一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及咖啡壶材料技术领域，具体涉及一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料及其制备方法，该材料的化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.46-0.50%、N：0.07-0.11%、Si：1.4-1.8%、Mn：2.8-3.2%、Cr：15-17%、Ni：3-5%、Mo：1.6-2.0%、Nb：0.8-1.2%、Ti：1.7-2.1%、V：1-3%、W：0.8-1.2%、As：0.4-0.8%、余量为铁和杂质。本发明专利技术的不锈钢咖啡壶材料具有较高的硬度，环保，且还具有较高的强度、韧性、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，综合性能优异。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及咖啡壶材料
，具体涉及一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料及其制备方法。
技术介绍
咖啡壶是一种冲煮咖啡的器具，随着人们生活水平的提高，咖啡壶的使用范围越来越广，咖啡壶的种类也越来越多，有不锈钢咖啡壶、塑料咖啡壶、玻璃咖啡壶等，不锈钢咖啡壶由于具有较高的韧性、强度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，是市场上的主要销售种类。由于咖啡壶的使用环境比较特殊，不锈钢咖啡壶需要具有较高硬度的不锈钢材料制造，而现有技术中的不锈钢材料还不能完全满足目前使用和制造的要求，存在硬度差、不环保等缺点，因此需要开发一种高硬度且环保的不锈钢材料。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料，该不锈钢咖啡壶材料具有较高的硬度，环保，且还具有较高的强度、韧性、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，综合性能优异。本专利技术的另一目的在于提供一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料的制备方法，该制备方法与本专利技术的材料配合使用，可以发挥材料的最佳性能，工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产效率高，生产环保，可大规模工业化生产。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.46-0.50%、N：0.07-0.11%、Si：1.4-1.8%、Mn：2.8-3.2%、Cr：15-17%、Ni：3-5%、Mo：1.6-2.0%、Nb：0.8-1.2%、Ti：1.7-2.1%、V：1-3%、W：0.8-1.2%、As：0.4-0.8%、余量为铁和杂质。优选的，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.47-0.49%、N：0.08-0.10%、Si：1.5-1.7%、Mn：2.9-3.1%、Cr：15.5-16.5%、Ni：3.5-4.5%、Mo：1.7-1.9%、Nb：0.9-1.1%、Ti：1.8-2.0%、V：1.5-2.5%、W：0.9-1.1%、As：0.5-0.7%、余量为铁和杂质。更为优选的，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.48%、N：0.09%、Si：1.6%、Mn：3.0%、Cr：16%、Ni：4%、Mo：1.8%、Nb：1.0%、Ti：1.9%、V：2%、W：1.0%、As：0.6%、余量为铁和杂质。本专利技术的高硬度环保不锈钢咖啡壶材料的化学成分设计理由如下：C：0.46-0.50%C（碳）是强力的奥氏体生成元素，因此使金属组织中的马氏体相的比例增加，C可以发挥固溶强化效果，以间隙固溶体的形式熔入晶格结构中，从而产生了向其中引入应变，以强化间隙固溶体的作用；此外，C具有形成科特雷耳气团以使金属组织中的位错得到固着的作用，从而提高材料的强度，因此，为了有效地提高材料的强度，C的重量百分比应控制在0.46%以上。然而，C容易与钢中的Cr、Nb、Ti等结合而形成碳化物，例如，当在晶粒间界存在有Cr碳化物时，由于Cr在奥氏体中的扩散速度较慢，会在晶界附近产生Cr耗尽层，使得材料的韧性和耐腐蚀性降低，因此，为了避免C过高造成材料的韧性和耐腐蚀性下降，C的重量百分比应控制在0.50%以下。本专利技术中C的重量百分比为0.46-0.50%，既可以满足材料的强度要求，又可以保证材料的韧性和耐腐蚀性，优选的，C的重量百分比为0.47-0.49%，更为优选的，C的重量百分比为0.48%。N：0.07-0.11%N（氮）是形成奥氏体的最强有效元素之一，与C一样，N也是以强化间隙固溶体的元素，并且也是形成科特雷耳气团的元素；此外，N还可以与钢中的Cr或Mo结合以形成簇合物，从而产生提高强度的作用，为了通过加入N有效地使奥氏体相稳定，并且通过形成Mo-N簇合物有效地使材料的强度提高，N的重量百分比应控制在0.07%以上。但是，N在奥氏体相中的固溶程度受到限制，加入较大量的N时，在铸造钢时会产生气孔，虽然通过加入与N具有高亲和力的元素（如Cr或Mn）来提高其固溶的限度，可在某种程度上抑制这种现象，但是当加入过多的这样的元素时，在钢被熔融时需要对环境条件（如温度等）进行控制，使成本增加，因此，为了避免N过高增加熔融和铸造的难度，N的重量百分比应控制在0.11%以下。本专利技术中N的重量百分比为0.07-0.11%，既可以满足材料的强度要求，又可以保证材料的加工性能，优选的，N的重量百分比为0.08-0.10%，更为优选的，N的重量百分比为0.09%。Si：1.4-1.8%Si（硅）为铁素体形成元素，起脱氧剂和改善材料耐腐蚀性的作用，同时也是增加钢的强度的元素，Si会发生固溶，从而产生使层错能降低并使机械特性得到改善的效果，因此，为了有效地提高材料的强度和耐腐蚀性，并起到较好的脱氧作用，Si的重量百分比应控制在1.4%以上。但加入大量的Si对材料的热加工性和韧性不利，对常温下成型也不利，为了避免Si过高造成材料的热加工性和韧性下降，Si的重量百分比应控制在1.8%以下。