CN111876561B - 一种梯度形变高碳马氏体不锈钢的低温二次硬化回火方法 - Google Patents

一种梯度形变高碳马氏体不锈钢的低温二次硬化回火方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯度形变高碳马氏体不锈钢的低温二次硬化回火方法，其特征在于，对刀坯固溶处理后进行梯度奥氏体形变处理，将刀坯锻造至成品刀形状，显著细化刃部晶粒的同时，在刀刃处引入大量位错，在采用低温回火的方法，促进纳米级碳化物的弥散析出，采用该方法可以进而提高刀具硬度、耐蚀性、锋利性能和使用寿命。

Description

一种梯度形变高碳马氏体不锈钢的低温二次硬化回火方法
技术领域
本发明涉及高碳马氏体不锈钢的热加工工艺和热处理工艺技术领域，具体涉及一种获得碳化物强化高碳马氏体不锈钢的工艺，该工艺适用于碳化物强化的高碳马氏体不锈钢的生产过程。
背景技术
高碳马氏体不锈钢广泛应用于制造轴承、液压***阀芯、刀剪等。国内外这些产品所用高碳马氏体不锈钢性能的差异主要源于碳化物的控制水平。以高档厨刀为例，国外高档厨刀中纳米级碳化物细小、均匀、弥散地分布在马氏体基体上。然而，国内刀剪用钢中基本不存在纳米级碳化物，刀具的硬度、耐磨性难以进一步提高，进而影响刀具的锋利性能。由于国产高碳马氏体不锈钢组织和碳化物控制水平的限制，国内高档厨刀市场几乎被国外知名品牌垄断。
尽管近年来中国刀剪企业开发了高品质刀剪用8Cr13MoV等钢种，但国产刀剪在碳化物控制方面仍有很多不足。国外类似刀剪钢中二次碳化物弥散分布于马氏体基体上，而国内高品质刀剪中二次碳化物主要类型为M23C6，硬度低、数量多、尺寸和分布不均匀(尺寸在0.2～2μm)，淬火过程中难以控制其细小均匀，无MX型纳米级碳化物。这种组织会导致在加工和服役过程中刃口处M23C6型二次碳化物剥落，在原位留下坑洞，降低刃口的韧性(崩口)，同时，剥落的碳化物还会成为高硬度的磨粒，进一步磨损基体。
传统的二次硬化是指，在钢中加入碳化物形成元素，如Ti、Mo、Nb、V、W，则淬火钢在500～600℃温度范围内出现一个显著的硬化效应，称为二次硬化。该过程控制因素为置换固溶元素的扩散，需在较高温度范围才能有效进行，而高温下马氏体迅速分解，显著降低刀具的硬度和耐磨性，故刀具用马氏体不锈钢一般采用低温回火，时间为1～3h。而常规处理的刀具在这种较低的回火温度下，仅仅发生内应力的部分去除，纳米级碳化物无法有效析出。
通过特殊的热处理工艺，可以使合金含量较低的高碳微合金钢在低温回火时析出弥散的合金渗碳体，从而实现低温二次硬化。而高碳马氏体不锈钢刀具由于其较高的铬含量，低温回火条件下无法析出渗碳体或合金渗碳体，故难以利用渗碳体进行强化。同时，高碳马氏体不锈钢中常添加微合金元素Mo、V等，而现有工艺中，这些微合金元素富集于大尺寸M23C6型二次碳化物或固溶于基体中，不仅没有发挥微合金元素的析出强化效应，还有可能危害刀具服役性能和使用寿命。因此，探索出适合刀具用高碳马氏体不锈钢的低温回火二次硬化工艺显得尤为重要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种梯度形变高碳马氏体不锈钢的具有二次硬化效应的低温回火方法，通过对刀坯固溶处理后进行梯度奥氏体形变处理，将刀坯锻造至成品刀形状，显著细化刃部晶粒的同时，在刀刃处引入大量位错，采用低温回火的方法，促进纳米级碳化物的弥散析出，进而提高刀具硬度、耐蚀性、锋利性能和使用寿命。
本发明适用于处理含有微合金元素的高碳马氏体不锈钢，钢种成分(wt％)为：C：0.6～1.0，Mn≤0.8，Si≤1，Cr：12～18，Mo≤1，V≤1，Nb≤0.5，N≤0.2，S≤0.03，P≤0.05，其余为Fe的高碳马氏体不锈钢。
进一步地，所述方法包括：
S1：采用厚度为2～3mm厚的冷轧板刻出刀坯，对刀坯进行固溶处理；
S2：对刀坯进行4～7道次梯度奥氏体形变处理，奥氏体化温度为1030～1070℃，奥氏体化保温时间为5～10min，形变温度为500～800℃，使刀刃厚度由2～3mm减小到1～1.5mm，随后空冷至室温；
S3：对刀坯进行低温回火处理，回火温度为210～230℃，回火时间为10～20小时。
