關(guān)于耐磨鋼生產(chǎn)研究現(xiàn)狀與分析

李 智

（山東省冶金科學(xué)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

耐磨鋼屬于耐磨材料之一，在各類磨損工況中有著十分廣泛的重點(diǎn)應(yīng)用，科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，新型耐磨鋼種類也隨之增多，冶煉、鑄造與熱處理以及機(jī)加工工藝同樣獲得創(chuàng)新提升，耐磨鋼所具有的使用年限、綜合力學(xué)性能以及耐磨性能獲得顯著提升。耐磨鋼在冶金、鐵路、軍事與電力等眾多行業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛重點(diǎn)應(yīng)用，也成為不可或缺的關(guān)鍵材料之一?；谙嚓P(guān)統(tǒng)計，機(jī)械裝備及其零部件，由于磨損引起的經(jīng)濟(jì)損失，占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值約4%。所以，提高零部件使用年限，對磨損問題采取有效解決，是機(jī)械設(shè)備設(shè)計、制造與使用應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注和考慮的焦點(diǎn)，耐磨材料也成為關(guān)乎現(xiàn)代生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。

1 國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國鋼鐵行業(yè)，所生產(chǎn)制造的普通產(chǎn)品，明顯供大于求，而高附加值品種則產(chǎn)量不足，難以充分滿足基本需求。我國厚板軋機(jī)，經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新與升級改造，規(guī)格和裝備水平為厚板生產(chǎn)提供可靠保障，厚板軋機(jī)基于大軋制壓力、大功率以及高強(qiáng)度設(shè)計，為TMCP工藝生產(chǎn)性能、質(zhì)量更加優(yōu)秀的厚板提供可靠保障[1]。

針對國內(nèi)鋼鐵企業(yè)，高強(qiáng)度耐磨鋼生產(chǎn)制造，此類鋼鐵企業(yè)逐漸增多，如鞍鋼、湘鋼與寶鋼等。我國年消耗耐磨鋼，實際總量已超400萬t，鋼板厚度介于6～80(100)mm。針對耐磨鋼材料，有關(guān)生產(chǎn)工藝設(shè)備，鑒于國外技術(shù)發(fā)展較早，且技術(shù)較為先進(jìn)，我國也積極引進(jìn)先進(jìn)生產(chǎn)線，基于國內(nèi)具體情況，創(chuàng)新研發(fā)全新工藝設(shè)備。除此之外，對煉鋼工藝新技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，如爐外煉鋼或是連鑄等，產(chǎn)品綜合性能指標(biāo)獲得顯著改善，質(zhì)量、性能方面均獲得有效提高，金屬消耗也得以顯著減少。部分企業(yè)生產(chǎn)工藝的提升，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)甚至遠(yuǎn)超國際水平，并向全球其他國家大量出口，如舞鋼生產(chǎn)的耐磨鋼板，硬度HB≥360級，且具有剛強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，以原材料生產(chǎn)制造的設(shè)備，對高沖擊與高磨損工況表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，同樣可用于屈服強(qiáng)度≥700MPa的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。充分保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，鋼板所具有的沖擊韌性以及焊接性能相對更高[2]。

針對國外鋼鐵企業(yè)，生產(chǎn)制造耐磨鋼板的企業(yè)相對較多，如瑞典奧克隆德，生產(chǎn)研制HARDOX系列；德國迪林根，生產(chǎn)研制400V、500V產(chǎn)品；德國蒂森克虜伯，生產(chǎn)研制XAR400、XAR450、XAR500產(chǎn)品；日本JFE，生產(chǎn)研制EH360、EH400、EH500等產(chǎn)品；有關(guān)瑞典奧克隆德鋼鐵企業(yè)，其屬于SSAB瑞典鋼鐵集團(tuán)的重要工廠之一，在淬火與回火方面，技術(shù)水平遠(yuǎn)超其他國家企業(yè)，屬于全球范圍內(nèi)最大的耐磨鋼板與超高強(qiáng)度鋼板生產(chǎn)制造商，淬火中厚鋼板生產(chǎn)領(lǐng)域，在全球市場的占比高達(dá)60%，HARDOX Extreme系列的耐磨鋼板，在硬度方面已經(jīng)實現(xiàn)HB700級。德國TKS企業(yè)生產(chǎn)制造的耐磨鋼，耐磨性能較高，結(jié)構(gòu)較為特殊，經(jīng)過淬火處理或是調(diào)制熱處理，形成馬氏體或是馬氏體－貝氏體顯微結(jié)構(gòu)，鋼板厚度最高能夠達(dá)到10mm。日本JFE生產(chǎn)制造的耐磨鋼，以JFE EVERHARD系列為主，涵蓋傳統(tǒng)級別的同時，并繼續(xù)研發(fā)出全新產(chǎn)品，如超級耐磨鋼EH-SP，同布氏硬度500級鋼板做出對比，所具有的耐磨性能相對更高[3]。

