具有优异切削性的铁素体和马氏体不锈钢 【发明领域】
本发明涉及通过添加无毒的Cu得到的切削性得到改善的铁素体和马氏体不锈钢。
【发明背景】
由于精细机械工业的显著进步，以及为满足对于电子家用产品、家具等的需求，不锈钢已广泛应用于各个工业领域。为通过节约劳动力成本的自动机械工业生产这些用途的部件，已报导了各种改善不锈钢切削性的手段。例如，通过加入Se，就可改善铁素体不锈钢的切削性，如根据JIS4303规定的SUS430F所表明的那样。马氏体不锈钢的切削性则通过加入Pb得到改善，如SUS410F和SUS410F2所表明的那样，或者通过加入S得到改善，如SUS416和SUS420F所表明的那样，均由JIS4303所规定。
但是，加入S虽然对切削性有效，但会大幅度地降低热加工性、延展性和耐腐蚀性，并会造成机械性能的各向异性。而对含Pb以改善切削性的铁素体或马氏体不锈钢来说，由于在使用过程中有毒的Pb会溶解，造成其是不可回收利用的。根据SAE规定的不锈钢51430FSe(相应于AISI下的430Se型)，其包含Se用于改善切削性，但实际上也会因Se的毒性而造成环境问题。
【发明内容】
本发明旨在提供切削性得到改善，而对加工性能、耐腐蚀性、机械性能和环境没有有害影响地铁素体和马氏体不锈钢，是通过沉淀富含Cu颗粒来取代常规元素而实现。
本发明提供了铁素体和马氏体不锈钢，其中，富含Cu颗粒以0.2体积％或更多的比例分散，以改善切削性而不会对环境有有害的影响。富含Cu颗粒可为一相，其包含为0.1质量％或更多的相对高浓度的C；或者为一相，其包含浓度为10质量％或更多的Sn和/或In。
铁素体不锈钢具有如下的基本组成：0.001-1质量％的C，Si至多1.0质量％，Mn至多1.0质量％，15-30质量％的Cr，Ni至多0.60质量％，0.5-6.0质量％的Cu，除不可避免杂质之外，其余为Fe。马氏体不锈钢具有如下的基本组成：0.01-0.5质量％的C，Si至多1.0质量％，Mn至多1.0质量％，10-15质量％的Cr，Ni至多0.60质量％，0.5-6.0质量％的Cu，除不可避免杂质之外，其余为Fe。
为了分散Sn或In浓度不低于10质量％的富含Cu颗粒的沉淀，将不锈钢的组成调节为包含0.005质量％或更多的Sn或In。铁素体和马氏体不锈钢中的任一种可包含0.005质量％或更多的选自下述的元素：0.2-1.0质量％的Nb，0.02-1质量％的Ti，0-3质量％的Mo，0-1质量％的Zr，0-1质量％的Al，0-1质量％的V，0-0.05质量％的B和0-0.05质量％的稀土金属(REM)。
通过至少一次老化处理，使C浓度不低于0.1质量％的富含Cu颗粒或Sn或In浓度不低于10质量％的富含Cu颗粒作为铁素体或马氏体基质中的沉淀分散，从而铁素体或马氏体不锈钢在成形步骤之前的热轧步骤之后于500-900℃下保持1小时或更长而得到最终产品。
【附图说明】
图1为用于解释评价切削性的实验的说明图。
【具体实施方式】
常规不锈钢一般切削性较差，被认为是代表性的不可进行机械加工的材料。切削性差是因其较低的导热性、可淬性和粘合性造成的。在JP2000-63996A中，本发明的发明人揭示出以一定比例的富含Cu颗粒的沉淀可有效地改善奥氏体不锈钢的抗菌性和切削性，同时对环境没有不利的影响。本发明的发明人进一步研究了富含Cu颗粒的作用，并偶然发现也可实现对铁素体和马氏体不锈钢切削性的作用。
不锈钢的切削性通过富含Cu相如ε-Cu的细沉淀得到改善，其在钢材料和机制工具间起到润滑作用，并促进了热流出，均匀地分散于钢基质中。富含Cu相对切削性的作用可能是由于其润滑作用和导热性使得在刀具的斜度表面处磨擦减少而带来的。磨擦的减小还导致耐切削性降低，也会延长工具的寿命。
铁素体不锈钢或回火的马氏体不锈钢具有B.C.C.(体心立方体)的结晶结构，而富含Cu相则为F.C.C.(面心立方体)。与在具有相同结晶结构的F.C.C.奥氏体不锈钢中的富含Cu相的沉淀比较，在B.C.C.基质中的富含Cu相的沉淀带来切削性的改善作用。
富含Cu颗粒的沉淀对铁素体或马氏体不锈钢有别于对奥氏体不锈钢的作用可解释为：在富含Cu沉淀(F.C.C.)分散于B.C.C.的铁素体或马氏体基质的情形下，晶体一致性变得无序达到通过分散富含Cu沉淀能够重应力积聚的状态。进而，奥氏体形成元素C由钢基质(B.C.C.)传送至富含Cu相(F.C.C.)，导致C在富含Cu相中的凝聚并使富含Cu相变脆。变脆后的富含Cu颗粒成为破坏位错的密集积聚的起点，因而其以铁素体或马氏体基质中的碎片存在，从而实现机械加工，即一类断口。
在包含0.005质量％或更多的Sn和/或In的钢组合物中，Sn和/或In在富含Cu颗粒中以10质量％或更多的比例凝聚，并转化成低熔点的Cu-Sn或Cu-In合金。简而言之，低熔点的富含Cu颗粒作为具有较大位错积聚的碎片分散，从而促进了在钢材料与切削工具之间的润滑，导致刀具寿命的显著延长。
富含Cu相的沉淀是通过等温处理实现的，如在适宜的温度范围内进行老化，或者通过在可能最长的时间内，在热处理后的降温步骤中，在用于沉淀的温度区内逐渐冷却钢材料。本发明的发明人由大量的研究成果确证，在最后退火之后在500-900℃下进行老化处理，富含Cu相的沉淀加速了C不低于0.1质量％凝聚或Sn和/或In不低于10质量％凝聚的富含Cu相的沉淀。富含Cu相的沉淀也使铁素体或马氏体不锈钢具有抗菌性。
