CN113862573B - 一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢及其制备方法，所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢通过特定组成C、Ni、Cu、Cr、Mn、Co以及Ni的添加，使所得纳米晶不锈钢不仅具有良好的屈服强度、抗拉强度以及伸长率，还能够具有优良的疲劳性能。本发明通过热轧处理、冷轧处理以及两次塑性变形处理的结合，使试样的表面形成梯度的纳米晶分布，通过将表面处理与冷轧处理进行结合，提高了所得纳米晶不锈钢的力学性能与疲劳性能，使其用于纸浆磨盘时能够提高纸浆磨盘的使用寿命。

Description

一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明属于造纸技术领域，涉及一种纸浆磨盘，尤其涉及一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢及其制备方法。
背景技术
造纸机械中的磨浆机是造纸过程中的重要机械，磨浆机中纸浆磨盘的寿命高低决定着整个造纸生产线的运行状态、生产效率、企业利润以及产品质量，因此需要纸浆磨盘具有耐磨性、耐酸碱腐蚀性以及高韧性等性能。
纸浆磨盘是造纸机器中易损件，其使用寿命直接影响着纸浆质量和生产效率。纸浆磨盘的失效是由摩擦磨损、齿纹断裂、汽蚀、腐蚀及边缘磨损等几种失效模式复合作用引起的。摩擦磨损作为软磨料，主要由塑变疲劳引起，其过程首先是在基体与碳化物周围形成空洞，随着空洞的不断扩展，形成裂纹，裂纹不断扩展，相互连接，最终导致基体的剥落和碳化物的脱落。腐蚀不仅在纸浆的弱酸环境中的腐蚀，工作环境下的电位变化造成的电化学腐蚀也是产品失效的主要原因之一。
目前的制浆磨盘多采用不锈钢或高铬铸铁材质制备，传统的不锈钢耐腐蚀性能好，但抗磨性低；高铬铸铁具有良好的抗磨性，但耐腐蚀性差。上述两种材质的纸浆磨盘的使用寿命较低，造成停机次数较多与生产成本高的问题，同时也造成了Ni、Cr等重金属的浪费。
CN 105819835A公开了一种纳米陶瓷纸浆磨片及其生产方法，其原料组分包括纳米铝刚玉和纳米锆刚玉，解决了磨片韧性差、不耐腐蚀的缺点，提高了纸浆磨片的使用寿命，其生产方法为：(1)原料配制；(2)压力成型；(3) 等静压压实；(4)坯料机加工；(5)高温烧结；(6)磨削加工。所述纳米陶瓷纸浆磨片通过氧化锆、氧化钇以及氧化铈的协同使用，使氧化锆获得了细晶结构的高强度、高硬度和高韧性，从而提高了其耐磨性。但其利用的为陶瓷材料本身固有的性质，且材料成本较高。
CN 101168845A公开了一种新型耐磨材料及其在造纸浆料机中的应用。所述新型耐磨材料包括一种具有高耐磨性的熔覆涂层材料，其在NiX熔覆用自熔合金(60wt％)与碳化钨粉末(40wt％)组成的混合粉末基础上另加如Nb、Co和V 粉末，通过该具有耐磨性的熔覆涂层材料熔覆于普通材料的表面，使所得合金能够用于磨浆机。但该方案需要借助额外的涂层材料，增加了加工工序，无法提高基体材料的强度、硬度以及韧性，也就无法提高其耐磨性能。
奥氏体不锈钢具有面心立方晶体结构，在使用状态下具有稳定的奥氏体组织。由于奥氏体不锈钢由于含有较高的铬和镍，可以形成致密的氧化膜，同时热强度较高，具有无磁性，所以奥氏体不锈钢比其它不锈钢具有更为优良的耐腐蚀性能、塑性、高温性能、成型性、焊接性能，成为产量、用量最大，型号最多的一种不锈钢。但奥氏体不锈钢较低的屈服强度和较差的耐磨性能使其难以满足更为纸浆磨盘的要求。
对此，需要提供一种兼具良好力学性能，并能够具有良好疲劳性能的纳米晶不锈钢，使其能够满足纸浆磨盘材料领域的要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢及其制备方法，尤其涉及一种具有高疲劳周次的用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢及其制备方法，所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备原料成本较低，所得纳米晶不锈钢不仅具有优良的抗拉强度、抗压强度以及抗腐蚀性能，又具有优良的疲劳性能，能够满足纸浆磨盘的耐磨要求。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢，以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢包括：C为0.05-0.12wt％，Ni为2.0-3.0wt％，Cu为 1.0-1.2wt％，Cr为13.0-14.0wt％，Mn为3.0-5.0wt％，Co为1.0-3.0wt％，N为 0.15-0.2wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
不锈钢中的碳元素能够保证所得不锈钢的屈服点和抗拉强度，但过多的碳会造成不锈钢的塑性和冲击性降低。不锈钢中的Ni能够提高不锈钢的强度，且能够保持良好的塑性和韧性，但Ni的价格昂贵，单独添加Ni对不锈钢力学性能的提升也有限。Cu的添加能够提高不锈钢的强度和韧性，但Cu添加量过多会使塑性降低，因此，需要将Cu与其它元素进行协同使用。同样的，Cr的添加能够提高不锈钢的抗氧化性能与耐腐蚀性能，但单独添加过多的Cr在提高强度与耐磨性的同时，还会降低不锈钢的塑性和韧性，因此需要严格控制各元素的添加比例。Mn是炼钢过程中良好的脱氧剂与脱硫剂，能够提高不锈钢的强度与硬度，但会降低不锈钢的抗腐蚀能力；Co能够提高不锈钢的强度和硬度，但会引起塑性和韧性的下降；N的添加能够稳定奥氏体，能够提高不锈钢强度以及其抗蠕变、疲劳以及磨损性能，还能够抑制Co的过钝化溶解，但过多的N 会降低不锈钢的可塑性和韧性。本发明通过Ni、Mn、Co与N的协同添加，既能够保证所得不锈钢的强度，又能够保证所得不锈钢具有良好的疲劳性能。
以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢中的C为0.05-0.12wt％，例如可以是0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.1wt％、0.11wt％或 0.12wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为0.08-0.1wt％。
