通过双辊薄带铸造方法制备的马氏体不锈钢及其制备方法

摘要

本发明涉及一种通过双辊薄带铸造方法制备的马氏体不锈钢以及其制备方法。本发明的关键技术特征是由双辊薄带铸造方法制备具有优良抗裂性的马氏体热轧不锈钢板及其制备方法，其中马氏体热轧不锈钢板包含以重量%计的C：0.1~1.5%、Cr：12至15%、Ni：1%以下、Ti：0.005~0.1%和剩余量的Fe和其他不和避免的杂质，其中沉淀在晶界处的初生碳化铬碎化并精细化。本发明的关键技术特征还有通过在分批退火炉处理后进行冷轧上述马氏体热轧不锈钢板而制备的高硬度马氏体冷轧不锈钢板及其制备方法。根据本发明，使用双辊薄带铸造方法，并且加入晶界强化元素以防止铸造时的中心偏析、裂缝和断带，从而确保铸造稳定性。另外，在钢中形成均匀分布的微细结构，并且由所述钢可制造具有高边缘质量的高硬度刀具类或工具类。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过双辊薄带铸造方法(twin roll strip castingprocess)制备的马氏体不锈钢以及其制备方法，并且更具体地涉及一种马氏体不锈钢，其中抑制了在铸造过程中的中心偏析、裂缝和断带从而确保铸造稳定性，并且通过使铸造组织微细化可制造具有高硬度和优良边缘质量的产品，还涉及其制备方法。

背景技术

马氏体不锈钢通常具有优良的抗腐蚀性、硬度和耐磨性，并因此用于多种工具类或刀具类的制造。

在通过连铸方法制备这种马氏体不锈钢的情况中，在铸造产品中心部位形成粗大中心偏析的严重程度与碳含量的增加成正比，并且固液共存区域宽使铸造性脆弱。因此，马氏体不锈钢主要采用铸锭方法制备，其中将钢锭制成板坯，随后进行再加热和热轧以制备热轧钢卷，然后将该热轧钢卷进行分批退火炉处理、酸洗处理和冷轧。

但是，使用上述铸锭方法也存在问题，由于缓慢的冷却速率在板坯中形成粗大中心偏析，而上述中心偏析在随后的热处理过程中未被很好地去除并因此残留在热轧钢板中，在切割钢带的过程中导致分层（lamination）缺陷。此外，粗大的初生碳化铬沉淀在晶界处，从而在后处理过程中的钢板中产生裂缝和断带。

为解决上述问题，已知技术通过在热轧之后的分批退火炉（BAF，Batch Annealing Furnace）过程中提高退火温度并保持很长的退火时间以固溶碳化物，但这会产生问题：因为需要在加热炉上进行投资，不利地增加了生产成本并且显著降低了生产率。

此外，人们还提出了使用低温铸造和低速铸造方法，其能够在铸造产品中心部位形成粒状的等轴组织并且快速形成板坯的固化层，从而减少了中心偏析，但是喷嘴在铸造过程中可能会堵塞，不利地导致操作不稳定和生产率降低。

因此，需要开发出高质量马氏体不锈钢及其制备方法，其中在铸造时抑制中心偏析并且将初生碳化铬微细沉淀在晶界处，从而由于优良的抗裂性而确保了铸造稳定性。

发明内容

技术问题

因此，本发明紧扣相关技术中遇到的上述问题，并且本发明的一个目的是提供一种具有优良抗裂性马氏体热轧不锈钢板及其制备方法，其中使用双辊薄带铸造方法并加入晶界强化元素，因此抑制中心偏析、裂缝和断带，从而确保了铸造稳定性；还提供了一种马氏体不锈冷轧钢板及其制备方法，其中在钢中形成均匀分布的微细结构，由其可制造具有高硬度和高边缘质量的刀具类或工具类。

技术方案

本发明提供一种具有优良抗裂性的马氏体热轧不锈钢板，其特征在于，通过双辊薄带铸造方法制备并且其包含以重量%计的0.1~1.5%的C、12~15%的Cr、1%以下的Ni、0.005~0.1%的Ti和剩余量的Fe和其他不和避免的杂质，其中沉淀在晶界处的初生碳化铬碎化并微细化。

同样地，其特征在于，所述马氏体热轧不锈钢板进一步单独或组合包含以重量%计的0.005～0.1%的Mo和0.005~1.0%的V。

另外，其特征在于，初生碳化铬具有0.5μm以下的厚度。

此外，其特征在于，所述马氏体热轧不锈钢板去除了中心气孔。

另外，其特征在于，所述马氏体热轧不锈钢板横截面结构的等轴组织比例可为5~30%。

另外，本发明提供了一种具有高硬度的马氏体冷轧不锈钢板，其特征在于，通过双辊薄带铸造方法制备并且包含以wt%计的0.1~1.5%的C、12~15%的Cr、1%以下的Ni、0.005~0.1%的Ti和剩余量的Fe和其他不和避免的杂质，并且球形次生碳化铬微细分布。

