CN109750222B - 一种高性能马氏体不锈钢及其高平面度板制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高性能马氏体不锈钢及其高平面度板制造方法，该钢的化学成分重量百分比为：C：0.35～0.50、Si：0.05～0.35、Mn：1.60～2.00、P≤0.03、S≤0.01、Cr：14.5～16.0、N：0.07～0.15、Mo：0.5～1.5、V：0.15～0.30，Nb：0.005‑0.01，Cu：0.005‑0.02，且Cr+3.3Mo+20N≥18.0、C+N≥0.45、1.25≤(Cr+Mo+1.5SI)：(20C+20N+Mn)≤1.50且V≥1.5N，其它为不可避免的杂质和余量为Fe。本发明制造的马氏体不锈钢最终为马氏体+奥氏体复相组织。材料经过特定的工艺淬火，残余奥氏体相含量3％～12％；淬火硬度HRC 50.0～55.0；通过专门的双面喷水雾+张力条件下连续热处理工艺，控制钢板或钢带的不平度≤0.86mm/m，获得高平面度。材料兼具高硬度和高韧性，可广泛用于机械、纺织和电子设备部件。

Description

一种高性能马氏体不锈钢及其高平面度板制造方法

技术领域

本发明涉及机械部件或电子设备用不锈钢及其制造方法，具体涉及一种高性能马氏体不锈钢及其高平面度板制造方法。

背景技术

中国机械部件或电子设备的总体规模3000亿元，有近70％的市场份额被国外品牌占据。发达国家机械部件或电子设备与药品的销售额比例约为1：1，而中国仅为1：10。

不锈钢在机械部件或电子设备用材中占较大的比例，在机械部件或电子设备行业的转型升级过程中对高品质、高性能不锈钢新材料的需求极为迫切，主流的机械部件或电子设备厂也提出了开发高品质机械部件或电子设备用不锈钢的需求。机械部件或电子设备用不锈钢材质主要包括奥氏体不锈钢304L、316L、317L和马氏体不锈钢20Cr13、30Cr13直至高碳的60Cr13等品种。以马氏体不锈钢3Cr13Mo制作的双关节咬骨钳为例，其硬度可以达到HRC 50以上，高强度和硬度可以避免手术过程中器械变形，但是材料的韧性和耐蚀性远远低于304等奥氏体不锈钢，耐蚀性不足带来的离子析出对人体组织存在污染风险，韧性不足导致骨钳断裂、破碎的风险，易造成术中危害。总的来说，马氏体不锈钢具有高硬度和高耐磨性，但是其耐蚀性较低而且韧性较差。

马氏体不锈钢是铬系不锈钢，广泛应用于刀剪、量具、水轮机叶片等等对强韧性和耐腐蚀有一定要求的领域。其中中低碳马氏体不锈钢要求同时具有较高的硬度(45～58HRC)和较好的韧性(夏比V型缺口冲击功大于30J)。然而，高强度和高韧性始终是马氏体钢的是一对性能矛盾，马氏体钢主要通过添加碳元素来提高热处理后的强度、硬度，但是碳含量提高会降低韧性。

在马氏体不锈钢的强化合金元素中，碳和氮是提高强度最有效的元素。由于碳的添加往往容易在轧制和热处理的过程中形成碳偏析，降低马氏体不锈钢的耐腐蚀性能，因此，氮的添加成为提高马氏体不锈钢力学性能的另一种有效方法。本发明正是通过合理控制氮元素，使得中低碳的马氏体不锈钢在强度和硬度方面达到了高碳马氏体不锈钢的指标，而韧性和耐蚀性又保留率低碳马氏体不锈钢的特性，有效的解决了马氏体不锈钢强度，韧性，耐蚀性等互相矛盾，难以匹配的难题。