以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢中的Ni为2-3wt％，例如可以是 2.1wt％、2.2wt％、2.3wt％、2.4wt％、2.5wt％、2.6wt％、2.7wt％、2.8wt％、2.9wt％或3wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为2.4-2.7wt％。
以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢中的Cu为1-1.2wt％，例如可以是 1wt％、1.05wt％、1.1wt％、1.15wt％或1.2wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为1-1.1wt％。
以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢中的Cr为13-14wt％，例如可以是 13.1wt％、13.2wt％、13.3wt％、13.4wt％、13.5wt％、13.6wt％、13.7wt％、 13.8wt％、13.9wt％或14wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为13.4-13.8wt％。
以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢中的Mn为3-5wt％，例如可以是3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％或5wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为3.5-4.5wt％。
以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢中的Co为1-3wt％，例如可以是 1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％或3wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为1.5-2.5wt％。
以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢中的N为0.15-0.2wt％，例如可以是0.15wt％、0.16wt％、0.17wt％、0.18wt％、0.19wt％或0.2wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为0.16-0.18wt％。
优选地，所述C与N的总质量百分数为0.25-0.27wt％，例如可以是0.25wt％、0.26wt％或0.27wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢中还包括0.4-0.5wt％的Si，例如可以是0.4wt％、0.41wt％、0.42wt％、0.43wt％、0.44wt％、0.45wt％、 0.46wt％、0.47wt％、0.48wt％、0.49wt％或0.5wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
硅的添加一般会使所得不锈钢变脆，本发明通过使硅为0.4-0.5wt％，并与其它元素协同配合，在保证所得不锈钢疲劳性能的前提下，能够适当提高所得不锈钢的抗拉强度与屈服强度。
优选地，所述纳米晶不锈钢中，P≤50ppm，S≤50ppm，且O小于等于30ppm。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方量制备得到坯料；
(2)热轧步骤(1)所得坯料，保温处理，得到热轧料；
(3)步骤(2)所得热轧料进行冷轧处理，冷轧处理的总变形量为 80-90％，每道次变形量为10-15％，得到冷轧料；
(4)步骤(3)所得冷轧料进行第一塑性变形处理，完成后进行第二塑性变形处理，并在第二塑性变形处理过程中持续升温；
(5)步骤(4)所得材料进行退火处理，完成所述纳米晶不锈钢的制备。 本发明通过对冷轧后的奥氏体钢进行连续两次的塑性变形处理，且第二次塑性变形处理在持续的温度变化中进行，得到了表层具有马氏体相的纳米晶梯度结构，提高了所得纳米晶不锈钢的力学性能与疲劳性能。
本发明所述制备方法得到的用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢，其在表面具有细小的回火马氏体组织，在马氏体组织内均匀的分布着亚微米和纳米级别的碳化物颗粒，碳化物颗粒度均匀，并且在马氏体内分布广泛。将所得纳米晶不锈钢用于纸浆磨盘时，这种亚微米或纳米级的碳化物保护了基体，提高马氏体基体的稳定性，提高了磨盘的整体耐磨性，从而延长了服役寿命。
本发明步骤(1)所述制备得到坯料的步骤包括：采用真空感应炉熔炼，获得原料锭，然后经过开坯锻造与精锻加工，得到坯料。
本发明所述坯料的厚度为40-54mm，例如可以是40mm、42mm、45mm、 48mm、50mm或54mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明步骤(2)所述热轧的开轧温度为1200-1250℃，例如可以是1200℃、 1210℃、1220℃、1230℃、1240℃或1250℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；终轧温度为1050-1100℃，例如可以是 1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃或1100℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明步骤(2)所述热轧的总变形量为80-90％，例如可以是80％、81％、 82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％或90％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；所述热轧的单道次变形量为 10-20％，例如可以是10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、 19％或20％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明步骤(2)所述热轧的变形量逐渐升高。
