CN110066955B - 一种孪生诱导塑性钢及其制备方法 - Google Patents

一种孪生诱导塑性钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强度高塑性孪生诱导塑性(TWIP)钢及其制备方法。针对钢中孪晶强化与纳米析出强化在单一强化中难以获得更高强度和更高塑性的缺陷，在对比研究TWIP钢中由于高Mn含量带来的熔炼、均质化和延迟开裂等问题的基础上，本发明提出利用Cu、Ni和Al等合金元素替代部分Mn含量，以增加层错能，促进TWIP效应，同时稳定奥氏体相，抑制马氏体相变，细化孪晶组织；并利用强磁场控制钢中产生的纳米级富Cu颗粒和NiAl颗粒的尺寸、密度及分布等，在不降低塑韧性的前提下来提高TWIP钢的强度。

Description

一种孪生诱导塑性钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度高塑性孪生诱导塑性钢及其制备方法，属于合金制备技术领域。
背景技术
孪生诱导塑性(TWIP)钢不仅具有优异的强度和延展性，而且抗冲击性和能量吸收能力均要比传统合金钢高，在需要高强度、高延展性、轻量化、低成本和环境友好性的汽车用钢中得到广泛应用。然而，高Mn含量TWIP钢由于存在熔炼、均质化和延迟开裂等相关问题，探索研究解决TWIP钢在制备过程中存在的问题，进一步提升合金力学性能等，具有重要的理论和应用价值。
TWIP钢的变形主要是孪生方式，与层错能(SFE)密切相关。通过添加Cu、Al、Ni等合金元素来取代部分Mn，可以提高SFE，促进TWIP效应而改善材料性能。其中Cu是奥氏体稳定元素，不仅可以增加SFE，而且还可以抑制相变诱导塑性(TRIP)效应；Al也可增加SFE，抑制马氏体相变，有利于形变孪晶的形成；Ni是钢中稳定奥氏体的合金元素，也可以增加SFE，而且能够缓解钢中加入Cu而产生的热脆现象。中国发明专利201010526063.2提出在TWIP钢中加入Cu元素，不仅降低了炼钢难度和成本，而且可以进一步优化提升合金性能，但不足之处在于Cu含量过高，在热轧过程中易发生开裂。中国发明专利200710178352.6提出一种铜镍合金化的高强度高塑性孪晶诱导塑性钢，热处理后奥氏体基体中存在有大量的退火孪晶和层错，在外力作用下形成形变孪晶，在保持高强度的同时也具有高塑性，其不足之处是Mn含量过高导致合金成本过高而且易发生延迟开裂现象。中国发明专利201410512333.2公开了一种高强塑积TWIP钢及其制备方法，Al元素可以有效提高钢板的SFE，抑制马氏体相变，其不足之处在于Al含量过高会导致连铸生产困难。因此，通过适量添加合金元素取代Mn，提高SFE可以促进TWIP效应，有助于提高材料性能。
另一方面，本发明设计的合金中由于存在一些Cu、Al、Ni等合金元素，纳米级Cu和NiAl颗粒会在合金中产生共沉淀的效果。Z.B.Jiao人等在Acta Materialia 97(2015)58-67论文“纳米NiAl和Cu颗粒硬化的超高强度钢的析出机理和力学性能”中提到纳米级NiAl颗粒，Cu颗粒和碳化物的强化效应的组合有助于提高钢的整体超高强度；中国发明专利201710911471.1公开了一种高强塑积纳米析出强化低温钢制备方法，提出了利用添加Al、Cu等元素与Ni元素形成纳米析出相如Ni3Al等从而得到析出强化的效果，原则上讲纳米沉淀强化方法可以在强化材料的同时，而不显著降低材料的其他重要性能。B.B.Zhang等人在Acta Materialia 151(2018)310-320论文“铁基高温合金中纳米颗粒与纳米沉淀物的复合强化”中提到由孪晶和沉淀强化两种复合强化方式，为进一步提高材料的强度提供了一种新的策略，但是因其特殊生产手段很难在工厂大批量生产。因此，研究孪晶强化与纳米强化相结合有望突破单一强化的局限，为高强度高塑性孪生诱导塑性和纳米析出强化钢的制备提供理论依据和应用价值。
发明内容