同样地，其特征在于，所述马氏体冷轧不锈钢板进一步单独或组合包含以重量%计的0.005~～0.1%的Mo和0.005~1.0%的V。

另外，其特征在于，次生碳化铬的尺寸为5μm以下，并且具有所述尺寸的碳化铬在每100μm²的面积存在30个以上。

其特征在于，所述马氏体冷轧不锈钢板具有100~300Hv的硬度。

另外，本发明提供了一种具有高硬度的马氏体冷轧不锈钢板的制备方法，其特征在于，包括：铸造钢带的步骤，其在双辊薄带铸造方法中注入包含以重量%计的0.1~1.5%的C、12~15%的Cr、1%以下的Ni、0.005~0.1%的Ti和剩余量的Fe和其他不和避免的杂质的熔融钢；制备热轧钢板的步骤，其使用在线轧制机以5-50%的压延率轧制所述钢带；进行冷轧的步骤，其将所述热轧钢板在还原性气体氛围中的650~950℃的温度下进行分批退火炉处理后进行冷轧，并重复进行多次冷轧，且在所述冷轧之间进行中间退火。

其特征在于，熔融钢进一步单独或组合包含以重量%计的0.005~0.1%的Mo和0.005~1.0%的V。

发明效果

根据本发明，使用了双辊薄带铸造方法并加入晶界强化元素，因此防止了在铸造时的中心偏析、裂缝和断带，从而确保了铸造稳定性，并且在钢中形成均匀分布的微细结构，由其可制造具有高硬度和高边缘质量的刀具类或工具类。

附图说明

图1是双辊薄带铸造方法的结构图。

图2是在铸造时马氏体不锈钢中发生裂缝的照片。

图3是在铸造时马氏体不锈钢的裂缝断裂面的照片。

图4是沉淀在马氏体不锈钢的晶界处的初生碳化铬的照片。

图5是马氏体不锈钢的平衡相图。

图6是马氏体不锈钢中的Ti含量与等轴组织比例和裂缝产生情况的关系的图表。

图7是根据马氏体不锈钢热轧压延率的断面结构中心气孔照片，其中(a)是未进行热轧时的照片，而(b)是以25%的压延率进行了热轧的照片。

图8是根据马氏体热轧不锈钢板中Ti含量的晶粒粒径照片。

图9是根据马氏体热轧不锈钢板中Ti含量的沉淀在晶界处的初生碳化铬的照片。

图10是本发明的马氏体冷轧不锈钢板次生碳化铬分布的照片。

〈附图中附图标记的说明〉

1：耐火材料槽    2：喷嘴

3：铸造辊        4：熔融钢

5：边部挡板      6：刷辊

7：钢带          8：活套坑

9：半月挡板      10：夹送辊

11：在线轧制机(IRM)

发明方式

在下文中，对本发明的马氏体不锈钢将参考附图进行详细阐述。

根据本发明，采用双辊薄带铸造方法制备具有优良抗裂性的马氏体热轧不锈钢板。如图1所示，双辊薄带铸造方法如下进行：通过在一对旋转的铸造辊3之间供应熔融钢4，使得直接从熔融钢连续制备具有几mm厚度的钢带。

具体地，在相反方向旋转并进行冷却的铸造辊3之间通过喷嘴2注入具有规定组成的熔融钢4使其固化而形成固化的壳，然后辊隙挤压该壳，从而制备出钢带7。由此制备的钢带7由夹送辊10引导，并通过在线轧制机(IRM)11内的轧辊进行轧制，从而制备马氏体热轧不锈钢板。

当使用常规的连铸方法或铸锭方法制备马氏体不锈钢时，形成中心偏析而产生线性缺陷或平面分离，并且粗大的初生碳化铬在晶界处沉淀，在后处理过程中的钢板中产生裂缝或断带。但是，当使用上述双辊薄带铸造方法制备马氏体不锈钢时，辊隙附近的熔融钢被挤压并因此产生挤压流（squeezing flow），使得在中心部位的溶质的浓缩物产生的区域中的熔融钢被挤压（squeezing out）出来，从而去除了中心偏析。此外，熔融钢固化时的冷却速率很快，并因此使晶界的晶粒微细化，从而减少了初生碳化铬的沉淀。因此，在铸造时可抑制中心偏析和裂缝，从而确保铸造稳定性。

