背景技术
与其他类型的不锈钢相比,马氏体不锈钢具有硬度高、耐磨损能力强和成本低等优点,因此被广泛应用于模具、刀剪、手术及医疗器械等行业。这些行业都要求钢材具有足够的硬度及耐磨性,对耐蚀性的要求也越来越高,同时成本问题也越来越突出。从成分设计的角度,传统的马氏体不锈钢(如2Cr13、3Cr13、4Cr13系列)主要通过控制钢中碳元素含量来控制钢热处理后的硬度,当要求高硬度时,一般在钢中加入的碳较多,但同时钢的耐蚀性也相对比较差;当碳含量较少时耐蚀性相对较好,但硬度又达不到要求。为此,人们的通常做法是提高Cr含量或添加Mo来补偿高碳带来的耐蚀性损失,但同时带来了明显的成本附加。
马氏体不锈钢要求钢经过退火后的强度、硬度较低,延伸率较好,以易于冷轧、剪切等加工。然而随着碳含量的增加,钢退火后的冷加工变得困难,且易于出现因碳化物条带组织而诱发的加工分层缺陷。为了在热处理后同时具有高的硬度和良好的耐蚀性,并改善马氏体不锈钢的加工性,人们针对马氏体不锈钢做了不少研究工作。
EP1739199A公开了一种用于手术刀、剃须刀等刀片用马氏体不锈钢,是通过在钢中加入高碳(0.40-0.55%)来提高材料的硬度,并加入一定含量的钼(1.0-1.5%)来提高耐蚀性;但其缺点是由于碳含量过高(≥0.4%),即便加入了Mo,其耐蚀性仍然不高。JP2009-203528A、FR2920784A和JP2007-277639A给出了用于纺织行业和模具行业的几种马氏体不锈钢,均是在高碳含量的同时加入较高含量的氮来保证硬度。其中JP2009-203528A通过高铬当量(15-16.6%)来保证耐蚀性,但由于碳含量较高,耐蚀性仍处于接近2Cr13的水平;FR2920784A的C、N含量较高,而Cr含量较低(10-12.4%),通过加Mo来保证弥补耐蚀性的损失,但耐蚀性亦只能达到接近2Cr13的水平;JP 2007-277639A的所涵盖的合金成分体系很宽,但其(C+N)的含量要求在0.4%-0.7%之间,这也就限定了其发明目的主要针对高硬度的马氏体不锈钢,同时为了保证耐蚀性满足要求必须合理选择C、N、Cr、Mo等元素的含量,通常要获得满意的耐蚀性这些成分体系的成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐蚀性优异,同时硬度高、成本效益好的马氏体不锈钢的成分和工艺控制范围,同时退火热处理后具有良好加工性能,以满足模具、手术及医疗器械、刀剪等行业的实际需求。
为实现上述目的,本发明的一种耐蚀性优异,同时硬度高、成本效益好的马氏体不锈钢,具有以下组成(重量%):C:0.13-0.23%,Si≤1.0%,Mn≤1.0%,P≤0.030%,S≤0.010%,Cr:12.0-14.0%,N:0.070-0.120%,Ni<1.0%,Mo:0.9-1.5%,余量为Fe和可避免的杂质。其中C和N的含量满足0.20%≤C+N≤0.33%。
优选地,Si≤0.32%,Mn≤0.85%,S≤0.008%,P≤0.025%,Ni≤0.96%,Mo:0.9-1.26%。
本发明的上述成分马氏体不锈钢具有高于53HRC的硬度值。
本发明的另一个目的是提供上述马氏体不锈钢的制造方法。该方法包括:铸造,轧制及热处理;
铸造的钢坯或连铸坯在1100-1250℃温度范围内加热,进行轧制并在900℃以上完成终轧,然后在800-900℃温度范围内进行退火,退火时间4-8小时。正火处理的温度范围在1000-1200℃之间,正火时间为2-5小时。
优选地,经过硅铝脱氧后采用上浇铸法进行浇铸得到钢坯,浇铸温度在1560-1600℃,过热度35-45℃。