2 耐磨鋼生產(chǎn)研究現(xiàn)狀

2.1 準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)耐磨鋼

關(guān)于“準(zhǔn)貝氏體”概念，石油康沫狂率先提出，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對此保持高度關(guān)注，并對力學(xué)性能展開科學(xué)深入研究。針對準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼，其所含成分詳見表1。

表1 準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

基于研究得知，針對準(zhǔn)貝氏體鋼，有關(guān)其組織構(gòu)成上，主要以貝氏體鐵素體以及殘余奧氏體為主，強(qiáng)度與韌性方面相對較高，由于具有碳化物，也對鋼性能產(chǎn)生一定的不利影響。有關(guān)準(zhǔn)貝氏體鋼，對合金元素的合理摻入，如Si、Al等，可對碳化物產(chǎn)生形成有效抑制。針對殘余奧氏體，其屬于碳的過飽和固溶體，發(fā)生磨損期間，由于外力作用影響，并獲得高碳馬氏體，由此形成硬質(zhì)點(diǎn)。針對準(zhǔn)貝氏體，同低碳馬氏體相比，存在一定的相似性，而有關(guān)強(qiáng)韌性以及破斷抗力方面，同樣表現(xiàn)出良好的優(yōu)勢，硬質(zhì)點(diǎn)存在良好的耐磨性，基體破斷抗力相對較高，磨粒能夠保證穩(wěn)固，且不會出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，耐磨性可以得到充分保證[4]。

研究人員通過以貝氏體鋼為對象，基于所含標(biāo)準(zhǔn)成分，對合金元素Si合理摻入，對碳化物析出形成有效抑制，并開發(fā)研究基于貝氏體鐵素體與殘余奧氏體共同構(gòu)成的準(zhǔn)貝氏體組織的高強(qiáng)耐磨鋼，通過科學(xué)試驗，對標(biāo)準(zhǔn)性能做出科學(xué)研究?；诮Y(jié)果得知，合理工藝標(biāo)準(zhǔn)情況，鋼板也表現(xiàn)出最佳綜合性能，強(qiáng)韌性、耐磨性等方面同樣可以得到充分保證。

研究人員以新型HB400級高強(qiáng)度準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼板為對象，基于各不相同溫度標(biāo)準(zhǔn)條件，研究回火工藝對耐磨鋼板組織、力學(xué)性能和耐磨性能所產(chǎn)生的作用影響?；诮Y(jié)果得知，鋼板表現(xiàn)出的強(qiáng)韌性、耐磨性能相對良好，低溫回火工藝，能夠使韌性獲得明顯改善，新型耐磨鋼板也表現(xiàn)出良好的回火抗力。以準(zhǔn)貝氏體鋼為原材料，生產(chǎn)干強(qiáng)度耐磨板，優(yōu)勢特點(diǎn)明顯，生產(chǎn)工藝較為簡便，且成本相對低廉[5]。

研究人員利用TMCP工藝，使準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼板所具有的性能獲得明顯改善，使生產(chǎn)效率得以有效提高，最終實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的效果。

2.2 奧氏體耐磨鋼

高錳鋼，即 %4.10.1)( -=Cω，，通過1000-1100℃水韌處理，能夠得到單一奧氏體組織，而有關(guān)韌性以及加工硬化性能上，明顯相對較高。高錳鋼出現(xiàn)至今，獲得廣泛應(yīng)用，早期階段，高錳鋼也屬于非常重要的耐磨材料。不過，基于實踐研究得知，高錳鋼耐磨性需要相應(yīng)的基礎(chǔ)條件，需沖擊力和應(yīng)力足夠大，且磨料足夠硬，高錳鋼則具有良好的耐磨性，不過，屈服強(qiáng)度相對較低，較易發(fā)生變形。鑒于此，隨著鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，高錳鋼也被其他耐磨材料所代替。針對新型奧氏體錳鋼，屬于代替高錳鋼的重要耐磨鋼產(chǎn)品，對C、Mn元素含量采取合理減少，并對Cr元素加以合理摻入，可對C、Mn元素含量減少導(dǎo)致鋼機(jī)械能力降低形成有效彌補(bǔ)。重力擠壓作用，或是強(qiáng)烈沖擊作用，此種情況下，高錳鋼表面快速硬化，硬度顯著提高，可達(dá)HB500級，心部并未發(fā)生改變，硬度、韌性保持不變，所以，也多用于沖擊磨損工件。C元素含量的明顯增加，能夠使奧氏體錳鋼所具有的抗磨性獲得顯著提升，不過，僅對C元素含量做出改變，相應(yīng)的碳化物含量同樣出現(xiàn)明顯增加。所以，為對碳化物析出形成有效抑制，可對Nb、Mo等元素合理摻入，并采取相應(yīng)的熱處理，以此獲得過飽和單相奧氏體，使錳鋼所具有的韌性可以獲得有效提高。熱處理期間，碳化物出現(xiàn)明顯的溶解，奧氏體晶粒則也出現(xiàn)明顯的增大，對材料性能造成一定的影響。所以，有關(guān)針狀碳化物問題，需運(yùn)用科學(xué)合理的處理方法，通過采取科學(xué)有效的處理，使針狀碳化物能夠得到有效抑制，避免對高錳鋼所具有的各項性能產(chǎn)生不利影響，促使高錳鋼所具有的耐磨性可以獲得有效提高。