本发明针对钢中孪晶强化与纳米析出强化在单一强化中难以获得更高强度和更高塑性的缺陷，在对比研究TWIP钢中高Mn含量带来的熔炼、均质化和延迟开裂等问题基础上，提出利用不同合金元素添加代替部分Mn含量增加SFE，促进TWIP效应，稳定奥氏体相，抑制马氏体相变，细化孪晶组织。并利用强磁场控制钢中产生的纳米级富Cu颗粒和NiAl颗粒的尺寸、密度及分布等，在不降低塑韧性的前提下提高TWIP钢的强度。
本发明的目的是针对现有技术的问题，提出一种高强度高塑性TWIP钢及其制备方法。
本发明一方面提供一种高强度高塑性TWIP钢，组成为：以质量百分含量计，Mn的质量百分含量14％～17％(下同)，Cu为0.5％～2％，Al为1.0％～2％，Ni为1.0％～3％，C为0.1％～1％，P＜0.01％，S＜0.01％，N＜25ppm，O＜25ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明另一方面提供一种上述高强度高塑性TWIP钢的制备方法，包括下述工艺步骤：
(1)合金铸锭制备：按组成比例将纯度≥99.9wt％的原料在熔炼设备中搅拌熔炼，在熔炼过程中施加1.5～5Hz的低频电磁场，熔炼完成后，在惰性气氛的保护下，浇铸成合金铸锭；
(2)热轧、冷轧和固溶处理：将步骤(1)中合金铸锭经1000～1200℃热轧处理，再经过道次压下量为50～80％的冷轧处理后，在1000～1200℃下进行固溶处理1～6h。
(3)强磁场时效处理：将步骤(2)所得样品置于0.1～20T强磁场中，调整样品位置，在温度为450～650℃条件下，保温0.5～12小时后淬火，获得TWIP钢。
上述技术方案中，优选所述惰性气氛为0.1～1标准大气压的氮气或氩气。
上述技术方案中，优选所述熔炼设备为真空中频感应炉或真空自耗熔炼炉。
上述技术方案中，优选所述热轧条件为1100～1200℃。
上述技术方案中，优选所述冷轧条件为道次压下量为50～80％，进一步优选为60～75％，最优选为65～75％。
上述技术方案中，优选所述固溶处理时间为1～6h，进一步优选为1～4h，最优选为1.5～3h。
上述技术方案中，优选将固溶处理所得样品置于0.1～15T磁场中，进一步优选为1～10T，最优选为8～10T。
上述技术方案中，优选磁场时效温度为450～650℃，进一步优选为500～600℃，最优选为525～575℃。
上述技术方案中，优选强磁场时效处理后保温0.5～6小时后淬火，进一步优选为1～4小时，最优选为2～3小时。
进一步地，所述TWIP钢按下述方法制得：按目标TWIP钢组成质量百分比，采用纯度≥99.9wt％的Fe、Mn、Cu、Al、Ni和C等高纯金属或粉末，采用在高真空电弧熔炼后吸铸或在真空感应炉中熔炼金属模中浇铸或类似的冶炼方式制备TWIP钢。
更进一步地，所述TWIP钢采用高真空电弧炉在0.25～0.75标准大气压氩气或氮气保护下吸铸；或采用真空感应熔炼炉在0.25～0.75标准大气压氩气或氮气保护下在铜模或其它金属模具中浇铸而成。
有益效果
(1)本发明提供的孪生诱导塑性钢，相比现有技术，利用不同合金元素添加代替部分Mn含量，在减弱甚至消除高Mn含量带来的熔炼、均质化和延迟开裂等问题的同时，增加层错能，促进TWIP效应，稳定奥氏体相，抑制马氏体相变，细化孪晶组织。
(2)在熔炼过程中施加1.5～5Hz的低频电磁场，以低频电磁场与熔体运动形成的电磁力搅拌钢液，可以实现钢液的溶质分布、温度分布等更均匀，可以获得更高质量的合金铸锭。
(3)在热轧、冷轧和固溶处理后施加强磁场时效处理，以静磁场带来的静磁能优化纳米级富Cu颗粒和NiAl颗粒的尺寸、密度及分布等，可以实现细小纳米析出相的高密度析出，有利于强塑性的提升。
(4)在利用了本发明的TWIP钢中在保持伸长率基本不变的情况下抗拉强度提高14％～20％，屈服强度提高30％～40％。
(5)本发明TWIP钢综合性能优异，TWIP钢的屈服强度600～800MPa，抗拉强度大于1100MPa，延伸率大于50％，兼具高强度高塑性的特点。
(6)制备的TWIP钢除了可以用于汽车制造业，还可以广泛的应用于铁路交通，工程机械、建筑、船舶、桥梁及其军工用品等，应用前景及其广泛。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
