一种铁素体不锈钢及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种铁素体不锈钢及其制备方法与应用，按照重量百分比，铁素体不锈钢的化学组分如下：C 0.10％

【技术实现步骤摘要】
一种铁素体不锈钢及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于模具钢
，涉及一种铁素体不锈钢及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002][0003]增材制造技术改变了模具钢熔炼+锻造的传统制造方式，大大减缓甚至避免了杂质元素和成分偏析等方面的影响，同时增材制造赋予模具的随形水路大幅度提高了冷却能力，进而提高了产品表面质量和生产效率，使得我国增材制造模具钢的品质提高。但是，在具体服役过程中，高强度模具钢在反复疲劳载荷作用下，往往会出现裂纹而导致过早失效。究其原因，一方面部分中高碳模具钢如AISI420由于主要依靠C原子的间隙固溶强化，导致自身塑性较差，其抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力较差；另一方面较高C含量致使产生一定量的残留奥氏体，其分布形态往往影响塑性和韧性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种铁素体不锈钢及其制备方法与应用。本专利技术优化了注塑模具用铁素体不锈钢的化学成分，并明确了相应的增材制造方法，特别是提出了后续热处理过程中深冷方法，可以大幅度提高增材制造模具钢的韧性，从而降低疲劳开裂的风险，同时改善了抛光性能和加工性能，为增材制造模具的稳定制造和规模应用提供技术支撑。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种铁素体不锈钢，按照重量百分比，所述的铁素体不锈钢的化学组分如下：C 0.10％
‑
0.25％，Ni 0.38％
‑
0.8％，Cr 12.2％
‑
13.8％，V 0<br/>‑
0.50％，Mn 0.50％
‑
1.00％， Si 0.20％
‑
0.60％，Mo 0.10％
‑
0.50％，Nb 0
‑
0.10％，P＜0.015％，S＜0.010％，余量为 Fe和不可避免的杂质。其中，Ni主要用于配合深冷处理调控残留奥氏体分布形态以改善韧性；C规定了含量上限不超过0.25wt％，以减少间隙固溶含量并调控碳化物分布形态以降低对韧性的不利影响；V和Mo等强碳化物形成元素的选择性添加以引入析出强化并保障强度或硬度。
[0007]一种铁素体不锈钢的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0008]1)按照化学组分配比，制备具有细晶马氏体组织的球形合金粉体；
[0009]2)利用铺粉增材制造(LPB)方式，将步骤1)中的球形合金粉体打印成型；
[0010]3)进行热处理，即得到所述的铁素体不锈钢。
[0011]优选地，步骤1)中，所述的球形合金粉体的粒径为5
‑
85μm，呈正态分布。
[0012]进一步优选地，球形合金粉体的制备过程为：按照上述化学组分配比，利用雾化法将高温熔融态合金冷却至室温，经历液固相变(凝固)、固体相变(奥氏体
‑ꢀ
马氏体相变)得到具有细晶马氏体组织的球形粉体，其粒径在5
‑
85μm之间，呈正态分布，D10：约23μm，D50：约40μm，D90：约70μm；杂质元素含量：O约 185ppm，N约147ppm，S＜0.003wt％，P约0.021wt％；松装密度：3.50
‑
4.00g/cm3；振实密度：约5g/cm3。
[0013]优选地，步骤2)中，铺粉增材制造过程中，激光功率为120
‑
350W，扫描速率为0.2
‑
1.2m/s，铺粉层厚为42
‑
110μm，层间扫描路径呈65
‑
70
°
(优选为67
°
) 夹角。
[0014]优选地，步骤3)中，热处理过程为：在250
‑
300℃回火2
‑
6h，然后空冷，之后再重复回火及空冷一次；或者，热处理过程为：在460
‑
525℃回火3
‑
5h，然后空冷。
[0015]优选地，步骤3)中，热处理之前，先进行固溶处理、深冷处理或固溶处理+ 深冷处理。
[0016]优选地，固溶处理过程为：加热至1000
‑
