发明内容

本发明的目的在于提供一种刀具用高碳高铬马氏体不锈钢及其制备方法，通过添加一定含量稀土元素，优化材料中的一次碳化物尺寸和分布，通过改进热处理工艺，打破传统热处理工艺，在正火和回火制度之间创新性的增加深冷工艺，促进基体中残留奥氏体的马氏体转变，进一步提高材料的硬度和韧性，获得具有强度和韧性最佳搭配的材料。

本发明的技术方案是：

一种刀具用高碳高铬马氏体不锈钢，以重量百分比计，其化学成分为：C:0.90～1.20％，Cr:14.0～16.0％，Co:1.0～2.0％，Mo:0.5～1.5％，V:0.20～0.40％，Mn:0.2～0.6％，La:0.001～0.01％，P<0.01％，S<0.01％，余量为铁。

所述的刀具用高碳高铬马氏体不锈钢，优选的，La:0.002～0.006。

所述的刀具用高碳高铬马氏体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：

(1)按比例将各化学成分混合，经过冶炼和浇注获得钢锭；

(2)将获得的钢锭在奥氏体单相区锻造；

(3)锻造后的钢锭进行控制轧制：首先在再结晶区初轧，轧制温度为1100℃～1200℃，轧制每道次压下量控制为10％～20％，总压下量控制为75％～85％，热轧后空冷至室温；

(4)热轧后的板材进行冷轧；

(5)冷轧后进行热处理。

所述的刀具用高碳高铬马氏体不锈钢的制备方法，步骤(2)中，锻造工艺为：初锻造温度1150℃～1200℃，锻造比大于8，锻后空冷至室温。

所述的刀具用高碳高铬马氏体不锈钢的制备方法，步骤(4)中，冷轧工艺为：每道次压下量小于10％，进行中间道次的退火，退火温度880℃±20℃，保温60min～120min后炉冷至室温。

所述的刀具用高碳高铬马氏体不锈钢的制备方法，步骤(5)中，热处理工艺为：首先在11050℃±20℃保温20min～40min后进行油淬至室温，然后在液氮环境中深冷30min～60min后空冷至室温，最后在150℃～250℃保温120min～240min后空冷至室温。

所述的刀具用高碳高铬马氏体不锈钢的制备方法，热处理后的刀具用高碳高铬马氏体不锈钢中，奥氏体的体积含量在5～10％之间，屈服强度达到1800MPa以上，抗拉强度达到2300MPa以上，洛氏硬度HRC达到60以上。

本发明的设计思想有两点，如下所述：

1)一定含量稀土元素的添加：刀具用高碳高铬马氏体不锈钢中复合添加的0.002wt％～0.006wt％的La起到了两方面的作用：1)起到细化晶粒、增加一次碳化物这种粗大沉淀相的形核位置和改善二次碳化物分布的作用，通过稀土La的异质形核，在金属浇注凝固过程中，增加一次碳化物的形核位置，从而抑制一次碳化物的长大粗化，实现碳化物的均匀分布，从而提高材料的强韧性；2)起到纯净化冶炼和降低钢中夹杂物含量的作用，稀土能与钢液中的氧优先反应生成氧化物，然后漂浮在钢液上，从而可以降低材料中的氧含量，降低氧化物夹杂物的含量。

2)热处理制度的创新：本发明中高碳高铬不锈钢中的碳含量为0.9wt％～1.2wt％，碳是强烈的扩大奥氏体相区的元素，致使材料的马氏体转变终了温度M_f低于室温，因此在正火中的油淬过程中，材料基体中会残留大量的奥氏体，从而难以保证材料的硬度、耐磨性和使用寿命等。本发明在正火后随着采用在液氮环境中进行深冷热处理，促进材料中的大量残余奥氏体向马氏体转变，避免不稳定的残余奥氏体发生组织转变而导致体积变化带来的金属碎裂等不利因素。与此同时，液氮温度可达到零下196℃，超低的温度可转移金属原子的运能，原子之间的扩散受阻，原子之间的结合力得到提高，从而进一步提升材料的韧性。通过热处理，调整马氏体和奥氏体含量，使钢中奥氏体体积含量控制在5％～10％之间，获得低温回火马氏体和一定量残余奥氏体的组织，保证钢的良好强韧性能。

本发明中主要元素含量范围说明如下：

C：碳为奥氏体形成元素，扩大奥氏体相区，缩小铁素体相区，可以抑制钢中高温铁素体的形成。碳与合金元素Cr、V等形成M₂₃C₆型与MX型碳化物，在原奥氏体晶界、板条界等界面析出，钉扎位错、阻碍界面移动，提供析出强化作用。但是，碳是容易扩散的元素，含量过高时碳化物容易粗化而导致耐热钢组织稳定性降低，故本发明钢中碳的含量控制为：0.90wt％～1.20wt％。

Cr：铬是决定不锈钢耐腐蚀性的首要元素，钢中有足够量的铬时，在氧化性介质中就可以形成Cr₂O₃为基体的稳定的表面防护膜。此外，铬能有效的提高钢的点蚀电位值，降低钢对点蚀的敏感性。铬含量低于12wt％时，钢的耐蚀性急剧降低。但是，钢中铬含量过高，将降低钢的导热系数，增加淬火和回火条件下钢内的稳定铁素体含量，降低钢的硬度和抗拉强度，显著降低马氏体转变温度。另外，铬含量高于18wt％时，钢在高温得不到稳定的纯奥氏体相区，故本发明中铬的含量控制为：14.0wt％～16.0wt％。

