一种多层复合不锈钢材料及其制造方法与流程

本发明涉及一种不锈钢板材及其制备方法。

背景技术：

不锈钢复合板是由不同种不锈钢或不锈钢与其它钢种通过一定方式结合成一个整体，是一种同时具备了不同材料各自的优点，又规避了各自劣势的新型材料。这种材料在国内外被广泛应用在石油、化工、海水淡化制盐、水利设施建设等行业。

刀剑用钢要求有高硬度、高韧性和良好的耐腐蚀性，特别是厨房刀具用钢不但要求有良好的强韧性组合，还要求满足食品卫生标准要求。为了达到以上要求，不少企业尝试用复合技术来改善刀剑用钢的综合性能，采用高碳高硬度的刃钢和低碳低硬度的软钢作为原料，以两片硬度较低的不锈钢夹住硬度较高的硬钢锻打。这种材料制成的产品其两侧软钢在改善刀身的韧性的同时还具有良好的防锈性，有利于提高食品卫生环境；中心硬钢可以提升刃口的强度和锋利维持性。但是，尽管以夹钢方法制造的刀剑可以在一定程度上改善刀剑的性能，但是这种制造方法更适合碳钢的制造，并且这种钢很难解决刃口附近硬钢的脆性问题。

专利CN2736159Y公开了一种多层复合不锈钢花纹钢的制造方法。这种方法制备的钢钢材中心是一层不锈钢刃钢层，两侧由多层不锈钢层与镍金属层间隔组成，表面美观而且不易生锈，但是，在磨砺时刃钢和两侧钢层很难区分，要使刃钢正好处于刃口上需要人工专门控制，同时在刃口位置处刃钢没有两侧的韧层保护，易出现崩刃。

专利CN1364667A公开了一种多层折叠花纹钢及其制造方法，它以半硬钢与硬钢交叠锻打，经多次折叠，最后夹入一层弹簧钢，采用加温并利用气锤锻制使弹簧钢与硬钢和半硬钢结合为一体。这种材料锋利、有韧性、美观。但是，这种方法以碳钢为材料，易生锈、不符合食品卫生要求，同时这种制造方法劳动强度大、费时费力，且不适合规模生产。

技术实现要素：

本发明的主要目的是克服上述不足，提供一种多层复合不锈钢材料，该不锈钢经过热处理后，具有优良的硬度、韧性和耐蚀性组合，适合用于制造高品质的厨刀、户外刀、宝剑等刀剑制品。

为达到上述目的，本发明的技术方案是选用高硬度和高韧性的两种不锈钢板材A、B作为复合基材，它们各自的成分组成(重量百分比)分别为，不锈钢A：C＝0.5～1.2％、N 0.15％、Si 1.0％、Mn 2.0％、P 0.04％、S 0.01％、Cr＝13.0～18.0％、0.6％C+N 1.2％、Mo 4.0％、Cr+3.3Mo+20N≥16；不锈钢B：C 0.08％、N 0.05％、Si 1.0％、Mn 2.0％、P 0.04％、S 0.01％、Cr＝16.0～20.0％、Ni＝8.0～10.0％、C+N 0.10％、Mo 4.0％，两种基材的余量为Fe以及其它不可避免的杂质。

采用此种基材生产的钢材，其硬度能够达到55～60HRC，夏比V型缺口冲击功＞15J，点腐蚀电位＞80mV。

为了达到上述参数要求，基材的生产加工过程大致包括：

第一步，用磨、铣、刨等方法去除A和B不锈钢两侧的氧化皮，然后用丙酮去除表面的油渍。去除氧化皮可以增加复合面的熔合比，而丙酮清洗能够增加结合面冶金结合。

第二步，将多层A和B两种不锈钢层状间隔叠合，使复合后的不锈钢实现强韧性的有机结合。其中，不锈钢A与不锈钢B的厚度比例优选为5～10，不锈钢A与不锈钢B厚度比例大于5可以保证复合钢有足够的强度，而厚度比例小于10可以保证复合钢有足够的韧性。

第三步，用真空电子束法将边部焊实做成热轧坯料。在真空下的焊接可以有效避免基材结合面氧化。轧后原来的不锈钢A和B被轧薄，高硬度的不锈钢A的厚度小于0.05mm，而高韧性的不锈钢B的厚度小于0.01mm,这样的厚间厚度可以保证刀剑刃口处有很高的强度，同时刀身具有良好的韧性。

第四步，将钢坯热轧制成热轧钢板或钢带，其中热轧加热温度为1000～1200℃，终轧温度为850～1000℃。

第五步，先对钢板进行退火处理，退火温度为780～900℃，保温时间为4～20小时，冷却方式为随炉冷却；然后对钢板进行固溶处理，固溶温度为1050～1100℃，冷却方式为油冷或空冷；再对钢板进行回火处理，回火温度为180～240℃，保温时间为2～6小时，回火后冷却方式为空冷。

采用以上选材和方法生产的钢板具有马氏体、奥氏体、碳氮化合物第二相质点的复相组织，其中马氏体组织和奥氏体组织呈层状分布，而碳氮化合物主要分布在马氏体组织中。

其中值得注意的是

在钢材A中

关于C含量的控制：C是最常用的强化元素，主要以固溶强化和碳化物析出强化两种方式发挥作用。碳化物析出强化效果显著，并随C含量增加强度和硬度呈直线上升，但钢的塑性、韧性和工艺性能同时呈直线下降。为提高本发明的强度、硬度和加工性能，将钢中C含量控制在0.5～1.2％。

