泰山鋼鐵馬氏體不銹鋼系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)

張 爽

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 271100）

1 前言

2010—2020 年我國(guó)不銹鋼產(chǎn)量呈穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，400 系不銹鋼產(chǎn)量自2016 年開(kāi)始逐年增加，2021年，我國(guó)400系不銹鋼占比為20.46%，而日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家400系不銹鋼占比均在40%以上。今后我國(guó)400系不銹鋼市場(chǎng)需求將持續(xù)增長(zhǎng)，一是大力推廣低鎳、少鎳的400系不銹鋼可規(guī)避?chē)?guó)內(nèi)鎳資源匱乏，促進(jìn)內(nèi)循環(huán)，降低消費(fèi)成本；二是隨著對(duì)環(huán)保越來(lái)越重視，200系廢鋼回收問(wèn)題越來(lái)越棘手，加上行業(yè)集中度的逐步提高，400 系不銹鋼將逐步取代200系不銹鋼。

400 系不銹鋼分超純鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼兩大類(lèi)。馬氏體不銹鋼可通過(guò)淬火、回火等熱處理工藝進(jìn)行強(qiáng)化，從而獲得較高的硬度、強(qiáng)度以及耐磨性［1］，廣泛應(yīng)用在刀具、量具、剎車(chē)盤(pán)、礦山機(jī)械等領(lǐng)域［2-3］。山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)泰山鋼鐵）開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了Cr13 系馬氏體不銹鋼、含氮耐蝕馬氏體不銹鋼、個(gè)性化定制馬氏體不銹鋼以及高端馬氏體不銹鋼產(chǎn)品，取得了較好的效果。

2 開(kāi)發(fā)歷程

泰山鋼鐵馬氏體不銹鋼工藝流程：高爐鐵水→鐵水預(yù)處理→TSR爐冶煉→LF爐精煉→CC保護(hù)澆注→板坯退火→板坯修磨→板坯加熱→爐卷+3連軋→罩式退火→酸洗（NO.1 產(chǎn)品）→20 輥冷軋（冷硬產(chǎn)品）→脫脂→退火酸洗→平整（2B產(chǎn)品）。

2013年泰山鋼鐵及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，逐步放棄200系市場(chǎng)，重點(diǎn)轉(zhuǎn)向更綠色、更經(jīng)濟(jì)的400系不銹鋼。2013—2015 年，開(kāi)發(fā)常規(guī)06Cr13 鋼與剎車(chē)盤(pán)用12Cr13鋼，年產(chǎn)量分別達(dá)到65萬(wàn)t和6萬(wàn)t。2016年隨著罩式退火爐投產(chǎn)，成功開(kāi)發(fā)刀刃具用20Cr13、30Cr13、40Cr13鋼，實(shí)現(xiàn)了Cr13系列馬氏體不銹鋼全覆蓋。2018 年以來(lái)，泰山鋼鐵實(shí)施“個(gè)性化、定制化、差異化、精品化”產(chǎn)品開(kāi)發(fā)路線(xiàn)，根據(jù)市場(chǎng)需求先后開(kāi)發(fā)了定制化卡尺用鋼40Cr14 和耐磨刀具鋼TSCr9LP、TSCr9LPM，含氮耐蝕刀具鋼20Cr13N、30Cr14N 以及高端馬氏體不銹鋼0Cr13Mn、50Cr15MoV等。

3 主要產(chǎn)品及技術(shù)指標(biāo)

3.1 Cr13系馬氏體不銹鋼

Crl3馬氏體不銹鋼是指Cr含量在13%左右，C含量＜0.45%的不銹鋼，也包括為改善某些性能另加一些合金元素而發(fā)展起來(lái)的馬氏體不銹鋼［4］。馬氏體不銹鋼中C 是主要的強(qiáng)化元素，但較高的C會(huì)惡化材料的耐蝕性與塑韌性［5］；Cr提高鋼的淬透性和耐蝕性，鋼中部分Cr 形成的合金滲碳體在淬火加熱時(shí)溶解較慢，可減少過(guò)熱傾向，擴(kuò)大高硬度淬火溫度區(qū)間，經(jīng)過(guò)熱處理后可以細(xì)化晶粒，使碳化物能以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)均勻彌散分布在基體組織中［6］。泰山鋼鐵Cr13 系列馬氏體不銹鋼采用全鐵水原料，添加高碳鉻鐵，Cr含量按標(biāo)準(zhǔn)上限設(shè)定，較傳統(tǒng)的電爐的鋼液中有害殘余元素少，重金屬遷移量低，產(chǎn)品入選國(guó)家工信部“廚房廚具用不銹鋼綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品”，典型成分及性能如表1所示。

