CN101307415A

CN101307415A - 一种整体具有良好耐磨性的奥氏体不锈钢

Info

Publication number: CN101307415A
Application number: CNA2008100455355A
Authority: CN
Inventors: 文玉华; 赖志伟; 李宁; 彭华备
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2008-11-19

Abstract

本发明提供了一种整体具有良好耐磨性的奥氏体不锈钢以及制备这种不锈钢的方法。该不锈钢经本发明提供的制备方法处理后，室温下其组织由亚稳奥氏体基体和在奥氏体晶粒内弥散分布的硬质相粒子组成，亚稳奥氏体基体在外界应力作用下，表面易发生奥氏体向密排六方的马氏体转变，一方面消耗了摩擦功，同时提高了合金表面的硬度。因此本发明提供的奥氏体不锈钢的耐磨性超过1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，而耐蚀性接近1Cr18Ni9Ti不锈钢。该奥氏体不锈钢采用现有的不锈钢生产设备即可以生产，同时合金中的Cr和Ni含量较低，因此生产成本不仅低于目前普遍使用的奥氏体不锈钢，更显著低于通过表面工程来提高耐磨性的奥氏体不锈钢。

Description

一种整体具有良好耐磨性的奥氏体不锈钢

技术领域

本发明涉及不锈钢领域，具体涉及一种整体具有良好耐磨性能的奥氏体不锈钢及其制备方法。用该方法制备的奥氏体不锈钢整体具有耐磨性能好，制备工艺简单的优点。

背景技术

奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢类，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70％。由于在多种腐蚀介质中具有优秀的耐蚀性，并且综合力学性能良好，同时工艺性能和可焊性等优良，在多种化学加工及轻工等领域获得了广泛的应用。但是，其不足之处在于其具有低的硬度和差的耐磨性，限制了其在工业中的应用。

几十年来，国内外研究者们为改善奥氏体不锈钢的耐磨性做了大量的工作。目前主要通过渗碳、渗氮和激光熔覆处理等表面改性技术来提高奥氏体不锈钢的耐磨性。通过这些工艺处理的奥氏体不锈钢虽然能在一定程度上达到改善奥氏体不锈钢耐磨性的目的，但是由于表面耐磨层具有很高的硬度，缺乏足够的韧性，在经受载荷冲击时，无法和软的基体协调变形，容易剥落；另外，采用普通的高温渗碳、渗氮工艺，不锈钢的耐蚀性会受影响。采用低温等离子渗氮、大束流快速升温离子注入、等离子体浸没离子注入以及等离子体源离子渗氮等较先进的技术，虽然可以克服普通工艺的不足，但又会大幅增加生产成本。此外，表面改性的方法对大尺寸的零部件还存在难以处理的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对已有技术存在的问题，提供一种整体具有较高耐磨性和较好耐腐蚀性的奥氏体不锈钢及其制备方法。

形状记忆合金中的Fe-Mn-Si-Cr-Ni系合金不仅具有强度高、塑性好、易加工、可以焊接和价格低廉得优点，而且研究还表明Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金具有可与传统的奥氏体不锈钢相当的耐蚀性能，在碱性环境中有更好的耐蚀性。同时这类合金在应力作用下容易发生应力诱发奥氏体γ→密排六方ε马氏体转变。理论上，在外加应力作用下发生的应力诱发γ→ε马氏体转变一方面可以吸收摩擦功，降低塑性变形的程度，松弛应力集中，推迟裂纹源的形成和扩展，提高材料表面的接触疲劳强度。另一方面，应力诱发生成的密排六方ε马氏体具有比面心的奥氏体更高的硬度和较低的粘着系数。因此，在目前Fe-Mn-Si-Cr-Ni形状记忆合金的基础上，重新设计和调整合金成分，能获得既具有较好耐腐蚀性能，同时又具有较高耐磨性的新型奥氏体不锈钢。

