马氏体不锈钢、由该钢制造半成品的方法及由半成品制成的切削工具与流程

文档序号:13426320

本发明涉及一种马氏体不锈钢。这种钢主要用于制造切削工具,特别是刀具,例如解剖刀、剪刀刀片或餐刀刀片或家用食品加工机。



背景技术:

用于刀具的钢必须具有很高的耐腐蚀性、抛光能力和硬度。

目前用于生产切削工具刀片的马氏体不锈钢,例如EN 1.4021、EN 1.4028和EN 1.4034级的钢,具有小于或等于14wt%或14.5wt%的Cr含量水平和可变的C含量水平,即,EN 1.4021为0.16%~0.25%,EN 1.4028为0.26%~0.35%,EN 1.4034为0.43%~0.50%。钢的硬度水平主要取决于该C含量水平。

当追求更好的耐腐蚀性时,可以使用EN 1.4419,其具有0.36~0.42%C,13.0~14.5%Cr和0.60~1.00%Mo。

在制造过程中,这些钢通常在AOD或VOD转炉中熔融,然后连续浇铸成扁坯(slabs)、块坯(blooms)或小坯段(billets)的形式,然后热轧以获得钢卷、轧制棒或线材。接下来对它们进行退火以获得含碳化物的铁素体结构,其足够软,能够进行冷轧以得到扁平产品,或者在锻造经热轧的半成品以得到长产品之前便于锯切。

接下来对产品进行再结晶退火。在这种再结晶的含碳化物的铁素体的软化状态下,在进行热处理之前,将产品切割成其最终形状,例如餐刀刀片的形状,其中,该热处理包括通常在950℃至1150℃之间进行高温奥氏体化,然后淬火至环境温度,这使得主要产生马氏体结构。

在这种马氏体状态下,产品具有高硬度,当碳含量高时硬度更高,但也非常脆。然后进行通常在100℃至300℃之间的退火处理,以降低脆性但不过多地降低硬度。接下来对刀片进行各种操作,包括锐磨和抛光,使其具有切削能力和美丽的外观。

上述四个等级的钢在合理成本的前提下都不能同时具有良好的耐腐蚀性、良好的表面状态和高硬度。

EN 1.4419具有良好的耐腐蚀性和高硬度,但由于添加了大量的Mo,成本高昂。

EN 1.4034具有高硬度,但是在抛光后外观一般,因为该等级的钢C含量水平高,存在大量在奥氏体化期间没溶解的碳化物。耐腐蚀性也不足,因为基体中Cr含量水平不足够高,特别是部分Cr被捕捉在没溶解的碳化物中。此外,由于在连续铸造期间在凝固结束时出现的大部分碳化物的裂纹,刀片的切削刃通常会发生缝隙腐蚀。

含有较少C的EN 1.4021和1.4028硬度较低,而且由于Cr含量水平过低而不具有足够的耐腐蚀性。



技术实现要素:

本发明旨在解决上述问题。特别是寻求提供一种用于切削工具的马氏体不锈钢,其具有尽可能高的成本效益,同时具有良好的耐腐蚀性、良好的抛光能力和高硬度。

为此,本发明涉及一种马氏体不锈钢,其特征在于,所述马氏体不锈钢的组成以重量百分比计由以下组成:

0.10%≤C≤0.45%,优选0.20%≤C≤0.38%,更好地,0.20%≤C≤0.35%,最好0.30%≤C≤0.35%;

痕量≤Mn≤1.0%;优选痕量≤Mn≤0.6%;

痕量≤Si≤1.0%;

痕量≤S≤0.01%;优选痕量≤S≤0.005%;

痕量≤P≤0.04%;

15.0%≤Cr≤18.0%,优选15.0%≤Cr≤17.0%,更好地,15.2%≤Cr≤17.0%,最好15.5%≤Cr≤16.0%;

痕量≤Ni≤0.50%;

痕量≤Mo≤0.50%;优选痕量≤Mo≤0.1%;更好地,痕量≤Mo≤0.05%;

痕量≤Cu≤0.50%;优选痕量≤Cu≤0.3%;