优选地,在连铸中,采用结晶器电磁搅拌,浇铸温度在1540-1630℃,过热度25-50℃,拉速为0.9-1.60m/min。
优选地,在轧制中,加热温度为1150-1230℃,保温时间(分钟)为(1-1.5)×板坯厚度,板坯厚度单位为毫米;终轧温度为950-1000℃。
主要化学元素的作用
C:碳是提高材料正火热处理后硬度的主要元素,但碳与铬反应形成化合物,碳含量越高形成铬的碳化物的量越多,铬的碳化物的形成会在钢中形成贫铬区,使钢的耐蚀性下降。碳的含量控制在0.13-0.23%。
N:氮是一种间隙原子具有固溶强化作用,可以提高钢正火后的硬度及耐蚀性,但是过量的氮会引起铸坯中因氮气析出而产生的气孔,过少的氮对硬度和耐蚀性的贡献微乎其微,故氮含量控制在0.070-0.120%。
C+N:马氏体不锈钢钢的硬度取决于C+N的水平,总含量越高硬度越大,但同时耐蚀性受到的影响也会加大,因此为了保证耐蚀性和硬度的综合性能,将C+N的含量控制在0.20-0.33%。
Si:硅主要作为脱氧剂加入到钢中的,同时硅也是一种合金元素,起着固溶强化作用,同时在提高抗高温氧化性能方面硅也有明显的作用。但是,钢中硅含量高时延展性变差,因此从提高马氏体不锈钢的可加工性考虑,其含量小于1.0%,优选为≤0.32%。
Mn:锰的加入可以增大氮的固溶比,但含量过高会恶化钢材的耐蚀性以及表面质量,而且会影响钢材退火后的加工性,因此锰的含量控制在小于1.0%,优选≤0.85%。
P:磷是有害元素,因此根据生产控制水平尽量地降低,优选为≤0.025%。
S:硫也是一种有害元素,不仅硫化物会产生热脆而且会降低耐蚀性,通常硫的含量控制在低于0.010%以避免硫的有害作用,优选为≤0.008%。
Cr:为了保证不锈钢的耐蚀性,铬含量控制在12.0-14.0%,铬含量过高时,δ铁素体的含量增多,不利于性能;而且生产成本也会提高。
Ni:镍是奥氏体形成元素,可以起到平衡体系的作用;与铬作用可以对提高耐蚀性有帮助;但含量不宜高,否则成本增加,残余奥氏体的含量也会增加,因此镍含量控制在1%以下,优选为0.86%以下,更优选0.30-0.86%。
Mo:钼元素提高钢的淬透性,对耐蚀性的贡献非常显著,但含量不能过高,否则会增大钢的脆性以及δ铁素体的含量,对钢的组织性能不利,同时成本增加很大,因此钼含量控制在0.9-1.5%,优选0.9-1.3%。
本发明的工艺过程的影响
钢坯或连铸坯在1100-1250℃温度范围内加热,使奥氏体组织均匀化,保证钢坯或连铸坯有足够的可延展性,另一方面使碳、氮化合物充分溶解,使成分均匀化。在900℃以上,优选950-1000℃,完成热轧终轧,较高的终轧温度会部分消除加工硬化。然后在800-900℃的温度范围内退火,退火时间为4-8小时使得热轧后的组织基本上完成再结晶,完全消除加工硬化;使得碳、氮化合物充分析出,最大程度软化材料,有利于材料的加工。通过以上方法生产的钢在1000-1200℃温度范围内正火,较高的正火温度一方面可以保证材料奥氏体化充分,正火时间为2-5小时,另一方面使使碳、氮化合物充分溶解,在此温度范围内正火的材料具有优良的耐蚀性和较高的硬度。
采用上述成分设计和工艺控制方法生产的钢板具有良好的加工性,正火处理后具有优良的耐腐蚀性和高硬度,能够满足模具、医疗器械、五金刀具等行业要求,具有成本低、工艺易于控制等特点。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行较为详细的说明,但这些是示例性的,对本发明不构成任何限制。
实施例1-5及对比例1-3的化学成分如表1所示。
表1实施例和对比例的化学成分(wt.%)
|
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Mo |