本发明提供的整体具有较高耐磨性和较好耐腐蚀性的奥氏体不锈钢，它是至少含有Fe、Mn、Si、Cr、Ni和C作为主要化学成分的Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C合金，各元素的重量百分比含量为：C 0.08～0.2％，Mn 13～22％，Cr 8～12％，Ni 4～6％，Si 4～8％，Ti 0～2.0％，Nb 0～2.0％，余为Fe。其在室温下组织由亚稳的奥氏体基体和其内弥散分布的第二相组成，包括Cr₂₃C₆、TiC和NbC等碳化物硬质相，以及金属间化合物σ相等。这种亚稳的奥氏体基体在应力作用下容易发生应力诱发奥氏体向密排六方ε马氏体转变。

现有Fe-Mn-Si-Cr-Ni形状记忆合金的Cr含量一般为8％。为了进一步提高合金的耐腐蚀性能，本发明中合金的Cr含量大于8％，由于过高的Cr含量将促进高温铁素体δ相的产生，恶化合金的热加工性能，因此Cr含量低于12％。

本发明中合金的C含量大于0.08％，一方面是为了保证单相奥氏体的获得，避免高温铁素体δ相的产生；另一方面是为了保证碳化物等硬质相的形成。但过高的C含量将显著抑制应力诱发γ→ε马氏体相变的发生，因此本发明中合金的C含量低于0.2％。

本发明提供的具有较高耐磨性和较好耐腐蚀性的奥氏体不锈钢由以下方法制备。该制备方法是将熔炼获得至少含有Fe、Mn、Si、Cr、Ni和C作为主要化学成分的合金，经铸造或锻造或冷轧或热轧或冷拉的型材，在高于1050℃下保温至少0.5小时后水淬。将水淬后的型材在室温下进行变形，变形量为5～25％。最后将变形后的型材在650℃～1050℃下进行时效处理。合金的各元素的重量百分比含量为：C 0.08～0.2％，Mn 13～22％，Cr 8～12％，Ni 4～6％，Si 4～8％，Ti0～2.0％，Nb 0～2.0％，余为Fe。时效处理前的变形，是为了使硬质相在晶粒内弥散析出，而不是在晶界上析出，进而提高合金的耐磨性，避免晶界脆性的发生。为了获得最佳的弥散度和粒径，变形量优选5～15％。本发明制备方法中的时效处理温度优选在800℃～950℃处理0.5小时～1.5小时。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明的奥氏体不锈钢整体具有较高的耐磨性和较好的耐腐蚀性，克服了大尺寸的零部件难以进行表面改性的困难。

2、本发明的奥氏体不锈钢的奥氏体基体能吸收外界能量，发生应力诱发密排六方ε马氏体转变，因此还具有一定的减振性能。

2、本发明的合金采用现有的不锈钢生产设备即可以生产，同时合金中的Cr和Ni含量较低，因此生产成本不仅低于目前普遍使用的奥氏体不锈钢，更显著低于表面处理后耐磨的奥氏体不锈钢。

附图说明

图1为本发明奥氏体不锈钢经形变时效处理后合金表面扫描电镜照片(SEM)；

图2为本发明本发明奥氏体不锈钢经150N油磨损60min后磨损表面磨损形貌的扫描电镜照片(SEM)；

图3为本发明奥氏体不锈钢经150N油磨损60min后磨损表面的X-Ray衍射谱图；

具体实施方式

下面给出实施例，以对本发明作进一步说明。

实施例1～9

将熔炼后分别获得的实施例1～9的合金棒材(其化学成分见附表1)，在1150℃下固溶处理40min，然后在室温下分别进行5％、10％、15％预拉伸变形，再在850℃时效处理30min，最后用电火花线切割的方法从棒材中切出尺寸为10mm×10mm×10mm的试样，在MM-200滑动摩擦磨损试验机上，以GCr15轴承钢为对磨环，进行摩擦磨损试验，测定其在150N载荷下磨损60min后的失重量，并以此评价其耐磨性能。实验结果均为3个试样的平均值。

比较例

以工业化生产的热轧1Cr18Ni9Ti不锈钢板为对比试验材料(其成分见附表1)，测定其在相同载荷和时间下的磨损失重量。

实施例1～9和比较例的试样磨损实验参数、合金中的主要合金相以及其在150N载荷下的磨损失重量见附表2所示。可见，经本发明提供制备方法处理后的实施例1～9的试样在干摩擦和油摩擦两种磨损条件下，在150N载荷下磨损60min后磨损量均较比较例试样要小，耐磨性较好；

