论文总字数：20528字

摘 要

厨刀作为人们日常使用的必需品，每年都有巨大的消耗量。随着社会的发展，人们对于高质量的厨刀有着更高的需求，保证厨刀质量成为企业关注的一个重要方面。厨刀的性能主要有：硬度、耐蚀性、刃口保持性、使用寿命等。深冷处理（DCT）不仅可以显著降低马氏体不锈钢淬火后的残留奥氏体含量，还能够提高钢的硬度、强度和韧性等性能，还能大大增加产品的使用寿命。本文通过使用各种测试仪器和设备，将试样深冷处理后的组织和性能与未深冷处理的试样进行对比。所得结果对厨刀行业的实际生产有着重要的意义。

本文主要深入探究了深冷处理对BD1N马氏体不锈钢组织和性能的影响，并从微观结构层面对这种影响进行分析。

研究结果表明：BD1N的最佳热处理工艺为：1050°C淬火5min后液氮中（-196°C）中保温1h。深冷处理能促进残留奥氏体转化为马氏体，使淬火后残余奥氏体含量减少，BD1N钢的硬度显著增加，还能使BD1N不锈钢的综合性能明显增强。

本文的特色：大量使用了X射线衍射技术，分析材料的相组成。对比常规热处理与深冷处理之后材料的组织和性能变化，为深冷处理BD1N不锈钢在厨刀行业的使用中提供理论基础。

关键词：BD1N; 马氏体不锈钢；深冷处理；残留奥氏体；硬度

Abstract

As a daily necessity, kitchen knife has a huge consumption every year.With the development of society, people have a higher demand for high-quality kitchen knives. To ensure the quality of kitchen knives has become an important concern for enterprises.The main properties of kitchen knives are: hardness, corrosion resistance, blade retention, service life and so on.Cryogenic treatment (DCT) can not only significantly reduce the residual austenite content of martensite stainless steel after quenching, but also improve the hardness, strength, toughness and other properties of the steel, and greatly increase the service life of the product.In this paper, through the use of various test instruments and equipment, the structure and performance of samples after cryogenic treatment were compared with that of samples without cryogenic treatment.The results are of great significance to the actual production of kitchen knives.

This paper mainly explores the effect of cryogenic treatment on the microstructure and properties of BD1N martensite stainless steel, and analyzes this effect from the perspective of microstructure.

The results show that the optimum heat treatment process of BD1N is: 1h heat preservation in liquid nitrogen (-196°C) after quenching at 1050°C for 5min.Cryogenic treatment can promote the transformation from residual austenite to martensite, reduce the residual austenite content after quenching, increase the hardness of BD1N steel, and improve the comprehensive performance of BD1N stainless steel.

The characteristics of this paper: a large number of X - ray diffraction technology used to analyze the composition of the material.The structure and properties of BD1N stainless steel after conventional heat treatment and cryogenic treatment were compared to provide a theoretical basis for the application of cryogenic BD1N stainless steel in the kitchen knife industry.

Key Words：BD1N，martensitic stainless steel，subzero treatment，retained austenite，hardness

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 厨刀用马氏体不锈钢 1

1.2.1 马氏体不锈钢简介 1

1.2.2 马氏体不锈钢中常见元素及其作用 2

1.2.3 BD1N马氏体不锈钢的简介 2

1.3 深冷处理的简介 3

1.4 残留奥氏体的测定 3

1.5本课题的研究意义和主要内容 4

1.5.1 研究意义 4

1.5.2 研究内容 4

1.6 选题对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响 5

第2章 实验材料与研究方法 6

2.1 实验材料及设备 6

2.1.1 实验钢材 6

2.1.2 实验试剂及耗材 6

2.1.3 实验仪器与设备 6

2.2实验过程 7

2.2.1 试样热处理工艺 7

2.2.2硬度测试 7

2.2.3物相检测 8

2.2.4 显微组织观察 9

2.3 本章小结 10

第3章 深冷处理对BD1N组织和性能的影响 11

3.1 淬火加热温度对硬度的影响 11

3.2 淬火加热时间对硬度的影响 12

3.3 深冷工艺对硬度的影响 14

3.4 残余奥氏体的测定与分析 16

3.5 深冷处理机理分析 19

第4章 结论 21

参考文献 22

致 谢 24

附录1 25

附录2 26

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着生活水平的越来越好，人们逐渐追求更高质量的生活和更精良的产品。厨刀作为我们生活中不可或缺的器具之一，人们对于厨刀的品质也有着更高的要求。目前中国厨刀的定位，主要还是普通工业品，我国是全球厨刀产量最大国家，每年全球60%的厨刀由我国生产，但我国主要的厨刀产品在全球市场中是以低端刀具为主，生产耗能大，附加值低；而无论德国还是日本，都有大马士革、本烧等万元级别的极致品，生产质量高，外观优雅简洁。相比之下，国外这种高品质厨刀更为生活日渐富足的人们所追求。导致这种差距有多重因素：第一、工艺技术和材质；第二、生活美学的追求；第三、定位和品牌形象。其中影响厨刀产品质量的最根本的因素还是材质的选择和工艺技术的改进。不可否认，国内企业在原材料质量、生产工艺的合理性、生产加工的成本等方面与国外厨刀企业相比还有不可忽视的差距。目前，我国许多品种的优质钢材需要依赖大量进口，其中就包括高档刀剪材料，同时，由于对于进口材料的认知程度不够，加工工艺的保守性，不能很好地发挥材料的性能。