使用双辊薄带铸造方法制备的马氏体不锈钢与使用常规铸造方法时相比去除了中心偏析。如图4所示，初生碳化铬微细沉淀在晶界处从而抑制了裂缝和断带。如图2和3的照片所示，因为上述初生碳化铬在铸造时可导致裂缝和断带，所以需加入晶界强化元素等以最大限度抑制这类碳化物的影响。

本发明的马氏体不锈钢包含以重量%计的0.1~1.5%的C、12~15%的Cr、1%以下的Ni、0.005~0.1%的Ti和剩余量的Fe以及其他不可避免的杂质。同样地，可进一步单独地或组合加入以重量%计的0.005~0.1%的Mo和0.005~1.0%的V。

限制上述组分的组分范围的原因在下文中给出。

上述C是提高不锈钢的硬度方面非常有效的元素。如果C的含量小于0.1重量%，则无法确保马氏体不锈钢所要求的硬度。相反，如果C的含量超过1.5重量%，则会形成相对较粗大的初生碳化铬，从而增加裂缝敏感度并降低抗腐蚀性。因此，C的含量限制在0.1~1.5重量%。

加入上述Cr以提高抗腐蚀性。如果Cr的含量小于12重量%，则抗腐蚀性的提高效果不显著。与之相比，如果Cr的含量超过15重量%，虽然会提高抗腐蚀性，但是强度很高并伸长率很低，从而降低加工性并且需要相对较高的成本。因此，Cr的含量限制在12~15wt%。

上述Ni是产生γ相的元素。如果其加入量很高，则γ相增加，并且当钢卷在热轧后进行空气冷却时，可促进马氏体相的形成并因此会增加强度和硬度，但会降低伸长率。因此，Ni的含量优选限制在1重量%以下。

加入作为晶界强化元素的上述Ti以碎化晶界上的初生碳化铬或使其微细沉淀，从而抑制裂缝和断带。如果Ti的含量少于0.005重量%，则其在抑制钢板的裂缝和断带上的效果就不显著。相反，如果Ti的含量超过0.1重量%，则会发生堵塞现象使在铸造上产生问题，其中耐火材料槽的塞子由于Ti基氧化物而堵塞。因此，Ti的含量限制在0.005～0.1重量%。

上述Mo和V可单独或者组合含有，并且优选其含量为0.005wt%以上以强化晶界并且提高抗腐蚀性。不过，由于其含量超过0.1重量%时会降低韧性，因此Mo和V的含量限制在0.005~0.1重量%。

如图8和图9所示，具有上述组成的马氏体热轧不锈钢板——其使用在线轧制机轧制通过双辊薄带铸造方法铸造的钢带而制备——的一个特征是沉淀在晶界处的初生碳化铬呈现出带状，并晶粒被精细化且碎化而不连续地分布，使得晶界被强化从而抑制了铸造时的裂缝和断带，由此得到改善的铸造成品率。

上述初生碳化铬的厚度为0.5μm以下并且主要以尺寸为0.05~0.30μm的带状微细晶粒的形式分布。

上述马氏体热轧不锈钢板使用在线轧制机以5～50%的压延率进行热轧，如图7(b)所示，去除了中心气孔从而抑制了由该气孔导致的脆化现象并确保了伸长率。

如图6的图表所示，随着Ti加入量的增加，上述马氏体热轧不锈钢板横截面结构的等轴组织比例增加。如果上述等轴组织比例增加，则中心偏析会减少，并且裂缝会去除。从该图表中可以看到，当确保5%以上的等轴组织比例时，在铸造时的裂缝显著降低，并且当比例为7%以上时，裂缝会完全去除。

如果上述等轴组织比例小于5%，则柱状结构彼此碰撞从而容易产生裂缝，并且在产生非均匀固化时，会进一步增加裂缝的产生。很难在技术上确保上述等轴组织比例超过30%。

同时在本发明中，上述抗裂性马氏体热轧不锈钢板在分批退火炉处理后进行冷轧，从而制备高硬度马氏体冷轧不锈钢板。另外，也可以将以重量%计的0.005~0.1%的Mo和0.005~1.0%的V单独或联合进一步加入其中。

如图10所示，上述马氏体冷轧不锈钢板由于次生碳化铬以球形形成并且微细均匀分布，因此可以提供高硬度马氏体冷轧不锈钢板，由其可制造具有高边缘质量的工具类或刀具类。

上述次生碳化铬的尺寸为5μm以下，并以大多数直径为0.1~3.0μm的形式均匀分布。另外，形成每100μm²的面积可存在30个以上具有5μm以下尺寸的次生碳化铬的微细组织，从而制备出具有100~300Hv高硬度的马氏体冷轧不锈钢板，由其可制造具有高边缘质量的工具类或刀具类。

