一、研究的背景与问题
磨损是材料失效三大原因（磨损、腐蚀和断裂）之一，我国每年因摩擦磨损带来的经济损失约占GDP的4%。耐磨钢铁材料是物料挖掘、输送、破碎等装备核心构件制造的关键材料，其服役寿命低，损耗大，年消耗量达800万吨以上；耐磨件维修更换频繁，运行效率低，成为制约国家高端装备发展和重大战略工程实施的瓶颈。研发和应用高耐磨钢铁材料，是实现我国耐磨材料及装备高端化、绿色化发展的必由之路。
低合金马氏体耐磨钢具有成本低、工况适用范围广且易于规模化生产的优势，是当前应用最普遍的耐磨钢类型。2014年之前，国内外的低合金耐磨钢均设计为单一马氏体组织，其耐磨性的高低主要取决于马氏体的硬度，硬度越高，耐磨性就越好；与之相应，国内外耐磨钢相关标准也都以硬度来划分耐磨钢级别，如国标NM300～NM600等；而硬度则依赖于钢中的碳含量。然而，随着硬度和碳含量的增加，耐磨钢的切削、成型和焊接等加工性能变差，甚至无法加工和使用。如何在不增加硬度、保持良好加工性的前提下提高钢的耐磨性，是耐磨钢领域的重大技术难题。
二、解决问题的思路与技术方案
项目基于装备高端化、绿色化和长寿化对高耐磨钢的迫切需求，针对传统耐磨钢的耐磨性与加工性不匹配的关键技术问题，提出在钢基体中引入TiC耐磨相，通过TiC颗粒阻止磨粒滑动的机制以提升耐磨性的新思路，在基础研究、关键技术、产品开发和应用技术方面开展12个专题的系统研究，最终实现工程化应用，如图1所示。之所以选择TiC为耐磨相，是因为与其它碳化物耐磨相（如NbC、VC、WC、Cr7C3等）相比，TiC具有硬度高、析出量大以及价格低廉的优势，是一种理想的耐磨相。
图1 项目总体研究思路
三、主要创新性成果
项目形成了集理论创新、技术创新、产品创新和评价创新于一体的系列成果，在四个方面实现了突破，如图2所示。
图2 项目的主要创新点
1.建立了多尺度TiC调控与增强耐磨性的理论
提出在钢基体中引入大量弥散分布的TiC颗粒以增强耐磨性的合金设计新思路，实现随TiC含量增加，钢的硬度基本保持不变，而耐磨性则不断提高，可大幅提高50%以上，如图3所示。
图3 试验钢硬度和相对耐磨性与TiC质量分数的关系（a）及TiC颗粒增强型耐磨钢与传统耐磨钢相对耐磨性的对比
项目采用“高Ti 合金设计（0.3-0.6%）+铸坯原位内生TiC+热轧促使TiC均匀化“的制备方法，在钢基体中获得大量弥散分布的TiC颗粒，实现了新型耐磨钢低成本高效率制备。
发现高Ti耐磨钢中TiC粒子呈现出独特的“微米-亚微米-纳米”三峰分布特征（如图4所示），阐明了其分别对应于“凝固-铸坯冷却-热轧”三个析出阶段，建立了TiC三阶段析出理论。
图4 TiC颗粒“微米-亚微米-纳米”三峰分布
明确TiC粒子提高耐磨性的作用机理：微米级粒子可有效阻止磨粒滑动，减少磨粒滑动距离；或者破碎磨粒、钝化磨粒尖角，减轻磨粒压入基体的深度，使犁沟深度显著变浅，如图5所示。这些微米级TiC颗粒自身硬度极高，可显著提高耐磨性，但由于尺寸较大，对基体位错运动阻碍作用较小，基本不增加钢的强度和硬度，从而实现在不增加硬度的同时提高耐磨性。
图5 TiC粒子提高耐磨性的微观机理：(a,b,c) TiC阻止磨粒滑动；(d)TiC使磨痕变浅
2.高Ti耐磨钢工业化制备关键技术
开发了转炉冶炼全流程超低N控制技术，实现N含量不大于30ppm，有效抑制了TiN早期析出所导致的铸坯星形裂纹的问题。基于钢-渣反应规律研究，设计开发出低熔点、低碱度的高钛钢连铸专用保护渣，大幅降低铸坯纵裂和横裂风险。集成超低N冶炼控制、新型保护渣设计以及连铸工艺优化等核心技术，国内外首次实现了Ti含量大于0.50%的高Ti耐磨钢无裂纹连铸批量生产。建立了多尺度TiC“连铸−热轧−热处理”全流程调控技术，实现了微米级TiC的均匀弥散分布，并利用纳米级TiC粒子阻止热处理淬火加热过程中的奥氏体晶粒长大，获得了原奥尺寸约6微米的超细晶马氏体组织，保证了材料的塑韧性。
