本发明属于马氏体不锈钢技术领域。具体涉及一种刃具用含氮马氏体不锈钢及其制造方法。
背景技术：
传统上用于刃具制造的马氏体不锈钢如4～5cr15mov系列和9cr18mov，经淬火和低温回火后，具有56～58hrc的硬度、一定的韧性和加工性能以及一般腐蚀条件下的耐腐蚀性能，因而在刃具制造行业得到应用。随着冶金科技的不断进步，刃具制造行业对马氏体不锈钢的技术和成本要求越来越高，对其组织结构和性能控制提出更加严格的要求，特别是用于高端民用餐厨领域、机械装备、医疗器械和军用装备等领域制造的刃具。
对于刃具而言，材料硬度达到hrc58以上时具有最理想的切削性能，也是高端刃具材料的首选。通过增加碳含量可得到高硬度，但不可避免地会在铸造过程中出现粗大的共晶碳化物，很难通过后期的热加工和热处理细化来提高钢的韧性和耐蚀性，增加了制造难度，其危害程度远远超过马氏体不锈钢中夹杂物的影响。通过添加铬钼等贵金属来提高耐蚀性，无疑增加了刃具制造的成本。氮元素通过固溶强化、晶界强化、加工硬化及析出强化，提高含氮钢的抗拉强度与屈服强度，同时不损害钢的韧性，且高硬度与均匀分布的碳氮化物使其具有良好的耐磨与耐蚀性能，近年来成为国内外马氏体不锈钢开发的重点。
在有关含氮马氏体不锈钢的公开资料中，国内外近年来开发了一系列高氮不锈轴承钢，如含氮不锈轴承钢及制造方法(cn104018083)、一种含氮不锈轴承钢及其制造方法(cn106555129)，以及文献中提及的cronidur30等钢种，在中低碳(0.00～0.65％)马氏体不锈钢的基础上加入0.10～0.50％的氮,降低碳、添加氮以及w、mo、co等合金，从而获得较高的硬度和耐蚀、耐温等性能，采用电渣重熔和锻造工艺制造，这些制造方法仅限于制造棒材，不适于板材的批量生产，且成本高。
“一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的方法”(cn105925815)专利技术和“一种加压感应熔炼高硬度高耐磨高氮马氏体不锈钢的制造方法”(cn106086631)专利技术，需要特殊的加压冶炼设备，冶炼工艺技术、铸锭质量控制难度和成本成倍增加。“一种马氏体系不锈钢及其制造方法”(cn104471095)专利技术，通过薄带铸轧方式，应用急速冷却铸造法制造1mm以上的马氏体不锈钢，获得残留碳化物的大小为10μm以下，回火后硬度为55hrc以上，但设备和制造工艺要求高，难度大，不利于冶金企业推广。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种合金成分简单、工艺简便、生产成本低和易于规模化生产的刃具用含氮马氏体不锈钢的制造方法，用该方法制造的刃具用含氮马氏体不锈钢不仅硬度高而且韧性好。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
所述刃具用含氮马氏体不锈钢的化学成分及其含量是：c为0.45～0.70wt％；cr为13.0～17.0wt％；n为0.10～0.25wt％；si为0.50～0.80wt％；mn为0.40～1.0wt％；ca为0.0015～0.0065wt％；v≤0.20wt％；nb≤0.025wt％；als≤0.025wt％；mo≤0.03wt％；p≤0.008wt％；s≤0.005wt％；其余为fe及不可避免的元素。上述化学成分还同时满足：c+n为0.60～0.85wt％。
所述刃具用含氮马氏体不锈钢的制造方法是：
