材料磨损广泛存在各行各业，目前每年因材料磨损消耗的钢铁材料200~300万吨，资源和能源的限制逐渐凸显，环境保护问题日趋严峻。全球顶尖耐磨钢被国外瑞典SSAB（包括芬兰RUUKI）、日本JFE公司长期垄断。

随着我国工业飞速发展，各类机械设备不断复杂化、大型化及轻量化、服役环境多元化，具有高强韧复杂成型、低损耗环境友好型耐磨钢材料被迅速应用于各行各业，需求量呈现井喷式增长。

二、解决问题的思路与技术方案

项目以产学研合作方式，突破传统耐磨钢组织、性能调控与应用技术瓶颈，构建起高强韧环境友好型耐磨钢板关键制备技术、焊接、折弯、加工应用技术体系。总体思路如下：

1、研发独创技术、掌握核心工艺、智造高端、国产化替代进口、打破欧洲垄断；

2、“产品+EVI 服务”模式，打造高品质特色耐磨钢生产基地；

3、上下游联动、产业链无缝对接和强强联合；

4、开展引领性技术和前沿产品研发，打造“国际首创”、“国内首发”和“单打冠军”产品。

三、主要创新性成果

1、攻克板条马氏体亚结构细化与ε-铁碳化物析出协同控制技术，开发出高强度耐磨钢马奥复相、板条亚结构、多尺度析出物精准调控技术，首次实现最高强度2000MPa的NM600F级别产品批量化生产。

利用微合金和合金元素的协同作用，在保证淬透性的同时尽量减少合金加入，提升强韧匹配能力、减少淬火内应力。以高强韧性、可折弯成型、可焊接的2000MPa级别耐磨钢NM600为目标钢种，微观组织为低碳板条马氏体，其微观结构控制单元分别由原始奥氏体晶粒、板条束Packet、板条块Block、和板条Lath几部分组成，板条块宽度是强度的有效控制单元，而板条束尺寸是韧性有效控制单元。通过控制板条马氏体的微观结构中的板条块和板条束来达到控制马氏体耐磨钢强度和韧性的目的。

表1 不同淬火温度板条亚结构分析

不同强度的F级耐磨钢工业化大生产后，-60℃韧性与其强度、耐磨性匹配良好，首次实现2000MPa超高强度E级和F级耐磨钢的开发，解决该类产品强硬度高带来的韧性控制难题，突破了SSAB只提供-40℃低温冲击韧性极限。

2、中碳+硼+铌+铬+钼”吉帕级马氏体耐磨钢铸坯质量控制技术

（1）研发动态调整板坯连铸机红坯压力控制方法，提升马氏体耐磨钢铸坯内部质量

通过凝固传热二级模型计算铸坯各扇形段内凝固坯壳厚度，实现不同的凝固坯壳厚度动态平稳；精确控制动态调整红坯压力，实现不同浇注条件下驱动力自适应平稳过渡，提升耐磨钢产品铸坯内部质量，经过铸坯质量评级，中心偏析C0.5、中心疏松0.5的比例由75%提升至93.4%，尤其是NM500至NM600级别产品铸坯中心偏析C0.5、中心疏松0.5的比例由61%提升至93.4%。

(a)NM600-HZ；(b)NM550； (c)NM500；(d)NM450；(e) NM400

图1 不同等级的耐磨钢铸坯内部质量评级图片

（2）独创降低耐磨钢连铸头尾坯表面裂纹的二冷控制方法

根据高端耐磨钢产品连铸开浇阶段拉坯长度、尾坯阶段的尾坯长度跟踪坯头、坯尾，根据坯头、坯尾的位置，实时精确调整二冷水量，实现板坯连铸头尾坯弱冷，自适应提高头尾坯表面温度，降低头坯、尾坯表面横裂纹的发生概率，显著提高耐磨钢产品质量。

