专利名称：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C0.15～0.21、Si0.05～1.00、Mn0.3～1.0、Cr10.5～14.0、Ti0～0.050、V0～0.50、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C0.17～0.22、Si≤2.0、Mn≤2.0、Cr14.0～15.0、Mo0.70～1.30、N0.10～0.15，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C0.134～0.20、Si≤0.5、Mn≤2.0、Ni1.0～5.0、Cr12.0～16.0、Mo1.3～3.5、N0.06～0.13，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C0.15～0.40、Cr11.0～15.0、Mo1.00-3.00、Ni0.10～1.50、Cu0.1～2.0、N0.02～0.15，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C0.12～0.17、Si≤1.0、Mn≤2.0、Cr12.5～14.5、N0.06～0.10、C+N0.210～0.265，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％
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C0.20～0.25、Si≤1.00、Mn≤1.50、P≤0.035、S≤0.030、Cr12.5～14.5、N0.07～0.12，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σb≥520MPa、σ0.2≥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。
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)。
具体实施例方式 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σb≥520MPa、σ0.2≥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 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。
权利要求
1.一种马氏体不锈钢，其成分质量百分比为C0.20～0.25、Si≤1.00、Mn≤1.50、P≤0.035、S≤0.030、Cr12.5～14.5、N0.07～0.12，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。
全文摘要
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C0.20～0.25、Si≤1.00、Mn≤1.50、P≤0.035、S≤0.030、Cr12.5～14.5、N0.07～0.12，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。
文档编号C22C38/18GK101638750SQ20081004108
公开日2010年2月3日 申请日期2008年7月28日 优先权日2008年7月28日
发明者斌 秦, 军 王, 孙全社 申请人:宝山钢铁股份有限公司