[发明专利]一种高硬度高韧性低碳马氏体不锈钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料及其加工方法，具体涉及一种高硬度高韧性低碳马氏体不锈钢及其制造方法。

背景技术

马氏体不锈钢是铬系不锈钢，广泛应用于刀剪、量具、水轮机叶片等等对强韧性和耐腐蚀有一定要求的领域。其中，低碳马氏体不锈钢可以用于自行车、摩托车刹车盘制造，要求同时具有高硬度和高韧性。然而，高强度和高韧性始终是马氏体钢的一对性能矛盾，马氏体钢主要通过添加碳元素来提高热处理后的硬度，但是碳含量提高会降低韧性，因此，通常情况下低碳马氏体很难同时获得高硬度(洛氏硬度30～40HRC)和高韧性(夏比V型缺口冲击功大于30J)。为此，人们做了很多的研究工作，并取得了一些进展。

传统马氏体不锈钢，如20Cr13在淬火+回火热处理后使用，回火的目的是为了消除淬火应力并获得稳定的组织，但是马氏体不锈钢在回火时经常不可避免出现回火脆性。由于脆性方面的问题限制了传统马氏体不锈钢的使用。

中国专利CN101684540B中提出一种高Mn含量的马氏体不锈钢，通过Mn、N的强化作用提高钢的强度和硬度，这种钢只需淬火热处理就能得到良好的强韧性和耐腐蚀性能。但是淬火马氏体在加热过程上很容易软化，用作盘式制动器时会影响使用效果。

中国专利CN1697889A通过C、N提高淬火硬度，加入Mo、Ti、Nb、V、Zr来提高耐回火软化性，为了防止δ铁素体的出现，在钢种加入了Ni，该中国专利中还要求加入Nb、V、Zr、Ta和Hf等元素，其目的是细化晶粒提高淬火韧性。但无疑此发明钢的制造成本是非常高的。

同样，中国专利CN1354272A也在钢中加入钼、铌、钒等元素，一方面增高抗回火软化性能，另一方面提高耐腐蚀性能。另外此中国专利还要求加入B、Ca、Mg、La等来提高钢的热加工性能。但是，大量贵金属的加入极大的提高了生产成本，并增加了制造难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高硬度高韧性低碳马氏体不锈钢及其制造方法，制造出具有高硬度(洛氏硬度30～40HRC)和高韧性(夏比V型缺口冲击功大于30J)的低成本马氏体不锈钢。

为达到上述目的，本发明主要采用如下技术方案：

一种高硬度高韧性低碳马氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si≤1.0％，Mn≤1.2％，P≤0.04％，S≤0.01％，Cr：11.0～13.0％，N：0.01～0.10％，0.10％≤C+N≤0.20％，V+Ti+Nb≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步，所述马氏体不锈钢中奥氏体的体积百分数达到10％～20％。

又，所述马氏体不锈钢的洛氏硬度为30～40HRC，夏比V型缺口冲击功大于30J。

在本发明所述高硬度高韧性低碳马氏体不锈钢的成分设计中：

碳：碳以过固溶的形式存在于马氏体组织中，碳的含量直接关系至淬火后马氏体的强度高低，必须保证钢中的碳含量不低于0.05％。碳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，这样使材料具有高硬度的同时还具有良好的韧性，但是过高的碳含量可增加脆性。为了达到预期的效果，要求碳含量为0.05～0.15％，并且与氮元素配合使用。

硅：主要作为脱氧剂加入到钢中的，起着固溶强化作用。在提高抗高温氧化性能方面，硅也有明显的作用。但是，钢中硅含量高，其延展性变差。因此，从提高铁素体不锈钢的可加工性考虑，硅含量应该不大于1.0％。

锰：锰既是脱氧元素又是固溶强化元素，能显著提高钢的强度。但，锰含量过高不利于退火软化，其含量不大于1.2％。

磷：磷是有害元素，因此，根据生产控制水平尽量地降低，本发明中磷≤0.04％。

硫：硫也是一种有害元素，形成的硫化物不仅会产生热脆而且会降低耐蚀性，通常硫的含量控制在低于0.01％，以避免硫的有害作用。

铬：是提高不锈钢耐蚀性的元素，但，铬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，铬含量控制在11～13％。

氮：与碳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。氮以固溶形式存在于钢中时可以显著提高耐蚀性，其作用约为铬的20倍。马氏体不锈钢在生产过程中会经历高温铁素体-奥氏体-铁素体+碳化物的组织变化过程，氮在高温铁素体中的固溶量低于0.10％，若含量超过0.10％时会导致气孔缺陷产生。因此，氮含量控制为0.01～0.10％。