表1 Cr13系列馬氏體不銹鋼典型成分與性能

Cr13系馬氏體不銹鋼成分處于包晶區(qū)，鋼水凝固過(guò)程伴隨著較大的體積變化和線(xiàn)收縮，易導(dǎo)致連鑄坯凹陷和縱向裂紋缺陷，是連鑄難度較大的鋼種之一［7-9］；另一方面，刀刃具用Cr13系馬氏體不銹鋼由于元素偏析常常會(huì)出現(xiàn)水波紋缺陷［10］，不僅影響產(chǎn)品的使用性能，而且影響美觀。泰山鋼鐵在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中針對(duì)板坯縱裂與組織均勻化進(jìn)行了專(zhuān)題攻關(guān)，通過(guò)保護(hù)渣性能及組分優(yōu)化、分段拉速控制、結(jié)晶器錐度控制以及水口侵入深度控制等措施，解決了板坯縱裂問(wèn)題，板坯修磨率＜1%。針對(duì)水波紋缺陷重點(diǎn)通過(guò)電磁攪拌參數(shù)優(yōu)化，控制電流強(qiáng)度300～350 A、頻率5.0～6.0，減輕鑄坯白亮帶，消除了成品刀具水波紋。30Cr13 板坯低倍檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，30Cr13、40Cr13帶鋼組織見(jiàn)圖1、圖2。

表2 30Cr13板坯低倍檢測(cè)結(jié)果

圖1 30Cr13帶鋼基體組織

圖2 40Cr13帶鋼基體組織

3.2 含氮系列耐蝕馬氏體不銹鋼

N合金化有利于提高馬氏體鋼的耐磨性，也能提高馬氏體不銹鋼淬火硬度，因而在馬氏體不銹鋼中，通過(guò)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。通常在對(duì)耐腐蝕性能要求更高的領(lǐng)域里用氮合金化馬氏體不銹鋼替代傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼。

泰山鋼鐵開(kāi)發(fā)了20Cr13N、30Cr14N 含氮耐蝕馬氏體不銹鋼，典型成分與性能見(jiàn)表3。

表3 含氮系列馬氏體不銹鋼典型成分與性能

對(duì)20Cr13N 和20Cr13 酸洗板進(jìn)行中性鹽霧腐蝕對(duì)比試驗(yàn)，在相同腐蝕條件下，發(fā)現(xiàn)20Cr13N 只有輕微的銹蝕，而20Cr13 則形成較多的銹斑，可見(jiàn)含氮系列馬氏體不銹鋼耐蝕性能顯著提高。

3.3 個(gè)性化定制開(kāi)發(fā)產(chǎn)品

3.3.1 卡尺用不銹鋼40Cr14

精密量具用鋼選材要最大限度地減少磨損失效而引起的測(cè)量誤差，40Cr13被廣泛用作卡尺的制造材料［11］。泰山鋼鐵針對(duì)產(chǎn)品應(yīng)用性能需求，在傳統(tǒng)40Cr13基礎(chǔ)上通過(guò)成分優(yōu)化，定制開(kāi)發(fā)出熱處理硬度更高、耐磨性更佳的40Cr14 卡尺用不銹鋼，典型成分與性能見(jiàn)表4。

表4 40Cr14不銹鋼典型成分與性能

40Cr14 耐磨性與Cr13 系馬氏體不銹鋼對(duì)比見(jiàn)圖3、圖4。從摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線(xiàn)看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)摩擦系數(shù)變化不大，摩擦系數(shù)差異性也不大。但整體看，40Cr14鋼摩擦系數(shù)更穩(wěn)定；從摩痕寬度隨磨損時(shí)間的變化曲線(xiàn)看出，隨時(shí)間延長(zhǎng)磨痕寬度均逐漸增加，40Cr14 鋼的明顯緩慢，可見(jiàn)40Cr14 鋼耐磨性較同類(lèi)產(chǎn)品40Cr13 鋼有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖3 摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線(xiàn)

圖4 磨痕寬度隨磨損時(shí)間的變化曲線(xiàn)

3.3.2 耐磨刀具用鋼TSCr9LP

鋒利度及其持久性、耐磨性、耐蝕性是刀具最重要的三個(gè)性能指標(biāo)。其中鋒利度及其持久性和耐磨性與材料的硬度密切相關(guān)，硬度越高其鋒利度與耐磨性越好，耐磨性越好進(jìn)而鋒利度持久性越好。好的刀具除了要求具有好的鋒利度持久性、耐磨性等特點(diǎn)外，還要求具有良好的耐蝕性和一定的韌性［12］。

