CN103849741A

CN103849741A - 一种高强高韧低碳钢的制备工艺

Info

Publication number: CN103849741A
Application number: CN201210516446.0A
Authority: CN
Inventors: 薛鹏; 王全兆; 张琪; 肖伯律; 马宗义
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-12-05
Also published as: CN103849741B

Abstract

本发明公开了一种高强高韧低碳钢的制备工艺，属于高强低碳钢铁材料的制备领域，适用于高强低碳钢铁材料的制备，所制备的高强低碳钢强韧性优异。该工艺用不同热输入参数进行搅拌摩擦加工，在加工过程中用流动水快速冷却加工区，得到性能优异的超细铁素体/马氏体双相钢。本发明可以明显提高普通低碳钢的力学性能，且通过多道次搭接搅拌摩擦加工可获得大面积的高强低碳钢，其性能优于工业上TMCP生产的此类高强低碳钢板。

Description

一种高强高韧低碳钢的制备工艺

技术领域

本发明涉及高强低碳钢铁材料的制备领域，特别涉及一种高强高韧低碳钢的制备工艺，该工艺适用于高强低碳钢铁材料的制备。

背景技术

为了满足节能和节约资源的要求，钢铁材料正面临大面积的升级换代，先进的高强低碳钢（包括添加少量合金元素的低碳低合金钢）成为各国材料研究工作者的研究热点。在大幅度提高强度的同时，为了扩大其应用范围，必须考虑塑性因素。因此现在工业中普遍倾向于利用细晶强化同时利用相变产生的双相或多相组织来提高强韧性。通常采用的加工工艺归结起来主要有两大类：热机械控制工艺（TMCP）及大塑性变形工艺。对比来看，前者工业化应用前景良好，但由于塑性变形不够剧烈，晶粒细化一般有局限性；而后者虽然能够细化晶粒至1μm以下，但难以制备大面积材料，且不易结合相变来进行强韧化，其塑性往往较低。因此，以上两种方法制备的高强低碳钢的强韧性匹配还有进一步的提升空间。

搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接工艺，具有能量利用率高、环境友好、焊接缺陷少、焊缝残余应力小等优点，其接头性能较熔化焊有很大提高，自发明后受到了广泛关注。1999年，基于搅拌摩擦焊的原理，一种新型的材料制备加工工艺-搅拌摩擦加工（FSP）应运而生。采用多道次搭接搅拌摩擦加工工艺可制备大面积板材，加工区性能得到明显改善。如果在搅拌摩擦加工过程中施加快速冷却，可以制备超细晶的铝合金、铜合金及镁合金。然而，受搅拌头工具材料的制约，现在对搅拌摩擦加工制备超细晶高强钢铁材料的研究还未见报道。对于常规工艺下钢铁材料的搅拌摩擦焊接/加工，通常采用价格昂贵的立方氮化硼和钨基合金作为工具材料，且焊接/加工过程中还需要加保护气以避免氧化，这大大提高了成本，显然不符合节能及节约资源的需求。因此，需要对现有的搅拌摩擦加工工艺进行改进，以满足先进高强低碳钢铁材料的工业化制备要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高韧低碳钢的制备工艺，该工艺利用快速冷却搅拌摩擦加工工艺制备强韧性匹配良好的高强低碳钢铁材料。

本发明的技术方案是：

一种高强高韧低碳钢的制备工艺，该工艺是对低碳钢母材进行搅拌摩擦加工，在加工过程中以流动水冷却加工区，使加工区温度处于低碳钢两相区温度（Ac₁-Ac₃之间），从而使加工区获得高强高韧超细铁素体/马氏体双相低碳钢。

所述搅拌摩擦加工工艺参数：工具转速200~1000转/分钟，行进速度50~400毫米/分钟。

利用水管中水的循环流动冷却加工区，水管出水口直径4mm，流速2~10L/min，水管中水的温度约为0-20℃。

所用搅拌头工具材料可选立方氮化硼、钨基合金或成本低廉的金属陶瓷等，搅拌头轴肩直径10~20毫米。

所述低碳钢两相区温度是指奥氏体和α铁素体两相共存的温度区间，即Ac₁到Ac₃之间（Ac₁是指钢加热时，开始形成奥氏体的温度；Ac₃是指所有铁素体均转变为奥氏体时的温度）。