富含Cu相的沉淀可通过加入至少一种形成碳氮化物或形成沉淀的元素如Nb、Ti或Mo来加速。这些元素的碳氮化物用作沉淀位点以在铁素体或马氏体基质可均匀地分散富含Cu颗粒，并具有良好的生产能力。
每一种合金元素按照如下受控的比例加至不锈钢中：
对铁素体不锈钢，0.001-0.1质量％的C，或
对马氏体不锈钢，0.01-0.5质量％的C
C在富含Cu相中凝聚而使富含Cu相变脆，并部分转化成碳化铬，作为富含Cu相的沉淀位点，从而在钢基质中均匀分散细的富含Cu颗粒。该作用通常解释为铁素体不锈钢中C含量为0.001质量％或更多，或在马氏体不锈钢中C含量为0.01质量％或更多。然而过量的C会降低生产能力和钢的耐腐蚀性，因此C含量的上限确定为对铁素体不锈钢0.1质量％或对马氏体不锈钢为0.5质量％。
Si至多1.0质量％
Si是一种改善耐腐蚀性和抗菌性的元素。但是，超过1.0质量％的过量的Si也会降低钢的生产能力。
Mn至多1.0质量％
Mn是一种改善生产能力和将有害的S以MnS稳定于钢基质中的元素。金属间化合物MnS可改善钢的切削性，并用作细富含Cu颗粒的沉淀位点。但是，超过1.0质量％的Mn也会降低钢的耐腐蚀性。
S至多0.3质量％
虽然S是一种会转化成MnS的元素，对切削性是有效的，但随S含量的增加，不锈钢的热加工性和延展性均变差。因而，S含量的上限为0.3质量％。
对铁素体不锈钢，10-30质量％的Cr
对马氏体不锈钢，10-15质量％的Cr
Cr是一种不锈钢耐腐蚀性的基本元素。以高于10质量％的比例加入Cr是确保耐腐蚀性所必要的。但是，超过30％的过量的Cr会降低铁素体不锈钢的生产能力和加工性，或者超过15质量％的过量的Cr则使铁素体相太稳定而导致在退火状态中不产生马氏体转化。
Ni至多0.60质量％
Ni是一种在常规生产铁素体或马氏体不锈钢的方法中不可避免包含于原料中的杂质。Ni含量的上限确定为0.60质量％。
0.5-6.0质量％的Cu
Cu是一种本发明不锈钢的重要元素。在钢基质中以0.2体积％或更多富含Cu颗粒的沉淀对于实现优良切削性能来说是必要的。因此，Cu含量确定为0.5质量％或更多以使富含Cu颗粒在钢基质中以0.2体积％沉淀于具有特定组成的铁素体或马氏体不锈钢中。但是，超过6.0质量％Cu也会降低不锈钢的生产能力、加工性能和耐腐蚀性。对在铁素体或马氏体基质中沉淀的富含Cu颗粒的大小没有限制，但优选其均匀地分散富含Cu颗粒于包括表面层在内的基质中。富含Cu颗粒的均匀分散改善了不锈钢的切削性至高稳定的水平，也使不锈钢具有抗菌性。
0.005质量％或更多的Sn和/或In
Sn和/或In为用于沉淀富含Cu颗粒所必需的合金元素，其中，Sn和/或In被浓缩。随着Sn和/或In以不低于10质量％的比例浓缩，富含Cu相的熔点下降，使得切削性显著改善。在不锈钢中的Sn和/或In比例控制在0.005质量％或更多以使富含Cu相的熔点下降。当Sn和In同时加至钢中时，Sn和In的总比例确定为0.005质量％或更多。但是，过量加入Sn和/或In会大幅度降低富含Cu相的熔点，从而由于液相变脆而使钢的热加工性能急剧变差。因此，Sn和/或In含量的上限优选为0.5质量％。
0.02-1质量％的Nb
Nb是一种选择性元素。在各种沉淀物中，Nb沉淀物是最有效的沉淀富含Cu颗粒的位点。细沉淀物如碳化铌、氮化铌和碳氮化铌均匀分散的冶金结构适用于均匀沉淀富含Cu颗粒。但是，过量的Nb会降低不锈钢的生产能力和加工性能。因此，Nb的加入比例优选为0.02-1质量％。
0.02-1质量％的Ti
Ti也是一种用于产生碳氮化钛的选择性元素，其作为沉淀富含Cu颗粒的位点，作用与Nb相同。但是，过量的Ti会降低生产能力和加工性能，也会造成在钢板表面上形成擦伤。因而，如果需要，Ti的优选加入比例范围为0.02-1质量％。
0-3质量％的Mo
Mo是一种耐腐蚀的选择性元素。Mo会作为金属间化合物如Fe2Mo部分沉淀，其作为沉淀富含Cu颗粒的位点。但是，过量的超过3质量％的Mo会降低不锈钢的生产能力和加工性能。
0-1质量％的Zr
Zr是一种选择性元素，其作为碳氮化物沉淀，可有效地用于沉淀细富含Cu颗粒。但是，过量的超过1质量％的Zr会降低不锈钢的生产能力和加工性能。
0-1质量％的Al
Al是一种选择性元素，与Mo相同用于改善耐腐蚀性，并以化合物形式部分沉淀，其作为沉淀富含Cu颗粒的终点。但是，过量的超过1质量％的Al会降低不锈钢的生产能力和加工性能。
0-1质量％的V
V是一种选择性元素，作为碳氮化物部分沉淀，与Zr相同，其作为沉淀细富含Cu颗粒的位点。但是，过量的超过1质量％的V会降低不锈钢的生产能力和加工性能。
0-0.05质量％的B
B是一种选择性元素，在钢基质中以细沉淀物分散，用于改善热加工性能。硼沉淀物也作为沉淀富含Cu颗粒的位点。但是，过量的B会造成热加工性能变差，从而B含量的上限确定为0.05质量％。
0-0.05质量％的稀土金属(REM)
REM也是一种选择性元素。与B相同，通过以适宜的比例加入REM可改善不锈钢的热加工性能。REM也以细沉淀物分散，作为沉淀富含Cu颗粒的位点。但是，过量的超过0.05质量％的REM会使不锈钢的热加工性能变差。
500-900℃下进行热处理