本技术是高端耐磨钢板坯连铸工艺首创，突破“中碳+硼+铌+铬+钼”马氏体耐磨钢铸坯兼具良好内部及表面质量的技术壁垒。开发出耐磨钢窄成分控制方法及洁净钢冶炼技术，提高成品钢性能稳定性。

3、提出基于Nb-V-Mo-Ti成分体系和控制热处理工艺，低温弥散析出粒子阻止苛刻磨损过程中裂纹的发生和扩展，以及酸碱、高温环境阻止M晶界迁移，提升马氏体稳定性。极寒地带、砂石冻土、酸碱、高温等特许工况下耐磨性能提升1.18~1.53倍，实现高耐磨、低损耗、环境友好型发展。

（1）具有良好冲蚀磨损性能高温耐磨钢的研发

①添加马氏体固溶强化稳定性元素Nb、V、Mo、Ti，提高高温变形抗力和加工硬化的程度、增加回火稳定性，达到高温强化作用，使马氏体耐磨钢的抗拉强度、布氏硬度不随温度升高而下降过多，满足高温服役环境下具有良好的耐磨性能。②采用控温控速淬火热处理工艺，促进淬火冷却过程细小、弥散的Nb、Mo、V等微合金元素的C、N化物析出，细小弥散的Nb(C,N)、Mo(C,N)、V(C,N)阻止晶界迁移，提高晶粒长大温度，达到淬火钢板具有晶粒尺寸细小、且具备细晶强化和析出强化双重效果。最终在100~500℃服役过程中仍然保持细晶强化和析出强化双重效果，稳定钢板高温抗拉强度、布氏硬度，提高高温耐磨性能。NM400-BD(HTP)耐磨性能比普通NM400提高1.7倍。

图2 NM400-BD(a-c)和NM400(d-f)在不同温度下的磨损形貌及磨损结果

（2）低损耗、高耐磨性耐磨钢核心技术研发

钢板淬火加热过程中，含Ti或者V耐磨钢板原始细小的形变组织及大量细小弥散的析出物，加快了含V耐磨钢强化相Ti或者V的碳、氮化物的均匀化扩散进程，缩短加热保温时间；淬火冷却过程中瞬间冻结均匀强化相Ti或者V的碳、氮化物，避免碳化物、微合金等强化相的偏聚，得到布氏硬度均匀、耐磨性能良好、强韧性能配合优异的高等级耐磨钢。

图3 析出物检测 图4 PH=9、300℃高温磨损

采用本工艺生产的耐磨钢微观组织为细小的板条马氏体，马氏体“板条束”百分比含量范围60%~90%、平均尺寸为0.6021~1.7453μm，马氏体“板条块”百分比含量范围10%~40%，实现高等级耐磨钢微观组织马氏体形态柔性化控制，耐磨性能与相同硬度级别耐磨钢相比提升1.18~1.53倍。

4、创新的在高强韧板条马氏体耐磨钢中引入纳米TiC和残余奥氏体，成功研发系列可实现复杂成型耐磨钢板，国际上首次实现耐磨钢板焊后180°成型和焊缝大载荷疲劳不开裂，应用于超大型硬岩面用压路机振轮等极端装备制造，钢板焊接、成型和疲劳磨损等指标达到国际领先水平。

预先析出第二相粒子并控制其生长的新思路，在马氏体基体中引入超硬纳米TiC粒子，通过在采用控制轧制和超快速冷却技术在铁素体或贝氏体中预先析出超硬纳米TiC粒子，并控制热处理过程，使其保留和弥散分布在马氏体基体上，获得5%~15%的薄膜状亚稳残余奥氏体组织，从而实现在少增加或不增加碳含量和合金元素的条件下增加钢板焊接性能和韧塑性的目的。首发1100MPa高强度、360度辊压圈圆成型压路机振轮耐磨NM360-YLJ，解决了马氏体基体上纳米TiC和亚稳奥氏体均匀弥散控制难题，国际上首次实现耐磨钢板焊后180°折弯成型和焊缝大载荷疲劳不开裂，应用于超大型硬岩面用压路机振轮等极端装备制造，钢板焊接、成型和疲劳磨损等指标达到国际领先水平。

