CN101333625A - 耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢，其化学成分(按％重量计)如下：Cr：12.5～14，Ni：3.0～5.0，Cu：4.5～6.5，Nb：0.5～1.0，Mn：0.5～1.0，C≤0.08，Si≤1.0，P≤0.040，S≤0.030，Fe余量。本发明还包括该耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢的制造方法，采用电弧炉、真空感应炉1600－1700℃冶炼，热加工温度为1100～1200℃，淬火温度为1060～1110℃，保温0.5小时后油淬，回火温度为500～600℃，保温1小时后空冷至室温。根据本发明的不锈钢，具有优异的高温耐磨性，同时使用寿命也有了很大的提高。

Description

耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢及制造方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及适用于耐高温、耐磨损工况条件下的一种马氏体不锈钢。

背景技术

目前高速线材吐丝机大多采用卧式布置，吐丝机相对于水平线的倾角约为(15°～20°，不同生产厂不同)，高温、高速线材从夹送辊导出之后，需经一段弧形的下弯套装置，以改变其原来的直行方向，将线材准确地导入到吐丝机中完成吐丝。由于高速线材生产具有高节奏(每天连续工作时达在22小时以上)、高温(吐丝温度在900℃以上)、高速度(最高轧制速度110m/s)等特点，下弯套工况条件(在高温、高速、长时间磨擦的条件下)较差，因此其材质相对于其它磨损件相应也要求较高，不仅要求其需要具有一定强度和塑韧性以承受高速下大的冲击力、而且还需要具有高的高温耐磨性以承受高速线材高温、高速工况条件下材料磨损。

目前使用效果较好的下弯套的材质为38CrSi，该合金属于合金结构钢，含有0.35～0.43wt％C，1.00～1.30wt％Si，0.3～0.6wt％Mn和1.3～1.6wt％Cr，金相显微组织如图1所示，淬火后500℃时效的硬度为HRC35；由于该合金所含合金元素量较低，尤其是提高合金红硬性的元素含量较低，使得该合金在高温时的抗软化能力较弱，导致高温硬度下降较快，高温耐磨性不高，使用寿命较低(平均寿命1.5小时)，不能很好满足现场实际需要。

发明内容

本发明是为了提高线材高温、高速工况条件下的使用寿命，研发出适合于耐高温、高速、长时间磨擦使用条件下的一种新型下弯套用不锈钢。

本发明包括两方面的内容：一是提供了一种耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢；二是提供了该不锈钢的制造方法。具体如下：

1、耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢的合金成分设计

下弯套的工作条件决定了它的材质要有足够的组织热稳定性和热强性，这样才能在高温下具有较好的耐磨性。通过合金化的方法，添加提高合金红硬性的合金元素，并适当调整其它合金元素的含量，可大大地提高合金的高温强度和组织热稳定性，提高耐磨性。但是影响耐磨性的因素很多，除了要具有足够的硬度和强度以外，降低摩擦系数也可以提高耐磨性。

在进行钢的合金设计时，通常是通过调节不同的含碳量来设计钢的强度。C对钢的强化作用，是通过固溶强化和碳化物的析出强化来实现的。但是碳在Fe原子晶格中是以间隙原子存在的，扩散速度较快，从而使碳化物的粗化速度较快。在高温下碳化物通过C原子的快速扩散急剧长大，对合金的强化作用减弱，造成合金的高温性能下降。而通过金属间化合物来对合金产生强化，由于金属原子通常都为置换式溶质原子，处在Fe原子的晶格位置，扩散速度较处于间隙的C原子要小得多，所以金属间化合物的长大速度较慢，有较强的高温稳定性，对合金的高温强度有很大地提高作用，而且金属间化合物通常都具有较高的硬度，可提高合金的耐磨性。选择合适的金属间化合物相还可能会降低合金的摩擦系数，使得合金在同样的条件下更加耐磨。