本发明步骤(2)所述保温处理的温度为600-800℃，例如可以是600℃、 650℃、700℃、750℃或800℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；时间为2-3h，例如可以是2h、2.1h、2.2h、2.3h、2.4h、 2.5h、2.6h、2.7h、2.8h、2.9h或3h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明步骤(4)所述第一塑性变形处理的方法包括喷丸处理。
本发明所述第一塑性变形处理为：使用直径1-1.2mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为60-70mm，喷射角度为60-90°，喷丸速度为60-70m/s，喷丸时间4-6min。
本发明所述第一塑性变形处理所用不锈钢球的直径为1-1.2mm，例如可以是1mm、1.05mm、1.1mm、1.15mm或1.2mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述第一塑性变形处理中喷嘴到试样表面的距离为60-70mm，例如可以是60mm、61mm、62mm、63mm、64mm、65mm、66mm、67mm、 68mm、69mm或70mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述第一塑性变形处理中喷射角度为60-90°，例如可以是60°、65°、 70°、75°、80°、85°或90°，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述第一塑性变形处理中喷丸速度为60-70m/s，例如可以是60m/s、 61m/s、62m/s、63m/s、64m/s、65m/s、66m/s、67m/s、68m/s、69m/s或70m/s，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述第一塑性变形处理中喷丸时间为4-6min，例如可以是4min、 4.5min、5min、5.5min或6min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明步骤(4)所述第二塑性变形处理的方法包括喷丸处理。
本发明所述第二塑性变形处理为：使用直径0.6-0.8mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为50-56mm，喷射角度为60-90°，喷丸速度为40-50m/s，喷丸时间为1-2min；
本发明所述第二塑性变形处理所用不锈钢球的直径为0.6-0.8mm，例如可以是0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm或0.8mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述第二塑性变形处理中喷嘴到试样表面的距离为50-56mm，例如可以是50mm、51mm、52mm、53mm、54mm、55mm或56mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述第二塑性变形处理中喷射角度为60-90°，例如可以是60°、65°、 70°、75°、80°、85°或90°，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述第二塑性变形处理中喷丸速度为40-50m/s，例如可以是40m/s、 41m/s、42m/s、43m/s、44m/s、45m/s、44m/s、47m/s、48m/s、49m/s或50m/s，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述第二塑性变形处理中喷丸时间为1-2min，例如可以是1min、 1.2min、1.5min、1.8min或2min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明步骤(4)所述持续升温为：在所述第二塑性变形处理过程中温度由由60℃持续升高至300℃。
本发明所述第二塑性变形处理过程中温度处于220-300℃的时间为10-20s，例如可以是10s、12s、14s、16s、18s或20s，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为持续升温的优选技术方案，所述持续升温为由60℃匀速升温至220℃，然后由220℃匀速升温至300℃。
传统的喷丸处理一定程度上能够在奥氏体钢表面获得表面梯度纳米结构，但对于稳定性较好的奥氏体钢而言，喷丸处理时冲击能量不足，其所产生的应力应变较难驱动马氏体相变的发生，难以得到钢材表层具有马氏体相的梯度纳米结构表层。
本发明通过在冷轧处理之后进行两次塑性变形处理，采用两次塑性变形处理工艺强化马氏体转变，且在第二塑性变形处理过程中控制温度由60℃持续升高至300℃，能够将钢材表面绝大部分的奥氏体相转化为马氏体，并且进一步强化纳米晶分布深度，大幅提高了表层纳米晶组织和亚微米晶组织的厚度，纳米晶梯度结构深度可达430-750μm，其中表层纳米层的厚度可达50-120μm，且表层晶粒细化程度提高，晶粒度可达7-40nm。
第一塑性变形处理的主要作用在于在材料表面形成基础的纳米晶梯度结构，但此时由于喷丸强度的问题，在材料表面发生马氏体转变的量较少(低于30％)，且纳米晶梯度结构的深度也不足，大概为200-450μm。因此，在第一塑性变形处理结束后，进行了第二次塑性变形处理，在此过程中，使温度变化与喷丸进行配合，能够强化奥氏体向马氏体的转化过程，同时继续强化梯度纳米结构的形成。