痕量≤V≤0.50%;优选痕量≤V≤0.2%;

痕量≤Nb≤0.03%;

痕量≤Ti≤0.03%;

痕量≤Zr≤0.03%;

痕量≤Al≤0.010%;

痕量≤O≤0.0080%;

痕量≤Pb≤0.02%;

痕量≤Bi≤0.02%;

痕量≤Sn≤0.02%;

0.10%≤N≤0.20%,优选0.15%≤N≤0.20%;

C+N≥0.25%;优选C+N≥0.30%;更好地,C+N≥0.45%;

Cr+16N-5C≥16.0%;

优选17Cr+500C+500N≤570%;

其余的是铁和由熔炼所产生的杂质。

所述马氏体不锈钢的微结构优选包括至少75%的马氏体。本发明还涉及一种用于制造由马氏体不锈钢制成的半成品的方法,其特征在于:

由具有前述组成的钢来熔融和浇铸半成品;

将所述半成品加热至大于或等于1000℃的温度;

对所述半成品进行热轧以得到板材、棒材或线材;

在700℃至900℃之间的温度下对所述板材、棒材或线材进行退火;和

对所述板材、棒材或线材进行成形操作。

所述半成品可以是板材,并且所述成形操作可以是冷轧。

所述半成品可以是棒材或线材,并且所述成形操作可以是锻造。

所述已成形的半成品,如果其Cr含量水平在15%至17%之间,接下来可以在950℃至1150℃之间进行奥氏体化,然后以至少15℃/s的速度冷却至小于或等于20℃的温度,然后在100℃至300℃之间的温度下进行退火。

所述已成形的半成品接下来可以在950℃至1150℃之间进行奥氏体化,然后以至少15℃/s的速度冷却至小于或等于20℃的温度,然后在-220℃至-50℃的温度下进行低温处理,然后在100℃至300℃之间的温度下进行退火。

本发明还涉及一种切削工具,其特征在于,所述切削工具由根据前述方法制造的半成品制成。

所述切削工具可以是诸如餐刀刀片、食品加工机刀片、解剖刀或剪刀刀片等刀具。

人们将会理解,本发明在于用一种具有特定组成的马氏体不锈钢来生产切削工具,该不锈钢不含含量水平很高的昂贵元素,而以良好限定的含量范围含有相对大量的氮。Cr、C和N含量水平的特定平衡也是必要的。

附图说明

在阅读下文描述之后,本发明的其他特征和优点将显示出来,下文描述作为示例提供并参照附图1进行,该图示出了基于对根据本发明的钢进行奥氏体化、淬火和退火后的马氏体水平,在1kg载荷下,该钢的维氏硬度的变化。

具体实施方式

关于根据本发明的钢的化学组成,提供下述支持。必须清楚的是,被认为是优选的各元素的含量水平范围是彼此独立的,并且在下文描述中限定的范围的任意组合都被认为在本发明的上下文中,只要与此同时C、N和Cr各自的含量水平满足根据本发明它们之间必须存在的关系。

C增加在奥氏体化、淬火和退火之后的马氏体状态的硬度。然而,它也促成在凝固期间主要碳化物M7C3的沉淀,其可以在抛光或锐磨刀片的过程中被剥离,这会降低产品的表面外观。在抛光之前这些碳化物存在的位置也可能成为缝隙腐蚀的位置。根据奥氏体化温度,过高的C含量水平也会导致在奥氏体基体中过高的C含量水平,这使得不再能够在退火后获得足够的马氏体部分,或者会导致没溶解的碳化物M23C6的持续存在,其会消耗奥氏体基体中的Cr。因此它们降低了耐腐蚀性,并且不利于抛光性。

因此,C含量水平必须至少为0.10%以获得足够的硬度,并且不超过0.45%以获得良好的耐腐蚀性和抛光后符合要求的表面外观。然而,根据所使用的浇铸和凝固方法,对于这种方法在凝固过程中不能保证钢具有足够的均匀性以避免主要碳化物M7C3沉淀的情况,证明将最大C含量水平限制得高一点是有利的。在这种情况下,建议将C含量限制为0.38%,优选0.20%≤C≤0.38%。更好地,0.20%≤C≤0.35%;最好0.30%≤C≤0.35%。