以实施例5的试样为例，本发明利用扫面电子显微镜(SEM)观察了经本发明提供的制备方法处理后试样的微观组织(见图1)和经150N油磨损60分钟后的磨损试样的磨损形貌(见图2)，并利用X射线衍射仪分析了磨损试样磨损表面的相组成，其X射线衍射图谱如图3所示。从图1可见，经形变时效处理后，合金基体上弥散分布着大量的第二相粒子。对磨损试样的X射线衍射图谱分析可知，磨损试样中的相组成主要为奥氏体γ、ε马氏体以及碳化物TiC，同时还有σ相，表明合金磨损后在摩擦应力诱发下生成了ε马氏体，合金基体中分布有碳化物和σ相等第二相粒子；图2为实施例5的试样经150N油磨损60分钟后磨损试样磨损表面的扫面电镜(SEM)照片，可见，磨损表面较光滑，呈浅平润滑犁沟，其磨损机制应为磨粒的显微切屑，呈现磨粒磨损的特征，合金磨损较轻。其余实施例合金基体中的主要相见附表2所示。

附表1

此外，本发明为了考察本发明奥氏体不锈钢经本发明提供的制备方法处理后合金的耐腐蚀性能，对实施例1～9进行了在室温下的静态浸泡实验，以比较例作为对比。浸泡实验在自然暴露下进行，温度为14～27℃范围内。本实验通过测定它们的腐蚀失重量，并依此计算出其腐蚀速率，来评价其耐腐蚀性能，其实验结果见附表3所示。其中腐蚀速率的计算公式为：

可见，经本发明提供的热处理工艺处理的奥氏体不锈钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢在本实验中均表现出较低的腐蚀速率，但是本发明奥氏体不锈钢相对于1Cr18Ni9Ti不锈钢，在NaCl溶液中，耐蚀性略差，但是在NaOH溶液中，却具有和1Cr18Ni9Ti不锈钢相当甚至更好的抗腐蚀性。

附表2

由此可见，本发明提供的奥氏体不锈钢可以取代传统的奥氏体不锈钢，在要求一定的耐腐蚀性和较高的耐磨性的工况条件下应用。而且，本发明钢合金元素含量较低，可以降低成本，因此，具有广阔的应用前景和经济价值。

附表3

Claims

1.一种整体具有良好耐磨性的奥氏体不锈钢，该合金由Fe、Mn、Si、Cr、Ni、Ti，Nb和C元素组成，其特征在于其室温下的组织由亚稳的奥氏体基体和晶粒内析出的硬质相组成，在应力作用下亚稳的奥氏体能转变成密排六方的马氏体，各元素的重量百分比含量为：C 0.08～0.2％，Mn 13～22％，Cr 8～12％，Ni4～6％，Si 4～8％，Ti 0～2.0％，Nb 0～2.0％，其余为铁和不可避免的杂质。

2.一种制备权利要求1所述的奥氏体不锈钢的方法，是将熔炼获得含有Fe、Mn、Si、Cr，Ni和C作为主要化学成分的合金，经铸造或锻造或冷轧或热轧或冷拉的型材，在高于1050℃下保温0.5～2小时水淬后，再在650～1050℃下进行时效处理，其特征在于时效处理前须将型材在室温下变形，室温下的组织由亚稳的奥氏体基体和其晶粒内析出的硬质相组成，各元素的重量百分比含量为：C 0.08～0.2％，Mn 13～22％，Cr 8～12％，Ni 4～6％，Si 4～8％，Ti 0～2.0％，Nb0～2.0％，其余为铁和不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于型材的变形量为5～25％。

4.根据权利要求2所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于型材的变形量为5～15％。

5.根据权利要求2或3或4所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于时效是在800～950℃下处理0.5～1.5小时。

6.根据权利要求2或3或4所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于固溶处理的温度为1050～1200℃，时间为0.5～1.5小时。