本发明涉及不锈钢技术领域，具体涉及一种高强度耐磨耐腐蚀不锈钢及其制备方法。
背景技术：
不锈钢材料因其良好的耐腐蚀性能，在食品、化工、石油、化肥等工业部门有着广泛应用。然而，在恶劣的工况下，不锈钢很容易产生严重的磨损现象，随着不锈钢应用范围越来越广，在保证耐腐蚀性能的前提下，提高不锈钢的耐磨性能，延长不锈钢使用寿命至关重要。
目前可采用形变强化、添加微量元素等来强化不锈钢耐磨耐腐蚀性能。如中国发明专利cn1285005a公开了一种含铌的奥氏体不锈钢，通过添加大于0.003％(重量)的nb来强化不锈钢。再如中国发明专利cn106555133a公开了一种高强度抗腐蚀不锈钢，通过形变强化使得高强度抗腐蚀不锈钢具有较高的强度可控性。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述的问题提供一种耐腐蚀性能和耐磨性能都较好的不锈钢。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种高强度耐磨耐腐蚀不锈钢，所述不锈钢组分及其重量百分比为：c:0.20-0.40％，cr:24.00-28.00％，ni:18.00-23.00％，w：2.00-3.50％，si：2.00-3.30％，cu:1.00-3.00％，mo：2.30-3.00％，p≤0.035％，s≤0.035％，余量为fe；该不锈钢微观结构包括奥氏体相和σ相，其中σ相含量为2-8％。
本发明通过第二相(σ相)的形成来强化不锈钢。一般研究认为，不锈钢中的析出σ相对不锈钢的各种性能有着非常不利的影响，由于这种相硬而脆，对材料的力学性能影响很大，尤其会极大地降低不锈钢耐腐蚀性和冲击韧性。但是我们的研究发现，从材料成分设计到材料制造工艺，经过开发和优化，控制σ相以2-8％含量范围以及以合适的形态析出于不锈钢组织中，在保证不锈钢高耐腐蚀性的前提下，可以显著提高不锈钢耐磨性能。
ni：在本发明中ni用来形成和确保稳定的奥氏体相。ni还能促进cr钝化膜的形成，进一步抑制氧化物的生长。其对提高材料的耐腐蚀性力学性能均有积极的作用。
cu：cu也是本发明中用来稳定不锈钢奥氏体相，除此之外，添加cu可以在基质中精细而均匀地析出富铜相，提高耐腐蚀性。但是高量的铜可能导致加工性能、韧性降低，所以本发明的cu含量为1.00-3.00％。
cr：添加cr以通过在不锈钢表面形成钝化膜而赋予不锈钢耐腐蚀性，而多于24％含量的cr可以促进形成σ相。
w：w与c形成的碳化钨有很高的硬度和耐磨性。随着w含量的增加，σ相中固溶的w逐渐增加，强化σ相，提高耐磨性。
si：si为σ相形成促进元素，从而提高不锈钢强度，且si会发生固溶，从而产生使层错能降低并使力学性能得到改善的效果，同时改善不锈钢耐腐蚀性。
mo：添加mo可以改进本发明的耐腐蚀性，同时mo也是促进σ相形成的元素，提高不锈钢耐磨性，为了保证不锈钢具有良好的耐腐蚀性和耐磨性，mo含量为2.30-3.00％。
c：c易与cr、w和mo形成碳化物，碳化物本身属于一种硬质相，可提高材料的耐磨性。另外σ相主要在碳化物形成位置形核，因此碳化物的存在为σ相的形成创造了有利的条件。本发明中含有较多的cr、w和mo元素，为了形成合适的碳化物，c的含量经过实验定为0.20-0.40％。
p和s是不锈钢中的杂质物质，它们的存在会影响不锈钢的力学性能，所以p和s含量越少越好。
σ相因富含cr、w、mo和si可提高σ相的硬度，这种高硬度相在磨损过程中承受载荷，具有阻止犁削和阻碍位错运动的作用，从而提高不锈钢的耐磨性。虽然σ相在合金组织中虽然属于阴极相，但是阴极化的作用较弱，如果控制σ相的含量在合适的范围内，则对不锈钢的耐腐蚀性能影响不大，且本发明添加高含量的cr、mo和cu元素，能有效提高不锈钢的耐腐蚀性。
这些组分中，cr、mo、w和si是不锈钢σ相形成促进元素，ni是不锈钢奥氏体相形成元素，cu是奥氏体相稳定元素，c与cr、mo和w形成的碳化物为σ相的形成创造了有利的条件，因此，这些元素的含量配比必须严格控制在一个合适的范围内，当σ相形成元素含量较高时，需要适当提高奥氏体相形成和稳定元素的含量，当σ相形成元素含量稍低时，奥氏体相形成和稳定元素的含量可适量降低，使不锈钢中的σ相和奥氏体相处于合适的比例。
作为优选，所述不锈钢组分及其重量百分比为：
c:0.30-0.40％，cr:24.00-28.00％，ni:20.00-23.00％，w：2.00-3.50％，si：2.50-3.30％，cu:1.00-3.00％，mo：2.30-3.00％，p≤0.035％，s≤0.035％，余量为fe；该不锈钢微观结构包括奥氏体相和σ相，其中σ相含量为4-8％。
本发明中，c含量为0.30-0.40％，与高含量的cr、mo和w形成合适量的碳化物，促进σ相形成，提高耐磨性。ni是不锈钢奥氏体相形成元素，在本发明中，选择ni的含量为20.00-23.00％，使σ相和奥氏体相含量位于合适的比例。
