泰山鋼鐵馬氏體不銹鋼系列產品的開發

張 爽

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 271100）

1 前言

2010—2020 年我國不銹鋼產量呈穩定增長態勢，400 系不銹鋼產量自2016 年開始逐年增加，2021年，我國400系不銹鋼占比為20.46%，而日本、美國等發達國家400系不銹鋼占比均在40%以上。今后我國400系不銹鋼市場需求將持續增長，一是大力推廣低鎳、少鎳的400系不銹鋼可規避國內鎳資源匱乏，促進內循環，降低消費成本；二是隨著對環保越來越重視，200系廢鋼回收問題越來越棘手，加上行業集中度的逐步提高，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。馬氏體不銹鋼可通過淬火、回火等熱處理工藝進行強化，從而獲得較高的硬度、強度以及耐磨性［1］，廣泛應用在刀具、量具、剎車盤、礦山機械等領域［2-3］。山東泰山鋼鐵集團有限公司（簡稱泰山鋼鐵）開發生產了Cr13 系馬氏體不銹鋼、含氮耐蝕馬氏體不銹鋼、個性化定制馬氏體不銹鋼以及高端馬氏體不銹鋼產品，取得了較好的效果。

2 開發歷程

泰山鋼鐵馬氏體不銹鋼工藝流程：高爐鐵水→鐵水預處理→TSR爐冶煉→LF爐精煉→CC保護澆注→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 產品）→20 輥冷軋（冷硬產品）→脫脂→退火酸洗→平整（2B產品）。

2013年泰山鋼鐵及時調整產品結構，逐步放棄200系市場，重點轉向更綠色、更經濟的400系不銹鋼。2013—2015 年，開發常規06Cr13 鋼與剎車盤用12Cr13鋼，年產量分別達到65萬t和6萬t。2016年隨著罩式退火爐投產，成功開發刀刃具用20Cr13、30Cr13、40Cr13鋼，實現了Cr13系列馬氏體不銹鋼全覆蓋。2018 年以來，泰山鋼鐵實施“個性化、定制化、差異化、精品化”產品開發路線，根據市場需求先后開發了定制化卡尺用鋼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 主要產品及技術指標

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展起來的馬氏體不銹鋼［4］。馬氏體不銹鋼中C 是主要的強化元素，但較高的C會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溶解較慢，可減少過熱傾向，擴大高硬度淬火溫度區間，經過熱處理后可以細化晶粒，使碳化物能以細小質點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含量按標準上限設定，較傳統的電爐的鋼液中有害殘余元素少，重金屬遷移量低，產品入選國家工信部“廚房廚具用不銹鋼綠色設計產品”，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，鋼水凝固過程伴隨著較大的體積變化和線收縮，易導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出現水波紋缺陷［10］，不僅影響產品的使用性能，而且影響美觀。泰山鋼鐵在產品開發過程中針對板坯縱裂與組織均勻化進行了專題攻關，通過保護渣性能及組分優化、分段拉速控制、結晶器錐度控制以及水口侵入深度控制等措施，解決了板坯縱裂問題，板坯修磨率＜1%。針對水波紋缺陷重點通過電磁攪拌參數優化，控制電流強度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 板坯低倍檢測結果見表2，30Cr13、40Cr13帶鋼組織見圖1、圖2。

表2 30Cr13板坯低倍檢測結果

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。通常在對耐腐蝕性能要求更高的領域里用氮合金化馬氏體不銹鋼替代傳統的馬氏體不銹鋼。

泰山鋼鐵開發了20Cr13N、30Cr14N 含氮耐蝕馬氏體不銹鋼，典型成分與性能見表3。

表3 含氮系列馬氏體不銹鋼典型成分與性能

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

3.3 個性化定制開發產品

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量誤差，40Cr13被廣泛用作卡尺的制造材料［11］。泰山鋼鐵針對產品應用性能需求，在傳統40Cr13基礎上通過成分優化，定制開發出熱處理硬度更高、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 系馬氏體不銹鋼對比見圖3、圖4。從摩擦系數隨磨損時間的變化曲線看出，隨著時間的延長摩擦系數變化不大，摩擦系數差異性也不大。但整體看，40Cr14鋼摩擦系數更穩定；從摩痕寬度隨磨損時間的變化曲線看出，隨時間延長磨痕寬度均逐漸增加，40Cr14 鋼的明顯緩慢，可見40Cr14 鋼耐磨性較同類產品40Cr13 鋼有明顯優勢。

圖3 摩擦系數隨磨損時間的變化曲線

圖4 磨痕寬度隨磨損時間的變化曲線

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性能指標。其中鋒利度及其持久性和耐磨性與材料的硬度密切相關，硬度越高其鋒利度與耐磨性越好，耐磨性越好進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化學狀態的改變，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］。

刀具用定制產品TSCr9LP 不銹鋼的成分設計特點是高Si低P，對比C含量相當的刀具鋼40Cr13，其強度、硬度明顯提高，具體數據見表5。成品刀具表面光澤度好，淬火硬度61～63 HRC，重復修磨硬度59～62 HRC，試切測試顯示TSCr9LP 在刃口鋒利度持久性上有明顯優勢。

表5 TSCr9LP與40Cr14典型成分與性能

3.4 高端馬氏體不銹鋼

隨著不銹鋼產業化技術的不斷升級，馬氏體不銹鋼高端產品越來越向高碳、高鉻以及添加Mo、V、Ti、W 等合金元素方向發展，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。但當鋼中碳含量超過O.6%時，隨碳含量的升高其硬度增加已不明顯，同時，碳含量升高會導致熱處理后組織中碳化物的含量增多，嚴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，可以在提高材料強度硬度的同時提高耐蝕性能，其綜合性能最佳。

在馬氏體不銹鋼中V 通過細晶強化與析出強化提高鋼的強度［16］。Mo可提高不銹鋼在還原性介質中的耐腐蝕能力，增強抗點蝕、耐氯離子腐蝕等性能，在Fe-Cr 合金中加入Mo后，合金的鈍態穩定性和抗點蝕能力大大提高，Mo 的作用能力相當于Cr的3.3倍。另一方面，Mo可細化晶粒、均勻組織、提高韌性，提高馬氏體不銹鋼強度和回火穩定性。

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 典型成分與性能見表6。根據不銹鋼耐蝕性點蝕指數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PRE 值在15.5～16.0，50Cr15MoV 的PRE 值在19.0～19.5，50Cr15MoV 成分體系在點蝕指數上有明顯優勢。

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 ℃進行油淬熱處理試驗，結果見圖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 淬火溫度與硬度關系曲線

4 結語

泰山鋼鐵馬氏體不銹鋼經過不斷發展，已逐步形成品種規格全覆蓋，產品在工業剎車盤以及民生刀刃具領域應用越來越廣泛。伴隨著消費群體需求日益多樣化，泰山鋼鐵始終堅持提升技術服務能力，提高產品定制化服務能力，發揮裝備與技術優勢做精產品質量，打造泰山鋼鐵不銹品牌。