由于第二塑性变形处理过程需要进一步强化纳米晶分布深度，因此需要较为充足的时间(1-2min)，否则强化效果不佳。而持续升温分为两个阶段，在第二塑性变形处理前期，持续匀速升温，升温范围为60-220℃，此时温度较低，马氏体转变难以发生，主要是利用温度和喷丸配合对纳米晶分布结构和深度进行强化。在喷丸处理后期，持续匀速升温，升温范围为220-300℃，在此温度下进行喷丸处理能够有效将奥氏体转化为马氏体，但较高的温度下进行喷丸处理会加巨马氏体转变过程的体积变化，在纳米晶梯度结构上形成裂纹并扩展，因此此阶段持续的时间不能太长，一般不超过20s，在10-20s为宜。此时间下不仅能够使表层的奥氏体绝大部分转化为马氏体，还能有效避免对纳米晶梯度结构的破坏。
此外，第二次塑性变形处理中必须保持喷丸过程的连续性，否则会极大影响喷丸的效果，且降低工作效率。采用持续升温的条件进行处理，可以保证在前一阶段(60-220℃)结束后，立即进入马氏体转变期(220-300℃)，不需要中间出现间隔，这样整个过程连续可控，保障了整个处理过程的稳定性。
本发明步骤(5)所述退火处理的升温速率为10-20℃/s，升温的终点温度为 700-800℃，保温时间为20-30min。
本发明步骤(5)所述退火处理的升温速率为10-20℃/s，例如可以是 10℃/s、11℃/s、12℃/s、13℃/s、14℃/s、15℃/s、16℃/s、17℃/s、18℃/s、19℃/s 或20℃/s，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明步骤(5)所述退火处理的升温终点温度为700-800℃，例如可以是 700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃或 800℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明步骤(5)所述退火处理的保温时间为20-30min，例如可以是 20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min 或30min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明步骤(5)所述退火处理后依次进行第一降温与第二降温。
本发明所述第一降温的速率为50-80℃/s，例如可以是50℃/s、55℃/s、 60℃/s、65℃/s、70℃/s、75℃/s或80℃/s，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；所述第一降温的终点温度为320-360℃，例如可以是320℃、330℃、340℃、350℃或360℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述第二降温为自然冷却至室温。
本发明通过步骤(5)所述退火处理，使不锈钢中残余奥氏体在发生再结晶而转变为微米晶组织，而后通过后续的降温速率控制，使所得纳米晶不锈钢的力学性能以及疲劳性能得到进一步提高。
作为本发明第二方面所述制备方法的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方量制备得到坯料：采用真空感应炉熔炼，获得原料锭，然后经过开坯锻造与精锻加工，得到厚度为40-54mm坯料；
(2)热轧步骤(1)所得坯料，600-800℃保温处理2-3h，得到热轧料；所述热轧的开轧温度为1200-1250℃，终轧温度为1050-1100℃；所述热轧的总变形量为80-90％，所述热轧的单道次变形量为10-20％；
(3)步骤(2)所得热轧料进行冷轧处理，冷轧处理的总变形量为 80-90％，每道次变形量为10-15％，得到冷轧料；
(4)对步骤(3)得到的冷轧料进行第一塑性变形处理：使用直径1-1.2mm 的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为60-70mm，喷射角度为60-90°，喷丸速度为60-70m/s，喷丸时间4-6min；完成后进行第二塑性变形处理：使用直径0.6-0.8mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为50-56mm，喷射角度为60-90°，喷丸速度为40-50m/s，喷丸时间为1-2min；第二塑性变形处理过程中温度由60℃匀速升高至220℃，然后在10-20s的时间内由220℃匀速升高至300℃；
(5)步骤(4)所得材料进行退火处理，退火处理后依次进行第一降温与第二降温，完成所述纳米晶不锈钢的制备；所述退火处理的升温速率为10-20℃/s，升温的终点温度为700-800℃，保温时间为20-30min；所述第一降温的速率为 50-80℃/s，所述第一降温的终点温度为320-360℃；所述第二降温为自然冷却至室温。
此外，本发明提供的纳米晶不锈钢不仅适用于纸浆磨盘，还能够适用于对力学性能、耐磨性能以及疲劳性能要求较高的运输领域或航空航天领域。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明同构特定组成C、Ni、Cu、Cr、Mn、Co以及Ni的添加，使所得纳米晶不锈钢不仅具有良好的屈服强度、抗拉强度以及总延伸率，还能够具有优良的疲劳性能；
(2)本发明通过对热轧处理、冷轧处理后的材料进行连续两次的塑性变形处理，得到了表层具有马氏体相的纳米晶梯度结构，提高了所得纳米晶不锈钢的力学性能与疲劳性能；
(3)本发明通过特定程序的退火处理，使不锈钢中残余奥氏体发生再结晶而转变为微米晶组织，而后通过后续的降温速率控制，使所得纳米晶不锈钢的力学性能以及疲劳性能得到进一步提高；
(4)本发明所述制备方法得到的用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢，其在表面具有细小的回火马氏体组织，在马氏体组织内均匀的分布着亚微米和纳米级别的碳化物颗粒，碳化物颗粒度均匀，并且在马氏体的内分布广泛。将所得纳米晶不锈钢用于纸浆磨盘时，这种亚微米或纳米级的碳化物保护了基体，提高马氏体基体的稳定性，提高了磨盘的整体耐磨性，从而延长了服役寿命。