步骤一、按所述刃具用含氮马氏体不锈钢的化学成分及其含量，先将占各自含量88～92wt％的fe、cr、mn和si加入真空感应电炉，抽真空至10pa以下，在1550～1700℃条件下冶炼20～45min；再加入占各自含量8～12wt％的si和100wt％的c，充入氮气至标准大气压，然后加入含n的crfe合金和其余化学成分调节至所述刃具用含氮马氏体不锈钢的化学成分及其含量，在1500～1650℃条件下精炼8～16min，浇铸成钢坯。
步骤二、将所述钢坯加热至1220～1280℃，保温90～150min；除鳞，进行第一次轧制，空冷至室温，得到冷却后的方坯；第一次轧制的终轧温度为880～920℃，第一次轧制的道次为3～7次，断面压缩比≥6。
步骤三、将所述冷却后的方坯加热至1150～1250℃，保温60～90min；除鳞，进行第二次轧制，空冷至室温，得到冷却后的板材；第二次轧制的终轧温度为860～900℃，第二次轧制的轧制道次为7～11次，断面压缩比≥10。
步骤四、将所述冷却后的板材在1020～1080℃条件下淬火处理，再于180～240℃条件下进行二次回火处理，制得刃具用含氮马氏体不锈钢；第一次回火温度为220℃，第二次回火温度为200℃。
本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明采用的c和n是奥氏体强烈形成元素，也是碳化物和碳氮化物的形成元素，起到马氏体固溶强化和析出物弥散强化作用。本发明通过n元素的添加，n元素与c、cr等形成碳氮化物，减少粗大共晶碳化物的形成，改善碳化物形态、尺寸和分布，并细化组织，提高钢的固溶强度及耐蚀性能，n添加过高会增加熔炼工艺技术及冶金铸锭内部质量控制的难度。因此，本发明中c为0.45～0.70％，n为0.10～0.25wt％。c+n总量的下限0.60wt％和上限0.85wt％，即保证了钢表面高硬度和高耐蚀性能，又能减少热处理后钢中残余奥氏体含量、降低制造过程中开裂风险，使产品尺寸稳定。
本发明采用的cr是铁素体形成元素，也是提高钢耐蚀性的主要元素。cr含量为13.0～17.0wt％。即达到不锈的目的，减少高温铁素体和共晶碳化物的形成，又提高了马氏体转变点ms，使钢易于淬硬。
本发明中si为0.50～0.80wt％，mn为0.40～1.0wt％，进一步提升了马氏体不锈钢的硬度、淬透淬硬性能和耐蚀性能。
本发明中的ca含量为0.0015～0.0065％，提高钢材的冲击韧性，细化组织和颗粒尺寸，改善钢材的综合性能。
本发明中：v≤0.20％，nb≤0.025％，mo≤0.03％。三种合金元素含量很低，基本为不添加状态，故经济性高。
本发明中：p≤0.008％和s≤0.005％，即提高了马氏体不锈钢的耐蚀性能，又避免了晶界偏析，保证了马氏体不锈钢的组织均匀性，提高了马氏体不锈钢钢的塑性和韧性。
本发明als含量选择不超过0.025wt％，即保证了精炼过程的脱氧又起到了细化晶粒的作用。
综上所述，本发明采用的合金化技术是以n和c替代贵金属ni、mo、w、co等，保证马氏体不锈钢具有高硬度和韧性、以及良好的耐蚀性能，减少cr和c在晶界析出共晶碳化物的形成，改善碳化物和碳氮化物形态、尺寸和分布，提高钢的品质，并降低合金成本。本发明的合金成分设计相对于现有的添加各种贵金属的其他马氏体不锈钢而言有利于高温热塑性的提高，利于所制造的刃具用含氮马氏体不锈钢的热加工，使以轧代锻成为现实。
本发明采用真空感应冶炼常压加氮，制造工艺简便，设备要求低，生产成本低，适用于各冶金企业。
本发明的第一次轧制采取以轧代锻，再进行第二次轧制的工艺相对于现有的先锻造后轧制工艺，有更大的压下率，实现了夹杂物、碳化物和基体组织的细质化与均匀化，提高了马氏体不锈钢的性能，同时降低了钢坯的边裂风险，还提高了成材率和生产率，易于规模化生产。
