摘 要

本文通过研究和综合热分析仪（DTA）物相分析测试实验钢材的相变点，从而来设置不同的热处理工艺参数进行试样的热处理，然后结合金相光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）组织观察设备等材料分析测试设备仪器，探究不同设置下的淬火工艺参数和回火工艺参数对AUS-10钢组织和性能的影响，所得结果对于AUS-10钢的使用具有重要意义。论文主要研究了不同淬火和回火工艺对AUS-10马氏体钢的影响。研究结果表明AUS-10高碳厨刀用马氏不锈钢试验钢的热处理的最佳参数设置为：1025℃×15min，油淬，200℃×2h回火，空冷。在这种处理下AUS-10钢能获得更好硬度。根据生产实践的具体情况，结合企业的生产状况，使用空冷的冷却方式更适合企业的批量生产。

关键词：马氏体不锈钢；组织；性能；热处理工艺

Abstract

The subject of this experiment is to set up different heat treatment process parameters, combined with metallographic light microscope, scanning electron microscope (SEM) tissue observation equipment and comprehensive thermal analysis (DTA) phase analysis, and so on. Explore the influence of quenching process parameters and tempering process parameters under different settings on the microstructure and properties of high-carbon and medium-carbon martensitic stainless steels represented by aus-10 kitchen knife materials, The best heat treatment of the AUS-10 high-carbon kitchen knife used for the Markov stainless steel test steel. The parameters are set to: 1075 °C × 20min, oil quenching, 200 °C × 2h tempering, air cooling. Under this process, AUS-10 steel can get the best combination of hardness and corrosion resistance.)According to the specific conditions of production practice, combined with the production status of the cooperative enterprise, using air-cooled cooling methods to cool the t material is more suitable for the enterprise's mass production.

Key words： martensitic stainless steel; microstructure; properties; heat treatment process

目录

第1章 绪论 1

1 引言 1

1.2 不锈钢的概述 1

1.3 厨刀用马氏体不锈钢 1

1.4 厨刀用马氏体不锈钢微观组织对性能的影响 4

1.5 马氏体不锈钢热处理工艺与技术的发展 5

1.6研究的主要目的和内容 6

1.7 AUS-马氏体不锈钢的研究对社会的影响 6

第2章 实验过程 7

2.1 实验材料 7

2.1.1 AUS-10钢 8

2.2 实验方法 8

2.2.1 相变点的测试 8

2.2.2 试验钢的热处理加工工艺 9

2.2.3 性能实验 10

2.2.4 显微组织观察 10

2.3本章小结 11

第3章 热处理对高碳马氏体不锈钢AUS-10组织和性能的影响 12

3.1 淬火工艺对AUS-10组织和性能的影响 12

3.1.1 淬火温度的影响规律 12

3.1.2 保温时间对AUS-10的影响 14

3.1.3 冷却方式对AUS-10的影响 14

3.2回火工艺对AUS-10组织和性能的影响 15

3.2.1回火温度的影响 15

3.3本章小结 17

第4章 总 结 18

参考文献 19

致谢 21

第1章 绪论

1.1 引言

随着社会经济的不断发展，人们对生活品质有了更高的要求，而厨刀作为生活中不可或缺的工具，也越来越受到人们的关注。一把厨刀的好坏直接影响着烹饪时的感受，因此，人们对厨刀的综合性能有了更高的标准，希望厨刀不仅实用而且美观，同时具有锋利，耐腐蚀等优点。而在当下，不锈钢生产出来的厨刀完美的具有了上述优点，既符合消费者饮食习惯，又能满足人们追求厨刀品质的需要。所以，研究不锈钢材料就显得非常重要。

1.2 不锈钢的概述

不锈钢是指能够在腐蚀性介质中抵抗腐蚀性的这一类合金钢的总称。不锈钢不仅具有明亮的外观，同时又具备良好的耐腐蚀性能，厨刀表面一般不需要再经过镀色、喷涂防锈漆等防腐蚀的处理工艺，同等性能要求下减少加工工序，节省生产时间。目前铬钢、铬镍钢等应用比较广泛。从20世纪初不锈钢起源发展到如今，不锈钢系列钢材已经形成了具有300多个牌号的系列化的独特钢种。近年来，随着各各领域的迅速发展，不锈钢作为一种重要材料也受到了越来越多的关注。不锈钢在机械和民用建筑中广泛使用的一类金属材料。因为不锈钢因为具有高强度、抗腐蚀、易加工和表面具有优良光泽性等这些其他的钢铁材料难以拥有的优异的特性，在我们国家的国民经济的各个领域都广泛出现，在航空航天领域、生活用品、汽车零部件、食品制药等多个工业领域中都在应用。工业上目前不锈钢主要有以下几种方式进行分类：（1）根据钢体中合金元素的不同种类主要分为铬不锈钢、铬镍不锈钢以及铬镍钼不锈钢等；（2）根据不锈钢钢材加热到高温空冷后获得的组织不同进行分类有铁素体系不锈钢、马氏体系不锈钢钢、奥氏体系不锈钢钢以及铁素体奥氏体系不锈钢和沉淀硬化系不锈钢等五个主要的大系分类。（3）根据不锈钢的耐腐蚀性的特点分为耐酸不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、以及高强度不锈钢等。

