CN104711482A - 一种控氮马氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种控氮马氏体不锈钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C：0.05～0.35％，Si：0.01～1.0％，Mn：0.01～2.5％，P≤0.04％，S≤0.01％，Cr：11.0～15.0％，N：0.05～0.15％，V：0.05～0.25％，Mo：0.01～1.5％，Nb：0～0.1％，Ti：0～0.1％，其余为Fe以及不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：0.1％≤C+N≤0.4％，0.05％≤V+Ti+Nb≤0.25％。本发明钢硬度为30～50HRC，20℃夏比V型纵向冲击功＞30J，具有高硬度和高韧性的良好匹配。

Description

一种控氮马氏体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明属于马氏体不锈钢领域，具体涉及一种控氮马氏体不锈钢及其制造方法。

背景技术

马氏体不锈钢是铬系不锈钢，广泛应用于刀剪、量具、水轮机叶片等对强韧性和耐腐蚀有一定要求的领域。其中，中低碳马氏体不锈钢要求同时具有较高的硬度(30～40HRC)和较好的韧性(夏比V型缺口冲击功＞30J)。马氏体钢主要通过添加碳元素来提高热处理后的强度、硬度，但是碳含量提高会降低韧性。所以，高强度和高韧性始终是马氏体钢的一对性能矛盾。

中国专利CN103255340公开了一种高强韧性的热成形钢板和制备方法，利用淬火+成分设计的方法实现复相组织，克服了高强度汽车用钢成形后强度高、韧性不足的问题，但其仍然是以碳为主要的强化合金元素，再配合以工艺的优化来达到最佳的强度和韧性；该专利的缺点在于较高的碳容易造成成品的碳偏析，对钢板的性能均匀性和耐腐蚀性能有较大的影响。中国专利CN103243275公开了一种低合金高强钢，通过成分设计和回火处理得到了贝氏体+马氏体+奥氏体复相组织，达到了良好的强塑性和韧性配合。CN103045950也公开了一种低合金化低成本钢，通过快速淬火和碳再分配增加钢强度、保证了良好的韧性。但是中国专利CN103243275、CN103045950中20℃夏比冲击功仅≤25J，韧性不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控氮马氏体不锈钢及其制造方法，该钢经过淬火处理后仍然可以保持优良的力学性能——高硬度和高韧性，洛氏硬度为30～50HRC，冲击功＞30J。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种控氮马氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.35％，Si：0.01～1.0％，Mn：0.01～2.5％，P≤0.04％，S≤0.01％，Cr：11.0～15.0％，N：0.05～0.15％，V：0.05～0.25％，Mo：0.01～1.5％，Nb：0～0.1％，Ti：0～0.1％，其余为Fe以及不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：0.1％≤C+N≤0.4％，0.05％≤V+Ti+Nb≤0.25％。

进一步，所述控氮马氏体不锈钢的硬度为30～50HRC，20℃夏比V型纵向冲击功＞30J。

本发明所述控氮马氏体不锈钢的显微组织为马氏体+残余奥氏体复相组织。

在本发明成分设计中：

C：是重要的奥氏体化元素，C可以保证高温时得到全奥氏体组织；C是保证热处理后硬度的重要元素，也是重要的固溶强化元素和析出强化元素；C可以以间隙原子的形式存在于钢中，在淬火后的再加热过程中可以通过相间扩散完成再分配，稳定残余奥氏体组织；过高的C含量一方面增加脆性，另一方面也有损耐蚀性。因此，本发明C含量控制为0.05～0.35％，并且与氮元素配合使用。

N：与C一样是奥氏体化元素、可以以间隙原子形式存在，具有固溶强化作用，N在奥氏体中的溶解度要高于C，在热处理过程中N的析出物较少，同时固溶在基体中的N可提高不锈钢的耐腐蚀性能，因此N是一种既能提高马氏体不锈钢强度，又能提高耐腐蚀性能的元素。因此，本发明N含量控制为0.05～0.15％。

Si：主要作为脱氧剂加入到钢中，起着固溶强化作用。在提高抗高温氧化性能方面，Si也有明显的作用。但是，钢中Si含量高延展性变差，因此，从提高铁素体不锈钢的可加工性考虑，控制Si含量为0.01～1.0％。

Mn：Mn既是脱氧元素又是固溶强化元素，能显著提高钢的强度，但Mn含量过高不利于退火软化。因此，本发明Mn含量控制为0.01～2.5％。

P：P是有害元素，因此根据生产控制水平尽量地降低。

S：S也是一种有害元素，形成的硫化物不仅会产生热脆而且会降低耐蚀性，通常S含量控制为≤0.01％，以避免S的有害作用。

Cr：是提高不锈钢耐蚀性的元素，但Cr是强铁素体形成元素，含量高时会使低碳马氏体钢奥氏体化困难，也会使成本提高。因此，本发明Cr含量控制在11～15％。

Nb：Nb是不锈钢微合金化元素，在高温下可与C结合，形成细小的NbC，起到析出强化基体的作用，另外Nb的添加还可以细化高温奥氏体晶粒，从而优化最终的马氏体组织。但是由于Nb是强铁素体形成元素，Nb过多加入会缩小奥氏体相区，从而使冷却后难以形成马氏体组织。因此本发明中Nb是选加元素，含量控制在0～0.1％。

