一种马氏体不锈钢及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及钢铁冶金领域， 具体地说， 涉及一种马氏体不锈钢及其制造方法。背景技术 不锈钢刀具用钢应当具有高的硬度和良好的耐腐蚀性能， 与其他不锈钢相比， 马 氏体不锈钢具有硬度高、 耐磨损能力强和制造成本低等优点， 主要用于制造刀剪类五金刀 具。但是， 目前常用的 2-4Cr13 等普通马氏体不锈钢主要依靠在钢中加入碳元素来提高钢 热处理后的硬度， 然而当加入的碳较多时， 钢的耐蚀性相对比较差， 当碳含量较少时硬度又 达不到要求， 如何使马氏体不锈钢同时具有高硬度和良好的耐蚀性一直是倍受关注的难 题。刀具制造过程中还要求钢种经过退火后的强度、 硬度较低， 并具有良好的延伸率， 以便 于冷轧、 剪切等加工， 然而随着碳含量的增加， 退火后的冷加工变得困难。为了使钢种易于 加工， 并在热处理后同时具有高的硬度和良好的耐蚀性， 人们针对马氏体不锈钢做了不少 研究工作。
CN1145644A 通过在钢中加入高碳 (0.15％ -0.40％ ) 来提高硬度， 并加入钼来提高 耐蚀性 ； JP2008163452、 EP496350、 JP5287456 和 CN1624182A 属于含氮的马氏体不锈钢， 其 中 JP2008163452 和 CN1624182A 在 2Cr13 的基础上降低钢中的碳、 加入一定量的氮来提高 硬度和耐蚀性， EP496350 中利用锰提高硬度， 并加入钼、 铜提高耐蚀性， JP5287456 中除了 加入钼以外还加入了镍。 然而， 在钢中加入较高的碳含量会使材料的耐腐蚀性能下降 ； 在钢 中加入钼、 铜等贵金属可以提高材料的耐腐蚀性能， 但会造成原材料成本的增加 ； 氮的加入 虽然也能够提高材料的硬度， 但是氮在常压高温铁素体中固溶度较小， 其加入的量是有限 的， 因此， 单独依靠氮来提高硬度也受到了限制。
发明内容
本发明目的在于提供一种马氏体不锈钢， 其硬度高耐蚀性好， 具有良好的加工性 能， 生产成本低。
本发明的另一个目的在于提供一种马氏体不锈钢的制造方法， 其能够制造出具有 高硬度、 优良耐蚀性和良好加工性能的马氏体不锈钢。
本发明所提供的马氏体不锈钢， 其成分质量百分比为 C ： 0.22-0.30、 Si ： ≤ 1.0、 Mn ： 1.0-2.0、 P： ≤ 0.030、 S： ≤ 0.010、 Cr ： 12.0-15.0、 N： 0.070-0.120、 V： 0.02-0.15， 余量 为 Fe 和不可避免的杂质。
优选地， C 质量百分比为 0.22-0.26 ；
优选地， Cr 质量百分比为 13.0-14.0 ；
优选地， V 质量百分比为 0.08-0.15。
以下将本发明合金成分的设计机理作详细说明 ：
碳： 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， 其含量控制在 0.22-0.30％。
硅： 硅主要作为脱氧剂加入到钢中， 同时硅也是一种合金元素， 起着固溶强化作 用， 并且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， 其含量不应大于 1.0％。
锰： 锰既是脱氧元素又是固溶强化元素能显著提高钢的强度， 加入较高含量的锰 可以提高钢正火后的硬度， 但是锰含量过高不利于提高钢退火后的加工性， 其含量控制在 1.0-2.0％。
磷： 磷 是 有 害 元 素， 磷 容 易 在 晶 界 附 近 偏 聚 而 降 低 耐 蚀 性， 其含量应低于 0.030％。
硫： 硫也是有害元素， 不仅硫化物会产生热脆而且会降低耐蚀性， 通常其含量控制 在低于 0.010％以避免硫的有害作用。
铬： 为了保证不锈钢的耐蚀性， 铬含量控制在 12.0-15.0 ％， 铬含量过高时， 生产 成本提高。
氮： 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。但是过量 的氮会引起铸坯中因氮气析出而产生的气孔， 其含量控制在 0.070-0.120％。 钒： 钒是强碳、 氮化物元素， 钢中的钒析出温度较高， 可以细化晶粒， 而且钒先于铬 与碳、 氮结合， 可以抑制碳的偏析， 有利于提高组织均匀性和耐蚀性。 但是钒的含量过高时， 钒的氮化物会长大并使加工性能恶化， 其含量控制在 0.02-0.15％。
本发明所提供的马氏体不锈钢可以通过以下方法制造， 其包括 ：
(1) 钢坯或连铸坯在 1100-1250℃温度范围内加热 ；