特别是,最佳范围能够避免高硬度,同时将碳化物的形成限制在可接受的比例范围内,由于最大C含量水平相对于更一般范围的降低而可能导致的硬度损失能够由为此存在的足够的氮来补偿,这将在稍后描述。

此外,C含量水平必须满足将其与N含量水平以及将其与N和Cr含量水平相关联的公式,这将在稍后进行解释。

Mn是所谓的伽马性元素(gammagenous element),因为它稳定奥氏体结构。过量的Mn含量水平在奥氏体化和淬火处理后导致马氏体水平不足,这导致硬度降低。因此,Mn含量水平必须在由熔炼所产生的痕量至1.0%之间。优选地,其含量水平限制为0.6%以有助于获得最佳的低Ms温度。

在炼钢过程中,Si是一种有用的元素。其高度还原,因此能够在AOD或VOD转炉中在继脱碳阶段之后的钢还原阶段使Cr氧化物还原。然而,最终钢中的Si含量水平必须在痕量至1.0%之间,因为该元素具有热硬化效果,这限制了在热轧或锻造期间热变形的可能性。优选地,其含量水平限制为0.6%以有助于获得最佳的低Ms温度。

S和P是降低热延展性的杂质。P容易在晶界分离并促成其解理断裂。此外,由于与Mn形成了作为由点蚀引起的腐蚀的起始点的化合物,S降低对这类腐蚀的抵抗力。为此,S和P的含量水平必须分别在痕量至0.01wt%和痕量至0.04wt%之间。优选地,S含量水平不超过0.005%以更好地确保足够的耐腐蚀性。

Cr是耐腐蚀性的必要元素。然而,必须限制其含量水平,因为高含量水平具有将温度Mf(马氏体转变结束时的温度)降低至低于环境温度的风险。这会导致在奥氏体化和淬火至环境温度之后马氏体转变过于不完全,硬度不足。由于这些各种原因,Cr含量水平必须在15.0wt%至18.0wt%之间。然而,建议将Cr含量水平限制在15.0~17.0%,更好地是15.2~17.0%,更好地是15.5~16.0%,特别是当不进行钢的低温处理时,上述范围使得不具有过高的马氏体转变开始时的温度Ms,并因此不会留下过多的残余奥氏体,过多的残余奥氏体会限制硬度,并因此限制拉伸强度Rm,这在马氏体钢中是不希望的。如果需要,由最大Cr含量水平降低而引起的耐腐蚀性降低可以由在本文其他地方所规定的范围内的高N含量水平来补偿。

然而,当Cr含量水平降低时,N在液态金属中的溶解性降低,从而Cr低于15%不再能够在钢的凝固温度下在液体金属中保持足够的溶解的N,这导致在凝固期间形成N2气泡,并且在耐腐蚀性方面N不再能够补偿Cr含量的降低。当凝固时铁水静压力降低时,关于N溶解性的该Cr含量下限也增加。根据所用的浇铸方法的类型和浇铸条件,优选将最小Cr含量水平从15.0%增加至15.2%或15.5%以防止形成N2气泡的任何风险。

Cr含量水平还必须满足将其与N和C含量水平相关联的公式,这将在下文中进行解释。

元素Ni、Cu、Mo和V是昂贵的,并且还降低温度Mf。因此,必须将这些元素中每一种的含量水平限制在痕量至0.50wt%之间,对于Mo优选不大于0.10%。因此,在熔融原料之后不需要添加任何这些元素。更有利的是,Mo含量水平不超过0.05%,以有助于获得最佳低温Ms。同理,优选Cu含量水平不超过0.3%,V含量水平不超过0.2%。

