耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼及製造方法
2023-12-01 03:14:16
專利名稱：耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼及製造方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料領域，尤其涉及適用於耐高溫、耐磨損工況條件下 的一種馬氏體不^f鋼。
背景技術：
目前高速線材吐絲機大多釆用臥式布置，吐絲機相對於水平線的傾角約為(15° ~20° ，不同生產廠不同)，高溫、高速線材從夾送輥導出之後，需經 一段弧形的下彎套裝置，以改變其原來的直行方向，將線材準確地導入到吐 絲機中完成吐絲。由於高速線材生產具有高節奏(每天連續工作時達在22小 時以上)、高溫(吐絲溫度在90(TC以上)、高速度(最高軋制速度110m/s) 等特點，下彎套工況條件(在高溫、高速、長時間磨擦的條件下)較差，因 此其材質相對於其它磨損件相應也要求較高，不僅要求其需要具有一定強度 和塑韌性以承受高速下大的衝擊力、而且還需要具有高的高溫耐磨性以承受 高速線材高溫、高速工況條件下材料磨損。目前使用效果較好的下彎套的材質為38CrSi,該合金屬於合金結構鋼，含 有0.35~0.43wt% C, 1.00 1.30wt% Si， 0.3 0.6wt% Mn和1.3 1.6wt% Cr，金 相顯樣麼組織如
圖1所示，淬火後50(TC時效的硬度為HRC35;由於該合金所 含合金元素量較低，尤其是提高合金紅硬性的元素含量較低，使得該合金在 高溫時的抗軟化能力較弱，導致高溫硬度下降較快，高溫耐磨性不高，使用 壽命較低(平均壽命1.5小時)，不能很好滿足現場實際需要。 發明內容本發明是為了提高線材高溫、高速工況條件下的使用壽命，研發出適合於 耐高溫、高速、長時間磨擦使用條件下的一種新型下彎套用不鏽鋼。 本發明包括兩方面的內容 一是提供了一種耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼；二是提供了該不鏽鋼的製造方法。具體如下 1、 耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼的合金成分設計 下彎套的工作條件決定了它的材質要有足夠的組織熱穩定性和熱強性， 這樣才能在高溫下具有較好的耐磨性。通過合金化的方法，添加提高合金紅 硬性的合金元素，並適當調整其它合金元素的含量，可大大地提高合金的高 溫強度和組織熱穩定性，提高耐磨性。但是影響耐磨性的因素很多，除了要 具有足夠的硬度和強度以外，降低摩擦係數也可以提高耐磨性。在進行鋼的合金設計時，通常是通過調節不同的含碳量來設計鋼的強度。 C對鋼的強化作用，是通過固溶強化和碳化物的析出強化來實現的。但是碳 在Fe原子晶格中是以間隙原子存在的，擴散速度較快，從而使碳化物的粗化 速度較快。在高溫下碳化物通過C原子的快速擴散急劇長大，對合金的強化 作用減弱，造成合金的高溫性能下降。而通過金屬間化合物來對合金產生強 化，由於金屬原子通常都為置換式溶質原子，處在Fe原子的晶格位置，擴散 速度較處於間隙的C原子要小得多，所以金屬間化合物的長大速度較慢，有 較強的高溫穩定性，對合金的高溫強度有很大地提高作用，而且金屬間化合 物通常都具有較高的硬度，可提高合金的耐磨性。選擇合適的金屬間化合物 相還可能會降低合金的摩擦係數，使得合金在同樣的條件下更加耐磨。 在化學成分設計上，在Fe基中添加合金元素的作用如下 Cr:提高鋼的淬透性和抗氧化性。Cr是目前使鋼鈍化並賦予良好耐蝕性和 不鏽性的唯一有工業使用價值的元素，隨鋼中Cr含量的增加，耐大氣腐蝕性 能和抗氧化性能提高。但針對吐絲機下彎套的使用工況，對耐蝕性的要求不 是很高，而且鋼中鉻含量過高，將降低鋼的導熱係數，並將顯著增加淬火、 回火條件下鋼的穩定鐵素體含量，降低鋼的硬度和抗拉強度，而且將顯著降 低馬氏體轉變溫度，過高的Cr含量還有損於鋼的韌性。適宜的Cr含量為 12.5 14 wt%。Ni:作為奧氏體形成元素，可提高鋼的耐蝕性；適當提高鋼中Ni含量，可有效提高馬氏體不鏽鋼的可淬性和淬透性，促進馬氏體轉變，改善鋼的強 度和韌性，提高馬氏體不鏽鋼的回火穩定性，降低回火軟化程度。