在所检索的相关专利中，中国专利CN103255340为了克服高强度汽车用钢成形后强度高、韧性不足的问题，提出了一种高强韧性的热成形钢板和制备方法，将钢板以20-100℃的速度加热至奥氏体化温度恒温一段时间后热轧，使奥氏体晶粒细化，以50-120℃/s的速度淬火至50-370℃，获得部分过饱和马氏体和未相变的残余奥氏体，在200-500℃的回火温度等温5-600s使碳由马氏体向残余奥氏体分配以稳定奥氏体，最后淬火到室温获得细化马氏体和残余奥氏体的复相组织，从而获得了高强度和高韧性钢。这种利用淬火+配分的方法实现复相组织得到高强、高韧性组合的方法在碳钢中已经较多地被应用，如CN103160680中提出了一种钢的成分，并利用淬火配合技术得到马氏体+残余奥氏体复相组织，钢的强塑积达到30GP％以上；CN103243275中提出一种低合金高强钢，通过配分处理和回火处理得到了贝氏体+马氏体+奥氏体复相组织，达到了良好的强塑性和韧性配合；CN103045950也提出了一种低合金化低成本钢，通过快速淬火和碳再分配增加钢强度、保证了良好的韧性。淬火+配分的方法在不锈钢上的应用不多，在所检索的专利中，CN103614649中提出了一种含碳量0.15～0.4％、含氮量为0～0.12％、铬13.0～17.0％，镍0～5％,，钼0-2.0％等的马氏体不锈钢，通过常规材料制造成热轧板坯，加热至950～1100℃保温0.5～2h，然后空冷至25～200℃，然后加热至350～500℃保温10～60min，空冷至室温，通过通过淬火-配分的方法在显微组织中引入弥散的残留奥氏体，大幅提高了马氏体不锈钢的强塑性水平。

平面度的控制是马氏体不锈钢的又一难点。主要原因在于常规马氏体不锈钢需要淬火+回火的热处理工艺，以获得高强度和一定的韧性。但是在淬火和回火过程中，由于应力的产生或者释放，导致钢带或者钢板变形，难以达到较高的平面度要求，无法满足很多机械或者电子设备部件的高平面度、高装配精度的要求。常规的方式是将淬火后工件进行加工或者淬火过程中采用约束，这两种方法都有一定的局限性。淬火或者回火后加工无法消除较大的变形尤其是在双面变形情况下，无法找到基准面；同时马氏体不锈钢由于硬度高，加工难度和成本大。淬火和回火过程中约束或者压平是常规的方式，可以获得较好的平面度，但是其缺点是效率低、需要专门的设备等。

本发明提供的一种高性能马氏体不锈钢及其高平面度板制造方法，利用带张力连续热处理的方式，制造出具有高平面度、高硬度和一定韧性的机械部件或电子设备用氮合金化马氏体不锈钢平板。本发明制造的马氏体不锈钢最终为马氏体+奥氏体复相组织，材料经过特定的工艺淬火，残余奥氏体相含量3％～12％，通过Nb、V、N等微合金化，促使细小碳化物呈现弥散均匀分布；淬火硬度HRC 50.0～55.0，室温冲击功≥30J；通过专门的双面喷水雾+张力条件下连续热处理工艺，控制钢板或钢带的不平度≤0.86mm/m，获得优异的平面度，远远优于ASTM A480中规定的≤3.2mm/m的要求。材料由于包含一定含量的残余奥氏体，可以在节省回火的条件下，兼具高硬度和高韧性，用于机械、纺织和电子设备部件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能马氏体不锈钢及其高平面度板制造方法，钢板厚度1.0～2.5mm，其最终为马氏体+奥氏体复相组织，材料经过特定的工艺淬火，残余奥氏体相含量3％～12％，通过Nb、V、N等微合金化，促使细小碳化物呈现弥散均匀分布；淬火硬度HRC 50.0～55.0，室温冲击功≥30J；通过专门的双面喷水雾+张力条件下连续热处理工艺，控制钢板或钢带的不平度≤0.86mm/m，获得优异的平面度。材料由于包含一定含量的残余奥氏体，可以在节省回火的条件下，兼具高硬度和高韧性，用于机械、纺织和电子设备部件。高硬度可以满足手术刀剪或者机电耐磨部件等对于耐磨的要求；Mo、N合金化改善耐蚀性可以满足抗腐蚀和更高安全性的要求；更重要的是，特殊的奥氏体+马氏体复相结构，利用马氏体的高硬度和奥氏体的高韧性，使材料冲击功大于30J，兼具机械部件或电子设备用马氏体不锈钢的高硬度、高强度和优良耐蚀性与韧性的优点，是机械部件或电子设备领域材料升级的高性价比材料。