进一步地，步骤S1中，刻出刀坯后，采用抗高温氧化涂料刷涂刀坯表面，防止刀坯在固溶过程中严重氧化。
进一步地，步骤S1中，固溶处理具体工艺为将刀坯加热到1100～1130℃保温5～15min后出炉，空冷至室温。
进一步地，步骤S1中，刀坯出炉空冷的过程中进行矫直，提高刀具平直度，提高成品率和后续磨削工序的效率。
进一步地，步骤S2中，梯度的奥氏体形变处理具体包括：对固溶后的刀坯进行梯度奥氏体形变处理，奥氏体化温度为1030～1070℃，奥氏体化保温时间为5～10min，保证M23C6型二次碳化物的部分溶解；形变温度为500～800℃，形变4～7道次，使刀具组织产生大量位错，同时使刀刃厚度由2～3mm减小到1～1.5mm，确保刀坯形状接近成品刀，大幅提高磨削效率，降低磨削成本；随后空冷至室温，梯度奥氏体形变处理后，刀刃处变形量最大，硬度和耐磨性最高，显著提升刀具切削能力，而其他部分变形量小，硬度低，韧性好，这种梯度的性能分布有利于提高刀具使用性能。
进一步地，步骤S2中，梯度变形后的刀坯在空冷的过程中再次进行矫直，进一步提高刀具平直度，进而提高成品率和后续磨削工序的效率。
进一步地，步骤S3中，所述对刀坯进行低温回火处理，回火温度为210～230℃，回火时间为10～20小时。
进一步地，步骤S3中，为保证碳化物的析出强化，低回火温度下，回火时间取上限，高回火温度下回火时间取下限。为保证碳化物的充分析出，低回火温度需要充分的回火时间，即210℃下应保温20小时，而高回火温度下，则应适当缩短时间，即230℃下保温10小时。
本发明的有益效果如下：
1)通过梯度奥氏体形变处理，显著细化刀刃处晶粒尺寸，提高刀具强度、韧性和锋利性能；
2)显著细化了刀具组织中大尺寸的M23C6型二次碳化物，使更多的合金元素固溶入基体组织中，一方面提高了刀具韧性和耐腐蚀性，另一方面为纳米级碳化物的析出提供足够的微合金元素；
3)通过梯度奥氏体形变处理促进高碳马氏体不锈钢产生了低温回火二次硬化效应，获得了大量尺寸10nm左右的MX型碳氮化物，提高了刀具强度、硬度而不损失韧性，最终显著提高了刀具锋利性能；
4)相较传统淬回火工艺，本发明需要更少的刀坯原料，同时大幅提高磨削效率，降低磨削成本，方便余料回收。
附图说明
图1为本发明中所述低温二次硬化回火工艺图；
图2(a)为本发明实施例中采用常规回火工艺生产的刀具组织图，5000x；
图2(b)为本发明实施例中采用低温二次硬化回火工艺生产的刀具组织图，5000x；
图2(c)为本发明实施例中采用低温二次硬化回火工艺生产的刀具组织图，20000x；
图3为本发明实施例中采用低温二次硬化回火工艺生产的刀具析出的纳米级碳化物；
图4为不同尺寸和体积分数碳化物对强度的贡献计算结果；
图5为本发明实施例中不同回火温度下变形和不变形对低温二次硬化效果的影响；
其中，G为经过梯度奥氏体形变后，Z为未经过梯度奥氏体形变；
图6为本发明实施例中不同回火温度下变形和不变形对刀具锋利性能的影响；
其中，G为经过梯度奥氏体形变后，Z为未经过梯度奥氏体形变，ICC为初始锋利度，TCC是锋利耐用度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，本实施例提供一种梯度形变高碳马氏体不锈钢的低温二次硬化回火方法，所述方法通过刀坯固溶处理后进行梯度奥氏体形变处理，将刀坯锻造至成品刀形状，细化刃部晶粒的同时，在刀刃处引入大量位错，在采用低温回火的方法，促进纳米级碳化物的弥散析出，进而提高刀具硬度和锋利性能。
实施例
经过电渣重熔、热轧、球化退火、冷轧、退火后的8Cr13MoV马氏体不锈钢加工成2.5mm厚的刀坯后，具体方法如下：
(1)刀坯加热到1100℃保温10min后出炉，冷却至室温。
(2)对固溶后的刀坯进行梯度奥氏体形变处理，形变温度为600℃，使刀刃厚度由2.5mm减小到1.3mm，随后空冷至室温。
(3)对梯度奥氏体形变处理后的刀坯进行低温回火，回火温度为220℃，回火时间为15小时。
(4)同时设置未进行梯度奥氏体形变处理、不同回火温度、不同回火时间的对照组，来对比该工艺对刀具组织和性能的改善作用。
