一、研究的背景与问题

在节能减排的国际大环境下，专用车轻量化进程不断加速，车厢底板和侧板部位目前主要应用厚度规格为3~8mm的调质耐磨板进行车身减重，但调质产线在生产薄规格耐磨钢产品时，存在生产效率低、生产成本高等问题，无法满足市场增长的需求，一些自卸车厂家倾向于选用价格更低、交货周期更快的免调质耐磨钢产品进行替代。

国外先进钢企SSAB、TATA十年前就已开始研发薄规格免调质耐磨钢，经过多年生产和应用实践，NM450TP钢在专用车领域批量稳定应用。相比之下，国内起步较晚，宝武从2013年开始进行免调质NM300TP的研发，2018年开始量产，主要用于混凝土搅拌罐，但在进行更高级别的免调质耐磨钢产品研发时，遇到了板形合格率低、性能波动大、焊接开裂率高和焊接疲劳性能不足等问题，用户抱怨极大，系列产品研发停滞。目前，国内钢企在免调质耐磨钢开发及应用研究中存在以下技术难点：

1、目前调质耐磨钢微合金化成分体系不能满足免调质工艺下产品性能。

2、免调质耐磨钢产品存在钢水高洁净度控制、铁马组织比例精确控制等技术壁垒，性能波动大，布氏硬度波动往往达到±50HBW，性能合格率仅为60%。

3、免调质耐磨钢规格薄强度高，存在轧制和开平后板形合格率低的技术瓶颈，板形合格率通常仅为50%，无法实现工业化大生产。

4、免调质耐磨钢在产品组织构成和强化机理方面与调质耐磨钢区别较大，国内焊接相关研究基本空白，严重影响了实际焊接过程中协调变形、断裂机理及焊接性能，用户端焊接开裂率达到10%。

2019年1月开始，邯钢依托自身技术力量和北京科技大学、重庆大学的高校科研力量支持，结合邯钢工艺装备实际，开展资源节约型热轧免调质复相耐磨钢关键技术开发及应用研究。

二、解决问题的思路与技术方案

针对以上行业共性技术难题，基于热轧免调质复相耐磨钢产品的开发必要性和生产困难性，制定了本项目的开发思路：（1）进行免调质耐磨钢系列产品的成分设计；（2）研究热轧免调质复相耐磨钢组织调控技术；（3）研发轧制和开平板形控制技术；（4）根据下游专用车制造厂家加工工艺进行材料焊接性能相关研究，制定出适合用户不同部位使用的焊接工艺参数。项目总体思路如图1 所示。

图1 项目总体思路

三、 主要创新性成果

1、免调质耐磨钢C-Si-Mn-Al-Cr多元合金强韧化成分设计

项目通过第一性原理和热力学计算相结合的实验室系统研究，设计了热轧免调质耐磨钢系列产品的C-Si-Mn-Al-Cr多元合金强韧化成分体系，建立了不同级别热轧免调质耐磨钢的多元合金强韧化的成分设计，其中NM400TP无硅产品表面基本无红锈，同时折弯性能提升50%以上，满足了客户需求，拓宽了产品应用范围。

图2  磨损表面的SEM照片（NM300TP、NM400TP、NM450TP）

图3 免调质耐磨钢磨粒磨损实验报告

技术应用后，对试验钢和目前专用车车身主流材料取样进行了磨粒磨损对比实验，搅拌车上采用NM300TP替代Q620后，耐磨损性能提高了约14%；自卸车上采用NM450TP替代600XT后，耐磨损性能提高了约350%，提升明显。

2、基于TRIP效应的在线组织性能调控技术

本项目通过对相变规律和高温热形变行为等材料基础特性的研究及控轧控冷工艺参数的优化，首次提出了基于TRIP效应的三相体系的热轧免调质耐磨钢系列产品的在线组织性能调控理论及控制技术，并成功应用于工业生产，最终系列产品性能优异，实现了NM300-450TP系列产品工业化批量稳定生产。

图4 免调质耐磨钢系列产品残余奥氏体和铁素体分析实例

技术应用后，免调质耐磨钢产品力学性能波动显著缩小，同级别产品不同批次间布氏硬度波动范围在±15之内，抗拉强度波动范围为100MPa之内，同卷宽度方向和长度方向的硬度波动范围在±10HBW之内，整体性能合格率达到97%以上，达到甚至超越了单张调质板的产品实物水平。

3、横跨轧制和开平两道工序的热轧免调质耐磨钢产品板形集成控制技术

项目通过对尾部残余应力的控制、间隔边部遮挡和边部加热器的创新型投用，结合开平时根据不同来料情况采取不同矫直参数的工艺细化分级，自主开发了一套横跨轧制和开平两道工序的吉帕级热轧免调质耐磨钢产品板形的集成控制技术。