Nb、Ti和Zr是所谓的“稳定性”元素,这是指它们在N和C存在下并且在高温下形成比Cr的碳化物和氮化物更稳定的碳化物和氮化物。然而,这些元素是不希望的,因为它们各自的碳化物和氮化物一旦在制造过程中形成,在奥氏体化期间不再容易溶解,这限制了奥氏体中C和N的含量水平,并因此限制了淬火后马氏体的相应硬度。因此,这些元素中每一种的含量水平必须在痕量至0.03%之间。

同样,Al含量水平必须在痕量至0.010%之间以避免形成Al氮化物,其溶解温度过高,并且会降低奥氏体的N含量水平,因此降低淬火后马氏体的硬度。

O含量水平由钢的制造方法和组成所产生。其必须在痕量至最大值0.0080%(80ppm)之间,以避免形成太多和/或过大的氧化物夹杂物,这些氧化物夹杂物可能构成促成点蚀的起始点,并且在抛光期间也会剥离,使得产品的表面外观不符合要求。O含量水平也影响钢的机械性能,根据最终产品用户的要求任选地可以将其传统地设定为不超过80ppm的极限值。

Pb、Bi和Sn含量水平可以限制为由熔炼所产生的痕量,并且各自必须不能超过0.02%,以免热变形变得困难。

关于良好限定的含量水平,控制N含量水平是本发明一个重要方面。与C一样,当在固溶体中时,它可以提高马氏体的硬度,而没有在凝固期间形成沉淀的缺点。如果不希望C含量水平过高以避免形成太多沉淀,则加入N可以补偿硬度损失。氮化物在低于碳化物的温度下形成,这使得它们在奥氏体化期间更容易进入溶液中。固溶体中N的存在也提高了耐腐蚀性。

然而,过高的N含量水平不再允许其在凝固期间完全溶解,并且导致形成N2气泡,该气泡在钢凝固期间形成气孔(孔),对金属的内部状况有害。

由于这些各种原因,N含量水平必须在0.10wt%至0.20wt%之间,优选在0.15wt%至0.20wt%之间。

N含量水平还必须满足将其与Cr和C含量水平相关联的公式。

实际上,马氏体的硬度取决于其C和N含量水平。本发明人已经表明,这两种元素的硬化效果类似,因此马氏体的硬度取决于其C+N的总含量水平。本发明人已经证实,如果遵循以下公式,则淬火和退火后的硬度足够:

C+N≥0.25%,优选C+N≥0.30%

在本发明一个更优选的实施方式中,如果遵循以下公式,淬火和退火后能够获得甚至更高的硬度:

C+N≥0.45%。

三种元素影响耐腐蚀性。Cr和N是有益的,而C具有负面影响,因为在奥氏体化期间通常不可能溶解所有的Cr碳化物,因为在工业实践中,出于生产率和成本方面的原因限制了处理时间和温度。没溶解的Cr碳化物降低了奥氏体基体的Cr含量水平,从而降低了耐腐蚀性。

根据对具有不同重量含量的Cr、N和C的马氏体钢的耐腐蚀性研究,本发明人发现了使这些各种元素相关联的公式,该公式可以确保非常好的耐腐蚀性。

Cr+16N-5C≥16.0%

一个优选但非强制性的条件是:

17Cr+500C+500N≤570%

该条件可以确保温度Ms不会太高,因为相对于同时满足所选择的C、N和Cr的上限含量水平所允许的Ms,遵循该公式使得Ms降低约60℃。

在以大于100℃/s的冷却速度在20℃水中进行淬火,随后在200℃下进行退火之前,在不同温度下对根据本发明的钢进行了奥氏体化测试,以改变溶解的碳化物比例,由此改变奥氏体中的碳含量水平,继而改变淬火后马氏体中的碳含量水平。测量了马氏体水平以及维氏硬度,以追踪硬度随马氏体水平的变化,并且将具有表1中实施例I4的组成的钢的结果示于图1中。

图1示出随着马氏体水平降低,硬度开始增加,因为马氏体由于碳富集而硬化。硬度达到最大值,然后当马氏体水平变得太低时硬度降低。低于75%的马氏体,马氏体的硬化不再抵消与硬度较低的残余奥氏体的存在相关的软化。为此,在本发明一个优选实施方式中,适合于由铸钢制造切削工具,在奥氏体化、以至少15℃/s的速度淬火至低于或等于20℃、然后在100℃~300℃,通常为200℃的温度下退火之后的钢的马氏体水平大于或等于75%。