不锈钢优选在500-900℃下进行老化处理以沉淀对切削性有效的富含Cu颗粒。随老化温度降低，Cu在钢基质中的溶解性降低，导致富含Cu颗粒增加。但是，由于扩散速度减慢，在钢基质中沉淀的富含Cu颗粒在太低的老化温度下会减少。本发明的发明人从各种实验中证实，适宜的老化处理温度为500-900℃，用于在不低于0.2体积％的比例下沉淀富含Cu颗粒，适用于改善切削性。老化处理可在热轧步骤之后最后形成产品形状的步骤之前的任何步骤中进行，但应在特定温度下持续1小时或更长时间。
由下述实施例更清楚地了解本发明的其它特性。
实施例1
将具有表1所示化学组成的几种铁素体不锈钢在30kg真空熔化炉中熔化、铸塑成块并锻造成直径为50mm钢棒。每种钢棒在1000℃下退火30分钟，并在450-950℃范围内变化的温度下进行老化。
表1：铁素体不锈钢的化学组成 钢 种 类 合金元素(质量％) C Si Mn S Ni Cr Cu 其它 A 0.054 0.56 0.34 0.002 0.23 16.25 2.02 --- B 0.061 0.62 0.22 0.003 0.34 16.49 1.48 --- C 0.049 0.43 0.31 0.004 0.25 16.21 1.09 --- D 0.055 0.51 0.41 0.005 0.21 16.19 0.40 --- E 0.063 0.39 0.19 0.202 0.28 16.25 0.48 --- F 0.059 0.44 0.42 0.002 0.33 16.38 0.51 --- G 0.009 0.31 0.2 0.005 0.26 17.02 1.46 Nb：0.36 H 0.011 0.42 0.23 0.003 0.38 17.11 0.32 Nb：0.33 I 0.021 0.41 0.23 0.007 0.42 16.53 2.43 Ti：0.35 J 0.019 0.35 0.31 0.004 0.28 16.42 0.48 Ti：0.34 K 0.061 0.55 0.42 0.004 0.12 16.31 1.34 Al：0.07 L 0.019 0.38 0.33 0.005 0.39 16.21 1.61 Zr：0.88 M 0.024 0.56 0.18 0.002 0.29 17.12 1.89 V：0.82 N 0.055 0.33 0.51 0.001 0.39 16.54 1.72 B：0.006 O 0.051 0.42 0.18 0.003 0.26 17.21 2.33 REM：0.02 P 0.0008 0.33 0.21 0.003 0.31 17.41 1.33 ---
将从每种钢棒取样的钢材样品进行JIS B-4011规定的题为“硬合金块切削试验方法”的切削实验。在该切削实验中，合金块的磨损根据侧面磨损(VB＝0.3mm)进行评价，条件为进料速度每通过一次0.05mm，切削深度为每次0.3mm和切削长度为200mm。
对取自相同钢棒的另一钢材样品通过透射电子显微镜(TEM)进行观察，通过图像处理方法定量分析分解于铁素体基质中的富含Cu颗粒，以计算富含Cu颗粒的比例(体积％)。进而，通过能量分散X射线分析仪(EDX)测量在富含Cu颗粒中的C浓度。
对钢A-1至P-1在800℃下老化9小时取样的每种钢材样品的磨损时间与作为参考值的钢D-1的磨损时间VB进行比较。与目前认为具有优良切削性的材料钢E-1进行比较来评价每种钢材样品的切削性。标记◎是指切削性优于钢E-1，标记○是指切削性与钢E-1类似，标记X是指切削性比钢E-1差。切削性的结果如表2所示。
实验钢A-1、B-1、C-1、F-1、G-1、I-1和K-1具有优异的切削性能，它们包含不低于0.5质量％的Cu，并具有这样的结构，即C浓度不低于0.1质量％的富含Cu颗粒经老化而以0.2体积％或更多分散于铁素体基质中。
另一方面，钢A-2、B-2、C-2和F-2的切削性能较差，它们未进行老化处理，不论Cu含量是否高于0.5质量％，富含Cu颗粒以低于0.2体积％的不充分比例分散。钢J-2则因即使在老化处理后，富含Cu颗粒以0.2体积％或更大分散期短，使得其切削性较差。钢P-1因其富含Cu颗粒变脆性差并未显示出优良的切削性，这是因为在富含Cu颗粒中的C浓度低于0.001质量％，虽然其包含高于0.5质量％Cu，并且，富含Cu颗粒以高于0.2体积％的比例分散。
表2 富含Cu颗粒对切削性的作用钢种类 老化 富含Cu颗粒 钢块的 磨损时间 (分钟) 切削性注释 沉淀比例 (体积％) C浓度 (质量％)A-1 进行 0.48 0.13 189 ◎本发明实施例A-2 未进行 0.18 0.05 105 X比较例B-1 进行 0.44 0.15 185 ◎本发明实施例B-2 未进行 0.15 0.03 110 X比较例C-1 进行 0.38 0.22 178 ◎本发明实施例C-2 未进行 0.08 0.02 98 X比较例D-1 未进行 0.00 --- 100 ---比较例E-1 未进行 0.00 --- 175 ○现有技术F-1 进行 0.20 0.31 177 ◎本发明实施例F-2 未进行 0.02 0.04 123 X比较例G-1 进行 0.42 0.14 192 ◎本发明实施例H-1 进行 0.00 --- 95 X比较例I-1 进行 0.51 0.12 188 ◎本发明实施例J-1 未进行 0.00 --- 99 X比较例J-2 进行 0.18 0.28 131 X比较例K-1 进行 0.34 0.15 177 ◎本发明实施例L-1 进行 0.38 0.21 185 ◎本发明实施例M-1 进行 0.40 0.15 192 ◎本发明实施例N-1 进行 0.41 0.17 195 ◎本发明实施例O-1 进行 0.44 0.13 183 ◎本发明实施例P-1 进行 0.34 0.04 123 X比较例
