CN101638750A - 一种刀具用马氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种刀具用马氏体不锈钢及其制造方法，其成分质量百分比为：C：0.20～0.25、Si≤1.00、Mn≤1.50、P≤0.035、S≤0.030、Cr：12.5～14.5、N：0.07～0.12，其余为Fe和其他杂质元素；其中，100C+25N≥22。其制造方法，包括以下步骤：按上述成分用感应炉熔炼或电弧炉熔炼+AOD或VOD精炼工艺，经模铸或连铸成铸坯；再经热轧，然后热处理，其中，退火：加热温度为780～900℃，保温后缓冷至250℃以下；正火：加热温度为950～1200℃，保温后在空气中冷却至室温。本发明马氏体不锈钢在退火后具有良好的加工性能，正火后具有≥HRC53的硬度和良好的耐蚀性。

Description

一种刀具用马氏体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢铁材料及其制造方法，特别涉及一种刀具用马氏体不锈钢及其制造方法。

背景技术

无论是生活还是工业生产上，刀具都是人们不可或缺的工具。多数情况下，刀具要接触河水、自来水、雨水或类似的低腐蚀介质，因此，刀具用钢应该具有一定的耐腐蚀性能；另一方面刀具要具有较强的切削能力和耐磨损能力，所以，刀具用钢还应具有较高的硬度。为了提高刀具的使用性能、延长刀具的使用寿命，人们经常选择具有较高硬度的马氏体不锈钢来制造刀具。另外，也有一些刀具是高耗材，更新使用的频率很高，这就要求刀具用钢价能良好、价格低廉。

目前用于制造刀具最多的是Cr13型马氏体不锈钢，如2Cr13、3Cr13等，其成分见表1，这些钢种具有较高的硬度，如2Cr13的硬度可以达到HRC48～52，3Cr13的硬度可以达到≥HRC53，但是，由于含C量较高，这些钢种耐腐蚀性能较低，特别是3Cr13钢在水溶液中就容易发生锈蚀，只能适用于大气环境。

为了寻求具有良好耐腐蚀性和高硬度的马氏体不锈钢，人们进行了一系列的研究并形成了一些专利文献，这些申请专利的马氏体不锈钢中成分与本发明钢最相近的如，表1中中国专利公开号CN200510080786.3提出一种马氏体不锈钢，其主要化学成分(重量％)为：C：0.15～0.21、Si：0.05～1.00、Mn：0.3～1.0、Cr：10.5～14.0、Ti：0～0.050、V：0～0.50、N：≤0.1，这种钢尤其强调了优良的韧性，但是其硬度达不到HRC53；日本专利公开号JP2003041348A提出了一种马氏体不锈钢，其主要化学成分(重量％)为：C：0.17～0.22、Si≤2.0、Mn≤2.0、Cr：14.0～15.0、Mo：0.70～1.30、N：0.10～0.15，因为钢中含有较高的Cr，并含有一定的Mo，材料具有良好的耐蚀性和较高的硬度，但材料的成本也因此提高了；日本专利号JP5287456提出了一种马氏体不锈钢，其主要化学成分(重量％)为：C：0.134～0.20、Si≤0.5、Mn≤2.0、Ni：1.0～5.0、Cr：12.0～16.0、Mo：1.3～3.5、N：0.06～0.13，材料除了较好的耐蚀性、较高的硬度，还具有良好的韧性，但钢中加入了Ni，钢的成本同样较高；中国专利号CN1145644A也提出了一种马氏体不锈钢，其主要化学成分(重量％)为：C：0.15～0.40、Cr：11.0～15.0、Mo：1.00-3.00、Ni：0.10～1.50、Cu：0.1～2.0、N：0.02～0.15，这种钢也具有较高的硬度和良好的耐腐蚀性能，在模具制造等制造领域内有应用，但是对于普通刀具制造来说，这些钢中含有Ni、Mo、Cu等贵金属，产品的成本较高。为了降低生产成本，中国专利公开号CN1624182A提出了以下化学成分(重量％)设计：C：0.12～0.17、Si≤1.0、Mn≤2.0、Cr：12.5～14.5、N：0.06～0.10、C+N：0.210～0.265，这种钢具有良好的耐盐雾腐蚀性，能够保证硬度达到HRC48～52之间，但对于更高的硬度要求，如硬度≥HRC53却难以实现。

从上述现有技术的介绍可以看出，目前刀具用马氏体不锈钢存在难以同时达到高硬度、高耐蚀性和廉价的目的，难以很好满足刀具生产的要求。本发明钢的化学成分见表1，没有加入Ni、Mo、Cu等贵金属，其他元素种类与2Cr13、3Cr13相近，只是其中含有廉价的N元素，所以成本变化不大。由于钢中C、N元素的作用，发明钢正火后的硬度可以达到≥HRC53。由于钢中含有较多量的Cr、N，发明钢具有良好的耐蚀性。