所述搅拌摩擦加工中，可采用多道次搭接加工或单道次加工方式；单道次加工区宽度为4-8mm，多道次搭接加工中前后两道次之间重叠加工区的宽度为单道次加工区宽度的1/3，采用多道次搭接加工方式可制备大面积的高强低碳钢，且与单道次加工方式相比所制备的大面积高强低碳钢的力学性能无明显下降。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种高强高韧低碳钢的制备工艺，搅拌摩擦加工过程中采用流动水快速冷却，使温度控制在两相区温度（Ac₁-Ac₃之间），得到两相组织，同时晶粒得到明显细化，大大提高了其力学性能。所制备的高强低碳钢组织特征为超细的铁素体/马氏体双相组织，铁素体平均晶粒尺寸最细可细化至1μm以下，马氏体晶粒尺寸可细化至3~5μm，且随热输入（由工具尺寸、转速和行进速度决定）及冷却速率（由水管出水口直径，循环水流速及水的温度决定）的不同两相的尺寸和含量可以调控。

2、本发明高强高韧低碳钢的制备工艺，制备过程中采用流动水快速冷却加工区，使加工区温度控制在两相区温度（Ac₁-Ac₃之间），大大减少了搅拌工具的磨损，并省去了保护气。更为重要的是，在此较低的温度下，搅拌工具材料可选范围大大扩大，比如本发明中所用的成本低廉的金属陶瓷搅拌头就可很好地完成制备过程。搅拌头所用轴肩直径10~20毫米，搅拌摩擦加工参数：工具转速200~1000转/分钟、行进速度50~400毫米/分钟。与现有高强低碳钢铁材料制备方法相比，本发明工艺可明显提高加工区的力学性能，简单实用，大大降低了成本。因此，这种新的搅拌摩擦加工工艺在高强高韧低碳钢制备领域将有着广阔的工业应用前景。

3、本发明可以明显提高所制备材料的力学性能，尤其适用于高强高韧低碳钢铁材料的制备。

附图说明

图1为本发明搅拌摩擦加工制备的高强高韧低碳钢典型的铁素体/马氏体双相组织图；图中：（a）为金相组织；（b）为扫描电镜（SEM）组织。

图2为本发明搅拌摩擦加工制备的高强低碳钢以应变速率1×10^-3拉伸时的典型拉伸曲线图。

具体实施方式

实施例1

使用5毫米厚的Q345低碳钢板，其化学组成成分按重量百分比为含C 0.17%，Si 0.35%，Mn 1.30%，P 0.017%，S 0.018%，余量为Fe；屈服强度350MPa，抗拉强度525MPa。采用轴肩直径14毫米的金属陶瓷搅拌头进行搅拌摩擦加工，采用单道次加工方式，单道次加工区宽度5mm，工具转速为400转/分钟、行进速度为50毫米/分钟，在加工过程中以流动水快速冷却加工区，冷却过程中所用水管出水口直径4mm，流速～4L/min，出水口水温20℃。使加工过程温度处于两相区温度（约750℃），加工区获得超细的铁素体/马氏体双相组织，如图1所示，铁素体晶粒尺寸为1~2μm，马氏体的晶粒尺寸为5μm左右。室温拉伸试验显示（图2），屈服强度高达1100MPa，抗拉强度1400MPa，与母材相比强度大幅提高；且均匀延伸率达到7％，满足实际工程需要。

比较例1

使用5毫米厚的Q345低碳钢板，其化学组成成分按重量百分比为含C 0.17%，Si 0.35%，Mn 1.30%，P 0.017%，S 0.018%，余量为Fe；屈服强度350MPa，抗拉强度525MPa。将此钢板在950℃保温20分钟，然后快速在水中淬火，得到单相马氏体组织。室温拉伸试验显示，屈服强度可达1000MPa左右，抗拉强度约1300MPa，但拉伸过程中快速脆断，几乎无均匀延伸率。

实施例2

使用5毫米厚的Q235A低碳钢板，其化学组成成分按重量百分比为含C0.15%，Si 0.3%，Mn 0.6%，P 0.02%，S 0.022%，余量为Fe。用轴肩直径10毫米的金属陶瓷搅拌头进行搅拌摩擦加工，采用单道次加工方式，单道次加工区宽度4mm，加工参数：工具转速为800转/分钟、行进速度200毫米/分钟。在加工过程中以流动水快速冷却加工区，冷却过程中所用水管出水口直径4mm，流速～7L/min，出水口水温约10℃。使加工过程温度处于两相区温度（约750℃），在加工区获得超细铁素体/马氏体双相组织，铁素体平均晶粒尺寸约为2μm，马氏体的晶粒尺寸为8μm左右。室温拉伸试验显示，屈服强度为800MPa，抗拉强度1100MPa，与商用轧制态Q235A低碳钢板材相比强度大幅提高；且均匀延伸率达到10%。

比较例2

使用5毫米厚的Q235A低碳钢板，其化学组成成分按重量百分比为含C0.15%，Si 0.3%，Mn 0.6%，P 0.02%，S 0.022%，余量为Fe；用轴肩直径10毫米的钨铼合金搅拌头进行常规搅拌摩擦加工，在工具转速为800转/分钟、行进速度200毫米/分钟的加工参数下，在加工区获得铁素体组织及魏氏组织，晶粒尺寸约15μm。室温拉伸试验显示，屈服强度约为400MPa左右，抗拉强度约600MPa。

