CN101889098A - 通过等通道转角挤压(ecae)生产超细晶粒的无间隙原子(if)钢 - Google Patents

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Abstract

提供等通道转角挤压(ECAE)设备生产超细晶粒钢的方法，该设备包含活塞和入口通道，所述入口通道以约90°角与出口通道相交且具有尖拐角；具有沟槽的至少一个模具，在沟槽中设置有至少四个加热元件，由此使温度保持在约300℃，和监测温度的热电偶，该方法包括步骤：(a)将钢坯料放入入口通道，(b)通过开启加热元件加热模具，(c)通过活塞对坯料施加压力，(d)挤压坯料通过出口通道，(e)在坯料和工具界面处施加润滑剂，和(f)重复步骤(b)至(e)至少四次。

Description

通过等通道转角挤压(ECAE)生产超细晶粒的无间隙原子(IF)钢
技术领域
本发明涉及高强度和延展性的无间隙原子(IF)钢，及其生产方法。更具体地，本发明涉及生产适用于制造长型产品的高强度和延展性的超细晶粒的无间隙原子(IF)钢的方法。
背景技术
无间隙原子(IF)钢是一类重要的工业材料，其以优异的可成型性而出名。该材料含有极少量的碳(＜50ppm)和足量的钛以及任何过量的碳和氮，从而产生这种改善的可成型性。
这些钢具有很好的延展性，然而具有相对较低的强度。因此，非常需要附加的强化机制而不改变化学组成。因降低的晶粒尺寸而引起的强化可成为一种可能。此外，还有很多由晶粒尺寸降低到亚微米水平带来的其它优点，例如增强的超塑性性能。然而，所有的晶粒尺寸细化技术将导致延展性的一些损失。
基于强烈塑性变形(已知其将晶粒尺寸降低到亚微米至纳米尺度)的方法是其中未观测到延展性降低的方法。近年来，开发了一些新型的强烈塑性变形技术用于使金属变形到很高程度的塑性应变，目的是在块体材料中产生高度细化的晶粒组织而无需昂贵的合金化添加物或耗能的多步热-机械处理。这些包括等通道转角挤压(ECAE)、累积叠轧焊法(ARB)和多轴锻造(MAF)。强烈塑性变形方法如ECAE仍可产生杆材或棒材形式的材料，其晶粒尺寸为100-1000nm。该方法的独特优势是，其可以按比例增大以在工业上大规模生产坯料，且是相对  较简单和较廉价的方法。所有强烈塑性变形的另外新特征是，在任何给定数目的道次或循环后，最终产品的净形状基本保持与起始材料相同；所以，对材料中的应变(strain)没有限制。与常规金属加工方法例如轧制、挤压相比，可以仅以具有有限结构用途的箔片或纤丝形式获得大于4的有效应变。ECAE涉及应变路径的突然改变。已显示，相比其它道次，特定道次对于晶粒尺寸的快速细化是更有利的。在P.B.Prangnell，J.R.Bowen和A.Gholinia于Proceedings of The 22ndRisoe International Symposium on Materials Science，2001，pp105-126上发表的题为“Formation of sub-micron andnanocrystalline grain structure by severe plastic deformation”的论文中提出将亚微米或纳米晶体晶粒尺寸定义为如下的结构：其中(a)具有大于15°的错向的高角度晶界(HAGB)的平均间隙必须在所有方向上小于1微米，和(b)HAGB面积的比例相对于材料中的总边界面积必须大于70％。
发明目的
因此，本发明的目的是提出一种生产适用于制造长型产品的高强度和延展性的超细晶粒的无间隙原子(IF)钢的方法，该方法将粗晶粒IF钢坯料用作起始材料。
本发明的另一目的是提出一种生产适用于制造长型产品的高强度和延展性的超细晶粒的无间隙原子(IF)钢的方法，该方法是成本有效的。
本发明的又一目的是提出一种生产适用于制造长型产品的高强度和延展性的超细晶粒的无间隙原子(IF)钢的方法，该方法能够避免钢延展性的任何损失。
本发明的再一目的是提出一种生产适用于制造长型产品的高强度和延展性的超细晶粒的无间隙原子(IF)钢的方法，该方法能按比例放大以大规模生产坯料。
当与附图结合阅读时，由下述说明将清楚本发明的这些和其它目的以及优点。
发明概述
因此，提供了从粗晶粒IF钢坯料生产高强度和延展性的超细晶粒的无间隙原子(IF)钢的方法，生产的IF钢适用于大规模制造长型产品，该方法包括步骤：
-提供等通道转角挤压(ECAE)设备用于挤压起始材料，该设备包含具有长方形(oblong)截面的活塞和入口通道，入口通道与出口通道以约90°角相交，在相交结合处构成尖拐角；至少一个模具，其具有本体和拉延器(drawer)，模具的本体具有沟槽，在沟槽中设置有至少四个加热元件以使模具保持在约300℃的温度，通过可操作连接的热电偶监测温度，该方法包括步骤：
a)借助第一端口通过模具的入口通道放入由粗晶粒IF钢形成的坯料；
b)通过开启加热元件将包含坯料的模具加热；
c)通过使用活塞对坯料施加力；
d)挤压坯料并允许坯料通过出口通道离开，使坯料经受因沿着两个通道的相交面产生的剪切力而引起的强烈塑性变形；
e)在坯料和工具界面处施加润滑剂以降低摩擦作用；和
