CN111961821A - 一种提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，属于材料热处理技术领域。本发明通过改变传统的正火+回火的热处理方法，在正火和回火热处理制度之间，增加深冷处理技术，促进残余奥氏体的马氏体相变，在马氏体基体析出大量超微细碳化物，增加刀具的耐磨性与刚性，充分发掘材料的内部潜力，大幅度提升刀具的锋利度和耐用度，延长刀具的使用寿命。

Description

一种提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法
技术领域
本发明涉及一种提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，属于材料热处理技术领域。
背景技术
热处理是将金属材料放入一定介质中加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构来控制其性能的热加工工艺，金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变材料的化学成分，而是通过改变材料的内部的显微组织或改变表面的化学成分，赋予或改善材料的使用性能。深冷处理是指以液氮为制冷剂，在低于一定的温度对材料进行处理的方法。深冷处理技术作为热处理的一种方式，它能在不降低材料强度与硬度的情况下，显著提高材料的韧性。
高碳高铬马氏体不锈钢具有硬度高、耐磨性好等优点，常常被用来生产制造民用刀具产品，目前国外高档刀具通常选用碳含量0.25％和铬含量14.0％以上的高碳高铬马氏体不锈钢作为刀具的原材料，同时在钢中添加其他合金元素起到固溶强化或改善淬透性的作用。目前我国刀具所用的传统热处理工艺是正火+回火相结合的方法，即在1050℃左右保温一定时间后，采用快速冷却的方式使得材料发生马氏体相变，然后在200℃左右保温一段时间，以消除材料的内应力，这种粗放简单型的热处理方式对于我国目前所采用20Cr13等低碳低铬马氏体刀具尚可，但是对于目前附加值相对较高的高端刀具所用的高碳高铬马氏体不锈钢，不能发挥材料的完全优势。
高碳高铬刀具用钢的制备工艺，尤其是热处理工艺由于国外的技术封锁而尚未掌握，导致我国高端刀具市场完全被欧洲和日本等国家所垄断，严重制约我国刀剪产业在国际市场上的发展，因此加强国内刀剪材料的研发与生产的创新工作有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，通过改变传统的正火+回火的热处理方法，在正火和回火热处理制度之间，增加深冷处理技术，促进残余奥氏体的马氏体相变，在马氏体基体析出大量超微细碳化物，增加刀具的耐磨性与刚性，充分发掘材料的内部潜力，大幅度提升刀具的锋利度和耐用度，延长刀具的使用寿命。
本发明的技术方案是：
一种提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，在正火和回火热处理制度之间，增加对刀具进行深冷处理。
所述的提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，深冷处理的环境为液氮。
所述的提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，刀具材料为高碳高铬马氏体不锈钢。
所述的提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，按重量百分比计，高碳高铬马氏体不锈钢的化学成分为：C:0.35～0.55％，Cr:14.0～16.0％，Mo:0.5～1.0％，V:0.1～0.2％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，Ni≤0.30％，P＜0.01％，S＜0.01％，O＜0.005％，N≤0.1％，余量为铁。
所述的提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，具体步骤如下：
(1)正火热处理制度：将刀具加热到1050℃±20℃保温30～60min后，进行油淬至室温；
(2)深冷热处理制度：将刀具放入在液氮中，温度为-196℃，保温时间为20min～40min；
(3)回火热处理制度：将刀具加热到200℃±20℃保温120min～240min后，空冷至室温。
所述的提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，采用该热处理后，刀具的锋利度达到90mm以上，耐用度达到600mm以上。
