一種高強度高塑性孿生誘發塑性鋼及其製造方法
2023-05-20 20:00:16 1
專利名稱：一種高強度高塑性孿生誘發塑性鋼及其製造方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料領域，涉及含Mn、 Si、 Al、 N、 B、 Ti的孿生誘發塑性鋼，特別涉 及含有N、 B、 Ti的孿生誘發塑性鋼，此鋼材適合用於低溫應用領域，特別適合於深冷用途 以及高寒地區汽車的安全防護用材料。
背景技術：
隨著能源危機、環境保護的日益緊迫以及人們生活水平的提高，汽車行業面臨挑戰， 目前，汽車工業用鋼材的發展趨勢是節能、降耗、環保、安全，因此，使用高強度鋼以達到 汽車的輕型化是汽車工業研究的重點，但是，如何在汽車輕量化設計的同時保證汽車的安全 是汽車設計者首先要考慮的問題。目前，國內外研究與開發的汽車用高強度高塑性、高成形 性的新鋼種，如DP鋼(雙相鋼)、TRIP鋼(相變誘導塑性鋼)、TWIP鋼、含B鋼等等。其 中，最有發展潛力的是TWIP鋼，由於該類合金的高強韌性來自形變過程中孿晶的形成而不 是TRIP鋼中的相變，故命名為孿生誘發塑性(twinning induced plasticity, TWIP)鋼。TWIP鋼 具有高的抗拉強度(600 1000MPa)和極高的延伸率(50。/。 80X)，其抗拉強度(Rm)和延伸率 (A)的乘積在50000MPa^以上，是高強韌性TRIP鋼的兩倍。除此之外，令人矚目的力學性能 是具有高的能量吸收能力和沒有低溫脆性轉變溫度。如2(TC時傳統深衝鋼的吸收能範圍是 0.16 J/mm5E^0.25J/mm， TWIP鋼約為0.5J / mm，為傳統深衝鋼的兩倍以上；在一196。C 200。C形變溫度區間內沒有低溫脆性轉變溫度，TWIP鋼是最近幾年國內外正在進行研究的 高強度、高塑性指標的汽車用鋼，國際期刊《International Journal of Plasticity》 16(2000)1391陽1409發表了《High strengthFe-Mn國(Al,Si) TRIP/TWIP steels development-properties-application》，應用15。/。-30n/。含量的Mn與添加矽鋁元素，得到了以上分析的性能的 實驗鋼材。中國期刊《鋼鐵》VO1.40.NO.撥表的《高強度高塑性TWIP鋼的開發研究》，公 開了按錳的質量分數的不同的4組實驗研究，分別為W(Mn"15X， W(Mn)=20%， W(Mn)= 25%， W(Mn)-30%，各組都添加W(Si)-3。/。， W(A1)=3%，其它為Fe與雜質元素，經過冶煉、 鍛造、加熱到110(TC後保溫2h，而後經過水淬處理，得出了性能相似的實驗樣品。但是， 目前，以上研究存在以下缺點限制了其工業化生產與應用，首先，其成分通常主要是Fe，添 加25 30。/。的Mn並加入3。/。的Al和3。/。的Si，合金含量高，生產成本高，特別是鋁的含量高， 由於目前高鋁含量的鋼連鑄生產比較困難，限制了工業化生產；其次，由於矽、鋁含量高使 得該鋼種在加熱過程中晶粒容易長大，晶界氧化容易，加工困難。CN101381839公開了一種 高強塑積合金鋼及其熱處理工藝，其化學成分百分含量為C: 0.03 0.05%， Mn: 30±0.5 %， Al: 3±0.5%， Si: 3±0.5%，其餘為Fe。其工藝包括以下步驟有將工件置於電阻加熱 爐內，工件間應留有適當間隙；通電加熱，升溫速率6 9'C/分鐘；升溫至1100。C時開始保溫，此時溫度跳動35r，保溫時間2 5小時視工件大小而定；保溫結束後將工件從電阻加 熱爐內取出，迅速投入水池中，水溫^3(TC,並擺動；當工件表面不再有明顯蒸汽產生時，
即可將工件從水池中取出。該發明也存在同樣的問題。《金屬熱處理》2002年08期《Mn含 量對0.15C-0.6Si-MnTRIP鋼組織和力學性能的影響》中報導低矽和低錳鋼的殘留奧氏體量 少，力學性能差;增加錳含量，能提高殘留奧氏體量及拉伸強度和伸長率，其力學性能與常 規低碳Si2Mn TRIP鋼的水平相當。
CN101160183提出如下方案通過依次布置的工序，將具有預定化學成分15 27XMn、 1 6%A1、 l 6%Si、 S0.8C，餘為Fe和伴隨元素一的輕質結構鋼在使用合適鑄造粉劑的條 件下，在一種薄板坯鑄造機(l)(dSl20mm)上進行鑄造，直接與凝固相連，從連續鑄錠(2)上 分取板坯(3)，在一中間爐(4)中在通過時實現一種溫度平衡，然後將板坯(3)不需中間時間冷 卻而直接進行熱軋。本方案提供了一種新的TWIP鋼製備方法，缺點在於需要對現有設備進 行改造，否則，傳統的設備難以實現直接熱軋。