但是，鎳 含量過高，將明顯降低鋼的馬氏體轉變溫度，增加鋼中殘餘奧氏體量。適宜的Ni含量為3.0-5.0 wt%。Cu:適當提高鋼中Cu含量，可擴大y相區和oH7相區，降低鋼中S-鐵素體 含量；還可形成細小彌散的沉澱相，引起二次硬化效應。鋼中銅含量過高， 也將顯著降低鋼的熱加工性能，並增加鋼中殘餘奧氏體量。適宜的Cu含量為 4.5~6.5 wt%。Nb:可起到細化晶粒的作用，在鋼中還能形成金屬間化合物相，有助於提 高鋼的強度特別是高溫強度；並能和鋼中的碳、氮結合形成鈮的碳化物和氮 化物；但是鋼中鈮含量過高，勢必增加鋼中S-鐵素體含量，降低鋼的強度、 塑性和韌性，惡化鋼的橫向韌性和耐蝕性。適宜的Nb含量為0.5 1.0 wt%。Mn:是奧氏體形成元素，適當控制鋼中錳含量，有助於擴大y相區和cx+y 相區，降低鋼中S-鐵素體含量，提高鋼的熱加工性能，鋼的強度也有一定程 度的提高。但是，錳含量過高，導致鋼中殘餘奧氏體量的增加和馬氏體轉變 溫度的降低。適宜的Mn含量為0.5 1.0 wt%。C:鋼中碳含量增加，將擴大Y相區和a+Y相區，降低鋼中S-鐵素體含量； 但是，隨著鋼中碳含量的增加，鋼的強度、硬度增加，耐蝕性降低，韌性和 焊接性能下降，馬氏體轉變溫度也將明顯降低；而且C的增加會影響金屬間 化合物的析出。適宜的C含量為C^).08wt%。Si:對回火後組織有很好強化作用，提高了鋼的強度、彈性極限和屈強比， 同時又不降低韌性。過量添加時加工性能和韌性會降低。適宜添加量為^1.0 wt%。基於以上對合金元素的作用分析，本發明化學成分(wt%)為Cr:12.5~ 14， Ni:3.0~5.0, Cu:4.5~6.5, Nb:0.5~1.0, Mn:0.5~1.0， C^0.08， Si^l.O, P^0.040， SS0細，Fe餘量。2、耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼的製造方法 (1 )合金熔煉
本發明可釆用電弧爐、真空感應爐冶煉。
在電弧爐中冶煉，首先用料罐把原料裝入，隨後通電加熱至1600-1700°C， 為縮短煉鋼時間和防止貴重合金的大量氧化，應儘可能快速熔化和提前造渣。 當熔池熔清後，吹氧脫碳，然後加入還原劑進行Cr、 Fe等元素的還原，提高 Cr等的回收率，隨後進行精煉以脫氧、脫硫和調整溫度和成分，最後出鋼， 模鑄。在真空感應爐中冶煉，首先將原料放入坩堝內並抽真空，隨後加熱到 1600-1700。C熔化，並保持真空度，使氣體充分逸出，最後在真空下澆鑄。 (2)熱處理工藝
熱加工可採用鍛、軋，熱加工溫度為U00 1200。C，淬火溫度為1060~1110 °C，保溫0.5小時後油淬，回火溫度為500~600°C,保溫1小時後空冷至室溫。淬火後的組織為板條狀低碳馬氏體和少量的殘餘奧氏體，金相顯微組織如 圖2所示，經過淬火合金分別在500 600。C的溫度區間進行了時效處理，板 條狀的組織形態沒有改變，只是隨時效溫度的升高，可觀察到析出相。在馬 氏體基體上彌散析出細小的面心立方結構的富Cu相，可獲得較高的硬度；而 且富Cu的—g相還可能會降低合金的摩擦係數，使得合金在同樣的條件下更 加耐磨。同時M23C6型碳化物也會在馬氏體板條和殘餘奧氏體的界面處析 出，產生強化作用。淬火處理要求使合金元素充分地溶解，但溫度不可過高，以免造成原始組 織粗大。淬火後的回火過程要使《相和合金碳化物析出產生強化。本發明的耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼淬火態的硬度為HRC35,淬火 後500。C時效的硬度為HRC42，淬火後550°C時效的硬度為HRC38，淬火後 600'C時效的硬度為HRC33,淬火後650°C時效的硬度為HRC31,硬度隨時 效溫度的提高下降的速度較慢。釆用金屬間化合物沉澱來強化時，由於金屬原子通常都為置換式溶質原子，處在Fe原子的晶格位置，擴散係數較小，擴散速度較慢，而金屬間化合 物的粗化需要金屬原子的擴散，因此金屬間化合物的長大速度較慢，具有較 強的高溫穩定性，對合金的高溫強度有很大的提高作用，同時金屬間化合物 通常都具有較高的硬度，可提高合金的耐磨性。 說明書附1為現有的38CrSi淬火後500。C回火的金相組織圖 圖2為本發明實施例1的合金金相組織圖具體實施方式