f)重复步骤(b)至(e)至少达四个道次以完成坯料的挤压。
附图说明
图1显示了无间隙原子钢坯料的横截面示意图。
图2显示了ECAE设备的三维视图。
图3显示了ECAE设备的横截面视图。
图4A和4B显示了在ECAE设备中用于挤压坯料所依照的路径。
图5A至5C显示了(a)起始材料的显微组织和(b)分别对于两个不同路径的亚微米晶粒尺寸的示意图。
图6A和6B显示了分别通过路径A和BC变形之后的应力应变曲线。
本发明的详细说明
根据本发明的一方面，提供了一种生产适用于制造长型产品的足够强度和延展性的超细晶粒的无间隙原子(IF)钢的方法。通过使粗晶粒坯料通过等通道转角挤压(ECAE)设备依照两种路径(即A和Bc)进行重复的挤压将粗晶粒IF钢坯料的晶粒尺寸和组织细化到超细晶粒尺寸。获得的超细晶粒IF钢具有超过HSLA钢的强度，且可用于制造在需要强度和延展性的钢铁工业中的长型产品。
根据本发明的第二方面，提供了用于挤压粗晶粒IF钢以产生具有高强度和延展性的超细晶粒IF钢的改良ECAE设备。
在该新型改良形式的设备中，提供了长方形的活塞截面及用于其滑动的入口通道以将应力集中降低到其最小值。再次，入口通道在其下部与出口通道相区分，这允许随需要和在需要时进入通道的各个部分用于维护，这导致将模具分成3个独立部分，即活塞、模具、本体和拉延器。通过这些设计的优化，实现了相对于常规模具的载荷需求的净降低。
本发明提供了生产用于制造长型产品的超细晶粒IF钢的方法。图1显示了无间隙原子钢坯料(B)的横截面示意图。图2和图3分别显示了用于挤压坯料(B)的ECAE设备(1)的三维视图和横截面视图。设备(1)包括至少一个模具(2)和由因科内尔合金718制成的活塞(3)。坯料(B)通过入口(4)进入模具(2)的第一通道C1。在加热模具(2)和坯料(B)之后，将力施加于坯料(B)上，且通过第二通道(C2)对材料进行挤压。随着坯料(B)被挤压穿过出口(5)，其经历了沿着两个通道(C1、C2)相交面的剪切力，且经受了强烈塑性变形。坯料(B)的尺度在挤压后很大程度上保持不受影响，因为入口和出口通道(C1、C2)具有几乎相同的横截面。为了降低摩擦作用，将混合有油脂的润滑剂二硫化钼(MoS2)粉末沿着模具(2)的通道(C1、C2)施加于坯料加工的界面处。
图4A和4B各自分别显示了在ECAE设备中用于挤压坯料(B)所依照的两种路径，例如A和Bc。在路径A(图4A)中，将坯料(B)装入进入通道(C1)而不改变其取向(orientation)，直到其从出口通道出来。因而，在路径‘A’中没有取向。在路径Bc(图4B)中，每次坯料(B)从离开通道(C2)出来时，将坯料(B)绕其纵向轴以顺时针方向旋转90度。依照两种路径(A、Bc)将坯料(B)挤压达至少四个道次。
作为优选实施方案，在本发明开发中使用的I F钢具有如表1中所示的化学组成。
表1
  Fe      C   Mn     S     P     Si     Al     Ti     N
  余量   0.0001-0.0040   0.02-0.09   0.007-0.009   0.007-0.009   0.006-0.010   0.05-0.10   0.020-0.090   0.003-0.006
使用了具有10mm×10mm的正方形横截面、100mm长度和表1化学组成的坯料(B)。该起始材料具有粗晶粒组织，该粗晶粒组织具有约225微米的平均晶粒直径。用二硫化钼润滑剂涂覆坯料(B)，并放入具有以90度角相交的通道(C1、C2)的ECAE模具(2)中；相交的通道(C1、C2)在其交界处具有尖拐角。通过四个圆柱形不锈钢加热元件将模具(2)保持在300℃(573K)的温度，所述加热元件置于模具本体(2)自身中提供的沟槽(未示出)内。在挤压前通过将坯料(B)置于模具(2)中将其加热以便使其达到与模具(2)相同的温度，同时通过校准的热电偶(未示出)监测温度。然后在相同温度下分别依照路径A和Bc将坯料(B)挤压达四个道次。
然后评价了坯料(B)的性能，并在下文提供了结果：
图5A至5C各自显示了起始材料的显微组织(图5A)和在依照路径A(图5B)和路径Bc(图5C)的两个挤压道次后获得的亚微米晶粒尺寸的示意图。在4个道次后，晶粒尺寸降低了3个数量级，从起始材料中的225微米降低到0.2微米。在第一道次本身后，晶粒尺寸剧烈降低到约5微米，并在2个道次后获得了亚微米水平。然而，在第二道次后，平均晶粒尺寸达到饱和点，其中直到第四道次结束时也未发生如此显著的降低。发现该观测结果对于所依照的两种路径是有效的。
图6A和6B显示在压缩样品时对于依照路径A(图6A)和路径BC(图6B)二者的所有四个道次，真应力相对于真应变的曲线。在室温下，以10-3每秒的恒定应变速率进行压缩测试。起始材料具有约105MPa的屈服强度。在第一道次后，该屈服强度值显著改善至约400MPa。然而，发现屈服点的增加对于后续两个道次不是如此显著，尽管在四个道次结束时，在路径A的情形中达到了约500MPa的值，在路径Bc的情形中达到了约550MPa的值。因而，我们记录到了经挤压达到四道次的无间隙原子钢的屈服强度的约五倍的增加。在表2中记录了屈服强度随各道次和路径的变化。
表2