实施例3

使用5毫米厚的普通低碳钢板，其化学组成成分按重量百分比为含C 0.06%，Si 0.1%，Mn 2.2%，Nb 0.05%,V 0.07%,Ti 0.06%,P 0.005%，S 0.008%，余量为Fe。用轴肩直径20毫米的金属陶瓷搅拌头进行搅拌摩擦加工，采用单道次加工方式，单道次加工区宽度8mm。在加工过程中以流动水快速冷却加工区，冷却过程中所用水管出水口直径4mm，流速～10L/min，出水口水温约5℃。在工具转速为1000转/分钟、行进速度400毫米/分钟的加工参数下，使加工过程温度处于两相区温度（约800℃），在加工区获得超细铁素体/马氏体双相组织，铁素体平均晶粒尺寸约为2μm，马氏体的晶粒尺寸为7μm左右。室温拉伸试验显示，屈服强度为700MPa，抗拉强度1000MPa，均匀延伸率达到12%。

实施例4

使用5毫米厚的普通低碳钢板，其化学组成成分按重量百分比为含C 0.30%，Si 1.5%，Mn 2.1%，Mo 0.35%,P 0.03%，S 0.01%，余量为Fe。用轴肩直径20毫米的立方氮化硼搅拌头进行搅拌摩擦加工，采用单道次加工方式，单道次加工区宽度8mm。在加工过程中以流动水快速冷却加工区，冷却过程中所用水管出水口直径4mm，流速～8L/min，出水口水温约20℃。在工具转速为200转/分钟、行进速度100毫米/分钟的加工参数下，使加工过程温度处于两相区温度（约730℃），在加工区获得超细铁素体/马氏体双相组织，铁素体平均晶粒尺寸小于1μm，马氏体的晶粒尺寸为5μm左右。室温拉伸试验显示，屈服强度为1300MPa，抗拉强度2000MPa，均匀延伸率达到5%。

实施例5

使用5毫米厚的普通低碳钢板，其化学组成成分按重量百分比为含C 0.14%，Si 0.13%，Mn 1.3%，P 0.01%，S 0.007%，Nb 0.02%，余量为Fe。用轴肩直径10毫米的金属陶瓷搅拌头进行多道次搭接搅拌摩擦加工制备大面积板材，前后两道次之间重叠加工区的宽度为单道次加工区宽度的1/3，在加工过程中以流动水快速冷却加工区，冷却过程中所用水管出水口直径4mm，流速～8L/min，出水口水温约20℃。在工具转速为600转/分钟、行进速度100毫米/分钟的加工参数下，使加工区温度处于两相区温度（约750℃），在加工区获得超细铁素体/马氏体双相组织，铁素体平均晶粒尺寸约为1μm，马氏体的晶粒尺寸为3~5μm左右，且相邻道次之间的过渡区组织与加工区中心组织类似。室温拉伸试验显示，单道次加工区屈服强度为1050MPa，抗拉强度1350MPa，均匀延伸率为8%；多道次搭接搅拌摩擦加工大面积板材屈服强度为1000MPa，抗拉强度1300MPa，均匀延伸率为7％，与单道次相比拉伸性能仅略有下降。

Claims

1.一种高强高韧低碳钢的制备工艺，其特征在于：该工艺是对低碳钢母材进行搅拌摩擦加工，在加工过程中以流动水冷却加工区，使加工区温度处于低碳钢两相区温度，从而使加工区获得高强高韧铁素体/马氏体双相低碳钢。

2.根据权利要求1所述的高强高韧低碳钢的制备工艺，其特征在于：所述搅拌摩擦加工工艺参数：工具转速200~1000转/分钟，行进速度50~400毫米/分钟。

3.根据权利要求1所述的高强高韧低碳钢的制备工艺，其特征在于：利用水管中水的循环流动冷却加工区，水管出水口直径4mm，流速2~10L/min。

4.根据权利要求3所述的高强高韧低碳钢的制备工艺，其特征在于：水管出水口的水温为0-20℃。

5.根据权利要求1所述的高强高韧低碳钢的制备工艺，其特征在于：所用搅拌头工具材料为立方氮化硼、钨基合金或金属陶瓷，搅拌头轴肩直径10~20毫米。

6.根据权利要求1所述的高强高韧低碳钢的制备工艺，其特征在于：所述搅拌摩擦加工中，采用多道次搭接加工或单道次加工方式。

7.根据权利要求6所述的高强高韧低碳钢的制备工艺，其特征在于：单道次加工方式中加工区宽度4-8mm，多道次搭接加工中前后两道次之间重叠加工区的宽度为单道次加工区宽度的1/3。