附图说明
图1为实施例1所得纳米晶不锈钢表层的显微组织图；
图2为图1所述显微组织图的局部放大图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方量制备得到坯料：采用真空感应炉熔炼，获得原料锭，然后经过开坯锻造与精锻加工，得到厚度为45mm坯料；
(2)热轧步骤(1)所得坯料，700℃保温处理2.5h，得到热轧料；所述热轧的开轧温度为1220℃，终轧温度为1080℃；所述热轧的总变形量为85％，所述热轧的单道次变形量为19％；
(3)对步骤(2)所得热轧料进行冷轧处理，冷轧处理的总变形量为90％，每道次变形量为15％，得到冷轧料；
(4)对步骤(3)所得冷轧料进行第一塑性变形处理：使用直径1.1mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为65mm，喷射角度为80°，喷丸速度为65m/s，喷丸时间5min；完成后进行第二塑性变形处理：使用直径0.7mm 的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为52mm，喷射角度为80°，喷丸速度为45m/s，喷丸时间为90s；第二塑性变形处理过程中温度由60℃匀速升高至220℃(耗时75s)，然后由220℃匀速升高至300℃(耗时15s)；
(5)步骤(4)所得冷轧料进行退火处理，退火处理后依次进行第一降温与第二降温，完成所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备；所述退火处理的升温速率为15℃/s，升温的终点温度为750℃，保温时间为25min；所述第一降温的速率为60℃/s，所述第一降温的终点温度为350℃；所述第二降温为自然冷却至室温。
以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢包括：C为0.09wt％，Ni为2.5wt％， Cu为1.1wt％，Cr为13.5wt％，Mn为4wt％，Co为2wt％，N为0.17wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质；具体的P≤50ppm，S≤50ppm，且O小于等于 30ppm。
本实施例所得用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的表层显微组织图如图1与图 2所示，由其可知，本实施例所得用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢，其在表面具有细小的回火马氏体组织，在马氏体组织内均匀的分布着亚微米和纳米级别的碳化物颗粒，碳化物颗粒度均匀，并且在马氏体的内分布广泛。将所得纳米晶不锈钢用于纸浆磨盘时，这种亚微米或纳米级的碳化物保护了基体，提高马氏体基体的稳定性，提高了磨盘的整体耐磨性，从而延长了服役寿命。
实施例2
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，所述制备方法的工艺步骤与实施例1相同。
以质量百分数计，本实施例所述纳米晶不锈钢包括：C为0.08wt％，Ni为 2.4wt％，Cu为1.1wt％，Cr为13.8wt％，Mn为3.5wt％，Co为2.5wt％，N为 0.18wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质；具体的P≤50ppm，S≤50ppm，且 O小于等于30ppm。
实施例3
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，所述制备方法的工艺步骤与实施例1相同。
以质量百分数计，本实施例所述纳米晶不锈钢包括：C为0.1wt％，Ni为 2.7wt％，Cu为1.1wt％，Cr为13.4wt％，Mn为4.5wt％，Co为1.5wt％，N为 0.16wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质；具体的P≤50ppm，S≤50ppm，且O 小于等于30ppm。
实施例4
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，所述制备方法的工艺步骤与实施例1相同。
以质量百分数计，本实施例所述纳米晶不锈钢包括：C为0.05wt％，Ni为 2wt％，Cu为1wt％，Cr为14wt％，Mn为5wt％，Co为1wt％，N为0.2wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质；具体的P≤50ppm，S≤50ppm，且O小于等于 30ppm。
实施例5
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，所述制备方法的工艺步骤与实施例1相同。
以质量百分数计，本实施例所述纳米晶不锈钢包括：C为0.12wt％，Ni为3wt％，Cu为1.2wt％，Cr为13wt％，Mn为3wt％，Co为3wt％，N为 0.15wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质；具体的P≤50ppm，S≤50ppm，且 O小于等于30ppm。
实施例6
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，以质量百分数计，除所述纳米晶不锈钢中C为0.08wt％且N为0.16wt％外，其余均与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，以质量百分数计，除所述纳米晶不锈钢中C为0.1wt％且N为0.18wt％外，其余均与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，以质量百分数计，除所述纳米晶不锈钢中还包括0.4wt％的Si外，其余均与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，以质量百分数计，除所述纳米晶不锈钢中还包括0.45wt％的Si外，其余均与实施例1相同。
