專利名稱：具有優(yōu)異切削性的馬氏體不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)添加無(wú)毒的Cu得到的切削性得到改善的鐵素體和馬氏體不銹鋼。
背景技術(shù)：
由于精細(xì)機(jī)械工業(yè)的顯著進(jìn)步，以及為滿足對(duì)于電子家用產(chǎn)品、家具等的需求，不銹鋼已廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。為通過(guò)節(jié)約勞動(dòng)力成本的自動(dòng)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)這些用途的部件，已報(bào)導(dǎo)了各種改善不銹鋼切削性的手段。例如，通過(guò)加入Se，就可改善鐵素體不銹鋼的切削性，如根據(jù)JIS4303規(guī)定的SUS430F所表明的那樣。馬氏體不銹鋼的切削性則通過(guò)加入Pb得到改善，如SUS410F和SUS410F2所表明的那樣，或者通過(guò)加入S得到改善，如SUS416和SUS420F所表明的那樣，均由JIS4303所規(guī)定。
但是，加入S雖然對(duì)切削性有效，但會(huì)大幅度地降低熱加工性、延展性和耐腐蝕性，并會(huì)造成機(jī)械性能的各向異性。而對(duì)含Pb以改善切削性的鐵素體或馬氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，由于在使用過(guò)程中有毒的Pb會(huì)溶出，造成其是不可回收利用的。根據(jù)SAE規(guī)定的不銹鋼51430FSe(相應(yīng)于AISI下的430Se型)，其包含Se用于改善切削性，但實(shí)際上也會(huì)因Se的毒性而造成環(huán)境問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供切削性得到改善，而對(duì)加工性能、耐腐蝕性、機(jī)械性能和環(huán)境沒(méi)有有害影響的鐵素體和馬氏體不銹鋼，是通過(guò)沉淀富含Cu顆粒來(lái)取代常規(guī)元素而實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明提供了鐵素體和馬氏體不銹鋼，其中，富含Cu顆粒以0.2體積％或更多的比例分散，以改善切削性而不會(huì)對(duì)環(huán)境有有害的影響。富含Cu顆?？蔀橐幌?，其包含為0.1質(zhì)量％或更多的相對(duì)高濃度的C；或者為一相，其包含濃度為10質(zhì)量％或更多的Sn和/或In。
鐵素體不銹鋼具有如下的基本組成0.001-1質(zhì)量％的C，Si至多1.0質(zhì)量％，Mn至多1.0質(zhì)量％，15-30質(zhì)量％的Cr，Ni至多0.60質(zhì)量％，0.5-6.0質(zhì)量％的Cu，除不可避免雜質(zhì)之外，其余為Fe。馬氏體不銹鋼具有如下的基本組成0.01-0.5質(zhì)量％的C，Si至多1.0質(zhì)量％，Mn至多1.0質(zhì)量％，10-15質(zhì)量％的Cr，Ni至多0.60質(zhì)量％，0.5-6.0質(zhì)量％的Cu，除不可避免雜質(zhì)之外，其余為Fe。
為了分散Sn或In濃度不低于10質(zhì)量％的富含Cu顆粒的沉淀，將不銹鋼的組成調(diào)節(jié)為包含0.005質(zhì)量％或更多的Sn或In。鐵素體和馬氏體不銹鋼中的任一種可包含一種或多種的選自下述的元素0.2-1.0質(zhì)量％的Nb，0.02-1質(zhì)量％的Ti，0-3質(zhì)量％的Mo，0-1質(zhì)量％的Zr，0-1質(zhì)量％的Al，0-1質(zhì)量％的V，0-0.05質(zhì)量％的B和0-0.05質(zhì)量％的稀土金屬(REM)。
通過(guò)至少一次時(shí)效處理，使C濃度不低于0.1質(zhì)量％的富含Cu顆粒或Sn或In濃度不低于10質(zhì)量％的富含Cu顆粒作為鐵素體或馬氏體基質(zhì)中的沉淀分散，從而鐵素體或馬氏體不銹鋼在成形步驟之前的熱軋步驟之后于500-900℃下保持1小時(shí)或更長(zhǎng)而得到最終產(chǎn)品。


圖1為用于解釋評(píng)價(jià)切削性的實(shí)驗(yàn)的說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式
