一种稀土马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法与流程

本发明涉及刀具材料，具体为一种稀土马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法。

背景技术：

1、目前国内不锈钢刀具主要采用奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢和马氏体不锈钢制成，其型号主要为3cr13、4cr13、4cr10si2、7cr17mov、8cr13mov和9cr18mo等；马氏体不锈钢是一种高合金钢，具有高强度、优良的力学性能和出色的断裂韧性，在弱腐蚀介质中耐腐蚀性能表现优异，因此被广泛应用于轴承、航空、水电等领域，特别是在刀具领域应用十分广泛；当前，国内刀剪制品所用钢铁材料组织和洁净度控制水平低，硬度同一性差；同时，低成本刀具材料硬度低，不利于刀具锋利度，而高硬度刀具材料成本高，市场竞争力差。

2、专利号为cn114717487b公开了一种2700mpa级高塑韧性高耐蚀性马氏体时效不锈钢及其制备方法，该发明通过多种弥散分布的纳米级沉淀相协同强化实现高强度，同时通过在马氏体板条界引入非晶层获得大韧性，但该技术方案由于添加昂贵的co元素、高含量的ni和mo元素，造成原料成本高；专利号为cn115505851a公开了一种高硬度高氮马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法，该发明通过析出强化获得一种高硬度马氏体不锈钢刀具材料，但该技术方案中超高含量的合金元素使得制造成本高昂，严重制约了其生产使用；专利号us010941469b2公开了一种马氏体不锈钢，该发明nb含量较低且不含ce元素，通过多种合金元素的综合作用获得了一种具备优良的耐腐蚀性、硬度和冲击韧性组合的马氏体不锈钢，从而大大提高了成本效益和使用时间，但该技术方案的马氏体不锈钢成分对硬度影响较大，不同实施例在175-275℃回火1h后硬度为40.7-54.3hrc，硬度波动较大，且绝大部分低于50hrc，不利于实际生产；专利号为cn113981317a公开了一种刀具用含氮马氏体不锈钢及其制造方法，该发明不含元素nb和ce，通过v形成的碳、氮化物细化钢中的组织实现强韧化，但该技术方案的马氏体不锈钢硬度较低，淬火后硬度为30-39hrc，不利于刀具的锋利度。

3、本发明通过化学成分设计，添加适量的稀土ce净化钢液，提高洁净度，同时，添加适量的nb，通过nb和ce的微合金化，减少贵重合金元素的用量；添加适量的固溶强化剂，形成间隙固溶体或者置换固溶体，使金属材料得到强化，降低马氏体不锈钢刀具材料生产成本，提高其市场竞争力；以及采用适宜的均匀化退火、轧制开坯、热变形、淬火、回火热处理和喷丸处理等工艺，使其符合国标gbt40356-2021中不锈钢类刀具材料性能要求。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：提供了一种稀土马氏体不锈钢刀具材料及其制备方法，解决了现有刀具材料硬度低、成本高的问题。

2、本发明的技术方案是：

3、一种稀土马氏体不锈钢刀具材料的化学成分的质量百分比为，c:0.30-0.42％，si:0.22-0.35％，mn:0.25-0.85％，cr:12.5-13.9％，ni:0.20-0.35％，v:0.02-0.08％，mo:0.10-0.45％，nb:0.02-0.08％，n:0.01-0.1％，ce:0.002-0.008％，固溶强化剂:0.2-1.2％，o＜0.01％，p＜0.01％，s＜0.01％，余量为fe。

4、稀土马氏体不锈钢刀具材料的制备方法包括以下步骤：

5、(1)将上述质量百分比的化学成分混合均匀，经冶炼、浇铸得到钢坯。

6、(2)将获得的钢坯均匀化退火、开坯，然后在温度900-1200℃下热轧1-3h，将热轧后的试样经淬火、回火热处理工艺，空冷后得到热处理钢板。

7、(3)将得到的热处理钢板进行冷轧，然后将冷轧后的钢板在1000-1050℃下保温20-40min，油淬至室温，在液氮环境中深冷30-60min，空冷至室温，在150-250℃保温120-240min后，空冷至室温，得到成品钢板。