实施例10
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，以质量百分数计，除所述纳米晶不锈钢中还包括0.5wt％的Si外，其余均与实施例1相同。
实施例11
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方量制备得到坯料：采用真空感应炉熔炼，获得原料锭，然后经过开坯锻造与精锻加工，得到厚度为40mm坯料；
(2)热轧步骤(1)所得坯料，600℃保温处理3h，得到热轧料；所述热轧的开轧温度为1200℃，终轧温度为1050℃；所述热轧的总变形量为80％，所述热轧的单道次变形量为20％；
(3)对步骤(2)所得热轧料进行冷轧处理，冷轧处理的总变形量为80％，每道次变形量为10％，得到冷轧料；
(4)对步骤(3)所得冷轧料进行第一塑性变形处理：使用直径1mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为60mm，喷射角度为60°，喷丸速度为60m/s，喷丸时间6min；完成后进行第二塑性变形处理：使用直径0.6mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为50mm，喷射角度为60°，喷丸速度为40m/s，喷丸时间为120s；第二塑性变形处理过程中温度由60℃匀速升高至220℃(耗时100s)，然后由220℃匀速升高至300℃(耗时20s)；
(5)步骤(4)所得冷轧料进行退火处理，退火处理后依次进行第一降温与第二降温，完成所述纳米晶不锈钢的制备；所述退火处理的升温速率为10℃/s，升温的终点温度为700℃，保温时间为30min；所述第一降温的速率为50℃/s，所述第一降温的终点温度为360℃；所述第二降温为自然冷却至室温。
所述纳米晶不锈钢的组成与实施例1相同。
实施例12
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方量制备得到坯料：采用真空感应炉熔炼，获得原料锭，然后经过开坯锻造与精锻加工，得到厚度为54mm坯料；
(2)热轧步骤(1)所得坯料，800℃保温处理2h，得到热轧料；所述热轧的开轧温度为1250℃，终轧温度为1100℃；所述热轧的总变形量为90％，所述热轧的单道次变形量为10％；
(3)对步骤(2)所得热轧料进行冷轧处理，冷轧处理的总变形量为80％，每道次变形量为10％；
(4)对步骤(3)所得冷轧料进行第一塑性变形处理：使用直径1.1mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为65mm，喷射角度为80°，喷丸速度为65m/s，喷丸时间5min；完成后进行第二塑性变形处理：使用直径0.7mm 的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为52mm，喷射角度为80°，喷丸速度为45m/s，喷丸时间为90s；第二塑性变形处理过程中温度由60℃匀速升高至220℃(耗时75s)，然后由220℃匀速升高至300℃(耗时15s)；
(5)步骤(4)所得冷轧料进行退火处理，退火处理后依次进行第一降温与第二降温，完成所述纳米晶不锈钢的制备；所述退火处理的升温速率为20℃/s，升温的终点温度为800℃，保温时间为20min；所述第一降温的速率为80℃/s，所述第一降温的终点温度为320℃；所述第二降温为自然冷却至室温。
所述纳米晶不锈钢的组成与实施例1相同。
实施例13
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，所述制备方法除步骤(2)所述热轧的单道次变形量依次为10％、11％、12％、15％、17％与20％外，其余均与实施例1相同。
实施例14
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，除退火处理后自然冷却至室温外，其余均与实施例1相同。
实施例15
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，除第二塑性变形处理过程中温度仅由60℃匀速升高至220℃(耗时75s)外，其余均与实施例1相同。
实施例16
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，除第二塑性变形处理过程中温度仅由220℃匀速升高至300℃(耗时15s)外，其余均与实施例1相同。
实施例17
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，除第二塑性变形处理过程中温度由60℃匀速升高至220℃(耗时85s)，然后由220℃匀速升高至300℃(耗时5s)外，其余均与实施例1相同。
实施例18
本实施例提供了一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，除第二塑性变形处理过程中温度由60℃匀速升高至220℃(耗时65s)，然后由220℃匀速升高至300℃(耗时25s)外，其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种不锈钢的制备方法，以质量百分数计，除所述纳米晶不锈钢中N为0.05wt％，且Ni为2.6wt％外，其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供了一种不锈钢的制备方法，除将所述纳米晶不锈钢中的Co替换为等质量的Ti外，其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供了一种不锈钢的制备方法，以质量百分数计，除所述纳米晶不锈钢中的Ni为1.8wt％外，其余均与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供了一种不锈钢的制备方法，以质量百分数计，除所述纳米晶不锈钢中的Ni为3.2wt％外，其余均与实施例1相同。
对比例5
本对比例提供了一种不锈钢的制备方法，以质量百分数计，除所述纳米晶不锈钢中的Mn为2.8wt％外，其余均与实施例1相同。
对比例6