1.3 厨刀用马氏体不锈钢

1.3.1马氏体不锈钢

在不锈钢中，马氏体不诱钢是一类可以通过合适的热处理加工工艺（淬火、回火）对其综合性能进行调节冷却到室温下保持马氏体组织的一种含铬不诱钢。这种钢种具有非常明显的相变点，通过淬火获得较好的硬度、强度，同时通过回火处理再对硬度、强度和韧性可以进行大范围调节以获得好的综合性能。马氏体不锈钢相比于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢相比，虽然耐腐蚀性稍微差点，但是具有很好的硬度和强度等力学性能，所以马氏体不锈钢主要用在对材料的硬度、强度、韧性和耐磨性有较高的要求，同时需要的一定的耐腐蚀的零部件。

1.3.2马氏体不锈钢的分类

马氏体不锈钢有较高的硬度和耐磨性，同时合金所需含量小,生产成本相对较低, 因此马氏体不锈钢得到了广泛的应用。伴随着马氏体不锈钢在工业、建筑等诸多领域的使用，钢材生产企业逐渐开发出在不同环境下的使用要求更多种型号的马氏体不锈钢。目前,GB/T20878-2007标准手册中共有种38种马氏体不锈钢在录。

马氏体不诱钢大体上可分为马氏体铬不诱钢、马氏体铬镍不诱钢和马氏体时效不诱钢三类。同时，由于马氏体不锈钢中的C含量的影响较大，所以习惯上又把马氏体铬不锈钢分为低碳、中碳、高碳三种类。

1.3.3主要合金元素对马氏体不锈钢的作用

（1）铬（Cr）元素的作用

铬元素在不锈钢中非常关键，它是决定马氏体不锈钢是否具有“不锈”性能的最首要的合金元素。 当钢体中铬元素含量比较充足时，表面就可以形成以 Cr2 O3为基体的较为稳定的一层表面防护膜， 如防护罩一样保护钢体，从而防止钢体在具有氧化性的腐蚀介质中被腐蚀。当铬元素加入并形成固溶体的状态时，会显著地提高该状态下的固溶体的电极电位并遵循 n/8规律或者称作铬元素对钢耐腐蚀性能影响的原子比规（即当铁中的铬元素含量为12.5%、25.0%、37. 5%或者称原子比为1/8、2/8、3/8时）， 这时候电极电位有一个较大的向上的跨越，这时钢的被腐蚀速率有较为陡然地下降。当在满足1/8规律时（若以质量进行计算这时质量约11.7%），为了避免一些铬元素融入到其它基体中，在铬不诱钢中Cr含量的控制范围一般都控制在12%以上。12%～18%这个范围是控制的一般范围。同时不锈钢中的Cr元素存在可以提高钢的点蚀电位值，从而降低对点蚀的敏感。当 Cr元素的含量过高时还存在弊端，即它会使钢的导热系数降低，淬火和回火工艺下钢内的稳定的铁素体含量将会增多，不锈钢的硬度和强度就会降低。

图1.1 Cr元素对铬钢的电极电位的影响

（2）碳（C）元素的作用

碳元素的硬度高，会提升合金元素强度和硬度。碳元素强化马氏体不锈钢的作用是镍元素的30倍左右。但是另外一方面，C元素的缺陷是碳元素与铬元素经常性地会形成一系列较为复杂的碳化物，当含铬量低于10%的含量时主要是渗碳体型碳化物（Fe,Cr）₃C；而（Cr,Fe）₇C₃或（Cr,Fe）₂₃C₆这类碳化物易在含铬量较高的高铬钢中形成。[15]这样一系列的碳化物形成过程中会夺走占据了钢中的铬元素，从而降低了基体中的铬的含量，不锈钢的耐腐蚀性能下降。C元素对钢体组织影响表现为与Cr的相互依存关系，在Cr含量一定的情况下，C含量增加，奥氏体区扩大。随着Cr含量升高，碳在奥氏体中的溶解度就会减小。