近些年，深冷处理工艺发展迅速，越来越多的研究学者对其展开了大量的研究，同时，也有部分企业将其应用在实际生产中。有研究指出，高合金钢热处理后会存在大量的残余奥氏体，可以通过深冷处理的工艺来降低，同时，还能提高合金钢的硬度、强度、韧性、和耐磨性等性能，能极大的增加工件的使用寿命^[1]。因此，本文主要针对当前国内进口数量较大的BD1N马氏不锈钢的深冷处理工艺进行研究，期望能在传统热处理工艺的基础上，为国内厨刀生产企业提高进口马氏体不锈钢的性能，提供一种可行的工艺选择，并为之提供合理的依据和指导。

1.2 厨刀用马氏体不锈钢

1.2.1 马氏体不锈钢简介

马氏体不锈钢的性能可通过一系列热处理工艺进行改变。由于冷却时形成马氏体组织，因此这种钢材被称为马氏体不锈钢。马氏体不锈钢有着优良的综合性能，具有高硬度、高强度、韧性好的特点，且所需合金含量少，同时由于在工业生产中生产成本相对较低,因此马氏体不锈钢在实际生产中得到广泛的应用。由于不同马氏体不锈钢化学成分不同，可将马氏体不锈钢大体上分为两类：马氏体铬不锈钢、马氏体铬镍不锈钢^[2]。

1.2.2 马氏体不锈钢中常见元素及其作用

（1）碳（C）元素的作用

碳元素是形成马氏体不锈钢的必备元素，对于提高钢的强度、硬度等性能有着重要的意义。碳元素主要通过强化稳定奥氏体，同时，碳元素会经常与铬元素形成一系列复杂的碳化物，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。当Cr含量保持不变，随着C元素含量的变多，奥氏体区会变大。随着Cr含量的增加，奥氏体中碳的溶解会逐渐变小^[3]。

（2）铬（Cr）元素的作用

铬元素也是马氏体不锈钢中不可或缺的形成元素，当铬含量过高超过13%时，相图中没有奥氏体区的存在，因此，不锈钢在冷却时会变成只有铁素体一种相存在的合金。碳和铬之间的影响是相互的，马氏体不锈钢在高温时，有稳定的γ相或α γ相，碳含量增加，γ相区变大，铬含量的提高，碳的溶解极限会减少，二者相互影响，共同作用^[4]。在马氏体不锈钢中，铬元素是影响耐蚀性的主要元素，一是根据Tammann定律，铬含量在基体中的原子比达到n/8时，马氏体不锈钢的电极电位会突增，使钢在电化学腐蚀过程中，耐腐蚀性能得到极大的提高；二是铬与空气中氧气接触，被氧化，并在不锈钢的表面形成一层铬的致密氧化膜，隔绝基体与外界的接触，进而提高不锈钢的耐蚀性^[5]。

（3）其他微量元素的作用

硅（Si）元素能显著提高马氏体不锈钢的抗氧化能力，同时，由于硅有石墨化的作用，也在钢中与锰（Mn）结合作为碳化物的稳定剂^[6]。钼（Mo）元素是强的碳化物元素，有助于钢中形成碳化物，它可以形成硬而稳定的碳化物Mo₂C，以及另外的复合碳化物^[7]。在马氏体不锈钢中，通常会加入少量钼元素，来增强钢的力学性能和切削加工性能。磷（P）通常在不锈钢中起着负面的作用，在低温时会大大增加钢的脆性，但稍高的含磷量也能改善低碳钢的切削加工性。硫（S）也是对钢性能有害的元素，通过生成低熔点的脆性硫化物，在热加工时，容易产生热脆性。磷硫锰联合使用，可以大大的改善钢的切削性^[8]。

1.2.3 BD1N马氏体不锈钢的简介

CarTech CTS BD1N合金是一种含氮高碳马氏体铬马氏体钢，与CTS BD1合金相比具有更高的硬度。CarT ech CTS BD1N合金的回火硬度可达到HRC 60-63。CarT ech CTS BD1N合金是高硬度、高边缘保持和耐腐蚀性刀具的理想材料。Carpenter CTS BD1N合金与CTS BD1合金具有类似与410型合金的耐蚀性，它在日常使用环境，如淡水，蒸汽和一些酸性环境中具有优良的耐蚀性。这个等级用于硬化加回火条件。当回火温度低于800°F(427°C)时，可获得最佳耐腐蚀性能。为了获得最佳的耐腐蚀性，表面必须没有水垢、润滑剂、外来颗粒和用于拉伸和打头的涂层。零件制造后，应考虑清洗和/或表面钝化。

BD1N常用的热处理工艺条件：（1）退火：BD1N不锈钢应该在中性的气氛中退火。均匀加热至843-871°C，在热处理炉中缓慢冷却至接近室温。（2）淬火：预热至760-816°C，然后升温至1038-1066°C，保温15-30分钟，淬火油冷。（3）回火：在149-427°C的温度范围内根据实际需求调节回火温度，保温至少1小时，空气中冷却至室温。

1.3 深冷处理的简介

深冷处理的冷却介质可以选择干冰（-78.5°C）和液氮（-196°C），在实验和生产中通常选择液氮^[9,10]。主要是由于液氮化学性质稳定、对人体无害、对环境无污染，且价格便宜。同时，液氮是制氧工业的副产品，易于获得，来源途径广泛^[10]。因此，从环境保护和成本来源等多方面的角度来看，选择液氮的深冷处理不失为一种绿色环保的生产技术，与绿色加工制造技术的发展方向保持一致^[11]。

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