Ti：Ti也是一种强铁素体形成元素，Ti的过量加入使得马氏体难以形成。但是微量的Ti可以在钢液中形成TiN，在钢液凝固过程中起到非均匀异质形核的作用，可以提高板坯的等轴晶比例，从而提高马氏体不锈钢最终成品的韧性。因此，本发明中Ti是选加元素，含量控制在0～0.1％。

C、N：为了达到奥氏体完全、高硬度(30～50HRC)、高韧性的目的，C和N须配合使用，具体要求0.1％≤C+N≤0.4％。过高的C+N会使材料的奥氏体化相区变大，冷却形成过度的针状马氏体，针状马氏体必然会恶化材料的力学性能，使材料的硬度过高，延伸性能和冲击韧性变差；另外，超过0.4％的碳氮含量，使得更多游离态碳氮元素从基体中析出，形成碳化铬、氮化铬等析出物，这些析出物在晶界处析出，同时带走了晶界处固溶的铬元素，使得晶界耐蚀性能下降，材料容易发生晶界腐蚀。而低于0.1％的碳和氮，又会使材料的强度、硬度无法达到要求，因为碳、氮是马氏体不锈钢中最有效的强化元素。因此，碳氮含量应达到上述要求。

V、Ti、Nb：都是强碳氮化物元素，其中，本发明中V和N元素形成细小的VN析出相，这种析出相在热轧时析出，能够有效起到第二相析出强化的作用，而Nb和Ti则主要与碳结合，起到固定游离态碳元素的作用，避免碳和铬发生反应，降低本发明的耐腐蚀性能。由于本发明中N含量较高，而C含量相对较低，因此Ti和Nb为选择加入元素，本发明控制0.05％≤V+Ti+Nb≤0.25％。

本发明的控氮马氏体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：首先，按权利要求1所述的成分冶炼、铸造成钢坯或连铸坯；接着，热轧制成热轧钢板或钢带，热轧温度为1150～1250℃；然后，退火；再将退火后的钢板或钢带加热至850～1000℃，保温5～30min，然后以≥30℃/s的速度快速冷却至马氏体和奥氏体两相区；接着，将钢板或钢带再加热至350～500℃，保温10～30min，空冷至室温。

本发明热轧加热温度为1150～1250℃：本发明的成分体系内N元素在1250℃左右开始析出，随着温度的升高，析出量越来越大。因此，本发明的热轧加热温度设定在1150～1250度之间，为了防止N的析出，让N更好的溶解在基体中，来提高本发明的强度，硬度等力学性能。

本发明热轧后采用常规方法进行退火，退火后的组织为铁素体+碳化物，具有较低的硬度和较高的延伸性能，适合冲裁、剪切、压延加工。

本发明将退火后的钢板或钢带加热至850～1000℃，保温5～30min，主要为了保证钢能够完全奥氏体化，碳、氮化物充分固溶。由于马氏体不锈钢在高温下能够形成奥氏体组织，而形成奥氏体的温度和其成分有一定的关系。在本发明的成分体系内，其形成奥氏体的温度为800～950℃，考虑到相转变需要一定的过热度，而50℃的过热度可以保证组织的完全相比。因此，本发明的退火温度定为850～1000℃。而保温时间和钢板的厚度有密切的关系，从钢材的生产实际来看，时间定为5～30min。

本发明以≥30℃/s的速度快速冷却至马氏体和奥氏体两相区，即将温度冷却至马氏体转变开始温度(Ms)与终了温度(Mf)之间，获得马氏体和奥氏体双相组织。Ms温度的计算方法为：Ms(℃)＝539-430×[C+N]-30×[Mn]-12×[Cr]-5.0×[Si]，其中[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[N]分别为C、Si、Mn、Cr、N在马氏体不锈钢中的重量百分含量×100；Mf温度的计算方法为：Mf(℃)＝Ms-250。

本发明用以≥30℃/s的速度快速冷却可以避免碳、氮化物在冷却过程中析出。在本发明的成分体系内，当冷却速度低于30℃/s时，碳氮等固溶在奥氏体基体中的固溶原子有足够的时间从基体中析出，形成金属碳氮化物，碳氮原子就无法达到固溶强化的效果，马氏体不锈钢的强度和硬度就无法到达本发明的要求。

本发明再加热至350～500℃，保温10～30min，使碳、氮间隙原子从马氏体组织中通过扩散进入奥氏体组织中，使未完成马氏体转变的奥氏体组织稳定性增加。由于在≥30℃/s的冷却速度下，碳氮原子全面形成过饱和的体心立方，此时马氏体强度硬度很高，但是韧性不足，再加热到350～500℃后，碳氮原子可以自由移动，但是基体又不会发生组织转变，这样一方面消除了残余应力，一方面又形成稳定的组织，有效提高了本发明的韧性。