本发明实施例中采用的高真空电弧炉型号为ZFH-300-70。
本发明实施例中采用的真空感应熔炼炉型号为TG100A-25。
本发明实施例中采用的真空热处理炉型号为VHT-II。
本发明实施例中采用SANS-CMT5105电子万能试验机进行应力—应变曲线测试并获得抗拉强度。
本发明一个优选的实施方式为：
(1)母合金制备：采用纯度≥99.9wt％的Fe、Mn、Cu、Al、Ni和C高纯金属或粉末，采用在高真空电弧熔炼后吸铸或在真空感应炉中熔炼金属模中浇铸或类似的冶炼方式制备TWIP钢；
(2)热轧、冷轧和固溶处理：将步骤(1)所得TWIP钢经1100～1200℃热轧处理，再经过道次压下量为65～75％的冷轧处理后，在1000～1200℃下进行固溶处理1.5～3h。
(3)强磁场时效处理：将步骤(2)所得样品置于1～10T强磁场中，调整样品位置，在温度为525～575℃条件下，保温2～4小时后淬火，获得TWIP钢。
实施例1
(1)母合金制备：采用纯度≥99.9wt％的Fe、Mn、Cu、Al、Ni和C等高纯金属或粉末，利用真空感应炉熔炼金属。在熔炼过程中施加1.5Hz的低频电磁搅拌作用，在0.1标准大气压氩气保护下浇铸在铜模中制备合金铸锭；
(2)热轧、冷轧和固溶处理：将步骤(1)所得TWIP钢经1100℃热轧处理，再经过道次压下量为65％的冷轧处理后，在1000℃下进行固溶处理1.5h。
(3)强磁场时效处理：将步骤(2)所得样品置于0.1T强磁场中，调整样品位置，在温度为525℃条件下，保温2小时后淬火，获得TWIP钢。
制备获得的15Mn-0.6C-1Cu-2Ni-1AlTWIP钢的抗拉强度为1100MPa，延伸率为48％，屈服强度为650MPa。
对比例1
合金制备过程与实施例1相同，在合金制备成分中不添加Al和Ni，其余处理与实施例1相同，制备获得的TWIP钢合金的抗拉强度为950MPa，延伸率为50％，屈服强度为400MPa。
可见，利用本发明实施例1所得的TWIP钢相比对比例1合金在延伸率基本不变的情况下，抗拉强度提高14％，屈服强度提高38％。
实施例2
(1)母合金制备：采用纯度≥99.9wt％的Fe、Mn、Cu、Al、Ni和C等高纯金属或粉末，利用真空感应炉熔炼金属。在熔炼过程中施加1.5Hz的低频电磁搅拌作用，在0.1标准大气压氩气保护下浇铸在铜模中制备合金铸锭；
(2)热轧、冷轧和固溶处理：将步骤(1)所得TWIP钢经1150℃热轧处理，再经过道次压下量为70％的冷轧处理后，在1100℃下进行固溶处理2h。
(3)强磁场时效处理：将步骤(2)所得样品置于20T强磁场中，调整样品位置，在温度为550℃条件下，保温2.5小时后淬火，获得TWIP钢。
制备获得的15Mn-0.6C-1Cu-2Ni-1AlTWIP钢的抗拉强度为1150MPa，延伸率为50％，屈服强度为700MPa。
对比例2
合金制备过程与实施例2相同，在合金制备成分中不添加Al和Ni，其余处理与实施例2相同，制备获得的TWIP钢的抗拉强度为960MPa，延伸率为52％，屈服强度为420MPa。
可见，利用本发明实施例2所得的TWIP钢相比对比例2合金在延伸率基本不变的情况下，抗拉强度提高17％，，屈服强度提高40％。
中国发明专利201710572712.4实例1提及的成分16％Mn、2％Si、0.05％Al、0.1％C、0.01％Cu、0.01％Ni、0.02％P、0.02％S、0.01％N，余量为Fe及不可避免杂质的合金抗拉强度为1000MPa，延伸率为45％，屈服强度为400MPa。
采用本发明的实施例2相比中国发明专利201710572712.4实例1中合金抗拉强度提高13％，延伸率提高5％，屈服强度提高43％。
实施例3
(1)母合金制备：采用纯度≥99.9wt％的Fe、Mn、Cu、Al、Ni和C等高纯金属或粉末，利用真空感应炉熔炼金属。在熔炼过程中施加1.5Hz的低频电磁搅拌作用，在0.1标准大气压氩气保护下浇铸在铜模中制备合金铸锭；