常規(guī)不銹鋼一般切削性較差，被認(rèn)為是代表性的不可進(jìn)行機(jī)械加工的材料。切削性差是因其較低的導(dǎo)熱性、可淬性和粘合性造成的。在JP2000-63996A中，本發(fā)明的發(fā)明人揭示出以一定比例的富含Cu顆粒的沉淀可有效地改善奧氏體不銹鋼的抗菌性和切削性，同時(shí)對(duì)環(huán)境沒(méi)有不利的影響。本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)一步研究了富含Cu顆粒的作用，并偶然發(fā)現(xiàn)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵素體和馬氏體不銹鋼切削性的作用。
不銹鋼的切削性通過(guò)富含Cu相如ε-Cu的細(xì)沉淀得到改善，其在鋼材料和機(jī)制工具間起到潤(rùn)滑作用，并促進(jìn)了熱流出，均勻地分散于鋼基質(zhì)中。富含Cu相對(duì)切削性的作用可能是由于其潤(rùn)滑作用和導(dǎo)熱性使得在刀具的斜度表面處磨擦減少而帶來(lái)的。磨擦的減小還導(dǎo)致耐切削性降低，也會(huì)延長(zhǎng)工具的壽命。
鐵素體不銹鋼或回火的馬氏體不銹鋼具有B.C.C.(體心立方體)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而富含Cu相則為F.C.C.(面心立方體)。與在具有相同結(jié)晶結(jié)構(gòu)的F.C.C.奧氏體不銹鋼中的富含Cu相的沉淀比較，在B.C.C.基質(zhì)中的富含Cu相的沉淀帶來(lái)切削性的改善作用。
富含Cu顆粒的沉淀對(duì)鐵素體或馬氏體不銹鋼有別于對(duì)奧氏體不銹鋼的作用可解釋為在富含Cu沉淀(F.C.C.)分散于B.C.C.的鐵素體或馬氏體基質(zhì)的情形下，晶體一致性變得無(wú)序達(dá)到通過(guò)分散富含Cu沉淀能夠重應(yīng)力積聚的狀態(tài)。進(jìn)而，奧氏體形成元素C由鋼基質(zhì)(B.C.C.)傳送至富含Cu相(F.C.C.)，導(dǎo)致C在富含Cu相中的凝聚并使富含Cu相變脆。變脆后的富含Cu顆粒成為破壞位錯(cuò)的密集積聚的起點(diǎn)，因而其以鐵素體或馬氏體基質(zhì)中的碎片存在，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工，即一類斷口。
在包含0.005質(zhì)量％或更多的Sn和/或In的鋼組合物中，Sn和/或In在富含Cu顆粒中以10質(zhì)量％或更多的比例凝聚，并轉(zhuǎn)化成低熔點(diǎn)的Cu-Sn或Cu-In合金。簡(jiǎn)而言之，低熔點(diǎn)的富含Cu顆粒作為具有較大位錯(cuò)積聚的碎片分散，從而促進(jìn)了在鋼材料與切削工具之間的潤(rùn)滑，導(dǎo)致刀具壽命的顯著延長(zhǎng)。
富含Cu相的沉淀是通過(guò)等溫處理實(shí)現(xiàn)的，如在適宜的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，或者通過(guò)在可能最長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，在熱處理后的降溫步驟中，在用于沉淀的溫度區(qū)內(nèi)逐漸冷卻鋼材料。本發(fā)明的發(fā)明人由大量的研究成果確證，在最后退火之后在500-900℃下進(jìn)行時(shí)效處理，富含Cu相的沉淀加速了C不低于0.1質(zhì)量％凝聚或Sn和/或In不低于10質(zhì)量％凝聚的富含Cu相的沉淀。富含Cu相的沉淀也使鐵素體或馬氏體不銹鋼具有抗菌性。
富含Cu相的沉淀可通過(guò)加入至少一種形成碳氮化物或形成沉淀的元素如Nb、Ti或Mo來(lái)加速。這些元素的碳氮化物用作沉淀位點(diǎn)以在鐵素體或馬氏體基質(zhì)可均勻地分散富含Cu顆粒，并具有良好的生產(chǎn)能力。
每一種合金元素按照如下受控的比例加至不銹鋼中對(duì)鐵素體不銹鋼，0.001-0.1質(zhì)量％的C，或?qū)︸R氏體不銹鋼，0.01-0.5質(zhì)量％的CC在富含Cu相中凝聚而使富含Cu相變脆，并部分轉(zhuǎn)化成碳化鉻，作為富含Cu相的沉淀位點(diǎn)，從而在鋼基質(zhì)中均勻分散細(xì)的富含Cu顆粒。該作用通常解釋為鐵素體不銹鋼中C含量為0.001質(zhì)量％或更多，或在馬氏體不銹鋼中C含量為0.01質(zhì)量％或更多。然而過(guò)量的C會(huì)降低生產(chǎn)能力和鋼的耐腐蝕性，因此C含量的上限確定為對(duì)鐵素體不銹鋼0.1質(zhì)量％或?qū)︸R氏體不銹鋼為0.5質(zhì)量％。
Si至多1.0質(zhì)量％Si是一種改善耐腐蝕性和抗菌性的元素。但是，超過(guò)1.0質(zhì)量％的過(guò)量的Si也會(huì)降低鋼的生產(chǎn)能力。