1. 镍（Ni）元素的作用

镍元素是奥氏体组织中的形成元素。镍元素与铬元素一起使用才能有更好的效果。若在钢中只添加镍元素而不添加铬元素，要让含碳量低的镍钢最后获得单相的纯奥氏体的组织，理论上钢中镍的添加量需要高达24%才行，而实际上则需要含镍量达到27%（质量分数）时才能较为显著地提高钢的耐腐蚀性，为了获得不锈钢的性能的同时减少微量元素的添加减少成本，一般不诱钢中不将镍元素单独作为合金加入。合金钢中Ni与Cr的元素组成决定着不锈钢最后的组织，例如当合金钢中铬含量为15%、镍为3%时，得到马氏体不诱钢；铬含量17%、镍含量10%时会获得奥氏体不锈钢。镍能够明显的提高钢的性能，如耐蚀性、淬透性等。在铬不锈钢中添加适当的镍，能够促进马氏体的转变，提高不锈钢的强度，韧性以及耐蚀性。

图1.2 Ni含量对不锈钢强度的影响

1. 其它微量元素

除了主要的合金元素之外，钼元素是铁素体组织中比较重要的形成元素。在铬不锈钢的钢体中添加钼元素既能够强化韧性和耐腐蚀性，它的抗腐蚀作用相当于Cr元素的3.3倍，同时也会产生二次强化效应对材料的硬度和强度进行提高。在某些属于还原性的腐蚀介质中，钼元素可以更好地促进Cr的钝化作用，提高铬镍不锈钢在还原性酸中的耐腐蚀性，又同时可以抑制Cl^-的环境下对不锈钢材的腐蚀，提高不锈钢的晶间耐腐蚀抗性。另外Mo元素还可以起到细化晶粒、均匀化组织，提高韧性和强度的作用，不诱钢的高温力学性能和回火稳定性也会提高，抑制Cr从碳化物析出。钢体还会存在例如硅、磷、硫等杂质元素，另外工业为了某种特殊使用要求，许多不锈钢中还添加如钴、硒、硼以及一些其他微量元素等。这些根据特殊情况进行添加的微量元素元素，从影响耐腐蚀性这一不锈钢的主要性能来讲,相比己讨论过的合金元素,这些微量元素不是起主要作用的影响元素，所以在此不做更为具体的介绍。

1.4 厨刀用马氏体不锈钢微观组织对性能的影响

一般情况下，厨刀产品需要具有高的硬度、锋利度的同时，还需要好耐磨性、耐腐蚀性以及一定的韧性在内的综合性能。从根本上来讲，马氏体不锈钢金属材料热处理工艺下的微观组织的组成是决定厨刀综合性能的根本原因，不同的内部微观结构造成材料具有不同的性能。因此，研究在热处理过程的不同阶段的材料内部结构组织具有很重要的意义。

针对本研究所涉及的两种马氏体不锈钢，对微观组织与性能之间的相互关系。马氏体不锈钢在的正常热处理工艺为淬火和回火两种热处理方式。在经过淬火和回火两种热处理方式后，马氏体不锈钢材料的组织组成一般包括马氏体、碳

化物、残余奥氏体等相和组织。

1. 马氏体组织。马氏体组织的形态主要有板条状、针状、薄板状以及薄片状等。在中低碳钢种内部主要是板条状，中高碳钢种主要是针状马氏体。马氏体组织凸显的主要性能是较高的强度和硬度，主要原因是马氏体在相变时发生不均匀的切变，产生许多的位错、孪晶以及空位的缺陷即相变强化。碳原子溶入形成过饱和的固溶体而产生固溶强化。由于在淬火到回火的过程中会形成碳原子的集聚或者形成碳化物而起到析出强化的作用。
2. 碳化物。正常情况下经过合适的淬火处理钢种中不应该有碳化物，如存在碳化物主要可能是加热淬火温度或者淬火时间不够，碳化物还未完全溶入奥氏体。对于厨刀材料，特别是中高碳的厨刀材料，其本身的碳含量较高，碳化物是显微组织的重要组成部分。碳化物主要是一次碳化物和二次碳化物。