在此基础上，通过连续热处理的淬火工艺产线，利用双面水雾冷却，控制钢板或者钢带两侧均匀、相当的冷却强度和冷却速度，同时在淬火冷却时对钢带或钢板施加8～16MPa的在线张力，淬火后的材料不用专门的回火，由于材料获得高平面度、一定的韧性和优异弹性，从而获得高平面度钢带或者开平钢板，钢板厚度1.0～2.5mm，钢板或钢带实物的不平度≤0.86mm/m

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种高性能马氏体不锈钢及其高平面度板制造方法，该钢的化学成分重量百分比为：该钢的化学成分重量百分比为：C：0.35～0.50、Si：0.05～0.35、Mn：1.60～2.00、P≤0.03、S≤0.01、Cr：14.5～16.0、N：0.07～0.15、Mo：0.5～1.5、V：0.15～0.30，Nb：0.005-0.01，Cu：0.005-0.02，且Cr+3.3Mo+20N≥18.0、C+N≥0.45、1.25≤(Cr+Mo+1.5SI)：(20C+20N+Mn)≤1.50且V≥1.5N，其它为不可避免的杂质和余量为Fe。

其特征在于，所述高性能马氏体不锈钢，其化学成分其化学成分满足Cr+3.3Mo+20N≥18.0，且C+N≥0.45、1.25≤(Cr+Mo+1.5Si):(20C+20N+Mn)≤1.50％且V≥1.5N。

所述的机械部件或电子设备用不锈钢的制造方法，其包括以下步骤：

1)按所述成分冶炼，将设定成分的钢坯或连铸坯热轧制成热轧钢板或钢带，钢板厚度1.0～2.5mm，并采用常规的方法进行退火；

2)退火后的钢带加热至780～830℃，然后以大于30℃/s的速度快速冷却至马氏体和奥氏体两相区，通过专门的双面喷水雾+张力条件下连续热处理工艺，在线张力8～16MPa，控制钢板或钢带的不平度≤0.86mm/m，获得优异的平面度。

所述的高平面度高性能马氏体不锈钢的制造方法，其特征在于，所述马氏体不锈钢钢板厚度1.0～2.5mm，最终为马氏体+奥氏体复相组织，残余奥氏体相含量3％～12％，通过Nb、V、N等微合金化，促使细小碳化物呈现弥散均匀分布；淬火硬度HRC 50.0～55.0，室温冲击功≥30J；通过专门的双面喷水雾+张力条件下连续热处理工艺，控制钢板或钢带的不平度≤0.86mm/m，获得优异的平面度。材料由于包含一定含量的残余奥氏体，可以在节省回火的条件下，兼具高硬度和高韧性，用于机械、纺织和电子设备部件。

在本发明的成分设计中：

碳：是重要的奥氏体化元素，一定的碳含量可以保证高温时得到全奥氏体组织；是保证热处理后硬度的重要元素，碳是重要的固溶强化元素和析出强化元素；可以以间隙原子的形式存在于钢中，在淬火后的再加热过程中可以通过相间扩散完成再分配，稳定残余奥氏体组织；过高的碳含量一方面增加脆性，另一方面也有损耐蚀性。为了达到预期的效果，要求碳含量0.35～0.50％，并且与氮元素配合使用。