图5 压路机振轮焊接和焊后大压力振动疲劳测试

5、首创“约束式控温淬火+热风循环高精度超低温回火”耐磨钢板低内应力控制技术，解决1100~2000MPa超高强度大下宽厚比耐磨钢板低残余应力和高均匀性协同控制国际难题，满足长焊接、冲压、深冲压、大角度多道次折弯、辊压、辊压圈圆等复杂成型。

成功研制国际首套钢板受约束式控温淬火、钢板辊压式淬火装备和高平直度淬火技术，其中厚度4mm、宽度3000mm钢板整板淬火不平度≤3mm/2m，国际上首次实现批量淬火生产。成功研制系列耐磨钢板受约束淬火变形机制和低残余应力淬火方法，发明多机架高刚度伺服控制辊系、阵列射流水刀、板形智能检测与自学习等核心系统，开发成功高转矩大速比传动控制技术、液压多缸同步控制技术、差速拉伸淬火技术、非对称淬火技术、多机架辊缝优化控制技术、头尾板形控制技术等成套极薄钢板辊压式淬火技术钢板淬火后无头尾叩/翘、中/边浪等板形缺陷，为高品质耐磨钢板的生产与研发奠定装备技术基础。

图6 新型淬火冷却喷嘴、辊压式约束淬火技术

成功研制150~750℃高精度、热风强制对流循环回火技术，回火时均匀性±3℃，低温均匀性达到国际领先水平。研究了多源脉冲射流加热方式下燃烧场-温度场-流场的交互作用机制，分析了非稳态对流-辐射-传导耦合传热控制机理，明确温度场和流场的影响因素及作用规律。提出基于旋流阵列有序控制改善炉温均匀性的方法，研发基于高强循环热风射流高精度加热和高均匀性传热控制技术。

四、应用情况与效果

1、优异的加工成型性能，是1100~2000MPa级别马氏体耐磨钢技术的颠覆---引领行业发展。

2、优异的焊接性能，引领行业发展

经过中船重工七二五所、中科院金属所、徐工、山推权威部门，对系列耐磨钢焊接性能进行评定，耐磨钢焊缝疲劳折弯，焊接接头各项性能优异，实现了高效焊接。

3、常温磨粒磨损：是同等工况下相同级别耐磨钢的1.04~1.18倍。高温冲蚀磨损、酸碱腐蚀磨损：是同等工况下相同级别耐磨钢的1.18~1.53倍。

4、与国内外同类研究技术对比，高强韧性、复杂成型、均匀磨损、高效焊接、低损耗环境友好等总体达到国际先进水平，其中2000MPa超高强度E级和F级耐磨钢强韧匹配、1100~2000MPa 耐磨钢复杂成型、“1100MPa、 360 度辊压圈圆成型、长焊接”压路机振轮耐磨钢焊接、辊压、疲劳磨损等指标达到国际领先水平。

《道路机械用复杂成型耐磨钢》获中钢协产品开发市场开拓奖，形成《改善成形性高强韧耐磨钢板》团体标准1件，修订《工程机械用高强度耐磨钢板》国家标准。申报发明专利34件，发表技术论文21篇。

5、工程机械、农业机械、煤矿机械行业材料升级迭代：1100~2000MPa吉帕级钢铁材料复杂成型：促进行业变革。《中国冶金报》、《世界金属导报》、中国钢铁新闻网等媒体在2020~2024年多次报道本项目取得成果，如“破解我国粮食收割机刀片用钢技术问题，河钢邯钢成功开发NM600-NJ耐磨钢”等，高度评价本项目成果的内容。

信息来源：邯郸钢铁集团有限责任公司