泰山钢铁马氏体不锈钢系列产品的开发

2022-11-05张爽

山东冶金 2022年5期

张爽

（山东泰山钢铁集团有限公司，山东济南 271100）

1 前言

2010—2020 年我国不锈钢产量呈稳定增长态势，400 系不锈钢产量自2016 年开始逐年增加，2021年，我国400系不锈钢占比为20.46%，而日本、美国等发达国家400系不锈钢占比均在40%以上。今后我国400系不锈钢市场需求将持续增长，一是大力推广低镍、少镍的400系不锈钢可规避国内镍资源匮乏，促进内循环，降低消费成本；二是随着对环保越来越重视，200系废钢回收问题越来越棘手，加上行业集中度的逐步提高，400 系不锈钢将逐步取代200系不锈钢。

400 系不锈钢分超纯铁素体不锈钢、马氏体不锈钢两大类。马氏体不锈钢可通过淬火、回火等热处理工艺进行强化，从而获得较高的硬度、强度以及耐磨性［1］，广泛应用在刀具、量具、刹车盘、矿山机械等领域［2-3］。山东泰山钢铁集团有限公司（简称泰山钢铁）开发生产了Cr13 系马氏体不锈钢、含氮耐蚀马氏体不锈钢、个性化定制马氏体不锈钢以及高端马氏体不锈钢产品，取得了较好的效果。

2 开发历程

泰山钢铁马氏体不锈钢工艺流程：高炉铁水→铁水预处理→TSR炉冶炼→LF炉精炼→CC保护浇注→板坯退火→板坯修磨→板坯加热→炉卷+3连轧→罩式退火→酸洗（NO.1 产品）→20 辊冷轧（冷硬产品）→脱脂→退火酸洗→平整（2B产品）。

2013年泰山钢铁及时调整产品结构，逐步放弃200系市场，重点转向更绿色、更经济的400系不锈钢。2013—2015 年，开发常规06Cr13 钢与刹车盘用12Cr13钢，年产量分别达到65万t和6万t。2016年随着罩式退火炉投产，成功开发刀刃具用20Cr13、30Cr13、40Cr13钢，实现了Cr13系列马氏体不锈钢全覆盖。2018 年以来，泰山钢铁实施“个性化、定制化、差异化、精品化”产品开发路线，根据市场需求先后开发了定制化卡尺用钢40Cr14 和耐磨刀具钢TSCr9LP、TSCr9LPM，含氮耐蚀刀具钢20Cr13N、30Cr14N 以及高端马氏体不锈钢0Cr13Mn、50Cr15MoV等。

3 主要产品及技术指标

3.1 Cr13系马氏体不锈钢

Crl3马氏体不锈钢是指Cr含量在13%左右，C含量＜0.45%的不锈钢，也包括为改善某些性能另加一些合金元素而发展起来的马氏体不锈钢［4］。马氏体不锈钢中C 是主要的强化元素，但较高的C会恶化材料的耐蚀性与塑韧性［5］；Cr提高钢的淬透性和耐蚀性，钢中部分Cr 形成的合金渗碳体在淬火加热时溶解较慢，可减少过热倾向，扩大高硬度淬火温度区间，经过热处理后可以细化晶粒，使碳化物能以细小质点均匀弥散分布在基体组织中［6］。泰山钢铁Cr13 系列马氏体不锈钢采用全铁水原料，添加高碳铬铁，Cr含量按标准上限设定，较传统的电炉的钢液中有害残余元素少，重金属迁移量低，产品入选国家工信部“厨房厨具用不锈钢绿色设计产品”，典型成分及性能如表1所示。

表1 Cr13系列马氏体不锈钢典型成分与性能

Cr13系马氏体不锈钢成分处于包晶区，钢水凝固过程伴随着较大的体积变化和线收缩，易导致连铸坯凹陷和纵向裂纹缺陷，是连铸难度较大的钢种之一［7-9］；另一方面，刀刃具用Cr13系马氏体不锈钢由于元素偏析常常会出现水波纹缺陷［10］，不仅影响产品的使用性能，而且影响美观。泰山钢铁在产品开发过程中针对板坯纵裂与组织均匀化进行了专题攻关，通过保护渣性能及组分优化、分段拉速控制、结晶器锥度控制以及水口侵入深度控制等措施，解决了板坯纵裂问题，板坯修磨率＜1%。针对水波纹缺陷重点通过电磁搅拌参数优化，控制电流强度300～350 A、频率5.0～6.0，减轻铸坯白亮带，消除了成品刀具水波纹。30Cr13 板坯低倍检测结果见表2，30Cr13、40Cr13带钢组织见图1、图2。

表2 30Cr13板坯低倍检测结果

图1 30Cr13带钢基体组织

图2 40Cr13带钢基体组织

3.2 含氮系列耐蚀马氏体不锈钢

N合金化有利于提高马氏体钢的耐磨性，也能提高马氏体不锈钢淬火硬度，因而在马氏体不锈钢中，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。通常在对耐腐蚀性能要求更高的领域里用氮合金化马氏体不锈钢替代传统的马氏体不锈钢。