Co：钴基本完全固溶于基体中，起到固溶强化作用，且不形成碳化物，更多的是与Mo形成协同效应，促进Ni₃Mo、Fe₂Mo等的析出。钴可以抑制马氏体中为错亚结构的回复，为其后析出相提供更多形核位置，促进析出强化作用。根据钴对铁素体形成元素的平衡作用及其对沉淀效应的影响，选定为1.0wt％～2.0wt％。

Mo：钼是铁素体形成元素，能力相当于铬。在马氏体不锈钢中，钼可提高不锈钢在还原性介质中的耐腐蚀能力，增强抗电蚀，耐氯离子腐蚀等性能，并提高钢在有机酸中的耐蚀性。此外，在Fe-Cr合金中加入钼后，合金的钝化稳定性和抗点蚀能力大大提高，在这方面钼的能力是铬的3.3倍。通常马氏体不锈钢中钼含量在1.5wt％以下，过高的Mo含量将促进高温铁素体形成，引起不利影响，故本发明钢中钼的含量控制为：0.5wt％～1.5wt％。

V：钒为强烈的碳化物形成元素，与钢中碳和氮形成纳米级析出相，钉扎位错。固碳并且组织铬等合金元素自基体向碳化物中扩散而导致熟化，提高热强性。钒含量偏低时不易充分形成细小碳化物，起不到钉扎位错的作用，而含量偏高时使钢脆化，故本发明钢中钒的含量控制为：0.20wt％～0.40wt％。

Mn：锰是奥氏体形成元素和稳定元素，可显著降低钢的奥氏体形成温度A_C1点和马氏体形成温度M_S点，提高合金钢的淬透性，抑制δ铁素体的形成。但是，锰含量添加过高时，容易在钢中产生偏聚，以至于发生局部相变形成新的奥氏体晶粒，恶化性能。而且锰容易与钢中硫形成MnS夹杂，夹杂物体积分数增加降低钢的冲击韧性，故本发明钢中锰的含量控制为：0.2wt％～0.6wt％。

稀土：钢中含有一定量的稀土可以明显地提高钢的塑性和韧性，改善钢材横向性能和低温韧性。稀土有净化钢液、变质夹杂、微合金化的作用，有利于提高钢的冷冲压成型性和耐蚀性。当钢中稀土La含量超过0.002wt％后，可延缓钢材接触疲劳裂纹的萌芽和扩展，同时明显的减少接触疲劳贯穿角和贯穿深度。但是当其含量超过0.01wt％，会形成大块状的稀土夹杂物，严重恶化材料的性能。故本发明钢中La的含量优化控制为：0.002wt％～0.006wt％。

S、P：分别为钢中的主要夹杂物形成元素和有害元素。硫对钢的冲击韧度的裂纹形成和扩展有着极为不利的影响，同时损害钢的蠕变性能。磷使钢的韧脆转变温度急剧升高，增大钢的冷脆性，故本发明钢中硫、磷的含量控制极为严格：S<0.01wt％、P<0.01wt％。

本发明中热处理制度说明如下：

本发明正火温度及其保温时间：正火的目的是为了消除原始组织中的粗大的一次碳化物，在奥氏体化状态将其固溶进入基体，并在随后的回火过程中，M₂₃C₆以及MX碳化物能够在原奥氏体晶界、板条界等界面析出，达到析出强化作用，同时通过调整正火温度获得合适的晶粒大小。本发明钢在温度低于1030℃正火时，碳化物未充分溶解，不能充分的发挥析出强化效果。而当温度高于1080℃时，由于晶粒的快速长大，得到粗大的组织，钢的冲击韧性迅速下降。因此，本发明选择为1050℃±20℃保持30～60min并等温淬火的正火制度。

本发明的深冷工艺及其保温时间：由于本发明材料的马氏体转变终了温度低于室温，因此在传统的刀具用钢热处理制度中增加深冷处理工艺，促进材料中的残余奥氏体进一步向马氏体转变，与此同时，液氮环境提供的超低温度可提升材料原子级别之间结合力。因此，本发明钢的深冷工艺选择在液氮环境中进行，保温30min～60min后冷却至室温。

本发明低温回火温度及其保温时间：本发明材料经淬火和低温回火后可得到隐晶回火马氏体和均匀分布的粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时显著降低材料的淬火应力和脆性。另外，淬火的内应力经低温回火后降低，进一步提高材料的强度和塑性，保持优良的综合力学性能。因此，本发明钢的回火制度选择为150℃～250℃保温120min～240min后空冷至室温。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明通过创造性地在刀具用高碳高铬马氏体不锈钢中加入一定含量的稀土元素，并通过优化材料中的稀土元素含量，起到细化晶粒、增加一次碳化物的形核位置来抑制碳化物的粗化，从而促进碳化物的均匀分布，与此同时起到纯净化冶炼和降低夹杂物含量的作用。

2、本发明在传统的正火和回火热处理制度之间创新性地增加液氮深冷处理技术，通过改进热处理工艺，促进钢中残余奥氏体的马氏体相变，控制基体中马氏体和奥氏体的含量，消除内应力，提高原子之间的结合力，提升刀具的硬度和强度，获得材料强度和韧性的最佳搭配，大幅度提高刀具的锋利度和耐用度，延长刀具的使用寿命。