CN101684540A - 一种高Mn含量的马氏体不锈钢 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高Mn含量的马氏体不锈钢，其化学成分的重量百分配比为：C：0.03～0.1％，Si：0.20～0.80％，Mn：1.2～3.0％，Cr：12～14％，N：0.008～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明通过提高钢中Mn含量、适量添加N，利用Mn、N的强化，提高马氏体不锈钢的强度和硬度。Mn的成本和其他合金相比，价格更便宜，资源更丰富。而且利用Mn、N强化后的低碳马氏体不锈钢，只需淬火热处理就能得到良好的强、韧性和耐腐蚀性能的马氏体不锈钢材料，比常用的回火马氏体不锈钢使用更方便、性能更优越。

Description

一种高Mn含量的马氏体不锈钢

技术领域

本发明涉及一种马氏体不锈钢，特别涉及一种高Mn含量的高强度、高硬度和高耐蚀性马氏体不锈钢。

背景技术

马氏体不锈钢，一般都经过淬火以及回火热处理后使用，回火的目的是为了消除淬火应力并获得稳定的组织。但是Cr13型马氏体不锈钢，在375～590℃回火时，存在回火脆性，经研究这种回火脆性是由于晶界碳化物局部过时效引起的。由于脆性、焊接等方面的劣势，传统马氏体不锈钢的使用受到了限制。因此，开发研制性价比高的高强度、高硬度和高耐蚀性马氏体不锈钢成为了亟待解决的问题。

欧洲“The Thomson Corporation”申请的13Cr马氏体不锈钢，添加Ni、Mo、Cu等元素改善13Cr马氏体不锈钢的塑韧性性能，同时淬硬性也得到了提高，取得了比较满意的效果。但是由于该钢种添加了Ni、Mo、Cu等贵重金属，生产成本比较高，材料的使用受到一定的限制。同时，材料淬火得到马氏体后，要进行回火处理，增加了直接用户的使用成本和工序，市场空间比较小。

日本“杰富意钢铁株式会社”(JFE)通过添加Mn、Ti、Nb、B、Mg、W等元素，利用Ti、Nb的碳氮化物的析出强化、利用B等元素的晶粒细化作用提高钢的强度，也得到了强度比较高的马氏体不锈钢。但是由于该钢种添加Ti、Nb、B、W等元素，一方面增加了生产成本，另一方面增加了生产制造难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种马氏体不锈钢，该马氏体不锈所添加的合金价格便宜、资源丰富，生产成本低，而且不必进行回火处理；减少工艺流程。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高Mn含量的马氏体不锈钢，其化学成分的重量百分配比为：C：0.03～0.1％，Si：0.20～0.80％，Mn：1.2～3.0％，Cr：12～14％，N：0.008～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述的高Mn含量的马氏体不锈钢的制造方法，制造工艺中进行淬火后不再进行回火处理。本发明钢种采用的热处理制度与国标06Cr13、12Cr13相近，利用企业现有热处理装备即可实现本钢种的热处理，无需增加生产设备。制造方法的其它步骤以及工艺参数没有改进，采用现有技术。

申请人确定上述成分范围的主要理由如下：

C：0.03～0.1％

碳在不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区元素，也是材料强化元素。但是，在马氏体不锈钢中较高的碳含量，会恶化材料的耐腐蚀性能、增加企业生产难度和环节、材料的加工性能也会大大降低，因而碳含量应当设置为≤0.1％。同时为了保证马氏体不锈钢的强度要求，理想的碳含量应不低于0.03％。因此，本钢种选择的碳含量为：0.03％～0.10％。

Si：0.20～0.80％

在冶炼过程中，硅是常用的一种脱氧元素，必须保证钢水中有一定含量的Si，钢水脱氧才能充分；另一方面硅也是一种铁素体形成元素，为了保证获得高温奥氏体组织从而得到低温马氏体组织，就必须限制硅的含量，同时过高的硅含量(大于1.0％)可能会引起不锈钢韧性降低。本发明经过实验研究，既要保证钢液脱氧充分又要不降低钢的强度和韧性，因而将硅含量的范围确定为：0.20％～0.80％。

Mn：1.2～3.0％

锰是一种比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈的稳定奥氏体组织进而形成马氏体相的作用，因此使钢在淬火处理后的马氏体组织稳定、残余奥氏体组织较少。并且锰是一种提高钢的机械强度和硬度的有效元素。但过高含量的Mn有可能恶化不锈钢的耐腐蚀性能。因而，为了保证钢的机械强度、硬度和耐腐蚀性能，经过反复的实验，将钢中的锰含量范围确定为：1.2％～3.0％。

Cr：12～14％

铬是本发明的马氏体不锈钢中的最基本的元素，是钢获得不锈性和耐腐蚀性的重要元素。低于10.5％的Cr，钢的耐腐蚀性能会有较大幅度的降低，同时考虑C、Mn、P、S等元素对耐腐蚀性能的不利影响，Cr的下限定为12％；另一方面，Cr是强烈的铁素体形成元素，过高的Cr含量会缩小乃至消除钢在高温的奥氏体区域，从而不能淬火形成马氏体组织。因此，本发明钢种铬含量设置范围为10％～14％。