图5 多工序协同板形控制

技术应用后，免调质耐磨钢系列产品的板形质量显著改善，尾部板形不良位置从200米降低到60米之内，轧制板形宽度方向方残余应力差从200MPa降低至105MPa，通卷开平后浪高在5mm/m以下的合格率从50%提高到90%以上，横切生产单卷的时间从74分钟降低到30分钟之内，提高了成材率和开平矫直的生产效率。

图6 免调质耐磨钢板形

4、多场耦合的焊接残余应力计算方法及“低强匹配焊丝+无预热”的焊接工艺设计

由于免调质耐磨钢在产品组织构成和强化机理方面和调质耐磨钢相比区别巨大，原有的调质耐磨钢焊接工艺与免调质耐磨钢材料的匹配性较差。目前，国内外还缺乏针对性的焊接工艺统应用基础研究工作，难以打消用户顾虑。据此，本项目针对用户使用性能中最重要的焊接工艺展开系统研究，开发了同时考虑固态相变和软化效应的多场耦合的焊接残余应力计算方法，以“低强匹配焊丝+无预热”的思路设计了免调质耐磨钢焊接参数，解决了用户端焊接应用难题，将免调质耐磨钢系列产品成功应用于搅拌车和城市渣土自卸车。

图7 免调质耐磨钢焊接工艺研究思路

自卸车加工等企业按照本研究开发的焊接工艺进行免调质耐磨钢系列产品的焊接，已累计生产超过2万吨，焊缝位置无任何裂纹和焊渣，焊缝质量良好。成品车辆在后续使用过程中未出现过任何一例焊后开焊、焊缝疲劳开裂等质量问题，使用情况良好。

四、应用情况与效果

2020年2月开始，项目在邯钢邯宝2250产线开始实施，成功开发了NM300TP、NM400TP和NM450TP三个系列共计10余个新产品的开发和批量生产，截至2023年底，累计生产53338吨，生产厚度范围为3-8mm，宽度范围为1200-1850mm，实现了免调质耐磨钢系列产品的开发和上量。目前，该系列产品已经在中国重汽、中集汽车、徐工集团、十堰驰田、宏昌天马、河南骏通等二十余家直供厂家完成认证并批量投用，实现专用车减重30%~40%，推动了专用车领域的轻量化进程，完成了对传统离线单张调质耐磨板的替代，市场推广成效显著。

项目解决国内“卡脖子”瓶颈问题，形成自主核心技术，打破SSAB、TATA、新日铁等国外企业的垄断，形成的核心专利技术逐步向国内同行业推广，太钢、首钢、武钢等钢厂纷纷开展相关研发，推动了国内专用车行业减能降耗进程，引领国内专用车轻量化新风向。

图8 免调质耐磨钢钢卷和钢板实物

本项目开发共获得专利16项，包括：发明专利14项，实用新型专利2项。其中授权13项，受理3项。该项目成果于2020年2月在邯钢热轧2250产线完成工业化生产应用，形成的核心技术逐步向国内同行业推广，推动了国内薄规格热轧免调质耐磨钢产品对单张调质板的升级替代，同年免调质耐磨钢系列产品在中集华骏、大明国际等专用车行业龙头企业均完成批量应用，实现车身减重30%-40%，油耗降低15%-20%，排放减少12%-18%，使用寿命提高2-3倍。

图9 项目开发免调质耐磨钢产品在专用车领域的应用

项目近三年新增产值合计35869.5万元，新增利税9307.0万元。以2021年为例，NM300TP、NM400TP、NM450TP售价分别为6300、7000、7100元/吨，年销售额分别为3479吨、7896吨、2748吨，吨钢制造成本分别为5263元、5508元、5593元，板形合格率由50%提升至90%，板形不良降级改判吨钢质量损失分别为420元、680元、720元，焊接合格率由90%提升至99.5%，焊接开裂吨钢质量损失分别为2263元、2508元、2593元。通过以上数据计算，2021年项目新增产值9670.1万元，新增利税2636.0万元。

另外，项目成果已开始向国内重点生产企业如安钢、太钢等进行工业化推广。使用“资源节约型、新型免调质耐磨钢产品”的专用车可实现减重30%-40%，油耗降低15%-20%，排放减少12%-18%，使用寿命提高2-3倍，符合国家节能降耗和绿色制造体系建设的发展趋势，提高专用车的的有效运载能力和运输效率，减少燃油消耗和尾气排放量，降低钢铁材料的磨损消耗，社会效益显著。

图10 项目相关报道

信息来源：邯郸钢铁集团有限责任公司