老化处理：800℃下9小时
实施例2
在与实施例1相同的条件下对表1中的钢取样得到钢材样品。将钢材样品单独进行老化处理，老化处理在450-950℃下进行0.5-12小时。用与实施例1相同的方式评价每种老化后的钢材样品的切削性。
由表3的结果可以看出，A-4和A-6至A-10的任一种钢材样品，其在500-900℃下老化1小时或更长，具有C浓度0.1质量％或更多的富含Cu颗粒分散于铁素体基质中，比例为0.2体积％或更多，产生优良的切削性。
另一方面，在500-900℃下老化短于1小时的钢材A-5则具有较差的切削性，因为富含Cu颗粒中的C浓度不低于0.1质量％，不能充分地以低于0.2体积％的比例分散。在老化温度低于500℃或高于900℃的温度下，富含Cu颗粒的沉淀比例也低于0.2体积％。
结果证明，改善切削性的重要因素是铁素体钢中Cu含量为0.5质量％或更多并且C浓度不低于0.1质量％的富含Cu颗粒在铁素体基质中以0.2体积％或更多的比例分散，结果还证明，通过在500-900℃将不锈钢老化1小时或更长时间可实现富含Cu颗粒的适宜的沉淀比例。
表3 老化条件与富含Cu颗粒的沉淀及切削性的关系 钢 种 类 老化条件 富含Cu颗粒 钢块的 磨损时间 (分钟)切削性注释 温度 (℃) 加热 小时 沉淀比例 (体积％) C浓度 (质量％) A-3 450 6 0.11 0.03 125X比较例 A-4 500 6 0.34 0.23 177◎本发明实施例 A-5 500 0.5 0.18 0.05 131X比较例 A-6 500 1 0.21 0.18 176◎本发明实施例 A-7 600 9 0.39 0.16 181◎本发明实施例 A-8 700 12 0.42 0.14 192◎本发明实施例 A-9 800 9 0.44 0.15 200◎本发明实施例 A-10 900 10 0.45 0.17 202◎本发明实施例 A-11 950 9 0.19 0.05 127X比较例
实施例3
将表4所示化学组成的几种马氏体不锈钢在30kg真空熔化炉中熔化、铸塑成块并锻造成直径为50mm钢棒。每种钢棒在1000℃下退火30分钟，并在450-950℃范围内变化的温度下对一些钢棒进行老化。
表4 马氏体不锈钢的化学组成 钢 种 类 合金元素(质量％) C Si Mn S Ni Cr Cu 其它 MA 0.092 0.23 0.77 0.003 0.23 11.55 4.51 --- MB 0.102 0.31 0.62 0.003 0.34 11.31 3.22 --- MC 0.099 0.35 0.52 0.004 0.21 11.45 1.53 --- MD 0.113 0.51 0.41 0.012 0.21 12.23 0.12 --- ME 0.063 0.39 0.44 0.213 0.45 12.42 0.48 --- MF 0.35 0.44 0.42 0.002 0.33 11.67 0.82 --- MG 0.102 0.31 0.2 0.005 0.26 13.21 1.46 Nb：0.38 MH 0.142 0.42 0.23 0.003 0.38 12.98 0.32 Nb：0.31 MI 0.053 0.41 0.23 0.007 0.42 14.12 2.43 Ti：0.33 MJ 0.103 0.35 0.31 0.004 0.28 11.23 0.48 Ti：0.34 MK 0.202 0.55 0.42 0.004 0.12 13.67 1.21 Al：0.06 ML 0.019 0.38 0.33 0.005 0.39 10.76 1.77 Zr：0.88 MM 0.103 0.56 0.18 0.002 0.29 14.21 2.01 V：0.82 MN 0.082 0.33 0.51 0.001 0.39 11.23 1.72 B：0.006 MO 0.156 0.42 0.18 0.003 0.26 14.21 2.33 REM：0.02 MP 0.007 0.33 0.21 0.003 0.31 13.21 1.33 ---
将每种钢棒的钢材样品进行与实施例1相同的处理，测量富含Cu颗粒的沉淀比例，在富含Cu颗粒中的C浓度和合金块的磨损时间。
将来自钢MA-1至MP-1在7 80℃下老化9小时得到的钢材样品与作为参考值的钢MD-1的钢材样品的磨损时间VB进行比较。与目前认为具有优良切削性的钢ME-1进行比较来评价每种钢材样品的切削性。标记◎是指切削性优于钢ME-1，标记○是指切削性与钢ME-1类似，标记X是指切削性比钢ME-1差。切削性的结果如表5所示。
