一种控氮马氏体不锈钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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$父尚的碳容易造成成品的碳偏析，对钢板的性能均勾性和耐腐蚀性能有 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°C夏比冲击功仅彡25J，韧性不足。
【发明内容】
[0004] 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一一高硬度和高韧性，洛氏硬度为30~50HRC，冲击功> 30J〇
[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：
[0006] 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彡 0? 04%，S彡 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：〇. 1 %彡C+N彡0. 4%，0. 05 % 彡V+Ti+Nb彡 0. 25%。
[0007] 进一步，所述控氮马氏体不锈钢的硬度为30~50HRC，20°C夏比V型纵向冲击功> 30J〇
[0008] 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。
[0009] 在本发明成分设计中：
[0010] 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。
[0011] 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%。
[0012] 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%。
[0013]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%。
[0014]P:P是有害元素，因此根据生产控制水平尽量地降低。
[0015]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< 〇. 01%，以避免S的有害作用。
[0016]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%。
[0017]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%。
[0018]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，含量控制在〇~〇. 1%。
[0019]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，具体要求〇. 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。而低于〇. 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。
[0020] 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% 彡V+Ti+Nb彡 0. 25%。
[0021] 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°C;然后，退火；再将退火后的钢板或钢带加热至850~1000°C，保温5~30min，然 后以多30°C/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°C，保温10~30min，空冷至室温。
[0022] 本发明热轧加热温度为1150~1250°C:本发明的成分体系内N元素在1250°C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。
[0023] 本发明热轧后采用常规方法