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一种提高twip钢管材耐蚀性能的工艺方法及耐腐蚀twip钢管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，包括如下步骤：S1、将TWIP钢管材升温至1100‑1200℃进行保温固溶处理，将管材经5‑10％冷拔变形得到冷拔管材；S2、将步骤S1得到的冷拔管材在950‑1150℃条件下进行退火处理得到耐腐蚀TWIP钢管。本发明在传统TWIP钢热轧/热挤压管材基础上，引入一道“小变形冷拔+高温短时热处理”工艺，通过调控TWIP钢管材晶体组织中退火孪晶的比例及分布，形成大量含有退火孪晶等低能晶界的三叉晶界，进而打断随机大角度晶界的连通性，从而有效降低TWIP钢管材的腐蚀速率。

Description

一种提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法及耐腐蚀TWIP钢管
技术领域
本发明涉及金属加工成型技术领域，尤其涉及一种提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法及耐腐蚀TWIP钢管。
背景技术
孪生诱发塑性(Twinning-induced plasticity，TWIP)钢具有很高的强度(Rm：550～1200MPa)和极高的塑性(A：50～110％)，强塑积最高可达75GPa·％以上，是强韧性最为突出的金属材料之一，在航空航天、轨道交通、石油化工等领域具有非常广泛的应用价值。TWIP钢的高强韧性源于其形变过程中奥氏体晶粒内孪晶的形成。在一定载荷作用下，组织内会产生大量形变孪晶，不断分割细化晶粒，阻碍位错滑移，继而引发动态Hall-Petch效应，使材料强度提高，同时使应变由高应变区向低应变区转移，宏观上显示出均匀的无颈缩伸长，表现出极高的塑性。
基于TWIP钢的高强韧特性以及良好的加工成形性能，TWIP钢管材具有重要的工程价值，有望在部分领域取代目前广泛应用的奥氏体不锈钢管材。比如，石油膨胀管作为一种新型油井修复技术，欧美采用不锈钢，已实现工程应用，但材料变形能力依然不足，膨胀管材料要求高强、高塑以及低回弹性能，TWIP钢被认为最佳候选材料；航空导油管目前多采用奥氏体不锈钢，但随发动机性能提升，其抗疲劳性能已难以满足要求，TWIP钢有望成为替代材料。目前，鞍钢、宝钢、韩国浦项制铁等钢企，已研制出TWIP钢板材或汽车用TWIP钢零部件；中科院合肥物质科学研究院针对我国探月航天器软着陆卡脖子材料难题，基于产品服役要求，开发出高吸能TWIP钢，延伸率达110％以上，成功保障CE-3、CE-4航天器顺利登月。
虽然TWIP钢具有较奥氏体不锈钢更为优异的强韧性能以及加工成形性能，且成本更低，但合金中大量活性Mn元素(15-30wt.％)的存在，使之耐蚀性远不及奥氏体不锈钢材料。因此，在某些强腐蚀环境下，其工程应用受到了严重限制。目前，常规的解决方式是通过物理或化学表面处理的方法，制备耐蚀涂层，但传统表面处理成本较高，且多有副作用。如电镀工艺是可镀金属种类多，能够提高材料耐磨性以及表面美观度，但是电镀废液处理需要较大成本，易导致镀层厚度不匀等现象。又如热浸镀锌易引发氢脆，导致延迟断裂，难以实现管材以及其它复杂型材耐蚀镀层的批量制备。
另外，表面纳米化可采用表面机械研磨、激光冲击或喷丸、超声冲击、塑性加工等方法，在TWIP钢组织中引入纳米级形变孪晶，大量形变孪晶的产生可显著降低晶界界面能，进而提高TWIP耐蚀性能。但是目前表面纳米化多是针对板材、棒材等型材，对管材少有涉及，虽然有管内表面研磨技术出现，但要实现较细管径管材的的内表面纳米化仍然十分困难，必须控制合适的工艺参数，表面纳米化引入形变孪晶的同时，也将引入大量位错等缺陷，可能导致材料耐蚀性能下降。
因此，非常有必要开发一种用于提高TWIP钢管材耐蚀性能且适于工程应用的新的工艺方法。
发明内容
为了解决现有技术在TWIP钢管材耐蚀性强化方面的不足，本发明提出了一种提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，在传统TWIP钢热轧/热挤压管材基础上，引入一道“小变形冷拔+高温短时热处理”工艺，通过调控TWIP钢管材晶体组织中退火孪晶的比例及分布，形成大量含有退火孪晶等低能晶界的三叉晶界，进而打断随机大角度晶界的连通性，从而有效降低TWIP钢管材的腐蚀速率。
本发明提出的一种提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，包括如下步骤：
