CN102912248A - 高韧性耐磨耐蚀马氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高韧性耐磨耐蚀马氏体不锈钢，其特征在于其化学成分按质量百分比计为：碳0.005~0.15，硅0~1.0，锰0.5~2.0，磷0~0.030，硫0~0.010，铬12.5~15.0，镍1.0-4.0，钼0.4~1.0，氮0.005~0.10，铌0.05~0.50，钒0.5-1.2，余量为铁和不可避免的杂质。其制备方法包括以下步骤：1）将构成元素的原料组成物经熔炼浇注制得钢锭或铸件，2）最终热处理，其特征在于：步骤2）处理工艺依次包括淬火处理和回火处理，其中淬火处理为加热到880-1050℃保持10-120min，然后油冷或空冷；回火处理为加热到550℃-700℃保持30-120min，然后油冷或空冷。

Description

高韧性耐磨耐蚀马氏体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高韧性耐磨耐蚀马氏体不锈钢及其制造方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

造纸机械领域里的磨浆机磨片、转子和水力碎浆机叶轮等零件，属于既要求耐磨又要求耐冲击和耐腐蚀的易损件，通常选用马氏体不锈钢制造。目前，马氏体不锈钢典型的牌号有12Cr13,20Cr13,30Cr13,40Cr13等，在淬火回火处理状态下使用。随含碳量的提高，马氏体不锈钢的强度、硬度提高，但韧性和耐蚀性降低。降低含碳量，韧性和耐蚀性虽然可以提高，但由于硬度降低，耐磨性又不足。目前还没有一种马氏体不锈钢能很好地满足造纸机械领域里要求既耐磨，又具有良好韧性和耐蚀性的要求。例如，水力碎浆机的叶轮，尺寸大，目前选用现有马氏体不锈钢制造的水力碎浆机叶轮使用寿命短，一般只有60-90天左右，需频繁更换，不仅降低生产率，而且还使碎浆的效率降低，增加能耗。又如，锥形磨浆机的转子，采用现有的马氏体不锈钢制造，转子的使用寿命也仅有60-90天左右，也需频繁更换，不但增加维修工时，而且使纸浆质量波动，因而直接影响磨浆机的产量和纸浆的质量，还增加造纸成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、工作性能优良的高韧性耐磨耐蚀马氏体不锈钢及其制造方法，其技术方案为：

一种高韧性耐磨耐蚀马氏体不锈钢，其特征在于其化学成分按质量百分比计为：碳0.005~0.15，硅0~1.0，锰0.5~2.0，磷0~0.030，硫0~0.010，铬12.5~15.0，镍1.0-4.0，钼0.4~1.0，氮0.005~0.10，铌0.05~0.50，钒0.5-1.2，余量为铁和不可避免的杂质。

所述的高韧性耐磨耐蚀马氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：1）将构成元素的原料组成物经熔炼浇注制得钢锭或铸件，2）最终热处理，其特征在于：步骤2）处理工艺依次包括淬火处理和回火处理，其中淬火处理为加热到880-1050℃保持10-120min，然后油冷或空冷；回火处理为加热到550℃-700℃保持30-120min，然后油冷或空冷。

上述发明技术方案的原理是：通过降低碳含量来保证本发明钢的高韧性和耐蚀性，添加氮元素和钒、铌元素，配合合理的热加工工艺形成碳氮化物弥散强化相保证高的硬度和耐磨性。

下面对本发明钢各构成元素含量范围的选择理由进一步解释如下：

碳：形成碳化物，提高硬度和耐磨性，但增加脆性，同时还消耗基体中的铬元素，使耐蚀性降低，但过低的含碳量又会使钢的硬度不足。因此，本发明钢中碳的质量百分比控制在0.005~0.15%之间。

氮：与碳、铌、钒元素结合形成MX（M指V、Nb等金属元素，X指C和N）型碳氮化物纳米强化相。氮含量过高，易于形成粗大碳氮化物相，不利于提高强度和硬度，过低又不足以形成足够的碳氮化物强化相。因此，本发明钢中氮的的质量百分数控制在0.005~0.10%。

铬：提高耐蚀性，但同时也是铁素体形成元素，因此过高的铬含量会导致最终热处理加热时形成大量δ-铁素体，不利于强度和硬度的提高。但铬的质量分数低于12.5%，基体的电极电位会显著降低，降低耐蚀性。因此，本发明钢中铬的质量百分数控制在12.5~15.0％之间。

镍：奥氏体形成元素，起抑制δ-铁素体形成的作用。镍的质量百分含量低于1.0%时，不足以抑制最终热处理加热时δ-铁素体的形成，超过4.0%后，其有益作用不再增加，同时因镍的价格昂贵，尽量少用。因此，本发明钢中镍的质量百分数控制在1.0~4.0％之间。

钼：固溶强化元素，提高钢的强度和硬度，从而提高耐磨性，同时还有提高钢的淬透性和防止第二类回火脆性的作用以及提高在非氧化性酸中的耐蚀性。但含量过高，会促进δ-铁素体的形成。因此，本发明钢中钼的质量百分数控制在0.4~1.0％之间。

