CN102605258B - 一种马氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种马氏体不锈钢，其重量百分比化学组成为：C：0.13-0.23％，Si＜1.0％，Mn＜1.0％，P≤0.030％，S≤0.010％，Cr：12.0-14.0％，N：0.070-0.120％，Ni＜1.0％，Mo：0.9-1.5％，其中C和N的含量满足0.20％≤C+N≤0.33％，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢的制造包括，钢坯或连铸坯在1100-1250℃温度范围内加热，进行轧制，并在900℃以上完成终轧；然后进行退火处理，退火温度为800-900℃，退火时间为4-8h；再进行正火处理，正火温度为1000-1200℃，正火时间为2-5h。本发明的马氏体不锈钢经热处理后具有良好的机械加工性能及优良的耐腐蚀性能，适合用于制造模具、手术及医疗器械、刀、剪等。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造模具、手术及医疗器械、刀、剪等的马氏体不锈钢及其制造方法，其经热处理后具有良好的机械加工性能及优良的耐腐蚀性能。
背景技术
与其他类型的不锈钢相比，马氏体不锈钢具有硬度高、耐磨损能力强和成本低等优点，因此被广泛应用于模具、刀剪、手术及医疗器械等行业。这些行业都要求钢材具有足够的硬度及耐磨性，对耐蚀性的要求也越来越高，同时成本问题也越来越突出。从成分设计的角度，传统的马氏体不锈钢(如2Cr13、3Cr13、4Cr13系列)主要通过控制钢中碳元素含量来控制钢热处理后的硬度，当要求高硬度时，一般在钢中加入的碳较多，但同时钢的耐蚀性也相对比较差；当碳含量较少时耐蚀性相对较好，但硬度又达不到要求。为此，人们的通常做法是提高Cr含量或添加Mo来补偿高碳带来的耐蚀性损失，但同时带来了明显的成本附加。
马氏体不锈钢要求钢经过退火后的强度、硬度较低，延伸率较好，以易于冷轧、剪切等加工。然而随着碳含量的增加，钢退火后的冷加工变得困难，且易于出现因碳化物条带组织而诱发的加工分层缺陷。为了在热处理后同时具有高的硬度和良好的耐蚀性，并改善马氏体不锈钢的加工性，人们针对马氏体不锈钢做了不少研究工作。
EP1739199A公开了一种用于手术刀、剃须刀等刀片用马氏体不锈钢，是通过在钢中加入高碳(0.40-0.55％)来提高材料的硬度，并加入一定含量的钼(1.0-1.5％)来提高耐蚀性；但其缺点是由于碳含量过高(≥0.4％)，即便加入了Mo，其耐蚀性仍然不高。JP2009-203528A、FR2920784A和JP2007-277639A给出了用于纺织行业和模具行业的几种马氏体不锈钢，均是在高碳含量的同时加入较高含量的氮来保证硬度。其中JP2009-203528A通过高铬当量(15-16.6％)来保证耐蚀性，但由于碳含量较高，耐蚀性仍处于接近2Cr13的水平；FR2920784A的C、N含量较高，而Cr含量较低(10-12.4％)，通过加Mo来保证弥补耐蚀性的损失，但耐蚀性亦只能达到接近2Cr13的水平；JP 2007-277639A的所涵盖的合金成分体系很宽，但其(C+N)的含量要求在0.4％-0.7％之间，这也就限定了其发明目的主要针对高硬度的马氏体不锈钢，同时为了保证耐蚀性满足要求必须合理选择C、N、Cr、Mo等元素的含量，通常要获得满意的耐蚀性这些成分体系的成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐蚀性优异，同时硬度高、成本效益好的马氏体不锈钢的成分和工艺控制范围，同时退火热处理后具有良好加工性能，以满足模具、手术及医疗器械、刀剪等行业的实际需求。
为实现上述目的，本发明的一种耐蚀性优异，同时硬度高、成本效益好的马氏体不锈钢，具有以下组成(重量％)：C：0.13-0.23％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，P≤0.030％，S≤0.010％，Cr：12.0-14.0％，N：0.070-0.120％，Ni＜1.0％，Mo：0.9-1.5％，余量为Fe和可避免的杂质。其中C和N的含量满足0.20％≤C+N≤0.33％。
优选地，Si≤0.32％，Mn≤0.85％，S≤0.008％，P≤0.025％，Ni≤0.96％，Mo：0.9-1.26％。
本发明的上述成分马氏体不锈钢具有高于53HRC的硬度值。
本发明的另一个目的是提供上述马氏体不锈钢的制造方法。该方法包括：铸造，轧制及热处理；