泰山钢铁开发了20Cr13N、30Cr14N 含氮耐蚀马氏体不锈钢，典型成分与性能见表3。

表3 含氮系列马氏体不锈钢典型成分与性能

对20Cr13N 和20Cr13 酸洗板进行中性盐雾腐蚀对比试验，在相同腐蚀条件下，发现20Cr13N 只有轻微的锈蚀，而20Cr13 则形成较多的锈斑，可见含氮系列马氏体不锈钢耐蚀性能显著提高。

3.3 个性化定制开发产品

3.3.1 卡尺用不锈钢40Cr14

精密量具用钢选材要最大限度地减少磨损失效而引起的测量误差，40Cr13被广泛用作卡尺的制造材料［11］。泰山钢铁针对产品应用性能需求，在传统40Cr13基础上通过成分优化，定制开发出热处理硬度更高、耐磨性更佳的40Cr14 卡尺用不锈钢，典型成分与性能见表4。

表4 40Cr14不锈钢典型成分与性能

40Cr14 耐磨性与Cr13 系马氏体不锈钢对比见图3、图4。从摩擦系数随磨损时间的变化曲线看出，随着时间的延长摩擦系数变化不大，摩擦系数差异性也不大。但整体看，40Cr14钢摩擦系数更稳定；从摩痕宽度随磨损时间的变化曲线看出，随时间延长磨痕宽度均逐渐增加，40Cr14 钢的明显缓慢，可见40Cr14 钢耐磨性较同类产品40Cr13 钢有明显优势。

图3 摩擦系数随磨损时间的变化曲线

图4 磨痕宽度随磨损时间的变化曲线

3.3.2 耐磨刀具用钢TSCr9LP

锋利度及其持久性、耐磨性、耐蚀性是刀具最重要的三个性能指标。其中锋利度及其持久性和耐磨性与材料的硬度密切相关，硬度越高其锋利度与耐磨性越好，耐磨性越好进而锋利度持久性越好。好的刀具除了要求具有好的锋利度持久性、耐磨性等特点外，还要求具有良好的耐蚀性和一定的韧性［12］。

Si可以提高铁基体的电极电位，也是铁素体形成元素，并且显著强化铁素体基体。另外，在马氏体不锈钢中加入适量的Si 还能提高钢的回火稳定性，较高的温度回火使制得的成品韧性得到改善［13］。P 元素在奥氏体晶界上的偏聚，淬火后仍被保留在马氏体的原奥氏体晶界，引起晶界P化学状态的改变，造成钢回火脆性增加，塑性和韧性降低。在相同的淬火硬度下，P含量越低韧性越好［14］。

刀具用定制产品TSCr9LP 不锈钢的成分设计特点是高Si低P，对比C含量相当的刀具钢40Cr13，其强度、硬度明显提高，具体数据见表5。成品刀具表面光泽度好，淬火硬度61～63 HRC，重复修磨硬度59～62 HRC，试切测试显示TSCr9LP 在刃口锋利度持久性上有明显优势。

表5 TSCr9LP与40Cr14典型成分与性能

3.4 高端马氏体不锈钢

随着不锈钢产业化技术的不断升级，马氏体不锈钢高端产品越来越向高碳、高铬以及添加Mo、V、Ti、W 等合金元素方向发展，如440B、440C、T5Mo、T5MoV、T6MoV 等［15］。虽然随碳含量的增加，材料的硬度不断升高，刀具的耐磨性也不断升高。但当钢中碳含量超过O.6%时，随碳含量的升高其硬度增加已不明显，同时，碳含量升高会导致热处理后组织中碳化物的含量增多，严重影响刀剪的耐腐蚀性能。高碳高铬马氏体不锈钢中添加Mo、V 合金，可以在提高材料强度硬度的同时提高耐蚀性能，其综合性能最佳。

在马氏体不锈钢中V 通过细晶强化与析出强化提高钢的强度［16］。Mo可提高不锈钢在还原性介质中的耐腐蚀能力，增强抗点蚀、耐氯离子腐蚀等性能，在Fe-Cr 合金中加入Mo后，合金的钝态稳定性和抗点蚀能力大大提高，Mo 的作用能力相当于Cr的3.3倍。另一方面，Mo可细化晶粒、均匀组织、提高韧性，提高马氏体不锈钢强度和回火稳定性。

目前50Cr15MoV（T5MoV）是中高端刀具用量最大的马氏体不锈钢。泰山钢铁50Cr15MoV 典型成分与性能见表6。根据不锈钢耐蚀性点蚀指数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、含氮马氏体不锈钢PRE 值在15.5～16.0，50Cr15MoV 的PRE 值在19.0～19.5，50Cr15MoV 成分体系在点蚀指数上有明显优势。

表6 50Cr15MoV典型成分与性能

刀具用钢淬火加热温度一般取1 000～1 150 ℃，在1 010、1 050、1 090、1 130 ℃进行油淬热处理试验，结果见图5。从图5可以看出，50Cr15MoV钢淬火硬度高，且有较宽的高硬度淬火温度区间；20Cr13N、40Cr14 钢在1 050～1 090℃淬火硬度最高，为55 HRC；50Cr15MoV 在1 050 ℃淬火硬度最高，为58 HRC，且50Cr15MoV 整体淬火硬度≥55 HRC，可见50Cr15MoV 兼顾耐蚀性与硬度，综合性能最佳。