CN101956134A - 一种高强度、高塑性含铜高碳twip钢及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢及其制备工艺，是在Fe-Mn-C系TWIP钢的基础上通过提高碳含量，并把非碳化物形成元素Cu以及稀土Ce作为合金元素加入钢中，结合900℃~1050℃的高温固溶处理工艺，热轧工艺减少铸锭组织中空隙缺陷，充分发挥出这种高碳含铜TWIP钢的本征强度和塑性，所研制的合金钢突出特点是反映其综合力学性能的强塑积显著提高，该合金钢的屈服强度为513.7MPa，抗拉强度为1223.7MPa，延伸率为86.8%，强塑积高达106217.2MPa·%，比目前国内外文献所报道的各种TWIP钢的最高数据87882MPa·%提高了20%，为机械制造业、装备业制备出新型高强韧性钢材。

Description

一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢及其制备工艺

技术领域

本发明属于合金钢结构领域，更具体涉及一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢及其制备工艺。

背景技术

随着现代经济的高速发展，钢铁材料用户对钢铁材料的使用性能和技术指标提出了更高的要求。作为新世纪的的工程机械、船舶舰艇、兵器装备、大型储存容器、水电和火电能源设备以及高层建筑等都要求高性能、使用寿命长和低成本的新型钢铁材料。而且随着社会的进一步发展，对钢铁材料的生产、加工及使用也提出了节省资源、节能环保的要求。因此，开发先进钢铁材料成为经济社会发展的迫切需要。

1997年，G.Frommeyer等研究人员首次提出TWIP效应，并把具有此类效应的合金钢称为TWIP钢。TWIP钢不仅具有中等的抗拉强度（约600MPa）和优良的塑性(延伸率大于80%)，而且具有高的能量吸收能力(如20℃时约为0.5J/mm³)，为传统深冲钢的2倍以上，并且没有低温脆性转变温度，在－196℃~200℃形变温度区间内没有冷脆转变温度。正是由于TWIP的诸多优异性能，使其在机车、汽车、高架建筑、抗冲击钢板、低温容器等领域展示出广阔的应用潜力。

目前，国内外对TWIP钢的研究主用集中在Fe-Mn-Al-Si系、Fe-Mn-Al-C系及Fe-Mn-C系。其中Fe-Mn-Al-Si系的碳含量极低，Fe-Mn-Al-C系和Fe-Mn-C系碳含量一般为0.5~0.7%；而且Si元素的加入容易引起表面质量缺陷，增加TWIP钢的后续表面加工的难度；Al元素的加入增大钢液的粘度，破坏钢的表面和内部质量，因此，可以尝试提高C的含量，这样不仅可以增加奥氏体的稳定性，而且C-Mn原子对有可能进一步提高强度。

在钢中，Cu通常被认为是一种不希望存在的元素，一方面由于其熔点低，易形成低熔点相，增加钢的热加工难度；另一方面Cu的存在影响钢的质量和表面外观。因此，钢中的Cu含量一般很低（≤0.05%），但是钢液中的Cu较难去除，需进一步降低钢中的Cu含量，往往提升钢的经济成本且增加生产难度。然而，近代含铜钢的研究表明，钢加入适量的Cu时，应用高温固溶处理，使铜处于过饱和态，通过一定的温度时效处理，析出ε-Cu相，产生沉淀强化，可显著提高钢的强度。此外Cu还可以提高钢的耐腐蚀性、焊接性。

Cu具有面心立方晶格结构，原子半径为1.27×10^-10m与铁原子半径（1.26×10^-10m）仅相差0.1nm；与Fe原子具有较强的结合力；而且Cu是奥氏体形成元素，可以扩大奥氏体相区，进一步稳定Fe-Mn-C系TWIP钢奥氏体基体的稳定性；并且Cu是非碳化物形成元素，Cu在TWIP钢中的加入不会引起碳化物的大量形成而难以形成单一的奥氏体基体。因此Cu完全可以作为合金元素在TWIP钢加以利用。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢及其制备工艺。它是在Fe-Mn-C系TWIP钢的基础上通过提高碳含量，并把Cu作为合金元素加入钢中，结合一定的加工工艺得到一种具有更高强度和塑性的TWIP钢，进一步提高TWIP合金钢的综合力学性能（强塑积），为机械制造业、装备业提供新型高强韧性钢材。