N：0.008～0.03％

氮是非常强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区元素，氮属于固溶强化元素，可以提高不锈钢的强度并不显著损害钢的塑性和韧性，同时氮元素可以延缓碳化物的析出，从而使钢耐晶间腐蚀性能得到改善。本发明通过Mn、N强化元素的合理匹配，在不降低钢的耐腐蚀性能的前提下，提高了钢的强度和硬度。但是，当氮含量超出一定范围后，对钢的生产加工工艺及冷成型性有不利影响，同时由于13Cr不锈钢N的溶解度有限，N过高可能会形成气泡，从而影响钢的质量。经过实验研究，最终确定了此钢种的氮含量范围为：0.008～0.03％。

P：不高于0.03％

磷在不锈钢中是有害元素，磷对钢的韧性具有有害影响，并且使钢的耐腐蚀性能恶化。因而，应尽可能使钢中磷含量低。但是，不锈钢冶炼脱磷是非常困难，磷要降低，冶炼的成本会成倍的增加。因此，本发明钢种确定磷的含量范围为：≤0.03％。

S：不高于0.02％

硫在不锈钢中是有害元素，硫含量高，钢容易产生MnS夹杂，并且硫对钢的热加工性能、耐腐蚀性能非常有害。因而，本发明将钢中硫含量范围设置为：≤0.02％。

本发明通过向13Cr不锈钢中添加较高含量的Mn和适量的N，利用Mn、N的强化作用，提高含Mn13Cr不锈钢的强度和硬度，同时保持钢的耐腐蚀性能，得到了一种高强度、高硬度、高耐腐蚀性能的马氏体不锈钢；同时由于Mn、N配合和适宜的C含量，高Mn含量的13Cr不锈钢即使是淬火状态不需要回火也能保证拥有优良的机械性能，耐腐蚀性能也比较突出。由于不需要回火，机械性能没有损失，低碳马氏体钢达到了高碳马氏体钢的强度和硬度。

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和优良效果：

(1)只需淬火即可获得HRC30～45的硬度，不必进行回火处理；减少了工艺流程；

(2)只需添加价格便宜、资源丰富的少量合金即可得到优良性能的马氏体不锈钢材料，冶金企业生产成本较低；

(3)只需淬火即可获得良好的韧性、硬度、耐磨性和耐腐蚀性能；

(4)由于不必回火，耐蚀性不会降低，同时可降低制造成本；

(5)本发明钢种采用的热处理制度与国标06Cr13、12Cr13相近，利用企业现有热处理装备即可实现本钢种的热处理，无需增加生产设备。

具体实施方式

下面结合表1-8，具体介绍本专利的两种实施例。

实施例1：

表1相近专利钢种成分控制比较(Wt％)

专利号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	Ti	Nb
												CN1697889	0.03-0.1	≤0.5	1-2.5	-	-	10-15	-	-	-	0.01-0.5	0.01-1.0
Wo2007029626	0.05-0.1	0.1-1.0	0.2-2	≤0.04	≤0.01	11-14	0.5-2	1-2	0.5-2	≤0.1	0.03-0.3
												本发明	0.03-0.1	0.2-0.8	1.2-3.0	≤0.03	≤0.02	12-14

专利号	V	Zr	Al	Ta	Hf	N
							CN1697889	0.01-0.5	0.01-1.0	-	≤0.5	≤0.5	0.005-(Ti+V)×14/50+(Nb+Zr)×14/90
Wo2007029626	-	-	≤0.1			0.01-0.025
							本发明						0.008-0.03

其中，“The Thomson Corporation”申请的13Cr马氏体不锈钢(WO2007029626)，添加Ni、Mo、Cu等元素改善13Cr马氏体不锈钢的塑韧性性能，同时淬硬性也得到了提高。它利用Ni扩大高温奥氏体区域，利用Mo进行强化提高钢材的强度，利用Cu改善材料的塑韧性，与本发明的强化机理不同。与本发明Mn的添加范围不同，该钢种Mn的范围在0.2-2.0％，本发明Mn的范围为1.2-3.0％。由于该钢种添加了Ni、Mo、Cu等贵重金属，生产成本比较高，材料的使用受到一定的限制。同时，材料淬火得到马氏体后，要进行回火处理，增加了直接用户的使用成本和工序，市场空间比较小。与此钢种相比，本发明具有生产成本低、生产难度低、成分体系简单、不需回火处理的优势。