图6 多尺度TiC“连铸−热轧−热处理”全流程调控技术
3.高Ti耐磨钢系列品种开发
为适应不同工况环境和耐磨部件加工要求，成功开发了以超细晶马氏体（UFG−M）、马氏体+奥氏体复相（M+A）和铁素体（F/AF）为基体的三类高Ti高耐磨性钢板，使其相对耐磨性提高到相同硬度级别传统耐磨钢的1.5倍以上，并兼顾良好的加工性和冷成型性。
图7 不同组织类型钢的相对耐磨性与硬度的关系
4.突破了新型耐磨钢焊接和耐磨性评价方法，研制成功耐磨性评价装置。
研究表明，传统碳当量计算公式不适用于高Ti耐磨钢，这是因为高Ti耐磨钢TiC析出温度很高，在凝固过程中就会大部分析出，这些高温析出的TiC在焊接过程中基本不会固溶于基体，因此TiC所占用碳也就不会增加钢的淬硬性。据此，首次提出了高Ti耐磨钢“有效碳当量”概念及其计算公式：
CEVeff. (%) = (C−Ti/4)+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 (1)
通过Ti降低碳当量，实现了新钢种低预热高质量焊接。
煤炭行业是耐磨钢用量最大的行业之一，尚缺乏模拟实际工况的耐磨性评价方法。项目研制出全方位模拟煤炭采运工况环境的台架磨损试验装置，建立了耐磨性评价方法，不但有力支撑了本项目高耐磨钢的开发，而且为煤炭行业选材提供了有效的手段。
5.与国内外同类技术的比较
Hardox耐磨钢是瑞典SSAB公司生产的全球最著名的耐磨钢品牌，该产品采用增碳和增加基体硬度的方法提高耐磨性，导致耐磨性与加工性不匹配。而本项目通过高Ti合金设计和TiC颗粒阻断磨痕机制来增强耐磨性，相对耐磨性可达Hardox产品的1.52倍到2.09倍（煤矿实际检测结果）；其原奥氏体晶粒尺寸约为6m，仅为常规耐磨钢的1/2～1/3。在同等耐磨性条件下，本项目钢的焊接预热温度较常规耐磨钢可大幅降低80℃左右，同时具有较好的冷成型和切削性能。
四、应用情况与效果
项目首次实现了耐磨性比同级别常规耐磨钢提高50%以上的新一代耐磨钢的工业生产和工程应用，耐磨性达到国际最好水平，大幅延长了装备使用寿命。以煤炭采运用耐磨钢为例，采用新一代高Ti耐磨钢制造的煤矿井下输送设备在大同塔山、神华神东、淮矿唐家会等国内重点煤矿进行了井下试验，新钢种表现出远优于进口Hardox钢板和高合金铸造耐磨材料的耐磨性，如表1所示。图8给出了高Ti耐磨钢板和对比材料在大同塔山煤矿（含矸率45%）和神华亿利黄玉川煤矿（含50%砂岩）实际磨损检测结果，可见新材料百万吨过煤磨损量较原使用材料减少1/3以上，使高矸石苛刻工况下输送设备过煤量从原先的500万吨左右提高到1300万吨以上，满足了我国千万吨级工作面的高产高效开采需求。
表2 新一代耐磨钢板在煤炭采运装备中的应用效果
图8 新一代耐磨钢和对比材料在大同塔山煤矿（含矸率45%）和神华亿利黄玉川煤矿（含50%砂岩）时实际磨损量检测结果
项目产品已应用于煤炭机械、工程机械、港口机械、海洋疏浚等领域关键耐磨部件制造，为我国重大装备制造和一带一路等建设提供了支撑，经济效益显著。社会效益方面，项目突破了传统耐磨钢基于硬度的设计理念，推动了钢铁耐磨材料技术进步，具有重大的创新性和重要的学术价值；大幅提高了所制造装备的使用寿命，减少了装备维修次数和使用成本，间接经济效益显著；降低了钢材使用量，减少了资源、能源消耗和CO2排放量；提高了我国高端装备制造业的国际竞争力，推动了装备制造高端化和绿色化转型。
项目获得授权发明专利23件，实用新型专利2件，发表论文36篇，其中SCI收录25篇；修订耐磨钢国标1项，制订高Ti耐磨钢团标1项。中国金属学会组织的科技成果评价会，认为该项科技成果“总体达到国际领先水平”。
摘自：中国钢铁工业协会
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