CN101845594A - 一种马氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

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王军
顾玉明
马永柱
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Abstract

本发明公开了一种马氏体不锈钢，其硬度高耐蚀性好，具有良好的加工性能，生产成本低廉，其成分质量百分比为C：0.22-0.30、Si：≤1.0、Mn：1.0-2.0、P：≤0.030、S：≤0.010、Cr：12.0-15.0、N：0.070-0.120、V：0.02-0.15，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还公开了所述马氏体不锈钢的一种制造方法，该方法没有增加额外的生产工序，易于控制，包括：(1)钢坯或连铸坯在1100-1250℃温度范围内加热；(2)在900℃以上完成终轧；(3)在800-900℃温度范围内进行退火；(4)在1000-1200℃温度范围内进行正火处理。

Description

一种马氏体不锈钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金领域，具体地说，涉及一种马氏体不锈钢及其制造方法。
背景技术
不锈钢刀具用钢应当具有高的硬度和良好的耐腐蚀性能，与其他不锈钢相比，马氏体不锈钢具有硬度高、耐磨损能力强和制造成本低等优点，主要用于制造刀剪类五金刀具。但是，目前常用的2-4Cr13等普通马氏体不锈钢主要依靠在钢中加入碳元素来提高钢热处理后的硬度，然而当加入的碳较多时，钢的耐蚀性相对比较差，当碳含量较少时硬度又达不到要求，如何使马氏体不锈钢同时具有高硬度和良好的耐蚀性一直是倍受关注的难题。刀具制造过程中还要求钢种经过退火后的强度、硬度较低，并具有良好的延伸率，以便于冷轧、剪切等加工，然而随着碳含量的增加，退火后的冷加工变得困难。为了使钢种易于加工，并在热处理后同时具有高的硬度和良好的耐蚀性，人们针对马氏体不锈钢做了不少研究工作。
CN1145644A通过在钢中加入高碳(0.15％-0.40％)来提高硬度，并加入钼来提高耐蚀性；JP2008163452、EP496350、JP5287456和CN1624182A属于含氮的马氏体不锈钢，其中JP2008163452和CN1624182A在2Cr13的基础上降低钢中的碳、加入一定量的氮来提高硬度和耐蚀性，EP496350中利用锰提高硬度，并加入钼、铜提高耐蚀性，JP5287456中除了加入钼以外还加入了镍。然而，在钢中加入较高的碳含量会使材料的耐腐蚀性能下降；在钢中加入钼、铜等贵金属可以提高材料的耐腐蚀性能，但会造成原材料成本的增加；氮的加入虽然也能够提高材料的硬度，但是氮在常压高温铁素体中固溶度较小，其加入的量是有限的，因此，单独依靠氮来提高硬度也受到了限制。
发明内容
本发明目的在于提供一种马氏体不锈钢，其硬度高耐蚀性好，具有良好的加工性能，生产成本低。
本发明的另一个目的在于提供一种马氏体不锈钢的制造方法，其能够制造出具有高硬度、优良耐蚀性和良好加工性能的马氏体不锈钢。
本发明所提供的马氏体不锈钢，其成分质量百分比为C：0.22-0.30、Si：≤1.0、Mn：1.0-2.0、P：≤0.030、S：≤0.010、Cr：12.0-15.0、N：0.070-0.120、V：0.02-0.15，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，C质量百分比为0.22-0.26；
优选地，Cr质量百分比为13.0-14.0；
优选地，V质量百分比为0.08-0.15。
以下将本发明合金成分的设计机理作详细说明：
碳：碳是提高材料正火热处理后硬度的主要元素，但碳与铬反应形成化合物，碳含量越高形成铬的碳化物的量越多，铬的碳化物的形成会在钢中形成贫铬区，使钢的耐蚀性下降，其含量控制在0.22-0.30％。
硅：硅主要作为脱氧剂加入到钢中，同时硅也是一种合金元素，起着固溶强化作用，并且在提高抗高温氧化性能方面硅也有明显的作用。但是，钢中硅含量高时延展性变差，因此从提高马氏体不锈钢的可加工性考虑，其含量不应大于1.0％。
锰：锰既是脱氧元素又是固溶强化元素能显著提高钢的强度，加入较高含量的锰可以提高钢正火后的硬度，但是锰含量过高不利于提高钢退火后的加工性，其含量控制在1.0-2.0％。
磷：磷是有害元素，磷容易在晶界附近偏聚而降低耐蚀性，其含量应低于0.030％。
硫：硫也是有害元素，不仅硫化物会产生热脆而且会降低耐蚀性，通常其含量控制在低于0.010％以避免硫的有害作用。
铬：为了保证不锈钢的耐蚀性，铬含量控制在12.0-15.0％，铬含量过高时，生产成本提高。
氮：氮是一种间隙原子，具有固溶强化作用，可以提高钢正火后的硬度。但是过量的氮会引起铸坯中因氮气析出而产生的气孔，其含量控制在0.070-0.120％。
钒：钒是强碳、氮化物元素，钢中的钒析出温度较高，可以细化晶粒，而且钒先于铬与碳、氮结合，可以抑制碳的偏析，有利于提高组织均匀性和耐蚀性。但是钒的含量过高时，钒的氮化物会长大并使加工性能恶化，其含量控制在0.02-0.15％。
本发明所提供的马氏体不锈钢可以通过以下方法制造，其包括：
