王宏霞，何 敏，亓 磊

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，山東 濟(jì)南271100）

1 前 言

馬氏體不銹鋼被廣泛應(yīng)用于制作刀具、軸承、高精度調(diào)整墊片等對(duì)材料硬度、耐磨性能及耐腐蝕性能有較高要求的部件。很早以前，人們就知道通過N 固溶強(qiáng)化可以提高不銹鋼強(qiáng)度和耐蝕性。由于N 是強(qiáng)奧氏體形成元素，作為高價(jià)鎳的替代元素，主要用于奧氏體不銹鋼的生產(chǎn)。近年來，氮作為一個(gè)有益且廉價(jià)的元素也被加入到馬氏體不銹鋼當(dāng)中。氮可以使馬氏體不銹鋼中的其他合金元素分布更為均勻，并減少富鉻碳化物的析出傾向，從而提高其耐腐蝕性能［1-3］。

氮合金化有利于提高馬氏體鋼的耐磨性，也有N 能夠提高馬氏體不銹鋼淬火硬度的結(jié)論，因而在高碳馬氏體不銹鋼中，通過降低碳含量、添加N 的方法，在保證材料硬度不受影響的條件下，得到耐腐蝕性能良好的馬氏體不銹鋼材料的成分設(shè)計(jì)和方法被逐步采用；因此氮合金化馬氏體不銹鋼通常在對(duì)耐腐蝕性能要求更高的應(yīng)用領(lǐng)域里被用于替代傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼。

2 20Cr13N產(chǎn)品的開發(fā)試制

20Cr13N 主要供下游客戶生產(chǎn)加工刃具使用。刃具行業(yè)對(duì)此材料的要求包括良好的淬硬性、優(yōu)良的耐腐蝕性、一定的加工性能。為了避免刃具在加工過程中出現(xiàn)水波紋缺陷，材料不允許出現(xiàn)較嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象。針對(duì)這些要求，對(duì)材料的成分、生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.1 生產(chǎn)工藝路線

含氮不銹鋼的增氮工藝基本可以分為兩類［4］：用富氮合金進(jìn)行合金化；用氮?dú)庠龅?。根?jù)鋼種特點(diǎn)，結(jié)合裝備條件，對(duì)20Cr13N 不銹鋼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了流程設(shè)計(jì)。其工藝流程為：高爐鐵水→鐵水預(yù)處理→TSR爐冶煉（氮合金化）→LF爐精煉→CC保護(hù)澆注。

2.2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

氮有利于提高材料的耐腐蝕性能，同時(shí)由于氮在鋼中間隙固溶，可有效提高材料的強(qiáng)度，并提高材料的淬硬性。冶煉含氮鋼的難點(diǎn)之一是如何精確控制鋼液中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)［5］，在冶煉過程中除了保證氮能進(jìn)入鋼液中外，并避免產(chǎn)生氮的偏析和氣泡的析出。在20Cr13N鋼種的成分設(shè)計(jì)中，合理控制氮含量尤為必要，同時(shí)為了保證產(chǎn)品的耐蝕性，在20Cr13鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高鉻含量，具體成分控制范圍見表1。

表1 20Cr13N鋼化學(xué)成分控制要求 %

3 實(shí)物質(zhì)量

3.1 化學(xué)成分

20Cr13N鋼的化學(xué)成分控制實(shí)績(jī)見表2。由表2可知，各元素含量均在控制范圍內(nèi)，化學(xué)成分合格。

表2 20Cr13N鋼化學(xué)成分控制實(shí)績(jī) %

3.2 鑄坯質(zhì)量

為了使材料不出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，一方面在成分中降低磷、硫的含量；另一方面在連鑄時(shí)投入電磁攪拌［4］，并投入動(dòng)態(tài)輕壓下。具體參數(shù)如下：電磁攪拌電流300 A，電磁攪拌頻率5 Hz，動(dòng)態(tài)輕壓下1.2 mm。試制鑄坯斷面規(guī)格為200 mm×1 250 mm，對(duì)其內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)分析。按照GB/T 266—2015標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行取樣，保證試樣檢驗(yàn)面的粗糙度。按照標(biāo)準(zhǔn)中的熱酸侵蝕法對(duì)所取低倍試樣進(jìn)行侵蝕，低倍組織見圖1。