Si可以提高鐵基體的電極電位，也是鐵素體形成元素，并且顯著強(qiáng)化鐵素體基體。另外，在馬氏體不銹鋼中加入適量的Si 還能提高鋼的回火穩(wěn)定性，較高的溫度回火使制得的成品韌性得到改善［13］。P 元素在奧氏體晶界上的偏聚，淬火后仍被保留在馬氏體的原奧氏體晶界，引起晶界P化學(xué)狀態(tài)的改變，造成鋼回火脆性增加，塑性和韌性降低。在相同的淬火硬度下，P含量越低韌性越好［14］。

刀具用定制產(chǎn)品TSCr9LP 不銹鋼的成分設(shè)計(jì)特點(diǎn)是高Si低P，對(duì)比C含量相當(dāng)?shù)牡毒咪?0Cr13，其強(qiáng)度、硬度明顯提高，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。成品刀具表面光澤度好，淬火硬度61～63 HRC，重復(fù)修磨硬度59～62 HRC，試切測(cè)試顯示TSCr9LP 在刃口鋒利度持久性上有明顯優(yōu)勢(shì)。

表5 TSCr9LP與40Cr14典型成分與性能

3.4 高端馬氏體不銹鋼

隨著不銹鋼產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的不斷升級(jí)，馬氏體不銹鋼高端產(chǎn)品越來(lái)越向高碳、高鉻以及添加Mo、V、Ti、W 等合金元素方向發(fā)展，如440B、440C、T5Mo、T5MoV、T6MoV 等［15］。雖然隨碳含量的增加，材料的硬度不斷升高，刀具的耐磨性也不斷升高。但當(dāng)鋼中碳含量超過(guò)O.6%時(shí)，隨碳含量的升高其硬度增加已不明顯，同時(shí)，碳含量升高會(huì)導(dǎo)致熱處理后組織中碳化物的含量增多，嚴(yán)重影響刀剪的耐腐蝕性能。高碳高鉻馬氏體不銹鋼中添加Mo、V 合金，可以在提高材料強(qiáng)度硬度的同時(shí)提高耐蝕性能，其綜合性能最佳。

在馬氏體不銹鋼中V 通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度［16］。Mo可提高不銹鋼在還原性介質(zhì)中的耐腐蝕能力，增強(qiáng)抗點(diǎn)蝕、耐氯離子腐蝕等性能，在Fe-Cr 合金中加入Mo后，合金的鈍態(tài)穩(wěn)定性和抗點(diǎn)蝕能力大大提高，Mo 的作用能力相當(dāng)于Cr的3.3倍。另一方面，Mo可細(xì)化晶粒、均勻組織、提高韌性，提高馬氏體不銹鋼強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性。

目前50Cr15MoV（T5MoV）是中高端刀具用量最大的馬氏體不銹鋼。泰山鋼鐵50Cr15MoV 典型成分與性能見(jiàn)表6。根據(jù)不銹鋼耐蝕性點(diǎn)蝕指數(shù)PRE 值=%Cr+3.3（%Mo+0.5%W）+16%N，Cr13 系列PRE 值在14.0～14.5、Cr17 系列PRE 值在18.0～18.5、含氮馬氏體不銹鋼P(yáng)RE 值在15.5～16.0，50Cr15MoV 的PRE 值在19.0～19.5，50Cr15MoV 成分體系在點(diǎn)蝕指數(shù)上有明顯優(yōu)勢(shì)。

表6 50Cr15MoV典型成分與性能

刀具用鋼淬火加熱溫度一般取1 000～1 150 ℃，在1 010、1 050、1 090、1 130 ℃進(jìn)行油淬熱處理試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，50Cr15MoV鋼淬火硬度高，且有較寬的高硬度淬火溫度區(qū)間；20Cr13N、40Cr14 鋼在1 050～1 090℃淬火硬度最高，為55 HRC；50Cr15MoV 在1 050 ℃淬火硬度最高，為58 HRC，且50Cr15MoV 整體淬火硬度≥55 HRC，可見(jiàn)50Cr15MoV 兼顧耐蝕性與硬度，綜合性能最佳。

圖5 淬火溫度與硬度關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

泰山鋼鐵馬氏體不銹鋼經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，已逐步形成品種規(guī)格全覆蓋，產(chǎn)品在工業(yè)剎車(chē)盤(pán)以及民生刀刃具領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。伴隨著消費(fèi)群體需求日益多樣化，泰山鋼鐵始終堅(jiān)持提升技術(shù)服務(wù)能力，提高產(chǎn)品定制化服務(wù)能力，發(fā)揮裝備與技術(shù)優(yōu)勢(shì)做精產(chǎn)品質(zhì)量，打造泰山鋼鐵不銹品牌。