Mn至多1.0質(zhì)量％Mn是一種改善生產(chǎn)能力和將有害的S以MnS穩(wěn)定于鋼基質(zhì)中的元素。金屬間化合物MnS可改善鋼的切削性，并用作細(xì)富含Cu顆粒的沉淀位點(diǎn)。但是，超過(guò)1.0質(zhì)量％的Mn也會(huì)降低鋼的耐腐蝕性。
S至多0.3質(zhì)量％雖然S是一種會(huì)轉(zhuǎn)化成MnS的元素，對(duì)切削性是有效的，但隨S含量的增加，不銹鋼的熱加工性和延展性均變差。因而，S含量的上限為0.3質(zhì)量％。
對(duì)鐵素體不銹鋼，10-30質(zhì)量％的Cr對(duì)馬氏體不銹鋼，10-15質(zhì)量％的CrCr是一種不銹鋼耐腐蝕性的基本元素。以高于10質(zhì)量％的比例加入Cr是確保耐腐蝕性所必要的。但是，超過(guò)30％的過(guò)量的Cr會(huì)降低鐵素體不銹鋼的生產(chǎn)能力和加工性，或者超過(guò)15質(zhì)量％的過(guò)量的Cr則使鐵素體相太穩(wěn)定而導(dǎo)致在退火狀態(tài)中不產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)化。
Ni至多0.60質(zhì)量％Ni是一種在常規(guī)生產(chǎn)鐵素體或馬氏體不銹鋼的方法中不可避免包含于原料中的雜質(zhì)。Ni含量的上限確定為0.60質(zhì)量％。
0.5-6.0質(zhì)量％的CuCu是一種本發(fā)明不銹鋼的重要元素。在鋼基質(zhì)中以0.2體積％或更多富含Cu顆粒的沉淀對(duì)于實(shí)現(xiàn)優(yōu)良切削性能來(lái)說(shuō)是必要的。因此，Cu含量確定為0.5質(zhì)量％或更多以使富含Cu顆粒在鋼基質(zhì)中以0.2體積％沉淀于具有特定組成的鐵素體或馬氏體不銹鋼中。但是，超過(guò)6.0質(zhì)量％Cu也會(huì)降低不銹鋼的生產(chǎn)能力、加工性能和耐腐蝕性。對(duì)在鐵素體或馬氏體基質(zhì)中沉淀的富含Cu顆粒的大小沒(méi)有限制，但優(yōu)選其均勻地分散富含Cu顆粒于包括表面層在內(nèi)的基質(zhì)中。富含Cu顆粒的均勻分散改善了不銹鋼的切削性至高穩(wěn)定的水平，也使不銹鋼具有抗菌性。
0.005質(zhì)量％或更多的Sn和/或InSn和/或In為用于沉淀富含Cu顆粒所必需的合金元素，其中，Sn和/或In被濃縮。隨著Sn和/或In以不低于10質(zhì)量％的比例濃縮，富含Cu相的熔點(diǎn)下降，使得切削性顯著改善。在不銹鋼中的Sn和/或In比例控制在0.005質(zhì)量％或更多以使富含Cu相的熔點(diǎn)下降。當(dāng)Sn和In同時(shí)加至鋼中時(shí)，Sn和In的總比例確定為0.005質(zhì)量％或更多。但是，過(guò)量加入Sn和/或In會(huì)大幅度降低富含Cu相的熔點(diǎn)，從而由于液相變脆而使鋼的熱加工性能急劇變差。因此，Sn和/或In含量的上限優(yōu)選為0.5質(zhì)量％。
0.02-1質(zhì)量％的NbNb是一種選擇性元素。在各種沉淀物中，Nb沉淀物是最有效的沉淀富含Cu顆粒的位點(diǎn)。細(xì)沉淀物如碳化鈮、氮化鈮和碳氮化鈮均勻分散的冶金結(jié)構(gòu)適用于均勻沉淀富含Cu顆粒。但是，過(guò)量的Nb會(huì)降低不銹鋼的生產(chǎn)能力和加工性能。因此，Nb的加入比例優(yōu)選為0.02-1質(zhì)量％。
0.02-1質(zhì)量％的TiTi也是一種用于產(chǎn)生碳氮化鈦的選擇性元素，其作為沉淀富含Cu顆粒的位點(diǎn)，作用與Nb相同。但是，過(guò)量的Ti會(huì)降低生產(chǎn)能力和加工性能，也會(huì)造成在鋼板表面上形成擦傷。因而，如果需要，Ti的優(yōu)選加入比例范圍為0.02-1質(zhì)量％。
0-3質(zhì)量％的MoMo是一種耐腐蝕的選擇性元素。Mo會(huì)作為金屬間化合物如Fe2Mo部分沉淀，其作為沉淀富含Cu顆粒的位點(diǎn)。但是，過(guò)量的超過(guò)3質(zhì)量％的Mo會(huì)降低不銹鋼的生產(chǎn)能力和加工性能。
0-1質(zhì)量％的ZrZr是一種選擇性元素，其作為碳氮化物沉淀，可有效地用于沉淀細(xì)富含Cu顆粒。但是，過(guò)量的超過(guò)1質(zhì)量％的Zr會(huì)降低不銹鋼的生產(chǎn)能力和加工性能。
0-1質(zhì)量％的AlAl是一種選擇性元素，與Mo相同用于改善耐腐蝕性，并以化合物形式部分沉淀，其作為沉淀富含Cu顆粒的終點(diǎn)。但是，過(guò)量的超過(guò)1質(zhì)量％的Al會(huì)降低不銹鋼的生產(chǎn)能力和加工性能。
0-1質(zhì)量％的V