铸造的钢坯或连铸坯在1100-1250℃温度范围内加热，进行轧制并在900℃以上完成终轧，然后在800-900℃温度范围内进行退火，退火时间4-8小时。正火处理的温度范围在1000-1200℃之间，正火时间为2-5小时。
优选地，经过硅铝脱氧后采用上浇铸法进行浇铸得到钢坯，浇铸温度在1560-1600℃，过热度35-45℃。
优选地，在连铸中，采用结晶器电磁搅拌，浇铸温度在1540-1630℃，过热度25-50℃，拉速为0.9-1.60m/min。
优选地，在轧制中，加热温度为1150-1230℃，保温时间(分钟)为(1-1.5)×板坯厚度，板坯厚度单位为毫米；终轧温度为950-1000℃。
主要化学元素的作用
C：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。碳的含量控制在0.13-0.23％。
N：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及耐蚀性，但是过量的氮会引起铸坯中因氮气析出而产生的气孔，过少的氮对硬度和耐蚀性的贡献微乎其微，故氮含量控制在0.070-0.120％。
C+N：马氏体不锈钢钢的硬度取决于C+N的水平，总含量越高硬度越大，但同时耐蚀性受到的影响也会加大，因此为了保证耐蚀性和硬度的综合性能，将C+N的含量控制在0.20-0.33％。
Si：硅主要作为脱氧剂加入到钢中的，同时硅也是一种合金元素，起着固溶强化作用，同时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，其含量小于1.0％，优选为≤0.32％。
Mn：锰的加入可以增大氮的固溶比，但含量过高会恶化钢材的耐蚀性以及表面质量，而且会影响钢材退火后的加工性，因此锰的含量控制在小于1.0％，优选≤0.85％。
P：磷是有害元素，因此根据生产控制水平尽量地降低，优选为≤0.025％。
S：硫也是一种有害元素，不仅硫化物会产生热脆而且会降低耐蚀性，通常硫的含量控制在低于0.010％以避免硫的有害作用，优选为≤0.008％。
Cr：为了保证不锈钢的耐蚀性，铬含量控制在12.0-14.0％，铬含量过高时，δ铁素体的含量增多，不利于性能；而且生产成本也会提高。
Ni：镍是奥氏体形成元素，可以起到平衡体系的作用；与铬作用可以对提高耐蚀性有帮助；但含量不宜高，否则成本增加，残余奥氏体的含量也会增加，因此镍含量控制在1％以下，优选为0.86％以下，更优选0.30-0.86％。
Mo：钼元素提高钢的淬透性，对耐蚀性的贡献非常显著，但含量不能过高，否则会增大钢的脆性以及δ铁素体的含量，对钢的组织性能不利，同时成本增加很大，因此钼含量控制在0.9-1.5％，优选0.9-1.3％。
本发明的工艺过程的影响
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，优选950-1000℃，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，退火时间为4-8小时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，正火时间为2-5小时，另一方面使使碳、氮化合物充分溶解，在此温度范围内正火的材料具有优良的耐蚀性和较高的硬度。
采用上述成分设计和工艺控制方法生产的钢板具有良好的加工性，正火处理后具有优良的耐腐蚀性和高硬度，能够满足模具、医疗器械、五金刀具等行业要求，具有成本低、工艺易于控制等特点。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行较为详细的说明，但这些是示例性的，对本发明不构成任何限制。
实施例1-5及对比例1-3的化学成分如表1所示。
表1实施例和对比例的化学成分(wt.％)
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Mo | N | |
| 实施例1 | 0.14 | 0.30 | 0.69 | 0.008 | 0.024 | 13.60 | 0.86 | 1.09 | 0.093 |
| 实施例2 | 0.20 | 0.30 | 0.69 | 0.007 | 0.024 | 14.00 | 0.83 | 0.90 | 0.072 |
| 实施例3 | 0.22 | 0.30 | 0.62 | 0.007 | 0.025 | 12.56 | 0.40 | 1.26 | 0.098 |
| 实施例4 | 0.15 | 0.32 | 0.85 | 0.008 | 0.022 | 13.52 | 0.30 | 0.98 | 0.115 |