本发明的技术方案如下：

一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢的化学组成成分按质量百分比为：C：1.1~1.5%，Mn：19.5~20.7%，Cu：2.5~4.5%，稀土Ce：0.21~0.24%，余量为Fe和不可避免的杂质。 

一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢的制备工艺包括以下步骤：熔炼、固溶处理、热轧、冷轧、回复再结晶。

该制备工艺的具体步骤如下：

      1）熔炼：将C：1.1~1.5%，Mn：19.5~20.7%，Cu：2.5~4.5%，稀土Ce：0.21~0.24%，余量为Fe按比例加入有真空氩气保护电弧熔炼炉中，冶炼上述成分合金，冶炼的温度在1650℃—1700℃；

      2）固溶处理：将步骤1）得到的合金加热至1000~1055℃进行固溶处理，保温4.0~6.0h；

   3）热轧：将步骤2）的试样迅速放置在热轧机进行轧制，开轧温度为1000~1055℃，终轧温度保持在750℃以上，总轧制变形量为60-90%，通过5-7道次反复轧制完成上述变形量，每道次变形量为10%-18%，最后一道次轧完直接水淬。热轧的目的除了钢板成形外，另一重要目的是消除这种高碳钢铸锭中的缩松孔洞以及高温固溶处理形成的微孔缺陷。

   4）冷轧：将热轧处理后的合金在两辊轧机对其进行分道次可控轧制，每次轧制变形量控制在8%-12%，轧制厚为0.8-1.5mm，轧制变形量为50~68%；轧制结束后，在1000~1055℃保温3~5min，然后水淬；

  5）回复再结晶：将冷轧后的合金在1000~1055℃进行高温回复与再结晶，保温10~20min，取出迅速水淬。

   通过上述步骤制备的合金可得到504~540MPa的屈服强度和1170~1274MPa的抗拉强度以及64.7~86.8%的延伸率。

本发明具有如下优点：

   （1）具有优良的综合力学性能。本发明利用传统的轧制技术和热处理工艺制备出晶粒大小为10~40μm且具有退火孪晶和平行条带组织的奥氏体基体，具有独特的微观结构。本发明材料具有极高的强度和塑性，通过加入高碳、微量稀土Ce及2.5~4.5%的铜元素，在延伸率达到86.8%时，屈服强度和抗拉强度依然高达513.7MPa、1223.7MPa，强塑积（强度和延伸率的乘积）达到106217.2MPa·%，该性能比目前国内外所报道的最高值87882 MPa·%提高了20%。

（2）制备方法简单。

（3）应用潜力广阔。本发明的合金材料经过适当的成分配比及相应的加工工艺能得到高强度的同时保持高的塑性，这种高强高塑合金在汽车、军工、建筑、低温容器等行业都显示出广阔的应用前景。

（3）合金元素Cu的利用。传统钢铁材料都把Cu当作杂质元素，在炼钢过程中加以去除，但因此也增加了炼钢难度及相应的成本。本发明把合金元素Cu加以利用，不仅优化了合金的性能，且降低了炼钢难度及成本。

附图说明

 图1为本发明高强度、高塑性含铜高碳合金钢拉伸变形前的金相组织图；

 图2为本发明高强度、高塑性含铜高碳合金钢拉伸变形后的金相组织图；

 图3为本发明高强度、高塑性含铜高碳合金钢的工程应力-应变曲线；

 图4为本发明高强度、高塑性含铜高碳合金钢的真应力-应变曲线；

 图5为本发明高强度、高塑性含铜高碳合金钢拉伸变形前后的实物图。

具体实施方式

一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢的化学组成成分按质量百分比为：C：1.1~1.5%，Mn：19.5~20.7%，Cu：2.5~4.5%，稀土Ce：0.21~0.24%，余量为Fe和不可避免的杂质。 

一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢的制备工艺包括以下步骤：熔炼、固溶处理、热轧、冷轧、回复再结晶。

该制备工艺的具体步骤如下：

      1）熔炼：将C：1.1~1.5%，Mn：19.5~20.7%，Cu：2.5~4.5%，稀土Ce：0.21~0.24%，余量为Fe按比例加入有真空氩气保护电弧熔炼炉中，冶炼上述成分合金，冶炼的温度在1650℃—1700℃；