(2) 在 900℃以上完成终轧 ；
(3) 在 800-900℃温度范围内进行退火 ；
(4) 在 1000-1200℃温度范围内进行正火处理。
优选地， 步骤 (3) 的退火时间为 3-30 小时 ；
优选地， 步骤 (4) 的保温时间为 10-30 分钟。
下面进一步说明制造方法的工艺参数 ：
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， 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， 另一方面使碳、 氮化合物充分溶解， 在此温度范围内正火的材 料具有高于 56HRC 的洛氏硬度值， 并具有良好的耐蚀性。
本发明与现有技术相比具有的优点是 ：
(1) 本发明提供的马氏体不锈钢具有良好的加工性能和高于 56HRC 的洛氏硬度 值， 能够满足五金刀具制造的需要， 并且还具有良好的耐蚀性， 同时该钢种没有添加钼、 铜 等贵金属， 生产成本低廉 ；
(2) 本发明提供的马氏体不锈钢的制造方法， 能够制造出满足五金刀具制造要求
的马氏体不锈钢， 并且其中没有增加额外的生产工序， 易于控制。
本发明的马氏体不锈钢与现有技术中类似钢种的成分对比见表 1。
表 1 有关马氏体不锈钢专利的化学成分比较 (wt.％ )
具体实施方式
用真空感应炉冶炼得到钢锭， 将钢锭置于加热炉内， 以 80℃ / 小时升温至 1250℃， 保温 3.5 小时 ； 然后在 900-1200℃温度范围内锻打成 40mm 厚的钢坯 ； 再热轧成 5mm 厚的钢 板； 然后进行热处理 ； 最后测定性能。
实施例和对比例的具体化学成分、 制备工艺和加工性能、 硬度和耐腐蚀性分别见 表 2-5， 其中对比例 1、 对比例 2 和对比例 3 分别是典型的 4Cr13、 3Cr13 和 2Cr13 钢 ； 表3 中代表本发明的实施例 A-E， 其屈服强度小于 370MPa、 最大抗拉强度为 660MPa、 延伸率大于 27.5％， 具有良好的加工性能 ； 表 4 中实施例 A-E 正火后的洛氏硬度达到 56HRC 以上， 硬度 值高于 2Cr13， 并与 3Cr13、 4Cr13 在同一水平 ； 表 5 是试样在 35 ℃条件下浓度为 3.5 ％的 NaCl 溶液中的点蚀电位值， 实施例 A-E 的点蚀电位高于 3Cr13 和 4Cr13， 即其耐点蚀性优于 3Cr13 和 4Cr13。
综合而言， 本发明所提供的马氏体不锈钢性能良好， 能够用于制造高硬度、 高耐蚀 不锈钢刀具， 而且其具有生产成本低、 工艺易于控制等特点。
表 2 实施例和对比例的化学成分 (wt.％ )
实施例 A BC 0.26 0.30Si 0.4 0.5Mn 1.4 1.0P 0.02 0.01S 0.003 0.010Cr 13.3 14.5N 0.104 0.120V 0.11 0.085CN 101845594 A说C 0.24 0.22 0.23 0.43 0.32 0.22 Si 0.9 0.3 0.1 0.3 0.2 0.3 Mn 1.5 2.0 1.6 0.5 0.5 0.7明P 0.02 0.02 0.03 0.02 0.02 0.03书S 0.008 0.005 0.002 0.007 0.010 0.002 Cr 15.0 13.4 12.0 13.7 13.6 13.3 N 0.072 0.094 0.097 0.032 0.013 0.022 V 0.03 0.15 0.10 0.01 0.01 0.014/5 页实施例 C D E 对比例 1 对比例 2 对比例 3
表 3 实施例和对比例的工艺和性能 加热温度 1150℃ 1250℃ 1200℃ 1150℃ 1100℃ 1250℃ 1250℃ 1200℃ 终轧温度 930℃ 970℃ 950℃ 940℃ 900℃ 980℃ 980℃ 980℃ 退火工艺 820℃ ×4 小时 860℃ ×4 小时 900℃ ×4 小时 860℃ ×4 小时 800℃ ×4 小时 860℃ ×4 小时 860℃ ×4 小时 860℃ ×4 小时 Rp0.2/MPa 368 310 302 308 332 305 290 280 Rm/Mpa 660 655 642 640 660 660 595 585 A50/％ 29.6 27.5 28.0 29.2 28.8 24.5 29.0 31.5实施例 A B C D E 对比例 1 对比例 2 对比例 3
表 4 实施例和对比例正火处理 ( 保温 20 分钟 ) 后的硬度
表 5 实施例和对比例的点蚀电位7