表1有关发明钢专利的化学成分比较/wt％

专利公开号	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	N	P	S	其它
											CN200510080786.3	0.15～0.21	0.05～1.00	0.3～1.0	10.5～14.0	-	-	≤0.10	≤0.050	≤0.010	Ti≤0.05V≤0.5
JP2003041348	0.17～0.22	≤2.0	≤2.0	14.0～15.0	0.70～1.30	≤0.06	0.10～0.15	-	-	O≤0.01
											JP5287456A	0.134～0.20	≤0.5	≤2.0	12.0～16.0	1.3～3.5	1.0～5.0	0.06～0.13	-	-	Al：0.005～0.1
CN1145644A	0.15～0.40	≤2.0	≤2.0	11.0～15.0	1.00～3.00	0.10～1.50	0.02～0.15	-	-	Cu：0.1～2.0

CN1624182A	0.12～0.17	≤1.0	≤2.0	12.5～14.5	-	-	0.06～0.10	≤0.045	≤0.010	C+N0.010～0.26
											2Cr13	0.16～0.25	≤1.0	≤1.0	12.0～14.0	-	-	-	≤0.035	≤0.030	-
3Cr13	0.26～0.35	≤1.0	≤1.0	12.0～14.0	-	-	-	≤0.035	≤0.030	-
											本发明	0.20～0.25	≤1.0	≤1.5	12.5～14.5	-	-	0.07～0.12	≤0.035	≤0.030	100C+25N≥22

发明内容

本发明的目的是提供一种刀具用马氏体不锈钢及其制造方法，这种马氏体不锈钢在退火后具有良好的加工性能，正火后具有≥HRC53的硬度和良好的耐蚀性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种刀具用马氏体不锈钢，其成分质量百分比为：C：0.20～0.25、Si≤1.00、Mn≤1.50、P≤0.035、S≤0.030、Cr：12.5～14.5、N：0.07～0.12，余量为Fe和其他杂质元素；其中，100C+25N≥22。

优选地，所述Cr的含量(质量百分比)为13.00～14.00。

C：提高钢的淬硬性及强度。C含量过低会导致钢的硬度达不到使用要求；C含量过高会降低钢的耐腐蚀性能。C含量的范围规定为0.20～0.25，同时必须与N的含量有合理的匹配。

Si：钢中存在的一种杂质元素。当Si含量较低时，对钢的机械性能没有大的影响，当Si含量超过1.00时会损害韧性。

Mn：可以在一定程度上提高钢的淬透性，增加钢的强度，并以MnS的形式固定钢中的S。但是，过多的Mn会降低钢的韧性，规定Mn的添加范围为≤1.50。

P：钢中的杂质元素。考虑到过多的要求低P量会增加生产成本，其上限规定为≤0.035。

S：钢中的杂质元素，对提高耐蚀性不利，含量越少越好。考虑到过多的要求低S量会增加生产成本，其上限规定为≤0.030。

Cr：提高钢的耐腐蚀性能。随着钢中Cr含量的提高，钢的耐蚀性提高，当Cr含量低于12.50时钢的耐蚀性提高不明显；当钢中的Cr超过14.5时，难于消除钢中的δ铁素体相，同时过度添加Cr会增加生产成本。因此，Cr含量的合理范围12.50～14.50，为了提高钢的耐蚀性、降低成本，更优选为13.00～14.00。

N：提高钢的淬硬性及强度，在提高耐点蚀方面也非常有效。另外N具有抑制δ铁素体产生的作用。当N在马氏体不锈钢中的含量低于0.07时作用不能充分发挥，但是如果N的加入量超过0.12时，浇注时易析出，且钢的可加工性下降，N的范围限定为0.07～0.12。

100C+25N≥22：保证钢的正火后硬度达到≥HRC53。

为了降低钢的成本，钢中没有添加Mo、Cu、Ni等有利于提高钢耐蚀性的元素。

本发明的刀具用马氏体不锈钢的制造方法，包括以下步骤：按上述成分用感应炉熔炼或电弧炉熔炼+AOD(argon oxygen decarburizationfuranace，氩氧精炼法)或VOD(vacuum oxygen decarburization，真空吹氧脱碳法)精炼工艺，经模铸或连铸成铸坯；再经热轧，然后热处理，其中，退火：加热温度为780～900℃，保温后缓冷至250℃以下；正火：加热温度为950～1200℃，保温后在空气中冷却至室温。

所述的马氏体不锈钢经退火后的组织为铁素体+细小弥散碳化物。

所述的马氏体不锈钢经退火后具有以下力学性能：σ_b≥520MPa、σ_0.2≥225MPa、δ₅≥18％、HV值≤234。退火后材料屈服、抗拉强度较低、硬度不高，同时具有良好的延伸率，易于刀具制作时进行切削、成形加工。