有關(guān)軋制工藝，研究人員研發(fā)基于深度軋制為主，通過預(yù)變形表面硬化的方式，對高錳鋼作出有效處理。基于結(jié)果得知，形變量發(fā)生變化，出現(xiàn)明顯增加的情況下，組織內(nèi)位錯及孿晶密度也會受到影響，并表現(xiàn)出明顯增加的趨勢，晶粒同樣也出現(xiàn)相應(yīng)的細(xì)化。由于采取深度冷軋的方式，以至于高錳鋼表面組織發(fā)生相應(yīng)的改變，高密度位錯及孿晶組織的出現(xiàn)，使高錳鋼耐磨性能獲得明顯的改變提升，磨損表面存在的脆性剝落同樣得到有效改善。與此同時，心部韌性相對良好，同樣可使磨損期間疲勞剝落得到一定的改善。此軋制方式的合理運(yùn)用，對高錳鋼使用效率和應(yīng)用范圍的有效提升具有重要的影響和意義[6]。

2.3 馬氏體耐磨鋼

針對低合金馬氏體鋼，采用Mo、Cr、Ni等元素合金化，并結(jié)合淬火以及低溫回火熱處理，形成回火馬氏體組織，韌性、強(qiáng)度與硬度方面相對較高。針對低合金馬氏體鋼奧氏體，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，采取回火處理，可對淬火所形成的殘余應(yīng)力產(chǎn)生作用影響，最終得以有效降低或是消除，使材料所具有的韌性得到顯著提高，脆性得以有效降低，獲得韌性、強(qiáng)度與硬度適當(dāng)配合[7]。針對低合金馬氏體鋼，具有相應(yīng)的高位錯板條狀馬氏體，可對磨損期間裂紋問題形成有效抵抗，與奧氏體高錳鋼作出對比，中等沖擊磨損標(biāo)準(zhǔn)，此鋼表現(xiàn)出更加良好的綜合機(jī)械性能。此外，化學(xué)成分開工至以及熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)同樣有著較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。針對馬氏體耐磨鋼，其所含成分詳見表1。

表2 馬氏體耐磨鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

針對低合金耐磨鋼，C元素是影響性能的主要因素之一，C元素含量的不斷提高，鋼硬度盡管能夠獲得顯著提高，不夠，韌性、塑性同樣獲得顯著降低。Cr的合理加入，能夠使耐磨鋼所具有的抗氧化性獲得明顯改善，使淬透性得以有效提高，抗腐蝕性能以及耐磨性同樣獲得顯著提高。Ni的合理加入，能夠耐磨鋼強(qiáng)度得以顯著，而有關(guān)韌性、塑性以及工藝性能，同其他合金元素做出比較，損害影響明顯更小。Mo的合理加入，確保馬氏體的有效形成，使淬透性以及碳化物穩(wěn)定性能夠獲得明顯的提高。Si的合理加入，促使固溶體嵌固端以及回火穩(wěn)定性得以有效提高。Mn的合理加入，臨界冷卻速度出現(xiàn)明顯降低，同樣也屬于適宜的脫硫劑以及脫氧劑。B的合理加入，促使材料淬透性得以成倍提高。稀土的合理加入，可使耐磨鋼組織得到明顯改善，細(xì)化晶粒的同時，有效凈化鋼液。

研究人員以貝氏體－馬氏體耐磨鋼板為對象，基于組織、力學(xué)性能作出深入研究?；谘芯康弥缘吞钾愂象w鋼為基礎(chǔ)，通過Si的合理加入，能夠?qū)μ蓟镂龀鲂纬捎行б种疲源双@得全新的貝氏體－馬氏體組織，此種鋼不但在強(qiáng)度、硬度方面表現(xiàn)出良好優(yōu)勢，低溫沖擊韌性同樣相對較高[8]。

3 結(jié)論

綜上所述，隨著工業(yè)4.0時代與中國2025制造的全面推進(jìn)，對高級耐磨鋼的整體需求量持續(xù)增加，不過，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)的高級耐磨鋼存在明顯的供不應(yīng)求，高質(zhì)量耐磨鋼的總進(jìn)口量依然較高。隨著鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)的深化改革，熱處理生產(chǎn)線被大量引進(jìn)，生產(chǎn)制造高附加值耐磨鋼也成為發(fā)展重點(diǎn)。先進(jìn)高強(qiáng)度耐磨鋼的科學(xué)研發(fā)對鋼鐵行業(yè)有著重要的影響和意義，對耐磨材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展同樣至關(guān)重要，進(jìn)而促進(jìn)我國鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)邁入全球一流水平。