氮：与碳一样是奥氏体化元素、可以以间隙原子形式存在，具有固溶强化作用，氮在奥氏体中的溶解度要高于碳，在热处理过程中氮的析出物较少，同时固溶在基体中的氮可提高不锈钢的耐腐蚀性能，因此氮是一种既能提高马氏体不锈钢强度，又能提高耐腐蚀性能的元素，本发明中含量应该控制为0.07～0.15％且确保C+N≥0.45、1.25≤(Cr+Mo+1.5Si):(20C+20N+Mn)≤1.50。

硅：主要作为脱氧剂加入到钢中的，起着固溶强化作用，在提高抗高温氧化性能方面硅也有明显的作用。但是，钢中硅含量高延展性和韧性变差，本发明控制Si含量：0.05～0.35％且1.25≤(Cr+Mo+1.5Si):(20C+20N+Mn)≤1.50，以保证材料淬火回火后得到马氏体+残余奥氏体的组织。

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，锰可以稳定奥氏体相，通过综合调整铁素体和奥氏体形成元素比例，可以保证一定量的奥氏体相在淬火回火后保留，从而获得马氏体+奥氏体复相结构，其含量控制1.60～2.00％且满足1.25≤(Cr+Mo+1.5Si):(20C+20N+Mn)≤1.50。

磷：磷是有害元素，因此根据生产控制水平尽量地降低。

硫：硫也是一种有害元素，形成的硫化物不仅会产生热脆而且会降低耐蚀性，通常硫的含量控制在低于0.01％以避免硫的有害作用。

铬：是提高不锈钢耐蚀性的元素，但铬是强铁素体形成元素，含量高时会使低碳马氏体钢奥氏体化困难，也会使成本提高，铬含量控制在14.5～16％且综合控制Cr+3.3Mo+20N≥18.0且1.25≤(Cr+Mo+1.5Si):(20C+20N+Mn)≤1.50。

铜：铜是一种奥氏体形成元素，加入少量的铜，可以增加马氏体不锈钢淬火后的韧性，同时对马氏体不锈钢的热加工塑性也有一定的改善，避免马氏体不锈钢在高温热加工时出现裂纹，断带等问题，但是Cu元素在马氏体不锈钢后续的淬火及回火热处理过程中，很容易析出富铜相，这种富铜相对会使本发明的最终使用状态变脆，因此Cu含量的控制对本发明来讲及其重要，同时实验研究结果，本发明的Cu含量控制为Cu：0.005-0.02％。

钒：钒是强氮化物形成元素，在热加工或热处理过程中都极易与氮元素形成细小氮化物等析出物，由于钢板在钢厂出货时，采用的退火的热处理工艺，退火过程中氮化钒的析出可以增强钢厂的韧性，而且可以细化退火过程中铁素体的晶粒，使得下游用户在钢板加工成型的过程中，尽量减少分层，断裂，变形失效等因为钢材原板韧性不好而产生的问题。由于钒主要是和N结合形成金属化合物，本发明规定V：0.15～0.30％并且V≥1.5N。

铌：铌是一种强的碳化物形成元素，铌在马氏体不锈钢中的加入同样可以改善退火态钢板的晶粒组织和碳化物的形貌部分。铌可以细化退火态钢板的组织增加退火态钢板的韧性，但是由于铌是一种强烈的铁素体形成元素，如果含量较高，会导致马氏体不锈钢的淬透性下降，增加用户在后续做淬火热处理的难度，因此本发明规定Nb：0.005-0.01％。

在制造工艺上，将设定成分的钢坯或连铸坯热轧制成热轧钢板或钢带，其热轧加热温度在1150℃-1250℃之间。如下图1所示为Thermo-Calc相图软件计算本发明成分体系内N的析出含量随温度的变化，由图可以看出，本发明的成分体系内，N元素在1250℃左右开始析出，随着温度的升高，析出量越来越大，因此本发明的热轧加热温度设定在1150-1250℃之间就是为了防止N的析出，让N更好的溶解在基体中，来提高本发明的力学性能。