下文是参考附图的本发明的马氏体不锈钢的制备方法。

在相反方向旋转并进行冷却的铸造辊3之间通过喷嘴2注入包含0.1~1.5%的C、12~15%的Cr、1%以下的Ni、0.005~0.1%的Ti和剩余量的Fe以及其他不可避免的杂质的熔融钢以使其固化而形成固化的壳，然后用辊隙挤压该壳，从而制备出钢带。另外，在上述熔融钢中可以进一步单独或组合加入以重量%计的0.005～0.1%的Mo和0.005~1.0%的V。

由此生成的钢带7通过夹送辊10引导，并通过在线轧制机（IRM）11内的轧辊进行热轧，从而制备马氏体热轧不锈钢板。同样地，如果未进行上述热轧，则在分批退火炉处理后就不能确保伸长率，因此钢板变得很脆以致于难以进行随后的处理，包括酸洗和冷轧。因此，本发明的制备方法本质上需进行热轧。

同样地，轧制优选以5~50%的压延率进行。如果压延率小于5%，则在钢板中心形成气孔，使得钢板由于该气孔而发生脆化并且降低伸长率。相反，如果压延率超过50%，则会增加设备结构上的成本。

图7是根据马氏体不锈钢的热轧的压延率的横截面结构中心气孔照片的比较。如图7(a)所示，当未进行热轧时，在等轴区域形成气孔，如图7(b)所示，当以25%的压延率进行热轧时，所有的气孔从等轴区域去除。

使用双辊薄带铸造方法制备的热轧钢板进行分批退火炉（BAF）处理以稳定碳化铬的固溶体。通常热轧状态下的钢结构包括混合在一起的马氏体相、淬火（tempered）马氏体相、铁素体相等。经过分批退火炉处理将具有过饱和的高浓度碳的马氏体相分解为铁素体和碳化铬使得钢的材质变得柔软，从而改善了加工性。

上述分批退火炉处理以如下方式进行：在还原性气体氛围中的650~950℃的退火温度下保持缓慢的加热，并且在分批式退火炉中再缓慢冷却。

如果上述退火温度小于650℃，则热处理效果不显著并且无法确保延性，使得在随后的处理中可能会出现裂缝或断带。相反，如果退火温度超过950℃，则再固溶的碳化铬会过度沉淀使部分沉淀物的尺寸增大，并且钢的材质变得过于柔软使得难以控制碳化铬。因此，退火温度限制在650~950℃。

在上述分批退火炉处理中经过热处理的钢板在进行酸洗和冷轧后转化为马氏体不锈钢。同样地，进行多次上述冷轧并且在上述冷轧之间进行中间退火，使得再分解的球形次生碳化铬微细均匀分布从而制备出高硬度马氏体冷轧不锈钢板。

下文将描述本发明的实施例。

将包含下述表1中所示的组分和剩余量的Fe以及其他杂质的马氏体不锈钢铸造为100吨的具有1,300mm铸造宽度和2mm铸造厚度的钢带，并且使用在线轧制机进行热轧，从而连续地制备了具有1~2mm厚度的热轧钢板。其结果在下述表2中给出。

[表1]

[表2]

*裂缝的产生：○（差）、△（良好）、×（未产生）

*耐火材料槽塞子堵塞：○（堵塞）、△（良好）、×（优秀）

从上述表1和表2中很明显的看出，本发明的钢1至8——其中包含晶界强化元素Ti等组分的钢的各组分含量相当于本发明的范围内——具有在晶界处微细沉淀的厚度为0.5μm以下的初生碳化铬，并且确保了5~30%的等轴组织比例，使得裂缝无法产生或裂缝产生的程度良好。此外，耐火材料槽的塞子未堵塞，因而展现出优良的铸造性。

但是，对比的钢1至3——其中未加入或者加入微量的Ti——具有沿着晶界扩散的裂缝，并且对比的钢4和5——其中加入过量的Ti——未产生裂缝，但是由Ti基氧化物而导致堵塞（clogging）现象，使其难以进行铸造。

从表2中很明显的看出，当在本发明的钢1至8中使用5~50%的压延率进行热轧时，钢的中心部位的气孔被去除从而抑制了脆化现象并可确保伸长率。

由此制备的马氏体热轧不锈钢板进行酸洗然后在650~950℃进行分批退火炉处理很长一段时间，随后重复进行了多次冷轧和在多次冷轧之间的中间退火。其结果，如图10的马氏体冷轧不锈钢板的次生碳化铬的分布照片所示，碳化铬以球形沉淀并因此微细均匀地分布，并且在这种微细结构中未观察到具有5μm以上直径的碳化铬。具有上述精细结构的马氏体不锈钢具有100~300Hv的极高的硬度，由此可制造具有高边缘质量的工具类或刀具类。