实验钢MA-1、MB-1、MC-1、MF-1、MG-1、MI-1和MK-1具有优异的切削性能，它们包含0.5质量％或更多的Cu，并具有这样的结构，Cu浓度不低于0.1质量％的富含Cu颗粒经老化处理而以0.1体积％或更多分散于钢基质中。
另一方面，钢MA-2、MB-2、MC-2和MF-2的切削性能较差，它们未进行老化处理，不论Cu含量是否高于0.5质量％，富含Cu颗粒以低于0.2体积％比例不充分分散。钢MJ-2则因即使在老化处理后，富含Cu颗粒以0.2体积％或更大分散时Cu的不足，使得其切削性较差。钢MP-1因其富含Cu颗粒变脆性差并未显示出优良的切削性，这是因为在富含Cu颗粒中的C浓度低于0.001质量％，虽然其包含高于0.5质量％的Cu，并且，富含Cu颗粒以高于0.2体积％的比例分散。
表5 富含Cu颗粒对切削性的作用钢种类 老 化 富含Cu颗粒 钢块的 磨损时间 (分钟) 切 削 性注释 沉淀比例 (体积％) C浓度 (质量％)MA-1 进行 0.89 0.22 201 ◎本发明实施例MA-2 未进行 0.19 0.23 105 X比较例MB-1 进行 0.54 0.54 222 ◎本发明实施例MB-2 未进行 0.11 0.15 109 X比较例MC-1 进行 0.42 0.32 192 ◎本发明实施例MC-2 未进行 0.13 0.08 98 X比较例MD-1 未进行 0.00 0.00 180 ◎现有技术ME-1 进行 0.16 0.18 120 ○比较例ME-2 未进行 0.02 0.01 103 X现有技术MF-1 进行 0.24 0.56 172 ◎本发明实施例MF-2 未进行 0.09 0.34 99 X比较例MG-1 进行 0.53 0.78 204 ◎本发明实施例MH-1 进行 0.02 0.23 95 X本发明实施例MI-1 进行 0.51 0.65 210 ◎本发明实施例MJ-1 未进行 0.08 0.33 110 X比较例MK-1 进行 0.34 0.34 222 ◎本发明实施例ML-1 进行 0.67 0.89 198 ◎本发明实施例MM-1 进行 0.82 0.64 205 ◎本发明实施例MN-1 进行 0.55 0.59 201 ◎本发明实施例MO-1 进行 0.39 0.88 222 ◎本发明实施例MP-1 进行 0.45 0.08 112 X比较例
老化处理：780℃下9小时
实施例4
在与实施例3相同的条件下对表4中的钢MA取样得到钢材样品。将钢材样品单独进行老化处理，老化处理在450-950℃下进行0.5-12小时。用与实施例1相同的方式评价每种老化后的钢材样品的切削性。
由表6的结果可以看出，MA-4和MA-6至MA-10的任一种钢材样品，其在500-900℃下老化1小时或更长，具有C浓度0.1质量％或更多的富含Cu颗粒分散于钢基质中，比例为0.2体积％或更多，产生优良的切削性。
另一方面，在500-900℃下老化短于1小时的钢材MA-5则具有较差的切削性，因为富含Cu颗粒中的C浓度不低于0.1质量％，不能充分地以低于0.2体积％的比例分散。在老化温度低于500℃或高于900℃的温度下，富含Cu颗粒的沉淀比例也低于0.2体积％。
结果证明，改善切削性的重要因素是铁素体钢中Cu含量为0.5质量％或更多并且C浓度不低于0.1质量％的富含Cu颗粒在铁素体基质中以0.2体积％或更多的比例分散，结果还证明，通过在500-900℃将不锈钢老化1小时或更长时间可实现富含Cu颗粒的适宜的沉淀比例。
表6 老化条件与富含Cu颗粒的沉淀及切削性的关系钢种类 老化条件 富含Cu颗粒 钢块的 磨损时间 (分钟)切削性注释 温度 (℃) 加热 小时 沉淀比例 (体积％) C浓度 (质量％)MA-3 450 12 0.18 0.09 109X比较例MA-4 500 6 0.56 0.34 192◎本发明实施例MA-5 500 0.8 0.15 0.06 118X比较例MA-6 500 2 0.24 0.13 189◎本发明实施例MA-7 600 10 0.65 0.45 203◎本发明实施例MA-8 700 12 0.82 0.67 192◎本发明实施例MA-9 800 8 0.92 0.82 245◎本发明实施例MA-10 900 9 0.67 0.92 234◎本发明实施例MA-11 950 9 0.17 0.08 110X比较例
实施例5
将表7所示化学组成的几种马氏体不锈钢在30kg真空熔化炉中熔化、铸塑成块并锻造成直径为50mm钢棒。每种钢棒在1230℃下加热1小时，热轧成4mm厚度，并在不同温度下对其进行老化，然后酸洗。