CN101215672公開了一種高強度高塑性的超低碳孿晶誘發塑性鋼，屬特種鋼技術領域。 本發明冷軋孿晶誘發塑性鋼的組成為C0.005 0.03%， Si2 3%， Mn20 32%， A12 4 %， Fe餘量。將具有上述組成的鋼坯冷軋後進行熱處理，在1000 1200'C等溫加熱，隨後快 速冷卻至室溫，可得高性能冷軋孿晶誘發塑性鋼。本發明的冷軋孿晶誘發塑性鋼具有良好的 強塑性，靜態拉伸時其抗拉強度為580 760MPa，延伸率為60 90%;動態拉伸時其抗拉強 度為700 1100MPa，延伸率為40 60%。其不足之處在於沒有對材料進行微合金強化，而 是通過高鋁含量來獲得高的延伸率，從而傳統連鑄生產設備難以進行生產。.
CN101225459公開一種高塑性超細晶微合金低碳鋼的製造方法，其特徵是a.將14MnNb 鋼熱軋板加熱到950 1020'C溫度範圍內保溫30 40min; b.隨爐冷卻到840 800'C保溫30 40min後在10X鹽水中淬火；c.然後進行總壓下量60 80X的多道次室溫軋制變形；(4)最後 再進行500 600'C保溫l 20h空冷的再結晶退火。使用上述工藝製造的高塑性超細晶微合 金低碳鋼，在保持高強度的同時具有較高伸長率，伸長率為11.3%，抗拉強度為6I5MPa，與 完全馬氏體室溫變形後再結晶退火得到的超細晶組織相比，分別提高85%和降低23%。本發 明可用於生產高塑性超細晶微合金低碳鋼板材或帶材。其不足之處在於鋼材伸長率太低(伸 長率為11.3%)，沒有達到60%以上的伸長率。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明通過分析計算與實驗研究得出了一種能夠工業化生產的 高強度高塑性鋼及其製備工藝。TWIP鋼成分的原理是基於層錯能，要求其在形變過程中誘 發孿晶，抑制馬氏體相變,從而產生TWIP效應。奧氏體中Yfce的層錯能是關鍵，Yfcc大於20MJ/m2 時會發生機械孿生，所有增加層錯能的合金都有助於孿生發生，比如鋁就增加層錯能，矽則 降低層錯能；該鋼在使用時無外載荷，冷卻到室溫下的組織是穩定的殘餘奧氏體，但是如果 施加一定的外部載荷，由於應變誘導產生機械孿晶，會產生大的無頸縮延伸，顯示非常優異 的力學性能，高的應變硬化率、高的塑性值和高的強度。本發明根據C、 Si、 Mn、 Al、 N、
4Ti、 V、 P、 S等元素對TWIP效應的影響因素，設計了合理的化學成分，降低了生產成本，考 慮工業生產因素，設計了製備工藝。
本發明提供一種高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，其特徵在於成分按質量百分比範圍如 下C:^l%、 Si:1.8 2,8%、 Mn:10 25%、 Al:0.05 0.1%、 N:0.008 0.05%、 B:0.001 0.005%、 Ti:0.01 0.2%、 S:^).01%、 P^).015。/。.其餘為鐵元素與不可避免的雜質。本發明通過加入微 合金元素N:0.008 0.05。/0、 B:0.001 0.005%、 Ti:0.01 0.2。/o來達到防止製備過程中材料晶粒 的長大，降低鋁含量實現傳統連鑄設備能夠生產該鋼種的目的。
優選的，當C:^).l。/。時，Mn含量應保證20 25。/。；當0.7^C含量5P/。時，Mn含量可以15 20%範圍內控制。
進一步來說，本發明以碳代錳來擴大奧氏體區，減少錳的用量，以氮代鋁以保證工業 化生產，用氮、鈦、硼的配合來強化鋼的性能，降低生產成本。
優選的，所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，材料經過高溫退火以後，孿晶比例達 到40%以上。
優選的，所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，抗拉強度700 1100MPa,屈服強度600 900MPa，延伸率60% 85%。
優選的，所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，抗拉強度700 900MPa,屈服強度600 700MPa，延伸率65% 85 % 。