V是一種選擇性元素，作為碳氮化物部分沉淀，與Zr相同，其作為沉淀細(xì)富含Cu顆粒的位點(diǎn)。但是，過(guò)量的超過(guò)1質(zhì)量％的V會(huì)降低不銹鋼的生產(chǎn)能力和加工性能。
0-0.05質(zhì)量％的BB是一種選擇性元素，在鋼基質(zhì)中以細(xì)沉淀物分散，用于改善熱加工性能。硼沉淀物也作為沉淀富含Cu顆粒的位點(diǎn)。但是，過(guò)量的B會(huì)造成熱加工性能變差，從而B含量的上限確定為4.05質(zhì)量％。
0-0.05質(zhì)量％的稀土金屬(REM)REM也是一種選擇性元素。與B相同，通過(guò)以適宜的比例加入REM可改善不銹鋼的熱加工性能。REM也以細(xì)沉淀物分散，作為沉淀富含Cu顆粒的位點(diǎn)。但是，過(guò)量的超過(guò)0.05質(zhì)量％的REM會(huì)使不銹鋼的熱加工性能變差。
500-900℃下進(jìn)行熱處理不銹鋼優(yōu)選在500-900℃下進(jìn)行時(shí)效處理以沉淀對(duì)切削性有效的富含Cu顆粒。隨時(shí)效處理溫度降低，Cu在鋼基質(zhì)中的溶解性降低，導(dǎo)致富含Cu顆粒增加。但是，由于擴(kuò)散速度減慢，在鋼基質(zhì)中沉淀的富含Cu顆粒在太低的時(shí)效處理溫度下會(huì)減少。本發(fā)明的發(fā)明人從各種實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，適宜的時(shí)效處理溫度為500-900℃，用于在不低于0.2體積％的比例下沉淀富含Cu顆粒，適用于改善切削性。時(shí)效處理可在熱軋步驟之后最后形成產(chǎn)品形狀的步驟之前的任何步驟中進(jìn)行，但應(yīng)在特定溫度下持續(xù)1小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。
由下述實(shí)施例更清楚地了解本發(fā)明的其它特性。
實(shí)施例1將具有表1所示化學(xué)組成的幾種鐵素體不銹鋼在30kg真空熔化爐中熔化、鑄造成塊并鍛造成直徑為50mm鋼棒。每種鋼棒在1000℃下退火30分鐘，并在450-950℃范圍內(nèi)變化的溫度下進(jìn)行時(shí)效處理。
表1鐵素體不銹鋼的化學(xué)組成

將從每種鋼棒取樣的鋼材樣品進(jìn)行JIS B-4011規(guī)定的題為“硬合金塊切削試驗(yàn)方法”的切削實(shí)驗(yàn)。在該切削實(shí)驗(yàn)中，合金塊的磨損根據(jù)側(cè)面磨損(VB＝0.3mm)進(jìn)行評(píng)價(jià)，條件為進(jìn)料速度每通過(guò)一次0.05mm，切削深度為每次0.3mm和切削長(zhǎng)度為200mm。
對(duì)取自相同鋼棒的另一鋼材樣品通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行觀察，通過(guò)圖像處理方法定量分析分解于鐵素體基質(zhì)中的富含Cu顆粒，以計(jì)算富含Cu顆粒的比例(體積％)。進(jìn)而，通過(guò)能量分散X射線分析儀(EDX)測(cè)量在富含Cu顆粒中的C濃度。
對(duì)鋼A-1至P-1在800℃下時(shí)效處理9小時(shí)取樣的每種鋼材樣品的磨損時(shí)間與作為參考值的鋼D-1的磨損時(shí)間VB進(jìn)行比較。與目前認(rèn)為具有優(yōu)良切削性的材料鋼E-1進(jìn)行比較來(lái)評(píng)價(jià)每種鋼材樣品的切削性。標(biāo)記◎是指切削性優(yōu)于鋼E-1，標(biāo)記○是指切削性與鋼E-1類似，標(biāo)記X是指切削性比鋼E-1差。切削性的結(jié)果如表2所示。
實(shí)驗(yàn)鋼A-1、B-1、C-1、F-1、G-1、I-1和K-1具有優(yōu)異的切削性能，它們包含不低于0.5質(zhì)量％的Cu，并具有這樣的結(jié)構(gòu)，即C濃度不低于0.1質(zhì)量％的富含Cu顆粒經(jīng)時(shí)效處理而以0.2體積％或更多分散于鐵素體基質(zhì)中。
另一方面，鋼A-2、B-2、C-2和F-2的切削性能較差，它們未進(jìn)行時(shí)效處理，不論Cu含量是否高于0.5質(zhì)量％，富含Cu顆粒以低于0.2體積％的不充分比例分散。鋼J-2則因即使在時(shí)效處理后，富含Cu顆粒以0.2體積％或更大分散時(shí)Cu的不足，使得其切削性較差。鋼P(yáng)-1因其富含Cu顆粒變脆性差并未顯示出優(yōu)良的切削性，這是因?yàn)樵诟缓珻u顆粒中的C濃度低于0.001質(zhì)量％，雖然其包含高于0.5質(zhì)量％Cu，并且，富含Cu顆粒以高于0.2體積％的比例分散。
