CN101429621A - 一种氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢铁金属材料的改进技术，特别是一种氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料及其制备方法。其特征是材料成份范围为：C％：0.2－1.0％，Mn％：15－35％，氮含量控制在0.04－0.2wt％，Al％：＜1wt％，Si％：＜1wt％，S％：＜0.008％，P％：＜0.02％，余量是Fe。层错能控制在20－60mJ·mm2。本发明可通过工艺控制得到不同级别的强度和塑性的配比，使抗拉强度在995－1530MPa，同时屈服强度在470－1340MPa，延伸率在13－71.5％。在－100℃以上不存在韧脆性转折点。本发明制备的高强度、高塑性的钢铁材料可用于铁路钢轨、制造轿车、工程机械、输油气管线和液化天然气运输船以及军工等行业，具有重要的价值和极大的应用空间。
Description
技术领域
本发明属钢铁材料制备领域，涉及一种氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料及其制备方法
背景技术
孪晶诱导塑性钢是以Fe、Mn为主的纯奥氏体碳钢，退火后的室温组织为奥氏体，并伴有少量的片状退火孪晶和层错，经拉伸后晶粒内部产生大量的机械孪晶，通过孪晶界阻碍位错的移动从而诱导塑性，使得基体具有很高的延伸性的同时具有高的塑性。
近几年孪晶诱导塑性钢优越的高强度(600-1200MPa)、高塑性(最大延伸率可达95％)、高韧性(-196℃钢具有65％的总应变)的研究，使一种新的大范围提高钢材性能的手段成为可能。使孪生变形对钢的性能的贡献引起了材料研究者的重新认识。因为传统的TWIP钢成分为Fe-25Mn-3Al-3Si-0. 03C(文献1：Georg Frommeyer，Udo Brux，PeterNeumann.Supra-ductile and high-strength manganese-TRIP/TWIP steels for highenergy absorption purposes，ISIJ International，V43(2003)3：438-446.)其中Al含量较高，因为Al在浇铸时易氧化，会堵浇铸的水口，而高含量的Si会影响冷轧板的镀锌质量，这些问题会为TWIP钢的工业化生产带来难题，因此有必要开发新一代的低Si低Al的TWIP钢。
氮元素是普遍存在的便宜元素，固溶于基体中的N原子增加了位错运动的摩擦力。虽然N原子半径小于C原子，但由于N原子拥有更多的核外电子，Fe原子的4s或3d轨道电子与C/N原子的s-p轨道电子发生轨道杂化。N原子更高的自由电子密度提高了原子交互作用的金属键特性，而C原子则增加共价键特性。因此，N原子所造成的晶格畸变大于C原子，固溶强化作用比C原子更大。此外，在Fe-Mn合金中加入合适范围的N含量可以显著提高层错能、固溶强化和抗腐蚀性能。
本发明制备的高强度、高塑性的钢铁材料具有非常优异的综合力学性能。可用于铁路钢轨、制造轿车、工程机械、输油气管线和液化天然气运输船以及军工等行业，具有重要的价值和极大的应用空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种氮强化高碳孪晶诱导塑性具有高强度高塑性的奥氏体钢铁材料及制备方法。
一种氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料其成份范围为：C％：0.2-1.0％，Mn％：15-35％，氮含量控制在0.04-0.2wt％，Al％：<1wt％，Si％<1wt％，S％<0.008％，P％<0.02％，余量是Fe及不可避免的杂质；层错能控制在20-60mJ·mm2。
其中氮含量的优选范围为0.06-0.2wt％。
氮强化的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法：
1).采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护，浇铸成板坯；
2).利用轧制技术，经热轧、冷轧，其中热轧的加热温度1100-1200℃，保温30分钟-3小时后，在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为2.5～3.5mm的热轧薄板，总变形量为80～90％，热轧的开轧温度为1100，终轧温度为750℃，优选终轧温度控制在850℃以上；终轧之后空冷至卷取温度，卷取温度控制在400-750℃，优选卷取温度是500-600℃，冷轧钢板经酸洗后在430四辊冷轧机上冷轧，冷轧板厚度0.8-1.5mm，冷轧压下率控制在30-80％，优选冷轧压下率是50-70％；
3).热处理工艺：将0.8-1.5mm厚的冷轧钢板在加热炉中在设定温度600-850℃保温5-60分钟后，以5℃/min-100℃/s的速度冷却至室温，优选热处理工艺是650-750℃保温5-20分钟，冷却速度是10-50℃/s。
氮元素强化的高碳高锰含量的高强度高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料，其微观结构经过热轧或热处理后变形前是奥氏体基体中存在有退火孪晶和层错，其晶粒尺寸为2-20μm，退火孪晶生长并贯穿于晶粒内部；经变形后，在外力作用下形成形变孪晶，取向相同的孪晶片层之间相互平行。正是由于变形过程中形变孪晶的形成最后阶段的剪切带变形从而诱导塑性使材料在具有高强度的同时具有高塑性。
本材料通过工艺控制得到不同级别的强度和塑性的配比，可得到使抗拉强度在995-1530MPa，同时屈服强度在470-1340MPa，延伸率在13-71.5％。在-100℃以上不存在韧脆性转折点。
本发明具有如下优点：
1.具有优良的性质。本发明利用轧制技术和热处理工艺制备出具有退火孪晶和层错的奥氏体晶粒，其大小为2-20μm，具有独特的微观结构。本发明材料具有很高的延伸率，A50可高达71.5％，该塑性指标已远远高于用其他传统方法制备的钢铁材料。
2.应用前景好。由于本发明中这种钢铁材料可通过不同的化学成分配比经过热轧工艺控制或者冷轧后简单的热处理后具有退火孪晶的奥氏体组织结构，使得材料具有高强度的同时具有高塑性。因此，这种高强度高塑性的钢铁材料对高速发展的汽车、石油、铁路、建筑、船舶等行业及军工用品方面和需要的发展具有重要价值
3.制备方法简单。本发明利用传统的炼钢技术、轧制工艺和热处理技术，只需控制热轧工艺及热处理工艺即可获得这种具有孪晶组织的高强度高塑性的钢铁材料。
4成本低。本发明的钢铁材料不需要添加贵重的合金元素，只需常用的价格较低的碳和锰元素含氮元素即可获得钢铁材料。
具体实施方式
实施例1.