Claims (4)

1.从粗晶粒IF钢坯料生产高强度和延展性的超细晶粒的无间隙原子(IF)钢的方法，所生产的IF钢适用于大规模制造长型产品，该方法包括步骤：
-提供等通道转角挤压(ECAE)设备用于挤压起始材料，该设备包含具有长方形截面的活塞(3)和入口通道(C1)，入口通道(C1)与出口通道(C2)以约90°角相交，在相交结合处构成尖拐角；至少一个模具(2)，其具有本体和拉延器，模具(2)的本体具有沟槽，在沟槽中设置有至少四个加热元件以使模具保持在约300℃的温度，通过可操作连接的热电偶监测温度，该方法包括步骤：
a)借助第一端口(4)通过模具的入口通道(C1)放入由粗晶粒IF钢形成的坯料(B)；
b)通过开启加热元件将包含坯料(B)的模具(2)加热；
c)通过使用活塞(3)对坯料(B)施加力；
d)将坯料(B)挤压并允许坯料(B)通过出口通道(C2)离开，使坯料(B)经受因沿着两个通道(C1、C2)的相交面产生的剪切力而引起的强烈塑性变形；
e)在坯料和工具界面处施加润滑剂以降低摩擦作用；和
f)重复步骤(b)至(e)至少达四个道次以完成坯料(B)的挤压。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过如下方式进行坯料(B)的挤压：将坯料(B)供入入口通道(C1)而不改变其取向，直到坯料(B)从出口通道(C2)出来。
3.如权利要求1所述的方法，其中通过如下方式进行坯料(B)的挤压：将坯料(B)供入入口通道(C1)，并在每一道次中在坯料(B)通过出口通道(C2)离开时将坯料(B)绕其纵向轴以顺时针方向旋转90度。
4.基本如本文参照附图所描述和说明的，一种从粗晶粒IF钢坯料生产高强度和延展性的超细晶粒的无间隙原子(IF)钢的方法，生产的IF钢适用于以大规模制造长型产品。
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