作为优选，所述不锈钢组分及其重量百分比为：
c:0.3％，cr:26.00％，ni:22.00％，w：2.70％，si：2.90％，cu:2.00％，mo：2.50％，p≤0.035％，s≤0.035％，余量为fe；该不锈钢微观结构包括奥氏体相和σ相，其中σ相含量为4-6％。
为了达到上述发明目的，本发明还采用以下技术方案：一种高强度耐磨耐腐蚀不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
按不锈钢重量百分比称取c、cr、ni、w、si、cu、mo和fe，其中c、cr、ni、w、si、cu、mo以中间体合金形式加入，在1400-1700℃下熔炼成钢水，获得钢水在1600-1800℃下进行精炼，获得精炼熔液，将精炼熔液冷却至1200-1500℃后加入铸模中，冷却至室温，获得不锈钢。
浇铸获得的不锈钢不需要进行任何热处理，即可直接使用，因为后续的热处理无益于不锈钢性能的提高，反而会破坏奥氏体相和σ相的比例，降低不锈钢耐磨性。
作为优选，所述精炼时间为15-60分钟。
本发明通过组分设计以及合适的制备方法，使获得的不锈钢含有奥氏体相和σ相，且σ相含量为2-8％，有效综合了两相的优点，使不锈钢具有较好的耐腐蚀性、良好的冲击韧性以及优异的耐磨性。且整个制备过程简单易行。
附图说明
图1为实施例6的不锈钢金相组织。
具体实施方式
下面通过具体实施例以及附图对本发明的技术方案作进一步描述说明。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
附图1为实施例6的不锈钢金相组织，从图中可以明显看到呈颗粒状的σ相，该σ相组织在磨损过程中承受载荷，具有防止粘着和阻碍位错运动的作用，从而提高不锈钢的耐磨性。
为了体现本发明中各个组分的作用以及体现制备方法对获得σ相的重要性，设计了如下实施例和对比例。
表1实施例1-8和对比例1-7不锈钢中各组分的重量百分比(％)
实施例1-6：根据表1实施例1-6不锈钢中各组分的重量百分比，制备不锈钢：按重量百分比称取c、cr、ni、w、si、cu、mo和fe，在1400℃下进行熔炼，获得熔液在1600℃下进行精炼，精炼40min，获得精炼熔液，将精炼熔液冷却至1500℃后，加入铸模中自然冷却至室温，获得不锈钢。
实施例7：根据表1实施例7不锈钢中各组分的重量百分比，制备不锈钢：按重量百分比称取c、cr、ni、w、si、cu、mo和fe，在1500℃下进行熔炼，获得熔液在1700℃下进行精炼，精炼50min，获得精炼熔液，将精炼熔液冷却至1400℃后，加入铸模中自然冷却至室温，获得不锈钢。
实施例8：根据表1实施例8不锈钢中各组分的重量百分比，制备不锈钢：按重量百分比称取c、cr、ni、w、si、cu、mo和fe，在1700℃下进行熔炼，获得熔液在1800℃下进行精炼，精炼50min，获得精炼熔液，将精炼熔液冷却至1300℃后，加入铸模中自然冷却至室温，获得不锈钢。
对比例1-5：根据表1对比例1-5不锈钢中各组分的重量百分比，制备不锈钢，其具体制备过程与实施例6相同，不在此赘述。
对比例6：根据表1对比例6不锈钢中各组分的重量百分比，制备不锈钢：按重量百分比称取c、cr、ni、w、si、cu、mo和fe，在1500℃下进行熔炼，获得熔液在1900℃下进行精炼，精炼10min，获得精炼熔液，将精炼熔液冷却至1100℃后，加入铸模中自然冷却至室温，获得不锈钢。
对比例7：根据表1对比例7不锈钢中各组分的重量百分比，制备不锈钢：按重量百分比称取c、cr、ni、w、si、cu、mo和fe，在1500℃下进行熔炼，获得熔液在1800℃下进行精炼，精炼25min，获得精炼熔液，将精炼熔液冷却至1300℃后，加入铸模中自然冷却至室温，随后于900℃下时效8小时，在空气中自然冷却至室温后获得不锈钢。
对实施例1-8以及对比例1-7进行性能测试，洛氏硬度在hr-150洛氏硬度计上测定；用jb-30型摆锤式冲击实验机测定冲击韧度；在ml-100型磨料磨损实验机上测定耐磨性；在cmt5305型万能拉伸实验机上进行室温拉伸实验，拉伸速率为1*10-3s-1；根据astmg48-2003进行耐腐蚀性能测试，在50℃氯化铁中浸泡24h。
表2本发明实施例1-8与对比例1-7的不锈钢性能测试结果
实施例6和8的不锈钢各个组分配比都在最优选范围，故其性能最优，而其它实施例中有些元素的含量不在最优范围内，其性能受到影响，性能数值低于最优实施例。对比例7对冷却后的不锈钢进行时效处理，时效处理破坏了奥氏体相和σ相的比例，从实验数据可知，时效处理后不锈钢性能大大降低。
另外，本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。