表2 富含Cu顆粒對(duì)切削性的作用

時(shí)效處理800℃下9小時(shí)實(shí)施例2在與實(shí)施例1相同的條件下對(duì)表1中的鋼取樣得到鋼材樣品。將鋼材樣品單獨(dú)進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理在450-950℃下進(jìn)行0.5-12小時(shí)。用與實(shí)施例1相同的方式評(píng)價(jià)每種時(shí)效處理后的鋼材樣品的切削性。
由表3的結(jié)果可以看出，A-4和A-6至A-10的任一種鋼材樣品，其在500-900℃下時(shí)效處理1小時(shí)或更長(zhǎng)，具有C濃度0.1質(zhì)量％或更多的富含Cu顆粒分散于鐵素體基質(zhì)中，比例為0.2體積％或更多，產(chǎn)生優(yōu)良的切削性。
另一方面，在500-900℃下時(shí)效處理短于1小時(shí)的鋼材A-5則具有較差的切削性，因?yàn)楦缓珻u顆粒中的C濃度不低于0.1質(zhì)量％，不能充分地以低于0.2體積％的比例分散。在時(shí)效處理溫度低于500℃或高于900℃的溫度下，富含Cu顆粒的沉淀比例也低于0.2體積％。
結(jié)果證明，改善切削性的重要因素是鐵素體鋼中Cu含量為0.5質(zhì)量％或更多并且C濃度不低于0.1質(zhì)量％的富含Cu顆粒在鐵素體基質(zhì)中以0.2體積％或更多的比例分散，結(jié)果還證明，通過(guò)在500-900℃將不銹鋼時(shí)效處理1小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)富含Cu顆粒的適宜的沉淀比例。
表3 時(shí)效處理?xiàng)l件與富含Cu顆粒的沉淀及切削性的關(guān)系

實(shí)施例3將表4所示化學(xué)組成的幾種馬氏體不銹鋼在30kg真空熔化爐中熔化、鑄造成塊并鍛造成直徑為50mm鋼棒。每種鋼棒在1000℃下退火30分鐘，并在450-950℃范圍內(nèi)變化的溫度下對(duì)一些鋼棒進(jìn)行時(shí)效處理。
表4 馬氏體不銹鋼的化學(xué)組成

將每種鋼棒的鋼材樣品進(jìn)行與實(shí)施例1相同的處理，測(cè)量富含Cu顆粒的沉淀比例，在富含Cu顆粒中的C濃度和合金塊的磨損時(shí)間。
將來(lái)自鋼MA-1至MP-1在780℃下時(shí)效處理9小時(shí)得到的鋼材樣品與作為參考值的鋼MD-1的鋼材樣品的磨損時(shí)間VB進(jìn)行比較。與目前認(rèn)為具有優(yōu)良切削性的鋼ME-1進(jìn)行比較來(lái)評(píng)價(jià)每種鋼材樣品的切削性。標(biāo)記◎是指切削性優(yōu)于鋼ME-1，標(biāo)記○是指切削性與鋼ME-1類似，標(biāo)記X是指切削性比鋼ME-1差。切削性的結(jié)果如表5所示。
實(shí)驗(yàn)鋼MA-1、MB-1、MC-1、MF-1、MG-1、MI-1和MK-1具有優(yōu)異的切削性能，它們包含0.5質(zhì)量％或更多的Cu，并具有這樣的結(jié)構(gòu)，Cu濃度不低于0.1質(zhì)量％的富含Cu顆粒經(jīng)時(shí)效處理而以0.2體積％或更多分散于鋼基質(zhì)中。
另一方面，鋼MA-2、MB-2、MC-2和MF-2的切削性能較差，它們未進(jìn)行時(shí)效處理，不論Cu含量是否高于0.5質(zhì)量％，富含Cu顆粒以低于0.2體積％比例不充分分散。鋼MJ-2則因即使在時(shí)效處理后，富含Cu顆粒以0.2體積％或更大分散時(shí)Cu的不足，使得其切削性較差。鋼MP-1因其富含Cu顆粒變脆性差并未顯示出優(yōu)良的切削性，這是因?yàn)樵诟缓珻u顆粒中的C濃度低于0.1質(zhì)量％，雖然其包含高于0.5質(zhì)量％的Cu，并且，富含Cu顆粒以高于0.2體積％的比例分散。
表5 富含Cu顆粒對(duì)切削性的作用

時(shí)效處理780℃下9小時(shí)實(shí)施例4在與實(shí)施例3相同的條件下對(duì)表4中的鋼MA取樣得到鋼材樣品。將鋼材樣品單獨(dú)進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理在450-950℃下進(jìn)行0.5-12小時(shí)。用與實(shí)施例1相同的方式評(píng)價(jià)每種時(shí)效處理后的鋼材樣品的切削性。
由表6的結(jié)果可以看出，MA-4和MA-6至MA-10的任一種鋼材樣品，其在500-900℃下時(shí)效處理1小時(shí)或更長(zhǎng)，具有C濃度0.1質(zhì)量％或更多的富含Cu顆粒分散于鋼基質(zhì)中，比例為0.2體積％或更多，產(chǎn)生優(yōu)良的切削性。