将退火后的钢带加热至780～830℃，主要为了保证钢能够完全奥氏体化，碳、氮化物充分固溶。然后以大于30℃/s的速度快速冷却至马氏体和奥氏体两相区，即将温度冷却至马氏体转变开始温度(Ms)与终了温度(Mf)之间，获得马氏体和奥氏体双相组织，Ms温度的计算方法为：Ms(℃)＝539-430×[C+N]-30×[Mn]-12×[Cr]-5.0×[Si]，其中[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[N]分别为C、Si、Mn、Cr、N在马氏体不锈钢中的重量含量；Mf温度的计算方法为：Mf(℃)＝Ms-250。用以大于30℃/s的速度快速冷却可以避免碳、氮化物在冷却过程中析出。

同时，冷却过程中通过专门的双面喷水雾+张力条件下连续热处理工艺，在线张力8～16MPa，控制钢板或钢带的不平度≤0.86mm/m，获得优异的平面度。

室温状态下得到马氏体+残余奥氏体复相组织，残余奥氏体相含量3～12％，最终热处理后的组织见图2。研究发现，当残余奥氏体相比例含量在3～12％左右时，可以在不回火的条件下使马氏体不锈钢在具有最佳的韧性的同时硬度又不会出现明显的下降。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所述的高性能马氏体不锈钢，与现有常规马氏体不锈钢相比，其耐蚀性和力学性能尤其是韧性更优异。最终为马氏体+奥氏体复相组织，材料经过特定的工艺淬火，残余奥氏体相含量3％～12％，通过Nb、V、N等微合金化，促使细小碳化物呈现弥散均匀分布；淬火硬度HRC 50.0～55.0，室温冲击功≥30J；通过专门的双面喷水雾+张力条件下连续热处理工艺，控制钢板或钢带的不平度≤0.86mm/m，获得优异的平面度。材料由于包含一定含量的残余奥氏体，可以在节省回火的条件下，兼具高硬度和高韧性，用于机械、纺织和电子设备部件。高硬度可以满足手术刀剪或者机电耐磨部件等对于耐磨的要求；Mo、N合金化改善耐蚀性可以满足抗腐蚀和更高安全性的要求；更重要的是，特殊的奥氏体+马氏体复相结构，利用马氏体的高硬度和奥氏体的高韧性，使材料冲击功大于30J，兼具机械部件或电子设备用马氏体不锈钢的高硬度、高强度和优良耐蚀性与韧性的优点，是机械部件或电子设备领域材料升级的高性价比材料。通过连续热处理淬火产线，解决了淬火和回火过程中，由于应力的产生或者释放，导致钢带或者钢板变形，难以达到较高的平面度要求，无法满足很多机械或者电子设备部件的高平面度、高装配精度的要求。而且本发明提出的控制工艺较淬火+回火后加工和压平等工艺效率高、成本更低。

附图说明

图1为本发明实施例C中N的析出含量随温度的变化。

图2为本发明实施例C经过790℃连续热处理淬火后组织(残余奥氏体含量6％)。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。表1为本发明实施例及对比例钢的成分，表2为实施例的热处理工艺和性能。图1为本发明实施例C钢板厚度为1.5mm，经过790℃连续热处理淬火后组织，其残余奥氏体含量6％。对比例为机械部件或电子设备行业应用广泛的碳含量0.40～0.60的马氏体不锈钢，其中对比例G为40Cr13、对比例H为5Cr15MoV。以实施例2为例，与对比例G和H等现有的40Cr13和5Cr15MoV相比，在成分上通过氮合金化，添加0.07～0.15％的N，N一方面在高温起到奥氏体化作用，确保高温时为全奥氏体相，淬火后大部分转变为马氏体相；另一方面，氮可以显著改善材料的耐腐蚀特性，确保材料的Cr+3.3Mo+20N≥18.0，与对比G和H相比显著提高，展现出更高的耐腐蚀性能。尤其是作为机械部件或电子设备，在接触血液等腐蚀性较强的材料时，耐蚀性的提高可以确保材料和器械具有更高的安全性。