1070℃保温0.5
‑
5h，之后冷却至室温；深冷处理过程为：冷却至
‑
196℃至
‑
120℃，保持0.5
‑
3h，之后置于室温下10
‑
60min；固溶处理+深冷处理过程为：先进行固溶处理，再进行深冷处理。
[0017]优选地，固溶处理过程中，冷却速率为5
‑
50℃/s。也可采用分段冷却方式，例如快速冷却至450
‑
550℃后保温0.5
‑
1h，然后空冷。
[0018]优选地，深冷处理之前，先进行预冷处理。例如在
‑
60℃至
‑
40℃保温0.5
‑
3h，然后进行深冷处理；或者在液氮中快速提拉不少于10次，然后进行深冷处理。
[0019]上述制备过程中，涉及的具体温度、时间及冷却速率等需要根据实际模具尺寸形状、最大壁厚进一步确定。
[0020]一种铁素体不锈钢的应用，所述的铁素体不锈钢用于模具中。
[0021]研究表明，针对增材制造中高碳模具钢疲劳寿命不足的问题，可以限定C含量上限，并引入微量V、Nb等强碳化物形成元素，用析出强化弥补固溶强化造成的强度降低，在保持既有强度或略微提高强度的同时改善塑性和韧性；同时优化热处理工艺，比如引入固溶处理和深冷处理，调控残留奥氏体形态分布，利用其相变诱发塑性(TRIP)效应进一步改善塑性和韧性。
[0022]本专利技术针对中高C含Cr铁素体不锈钢因韧性不足而导致模具疲劳开裂的问题，对打印态模具直接置于
‑
120℃至液氮温度(
‑
196℃)深冷处理或高温固溶处理后再深冷处理，并配以250
‑
525℃温度范围内的两次或单次回火，在保证目标硬度并消除内应力的同时，可大幅度提高韧性，降低了模具使用过程中疲劳开裂的风险。经深冷处理后的模具钢硬度可达42
‑
50HRC，室温V型缺口冲击功在15
‑
70J范围，综合力学性能特别是韧性高于同类型的合金，同时可加工性、抛光性能、疲劳寿命均大幅度改善。本专利技术工艺方法处理效果好，稳定性强，是十分理想的改善增材制造模具钢综合力学性能的方法，可以推广到其它含有残留奥氏体的增材制造模具用高强度铁素体钢。
[0023]本专利技术中，增材制造注塑模具钢直接回火或深冷后回火，显微组织为胞状晶粒 +柱状晶粒相间的层状结构，而增加固溶处理步骤后，室温组织为等轴晶粒，与铸态显微组织类似。回火后，室温组织为体心立方结构的α相基体+面心立方结构的γ相，其中，γ相的体积分数在9％
‑
34％之间，具体比例取决于回火温度和时间以及深冷工艺，主要分布在马氏体板条界本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁素体不锈钢，其特征在于，按照重量百分比，所述的铁素体不锈钢的化学组分如下：C 0.10％
‑
0.25％，Ni 0.38％
‑
0.8％，Cr 12.2％
‑
13.8％，V 0
‑
0.50％，Mn 0.50％
‑
1.00％，Si 0.20％
‑
0.60％，Mo 0.10％
‑
0.50％，Nb 0
‑
0.10％，P＜0.015％，S＜0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。2.一种如权利要求1所述的铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)按照化学组分配比，制备具有细晶马氏体组织的球形合金粉体；2)利用铺粉增材制造方式，将步骤1)中的球形合金粉体打印成型；3)进行热处理，即得到所述的铁素体不锈钢。3.根据权利要求2所述的一种铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的球形合金粉体的粒径为5
‑
85μm，呈正态分布。4.根据权利要求2所述的一种铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤2)中，铺粉增材制造过程中，激光功率为120
‑
350W，扫描速率为0.2
‑
1.2m/s，铺粉层厚为42
‑
110μm，层间扫描路径呈65
‑
70
°
夹角。5.根据权利要求2所述的一种铁素体不锈钢的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘庆冬，于一笑，刘妍洁，林钢，张静，顾剑锋，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：