(1)钢坯或连铸坯在1100-1250℃温度范围内加热；
(2)在900℃以上完成终轧；
(3)在800-900℃温度范围内进行退火；
(4)在1000-1200℃温度范围内进行正火处理。
优选地，步骤(3)的退火时间为3-30小时；
优选地，步骤(4)的保温时间为10-30分钟。
下面进一步说明制造方法的工艺参数：
钢坯或连铸坯在1100-1250℃温度范围内加热，使奥氏体组织均匀化，保证钢坯或连铸坯有足够的可延展性，另一方面使碳、氮化合物充分溶解，使成分均匀化；
在900℃以上完成热轧终轧，较高的终轧温度会部分消除加工硬化；
然后在800-900℃的温度范围内退火，使得热轧后的组织基本上完成再结晶，完全消除加工硬化；使得碳、氮化合物充分析出，最大程度软化材料，有利于材料的加工；
通过以上方法生产的钢在1000-1200℃温度范围内正火，较高的正火温度一方面可以保证材料奥氏体化充分，另一方面使碳、氮化合物充分溶解，在此温度范围内正火的材料具有高于56HRC的洛氏硬度值，并具有良好的耐蚀性。
本发明与现有技术相比具有的优点是：
(1)本发明提供的马氏体不锈钢具有良好的加工性能和高于56HRC的洛氏硬度值，能够满足五金刀具制造的需要，并且还具有良好的耐蚀性，同时该钢种没有添加钼、铜等贵金属，生产成本低廉；
(2)本发明提供的马氏体不锈钢的制造方法，能够制造出满足五金刀具制造要求的马氏体不锈钢，并且其中没有增加额外的生产工序，易于控制。
本发明的马氏体不锈钢与现有技术中类似钢种的成分对比见表1。
表1有关马氏体不锈钢专利的化学成分比较(wt.％)
Figure B2009100482003D0000041
具体实施方式
用真空感应炉冶炼得到钢锭，将钢锭置于加热炉内，以80℃/小时升温至1250℃，保温3.5小时；然后在900-1200℃温度范围内锻打成40mm厚的钢坯；再热轧成5mm厚的钢板；然后进行热处理；最后测定性能。
实施例和对比例的具体化学成分、制备工艺和加工性能、硬度和耐腐蚀性分别见表2-5，其中对比例1、对比例2和对比例3分别是典型的4Cr13、3Cr13和2Cr13钢；表3中代表本发明的实施例A-E，其屈服强度小于370MPa、最大抗拉强度为660MPa、延伸率大于27.5％，具有良好的加工性能；表4中实施例A-E正火后的洛氏硬度达到56HRC以上，硬度值高于2Cr13，并与3Cr13、4Cr13在同一水平；表5是试样在35℃条件下浓度为3.5％的NaCl溶液中的点蚀电位值，实施例A-E的点蚀电位高于3Cr13和4Cr13，即其耐点蚀性优于3Cr13和4Cr13。
综合而言，本发明所提供的马氏体不锈钢性能良好，能够用于制造高硬度、高耐蚀不锈钢刀具，而且其具有生产成本低、工艺易于控制等特点。
表2实施例和对比例的化学成分(wt.％)
  实施例   C   Si   Mn   P   S   Cr   N   V
  A   0.26   0.4   1.4   0.02   0.003   13.3   0.104   0.11
  B   0.30   0.5   1.0   0.01   0.010   14.5   0.120   0.08
  实施例   C   Si   Mn   P   S   Cr   N   V
  C   0.24   0.9   1.5   0.02   0.008   15.0   0.072   0.03
  D   0.22   0.3   2.0   0.02   0.005   13.4   0.094   0.15
  E   0.23   0.1   1.6   0.03   0.002   12.0   0.097   0.10
  对比例1   0.43   0.3   0.5   0.02   0.007   13.7   0.032   0.01
  对比例2   0.32   0.2   0.5   0.02   0.010   13.6   0.013   0.01
  对比例3   0.22   0.3   0.7   0.03   0.002   13.3   0.022   0.01
表3实施例和对比例的工艺和性能
  实施例   加热温度   终轧温度   退火工艺   Rp0.2/MPa   Rm/Mpa   A50/％
  A   1150℃   930℃   820℃×4小时   368   660   29.6
  B   1250℃   970℃   860℃×4小时   310   655   27.5
  C   1200℃   950℃   900℃×4小时   302   642   28.0
  D   1150℃   940℃   860℃×4小时   308   640   29.2
  E   1100℃   900℃   800℃×4小时   332   660   28.8
  对比例1   1250℃   980℃   860℃×4小时   305   660   24.5
  对比例2   1250℃   980℃   860℃×4小时   290   595   29.0
  对比例3   1200℃   980℃   860℃×4小时   280   585   31.5
表4实施例和对比例正火处理(保温20分钟)后的硬度
Figure B2009100482003D0000051
表5实施例和对比例的点蚀电位