表7：马氏体不锈钢的化学组成 钢 种 类 合金元素(质量％) C Si Mn S Ni Cr Cu Sn 其它 MA 0.061 0.31 0.81 0.005 0.12 11.62 3.01 0.004 MB 0.058 0.33 0.77 0.002 0.33 11.24 2.98 0.006 MC 0.059 0.28 0.34 0.012 0.18 11.98 3.21 0.212 MD 0.066 0.41 0.64 0.001 0.21 12.43 1.53 0.487 ME 0.062 0.37 0.82 0.009 0.34 12.02 2.87 0.512 MF 0.102 0.29 0.43 0.008 0.42 14.12 0.47 0.112 MG 0.007 0.37 0.51 0.004 0.26 11.76 0.54 0.142 MH 0.088 0.51 0.31 0.005 0.22 13.21 1.01 0.213 MI 0.052 0.34 0.62 0.012 0.44 12.02 4.03 0.081 MJ 0.088 0.51 0.31 0.089 0.22 13.21 1.01 0.213 MK 0.051 0.33 0.83 0.143 0.34 11.76 1.32 0.241 ML 0.102 0.28 0.92 0.152 0.28 11.22 1.28 0.198 MM 0.152 0.87 0.43 0.008 0.60 10.91 0.88 0.081 Nb：0.36 MN 0.008 0.12 0.88 0.012 0.22 13.09 1.23 0.092 Ti：0.35 MO 0.043 0.08 0.97 0.014 0.09 12.55 5.21 0.002 In：0.082 MP 0.002 0.98 0.24 0.092 0.18 12.12 1.98 0.152 Al：0.07 MQ 0.021 0.44 0.12 0.082 0.43 12.38 4.12 0.443 Zr：0：88 MR 0.123 0.42 0.18 0.003 0.26 12.21 2.33 0.289 V：0.82 MS 0.089 0.33 0.21 0.003 0.31 12.41 1.21 0.181 B：0.006 MT 0.063 0.42 0.47 0.251 0.51 12.76 0.32 0.001
如图1所示，采用JIS B4107规定的水平铣床对每种钢板进行切削实验，其中，将16片硬合金块2与外径125mm宽度为10mm的磨1沿圆周连接，将实验片3沿与轧制方向相垂直的方向在不使用润滑剂下进行切削加工，转速为2000r.p.m.，每次进料速度为0.6mm，切削深度为每次0.5mm。
在使钢板沿其纵向连续切削1200mm长度后，将其沿横向移动10mm，再将其沿纵向在与第一次切削位置相邻的位置处进行切削。通过重复切削将钢板的整个表面切削0.5mm的深度。然后，将钢板设定在原始位置，进一步切削0.5mm的深度。重复进行切削，直至刀片被磨损掉0.1mm，通过切削时间来评价刀片的磨损。
将由相同钢板取得的另一钢材样品通过TEM进行观察，通过图像处理仪定量分析钢基质中分散的富含Cu颗粒，以计算富含Cu颗粒的比例(体积％)。进而，通过EDX测量在富含Cu颗粒中的Sn或In的浓度。
将在790℃下老化9小时的由钢MA-1至MS-1得到的每种钢材料样品的切削性与钢MT-1的切削性进行比较，所述MT-1钢目前被认为是切削性优良的材料。标记◎是指切削性优于钢MT-1，标记○是指切削性与钢MT-1类似，标记X是指切削性比钢MT-1差。切削性的结果如表8所示。
任一种钢MB-1、MC-1、MD-1、MF-1、MG-1、MI-1、MJ-1、MK-1、ML-1、MM-1、MN-1、MO-1、MP-1、MQ-1、MR-1和MS-1具有优异的切削性能，它们包含0.5质量％或更多的Cu并且Sn(或在钢MO-1中的In)浓度不低于0.005质量％，并具有这样的结构，即Sn或In浓度不低于10质量％的富含Cu颗粒经老化而以0.2体积％或更多分散于钢基质中。
另一方面，钢MB-2、MC-2、MD-2、MF-2、MG-2、MI-2、MJ-2、MK-2、ML-2、MM-2、MN-2、MO-2、MP-2、MQ-2、MR-2和MS-2的切削性则较差，它们未进行老化处理，富含Cu颗粒以低于0.2体积％的不充分比例分散，尽管Cu含量高于0.5质量％。钢MF-1和-2的切削性较差，因为在老化处理后，以0.2体积％或更多分散富含Cu颗粒的Cu不足。钢MA-1的切削性好于钢MT-1，但其切削性不充分，因为在富Cu颗粒中Sn不低于10质量％的浓度Sn不足。钢ML-1包含高于0.15质量％的Sn，但其热加工性能太差，不能对钢材料样品进行评价。
表8 富含Cu颗粒对切削性的作用钢种类老化 富含Cu颗粒 钢块的 磨损时间 (分钟) 切 削 性注释 沉淀比例 (体积％) 浓度 (质量%) Sn InMA-1进行 0.48 8.9 --- 192 ◎现有技术MA-2未进行 0.18 8.2 --- 105 X比较例MB-1进行 0.51 12.3 --- 251 ◎本发明实施例MB-2未进行 0.07 10.5 --- 110 X比较例MC-1进行 0.44 63.1 --- 487 ◎本发明实施例MC-2未进行 0.08 55.3 --- 98 X比较例MD-1进行 0.48 71.3 --- 587 ◎本发明实施例MD-2未进行 0.12 54.1 --- 101 X比较例ME-1--- (不能热轧)比较例MF-1进行 0.11 55.0 --- 172 X比较例MF-2未进行 0.02 57.0 --- 101 X比较例MG-1进行 0.42 81.0 --- 298 ◎本发明实施例MH-1进行 0.49 79.1 --- 442 ◎本发明实施例MI-1进行 0.51 88.1 --- 487 ◎本发明实施例MJ-1进行 0.33 73.1 --- 351 ◎本发明实施例MK-1进行 0.34 68.9 --- 512 ◎本发明实施例ML-1--- (不能热轧)比较例MM-1进行 0.33 51.2 --- 422 ◎本发明实施例MN-1进行 0.56 58.9 --- 678 ◎本发明实施例MO-1进行 0.51 --- 60.1 542 ◎本发明实施例MP-1进行 0.28 67.8 --- 123 X比较例MQ-1进行 0.44 89.0 --- 123 X比较例MR-1进行 0.54 83.2 --- 123 X比较例MS-1进行 0.49 54.4 --- 123 X比较例MT-1未进行 --- --- --- 180 ○比较例