本发明的设计思想为：
本发明改变传统刀具用钢的热处理工艺，通过增加深冷处理技术，促进正火过程中较稳定的残余奥氏体在低温环境下的马氏体相变，相变转变原奥氏体部位的微孔及应力集中位置发生塑性流动，消除内应力，进一步提升材料的硬度及强度，提高刀具的耐磨性和冲击韧性，改善刀具材料的内应力分布，提高其疲劳强度和耐磨蚀性能。
本发明中热处理制度说明如下：
本发明的正火温度及其保温时间：正火的目的是为了消除锻造、轧制时组织中的粗大碳化物，在奥氏体化状态将其固溶进入基体，并在随后的回火过程中，M23C6以及MX等碳化物能够在原奥氏体晶界、板条界等界面析出，达到析出强化作用，同时通过调整正火温度获得合适的晶粒大小。本发明钢在温度低于1030℃正火时，碳化物未充分溶解，不能充分的发挥析出强化效果。而当温度高于1070℃时，由于晶粒的快速长大，得到粗大的组织，钢的冲击韧性迅速下降。因此，本发明选择为1050℃±20℃保持30～60min并采用油淬的正火制度。
本发明的深冷处理温度及其保温时间：本发明中刀具所用的高碳高铬马氏体耐热钢的马氏体转变终了温度Mf低于室温，因此在正火中的淬火冷却到室温过程中，基体中会残留一定含量的奥氏体，从而会降低材料的硬度、耐磨性和使用寿命。采用在费用相对较低的液氮环境中进行深冷处理，进一步促进刀具材料中的残余奥氏体向马氏体转变，避免不稳定的残余奥氏体发生组织转变而导致体积变化带来的金属碎裂等不利因素。与此同时，液氮温度可达到零下196℃，超低的温度可转移金属原子的运能，原子之间的扩散受阻，原子之间的结合力得到提高，从而使金属材料的韧性得到进一步提升。因此，本发明选择为液氮环境进行深冷，保温20min～40min后冷却至室温。
本发明低温回火温度及其保温时间：低温回火马氏体既保持钢的高硬度、高强度和良好的耐磨性，又适当提高韧性。本发明钢经淬火和低温回火后可得到隐晶回火马氏体和均匀分布的粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时显著降低钢的淬火应力和脆性。另外，淬火的内应力经低温回火后降低，进一步提高钢的强度和塑性，保持优良的综合力学性能。因此，本发明钢的回火制度选择为200℃±20℃保温120min～240min后空冷。
本发明的优点及有益效果是：
本发明通过改变刀具用钢的传统热处理工艺，在正火和回火热处理制度之间增加液氮的深冷处理技术，促进残余奥氏体的马氏体相变，消除内应力，提高原子之间的结合力，提升刀具的硬度和强度，大幅度提高刀具的锋利度和耐用度，延长刀具的使用寿命。
附图说明
图1为实施例1的显微组织示意图。
图2为比较例1的显微组织示意图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，首先进行正火处理，然后油淬至室温；随后在液氮环境中深冷，空冷至室温；最后进行低温回火。
以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1
本实施例中，提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法如下：
(1)正火热处理制度：将刀具放入加热炉中在1050℃保温40min后，然后采用油淬的冷却方式至室温；
(2)深冷热处理制度：将刀具放入在-196℃的液氮中，保温时间为30min；
(3)回火热处理制度：将刀具放入加热炉中在200℃保温180min后空冷至室温。
上述金属材料为高碳高铬马氏体不锈钢，具体化学成分为：C:0.36wt.％，Cr:14.17wt.％，Mo:0.56wt.％，V:0.14wt.％，Mn:0.49wt.％，Si:0.35wt.％，Ni:0.17wt.％，O:20ppm，N:250ppm，S:45ppm，P:80ppm，余量为铁。
实施例2
本实施例中，高碳高铬马氏体不锈钢的化学成分为：C:0.44wt.％，Cr:14.8wt.％，Mo:0.53wt.％，V:0.13wt.％，Mn:0.49wt.％，Si:0.60wt.％，Ni:0.16wt.％，O:23ppm，N:420ppm，S:30ppm，P:38ppm，余量为铁。该刀具的热处理工艺与实施例1一样。
实施例3
本实施例中，高碳高铬马氏体不锈钢的化学成分为：C:0.48wt.％，Cr:15.2wt.％，Mo:0.68wt.％，V:0.11wt.％，Mn:0.48wt.％，Si:0.56wt.％，Ni:0.18wt.％，O:25ppm，N:320ppm，S:30ppm，P:50ppm，余量为铁。该刀具的热处理工艺与实施例1一样。
实施例4