本对比例提供了一种不锈钢的制备方法，以质量百分数计，除所述纳米晶不锈钢中的Mn为5.4wt％外，其余均与实施例1相同。
对比例7
本对比例提供了一种不锈钢的制备方法，除第二塑性变形在常温(25℃)的条件下进行外，其余均与实施例1相同。
对比例8
本对比例提供了一种不锈钢的制备方法，除将第二塑性变形处理替换为第一塑性变形处理外，其余均与实施例1相同。
对比例9
本对比例提供了一种不锈钢的制备方法，除将第一塑性变形处理替换为第二塑性变形处理外，其余均与实施例1相同。
对实施例1-18以及对比例1-9提供的不锈钢的抗拉强度、屈服强度、伸长率、表层晶粒度、纳米晶梯度结构深度以及疲劳周次进行测定，其中抗拉强度、屈服强度与伸长率的测定在外能拉伸试验机中进行，测试方法按照国标进行；所述疲劳周次在500MPa应力水平和应力比0.1的交变载荷下进行。所得结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003286315180000201
Figure BDA0003286315180000211
Figure BDA0003286315180000221
由表1中的实施例1-5以及实施例11-12可知，本发明提供的制备方法所得纳米晶不锈钢的抗拉强度在1390MPa以上，屈服强度为1250MPa以上，且伸长率为49-53％，疲劳周次>1.8×107。
由实施例1与实施例6-7的比较可知，C与N的总含量为0.25-0.27wt％之间时，能够提高所得不锈钢的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及疲劳周次。
由实施例1与实施例8-10的比较可知，Si的添加能够提高所得不锈钢的性能，但Si添加量过高会使性能下降，当Si的添加量为0.4wt％时能够取得最佳的添加效果。
由实施例1与实施例13的比较可知，步骤(2)所述热轧的单道次变形量逐渐升高时，能够提高所得不锈钢的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及疲劳周次。
由实施例1与实施例14的比较可知，退火处理后的急冷处理同样能够提高所得纳米晶不锈钢的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及疲劳周次。
由实施例1与实施例15、16的比较可知，第二塑性变形过程中的60-220℃的升温阶段以及220-300℃的升温阶段缺一不可，需要两个升温阶段的配合才能够达到性能良好的纳米晶不锈钢。
由实施例1与实施例17、18的比较可知，第二塑性变形过程中220-300℃阶段的时间同样对纳米晶不锈钢的性能存在影响。
同样的，由实施例1与对比例1-6的比较可知，本发明所述纳米晶不锈钢中的Ni、Co以及Mn含量需要维持在特定的数值范围内，否则不利于得到抗拉强度、屈服强度、伸长率以及疲劳周次均良好的不锈钢产品。
由实施例1与对比例8-9的比较可知，第一塑性变形处理的条件与第二塑性变形出理的条件缺一不可，将第一塑性变形处理替换为第二塑性变形，或将第二塑性变形处理替换为第一塑性变形处理，均不能制备得到性能良好的纳米晶不锈钢。
综上所述，本发明同构特定组成C、Ni、Cu、Cr、Mn、Co以及Ni的添加，使所得纳米晶不锈钢不仅具有良好的屈服强度、抗拉强度以及总延伸率，还能够具有优良的疲劳性能；通过对热轧处理、冷轧处理后的材料进行连续两次的塑性变形处理，得到了表层具有马氏体相的纳米晶梯度结构，提高了所得纳米晶不锈钢的力学性能与疲劳性能；本发明通过特定程序的退火处理，使不锈钢中残余奥氏体在发生再结晶而转变为微米晶组织，而后通过后续的降温速率控制，使所得纳米晶不锈钢的力学性能以及疲劳性能得到进一步提高。本发明所述制备方法得到的用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢，其在表面具有细小的回火马氏体组织，在马氏体组织内均匀的分布着亚微米和纳米级别的碳化物颗粒，碳化物颗粒度均匀，并且在马氏体的内分布广泛。将所得纳米晶不锈钢用于纸浆磨盘时，这种亚微米或纳米级的碳化物保护了基体，提高马氏体基体的稳定性，提高了磨盘的整体耐磨性，从而延长了服役寿命。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢，其特征在于，以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢包括：C为0.05-0.12wt％，Ni为2.0-3.0wt％，Cu为1.0-1.2wt％，Cr为13.0-14.0wt％，Mn为3.0-5.0wt％，Co为1.0-3.0wt％，N为0.15-0.2wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质；
所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢由如下制备方法得到：
(1)按配方量制备得到坯料；
(2)热轧步骤(1)所得坯料，保温处理，得到热轧料；
(3)步骤(2)所得热轧料进行冷轧处理，冷轧处理的总变形量为80-90％，每道次变形量为10-15％，得到冷轧料；
(4)步骤(3)所得冷轧料进行第一塑性变形处理，完成后进行第二塑性变形处理，并在第二塑性变形处理过程中持续升温；
(5)步骤(4)所得材料进行退火处理，完成所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备；
步骤(4)所述第一塑性变形处理的方法包括喷丸处理：使用直径1-1.2mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为60-70mm，喷射角度为60-90°，喷丸速度为60-70m/s，喷丸时间4-6min；
步骤(4)所述第二塑性变形处理的方法包括喷丸处理：使用直径0.6-0.8mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为50-56mm，喷射角度为60-90°，喷丸速度为40-50m/s，喷丸时间为1-2min；
在所述第二塑性变形处理过程中温度由60℃持续升高至300℃；第二塑性变形处理过程中温度处于220-300℃的时间为10-20s；