Claims (8)

1.一种马氏体不锈钢，其成分质量百分比为C：0.22-0.30、Si：≤1.0、Mn：1.0-2.0、P：≤0.030、S：≤0.010、Cr：12.0-15.0、N：0.070-0.120、V：0.02-0.15，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的马氏体不锈钢，其特征在于，C质量百分比为0.22-0.26。
3.如权利要求1所述的马氏体不锈钢，其特征在于，Cr质量百分比为13.0-14.0。
4.如权利要求1所述的马氏体不锈钢，其特征在于，V质量百分比为0.08-0.15。
5.如权利要求1所述的马氏体不锈钢，其特征在于，C、Cr和V质量百分比为：C：0.22-0.26、Cr：13.0-14.0和V：0.08-0.15。
6.如权利要求1-5任何一项所述的马氏体不锈钢的制造方法，包括：
(1)钢坯或连铸坯在1100-1250℃温度范围内加热；
(2)在900℃以上完成终轧；
(3)在800-900℃温度范围内进行退火；
(4)在1000-1200℃温度范围内进行正火处理。
7.如权利要求6所述的马氏体不锈钢的制造方法，其特征在于，步骤(3)的退火时间为3-30小时。
8.如权利要求6或7所述的马氏体不锈钢的制造方法，其特征在于，步骤(4)的保温时间为10-30分钟。
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