S1、将TWIP钢热轧/热挤压管材升温至1100-1200℃进行保温固溶处理得到管材坯料，将管材坯料冷拔变形得到冷拔管材；
S2、将步骤S1得到的冷拔管材在950-1150℃条件下进行退火处理得到耐腐蚀TWIP钢管。
优选地，步骤S1中，固溶处理时间为10-60min；冷拔变形量为5-10％。
优选地，步骤S2中，退火时间为5-30min。
优选地，步骤S2中，退火温度为1050℃。
优选地，步骤S1中，TWIP钢热轧/热挤压管材的外径为0.2-765mm，壁厚为0.015-5mm，长度可达5m。
优选地，步骤S1中，TWIP钢热轧管材为FeMnAlSi、FeMnC、FeMnAlC或FeMnCrCN型TWIP钢热轧/热挤压管材。
本发明还提供了一种耐腐蚀TWIP钢管，由所述的提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法制得。
本发明在传统工艺采用轧制、挤压、拉拔、锻造等塑性加工得到的TWIP钢管材基础上，在管材加工成形末期引入一道“小变形冷拔+高温短时热处理”处理工艺，通过调控TWIP钢管材晶体组织中退火孪晶的比例及分布，形成大量含有退火孪晶等低能晶界的三叉晶界，进而打断随机大角度晶界的连通性，从而实现TWIP钢管材腐蚀速率的降低。与传统表面处理相比，本发明采用退火孪晶结构调控的方法来改善材料组织的晶界网络结构，实现了TWIP钢晶界特征分布优化，克服了表面纳米化形变孪晶稳定性差以及各类表面镀覆技术难以对管材内表面进行处理的弊病。该方法综合了冷拔工艺简单、道次变形量小的工艺优势以及高温短时热处理易于操作、灵活高效的特点，即冷拔可以实现多种规格管材的高效、精密生产，小变形引发的应变储能提供了晶界迁移的驱动力，但又不致于诱发后续晶粒异常长大，高温诱发晶界迁移，较短时间热处理避免了再结晶，该工艺可以同步提升TWIP钢的耐蚀性能与力学性能，且可以与现有钢管轧制、拉拔等塑性加工工艺无缝衔接，便于规模化工程开发。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明制得的耐腐蚀TWIP钢管产品；
图3为本发明实施例1所得的耐腐蚀TWIP钢管材料的极化曲线；
图4为本发明实施例1所得耐腐蚀TWIP钢管材料的晶界特征分布图；(a)为原始TWIP钢材料，孪晶界(∑3晶界)比例为61％；(b)为冷拔+退火优化处理后耐腐蚀TWIP钢管钢材料，孪晶界比例占82％。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种提高Fe-25Mn-12Cr-0.7CN型TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，包括以下步骤：
S1、将外径10mm，壁厚1mm，长度1.2m的TWIP钢热轧管材升温至1200℃保温60min进行固溶处理得到管材坯料；采用YLB-B-5/20-15冷拔机将管材坯料进行冷拔，冷拔变形量为7％，得到冷拔管材；
S2、将冷拔管材置于真空热处理炉中，在1050℃高温条件下，保温10min进行退火处理得到耐腐蚀TWIP钢管；
本发明还包括后续处理工序，具体为：将耐腐蚀TWIP钢管经检测、探伤、包装得到产品。
实施例1所得耐腐蚀TWIP钢管的极化曲线如图3所示；分析图3可知，相比原始TWIP钢试样，实施例1所得耐腐蚀TWIP钢管的腐蚀电位增大，耐腐蚀性能提高。
实施例1所得耐腐蚀TWIP钢管的晶界特征分布图如图4所示；图4(a)中原始TWIP钢材料的孪晶界(∑3晶界)比例为61％；图4(b)中经冷拔+退火优化处理所得耐腐蚀TWIP钢材料的孪晶界比例占82％，可见，冷拔+退火工艺处理增加了TWIP钢管材晶体组织中孪晶界比例，改善了材料组织的晶界网络结构，阻断了一般大角度晶界的连通性，从而显著降低了TWIP钢管材的腐蚀速率。
实施例2
一种提高Fe-22Mn-0.6C型TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，包括以下步骤：
S1、将外径0.8mm，壁厚1mm，长度2m的TWIP钢热轧管材升温至1100℃保温60min进行固溶处理得到管材坯料；采用YLB-B-5/20-15冷拔机将管材坯料进行冷拔，冷拔变形量为5％，得到冷拔管材；
S2、将冷拔管材置于真空热处理炉中，在1150℃高温条件下，保温10min进行退火处理得到耐腐蚀TWIP钢管；
本发明还包括后续处理工序，具体为：将耐腐蚀TWIP钢管经检测、探伤、包装得到产品。
