一种建筑结构紧固件用马氏体不锈钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及马氏体不锈钢，具体涉及一种建筑结构紧固件用马氏体不锈钢及其制 造方法，特别涉及一种具有良好耐腐蚀性、热加工性和冷成型性的紧固件用马氏体不锈钢 及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 当屋面或墙面材料为铝合金或不锈钢时，紧固件材质必须选用不锈钢。出于最大 限度延长建筑围护系统使用寿命的考虑，不锈钢紧固件的使用年限应与围护系统相匹配。 这就意味着紧固件的耐蚀性应该与围护系统材料相匹配，当围护系统采用奥氏体不锈钢 304、316或铝合金时，紧固件的耐蚀性至少应该与奥氏体不锈钢304相当。反之，如果紧固 件的耐蚀性差，则会导致一系列严重问题，如降低围护结构的使用寿命、安全性和美观性， 甚至导致整个围护结构的破坏。
[0003] 螺钉钉头和垫圈发生腐蚀，会导致屋面和墙面出现锈蚀，抗风载荷下降，渗漏风险 增加；螺杆发生腐蚀，抗拉强度下降，削弱抗剪切强度，削弱螺钉在檩条中的抗拔出力，导致 紧固件脱出；紧固件隐藏在围护结构内的部分一旦发生腐蚀，由于不易被发现，危害性更 大，会导致围护系统局部和全部失效。某国外项目施工仅1年半之后紧固件即腐蚀，甚至锈 断，造成工程现场紧固件全部拆换，直接损失达百万。某国内建筑项目，3年左右紧固件整体 锈蚀、脱出。
[0004] 紧固件用不锈钢除要求具备良好的耐蚀性以外，还需具备高硬度以便具有钻透 6_不锈钢板的能力。除此之外，紧固件用不锈钢还必须具有良好的冷成型性能，以便很容 易加工成螺栓和自攻螺钉。
[0005] 奥氏体不锈钢如304和316具有优良的耐蚀性，可用于高耐蚀性围护系统的紧固 件。但奥氏体不锈钢的缺点是价格高，加工硬化倾向大，硬度低，切削加工性能差，在长期服 役时会发生应力腐蚀。而且由于硬度低，奥氏体不锈钢不能用作自攻螺钉的攻牙部分。
[0006] 铁素体不锈钢价格低，加工硬化倾向低，容易进行冷加工，但这类钢硬度太低，且 耐蚀性不及奥氏体不锈钢304,因此不能用作建筑紧固件。
[0007] 马氏不锈钢如20Crl3在淬火回火后，具有高硬度和高强度，一般抗拉强度 彡1500MPa，洛氏硬度彡48HRC，可用作紧固件，但由于铬含量低，耐蚀性与奥氏体不锈钢 304存在巨大差距，使用过程中易发生点腐蚀。以自攻螺钉为例，为改善奥氏体不锈钢304 无法攻牙的缺点和发挥马氏不锈钢410S硬度高的优点，一般可用304和410S焊接，螺钉头 和螺杆部分采用奥氏体不锈钢304,螺丝攻牙部分采用马氏不锈钢410S。但这种螺钉的缺 点是由于奥氏体不锈钢304和马氏不锈钢410S焊接部位两侧材料存在电位差而容易发生 电偶腐蚀，且攻牙部分的马氏不锈钢410S本身强度高，耐蚀性差，容易在点腐蚀发生部位 断裂失效。
[0008] 基于常规马氏体不锈钢耐蚀性差的问题，技术人员进行了研究，但仍仅有少数马 氏体不锈钢的耐蚀性达到奥氏体不锈钢304的250~300mV水平。中国专利CN104278199 通过添加Mo、Cu和N改善耐蚀性，点蚀电位可达到270~300mV，达到奥氏体不锈钢304的 水平，但该钢种含碳量很高，为0. 28~0. 35%，冷成型性能差，且由于含有2. 5~3. 5%Cu， 热乳加工时表面低熔点富Cu相极易导致表面缺陷。
[0009] 同样的，中国专利CN101233254A采用了近似的合金设计，同样存在碳含量高，铜 含量高的问题，即使添加了Ni，但由于Ni含量很低，也难以避免热加工表面缺陷的问题。
[0010] 如上所述，亟需开发一种易于热加工和冷加工，且具有高耐蚀性、高硬度的马氏不 锈钢，用于建筑紧固件领域。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于提供一种建筑结构紧固件用马氏体不锈钢及其制造方法，该马 氏体不锈钢具有与304不锈钢相当的耐蚀性，而且还具有高强度、高硬度、优良的热加工性 能和冷成型性能，其点蚀电位> 270mV，该钢的显微组织为回火马氏体组织时，其洛氏硬度 值为52~54HRC，该钢的显微组织为回火屈氏体组织时，其洛氏硬度值为35~36HRC。 [0012] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：