因此，本发明具有合金成分简单、工艺简便、生产成本低和易于规模化生产的特点；所制造的刃具用含氮马氏体不锈钢硬度高和韧性好。
附图说明
图1为本发明制造的一种刃具用含氮马氏体不锈钢的金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，并非对其保护范围的限制。
本具体实施方式的刃具用含氮马氏体不锈钢的化学成分及其含量是：c为0.45～0.70wt％；cr为13.0～17.0wt％；n为0.10～0.25wt％；si为0.50～0.80wt％；mn为0.40～1.0wt％；ca为0.0015～0.0065wt％；v≤0.20wt％，nb≤0.025wt％；als≤0.025wt％；mo≤0.03wt％，p≤0.008wt％；s≤0.005wt％；其余为fe及不可避免的元素。上述化学成分还同时满足：c+n为0.60～0.85wt％。
本具体实施方式中各实施例的化学成分及其含量如表1所示：
表1本具体实施方式中各实施例的化学成分及其含量
本具体实施方式所述刃具用含氮马氏体不锈钢的制造方法如下：
步骤一、按所述刃具用含氮马氏体不锈钢的化学成分及其含量，先将占各自含量88～92wt％的fe、cr、mn和si加入真空感应电炉，抽真空至10pa以下，在1550～1700℃条件下冶炼20～45min；再加入占各自含量8～12wt％的si和100wt％的c，充入氮气至标准大气压，然后加入含n的crfe合金和其余化学成分调节至所述刃具用含氮马氏体不锈钢的化学成分及其含量，在1500～1650℃条件下精炼8～16min，浇铸成钢坯。
步骤二、将所述钢坯加热至1220～1280℃，保温90～150min；除鳞，进行第一次轧制，空冷至室温，得到冷却后的方坯；第一次轧制的终轧温度为880～920℃，第一次轧制的道次为3～7次，断面压缩比≥6。
步骤三、将所述冷却后的方坯加热至1150～1250℃，保温60～90min；除鳞，进行第二次轧制，空冷至室温，得到冷却后的板材；第二次轧制的终轧温度为860～900℃，第二次轧制的轧制道次为7～11次，断面压缩比≥10。
步骤四、将所述冷却后的板材在1020～1080℃条件下淬火处理，再于180～240℃条件下进行二次回火处理，制得刃具用含氮马氏体不锈钢；第一次回火温度为220℃，第二次回火温度为200℃。
本具体实施方式采用真空感应冶炼常压加氮，制造工艺简便，设备要求低，生产成本低，适用于各冶金企业。
本具体实施方式采用的合金化技术是以n和c替代贵金属ni、mo、w、co等，保证马氏体不锈钢具有高硬度和韧性、以及良好的耐蚀性能，减少cr和c在晶界析出共晶碳化物的形成，改善碳化物和碳氮化物形态、尺寸和分布，提高钢的品质，并降低合金成本。本发明的合金成分设计相对于现有的添加各种贵金属的其他马氏体不锈钢而言有利于高温热塑性的提高，利于所制造的刃具用含氮马氏体不锈钢的热加工，使以轧代锻成为现实。
本具体实施方式的第一次轧制采取以轧代锻，再进行第二次轧制的工艺相对于现有的先锻造后轧制工艺，有更大的压下率，实现了夹杂物、碳化物和基体组织的细质化与均匀化，提高了马氏体不锈钢的性能，同时降低了钢坯的边裂风险，还提高了成材率和生产率，易于规模化生产。图1为实施例1制造的刃具用含氮马氏体不锈钢的金相组织图。由图1知：所制造的刃具用含氮马氏体不锈钢的金相组织为回火马氏体，在回火马氏体上有弥散分布的cr的碳氮化物。
本具体实施方式中各实施例制造的刃具用含氮马氏体不锈钢经检测，其力学性能如表2所示。
表2各实施例所制制品的力学性能
注：表2的括弧内数值为均值。
因此，本具体实施方式具有合金成分简单、工艺简便、生产成本低和易于规模化生产的特点；所制造的刃具用含氮马氏体不锈钢硬度高和韧性好。