一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属及其热处理技术领域，涉及一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料，包含以下重量百分比的原料：0.45～1.6％N，0～0.65％C，13.5～25％Cr，0～24％Mn，0～5.5％Ni，0～5.5％Mo，0～1.5％V，0～0.5％Nb，0～1.5％W，0～3.5％Cu、0～0.03％S、0～0.03％P，0～0.5％Si，余量为Fe。本发明专利技术通过对不锈钢材料化学成分的设计，调整不锈钢材料中奥氏体结构的化学成分，将高氮奥氏体不锈钢通过固态相变制备高氮过饱和固溶度的马氏体不锈钢，克服了高氮马氏体不锈钢在常压下，由于凝固中凝固模式的限制，导致金属液合金化元素氮的溢出损失，简化了熔炼工艺，降低了成本。降低了成本。降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属及其热处理
，涉及一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]马氏体不锈钢是一种可以经过热处理(淬火、回火)来调整性能的不锈钢，也可以说是一类能硬化的不锈钢，现在已经成为厨房、运动、狩猎刀具的主体材料，原因在于可以获得高硬度和保持光亮或装饰性花纹图案，其高硬度能够保障刀具的锋利和基本的耐久性。基础成分的马氏体不锈钢410和进一步发展的马氏体不锈钢440C，得到基础和普遍性的应用。为了丰富刀具技术的创新，也为了使刀具更加锋利、耐蚀、耐用，成分设计和制备技术被不断追求，其中发展高氮马氏体不锈钢刀具材料，是当前刀具创新的一个方向。
[0003]目前，现有高氮马氏体型不锈钢开发存在溶氮困难，难以直接熔炼和制造氮含量超过0.4％的马氏体不锈钢，为了保证高氮含量，一般需要在加压下进行制备，然而，加压制备需要非常复杂的设备，制备工艺复杂，成本较高，不利于大范围推广。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法，以解决现有高氮马氏体型不锈钢开发存在溶氮困难，需要在加压下进行制备，制备工艺复杂，成本较高，不利于大范围推广的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法的具体技术方案如下：
[0006]一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料，包含以下重量百分比的原料：0.45～1.6％N，0～0.65％C，13.5～25％Cr，0～24％Mn，0～5.5％Ni，0～5.5％Mo，0～1.5％V，0～0.5％Nb，0～1.5％W，0～3.5％Cu、0～0.03％S、0～0.03％P，0～0.5％Si，余量为Fe。
[0007]本专利技术的特点还在于：
[0008]一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料的制备方法，具体步骤如下：
[0009]步骤1，对不锈钢材料的化学成分进行设计；
[0010]步骤2，对不锈钢材料进行冶金加工，使不锈钢材料加工成为刀具坯料；
[0011]步骤3，将刀具坯料置于热处理炉中进行高温固溶热处理，使刀具坯料加热到高温单相奥氏体相区，获得具有均匀奥氏体结构的刀具坯料，然后对刀具坯料进行时效热处理，时效热处理后析出以氮化物Cr2N为主体的化合物，使获得的刀具坯料的结构特征为在奥氏体结构中分布化合物；
[0012]步骤4，将时效热处理后的刀具坯料进行淬火热处理，使刀具坯料内部的奥氏体结构转变为马氏体结构。
[0013]其中步骤1中不锈钢材料的化学成分设计步骤如下：
[0014]步骤1.1，计算不锈钢的化学成分，计算公式如下：
[0015]Cr
eq
＝Cr+1.5Mo+1.5W+0.48Si+2.3V+1.75Nb+2.5Al
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0016]Ni
eq
＝Ni+Co+0.1Mn+0.01Mn2+18N+30C
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]其中，Cr
eq
为铬当量，Ni
eq
为镍当量；
[0018]步骤1.2，以Cr2N为主要的时效析出物，按原子量计算Cr与N的质量比，以式(2)中N的镍当量系数18，并以N的0.5个质量单位降低数计算得到Cr
eq
与Ni
eq
的当量比；
[0019]步骤1.3，成分设计有两个方向，其一是高当量向下成分设计，从高Cr
eq
和高Ni
eq
的高氮奥氏体不锈钢考虑时效析出量，向着低Cr
eq
和低Ni
eq
的马氏体不锈钢，向下调Cr和N量，进行成分调整，满足高氮奥氏体不锈钢的材料；其二是低当量向上成分设计，先选择马氏体不锈钢材料并调整设计，向着高Cr
eq
和高Ni
eq
的高氮奥氏体不锈钢，向上调Cr和N量，满足谢弗勒相图相区的调整。