      2）固溶处理：将步骤1）得到的合金加热至1000~1055℃进行固溶处理，保温4.0~6.0h；

   3）热轧：将步骤2）的试样迅速放置在热轧机进行轧制，开轧温度为1000~1055℃，终轧温度保持在750℃以上，总轧制变形量为60-90%，通过5-7道次反复轧制完成上述变形量，每道次变形量为10%-18%，最后一道次轧完直接水淬。热轧的目的除了钢板成形外，另一重要目的是消除这种高碳钢铸锭中的缩松孔洞以及高温固溶处理形成的微孔缺陷。

   4）冷轧：将热轧处理后的合金在两辊轧机对其进行分道次可控轧制，每次轧制变形量控制在8%-12%，轧制厚为0.8-1.5mm，轧制变形量为50~68%；轧制结束后，在1000~1055℃保温3~5min，然后水淬；

  5）回复再结晶：将冷轧后的合金在1000~1055℃进行高温回复与再结晶，保温10~20min，取出迅速水淬。

  

 实施例1

  （1）配料：采用工业生铁（1.0%Si，4.0%C，余为Fe，wt%）为基础原料，以纯度为99.8%的电解锰及纯度为99.95%的高纯铜为合金原料，按质量分数（wt%）配制化学组分为：C：1.35%，Mn：20.4%，Cu：3.4%，稀土Ce：0.22%，余量为Fe的含铜高碳合金。

（2）熔炼：将配制的原料在真空电弧熔炼中熔炼，冶炼的温度在1650℃，并浇铸成铸锭。

   （3）固溶处理：将铸锭加热至1000℃进行固溶处理，保温4h后热轧。

   （4）热轧：将试样加热到1050℃保温4h后用两辊热轧机进行热轧加工，终轧温度不低于750℃，当板材温度低于750℃后重新放回炉中加热，保温5min（1050℃）后取出再进行热轧，每道次变形量为12%，总轧制变形量约为90%，板材终轧厚度控制在3mm左右，最后一道次轧完，将板材放回炉体中进行固溶处理，即加热到1050℃保温5min后取出水淬。由于本发明钢材中含有高达1.35%的碳量，凝固组织中会形成缩松缺陷，热轧的目的除了钢板成形外，另一重要目的是消除铸锭中的缩松孔洞以及高温固溶处理形成的微孔缺陷。实验结果表明，热轧变形量越高微孔缺陷越少合金钢的强度越高，当热轧变形量高达90%时，该钢的屈服强度为513.7MPa，抗拉强度为1223.7MPa，延伸率为86.8%，强塑积高达106217.2 MPa·%，比国外文献报道的最高值87882 MPa·%提高了20%。

   （5）冷轧：冷轧的目的是将板材加工到所需要使用的尺寸和获得光洁的表面。将固溶处理后的板材在冷轧机上对其进行分道次可控轧制，每次轧制变形量控制在10%左右，终轧厚约为0.8mm，轧制变量为53.3%，轧制结束后，在1000℃保温3min，然后水淬。

   （6）回复再结晶：将冷轧后的合金在1050℃进行高温回复与再结晶，并保温20min，取出水淬。

光学显微镜显示其基体组织为等轴状奥氏体基体，且奥氏体中分布有退火孪晶，晶粒尺寸大概为20~40μm（图1所示），图2是拉伸变形后的微观形貌，存在大量细小的形变孪晶，且组织形态纵横交错，说明在变形过程中孪生“切割”基体组织，形成大量细小的形变孪晶，发生孪生诱发塑性效应，从而使合金在拥有高强度的同时保持高的塑性。图3是合金的工程应力-应变曲线，图4是合金的真应力-应变曲线，得到室温的力学性能：513.7MPa （589.33MPa）的屈服强度、1223.7MPa （1265.07MPa）的抗拉强度以及86.8%（73.6%）的延伸率。

实施例2

   （1）配料：采用实施例1的原料，按质量分数（wt%）配制化学组分为：C：1.25%，Mn：20.7%，Cu：4.3%，稀土Ce：0.24%，余量为Fe的含铜高碳合金。

（2）熔炼：将配制的原料在真空电弧熔炼中熔炼，冶炼的温度在1700℃。

   （3）固溶处理：将试样在木炭粉的保护气氛中（试样放置在填满木炭粉的不锈钢盒中）加热到1052℃并保温4.5h。用保护气氛主要是防止钢板表面氧化脱碳。

   （4）热轧：将步骤3）的试样迅速放置在热轧机进行轧制，开轧温度为1000℃，终轧温度保持在840℃，每道次变形量为10%，经过6次轧制，总轧制变形量为67%，最后一道次轧完直接水淬。 