1.5 马氏体不锈钢热处理工艺与技术的发展

近些年热处理的新工艺不断的得到发展。这些新工艺的产生不断提高热处理的马氏体不锈钢的综合性能、减小变形、增强钢材的使用寿命，同时能够节省生产成本。例如：（1）真空热处理工艺。自从我国在80年代从国外引进真空热处理设备成功应用以后到现在已经取得了广泛的应用，采用真空热处理工艺进行加工的马氏体不锈钢没有被氧化、脱碳的反应，表面质量极好同时变形量较小。真空热处理工艺对马氏体不锈钢进行热处理有助于提高样品的力学性能和耐腐蚀性。（2）可控气氛的热处理。该处理方式相对于真空热处理成本低、工艺调整便捷的优点，多使用在较小的零件的批量处理。马氏体不锈钢在该工艺需要加热温度在1000摄氏度以上的炉型。目前该热处理方式主要采用小型的氨分解气氛高温网带炉的设备。（3）激光热处理工艺。这种热处理方式也称为激光淬火，通过激光束照射到金属表面，使金属表面的温度快速升温，当达到一定的温度后关闭激光束，在金属本身热传导作用下，加热的部分能够迅速自然冷却，这时表面能够形成较薄的一层组织。这种热处理方式与普通淬火相比，处理后的金属表面硬度更高。（4）形变热处理工艺。形变热处理是利用形变强化和相变强化将压力成型加工与热处理操作结合起来对的工艺。采用此种方式能够简化零件的加工过程，优化生产方案，具有很好的生产效益。该工艺从上世纪80年代已经在研究，还是存在很大的探索空间。但是形变热处理工艺在很大程度上取决于材料成形技术的进展还需要制成某些专用的、强力而有效的形变加工设备，也严重影响该工艺的实际应用。（5）化学薄层渗透技术。主要是采用化学热处理方式是将有利于提高金属性能的化学成分薄层渗透在金属材料表面，来不断的改善金属材料的实际柔韧性和硬度，通过这种方式可以只通过改变金属的表面形态，减少金属材料出现浪费；（6）另外还有离子束表面改性可以不改变金属表面的化学

组成成分，尺寸的变化几乎没有，不会用到化学用剂更不会产生有害气体；而强烈淬火技术可以避免钢件产生开裂的现象，减少在热处理过程中产生畸变，显著提高钢材力学性能，延长零件的使用寿命。

随着热处理技术的不断发展，热处理工艺所需的设备也在不断地发展，马氏体不锈钢的热处理工艺提供了更多的选择。例如：真空加热高压气淬设备是热处理技术向前发展的重要一步。低压渗碳双室高压气淬炉的的开发利用可以让气淬冷却变得更加均匀、工件畸变也会变小，有助于提高冷高冷却速度；低压渗碳高压气淬链接式生产线，不仅能够简化结构又能够提高设备的可靠性；还有贝氏体等温、马氏体分级淬火生产线，推杆连续式渗碳淬火生产线等其它的工艺。

1.6研究的主要目的和内容

本文进行讨论的AUS-10钢为目前中高端厨刀经常使用的马氏体不锈钢材料，通过系统性地对所选典型的马氏体不锈钢材料进行热处理工艺处理实验。试验分析不同淬火处理后材料的，然后进行不同热处理状态下的微观组织结构观察、力学性能测试与进行耐腐蚀性实验的材料表面进行观察。研究获得典型的马氏体不锈钢不同热处理工艺下的微观组织、力学性能与耐腐蚀性之间的关系。并且掌握不同的热处理工艺对马氏体不锈钢组织性能的影响。为厨刀生产企业进行最佳热处理工艺制定提供技术借鉴。

1.7 AUS-马氏体不锈钢的研究对社会的影响

目前，国产的刀类产品与国外相比，虽然在数量上有很大的优势，但是总体上水平较底。综合品质与德国、日本等工业技术比较发达的国家相比还存在着明显差距。随着国内消费力的不断提高，高质量的刀剪需求量也越来越大。而国产厨刀与国外厨刀相比，在锋利度、耐磨性、使用寿命甚至美观等方面还存在一定差距。价格上也相差悬殊，发达国家生产的厨刀产品平均都是中国厨刀的四到五倍。另一方面，发达国家对刀剪产品生产技术是保密的，公开报道的相关文献资料也比较少，因此针对目前国内进口的特种厨刀钢材的热处理工艺进行研究，寻求高性能材料和高综合性能刀剪的完美配合，为厨刀生产企业在高质量进口马氏体不锈钢刀剪材料的生产和应用提供合理依据和指导就显得很重要。

第2章 实验过程

2.1 实验材料

2.1.1 AUS-10钢

本次研究的厨刀用高碳马氏体不锈钢AUS-10钢是以大马士革AUS-10钢板为载体。试验钢材原料来源于日本爱知公司生产的AUS-10钢板。此种材料生产的厨刀的特征是成品具有出色的强韧性，不但刀锋锐利，而且在使用中几乎不会产生断裂的现象。厨刀的性能指标有强度、耐磨性、韧性、锋利度以及耐蚀性等，这些指标主要与厨刀的原材料和热处理工艺密切相关，然而国内刀具生产企业在AUS-10生产过程中，经常出现硬度不足、断刀、耐蚀性不够等现象，因此有必要对AUS-10的热处理工艺进行系统性的研究。

AUS-10钢板通过焊接、轧制、退火等工艺生产，夹层结构示意图加工过程如图2.1所示。

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