本發明另一方面提供了 一種所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼的製備方法，包含下
列步驟
1) 冶煉、鑄造；
2) 鍛造或軋製成型，初始成型溫度為1100。C 115(TC，終成型溫度850。C 95(TC;
3) 水冷或空冷至室溫；
4) 退火，溫度90(TC 1000。C，保溫30 60分鐘；水淬冷卻至350'C，空冷至室溫。 優選的，步驟l)之後進行電渣連鑄重熔，渣係為CaF2: Al2O3=70%: 30%，渣量保持30
100Kg,熔速15 20Kg/min，空冷。對於普通用途的產品此步驟可以省略。
優選的，步驟l)在電爐內進行冶煉，冶煉過程中充氮氣保護；鑄造成電渣錠。 步驟4)中保溫時間根據產品厚度而定， 一般為30 60分鐘。
有益效果
本發明製造的是一種具有高強度高塑性，高吸能，沒有低溫脆性轉變溫度的鋼鐵材料， 在無外加載荷時，未變形的鋼材在室溫下的組織是全部穩定的殘餘奧氏體，在這些一次Y(奧 氏體)內有少量的退火孿晶。當處於外部載荷作用狀態時，由於變形過程中應變誘導產生機 械孿晶，會發生非常大的無頸縮均勻延伸，因而表現出非常高的塑性。本發明的有益效果是
為了達到以上目標即充分考慮了廉價微量元素的作用，又考慮並排除了高鋁含量對工業化生 產的限制作用，並製造出了滿足市場需求的鋼材。由於充分發揮了氮、硼、磷元素與鈦的作 用，減少了鋁、錳的加入量，在不考慮鋁含量時，又充分利用了碳的強化作用以及擴大奧氏
5體區域的作用，以及利用間隙原子N來取代置換原子Al，由於氮能夠增加層錯能抑制馬氏 體相變，矽降低層錯能有利於馬氏體相變，所以，本發明通過實驗得出了抗拉強度1000MPa， 屈服強度700MPa，延伸率65%，以及抗拉強度800MPa,屈服強度650MPa，延伸率80%的鋼材。
圖1為實例1典型金相組織。
圖2為實例2典型金相組織。
具體實施例方式
下面應用實例對本發明作進一步闡述與說明。以下實例不表明對本發明有任何限制。 實施例1
按照下列化學成份進行冶煉，質量百分比C:0.03%、 Si:2.8%、 Mn: 25%、 Al:2.0%、 N:0.05%、 B:0.001%、 Ti:0.2%、 S:0.01%、 P: 0.030.其餘為鐵元素與不可避免的雜質。應用 電爐冶煉、鑄造成電渣錠，應用電渣連鑄重熔，電渣重熔渣係為CaF2:Al2O3=70%:30%，渣 量保持80 90Kg，熔速15 20Kg/min,空冷。軋製成型，厚度3.5mm，初始成型溫度為 1150°C，終成型溫度85(TC，水淬至室溫。高溫退火，溫度900'C，保溫時間30分鐘，空冷 至室溫，得到鋼材性能為抗拉強度810MPa，屈服強度690MPa，延伸率82%的鋼材，鋼材變 性後金相組織照片中存在大量孿晶，圖1為實例1典型金相組織。 實施例2
按照下列化學成份進行冶煉，質量百分比C:0.9%、 Si:2.5%、 Mn: 18%、 Al:0.05%、 N:0.02%、 B:0.0015%、 Ti:0.1%、 S:0.009%、 P: 0.020.其餘為鐵元素與不可避免的雜質。應 用電爐冶煉、鑄造成電渣錠，應用電渣連鑄重熔，電渣重熔渣係為CaF2:Al2O3=70%:30%， 渣量保持30 100Kg，熔速15 20Kg/min,空冷。軋製成型，厚度3.0mnl，初始成型溫度 為1100°C，終成型溫度86(TC，然後水淬至室溫。高溫退火，溫度90(TC，保溫時間30分 鍾，空冷至室溫，得到鋼材性能為抗拉強度llOOMPa，屈服強度790MPa，延伸率60%的鋼材， 鋼材變性後金相組織照片中存在大量孿晶，圖2為實例2典型金相組織。 實施例3
按照下列化學成份進行冶煉，質量百分比C:0.4%、 Si:1.8%、 Mn: 15%、 Al:1.0%、 N:0.005%、 B:0.005%、 Ti:0.02%、 S:0.001%、 P: 0.010.其餘為鐵元素與不可避免的雜質。應 用電爐冶煉、鑄造成電渣錠，應用電渣連鑄重熔，電渣重熔渣係為CaF2:Al2O3=70%:30%， 渣量保持60Kg，熔速15 20Kg/min,空冷。軋製成型，厚度3.5mrn，初始成型溫度為1150'C， 終成型溫度950'C，水淬至室溫。高溫退火，溫度100(TC，保溫時間20分鐘，空冷至室溫， 得到鋼材性能為抗拉強度730MPa,屈服強度650MPa，延伸率82%的鋼材，鋼材變性後金相 組織照片中存在大量孿晶。