N |
实施例1 |
0.14 |
0.30 |
0.69 |
0.008 |
0.024 |
13.60 |
0.86 |
1.09 |
0.093 |
实施例2 |
0.20 |
0.30 |
0.69 |
0.007 |
0.024 |
14.00 |
0.83 |
0.90 |
0.072 |
实施例3 |
0.22 |
0.30 |
0.62 |
0.007 |
0.025 |
12.56 |
0.40 |
1.26 |
0.098 |
实施例4 |
0.15 |
0.32 |
0.85 |
0.008 |
0.022 |
13.52 |
0.30 |
0.98 |
0.115 |
实施例5 |
0.23 |
0.31 |
0.65 |
0.005 |
0.023 |
13.60 |
0.37 |
1.06 |
0.078 |
对比例1 |
0.20 |
0.48 |
0.70 |
0.003 |
0.019 |
13.46 |
0.18 |
0.08 |
0.027 |
对比例2 |
0.22 |
0.53 |
0.65 |
0.005 |
0.034 |
13.44 |
0.31 |
1.03 |
0.018 |
对比例3 |
0.32 |
0.30 |
0.62 |
0.008 |
0.032 |
13.70 |
0.21 |
0.85 |
0.024 |
实施例1-5及对比例1-3的工艺如表2所示。
表2实施例和对比例的工艺和性能
|
加热温度 |
终轧温度 |
退火工艺 |
HV |
A50/% |
实施例1 |
1150℃ |
930℃ |
820℃×6小时 |
168 |
30 |
实施例2 |
1250℃ |
970℃ |
860℃×6小时 |
172 |
29 |
实施例3 |
1200℃ |
950℃ |
900℃×6小时 |
184 |
26 |
实施例4 |
1150℃ |
940℃ |
860℃×6小时 |
174 |
28 |
实施例5 |
1100℃ |
900℃ |
800℃×6小时 |
183 |
25 |
对比例1 |
1250℃ |
980℃ |
860℃×6小时 |
160 |
34 |
对比例2 |
1250℃ |
980℃ |
860℃×6小时 |
178 |
28 |
对比例3 |
1200℃ |
980℃ |
860℃×6小时 |
185 |
24 |
试验例1:正火后的洛氏硬度
正火后的洛氏硬度如表3所示。
表3实施例和对比例钢正火后的洛氏硬度
注:正火时间均为4小时。
试验例2:点蚀电位
测量试样(表面经1200#砂纸打磨)在35℃条件下浓度为3.5%的NaCl溶液中的点蚀电位,其结果如表4所示。
表4实施例和对比例的点蚀电位
以上试验中,对比例1、对比例2和对比例3分别是典型的2Cr13、2Cr13Mo和3Cr13Mo钢。由表2可见,采用上述的成分和工艺参数得到的实施例,其退火态的维氏硬度(HV)均在185以下,延伸率都不小于25%,具有良好的加工性能。由表3可知,本发明的实施例正火后的洛氏硬度达到53HRC以上,即使碳含量较低时(0.14%),其硬度值仍高于2Cr13和2Cr13Mo。由表4可见,实施例的点蚀电位远高于2Cr13、2Cr13Mo和3Cr13Mo,也即发明钢的耐点蚀性能远优于2Cr13、2Cr13Mo和3Cr13Mo。综合而言,本发明钢的耐蚀性和硬度综合性能优良,尤其是耐蚀性突出,而且具有生产效益高、工艺易于控制等特点。
本发明钢具有良好的加工性能,经过正火处理后具有优良耐蚀性和高硬度,并具有生产成本低、工艺易于控制等特点,因此适于推广应用并具有很好的前景。