| 实施例5 | 0.23 | 0.31 | 0.65 | 0.005 | 0.023 | 13.60 | 0.37 | 1.06 | 0.078 |
| 对比例1 | 0.20 | 0.48 | 0.70 | 0.003 | 0.019 | 13.46 | 0.18 | 0.08 | 0.027 |
| 对比例2 | 0.22 | 0.53 | 0.65 | 0.005 | 0.034 | 13.44 | 0.31 | 1.03 | 0.018 |
| 对比例3 | 0.32 | 0.30 | 0.62 | 0.008 | 0.032 | 13.70 | 0.21 | 0.85 | 0.024 |
实施例1-5及对比例1-3的工艺如表2所示。
表2实施例和对比例的工艺和性能
| 加热温度 | 终轧温度 | 退火工艺 | HV | A50/％ | |
| 实施例1 | 1150℃ | 930℃ | 820℃×6小时 | 168 | 30 |
| 实施例2 | 1250℃ | 970℃ | 860℃×6小时 | 172 | 29 |
| 实施例3 | 1200℃ | 950℃ | 900℃×6小时 | 184 | 26 |
| 实施例4 | 1150℃ | 940℃ | 860℃×6小时 | 174 | 28 |
| 实施例5 | 1100℃ | 900℃ | 800℃×6小时 | 183 | 25 |
| 对比例1 | 1250℃ | 980℃ | 860℃×6小时 | 160 | 34 |
| 对比例2 | 1250℃ | 980℃ | 860℃×6小时 | 178 | 28 |
| 对比例3 | 1200℃ | 980℃ | 860℃×6小时 | 185 | 24 |
试验例1：正火后的洛氏硬度
正火后的洛氏硬度如表3所示。
表3实施例和对比例钢正火后的洛氏硬度
注：正火时间均为4小时。
试验例2：点蚀电位
测量试样(表面经1200#砂纸打磨)在35℃条件下浓度为3.5％的NaCl溶液中的点蚀电位，其结果如表4所示。
表4实施例和对比例的点蚀电位
以上试验中，对比例1、对比例2和对比例3分别是典型的2Cr13、2Cr13Mo和3Cr13Mo钢。由表2可见，采用上述的成分和工艺参数得到的实施例，其退火态的维氏硬度(HV)均在185以下，延伸率都不小于25％，具有良好的加工性能。由表3可知，本发明的实施例正火后的洛氏硬度达到53HRC以上，即使碳含量较低时(0.14％)，其硬度值仍高于2Cr13和2Cr13Mo。由表4可见，实施例的点蚀电位远高于2Cr13、2Cr13Mo和3Cr13Mo，也即发明钢的耐点蚀性能远优于2Cr13、2Cr13Mo和3Cr13Mo。综合而言，本发明钢的耐蚀性和硬度综合性能优良，尤其是耐蚀性突出，而且具有生产效益高、工艺易于控制等特点。
本发明钢具有良好的加工性能，经过正火处理后具有优良耐蚀性和高硬度，并具有生产成本低、工艺易于控制等特点，因此适于推广应用并具有很好的前景。
Claims (6)
1.一种马氏体不锈钢，其重量百分比化学组成为：C：0.13-0.23％，Si＜1.0％，Mn＜1.0％，P≤0.030％，S≤0.010％，Cr：12.0-14.0％，N：0.070-0.120％，Ni＜1.0％，Mo：0.9-1.5％，其中C和N的含量满足0.20％≤C+N≤0.33％，其余为Fe和不可避免的杂质；
所述钢通过包含如下步骤的方法制造：
冶炼、铸造、轧制以及热处理；
铸造的钢坯或连铸坯在1100-1250℃温度范围内加热，进行轧制，并在900℃以上完成终轧；
然后进行退火处理，退火温度为800-900℃，退火时间为4-8小时；
再进行正火处理，正火温度为1000-1200℃，正火时间为2-5小时。
2.如权利要求1所述的马氏体不锈钢，其特征在于，Si≤0.32％，Mn≤0.85％，S≤0.008％，P≤0.025％，Ni≤0.96％，Mo：0.9-1.26％。
3.如权利要求1或2所述的马氏体不锈钢，其特征在于，所述钢坯是钢水经硅铝脱氧或铝脱氧后进行浇铸得到，浇铸温度在1540-1630℃，过热度为25-50℃。
4.如权利要求1或2所述的马氏体不锈钢，其特征在于，所述的连铸坯是采用电磁搅拌，在1540-1630℃温度，过热度25-50℃，拉速为0.9-1.60m/min下浇铸得到。
5.如权利要求1或2所述的马氏体不锈钢，其特征在于，轧制中加热温度为1100-1250℃，优选1150-1230℃；保温时间为(1-1.5)×板坯厚度(mm)分钟；终轧温度为900℃以上，优选950-1000℃。
6.如权利要求1-5任一所述的马氏体不锈钢，具有高于53HRC的硬度值。
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