步骤(5)所述退火处理的升温速率为10-20℃/s，升温的终点温度为700-800℃，保温时间为20-30min；所述退火处理后依次进行第一降温与第二降温；所述第一降温的速率为50-80℃/s，终点温度为320-360℃；所述第二降温为自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢，其特征在于，以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢包括：C为0.08-0.1wt％，Ni为2.4-2.7wt％，Cu为1.0-1.1wt％，Cr为13.4-13.8wt％，Mn为3.5-4.5wt％，Co为1.5-2.5wt％，N为0.16-0.18wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢，其特征在于，所述C与N的总质量百分数为0.25-0.27wt％。
4.根据权利要求1所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢，其特征在于，以质量百分数计，所述纳米晶不锈钢中还包括0.4-0.5wt％的Si。
5.根据权利要求1所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢，其特征在于，所述纳米晶不锈钢中，P≤50ppm，S≤50ppm，且O小于等于30ppm。
6.如权利要求1-5任一项所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方量制备得到坯料；
(2)热轧步骤(1)所得坯料，保温处理，得到热轧料；
(3)步骤(2)所得热轧料进行冷轧处理，冷轧处理的总变形量为80-90％，每道次变形量为10-15％，得到冷轧料；
(4)步骤(3)所得冷轧料进行第一塑性变形处理，完成后进行第二塑性变形处理，并在第二塑性变形处理过程中持续升温；
(5)步骤(4)所得材料进行退火处理，完成所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备；
步骤(4)所述第一塑性变形处理的方法包括喷丸处理：使用直径1-1.2mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为60-70mm，喷射角度为60-90°，喷丸速度为60-70m/s，喷丸时间4-6min；
步骤(4)所述第二塑性变形处理的方法包括喷丸处理：使用直径0.6-0.8mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为50-56mm，喷射角度为60-90°，喷丸速度为40-50m/s，喷丸时间为1-2min；
在所述第二塑性变形处理过程中温度由60℃持续升高至300℃；第二塑性变形处理过程中温度处于220-300℃的时间为10-20s；
步骤(5)所述退火处理的升温速率为10-20℃/s，升温的终点温度为700-800℃，保温时间为20-30min；所述退火处理后依次进行第一降温与第二降温；所述第一降温的速率为50-80℃/s，终点温度为320-360℃；所述第二降温为自然冷却至室温。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述制备得到坯料的步骤包括：采用真空感应炉熔炼，获得原料锭，然后经过开坯锻造与精锻加工，得到坯料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述坯料的厚度为40-54mm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热轧的开轧温度为1200-1250℃，终轧温度为1050-1100℃。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热轧的总变形量为80-90％，所述热轧的单道次变形量为10-20％。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热轧的变形量逐渐升高。
12.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述保温处理的温度为600-800℃，时间为2-3h。
13.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方量制备得到坯料：采用真空感应炉熔炼，获得原料锭，然后经过开坯锻造与精锻加工，得到厚度为40-54mm坯料；
(2)热轧步骤(1)所得坯料，600-800℃保温处理2-3h，得到热轧料；所述热轧的开轧温度为1200-1250℃，终轧温度为1050-1100℃；所述热轧的总变形量为80-90％，所述热轧的单道次变形量为10-20％；
(3)步骤(2)所得热轧料进行冷轧处理，冷轧处理的总变形量为80-90％，每道次变形量为10-15％，得到冷轧料；
(4)对步骤(3)得到的冷轧料进行第一塑性变形处理：使用直径1-1.2mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为60-70mm，喷射角度为60-90°，喷丸速度为60-70m/s，喷丸时间4-6min；完成后进行第二塑性变形处理：使用直径0.6-0.8mm的不锈钢球进行喷丸，喷嘴到试样表面的距离为50-56mm，喷射角度为60-90°，喷丸速度为40-50m/s，喷丸时间为1-2min；第二塑性变形处理过程中温度由60℃持续升高至300℃，且温度处于220-300℃的时间为10-20s；
(5)步骤(4)所得材料进行退火处理，退火处理后依次进行第一降温与第二降温，完成所述用于纸浆磨盘的纳米晶不锈钢的制备；所述退火处理的升温速率为10-20℃/s，升温的终点温度为700-800℃，保温时间为20-30min；所述第一降温的速率为50-80℃/s，所述第一降温的终点温度为320-360℃；所述第二降温为自然冷却至室温。
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