老化处理：790℃下9小时
实施例6
在与实施例5相同的条件下对表7中的钢MC取样得到钢材样品。将钢材样品单独进行老化处理，老化处理在450-950℃下进行0.5-16小时。用与实施例5相同的方式评价每种老化后的钢材样品的切削性。
由表9的结果可以看出，MC-4和MC-6至MC-10的任一种钢材样品，其在500-900℃下老化1小时或更长，其具有Sn浓度10质量％或更多的富含Cu颗粒分散于钢基质中，比例为0.2体积％或更多，产生优良的切削性。
另一方面，在500-900℃下老化短于1小时的钢材MC-5则具有较差的切削性，因为富含Cu颗粒不能充分地以低于0.2体积％的比例分散。在老化温度低于500℃或高于900℃的温度下，富含Cu颗粒的沉淀比例也低于0.2体积％。
结果证明，改善切削性的重要因素是不锈钢中Cu含量为0.5质量％或更多并且Sn或In浓度不低于10质量％或更多的富含Cu颗粒在马氏体基质中以0.2体积％或更多的比例分散，结果还证明，通过在500-900℃将不锈钢老化1小时或更长时间可实现富含Cu颗粒的适宜的沉淀比例。
表9 老化条件与富含Cu颗粒的沉淀及切削性的关系钢种类 老化条件 富含Cu颗粒 钢块的 磨损时间 (分钟) 切 削 性注释 温度 (℃) 加热 小时 沉淀比例 (体积％) Sn浓度 (质量％)MC-3 450 12 0.11 24.3 145 X比较例MC-4 500 7 0.34 55.1 455 ◎本发明实施例MC-5 500 0.5 0.12 48.3 171 X比较例MC-6 500 1 0.21 59.1 501 ◎本发明实施例MC-7 600 10 0.39 62.1 498 ◎本发明实施例MC-8 700 12 0.42 71.9 389 ◎本发明实施例MC-9 800 8 0.44 72.1 442 ◎本发明实施例MC-10 900 16 0.45 73.1 352 ◎本发明实施例MC-11 950 9 0.19 71.1 127 X比较例
实施例7
将表10所示化学组成的几种铁素体不锈钢在30kg真空熔化炉中熔化、铸塑成块，每种钢棒在1230℃下加热1小时，热轧成4mm厚度，并在不同温度下对其进行老化，然后酸洗。
采用水平铣床对每种钢板进行与实施例5相同的切削实验。每种钢材样品的切削性由刀片磨损0.1mm时的切削时间来评价。
采用TEM对取自相同钢板的另一钢材样品进行观察，通过图像处理仪定量分析钢基质中分散的富含Cu颗粒，以计算富含Cu颗粒的比例(体积％)。进而，通过EDX测量在富含Cu颗粒中的Sn或In的浓度。
表10 铁素体不锈钢的化学组成 钢 种 类 合金元素(质量％) C Si Mn S Ni Cr Cu Sn 其它 FA 0.054 0.56 0.34 0.002 0.23 16.25 2.02 0.003 FB 0.058 0.42 0.52 0.003 0.33 16.01 1.88 0.007 FC 0.045 0.31 0.34 0.012 0.21 17.21 1.51 0.101 FD 0.023 0.21 0.44 0.002 0.31 18.12 1.53 0.531 FE 0.033 0.29 0.12 0.007 0.42 17.33 0.48 0.112 FF 0.021 0.21 0.33 0.142 0.25 16.98 1.44 0.198 FG 0.009 0.31 0.2 0.005 0.26 17.02 1.46 0.098 Nb：0.32 FH 0.021 0.41 0.23 0.007 0.42 16.53 2.43 0.132 Ti：0.28 FI 0.061 0.55 0.42 0.004 0.12 16.31 1.34 0.121 Al：0.06 FJ 0.001 0.31 0.34 0.012 0.21 17.21 1.21 0.098 Zr：0.45 FK 0.003 0.21 0.12 0.011 0.33 16.91 1.01 0.143 In：0.12 FL 0.021 0.18 0.41 0.009 0.54 16.43 1.98 0.221 B：0.009 FM 0.009 0.13 0.22 0.003 0.11 17.21 0.98 0.329 REM：0.015 FN 0.041 0.23 0.22 0.278 0.12 17.33 0.12 0.002