1.利用传统的真空冶炼和热轧、冷轧工艺制备出钢板
冶炼工艺：采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护。C％：0.52wt％，Mn％：23.77wt％，N％：0.088wt％，S％<0.008wt％，P％<0.02wt％，Al％：<1wt％，Si％<1wt％，余量是Fe。
轧制工艺：钢铁材料加热温度为1200℃，保温3小时均匀化处理。在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为2.5～3.5mm左右的热轧薄板，总变形量为80～90％，其开轧和终轧温度分别为1100℃和950℃，在430四辊冷轧机上冷轧，冷轧至1.0mm厚的试验薄板。
2.热处理工艺：将1.0mm厚的冷轧钢板在加热炉中700℃保温10分钟后，以5℃/s的冷却速度冷却至室温。
光学显微组织观察其室温组织为奥氏体基体的退火孪晶，退火后的组织有边界平直的退火孪晶出现。通过TEM观察内部为大量的层错和孪晶共存结构，拉伸变形后的光学显微组织，在外力作用下原来的退火孪晶发生变形，产生了更为细小的变形孪晶。
氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料的室温力学性能：1130MPa的抗拉强度，和565MPa的屈服强度以及61.5％延伸率。
实施例2
与实施例1不同之处在于：热处理温度的控制，只将热处理温度控制在700℃，保温20分钟以上，以30℃/s的冷却速度冷却至室温。
该工艺条件下同样制备出高强度、高塑性的孪晶诱导塑性钢，透射电子显微镜观察该钢铁材料也由奥氏体基体中存在退火孪晶和层错的微观结构，其晶粒尺寸2-5μm。该钢铁材料在室温的力学性能：屈服强度515MPa，抗拉强度1020MPa，延伸率71％。
实施例3.
1.利用传统的真空冶炼和热轧、冷轧工艺制备出钢板
冶炼工艺：采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护。C％：0.57wt％，Mn％：29.14wt％，N％：0.18wt％，S％<0.008wt％，P％<0.02wt％，Al％：<1wt％，Si％<1wt％，余量是Fe。
轧制工艺：钢铁材料加热温度为1200℃，保温3小时均匀化处理。在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为2.5～3.5mm左右的热轧薄板，总变形量为80～90％，其开轧和终轧温度分别为1100℃和950℃，在430四辊冷轧机上冷轧，冷轧至1.0mm厚的试验薄板。
2.热处理工艺：将1.0mm厚的冷轧钢板在加热炉中700℃保温10分钟后，以20℃/s的冷却速度冷却至室温。
光学显微组织观察其室温组织为奥氏体基体的退火孪晶，退火后的组织有边界平直的退火孪晶出现。通过TEM观察内部为大量的层错和孪晶共存结构，拉伸变形后的光学显微组织，在外力作用下原来的退火孪晶发生变形，产生了更为细小的变形孪晶。
氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料的室温力学性能：1520MPa的抗拉强度，和1340MPa的屈服强度以及13％以上的延伸率。
实施例4
与实施例1不同之处在于其化学成分的不同，具体的成分为：C％：0.53wt％，Mn％：24.61wt％，N％：0.11wt％，S％<0.008wt％，P％<0.02wt％，Al％：<1wt％，Si％<1wt％，余量是Fe。
冷轧1mm厚的薄板，热处理温度的控制是：将热处理温度控制在750℃，保温10分钟，以30℃/s的冷却速度冷却至室温。
氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料的室温力学性能：1160MPa的抗拉强度，和610MPa的屈服强度以及54％的延伸率。
Claims (7)
1 一种氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料，其特征是材料成份范围为：C％：0.2-1.0％，Mn％：15-35％，氮含量控制在0.04-0.2wt％，Al％：<1wt％，Si％<1wt％，S％<0.008％，P％<0.02％，余量是Fe，层错能控制在20-60mJ·mm2。
2.如权利要求1所述氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料，其特征是氮含量是0.06-0.2wt％。
3 如权利要求1或2所述氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料，其特征是制备方法为：
1).采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护，浇铸成板坯；
2).利用轧制技术，经热轧、冷轧，其中热轧的加热温度1100-1200℃，保温30分钟-3小时后，在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为2.5～3.5mm的热轧薄板，总变形量为80～90％，热轧的开轧温度为1100，终轧温度为750℃；终轧之后空冷至卷取温度，卷取温度控制在400-750℃，冷轧钢板经酸洗后在430四辊冷轧机上冷轧，冷轧板厚度0.8-1.5mm，冷轧压下率控制在30-80％；
3).热处理工艺：将0.8-1.5mm厚的冷轧钢板在加热炉中在设定温度600-850℃保温5-60分钟后，以5℃/min-100℃/s的速度冷却至室温。
4.如权利要求3所述氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法，其特征是终轧温度控制在850℃以上。
5.如权利要求3所述氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法，其特征是卷取温度是500-600℃。
6.如权利要求3所述氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法，其特征冷轧压下率是50-70％。
7.如权利要求3所述氮强化高碳孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法，其特征是热处理工艺是650-750℃保温5-20分钟，冷却速度是10-50℃/s。
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