另一方面，在500-900℃下時(shí)效處理短于1小時(shí)的鋼材MA-5則具有較差的切削性，因?yàn)楦缓珻u顆粒中的C濃度不低于0.1質(zhì)量％，不能充分地以低于0.2體積％的比例分散。在時(shí)效處理溫度低于500℃或高于900℃的溫度下，富含Cu顆粒的沉淀比例也低于0.2體積％。
結(jié)果證明，改善切削性的重要因素是鐵素體鋼中Cu含量為0.5質(zhì)量％或更多并且C濃度不低于0.1質(zhì)量％的富含Cu顆粒在鐵素體基質(zhì)中以0.2體積％或更多的比例分散，結(jié)果還證明，通過(guò)在500-900℃將不銹鋼時(shí)效處理1小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)富含Cu顆粒的適宜的沉淀比例。
表6 時(shí)效處理?xiàng)l件與富含Cu顆粒的沉淀及切削性的關(guān)系

實(shí)施例5將表7所示化學(xué)組成的幾種馬氏體不銹鋼在30kg真空熔化爐中熔化、鑄造成塊并鍛造成直徑為50mm鋼棒。每種鋼棒在1230℃下加熱1小時(shí)，熱軋成4mm厚度，并在不同溫度下對(duì)其進(jìn)行時(shí)效處理，然后酸洗。
表7馬氏體不銹鋼的化學(xué)組成

如圖1所示，采用JIS B4107規(guī)定的水平銑床對(duì)每種鋼板進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，其中，將16片硬合金塊2與外徑125mm寬度為10mm的銑具1沿圓周連接，將實(shí)驗(yàn)片3沿與軋制方向相垂直的方向在不使用潤(rùn)滑劑下進(jìn)行切削加工，轉(zhuǎn)速為2000r.p.m.，每次進(jìn)料速度為0.6mm，切削深度為每次0.5mm。
在使鋼板沿其縱向連續(xù)切削1200mm長(zhǎng)度后，將其沿橫向移動(dòng)10mm，再將其沿縱向在與第一次切削位置相鄰的位置處進(jìn)行切削。通過(guò)重復(fù)切削將鋼板的整個(gè)表面切削0.5mm的深度。然后，將鋼板設(shè)定在原始位置，進(jìn)一步切削0.5mm的深度。重復(fù)進(jìn)行切削，直至刀片被磨損掉0.1mm，通過(guò)切削時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)刀片的磨損。
將由相同鋼板取得的另一鋼材樣品通過(guò)TEM進(jìn)行觀察，通過(guò)圖像處理儀定量分析鋼基質(zhì)中分散的富含Cu顆粒，以計(jì)算富含Cu顆粒的比例(體積％)。進(jìn)而，通過(guò)EDX測(cè)量在富含Cu顆粒中的Sn或In的濃度。
將在790℃下時(shí)效處理9小時(shí)的由鋼MA-1至MS-1得到的每種鋼材料樣品的切削性與鋼MT-1的切削性進(jìn)行比較，所述MT-1鋼目前被認(rèn)為是切削性優(yōu)良的材料。標(biāo)記◎是指切削性優(yōu)于鋼MT-1，標(biāo)記○是指切削性與鋼MT-1類似，標(biāo)記X是指切削性比鋼MT-1差。切削性的結(jié)果如表8所示。
任一種鋼MB-1、MC-1、MD-1、MG-1、MI-1、MJ-1、MK-1、MM-1、MN-1和MO-1具有優(yōu)異的切削性能，它們包含0.5質(zhì)量％或更多的Cu并且Sn(或在鋼MO-1中的In)濃度不低于0.005質(zhì)量％，并具有這樣的結(jié)構(gòu)，即Sn或In濃度不低于10質(zhì)量％的富含Cu顆粒經(jīng)時(shí)效處理而以0.2體積％或更多分散于鋼基質(zhì)中。
另一方面，鋼MB-2、MC-2、MD-2、MF-2、MG-2、MI-2、MJ-2、MK-2、ML-2、MM-2、MN-2、MO-2、MP-2、MQ-2、MR-2和MS-2的切削性則較差，它們未進(jìn)行時(shí)效處理，富含Cu顆粒以低于0.2體積％的不充分比例分散，盡管Cu含量高于0.5質(zhì)量％。鋼MF-1和-2的切削性較差，因?yàn)樵跁r(shí)效處理后，以0.2體積％或更多分散富含Cu顆粒的Cu不足。鋼MA-1的切削性好于鋼MT-1，但其切削性不充分，因?yàn)樵诟籆u顆粒中Sn不低于10質(zhì)量％的濃度Sn不足。鋼ML-1包含高于0.15質(zhì)量％的Sn，但其熱加工性能太差，不能對(duì)鋼材料樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)。
表8 富含Cu顆粒對(duì)切削性的作用