[0013] -种建筑结构紧固件用马氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C:0. 10~ 0· 20%，N:0· 05 ~0· 15%，Si彡 1%，Μη彡 1%，P彡 0· 035%，S彡 0· 010,Cr:13· 0 ~ 14. 0%，Mo:1· 5 ~2. 5%，Cu:0· 3 ~0· 8%，Ni:1· 5 ~2. 5%，其余为Fe和不可避免的杂 质；且上述元素同时需满足如下关系：点蚀当量PRE> 20%，PRE=Cr+3. 3MO+16N。
[0014] 进一步，本发明所述建筑结构紧固件用马氏体不锈钢的显微组织回火马氏体或回 火屈氏体。
[0015] 所述建筑结构紧固件用马氏体不锈钢的点蚀电位> 270mV，显微组织为回火马氏 体组织时，其洛氏硬度值为52~54HRC;显微组织为回火屈氏体组织时，其洛氏硬度值为 35 ~36HRC。
[0016] 在本发明钢的成分设计中：
[0017] C:C为扩大奥氏体相区元素，在马氏体不锈钢淬火后以间隙原子固溶于基体中， 形成马氏体组织，显著提高强度和硬度，回火后一部分C以碳化物析出，一部分C仍固溶于 基体中，硬度有所降低。C含量高于0.2%，碳化物体积分数增加，显著恶化钢的耐腐蚀性 能，同时冷加工性能降低；C含量低于0.10%时，钢中δ铁素体增加，热加工难度增加。因 此，本发明中C含量控制在0. 10~0.20%。
[0018] Cr、Mo:Cr和Mo为缩小奥氏体相区元素，能提高马氏体不锈钢的耐腐蚀性能，随着 Cr、Mo含量的增加，不锈钢在C1溶液中耐应力腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀能力均显著提高。 根据点蚀当量公式PRE=Cr+3. 3MO+16N，添加Mo和N合金元素可有效提高不锈钢的耐蚀 性，这意味着，通过添加Mo、N，可使诸如低Cr含量的马氏不锈钢耐蚀性达到中铬不锈钢304 的水平。为保证所开发马氏体不锈钢的耐腐蚀性能与奥氏体不锈钢304相当，本发明钢的 点蚀当量必须大于奥氏体不锈钢304的点蚀当量。因此，本发明控制PRE> 20%。
[0019] Cr:Cr是不锈钢形成钝化膜提高耐点腐蚀性能最重要的元素，Cr含量低于13%， 耐蚀性不足；Cr含量高于14%时又会形成δ铁素体，降低不锈钢的热加工性能。因此，本 发明中Cr含量控制在13~14%。
[0020] Mo:Mo显著提高不锈钢的耐腐蚀性能，但过高的Mo也会导致δ铁素体的形成，降 低热加工性能，还会导致氧化皮在酸洗时难于去除，因此本发明中Mo含量控制在1. 5~ 2. 5%〇
[0021] N:N为扩大奥氏体相区元素，在马氏体中以间隙原子固溶于基体中，显著提高强 度和硬度；如点蚀当量PRE公式所示，N显著提高不锈钢的耐点腐蚀性能；N能替代Ni抑制 S铁素体的形成。N含量低于0.05%时，作用不显著；N含量超过0.15%，铸坯或铸锭易产 生气泡或孔洞缺陷，因此，本发明中N含量控制在0. 05~0. 15%。
[0022] Si、Mn:Si和Μη在马氏体不锈钢中可用作脱氧剂。Si能有效地提高不锈钢的高温 抗氧化性能，但过多的Si会导致钢的塑性及韧性下降。故控制Si< 1. 0%。Μη为扩大奥 氏体区元素，会影响组织，控制Μη彡1. 0%。
[0023] P、S:P、S在钢中为杂质元素，降低钢的高温塑性，在马氏体不锈钢热加工过程中， 易和其他因素一起作用而导致边裂等缺陷。此外，S还会降低马氏体不锈钢的耐点蚀性能。 因此，应尽量降低P、S含量。
[0024] Cu:Cu在奥氏体、铁素体和马氏体不锈钢中可提高耐点腐蚀性能；作为扩大奥氏 体区元素，可抑制高温S铁素体的形成；一定量的Cu可改善冷加工性能。但过多的Cu可 导致热加工问题，在低温退火时容易导致富Cu相析出，导致耐蚀性下降。因此，本发明中Cu 加入量为0.3~0.8%。
[0025] Ni:Ni为扩大奥氏体相区元素，为保证在高温区获得单相奥氏体，抑制高温δ铁 素体铁素体形成，本发明的Ni含量控制为1. 5~2. 5%。
[0026] 本发明在成分设计中，添加了Cr、Mo、N合金元素，确保点蚀当量PRE(PRE= Cr+3. 3MO+16N)高于304的PRE= 18 %，以保证耐腐蚀性能；避免添加过多的Cu含量；同 时，通过添加足够的N和Ni，消除含钼不锈钢中的δ铁素体，以保证热加工性能；适当降低 C含量；同时加入适量的Cu，以保证冷加工性能；为保证强度和硬度，以Ν取代C。
[0027] 本发明所述建筑结构紧固件用马氏体不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：
[0028] 1)冶炼、铸造
[0029] 按如下化学