圖1 低倍組織

由圖l 的低倍組織可以看出，中心等軸晶區(qū)較大，中心等軸晶的晶粒相對(duì)較??；鑄坯無氣孔、裂紋等缺陷。根據(jù)YB/T 4003—1997 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低倍組織進(jìn)行評(píng)定，中間裂紋0 級(jí)，中心偏析C 類0.5 級(jí)，中心疏松0.5 級(jí)，等軸晶粒44.5%，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量控制較好。

3.3 鋼帶質(zhì)量

熱軋鋼帶成品厚度為3.5 mm，利用全氫罩式退火爐在840 ℃保溫22 h 后，爐冷或最大不超過50 ℃/h的速度冷卻至230 ℃以下出爐空冷，經(jīng)酸洗及平整后，鋼板表面質(zhì)量和板型良好，滿足用戶使用要求。完全退火可改善熱軋后的不良組織［6］，消除殘余應(yīng)力，降低硬度，提高塑韌性，為后續(xù)冷加工及以后淬火、回火熱處理提供良好的組織保證，退火后鋼帶力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)檢測(cè)，鋼中非金屬夾雜物主要以B類和D類為主，級(jí)別均不超過1.0 級(jí)，鋼水純凈度控制較好。對(duì)熱軋鋼帶進(jìn)行組織檢測(cè)，基體組織為鐵素體和碳化物，鐵素體晶粒度在10.0～11.0 級(jí)，見圖2a。在鋼帶縱向試樣截面上，發(fā)現(xiàn)靠近電磁攪拌和中心位置存在輕微的偏析帶，見圖2b；偏析區(qū)域進(jìn)步放大后，在該部位存在密集的顆粒狀碳化物，見圖2c。

圖2 退火鋼帶組織

4 淬火工藝和耐蝕性研究

4.1 淬火組織、性能

20Cr13N 不銹鋼退火酸洗鋼帶主要用于制造刃具，對(duì)耐蝕性要求較高，在后續(xù)加工過程中通常還需要淬火、回火。常見刀剪制品的工藝流程為：平直→剪板→淬火→回火→拋光→開刃→上柄等工序。

作為刃具用鋼要求，淬火硬度HRC≮48，生產(chǎn)中淬火加熱溫度一般取1 000～1 100 ℃。為了解淬火溫度和保溫時(shí)間對(duì)該鋼種硬度的影響，分別在1 010 ℃、1 050 ℃、1 090 ℃進(jìn)行保溫5 min、10 min、15 min后水淬的熱處理試驗(yàn)。淬火試樣經(jīng)檢測(cè)，硬度為50～55 HRC，可滿足用戶對(duì)硬度的要求，如圖3所示。

淬火后鋼帶組織為馬氏體和少量未溶碳化物，見圖4a；且有隨著淬火溫度升高碳化物偏析有減輕的趨勢(shì)，見圖4b和圖4c。淬火冷卻后，馬氏體為基體的組織，存在較大應(yīng)力，組織不夠穩(wěn)定，不能直接應(yīng)用，一般須進(jìn)行低溫回火后使用。

圖3 淬火后鋼帶硬度

4.2 耐鹽霧腐蝕性能

20Cr13N 和20Cr13 酸洗板進(jìn)行中性鹽霧腐蝕對(duì)比試驗(yàn)（試驗(yàn)溶液為5%的NaCl 溶液；噴霧方式為連續(xù)；試驗(yàn)時(shí)間48 h；試驗(yàn)溫度35 ℃），在相同腐蝕條件下連續(xù)噴霧48 h取出，清洗后進(jìn)行觀察。發(fā)現(xiàn)20Cr13N 鋼板的耐蝕性較好，只有輕微的銹蝕，見圖5a；而20Cr13鋼的耐蝕性較差，板面形成較多的銹斑，見圖5b。試驗(yàn)結(jié)果表明，20Cr13N 酸洗板的耐中性鹽霧能力明顯優(yōu)于20Cr13。

圖4 淬火后鋼帶組織

圖5 鹽霧腐蝕試驗(yàn)圖片

5 結(jié) 語

通過合理設(shè)計(jì)鋼種成分，在TSR爐利用噴吹氮?dú)膺M(jìn)行氮合金化開發(fā)20Cr13N不銹鋼，該生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低，產(chǎn)品的純凈度高，成分穩(wěn)定。所開發(fā)的20Cr13N 熱軋鋼帶各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到試制要求。通過氮合金化，使產(chǎn)品淬硬性和耐腐蝕性能得到明顯改善。