如果在淬火至20℃或更低的温度下之后且在进行100℃~300℃的退火之前进行低温处理,即,在-220℃至-50℃的非常低温的介质中,通常在-196℃的液氮中或-80℃的二氧化碳雪中进行淬火,可以更好地确保获得能够达到100%的高马氏体水平。

当马氏体含量水平没有达到100%时,剩余的微结构通常主要由残余奥氏体构成。也可能有铁素体。

作为非限制性实施例,下述结果将示出本发明的有利特征。

以重量百分比表示的各测试钢样品的组成示于表1中。标下划线的值是不符合本发明的值。我们还报道了每个样品的C+N值、Cr+16N-5C值和17Cr+500C+500N值。

表1:测试样品的组成

铸造后,将这些钢加热至高于1100℃的温度,热轧至3mm的厚度,在800℃的温度下退火,然后酸洗并冷轧至1.5mm的厚度。

接下来在800℃的温度下对钢板进行退火。

接下来经退火的钢板在1050℃下进行奥氏体化处理15分钟,然后在水中淬火至20℃。

在将板材切割成两部分后,接下来将其中一部件浸没在-80℃的恒温浴中10分钟,以能够评估相对于仅在水中淬火还进行了低温处理的效果。

接下来在200℃下对各板材部分进行退火1小时。

表2示出了对这些钢的测试和观察结果。标下划线的值对应于被认为不足的性能水平。

在浇铸后,对原始凝固状态的内部状况进行评估,得知随后的转变操作不会损坏内部状况。

在20℃的水中淬火后和在通过-80℃下淬火进行低温处理后,测量了马氏体水平,其中,这些淬火中的该淬火或第二次淬火之后进行了在200℃下的退火。当在20℃的水中淬火后马氏体水平大于或等于75%时,表2中给出的其他结果涉及在20℃下淬火然后在200℃下退火的状态。当在20℃的水中淬火后马氏体水平低于或等于75%时,表2中给出的其他结果涉及在-80℃下进行低温处理(淬火至非常低的温度,例如在二氧化碳雪中进行),然后在200℃下退火之后的状态。

通过在pH 6.6下并且在23℃下在由NaCl 0.02M构成的环境中发生的点蚀,通过电化学腐蚀测试,对耐腐蚀性进行了评估。对24个样品进行的电化学测试可以确定电势E0.1,在该电势下电点蚀概率等于0.1cm-2。如果相对于饱和有KCl的甘汞电极测量的电势E0.1小于350mV(350mV/ECS),认为耐腐蚀性是不符合要求的。如果电势E0.1在350mV/ECS至450mV/ECS之间,认为耐腐蚀性是符合要求的。如果电势E0.1大于450mV/ECS,认为耐腐蚀性是非常符合要求的。

根据标准EN ISO 6507,在1kg具有正方形基面的锥形金刚钻压头的载荷下,在镜面抛光切削的厚度中测量了维氏硬度。用10个压痕来计算获得的硬度的平均值。如果平均硬度小于500HV,认为硬度是不足的。如果平均硬度在500HV至550HV之间,认为硬度是符合要求的。如果平均硬度在551HV至600HV之间,认为硬度是非常符合要求的。如果平均硬度大于600HV,认为硬度是优异的。

通过依次使用SiC 180、320、500、800和1200砂纸用30N的力对中等厚度的样品进行平坦抛光,然后用粒径为3μm,然后用粒径为1μm的金刚石浆料在20N的力下对板材进行抛光,测量了抛光性。接下来通过放大倍数为100的光学显微镜观察表面。如果传统上称为“彗尾”的瑕疵密度大于或等于100/cm2,认为抛光性是不足的。如果该密度在10/cm2至99/cm2之间,认为抛光性是符合要求的。如果该密度在1/cm2至9/cm2之间,认为抛光性是非常符合要求的。如果该密度小于1/cm2,认为抛光性是优异的。