关于N含量的控制：N在此不锈钢中的作用与C相似，主要以固溶强化和碳化物析出强化两种方式发挥作用。同时，N还有提高耐腐蚀性能的作用，它以固溶形式存在时提高耐腐蚀性能的作用约是Cr的20倍。但是，过量的氮会导致工艺性能下降，因而将氮的含量控制在0.15％。

关于Cr含量的控制：Cr是提高耐腐蚀性能的主要元素，它的控制范围为13.0％～18.0％，含量过低时耐腐蚀性不高，过高时工艺要求提高。

关于Mo含量的控制：钼能促使不锈钢表面钝化，提高不锈钢的抗点腐蚀和缝隙腐蚀的能力。

关于C、N含量的控制：C和N都是钢铁材料中最常用的强化元素，碳氮化物析出强化效果显著，并随C和N含量增加强度和硬度呈直线上升，但钢的塑性、韧性和工艺性能同时呈直线下降。为提高本发明的强度、硬度和加工性能，将钢中C+N含量控制在0.6～1.2％。

关于Cr+3.3Mo+20N值的控制：Cr+3.3Mo+20N值是用来表征不锈钢耐腐蚀性能的重要指标，此值越高代表耐腐蚀性越好。Cr+3.3Mo+20N值与不锈钢的点蚀电位基本相对应，当它的值高于16时，不锈钢点蚀电位值高于80mV，就有比较可靠的防锈性，可以通过一般的通用金属离子迁移测试。

在钢材B中

关于C含量的控制：C是奥氏体化形成元素，随着含碳量的增加奥氏体的稳定会增加，但是耐腐蚀性会下降，因此其含量控制在0.08％。

关于N含量的控制：N也是奥氏体化形成元素，随着含氮量的增加奥氏体的稳定会增加，但是耐腐蚀性会下降，因此其含量控制在0.05％。

关于Cr含量的控制：Cr的作用是提高不锈钢的耐蚀性，如进一步提高钢中Cr含量，虽可提高钢的耐蚀性能，但会引发钢中δ铁素体含量快速增加，从而导致热加工塑性变差。

关于Ni含量的控制：Ni的作用是奥氏体元素稳定化元素，使其在高温冷却过程中保温至室温。Ni含量控制在8.0～10.0％之间。

关于Mo含量的控制：钼能促使不锈钢表面钝化，提高不锈钢的抗点腐蚀和缝隙腐蚀的能力。

关于C、N含量的控制：C和N都是奥氏体化元素，但是，过高的含量会导致耐腐蚀性下降。控制范围为C+N 0.10％。

附图说明

图1是本发明各实施例的化学成分示表。

图2是本发明各实施例的性能参数表。

图3是本发明实施例3经截面磨平、抛光后在显微镜下的微观层状结构照片。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示，进一步阐述上述技术方案。

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。采用如图1所示各组实施例，将两种钢板基材先在780℃退火20小时后缓冷，然后经1050℃淬火空冷，再在180℃回火6小时后空冷，最后将其截面磨平、抛光，并在光学显微镜下观察截面形貌。图1中灰色层是高硬度马氏体不锈钢A，它的层厚约为0.05mm；白色层是高韧性的奥氏体不锈钢B，它的层厚约为0.01mm。两种不锈钢的层厚比约为5：1。这种钢经过热处理后的硬度可以达到55HRC，点蚀电位达到120mV，夏比V型缺口冲击功达到25J。

本发明钢的硬度主要通过控制高硬度不锈钢A中的C和N的含量、层厚和两种不锈钢的层厚比来保证的，实施例1～5除了含C量达到0.5％以上外，其C+N含量达到了0.6％，高硬度不锈钢A与高韧性不锈钢B层厚的比例都达到5，每层的厚度≤0.05mm，这时复合后的钢经热处理后硬度都达到55HRC。相比较而言，尽管对比例6中的含碳量达到了0.51％，高硬度马氏体不锈钢A与高韧性奥氏体不锈钢层厚的比例也达到5，每层的最大厚度约为0.04mm，但是C+N含量仅为0.56％，热处理后的硬度为53HRC，未达到使用要求。

本发明钢的韧性主要通过高硬度不锈钢A与高韧性不锈钢B的层厚比来实现的。当前者与后者的比例大于10时就不能保证冲击功达到15J以上了。实施例1～5中高硬度不锈钢A与高韧性不锈钢层厚的比例都控制在5～10，热处理后的冲击功都达到了15J以上.而对比例7中的比例扩大到12时，冲击功仅为7J，不能达到使用要求。

本发明钢的耐腐蚀性能主要是通过控制耐蚀性相对稍差一点的高硬度不锈钢A的Cr+3.3Mo+20N值来现的，Cr+3.3Mo+20N值越高代表耐腐蚀性能越好。由表1可以看到，实施例1～5中高硬度不锈钢A的Cr+3.3Mo+20N值都高于16，与此对应的，它们的点蚀电位都达到80mV，代表有比较可靠的防锈性，可以通过一般的通用金属离子迁移测试，符合食品卫生使用要求。而对比例7中Cr+3.3Mo+20N值为14.59，其点蚀电位值为20mV，防锈性相对差。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。