在微量元素控制上，通过V合金化并确保V：N≥1.5，保证材料中形成大量细小弥散的氮化物，这种细小弥散的氮化物是材料获得优良韧性的重要因素；严格控制Cu、Nb等含量，避免富Cu相和含Nb相的析出，降低材料的韧性，因此实施例C等控制Cu含量0.01、Nb含量0.008，确保材料不产生中温脆性相；组织上，通过N合金化的设计和材料奥氏体稳定性的控制，在淬火后保留一定含量的残余奥氏体相，利用该残余奥氏体相可以显著改善韧性的特性，使材料获得远远优于对比例G和H的冲击性能。通过本发明提出的双面水雾冷却+在线张力的连续热处理淬火工艺，材料获得高硬度的同时，直接获得高平面度，满足高精度装配或者部件的需求。常规的热处理工艺对板形没有控制和约束能力，其不平度的尺寸受冷却速度、工艺和材料等影响很大，通常值在5.0mm/m，本发明所提出的材料和工艺可以获得≤0.86mm的不平度指标，远远优于现有工艺。

从组织而言，本发明设计的钢种通过成分优化和控制，添加一定的氮，并配合V、Mn、Nb、Cu、C等控制，淬火回火后获得马氏体基体+少量残余奥氏体。如实施例C中残余奥氏体含量6％，材料HRC达到52，冲击功33J，兼具高硬度和高韧性的优点，是一种机械部件或电子设备的理想用材。

Claims (5)

1.一种马氏体不锈钢，该钢的化学成分重量百分比为：C：0.35～0.50、Si：0.05～0.35、Mn：1.60～2.00、P≤0.03、S≤0.01、Cr：14.5～16.0、N：0.07～0.15、Mo：0.5～1.5、V：0.15～0.30，Nb：0.005-0.01，Cu：0.005-0.02，且Cr+3.3Mo+20N≥18.0、C+N≥0.45、1.25≤(Cr+Mo+1.5Si)：(20C+20N+Mn)≤1.50且V≥1.5N，其它为不可避免的杂质和余量为Fe；

所述马氏体不锈钢的制造方法包括如下步骤：常规的马氏体不锈钢冶炼和热加工后退火，退火后的钢带加热至780～830℃，然后以大于30℃/s的速度快速冷却至马氏体和奥氏体两相区，通过双面喷水雾+张力条件下连续热处理工艺，在线张力8～16MPa，控制钢板或钢带的不平度≤0.86mm/m。

2.根据权利要求1所述的马氏体不锈钢，其特征在于，所述的马氏体不锈钢钢板厚度1.0～2.5mm，最终为马氏体+奥氏体复相组织，残余奥氏体相含量3％～12％。

3.根据权利要求1或2所述的马氏体不锈钢，其特征在于，通过V、N等微合金化并控制V≥1.5N，促使细小碳化物呈现弥散均匀分布。

4.根据权利要求1或2所述的马氏体不锈钢，其特征在于，所述马氏体不锈钢最终为马氏体+奥氏体复相组织，兼具高硬度和高韧性，高硬度：淬火硬度HRC50.0～55.0，高韧性：室温冲击功≥30J，用于机械、纺织和电子设备部件。

5.根据权利要求3所述的马氏体不锈钢，其特征在于，所述马氏体不锈钢最终为马氏体+奥氏体复相组织，兼具高硬度和高韧性，高硬度：淬火硬度HRC50.0～55.0，高韧性：室温冲击功≥30J，用于机械、纺织和电子设备部件。

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