的能源消耗，简化生产工序，提高生产效率。
控制轧制工艺采用高温奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制，控制变形奥氏体的再结晶数量，尽可能达到完全再结晶，争取在高温条件下轧制较多道次，并适当延长轧后停留时间，增加变形奥氏体的再结晶数量，使组织均匀化。待钢材温度降到奥氏体未再结晶区时进行第二阶段轧制，保证未再结晶区总压下率大于45%，并适当加大道次变形量。为奥氏体向铁素体相变形核创造条件，增加形核部位，达到细化铁素体晶粒的目的。轧后通过控制冷却来控制相变条件、碳化物的析出行为等达到最终产品的组织和性能，获得需要的贝氏体+马氏体复合组织和强韧性要求。
4鞍钢低合金耐磨钢生产情况
鞍钢2004年开始生产铲刃用钢ACR950，用于制造挖掘机或推土机等设备的铲刃，是鞍钢最早的低合金耐磨型钢铁材料，生产厚度范围8-40mm。2005制定了《铲刃用热轧钢板》企业标准，2006年开始研发AM360，2007年投入生产试制；2008年开始研发AM400，并于当年投入生产试制，2009年开始研发AM450，目前处于实验室阶段。
5结语
低合金耐磨钢具有广阔的应用前景。随着国内钢铁企业中厚板技术装备水平的提高，目前国内低合金高强度耐磨钢的开发和应用已越来越成熟，如舞钢已研制出相当数量的耐磨钢品种。耐磨钢生产逐步系列化、标准化，2009年已正式形成国家标准GB/T 24186-2009《工程机械用高强度耐磨钢板》。不过鞍钢耐磨钢的研制和生产还处于较低水平。随着鞍钢鲅鱼圈的先进炼钢装备及5500mm厚板轧机的顺利投产，加大高品质、高附加值、高强度耐磨钢产品改进和开发力度，提高鞍钢耐磨钢实物质量。
大量的试验研究表明，在高强度马氏体基体上分布一定体积分数的下贝氏体，可在保持较高强度前提下显著提高材料的塑性以及冲击和断裂韧性。同时具有较高的抗磨损能力，是低合金耐磨钢发展的一个重要组织结构设计方向。
通过提高熔炼技术，即纯净钢的冶炼技术，研究在线淬火技术和超快速冷却技术在耐磨钢上应用，挖掘现有低成本材料的潜力，生产低成本高性能的耐磨钢是一个重要的生产工艺设计方向。