在化学成分设计上，在Fe基中添加合金元素的作用如下：

Cr：提高钢的淬透性和抗氧化性。Cr是目前使钢钝化并赋予良好耐蚀性和不锈性的唯一有工业使用价值的元素，随钢中Cr含量的增加，耐大气腐蚀性能和抗氧化性能提高。但针对吐丝机下弯套的使用工况，对耐蚀性的要求不是很高，而且钢中铬含量过高，将降低钢的导热系数，并将显著增加淬火、回火条件下钢的稳定铁素体含量，降低钢的硬度和抗拉强度，而且将显著降低马氏体转变温度，过高的Cr含量还有损于钢的韧性。适宜的Cr含量为12.5～14wt％。

Ni：作为奥氏体形成元素，可提高钢的耐蚀性；适当提高钢中Ni含量，可有效提高马氏体不锈钢的可淬性和淬透性，促进马氏体转变，改善钢的强度和韧性，提高马氏体不锈钢的回火稳定性，降低回火软化程度。但是，镍含量过高，将明显降低钢的马氏体转变温度，增加钢中残余奥氏体量。适宜的Ni含量为3.0～5.0wt％。

Cu：适当提高钢中Cu含量，可扩大γ相区和α+γ相区，降低钢中δ-铁素体含量；还可形成细小弥散的沉淀相，引起二次硬化效应。钢中铜含量过高，也将显著降低钢的热加工性能，并增加钢中残余奥氏体量。适宜的Cu含量为4.5～6.5wt％。

Nb：可起到细化晶粒的作用，在钢中还能形成金属间化合物相，有助于提高钢的强度特别是高温强度；并能和钢中的碳、氮结合形成铌的碳化物和氮化物；但是钢中铌含量过高，势必增加钢中δ-铁素体含量，降低钢的强度、塑性和韧性，恶化钢的横向韧性和耐蚀性。适宜的Nb含量为0.5～1.0wt％。

Mn：是奥氏体形成元素，适当控制钢中锰含量，有助于扩大γ相区和α+γ相区，降低钢中δ-铁素体含量，提高钢的热加工性能，钢的强度也有一定程度的提高。但是，锰含量过高，导致钢中残余奥氏体量的增加和马氏体转变温度的降低。适宜的Mn含量为0.5～1.0wt％。

C：钢中碳含量增加，将扩大γ相区和α+γ相区，降低钢中δ-铁素体含量；但是，随着钢中碳含量的增加，钢的强度、硬度增加，耐蚀性降低，韧性和焊接性能下降，马氏体转变温度也将明显降低；而且C的增加会影响金属间化合物的析出。适宜的C含量为C≤0.08wt％。

Si：对回火后组织有很好强化作用，提高了钢的强度、弹性极限和屈强比，同时又不降低韧性。过量添加时加工性能和韧性会降低。适宜添加量为≤1.0wt％。

基于以上对合金元素的作用分析，本发明化学成分(wt％)为：Cr：12.5～14，Ni：3.0～5.0，Cu：4.5～6.5，Nb：0.5～1.0，Mn：0.5～1.0，C≤0.08，Si≤1.0，P≤0.040，S≤0.030，Fe余量。

2、耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢的制造方法

(1)合金熔炼

本发明可采用电弧炉、真空感应炉冶炼。

在电弧炉中冶炼，首先用料罐把原料装入，随后通电加热至1600-1700℃，为缩短炼钢时间和防止贵重合金的大量氧化，应尽可能快速熔化和提前造渣。当熔池熔清后，吹氧脱碳，然后加入还原剂进行Cr、Fe等元素的还原，提高Cr等的回收率，随后进行精炼以脱氧、脱硫和调整温度和成分，最后出钢，模铸。

在真空感应炉中冶炼，首先将原料放入坩埚内并抽真空，随后加热到1600-1700℃熔化，并保持真空度，使气体充分逸出，最后在真空下浇铸。

(2)热处理工艺

热加工可采用锻、轧，热加工温度为1100～1200℃，淬火温度为1060～1110℃，保温0.5小时后油淬，回火温度为500～600℃，保温1小时后空冷至室温。

淬火后的组织为板条状低碳马氏体和少量的残余奥氏体，金相显微组织如图2所示，经过淬火合金分别在500～600℃的温度区间进行了时效处理，板条状的组织形态没有改变，只是随时效温度的升高，可观察到析出相。在马氏体基体上弥散析出细小的面心立方结构的富Cu相，可获得较高的硬度；而且富Cu的_ξ相还可能会降低合金的摩擦系数，使得合金在同样的条件下更加耐磨。同时M23C6型碳化物也会在马氏体板条和残余奥氏体的界面处析出，产生强化作用。

