刃具用20Cr13N马氏体不锈钢的生产开发

王宏霞，何 敏，亓 磊

（山东泰山钢铁集团有限公司 技术研发中心，山东 济南271100）

1 前 言

马氏体不锈钢被广泛应用于制作刀具、轴承、高精度调整垫片等对材料硬度、耐磨性能及耐腐蚀性能有较高要求的部件。很早以前，人们就知道通过N 固溶强化可以提高不锈钢强度和耐蚀性。由于N 是强奥氏体形成元素，作为高价镍的替代元素，主要用于奥氏体不锈钢的生产。近年来，氮作为一个有益且廉价的元素也被加入到马氏体不锈钢当中。氮可以使马氏体不锈钢中的其他合金元素分布更为均匀，并减少富铬碳化物的析出倾向，从而提高其耐腐蚀性能［1-3］。

氮合金化有利于提高马氏体钢的耐磨性，也有N 能够提高马氏体不锈钢淬火硬度的结论，因而在高碳马氏体不锈钢中，通过降低碳含量、添加N 的方法，在保证材料硬度不受影响的条件下，得到耐腐蚀性能良好的马氏体不锈钢材料的成分设计和方法被逐步采用；因此氮合金化马氏体不锈钢通常在对耐腐蚀性能要求更高的应用领域里被用于替代传统的马氏体不锈钢。

2 20Cr13N产品的开发试制

20Cr13N 主要供下游客户生产加工刃具使用。刃具行业对此材料的要求包括良好的淬硬性、优良的耐腐蚀性、一定的加工性能。为了避免刃具在加工过程中出现水波纹缺陷，材料不允许出现较严重的偏析现象。针对这些要求，对材料的成分、生产工艺等方面进行了设计。

2.1 生产工艺路线

含氮不锈钢的增氮工艺基本可以分为两类［4］：用富氮合金进行合金化；用氮气增氮。根据钢种特点，结合装备条件，对20Cr13N 不锈钢的生产工艺进行了流程设计。其工艺流程为：高炉铁水→铁水预处理→TSR炉冶炼（氮合金化）→LF炉精炼→CC保护浇注。

2.2 化学成分设计

氮有利于提高材料的耐腐蚀性能，同时由于氮在钢中间隙固溶，可有效提高材料的强度，并提高材料的淬硬性。冶炼含氮钢的难点之一是如何精确控制钢液中氮的质量分数［5］，在冶炼过程中除了保证氮能进入钢液中外，并避免产生氮的偏析和气泡的析出。在20Cr13N钢种的成分设计中，合理控制氮含量尤为必要，同时为了保证产品的耐蚀性，在20Cr13钢的基础上适当提高铬含量，具体成分控制范围见表1。

表1 20Cr13N钢化学成分控制要求 %

3 实物质量

3.1 化学成分

20Cr13N钢的化学成分控制实绩见表2。由表2可知，各元素含量均在控制范围内，化学成分合格。

表2 20Cr13N钢化学成分控制实绩 %

3.2 铸坯质量

为了使材料不出现偏析现象，一方面在成分中降低磷、硫的含量；另一方面在连铸时投入电磁搅拌［4］，并投入动态轻压下。具体参数如下：电磁搅拌电流300 A，电磁搅拌频率5 Hz，动态轻压下1.2 mm。试制铸坯断面规格为200 mm×1 250 mm，对其内部质量进行检测分析。按照GB/T 266—2015标准要求进行取样，保证试样检验面的粗糙度。按照标准中的热酸侵蚀法对所取低倍试样进行侵蚀，低倍组织见图1。

图1 低倍组织

由图l 的低倍组织可以看出，中心等轴晶区较大，中心等轴晶的晶粒相对较小；铸坯无气孔、裂纹等缺陷。根据YB/T 4003—1997 标准对低倍组织进行评定，中间裂纹0 级，中心偏析C 类0.5 级，中心疏松0.5 级，等轴晶粒44.5%，铸坯内部质量控制较好。

3.3 钢带质量

热轧钢带成品厚度为3.5 mm，利用全氢罩式退火炉在840 ℃保温22 h 后，炉冷或最大不超过50 ℃/h的速度冷却至230 ℃以下出炉空冷，经酸洗及平整后，钢板表面质量和板型良好，满足用户使用要求。完全退火可改善热轧后的不良组织［6］，消除残余应力，降低硬度，提高塑韧性，为后续冷加工及以后淬火、回火热处理提供良好的组织保证，退火后钢带力学性能检测结果见表3。

表3 力学性能检测结果

经检测，钢中非金属夹杂物主要以B类和D类为主，级别均不超过1.0 级，钢水纯净度控制较好。对热轧钢带进行组织检测，基体组织为铁素体和碳化物，铁素体晶粒度在10.0～11.0 级，见图2a。在钢带纵向试样截面上，发现靠近电磁搅拌和中心位置存在轻微的偏析带，见图2b；偏析区域进步放大后，在该部位存在密集的颗粒状碳化物，见图2c。

图2 退火钢带组织

4 淬火工艺和耐蚀性研究

4.1 淬火组织、性能

20Cr13N 不锈钢退火酸洗钢带主要用于制造刃具，对耐蚀性要求较高，在后续加工过程中通常还需要淬火、回火。常见刀剪制品的工艺流程为：平直→剪板→淬火→回火→抛光→开刃→上柄等工序。

作为刃具用钢要求，淬火硬度HRC≮48，生产中淬火加热温度一般取1 000～1 100 ℃。为了解淬火温度和保温时间对该钢种硬度的影响，分别在1 010 ℃、1 050 ℃、1 090 ℃进行保温5 min、10 min、15 min后水淬的热处理试验。淬火试样经检测，硬度为50～55 HRC，可满足用户对硬度的要求，如图3所示。

淬火后钢带组织为马氏体和少量未溶碳化物，见图4a；且有随着淬火温度升高碳化物偏析有减轻的趋势，见图4b和图4c。淬火冷却后，马氏体为基体的组织，存在较大应力，组织不够稳定，不能直接应用，一般须进行低温回火后使用。

图3 淬火后钢带硬度

4.2 耐盐雾腐蚀性能

20Cr13N 和20Cr13 酸洗板进行中性盐雾腐蚀对比试验（试验溶液为5%的NaCl 溶液；喷雾方式为连续；试验时间48 h；试验温度35 ℃），在相同腐蚀条件下连续喷雾48 h取出，清洗后进行观察。发现20Cr13N 钢板的耐蚀性较好，只有轻微的锈蚀，见图5a；而20Cr13钢的耐蚀性较差，板面形成较多的锈斑，见图5b。试验结果表明，20Cr13N 酸洗板的耐中性盐雾能力明显优于20Cr13。

图4 淬火后钢带组织

图5 盐雾腐蚀试验图片

5 结 语

通过合理设计钢种成分，在TSR炉利用喷吹氮气进行氮合金化开发20Cr13N不锈钢，该生产工艺简单，成本低，产品的纯净度高，成分稳定。所开发的20Cr13N 热轧钢带各项性能指标均达到试制要求。通过氮合金化，使产品淬硬性和耐腐蚀性能得到明显改善。