所述的马氏体不锈钢经正火后的组织为马氏体；所述的马氏体不锈钢经正火后具有以下性能：硬度≥HRC53，具有良好的耐盐雾腐蚀性。

本发明的钢在生产制造过程中没有增加特别的工序、没有增加生产的难度，生产成本较低。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1.本发明的成分设计中，在3Cr13的基础上降低了C的含量，使钢的耐蚀性明显提高；

2.本发明成分设计中提高了Cr的含量，使钢的耐蚀性提高；

3.本发明成分设计中充分利用了C、N能提高钢的淬硬性的作用，使钢的淬火后硬度达到≥HRC53；

4.本发明成分设计中利用了N能提高钢耐点蚀作用，使马氏体不锈钢同时具有较高的硬度和耐蚀性；

5.本发明没有加入Mo、Cu、Ni等贵金属元素，生产过程没有采用特别措施、没有增加生产难度，钢的成本较低。

附图说明

图1为本发明马氏体不锈钢典型的退火组织金相照片示意图；

图2为本发明马氏体不锈钢典型的正火组织金相照片示意图；

图3为本发明实施例1盐雾腐蚀试验结果照片示意图(50±5g/LNaCl，35℃，48h)；

图4为本发明实施例2盐雾腐蚀试验结果照片示意图(50±5g/LNaCl，35℃，48h)；

图5为本发明对比例3盐雾腐蚀试验结果照片示意图(50±5g/LNaCl，35℃，48h)；

图6为本发明对比例4盐雾腐蚀试验结果照片示意图(50±5g/LNaCl，35℃，48h)。

具体实施方式

用真空感应炉冶炼得到成分如表2所示的马氏体不锈钢，经模铸、热轧成板材，在820℃退火3.5小时后，随炉冷却至250℃以下出炉。实施例的典型退火组织见图1，其组织为铁素体+细小弥散的碳化物。

表2本发明钢与对比钢的化学成分

实施例退火后的拉伸结果见表3，由表3可以看到，实施例马氏体不锈钢经退火后具有以下力学性能：σ_b≥520MPa、σ_0.2≥225MPa、δ5≥18％、HV值≤234，较低的强度、硬度和较高的延伸率有利于材料的切削、成形加工。

表3本发明钢退火后的拉伸性能

	Rp0.2/MPa	Rm/MPa	A50/％	HV
					实施例1	265	535	35.5	178
实施例2	280	580	33.5	185
					实施例3	275	560	32.5	180
实施例4	270	565	33.0	174
					实施例5	280	590	31.0	185
实施例6	255	540	36.5	157

将表2中的实施例和对比例钢分别加热到900、950、1000、1050、1100、1150、1200℃作正火热处理，其硬度见表4。

从表2可以看到在实施例1～6中100C+25N≥22，而对比例1～2中，100C+25N＜22。从表4则可以看到，在实施温度范围内，实施例1～6的正火硬度达到≥HRC53，而对比例1～2经正火后的硬度达不到≥HRC53的要求。

由表4还可以看到，实施例钢正火温度＜1050℃ 时，其硬度达不到≥HRC53的要求；实施例钢在1050～1200℃温度范围内正火时，其硬度能够达到≥HRC53的要求。因此发明钢的合理正火温度为1050～1200℃。

实施例在实施正火温度内的典型金相组织如图2所示，其组织为马氏体。

表4  试验钢热处理后的HRC硬度值

刀具产品的耐蚀性一般通过盐雾试验来表征。图3～6分别是表2中实施例1、实施例2、对比例3、对比例4经1050℃正火后的盐雾腐蚀试验结果。一般来说，钢的耐盐雾腐蚀性能随着C含量的增加而下降。实施例1的C含量为0.21％，经过48h盐雾腐蚀后，表面看不到明显的锈斑。实施例2的C含量为0.25％，相对较高，在其表面开始出现轻微锈迹。对比例3的C含量为0.26％，其表面已经存在较多的锈蚀点，难以达到刀具生产的要求。因此，本发明钢要求C含量≤0.25％。对比例4是典型的3Cr13钢，由于C含量较高，经盐雾腐蚀试验后，材料表面已经锈迹斑斑。与3Cr13钢相比，发明钢耐盐雾腐蚀性能优势明显。

Claims (3)

1.一种马氏体不锈钢，其成分质量百分比为：C：0.20～0.25、Si≤1.00、Mn≤1.50、P≤0.035、S≤0.030、Cr：12.5～14.5、N：0.07～0.12，余量为Fe和其他杂质元素；其中，100C+25N≥22。

2.如权利要求1所述的马氏体不锈钢，其特征在于，Cr含量优选为13.00～14.00，按质量百分比计。

3.如权利要求1或2所述的马氏体不锈钢的制造方法，其按上述成分用感应炉熔炼或电弧炉熔炼+AOD或VOD精炼工艺，经模铸或连铸成铸坯；再经热轧，然后热处理，其中，退火：加热温度为780～900℃，保温后缓冷至250℃以下；正火：加热温度为950～1200℃，保温后在空气中冷却至室温。

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