本专利技术中Si的重量百分比为1.4-1.8%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以保证材料的热加工性和韧性，优选的，Si的重量百分比为1.5-1.7%，更为优选的，Si的重量百分比为1.6%。Mn：2.8-3.2%Mn（锰）是奥氏体形成元素，成本低，可以替代Ni形成奥氏体，在将钢熔融和精炼时，Mn被用作脱氧剂，对钢具有很大的强化作用，能提高钢的强度、硬度和耐磨性，为了保证材料的强度和硬度，Mn的重量百分比应控制在2.8%以上。但是，Mn对高温下的抗氧化性会产生不利的作用，使材料的韧性和耐腐蚀性降低，为了避免Mn过高造成材料的韧性和耐腐蚀性下降，Mn的重量百分比应控制在3.2%以下。本专利技术中Mn的重量百分比为2.8-3.2%，既可以满足材料的强度和硬度要求，又可以保证材料的韧性和耐腐蚀性，优选的，Mn的重量百分比为2.9-3.1%，更为优选的，Mn的重量百分比为3.0%。Cr：15-17%Cr（铬）是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区，随着钢中Cr含量增加，奥氏体不锈钢中可出现铁素体组织；此外，Cr是提高材料强度和耐腐蚀性的主要合金元素，Cr可提高不锈钢在氧化性酸中的耐腐蚀性，提高其在氯化物溶液中的耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀能力，而且Cr含量过低还会导致马氏体转变温度（Ms）升高，影响钢的性能，因此，为了保证材料的强度和耐腐蚀性，Cr的重量百分比应控制在15%以上。但Cr在提高钢的强度的同时会降低材料的塑性和韧性，若其含量过高，不仅增加成本，影响经济性，生产率下降，而且对焊接性不利，还会造成一些金属间相的形成倾向增大，因此，为了避免Cr过高造成材料的塑性和韧性下降，Cr的重量百分比应控制在17%以下。本专利技术中Cr的重量百分比为15-17%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以保证材料的塑性和韧性，优选的，Cr的重量百分比为15.5-16.5%，更为优选的，Cr的重量百分比为16%。Ni：3-5%Ni（镍）是形成奥氏体和稳定奥氏体的最佳元素，Ni对提高材料的耐腐蚀性能、力学性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.46‑0.50%、N：0.07‑0.11%、Si：1.4‑1.8%、Mn：2.8‑3.2%、Cr：15‑17%、Ni：3‑5%、Mo：1.6‑2.0%、Nb：0.8‑1.2%、Ti：1.7‑2.1%、V：1‑3%、W：0.8‑1.2%、As：0.4‑0.8%、余量为铁和杂质。

【技术特征摘要】
1.一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.46-0.50%、N：0.07-0.11%、Si：1.4-1.8%、Mn：2.8-3.2%、Cr：15-17%、Ni：3-5%、Mo：1.6-2.0%、Nb：0.8-1.2%、Ti：1.7-2.1%、V：1-3%、W：0.8-1.2%、As：0.4-0.8%、余量为铁和杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.47-0.49%、N：0.08-0.10%、Si：1.5-1.7%、Mn：2.9-3.1%、Cr：15.5-16.5%、Ni：3.5-4.5%、Mo：1.7-1.9%、Nb：0.9-1.1%、Ti：1.8-2.0%、V：1.5-2.5%、W：0.9-1.1%、As：0.5-0.7%、余量为铁和杂质。
3.根据权利要求1所述的一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.48%、N：0.09%、Si：1.6%、Mn：3.0%、Cr：16%、Ni：4%、Mo：1.8%、Nb：1.0%、Ti：1.9%、V：2%、W：1.0%、As：0.6%、余量为铁和杂质。
4.根据权利要求1所述的一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：以重量百分比计，所述杂质的总含量≤0.1%，其中，P≤0.015%、S≤0.008%、H≤0.003%、O≤0.001%。
5.根据权利要求1所述的一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：所述材料的化学成分还包括以下重量百分比的稀土元素：La：0.008-0.012%、Y：0.004-0.008%和Er：0.001-0.005%。
6.根据权利要求1所述的一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：所述材料的化学成分满足以下公式：
0.55%≤C+N≤0.60%……（1）
4.4%≤Si+Mn≤4.8%……（2）
16.8≤Cr+Ni-Mo≤19.6%……（3）
0.4%≤Nb/Ti≤0.6%……（4）
2.5%≤V+W+As≤4.5%……（5）
其中，C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、V、W和As分别代表各元素的重量百分比。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种高硬度环保不锈钢咖啡壶材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、真空感应冶炼：按照上述化学成分的配比经真空感应炉在0.5-2.5Pa真空度下进行真空感应冶炼，浇铸成自耗电极；
B、真空自耗重熔：将浇铸后的自耗电极在0.1-0.5Pa真空度下，以1.5-3.5Kg/min的熔速进行真空自耗重熔，得到钢液；
C、均匀化处理：将重熔后的钢液在1080-1120℃温度下进行均匀化处理，处理时间为32-40h；
D锻造成材：将均匀化处理后的钢液进行合金锻造，开锻温度为980-1020℃，终锻温度为820-860℃，得到锻棒；
E、固溶处理：将锻造后的锻棒在1000-1040℃温度下进行固溶处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦德宏，
申请(专利权)人：万宝力不锈钢制品东莞有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44