時(shí)效處理790℃下9小時(shí)實(shí)施例6在與實(shí)施例5相同的條件下對(duì)表7中的鋼MC取樣得到鋼材樣品。將鋼材樣品單獨(dú)進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理在450-950℃下進(jìn)行0.5-16小時(shí)。用與實(shí)施例5相同的方式評(píng)價(jià)每種時(shí)效處理后的鋼材樣品的切削性。
由表9的結(jié)果可以看出，MC-4和MC-6至MC-10的任一種鋼材樣品，其在500-900℃下時(shí)效處理1小時(shí)或更長(zhǎng)，其具有Sn濃度10質(zhì)量％或更多的富含Cu顆粒分散于鋼基質(zhì)中，比例為0.2體積％或更多，產(chǎn)生優(yōu)良的切削性。
另一方面，在500-900℃下時(shí)效處理短于1小時(shí)的鋼材MC-5則具有較差的切削性，因?yàn)楦缓珻u顆粒不能充分地以低于0.2體積％的比例分散。在時(shí)效處理溫度低于500℃或高于900℃的溫度下，富含Cu顆粒的沉淀比例也低于0.2體積％。
結(jié)果證明，改善切削性的重要因素是不銹鋼中Cu含量為0.5質(zhì)量％或更多并且Sn或In濃度不低于10質(zhì)量％或更多的富含Cu顆粒在馬氏體基質(zhì)中以0.2體積％或更多的比例分散，結(jié)果還證明，通過(guò)在500-900℃將不銹鋼時(shí)效處理1小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)富含Cu顆粒的適宜的沉淀比例。
表9 時(shí)效處理?xiàng)l件與富含Cu顆粒的沉淀及切削性的關(guān)系

實(shí)施例7將表10所示化學(xué)組成的幾種鐵素體不銹鋼在30kg真空熔化爐中熔化、鑄造成塊，每種鋼棒在1230℃下加熱1小時(shí)，熱軋成4mm厚度，并在不同溫度下對(duì)其進(jìn)行時(shí)效處理，然后酸洗。
采用水平銑床對(duì)每種鋼板進(jìn)行與實(shí)施例5相同的切削實(shí)驗(yàn)。每種鋼材樣品的切削性由刀片磨損0.1mm時(shí)的切削時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)。
采用TEM對(duì)取自相同鋼板的另一鋼材樣品進(jìn)行觀察，通過(guò)圖像處理儀定量分析鋼基質(zhì)中分散的富含Cu顆粒，以計(jì)算富含Cu顆粒的比例(體積％)。進(jìn)而，通過(guò)EDX測(cè)量在富含Cu顆粒中的Sn或In的濃度。
表10 鐵素體不銹鋼的化學(xué)組成

將在820℃下時(shí)效處理9小時(shí)的由鋼FA-1至FT-1得到的每種鋼材料樣品的切削性與鋼FN-1的切削性進(jìn)行比較，所述FN-1鋼目前被認(rèn)為是切削性優(yōu)良的材料。標(biāo)記◎是指切削性優(yōu)于鋼FN-1，標(biāo)記○是指切削性與鋼FN-1類似，標(biāo)記X是指切削性比鋼FN-1差。切削性的結(jié)果如表11所示。
任一種鋼FB-1、FC-1、FF-1、FG-1、FH-1、FI-1、FJ-1、FK-1、FL-1和FM-1具有優(yōu)異的切削性能，它們包含0.5質(zhì)量％或更多的Cu并且Sn(或在鋼FK-1中的In)濃度不低于0.005質(zhì)量％，并具有這樣的結(jié)構(gòu)，即Sn或In濃度不低于10質(zhì)量％的富含Cu顆粒經(jīng)時(shí)效處理而以0.2體積％或更多分散于鋼基質(zhì)中。
另一方面，鋼FB-2、FC-2、FG-2、FH-2、FI-2、FJ-2、FK-2和FM-2的切削性則較差，它們未進(jìn)行時(shí)效處理，富含Cu顆粒以低于0.2體積％的不充分比例分散，盡管Cu含量高于0.5質(zhì)量％。鋼FE-1和-2的切削性較差，因?yàn)樵跁r(shí)效處理后，以0.2體積％或更多分散富含Cu顆粒的Cu不足。鋼FA-1切削性較差，因?yàn)樵诟籆u顆粒中Sn不低于10質(zhì)量％的濃度Sn不足。鋼FD-1包含高于0.15質(zhì)量％的Sn，但其熱加工性能太差，不能對(duì)鋼材料樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)。
表11 富含Cu顆粒對(duì)切削性的作用

時(shí)效處理820℃下10小時(shí)實(shí)施例8在與實(shí)施例7相同的條件下對(duì)表10中的鋼FC取樣得到鋼材樣品。將鋼材樣品單獨(dú)進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理在450-950℃下進(jìn)行0.5-11小時(shí)。用與實(shí)施例7相同的方式評(píng)價(jià)每種時(shí)效處理后的鋼材樣品的切削性。