钒和铌：是MX型碳氮化物强化相形成元素。含量过低，不足以形成足够的MX型碳氮化物强化相，使钢的硬度不足，耐磨性降低，含量过高，又会在熔炼和凝固过程中容易形成粗大碳氮化物相，在最终热处理的加热过程中难以溶入奥氏体，不利于提高强度和硬度。因此，本发明钢中，钒和铌的质量百分比分别控制在0.5~1.2％和0.05~0.50％之间。

锰：奥氏体形成元素，有抑制最终热处理加热时δ-铁素体形成的作用，但对耐蚀性和韧性的作用不如镍。本发明钢中控制锰的质量百分比在0.5~2.0%之间。

硅、磷和硫：作为杂质元素，其质量百分含量分别控制在Si≤1.0%，P:≤0.030%，S:≤0.010%。

淬火处理的目的是为获得全部板条马氏体和少量残余碳化物，提高钢的强度、硬度和耐磨性。如果淬火加热温度过低得不到全部奥氏体，冷却后得不到全部马氏体，淬火加热温度过高，一方面会出现δ-铁素体，另一方面也会浪费能源，增加表面氧化缺陷。回火处理的目的一方面是消除淬火应力和增加钢的韧性，另一方面是通过控制碳氮化物的析出，使其起弥散强化的作用，从而保证钢具有较高的硬度和耐磨性。回火温度低于550℃，不足以使碳氮化物完全析出，高于700℃，又会使钢的硬度降低，影响耐磨性。

本发明与现有技术相比，其优点是：经最终热处理后，本发明钢的组织为板条状回火马氏体基体上分布着颗粒状的高硬度的碳氮化物强化相，既具有良好的韧性和耐蚀性，又具有较高的硬度和耐磨性。本发明钢用于制造水力碎浆机叶轮，锥形磨浆机转子磨片，使用寿命大大提高。

具体实施方式

表1列出了27种成分在本发明规定范围内的马氏体不锈钢的化学成分。实施例1-22的马氏体不锈钢采用中频感应炉熔炼后浇注成型水力碎浆机叶轮毛坯，经700℃保持4h炉冷退火后，机械加工，然后经最终热处理得水力碎浆机叶轮成品。最终热处理工艺见表2。从叶轮本体上取样做力学性能试验，测试其洛氏硬度和夏氏V型缺口试样冲击功，列于表2。制造的叶轮成品安装在水力碎浆机上进行现场试验，使用寿命亦列于表2中。从表2中的数据可以看出，采用本发明马氏体不锈钢制造的水力碎浆机叶轮具有良好硬度和韧性配合，与现有技术相比，现场使用寿命大大延长。

实施例23-27的马氏体不锈钢首先采用中频感应炉熔炼浇注制得到本发明马氏体不锈钢钢锭；钢锭经锻造后热轧成带材，然后进行热处理（具体工艺见表3），得到本发明马氏体不锈钢带材，作为锥形磨浆机的磨片焊接到其锥形母体上得到锥形磨浆机转子，最后将焊好的锥形磨浆机转子放入加热炉中进行去应力退火处理。经热处理后的本发明马氏体不锈钢制造的锥形磨浆机转子磨片的力学性能测试结果亦列于表3。通过以上方法制造的锥形磨浆机转子，磨片和锥形母体牢固地焊接在一起，且具有良好的耐蚀性，磨片合金的显微组织为板条状回火马氏体基体上分布着颗粒状的高硬度的碳氮化物相，既具有良好的韧性和耐蚀性，又具有较高的硬度和耐磨性。制造的锥形磨浆机转子安装在大锥度磨浆机上，现场实际使用寿命见表3。从表3中的数据可以看出，采用本发明马氏体不锈钢制造的锥形磨浆机转子磨片具有良好硬度和韧性配合，与现有技术相比，现场使用寿命大大延长。

表1 本发明马氏体不锈钢的化学成分（wt.%）

表2 采用本发明马氏体不锈钢制造的水力碎浆机叶轮的性能

表3 采用本发明马氏体不锈钢制造的锥形磨浆机转子磨片的性能

Claims (2)

1.一种高韧性耐磨耐蚀马氏体不锈钢，其特征在于其化学成分按质量百分比计为：碳0.005~0.15，硅0~1.0，锰0.5~2.0，磷0~0.030，硫0~0.010，铬12.5~15.0，镍1.0-4.0，钼0.4~1.0，氮0.005~0.10，铌0.05~0.50，钒0.5-1.2，余量为铁和不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述的高韧性耐磨耐蚀马氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：1）将构成元素的原料组成物经熔炼浇注制得钢锭或铸件，2）最终热处理，其特征在于：步骤2）处理工艺依次包括淬火处理和回火处理，其中淬火处理为加热到880-1050℃保持10-120min，然后油冷或空冷；回火处理为加热到550℃-700℃保持30-120min，然后油冷或空冷。