(2)热轧、冷轧和固溶处理：将步骤(1)所得TWIP钢经1200℃热轧处理，再经过道次压下量为75％的冷轧处理后，在1200℃下进行固溶处理3h。
(3)强磁场时效处理：将步骤(2)所得样品置于9T强磁场中，调整样品位置，在温度为575℃条件下，保温3小时后淬火，获得TWIP钢。
制备获得的15Mn-0.6C-1Cu-2Ni-1AlTWIP钢的抗拉强度为1160MPa，延伸率为52％，屈服强度为720MPa。
对比例3
合金制备过程与实施例3相同，在合金制备成分相同，时效时不加强磁场，其余处理与实施例3相同，制备获得的TWIP钢的抗拉强度为1000MPa，延伸率为53％，屈服强度为600MPa。
可见，利用本发明实施例3所得的TWIP钢相比对比例3合金在延伸率基本不变的情况下，抗拉强度提高14％，屈服强度提高17％。
中国发明专利201410807181.9实例1提及的成分1.2％C、20.7％Mn、0.06％Cr、0.95％Mo余量为铁及不可避免的杂质的合金抗拉强度为790MPa，延伸率为57％，屈服强度为440MPa。
采用本发明的实施例3相比中国发明专利201410807181.9实例1中合金在保持延伸率基本不变的情况下抗拉强度提高31％，屈服强度提高39％。
实施例中孪生诱导塑性钢的性能汇总表如表1。
表1实施例中孪生诱导塑性钢的性能汇总表
Figure BDA0002072224690000071

Claims (6)

1.一种孪生诱导塑性钢，其特征在于，所述孪生诱导塑性钢的组成为：Mn为14％～17％，Cu为0.5％～2％，Al为1.0％～2％，Ni为1.0％～3％，C为0.1％～1％，P＜0.1％，S＜0.1％，N＜25ppm，O＜25ppm，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述孪生诱导塑性钢的制备方法包括如下步骤：
(1)合金铸锭制备：按组成比例将原料在熔炼设备中搅拌熔炼，在熔炼过程中，施加1.5～5Hz的低频电磁，熔炼完成后，在惰性气氛保护下浇铸合金铸锭；
(2)热轧、冷轧和固溶处理：将步骤(1)中合金铸锭经1000～1200℃热轧处理，再经过道次压下量为50～80％的冷轧处理后，在1000～1200℃下进行固溶处理1～6h；
(3)强磁场时效处理：将步骤(2)所得的经过固溶处理的铸锭置于0.1～20T强磁场中，在温度为450～650℃条件下，保温0.5～12小时后淬火。
2.一种权利要求1所述孪生诱导塑性钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)合金铸锭制备：按组成比例将原料在熔炼设备中搅拌熔炼，在熔炼过程中，施加1.5～5Hz的低频电磁，熔炼完成后，在惰性气氛保护下浇铸合金铸锭；
(2)热轧、冷轧和固溶处理：将步骤(1)中合金铸锭经1000～1200℃热轧处理，再经过道次压下量为50～80％的冷轧处理后，在1000～1200℃下进行固溶处理1～6h；
(3)强磁场时效处理：将步骤(2)所得的经过固溶处理的铸锭置于0.1～20T强磁场中，在温度为450～650℃条件下，保温0.5～12小时后淬火，获得所述孪生诱导塑性(TWIP)钢。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛为0.1～1标准大气压的氮气或氩气。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼设备为真空中频感应炉或真空自耗熔炼炉。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述固溶处理的温度为1100～1200℃；所述道次压下量65％～75％；所述固溶处理的时间为1.5～3h。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的强磁场为8～10T。
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