由表12的結(jié)果可以看出，F(xiàn)C-4和FC-6至FC-10的任一種鋼材樣品，其在500-900℃下時(shí)效處理1小時(shí)或更長(zhǎng)，具有Sn濃度10質(zhì)量％或更多的富含Cu顆粒分散于鋼基質(zhì)中，比例為0.2體積％或更多，產(chǎn)生優(yōu)良的切削性。
另一方面，在500-900℃下時(shí)效處理短于1小時(shí)的鋼材FC-5則具有較差的切削性，因?yàn)镾n濃度低于10質(zhì)量％的富含Cu顆粒不能充分地以低于0.2體積％的比例分散。在時(shí)效處理溫度低于500℃或高于900℃的溫度下，富含Cu顆粒的沉淀比例也低于0.2體積％。
結(jié)果證明，改善切削性的重要因素是鐵素體基質(zhì)中Cu含量為0.5質(zhì)量％或更多并且Sn或In濃度10質(zhì)量％或更多的富含Cu顆粒在鋼基質(zhì)中以0.2體積％或更多的比例分散，結(jié)果還證明，通過(guò)在500-900℃將不銹鋼時(shí)效處理1小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)富含Cu顆粒的適宜的沉淀比例。
表12 時(shí)效處理?xiàng)l件與富含Cu顆粒的沉淀及切削性的關(guān)系

工業(yè)實(shí)用性由本發(fā)明提供的上述鐵素體和馬氏體不銹鋼具有優(yōu)異的切削性，因其化學(xué)組成中包含0.5質(zhì)量％或更多的Cu和0.001質(zhì)量％或更多的C，0.1質(zhì)量％或更多的Sn和0.1質(zhì)量％或更多的In，以及其結(jié)構(gòu)中C濃度不低于0.1質(zhì)量％或Sn或In不低于10質(zhì)量％的富含Cu顆粒以0.2體積％的比例分散于鐵素體或馬氏體基質(zhì)中。由于不銹鋼不含諸如S、Pb、Bi或Se之類用于改善切削性的元素，因而對(duì)環(huán)境不存在有害的影響。所述不銹鋼被切削成目標(biāo)形狀并用于家用電器、家具、廚房設(shè)備、機(jī)械、設(shè)備和在各種領(lǐng)域中的其它裝備。
權(quán)利要求
1.一種具有優(yōu)良切削性的馬氏體不銹鋼，其化學(xué)組成為0.01-0.5質(zhì)量％的C，Si至多1.0質(zhì)量％，Mn至多1.0質(zhì)量％，10-15質(zhì)量％的Cr，Ni至多0.60質(zhì)量％，0.5-6.0質(zhì)量％的Cu，總共為0.005-0.5質(zhì)量％的Sn和In中的一種或兩種，除不可避免雜質(zhì)之外，其余為Fe；所述馬氏體不銹鋼還具有如下結(jié)構(gòu)Sn和/或In濃度不低于10質(zhì)量％的富含Cu顆粒以0.2體積％或更多的比例分散于馬氏體基質(zhì)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的馬氏體不銹鋼，其中，所述組成進(jìn)一步包含以下的至少一種或多種0.2-1.0質(zhì)量％的Nb，0.02-1質(zhì)量％的Ti，0-3質(zhì)量％的Mo，0-1質(zhì)量％的Zr，0-1質(zhì)量％的Al，0-1質(zhì)量％的V，0-0.005質(zhì)量％的B和0-0.05質(zhì)量％的稀土金屬。
全文摘要
一種馬氏體不銹鋼，其包含0.01－0.5質(zhì)量％的C，Si至多1.0質(zhì)量％，Mn至多1.0質(zhì)量％，10－15質(zhì)量％的Cr，Ni至多0.60質(zhì)量％，0.5－6.0質(zhì)量％Cu，其中，C濃度不低于0.1質(zhì)量％或Sn和/或In濃度不低于10質(zhì)量％的富含Cu相以0.2體積％或更多的比例分散于馬氏體基質(zhì)中。通過(guò)在500－900℃下對(duì)所述鋼進(jìn)行一次或多次時(shí)效處理，時(shí)效處理時(shí)間1小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，使富含Cu相分散并沉淀于基質(zhì)中。通過(guò)分散和沉淀富含Cu相代替加入賦予切削性的元素如S或Pb，上述類型的不銹鋼改善了馬氏體不銹鋼的切削性，而對(duì)成形性、耐腐蝕性、環(huán)境等無(wú)損。
文檔編號(hào)C22C38/02GK1955327SQ20061014492
公開日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2001年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月15日
發(fā)明者鈴木聰, 田中秀記, 平松直人 申請(qǐng)人:日新制鋼株式會(huì)社