8、(4)将得到的成品钢板用砂纸磨平，清洗吹干，采用手动式喷丸机，在喷射距离为10-20mm进行喷丸处理，弹丸为0.4-0.6mm的氧化锆陶瓷丸，喷丸结束后，得到稀土马氏体不锈钢刀具材料。

9、进一步的，固溶强化剂为al3bc、tib2、ti3alc2中的任意一种。

10、进一步的，步骤(2)中均匀化退火温度为1050-1150℃，保温时间为3-5h。

11、进一步的，步骤(2)中开坯温度为1000-1200℃，开坯面缩比为2-6。

12、进一步的，步骤(2)中热轧的终轧温度为950-980℃，应变速率为0.01-1s-1，变形量为40-80％。

13、进一步的，步骤(2)中淬火温度为1000-1150℃，保温时间为15-60min，采用油冷或水冷方式冷却至室温。

14、进一步的，步骤(2)中回火温度为150-400℃，保温时间为10-120min。

15、进一步的，步骤(3)中冷轧温度为800-900℃，变形量为50-70％。

16、进一步的，步骤(4)中喷丸处理时间为1-5min。

17、进一步的，稀土马氏体不锈钢刀具材料的洛氏硬度≧50hrc。

18、本发明的有益的技术效果是：

19、本发明通过对不锈钢材料的化学成分进行设计，添加适量的稀土ce和nb，减少贵重合金元素的用量；添加适量的al3bc、tib2、ti3alc2固溶强化剂，形成间隙固溶体或者置换固溶体，使金属材料得到强化；采用适宜的均匀化退火、轧制开坯、热变形、淬火、回火热处理和喷丸处理等工艺，得到稀土马氏体不锈钢刀具材料，简化了熔炼工艺，降低了成本。

20、钢中cr元素含量较高时，马氏体不锈钢中会产生富cr的cr2n和cr23c6碳化物，形成贫cr区，降低了钢的耐腐蚀性能，同时棒状的cr2n不利于钢的韧性，nb对c和n元素的亲和力高于cr，适量nb的添加可以优先与钢中的c和n元素结合形成nbn、nbc，抑制富cr析出物cr2n和cr23c6的生成，减缓了马氏体不锈钢在低温回火时晶界贫cr区的产生，提高钢的耐腐蚀性能和韧性，同时nbn和nbc对晶界的钉扎作用可以防止晶界滑动和晶粒的合并，有效的提高钢的强度。

21、稀土元素ce在钢液中与o、s反应生成稀土氧化物、稀土硫氧化物和稀土硫化物夹杂，减少钢中o、s含量，弥散分布的细小的球形稀土硫化物夹杂可以取代钢中长条状的mns夹杂，改善钢的韧性和耐腐蚀性能，同时稀土ce在钢液凝固前析出细小且弥散分布的高熔点化合物，作为非均匀形核晶核，降低钢液过冷度，细化钢液凝固后的晶粒，提高钢的强度和韧性；稀土元素ce原子半径远大于fe原子，难以在晶粒内扩散，因此偏聚于晶界处，降低了晶界能，抑制cr23c6碳化物的析出和长大，强化晶界减少贫cr区的形成，提高了钢的耐腐蚀性能，晶界处偏聚的ce原子还能对晶界起到钉扎作用，提高了钢的强度。

22、固溶强化剂的加入，通过固溶原子使基体金属的晶格发生点阵畸变，使得材料在熔炼的过程中形成间隙固溶体或者置换固溶体，从而在基体中产生一定的弹性应力场，溶质原子与该应力场会发生交互作用，溶质原子在应力场作用下容易向位错线周围聚集，并在其周围形成溶质原子偏聚区，位错的运动便受到了阻碍作用，材料的硬度得到明显提高；喷丸处理中的氧化锆陶瓷丸粒径小、硬度高，在碰撞的过程中，陶瓷丸不容易变形，能量被更多的吸收到试样的受喷层，使得材料表面的致密度和位错密度增加，增加了不锈钢材料抵抗外力的能力，进而增强材料本身的硬度和耐磨损性能。