本实施例中，高碳高铬马氏体不锈钢的化学成分为：C:0.51wt.％，Cr:15.63wt.％，Mo:0.57wt.％，V:0.12wt.％，Mn:0.44wt.％，Si:0.59wt.％，Ni:0.15wt.％，O:22ppm，N:430ppm，S:22ppm，P:60ppm，余量为铁。该刀具的热处理工艺与实施例1一样。
比较例1
本比较例中，刀具的热处理方法如下：
(1)正火热处理制度：将刀具放入加热炉中在1050℃保温40min后，然后采用油淬的冷却方式至室温；
(2)回火热处理制度：将刀具放入加热炉中在200℃保温180min后空冷至室温。
刀具的化学成分与实施例1相同。由于与实施例1的不同之处在于：未采用液氮环境中的深冷热处理制度，刀具的锋利度和耐用度分别为48mm和265mm，较实施例1分别下降57mm和347mm。
比较例2
刀具的化学成分与实施例2相同，该刀具的热处理工艺与比较例1一样。
由于与实施例2的不同之处在于：未采用液氮环境中的深冷热处理制度，刀具的锋利度和耐用度分别为51mm和275mm，较实施例2分别下降61mm和353mm。
比较例3
刀具的化学成分与实施例3相同，该刀具的热处理工艺与比较例1一样。
由于与实施例2的不同之处在于：未采用液氮环境中的深冷热处理制度，刀具的锋利度和耐用度分别为53mm和288mm，较实施例3分别下降65mm和343mm。
比较例4
刀具的化学成分与实施例4相同，该刀具的热处理工艺与比较例1一样。
由于与实施例4的不同之处在于：未采用液氮环境中的深冷热处理制度，刀具的锋利度和耐用度分别为61mm和300mm，较实施例3分别下降60mm和351mm。
实施例和比较例的锋利度和耐用度如表1所示。锋利度和耐用度的数据是采用GB/T 30768-2014《不锈钢水果刀》国家标准检测获得的。
表1
序号 锋利度/mm 耐用度/mm
实施例1 105 612
实施例2 112 628
实施例3 118 631
实施例4 121 651
比较例1 48 265
比较例2 51 275
比较例3 53 288
比较例4 61 300
由表1可以看出，本发明通过改变传统刀具用钢的热处理工艺，增加了深冷处理技术，促进正火过程中较稳定的残余奥氏体在低温环境下的马氏体相变，相变转变原奥氏体部位的微孔及应力集中位置发生塑性流动，消除内应力，进一步提升材料的硬度及强度，大幅度提高刀具的锋利度和耐用度，延长刀具的使用寿命。
如图1所示，从本发明实施例1的显微组织示意图可以看出，刀具的微观组织，碳化物分布均匀，在马氏体基体析出大量的弥散分布的细小碳化物。
如图2所示，从本发明比较例1的显微组织示意图可以看出，与实施例1相比，刀具的微观组织不存在大量的弥散分布的细小碳化物。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，其特征在于，在正火和回火热处理制度之间，增加对刀具进行深冷处理。
2.按照权利要求1所述的提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，其特征在于，深冷处理的环境为液氮。
3.按照权利要求1或2所述的提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，其特征在于，刀具材料为高碳高铬马氏体不锈钢。
4.按照权利要求3所述的提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，其特征在于，按重量百分比计，高碳高铬马氏体不锈钢的化学成分为：C:0.35～0.55％，Cr:14.0～16.0％，Mo:0.5～1.0％，V:0.1～0.2％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，Ni≤0.30％，P＜0.01％，S＜0.01％，O＜0.005％，N≤0.1％，余量为铁。
5.按照权利要求1、2或4所述的提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)正火热处理制度：将刀具加热到1050℃±20℃保温30～60min后，进行油淬至室温；
(2)深冷热处理制度：将刀具放入在液氮中，温度为-196℃，保温时间为20min～40min；
(3)回火热处理制度：将刀具加热到200℃±20℃保温120min～240min后，空冷至室温。
6.按照权利要求5所述的提高刀具锋利度和耐用度的热处理方法，其特征在于，采用该热处理后，刀具的锋利度达到90mm以上，耐用度达到600mm以上。
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