權利要求
1.一種高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，其特徵在於成分按質量百分比範圍如下C≤1％、Si1.8～2.8％、Mn10～25％、Al0.05～0.1％、N0.008～0.05％、B0.001～0.005％、Ti0.01～0.2％、S≤0.01％、P≤0.015％.其餘為鐵元素與不可避免的雜質。本發明通過加入微合金元素N0.008～0.05％、B0.001～0.005％、Ti0.01～0.2％來達到防止製備過程中材料晶粒的長大，降低鋁含量實現傳統連鑄設備能夠生產該鋼種的目的。
2. 如權利要求l所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，其特徵在於，當<::^).1%時， Mn含量為20 25。/。。
3. 如權利要求l所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，其特徵在於，當0.75C含量S"/。 時，Mn含量為15 20n/。。
4. 如權利要求l所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，其特徵在於，材料經過高溫退 火以後，孿晶比例達到40%以上。
5.如權利要求1所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，其特徵在於，優選的，所述的 高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，抗拉強度700 1100MPa，屈服強度600 900MPa，延伸率 60% 85%。
6. 如權利要求5所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼，其特徵在於，抗拉強度700 卯OMPa，屈服強度600 700MPa，延伸率65% 85%。
7. 如權利要求l所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼的製備方法，包含下列步驟1) 冶煉、鑄造；2) 鍛造或軋製成型，初始成型溫度為1100。C 115(TC，終成型溫度850'C 95(TC;3) 水冷或空冷至室溫；4) 退火，溫度90(TC 100(TC，保溫30 60分鐘；水淬冷卻至350'C，空冷至室溫。
8. 如權利要求5所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼的製備方法，其特徵在於，步驟l) 之後進行電渣連鑄重熔，渣係為CaF2: Al2O3=70%: 30%，渣量保持30 100Kg,熔速15 20Kg/min，空冷。
9. 如權利要求5所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼的製備方法，其特徵在於，步驟l) 在電爐內進行冶煉，冶煉過程中充氮氣保護；鑄造成電渣錠。
10. 如權利要求5所述的高強度高塑性孿生誘發塑性鋼的製備方法，其特徵在於，步驟 4)中保溫時間為30 60分鐘。
全文摘要
本發明屬於金屬材料領域，涉及含Mn、Si、Al、N、B、Ti的孿生誘發塑性鋼，成分按質量百分比範圍如下C≤1％、Si1.8～2.8％、Mn10～25％、Al0.05～0.1％、N0.008～0.05％、B0.001～0.005％、Ti0.01～0.2％、S≤0.01％、P≤0.015％，其餘為鐵元素與不可避免的雜質。本發明通過加入微合金元素N0.008～0.05％、B0.001～0.005％、Ti0.01～0.2％來達到防止製備過程中材料晶粒的長大，降低鋁含量實現傳統連鑄設備能夠生產該鋼種的目的。此鋼材適合用於低溫應用領域，特別適合於深冷用途以及高寒地區汽車的安全防護用材料。
文檔編號C21D1/26GK101580916SQ20091001660
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月25日 優先權日2009年6月25日
發明者劉洪銀, 孫會朝, 蔣鯉平, 許榮昌 申請人:萊蕪鋼鐵集團有限公司