实施例3
一种提高Fe-30Mn-3Al-3Si型TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，包括以下步骤：
S1、将外径6mm，壁厚0.8mm，长度1.5m的TWIP钢热轧管材升温至1100℃保温30min进行固溶处理得到管材坯料；采用YLB-B-5/20-15冷拔机将管材坯料进行冷拔，冷拔变形量为5％，得到冷拔管材；
S2、将冷拔管材置于真空热处理炉中，在1000℃高温条件下，保温10min进行退火处理得到耐腐蚀TWIP钢管；
本发明还包括后续处理工序，具体为：将耐腐蚀TWIP钢管经检测、探伤、包装得到产品。
实施例4
一种提高Fe-25Mn-9Al-0.6C型TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，包括以下步骤：
S1、将外径1.2mm，壁厚1mm，长度2m的TWIP钢热轧管材升温至1100℃保温60min进行固溶处理得到管材坯料；采用YLB-B-5/20-15冷拔机将管材坯料进行冷拔，冷拔变形量为5％，得到冷拔管材；
S2、将冷拔管材置于真空热处理炉中，在1150℃高温条件下，保温20min进行退火处理得到耐腐蚀TWIP钢管；
本发明还包括后续处理工序，具体为：将耐腐蚀TWIP钢管经检测、探伤、包装得到产品。
实施例5
一种提高Fe-25Mn-12Cr-0.7CN型TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，包括以下步骤：
S1、将外径500mm，壁厚5mm，长度5m的TWIP钢热轧管材升温至1200℃保温60min进行固溶处理得到管材坯料；采用YLB-B-5/20-15冷拔机将管材坯料进行冷拔，冷拔变形量为5％，得到冷拔管材；
S2、将冷拔管材置于真空热处理炉中，在1150℃高温条件下，保温30min进行退火处理得到耐腐蚀TWIP钢管。
实施例6
一种提高Fe-25Mn-12Cr-0.7CN型TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，包括以下步骤：
S1、将外径20mm，壁厚5mm，长度2m的TWIP钢热轧管材升温至1200℃保温10min进行固溶处理得到管材坯料；采用YLB-B-5/20-15冷拔机将管材坯料进行冷拔，冷拔变形量为10％，得到冷拔管材；
S2、将冷拔管材置于真空热处理炉中，在1100℃高温条件下，保温30min进行退火处理得到耐腐蚀TWIP钢管。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将TWIP钢热轧/热挤压管材升温至1100-1200℃进行保温固溶处理得到管材坯料，将管材坯料冷拔变形得到冷拔管材；
S2、将步骤S1得到的冷拔管材在950-1150℃条件下进行退火处理得到耐腐蚀TWIP钢管。
2.根据权利要求1所述的提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，其特征在于，步骤S1中，固溶处理时间为10-60min；冷拔变形量为5-10％。
3.根据权利要求1或2所述的提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，其特征在于，步骤S2中，退火时间为5-30min。
4.根据权利要求1-3任一项所述的提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，其特征在于，步骤S2中，退火温度为1050℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，其特征在于，步骤S1中，TWIP钢热轧/热挤压管材的外径为0.2-765mm，壁厚为0.015-5mm，长度可达5m。
6.根据权利要求1-5任一项所述的提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法，其特征在于，步骤S1中，TWIP钢热轧/热挤压管材为FeMnAlSi、FeMnC、FeMnAlC或FeMnCrCN型TWIP钢热轧/热挤压管材。
7.一种耐腐蚀TWIP钢管，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述的提高TWIP钢管材耐蚀性能的工艺方法制得。
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