本发明的有益效果：

本发明通过合理控制C、N含量，使得中低碳的马氏体不锈钢在强度和硬度方面达到了高碳马氏体不锈钢的指标，而韧性和耐蚀性又保留中低碳马氏体不锈钢的特性，有效的解决了马氏体不锈钢强度、韧性、耐蚀性等互相矛盾、难以匹配的难题。

本发明制备的马氏体不锈钢为马氏体+残余奥氏体复相组织，同时具有高硬度和高韧性；特别是经过淬火处理后仍然可以保持优良的力学性能，具体是钢的硬度为30～50HRC，20℃夏比V型缺口冲击功＞30J，具有高硬度和高韧性的良好匹配，完全满足刀具用钢的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1成分体系内N的析出含量随温度的变化示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

以下实施例1-5的耐磨钢板和对比例1、2的钢板，其化学成分的重量百分比如表1所示。实施例1-5的耐磨钢板和对比例1、2的钢板的制造方法为：按表1成分冶炼、铸造，热轧制成热轧钢板或钢带，热轧温度为1150～1250℃，退火；将退火后的钢板或钢带加热至850～1000℃，保温5～30min，然后以≥30℃/s的速度快速冷却(风冷)至马氏体和奥氏体两相区；再加热至350～500℃，保温10～30min，空冷至室温。实施例1-5和对比例1、2的具体工艺参数如表2所示。

对本发明实施例1-5及对比例1、2的钢板进行力学性能测试，其结果如表3所示。由表3可知，本发明钢的硬度为30～50HRC，20℃夏比V型缺口冲击功＞30J，具有高硬度和高韧性的良好匹配，完全满足刀具用钢的要求。

图1为Thermo-Calc相图软件计算本发明实施例1成分体系内N的析出含量随温度的变化，由图1可知，本发明的成分体系内N元素在1250℃左右开始析出，随着温度的升高，相比例由0增大到25％以上，析出量越来越大。因此，本发明的热轧加热温度设定在1150～1250℃之间就是为了防止N的析出，让N更好的溶解在基体中，来提高本发明的力学性能。

表1              单位：wt％

编号	C	Si	Mn	P	S	Cr	N	V	Nb	Ti	Mo	C+N	V+Ti+Nb
														实施例1	0.05	0.33	2.45	0.02	0.004	12.3	0.05	0.05	0	0	0.01	0.10	0.05
实施例2	0.08	0.53	1.34	0.02	0.006	11.2	0.07	0.07	0	0	0.01	0.15	0.07
														实施例3	0.10	0.27	1.78	0.03	0.002	11.8	0.09	0.08	0.1	0	0.5	0.19	0.18
实施例4	0.23	0.42	0.35	0.02	0.001	15.0	0.14	0.15	0	0.05	1.1	0.37	0.2
														实施例5	0.35	0.32	0.56	0.02	0.001	12.6	0.05	0.2	0	0.05	1.5	0.40	0.25
对比例1	0.13	0.42	0.35	0.02	0.001	11.5	0.03	0.01	0	0	0	0.16	0.02
														对比例2	0.15	0.32	0.56	0.02	0.001	12.6	0.04	0	0	0	0	0.19	≤0.01

表2

表3

Claims (6)

1.一种控氮马氏体不锈钢，其成分重量百分比为：C：0.05～0.35％，Si：0.01～1.0％，Mn：0.01～2.5％，P≤0.04％，S≤0.01％，Cr：11.0～15.0％，N：0.05～0.15％，V：0.05～0.25％，Mo：0.01～1.5％，Nb：0～0.1％，Ti：0～0.1％，其余为Fe以及不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：0.1％≤C+N≤0.4％，0.05％≤V+Ti+Nb≤0.25％。

2.根据权利要求1所述的控氮马氏体不锈钢，其特征在于，所述控氮马氏体不锈钢的硬度为30～50HRC，20℃夏比V型纵向冲击功＞30J。

3.根据权利要求1或2所述的控氮马氏体不锈钢，其特征在于，所述控氮马氏体不锈钢的显微组织为马氏体+残余奥氏体复相组织。

4.如权利要求1所述的控氮马氏体不锈钢的制造方法，其特征是，包括：首先，按权利要求1所述的成分冶炼、铸造成钢坯或连铸坯；接着，热轧制成热轧钢板或钢带，热轧温度为1150～1250℃；然后，退火；再将退火后的钢板或钢带加热至850～1000℃，保温5～30min，然后以≥30℃/s的速度快速冷却至马氏体和奥氏体两相区；接着，将钢板或钢带再加热至350～500℃，保温10～30min，空冷至室温。

5.根据权利要求4所述的控氮马氏体不锈钢的制造方法，其特征是，所述控氮马氏体不锈钢的硬度为30～50HRC，20℃夏比V型纵向冲击功＞30J。

6.根据权利要求4或5所述的控氮马氏体不锈钢的制造方法，其特征是，所述控氮马氏体不锈钢的显微组织为马氏体+残余奥氏体复相组织。