以下結合實施例對本發明作進一 步詳細說明。實施例1:根據本發明所設計的化學成分範圍在真空高頻感應爐上冶煉了化 學成分為0.068wt%C, 12.87wt%Cr， 4.53wt%Ni， 4.6wt% Cu， 0.599wt% Mn， 0.671wt%Nb， 0.21wt% Si，餘為Fe的合金。在1150。C鍛造後退火，經1100 。C淬火，500。C回火後的工件。淬火後500。C時效的硬度為HRC42，平均使用 壽命為2.64小時。實施例2:根據本發明所設計的化學成分範圍在真空高頻感應爐上冶煉了化 學成分為0.04wt% C, 13.7wt% Cr, 4.12wt% Ni, 5.8wt% Cu, 0.81wt% Mn, 0.821wt%Nb, 0.54wt%Si,餘為Fe的合金。在1150。C鍛造後退火，經1100 。C淬火，50(TC回火後的工件。淬火後500。C時效的硬度為HRC42,平均使用 壽命為2.73小時。實施例3:根據本發明所設計的化學成分範圍在真空高頻感應爐上冶煉了化 學成分為0.038wt%C, 13.9wt%Cr， 4.18wt%Ni， 5.1wt%Cu， 0.56wt%Mn， 0.681wt%Nb， 0.205wt% Si，餘為Fe的合金。在1150。C鍛造後退火，經1100 。C淬火，500。C回火後的工件。淬火後500。C時效的硬度為HRC41，平均使用 壽命為2.24小時。根據本發明化學成分範圍所生產的下彎套用馬氏體不鏽鋼，具有優異的高溫 耐磨性。與現在使用的下彎套平均1.5小時的使用壽命相比，使用壽命有了 很大的提高。應當理解的是，本發明的實施例只是用於說明本發明而不是限制本發明， 本發明不限於本文中描述的細節。只要在本發明的實質精神範圍內，對以上 所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求書範圍內。
權利要求
1.一種耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼，其化學成分(按％重量計)如下Cr12.5～14，Ni3.0～5.0，Cu4.5～6.5，Nb0.5～1.0，Mn0.5～1.0，C≤0.08，Si≤1.0，P≤0.040，S≤0.030，Fe餘量。
2. 如權利要求1所述的耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼的製造方法，包括如 下步驟① .合金熔煉在電弧爐中冶煉，通電加熱至1600~1700°C，熔清後，吹氧脫碳後還原， 隨後精煉，最後出鋼，模鑄；② .熱處理採用鍛軋，熱加工溫度為1100~1200°C，淬火溫度為1060~1110°C,保溫 0.5小時後油淬，回火溫度為500 600°C, ^隊溫1小時後空冷至室溫。
3. 如權利要求2所述的耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼的製造方法，其中， 步驟①的合金熔煉步驟為在真空感應爐中冶煉，加熱到1600 170(TC熔 化，最後在真空下澆鑄。
全文摘要
一種耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼，其化學成分(按％重量計)如下Cr12.5～14，Ni3.0～5.0，Cu4.5～6.5，Nb0.5～1.0，Mn0.5～1.0，C≤0.08，Si≤1.0，P≤0.040，S≤0.030，Fe餘量。本發明還包括該耐高溫、耐磨損的馬氏體不鏽鋼的製造方法，採用電弧爐、真空感應爐1600-1700℃冶煉，熱加工溫度為1100～1200℃，淬火溫度為1060～1110℃，保溫0.5小時後油淬，回火溫度為500～600℃，保溫1小時後空冷至室溫。根據本發明的不鏽鋼，具有優異的高溫耐磨性，同時使用壽命也有了很大的提高。
文檔編號C21D1/18GK101333625SQ20071004262
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月25日 優先權日2007年6月25日
發明者張瑞華, 李洪曉, 項權祥 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司;東北大學