图2(a)为传统工艺生产的刀具组织图(5000x)，图2(b)为采用本发明工艺生产的刀具组织图(5000x)，图2(c)为采用本发明工艺生产的刀具组织图(20000x)，可见，传统工艺生产的刀具组织中存在大量大尺寸M23C6型二次碳化物，而本发明工艺生产的刀具组织中，M23C6型二次碳化物尺寸明显变小，且出现大量弥散分布的纳米级碳化物。图3为本发明实施例中采用低温二次硬化回火工艺生产的刀具析出的纳米级碳化物，可以看出，低温回火过程中析出的纳米级碳化物主要是(V,Ti,Nb)(C,N)，尺寸在10nm左右。高碳马氏体不锈钢中M23C6型二次碳化物尺寸较大，一般在100nm，而低温回火过程中析出的MX型碳氮化物尺寸较小，在10nm左右，图4为不同尺寸和体积分数碳化物对强度的贡献计算结果，可以看出，尺寸细小的碳氮化物能够对强度的贡献远大于大尺寸的M23C6型碳化物。图5为不同回火温度下变形和不变形对低温二次硬化效果的影响，其中G为经过梯度奥氏体形变后，Z为未经过梯度奥氏体形变。由图5可以看出，适当提高回火温度(从200℃提高到220℃)能够显著加速刀刃的二次硬化，而不损害二次硬化效果，而进一步提高回火温度会加剧回火初期的软化，二次硬化效果也明显减弱；梯度奥氏体形变后的刀具淬火硬度高于普通刀具，梯度形变能够抑制回火软化，并能提高回火二次硬化效果，但对二次硬化峰位没有影响。图6为不同回火温度下变形和不变形对刀具锋利性能的影响，其中G为经过梯度奥氏体形变后，Z为未经过梯度奥氏体形变，ICC为初始锋利度，TCC是锋利耐用度。由图6可以看出，经过梯度形变后的刀具初始锋利度和锋利耐用度都显著高于未经过梯度形变的刀具；适当提高回火温度(从200℃提高到220℃)能够显著减小回火二次硬化所需时间，并提高刀具的锋利性能，而进一步提高回火温度会损害未变形刀具的锋利性能，而对梯度变形刀具的影响较小。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种梯度形变高碳马氏体不锈钢的低温二次硬化回火方法，其特征在于，对刀坯固溶处理后进行梯度奥氏体形变处理，将刀坯锻造至成品刀形状，显著细化刃部晶粒的同时，在刀刃处引入大量位错，在采用低温回火的方法，促进纳米级碳化物的弥散析出，进而提高刀具硬度、锋利性能和使用寿命，其中，所述方法包括：
S1：采用冷轧板刻出刀坯，对刀坯进行固溶处理；
S2：对刀坯进行4～7道次梯度奥氏体形变处理，奥氏体化温度为1030～1070℃，奥氏体化保温时间为5～10min，形变温度为500～800℃，使刀刃厚度由2～3mm减小到1～1.5mm，随后空冷至室温；
S3：对刀坯进行低温回火处理，回火温度为210～230℃，回火时间为10～20小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1中固溶处理具体工艺为：将刀坯加热到1100～1130℃保温5～15min后出炉，空冷至室温。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1中固溶处理前，可采用涂料抗高温氧化涂料刷涂在刀坯表面，防止刀坯在固溶过程中严重氧化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1中固溶处理后，在刀坯出炉空冷的过程中进行矫直。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2中梯度奥氏体形变处理后，在刀坯空冷的过程中再次进行矫直。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中，低回火温度下回火时间取上限，高回火温度下回火时间取下限。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刀坯为含有微合金元素的高碳马氏体不锈钢，所述高碳马氏体不锈钢的钢种成分(wt％)为：C：0.6～1.0，Mn≤0.8，Si≤1，Cr：12～18，Mo≤1，V≤1，Nb≤0.5，N≤0.2，S≤0.03，P≤0.05，其余为Fe的高碳马氏体不锈钢。
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