淬火处理要求使合金元素充分地溶解，但温度不可过高，以免造成原始组织粗大。淬火后的回火过程要使ξ相和合金碳化物析出产生强化。

本发明的耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢淬火态的硬度为HRC35，淬火后500℃时效的硬度为HRC42，淬火后550℃时效的硬度为HRC38，淬火后600℃时效的硬度为HRC33，淬火后650℃时效的硬度为HRC31，硬度随时效温度的提高下降的速度较慢。

采用金属间化合物沉淀来强化时，由于金属原子通常都为置换式溶质原子，处在Fe原子的晶格位置，扩散系数较小，扩散速度较慢，而金属间化合物的粗化需要金属原子的扩散，因此金属间化合物的长大速度较慢，具有较强的高温稳定性，对合金的高温强度有很大的提高作用，同时金属间化合物通常都具有较高的硬度，可提高合金的耐磨性。

说明书附图

图1为现有的38CrSi淬火后500℃回火的金相组织图

图2为本发明实施例1的合金金相组织图

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：根据本发明所设计的化学成分范围在真空高频感应炉上冶炼了化学成分为：0.068wt％C，12.87wt％Cr，4.53wt％Ni，4.6wt％Cu，0.599wt％Mn，0.671wt％Nb，0.21wt％Si，余为Fe的合金。在1150℃锻造后退火，经1100℃淬火，500℃回火后的工件。淬火后500℃时效的硬度为HRC42，平均使用寿命为2.64小时。

实施例2：根据本发明所设计的化学成分范围在真空高频感应炉上冶炼了化学成分为：0.04wt％C，13.7wt％Cr，4.12wt％Ni，5.8wt％Cu，0.81wt％Mn，0.821wt％Nb，0.54wt％Si，余为Fe的合金。在1150℃锻造后退火，经1100℃淬火，500℃回火后的工件。淬火后500℃时效的硬度为HRC42，平均使用寿命为2.73小时。

实施例3：根据本发明所设计的化学成分范围在真空高频感应炉上冶炼了化学成分为：0.038wt％C，13.9wt％Cr，4.18wt％Ni，5.1wt％Cu，0.56wt％Mn，0.681wt％Nb，0.205wt％Si，余为Fe的合金。在1150℃锻造后退火，经1100℃淬火，500℃回火后的工件。淬火后500℃时效的硬度为HRC41，平均使用寿命为2.24小时。

根据本发明化学成分范围所生产的下弯套用马氏体不锈钢，具有优异的高温耐磨性。与现在使用的下弯套平均1.5小时的使用寿命相比，使用寿命有了很大的提高。

应当理解的是，本发明的实施例只是用于说明本发明而不是限制本发明，本发明不限于本文中描述的细节。只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢，其化学成分(按％重量计)如下：

Cr：12.5～14，Ni：3.0～5.0，Cu：4.5～6.5，Nb：0.5～1.0，Mn：0.5～1.0，C≤0.08，

Si≤1.0，P≤0.040，S≤0.030，Fe余量。

2.如权利要求1所述的耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

①.合金熔炼

在电弧炉中冶炼，通电加热至1600～1700℃，熔清后，吹氧脱碳后还原，随后精炼，最后出钢，模铸；

②.热处理

采用锻轧，热加工温度为1100～1200℃，淬火温度为1060～1110℃，保温0.5小时后油淬，回火温度为500～600℃，保温1小时后空冷至室温。

3.如权利要求2所述的耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢的制造方法，其中，步骤①的合金熔炼步骤为：在真空感应炉中冶炼，加热到1600～1700℃熔化，最后在真空下浇铸。

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