[0020]其中步骤2中冶金加工为熔炼、离心铸造、铸管分割平展与轧制的其中一种或多种。
[0021]其中步骤3中将刀具坯料置于热处理炉中时需要进行氮气或者真空保护。
[0022]其中步骤3中高温固溶热处理的温度为1030～1250℃，高温固溶热处理的时间为10min～8h。
[0023]其中步骤3中时效热处理的温度为750～1020℃，时效热处理的时间为1～21h。
[0024]其中时效热处理采用三段加热：
[0025]第一段，加热温度为830～950℃，时间为0.5～3h；
[0026]第二段，加热温度为950～1020℃，时间为0.5～12h；
[0027]第三段，加热温度为750～950℃，时间为0.5～6h。
[0028]其中步骤4中淬火为油淬、气淬、风冷、空冷和炉冷中的任意一种。
[0029]本专利技术的一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法具有以下优点：
[0030]第一，通过对不锈钢材料化学成分的设计，调整不锈钢材料中奥氏体结构的化学成分，将高氮奥氏体不锈钢通过固态相变制备高氮过饱和固溶度的马氏体不锈钢，克服了高氮马氏体不锈钢在常压下，由于凝固中凝固模式的限制，导致金属液合金化元素氮的溢出损失，简化了熔炼工艺，降低了成本；
[0031]第二，本专利技术发展了热处理技术，形成了新的固溶
‑
时效
‑
淬火的热处理组合，提供了新刀具材料的加工技术，常规固溶
‑
时效热处理在冷却后，一般应用在可热处理强化的有色金属的强化方面，或者应用于沉淀硬化奥氏体不锈钢中，得到的是析出相分布在固溶处理后的结构相基体中，淬火是钢或铸铁的常用强化或硬化方法，加热保温得到奥氏体然后高于临界冷却速度冷却，奥氏体转变马氏体，本专利技术通过时效调整奥氏体基体相的成分，结合谢弗勒相图，成分调整适合后能够得到马氏体，改进了热处理技术，为发展新型刀具材料提供了技术支持；
[0032]第三，本专利技术制备的马氏体不锈钢材料，具有超高强度钢的性能潜力，通过本专利技术的热处理技术，在时效热处理时调整氮化物析出相以粒状弥散分布于基体中，得到弥散强化高强度马氏体，改善高硬度金属材料的韧性，为制造更高性能高强度不锈钢提供技术支持。
附图说明
[0033]图1为Speidel与Uggowitzer在1993年更新的谢弗勒相图；
[0034]图2为本专利技术的热处理技术特征工艺曲线图及各段工艺主要目标；
[0035]图3为实施例1的显微组织图；
具体实施方式
[0036]为了更好地了解本专利技术的目的、结构及功能，下面结合附图，对本专利技术一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法做进一步详细的描述。
[0037]本专利技术一种高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料，其特征在于，包含以下重量百分比的原料：0.45～1.6％N，0～0.65％C，13.5～25％Cr，0～24％Mn，0～5.5％Ni，0～5.5％Mo，0～1.5％V，0～0.5％Nb，0～1.5％W，0～3.5％Cu、0～0.03％S、0～0.03％P，0～0.5％Si，余量为Fe。2.一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1所述一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料，具体步骤如下：步骤1，对不锈钢材料的化学成分进行设计；步骤2，对不锈钢材料进行冶金加工，使不锈钢材料加工成为刀具坯料；步骤3，将刀具坯料置于热处理炉中进行高温固溶热处理，使刀具坯料加热到高温单相奥氏体相区加热，获得具有均匀奥氏体结构的刀具坯料，然后对刀具坯料进行时效热处理，时效热处理后析出以氮化物Cr2N为主体的化合物，使获得的刀具坯料的结构特征为在奥氏体结构中分布化合物；步骤4，将时效热处理后的刀具坯料进行淬火热处理，使刀具坯料内部的奥氏体结构转变为马氏体结构。3.根据权利要求2所述的一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中不锈钢材料的化学成分设计步骤如下：步骤1.1，计算不锈钢的化学成分，计算公式如下：Cr
eq
＝Cr+1.5Mo+1.5W+0.48Si+2.3V+1.75Nb+2.5Al
ꢀꢀꢀꢀ
(1)Ni
eq
＝Ni+Co+0.1Mn+0.01Mn2+18N+30C
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，Cr
eq
为铬当量，Ni
eq
为镍当量；步骤1.2，以Cr2N为主要的时效析出物，按原子量计算Cr与N的质量比，以式(2)中N的镍当量系数18，并以N的0.5个质量单位降低数计算得到Cr
eq
与Ni

【专利技术属性】
技术研发人员：王柏树，陈咨伟，张晓宇，季长涛，崔晓鹏，杨友，祖国庆，韩英，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：