通过用放大倍数为25的光学金相显微镜观察原始凝固钢的切口评估了内部状况。如果观察到反映凝固时形成氮气泡的球状空洞(气孔),那么内部状况不符合要求,并且在表2中由值“0”表示。否则,认为内部状况是符合要求的,并且在表2中由值“1”表示。

通过X射线衍射测量相较于奥氏体特征射线强度的马氏体特征射线的强度,测量了马氏体水平,得知在所有测试样品中,它们仅存在两相。通常,不排除在根据本发明的样品中可以略微观察到其他相。在本发明的上下文中,首要考虑的是马氏体水平。

在20℃淬火并在200℃退火后马氏体水平大于或等于75%,或者在20℃淬火,在-80℃下进行低温处理并在200℃退火后马氏体水平大于或等于75%,则符合要求。如果通过这些处理之一不能获得75%以上的马氏体水平,认为该样品不符合要求。

表2:对表1样品进行测试的结果

根据本发明的钢I1至I6以及钢I8至I0组合了良好的耐腐蚀性、硬度和抛光性能,并且具有良好的内部状况以及在20℃淬火后具有大于或等于75%的马氏体水平。

根据本发明的钢I7组合了良好的耐腐蚀性、硬度和抛光性能,并且具有良好的内部健康以及大于或等于75%的马氏体水平,但是基于在-80℃下进行低温处理的条件下。实际上,仅在20℃的水中淬火后,马氏体水平仍然不足,这与Cr以高于根据本发明的其他样品的含量水平存在有关。

在N含量水平相当的情况下,可以看出,一方面是C在0.10%至0.20%之间的样品I1、I2;和另一方面是C在0.20%至0.30%之间的样品I3,以及最重要的C为0.30%至0.35%的I8、I9、I10之间硬度增加。

C含量仍然很高而N含量与前述情况相同的I14具有比它们低的硬度,因为淬火后的马氏体部分由于温度Mf降低而开始减少,其中,温度Mf的降低与17Cr+500C+500N的总和很大(见表1)有关。同样,在N和其他必需元素含量相当的情况下,可以看出,Cr含量增加可以提高耐腐蚀性(见样品I8和I9)。然而,Cr含量水平的增加倾向于降低硬度;见样品I8、I10和I11,它们组成的显著差异仅在于Cr。Cr含量超过18%可以提高耐腐蚀性,但是导致C和N含量水平降低以保持符合要求的Ms,并且不再能确保合适的硬度。

参考钢R1至R3的Cr和N含量,以及C+N和/或Cr+16N-5C总和都不符合要求,其不能提供足够的耐腐蚀性。

参考钢R4和R5的Cr含量不足。没有通过添加N来进行补偿,钢R4也具有不足的Cr+16N-5C组合,导致其耐腐蚀性不符合要求。对于钢R5,通过添加N补偿Cr的缺乏重新使得耐腐蚀性符合要求,但不再能够确保良好的内部状况,因为Cr含量水平不再足以允许N在液态金属中完全溶解。

参考钢R6的C含量过高,N含量水平不足。由于形成过量的碳化物,过高的C含量水平不具有足够的抛光性。

参考钢R7的N含量水平过高,损害内部状况。参考钢R14也是如此。参考钢R8的C含量水平过高,这导致较差的抛光性和过低的马氏体水平,即使在-80℃下进行低温淬火后也如此。参考钢R9含有太多的Cr,这导致马氏体水平不足,即使在-80℃下进行低温淬火后也如此。

参考钢R10和R11的C含量过低,并且C+N总和不足,导致硬度过低。参考钢R12和R13就每种元素各自的含量水平而言符合根据本发明的组成,但它们的Cr+16N-5C含量水平低于16.0%,不足以保证与符合本发明所有方面要求的钢(包括Cr+16N-5C的总和仅稍微超过16.0%的那些)具有同样高的耐腐蚀性。

根据本发明的钢有很好的理由用于生产切削工具,例如解剖刀、剪刀、餐刀刀片或食品加工机用圆形刀片。

再多了解一些
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