   （5）冷轧：将热轧处理后的合金在K03-60型两辊轧机对其进行分道次可控轧制，每次轧制变形量控制在12%，轧制厚约为1.2mm，轧制变形量为64.8%，轧制结束后，在1055℃保温5min，然后水淬。

   （6）回复再结晶：将冷轧后的合金在1052℃进行高温回复与再结晶，并保温13min，取出迅速水淬。

该合金在室温的力学性能：580.36MPa的屈服强度、1211.86MPa的抗拉强度以及76.8%的延伸率。

实施例3

   （1）配料，熔炼：按质量分数（wt%）配制化学组分为：C：1.1%，Mn：19.5%，Cu：4.5%，稀土Ce：0.21%，余量为Fe，将配制的原料在真空电弧熔炼中熔炼，冶炼的温度在1680℃。

   （2）固溶处理温度在1055℃，保温5h,

   （3）热轧：将步骤2）的试样迅速放置在热轧机进行轧制，开轧温度为1055℃，终轧温度保持在840℃，每道次变形量为12%，经过5次轧制，总轧制变形量为60%，最后一道次轧完直接水淬。

   （4）冷轧：将热轧处理后的合金在K03-60型两辊轧机对其进行分道次可控轧制，每次轧制变形量控制在8%，轧制厚约为1.5mm，轧制变形量为68%。

   （5）回复再结晶：将冷轧后的合金在1000℃进行高温回复与再结晶，并保温10min，取出迅速水淬。其余实施步骤同实施例1

实施例4

   （1）配料：按质量分数（wt%）配制化学组分为：C：1.5%，Mn：20.7%，Cu：2.5%，稀土Ce：0.21%，余量为Fe，将配制的原料在真空电弧熔炼中熔炼，冶炼的温度在1680℃。

   （2）固溶处理温度在1055℃，6h,

   （3）热轧：将步骤2）的试样迅速放置在热轧机进行轧制，开轧温度为1055℃，终轧温度保持在840℃，每道次变形量为15%，经过5次轧制，总轧制变形量为80%，最后一道次轧完直接水淬。

   （4）冷轧：将热轧处理后的合金在K03-60型两辊轧机对其进行分道次可控轧制，每次轧制变形量控制在8%，轧制厚约为0.8mm，轧制变形量为50%。

   （5）回复再结晶：将冷轧后的合金在1055℃进行高温回复与再结晶，并保温20min，取出迅速水淬。其余实施步骤同实施例1。

 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢，其特征在于：该TWIP钢的化学组成成分按质量百分比为：C：1.1~1.5%，Mn：19.5~20.7%，Cu：2.5~4.5%，稀土Ce：0.21~0.24%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢的制备工艺，其特征在于：该制备工艺包括以下步骤：熔炼、固溶处理、热轧、冷轧、回复再结晶。

3.一种高强度、高塑性含铜高碳TWIP钢的制备工艺，其特征在于：该制备工艺的具体步骤如下：

1）熔炼：将C：1.1~1.5%，Mn：19.5~20.7%，Cu：2.5~4.5%，稀土Ce：0.21~0.24%，余量为Fe按比例加入有真空氩气保护电弧熔炼炉中，冶炼上述成分合金，冶炼的温度在1650℃—1700℃；

 2）固溶处理：将步骤1）的合金加热至1000~1055℃进行固溶处理，保温4.0~6.0h；

 3）热轧：将步骤2）的试样迅速放置在热轧机进行轧制，开轧温度为1000~1055℃，终轧温度保持在750℃以上，总轧制变形量为60-90%，通过5-7道次反复轧制完成上述变形量，每道次变形量为10%-18%，最后一道次轧完直接水淬；  

 4）冷轧：将热轧处理后的合金在两辊轧机对其进行分道次可控轧制，每次轧制变形量控制在8%-12%，轧制厚为0.8-1.5mm，轧制变形量为50~68%；轧制结束后，在1000~1055℃保温3~5min，然后水淬；

 5）回复再结晶：将冷轧后的合金在1000~1055℃进行高温回复与再结晶，保温10~20min，取出迅速水淬。

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