日本“杰富意钢铁株式会社”(JFE)通过添加Mn、Ti、Nb、B、Mg、W等元素，利用Ti、Nb的碳氮化物的析出强化、利用B等元素的晶粒细化作用提高钢的强度，也得到了强度比较高的马氏体不锈钢(公开号：CN1697889)，与本发明的强化机理也有不同。由于成分体系的差异，该牌号退火温度区间为550-760℃，本发明退火温度为730-790℃。与本发明Mn的添加范围不同，该钢种Mn的范围在1.0-2.5％，本发明Mn的范围为1.2-3.0％。由于该钢种添加Ti、Nb、B、W等元素，一方面增加了生产成本，另一方面增加了生产制造难度。与此钢种比较，本发明具有生产成本低、生产难度低、成分体系简单的优势。

本发明钢种的创新点是通过向13Cr马氏体不锈钢钢中添加一定的Mn含量和合理的N含量，利用Mn、N的强化作用来提高钢的性能，达到高强度、高硬度和高耐腐蚀性的目的。

与常用的13Cr马氏体不锈钢相比，本发明添加便宜、资源丰富的Mn、N合金化，生产成本增加很少，强度、硬度、耐腐蚀性能得到较大的提高，同时由于淬火后不需要回火就可以直接使用，减少了使用过程的工序、环节，降低了用户使用成本。由于Mn、N的强化，同时减少了使用过程的回火环节，含Mn的低碳13Cr马氏体不锈钢达到了高碳13Cr马氏体不锈钢的强度和硬度水平，而生产难度低于高碳13Cr马氏体不锈钢、耐腐蚀性能优于高碳13Cr马氏体不锈钢。

实施例2：

根据本发明所设计的化学成分范围，在真空感应炉上冶炼了5炉钢，我们将其分别命名为1号炉、2号炉、3号炉、4号炉、5号炉，其具体的化学成分见表2。

5炉钢水均浇注成小钢锭，钢锭带模沙冷，冷却到室温后脱模。脱模对钢锭表面修磨后锻造，最后加热到1200℃热轧成板材。对板材按国标要求进行试样加工。分别对该钢种进行了760℃退火和1000℃淬火，检测强度、硬度、塑性和耐腐蚀性能。耐腐蚀实验，采用盐雾腐蚀方法，腐蚀周期120小时，检测结果如表3所示。

为了对比，本实施例还同时对常用的马氏体不锈钢410S和420J1钢号，进行了对比试验。试验条件均与本发明钢种的试验条件一样，试验结果见表3，对比钢号的化学成分分别列入表2。

表2本发明钢种实施例与对比钢号的化学成分

表3对比钢种不同热处理状态的性能

注：退火温度：730℃；淬火温度：1000℃；回火温度：600℃

比较例1：

表41号炉钢得到的性能

项目

抗拉强度(Mpa)

屈服强度(Mpa)

延伸率(％)

硬度(HV)

腐蚀性能g/m2h

退火态	725	370	25.5	232.0	2.852
						淬火态	1250	650	16	425.0	2.354

注：退火温度：740℃；淬火温度：1000℃

比较例2：

表52号炉钢得到的性能

项目	抗拉强度(Mpa)	屈服强度(Mpa)	延伸率(％)	硬度(HV)	腐蚀性能g/m2h
						退火态	695	370	24.6	192.0	1.927
淬火态	1380	605	18.5	370	1.179

注：退火温度：760℃；淬火温度：1000℃

比较例3：

表63号炉钢得到的性能

项目	抗拉强度(Mpa)	屈服强度(Mpa)	延伸率(％)	硬度(HV)	腐蚀性能g/m2h
						退火态	720	325	24.6	156	1.551
淬火态	1220	580	18.5	360	0.811

注：退火温度：780℃；淬火温度：1000℃

比较例4：

表74号炉钢得到的性能

项目	抗拉强度(Mpa)	屈服强度(Mpa)	延伸率(％)	硬度(HV)	腐蚀性能g/m2h
						退火态	680	380	23.58	170	1.260
淬火态	1320	600	16.5	404	0.976

注：退火温度：760℃；淬火温度：1000℃

比较例5：

表85号炉钢得到的性能

项目	抗拉强度(Mpa)	屈服强度(Mpa)	延伸率(％)	硬度(HV)	腐蚀性能g/m2h
						退火态	710	340	30.6	157	1.849
淬火态	1380	685	16.5	440	1.174

注：退火温度：730℃；淬火温度：1000℃

由比较例1-5可见，通过Mn、N强化后的13Cr马氏体不锈钢在淬火态的机械性能不仅比通常的410S、420J1淬火态的机械性能优良，而且比410S、420J1回火态的性能更好，可以直接在淬火状态使用。实现了低碳钢的强度、硬度达到高碳钢水平的创新目的。

由于高Mn含量的13Cr马氏体不锈钢的碳含量远低于同强度级别的420J1，同时不需要回火处理，没有像420J1那样因为回火恶化性能，因而耐腐蚀性能更优越。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (2)

1.一种高Mn含量的马氏体不锈钢，其特征在于，化学成分的重量百分配比为：C：0.03～0.1％，Si：0.20～0.80％，Mn：1.2～3.0％，Cr：12～14％，N：0.008～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高Mn含量的马氏体不锈钢的制造方法，其特征在于：制造工艺中进行淬火后不再进行回火处理。