将在820℃下老化9小时的由钢FA-1至FT-1得到的每种钢材料样品的切削性与钢FN-1的切削性进行比较，所述FN-1钢目前被认为是切削性优良的材料。标记◎是指切削性优于钢FN-1，标记○是指切削性与钢FN-1类似，标记X是指切削性比钢FN-1差。切削性的结果如表11所示。
任一种钢FB-1、FC-1、FF-1、FG-1、FH-1、FI-1、FJ-1、FK-1、FL-1和FM-1具有优异的切削性能，它们包含0.5质量％或更多的Cu并且Sn(或在钢FK-1中的In)浓度不低于0.005质量％，并具有这样的结构，即Sn或In浓度不低于10质量％的富含Cu颗粒经老化而以0.2体积％或更多分散于钢基质中。
另一方面，钢FB-2、FC-2、FG-2、FH-2、FI-2、FJ-2、FK-2和FM-2的切削性则较差，它们未进行老化处理，富含Cu颗粒以低于0.2体积％的不充分比例分散，尽管Cu含量高于0.5质量％。钢FE-1和-2的切削性较差，因为在老化处理后，以0.2体积％或更多分散富含Cu颗粒的Cu不足。钢FA-1切削性较差，因为在富Cu颗粒中Sn不低于10质量％的浓度Sn不足。钢FD-1包含高于0.15质量％的Sn，但其热加工性能太差，不能对钢材料样品进行评价。
表11 富含Cu颗粒对切削性的作用钢种类 老化 富含Cu颗粒 钢块的 磨损时间 (分钟) 切 削 性注释 沉淀比例 (体积％) C浓度(质量％) Sn InFA-1 进行 0.32 5.2 --- 192 ◎现有技术FA-2 未进行 0.14 5.4 --- 121 X比较例FB-1 进行 0.33 12.3 --- 289 ◎本发明实施例FB-2 未进行 0.08 10.5 --- 110 X比较例FC-1 进行 0.38 43.7 --- 487 ◎本发明实施例FC-2 未进行 0.04 42.1 --- 98 X比较例FD-1 --- (不能热轧)比较例FE-1 未进行 0.18 35.2 --- 151 X本发明实施例FE-2 --- 0.02 37.1 --- 122 X比较例FF-1 进行 0.34 81.0 --- 501 ◎本发明实施例FG-1 进行 0.51 77.0 --- 332 ◎本发明实施例FH-1 进行 0.28 62.1 --- 391 ◎本发明实施例FI-1 进行 0.39 68.4 --- 444 ◎本发明实施例FJ-1 进行 0.41 51.2 --- 298 ◎本发明实施例FK-1 进行 0.27 --- 71.2 401 ◎本发明实施例FL-1 进行 0.27 71.2 --- 401 ◎本发明实施例FM-1 进行 0.51 78.8 --- 476 ◎本发明实施例FN-1 未进行 --- --- --- 151 ○比较例
老化处理：820℃下10小时
实施例8
在与实施例7相同的条件下对表10中的钢FC取样得到钢材样品。将钢材样品单独进行老化处理，老化处理在450-950℃下进行0.5-11小时。用与实施例7相同的方式评价每种老化后的钢材样品的切削性。
由表12的结果可以看出，FC-4和FC-6至FC-10的任一种钢材样品，其在500-900℃下老化1小时或更长，具有Sn浓度10质量％或更多的富含Cu颗粒分散于钢基质中，比例为0.2体积％或更多，产生优良的切削性。
另一方面，在500-900℃下老化短于1小时的钢材FC-5则具有较差的切削性，因为Sn浓度低于10质量％的富含Cu颗粒不能充分地以低于0.2体积％的比例分散。在老化温度低于500℃或高于900℃的温度下，富含Cu颗粒的沉淀比例也低于0.2体积％。
结果证明，改善切削性的重要因素是铁素体基质中Cu含量为0.5质量％或更多并且Sn或In浓度10质量％或更多的富含Cu颗粒在钢基质中以0.2体积％或更多的比例分散，结果还证明，通过在500-900℃将不锈钢老化1小时或更长时间可实现富含Cu颗粒的适宜的沉淀比例。
表12 老化条件与富含Cu颗粒的沉淀及切削性的关系钢种类 老化条件 富含Cu颗粒 钢块的 磨损时间 (分钟) 切 削 性注释 温度 (℃) 加热 小时 沉淀比例 (体积％) Sn浓度 (质量％)FC-3 450 8 0.11 52.3 125 X现有技术FC-4 500 8 0.32 57.4 177 ◎本发明实施例FC-5 500 0.5 0.17 49.8 131 X比较例FC-6 500 1 0.22 51.1 169 ◎本发明实施例FC-7 600 10 0.29 59.2 181 ◎本发明实施例FC-8 700 9 0.44 50.1 192 ◎本发明实施例FC-9 800 11 0.41 60.1 200 ◎本发明实施例FC-10 900 9 0.42 55.5 202 ◎本发明实施例FC-11 950 8 0.10 52.3 127 X比较例
工业实用性
由本发明提供的上述铁素体和马氏体不锈钢具有优异的切削性，因其化学组成中包含0.5质量％或更多的Cu和0.001质量％或更多的C，0.1质量％或更多的Sn和0.1质量％或更多的In，以及其结构中C浓度不低于0.1质量％或Sn或In不低于10质量％的富含Cu颗粒以0.2体积％的比例分散于铁素体或马氏体基质中。由于不锈钢不含诸如S、Pb、Bi或Se之类用于改善切削性的元素，因而对环境不存在有害的影响。所述不锈钢被切削成目标形状并用于家用电器、家具、厨房设备、机械、设备和在各种领域中的其它装备。