CN112662932B - 一种twip钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种TWIP钢，在Fe‑Mn‑C系TWIP钢的基础上加入W以及可选择性加入Cr、Mo、Ni、Ti、V合金元素中的一种或多种，其中W/C重量比为1.25‑10，优选为2‑5。同时本发明提供了一种TWIP钢的制备方法，结合合适的热处理过程，可以起到提高强度但不影响塑性的意外的效果，在提高TWIP钢强度的同时保持了其良好的塑性。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金及金属材料领域，尤其涉及一种TWIP钢及其制备方法。
背景技术
奥氏体TWIP (twinning-induced plasticity)钢具有高强度、高韧性和高应变硬化率等特点，其作为轻量化材料，在汽车和LNG船制造，石油和天然气开发等领域有广泛的应用前景。
在TWIP钢的不断发展过程中，人们已经陆续开发出了第一代的Fe-Mn-Si-Al系TWIP钢，第二代的Fe-Mn-C系TWIP钢以及在此基础上衍生出的Fe-Mn-C-Al和Fe-Mn-C-（Mo、Cr）类TWIP钢。目前已有的TWIP钢大多均是延伸率很好，但屈服强度和抗拉强度较低。
在高强低合金钢中常常添加 Ni、V、Ti 等强碳化物形成元素，通过沉淀强化和细晶强化来提高钢的力学性能。针对TWIP钢而言，研究表明，Ni在TWIP钢中可以形成纳米级NiC析出，弥散分布在奥氏体基体上并且细化晶粒，显著提高材料强度。V在TWIP钢中可以形成VC析出，减小再结晶过程中晶粒尺寸。TWIP钢中加入Ti、Mo合金可以形成（Ti, Mo)C，通过细晶和沉淀强化可以提高TWIP钢的屈服强度。
专利 CN 106191404 B 提出了一种高强度高塑性TWIP钢的制备方法，是通过异步轧制加冷轧结合退火处理的方法，并未涉及向TWIP钢中加入多种合金元素进行研究。专利CN 103667913 B提出了一种高屈服强度、高塑性TWIP钢的生产方法，炼钢合金化过程添加钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）一种或者一种以上过渡金属元素，这三种过渡元素是析出物形成元素，与碳元素、氮元素形成碳氮化合物析出物，细化晶粒，提高材料的屈服强度。但只能达到屈服强度超过1000MPa，同时均匀延伸率超过10%。专利 CN 104532137 B提出了钼铬合金化的高强度高塑性高碳TIWP钢及其制备方法，通过提高含碳量，把钼铬作为合金元素加入钢中，主要目的在于缩短固溶处理时间，简化工艺。
专利CN 108866447A一种高锰TWIP钢及其制造方法，高锰TWIP钢的化学成分重量百分比为：16%～26%Mn、2%～3% Si、0.05%～2.5% Al、0.1%～0. 3%C、0.01%～0.06%Cu 、0.01%～0.03%Ni、P <0.02%、S＜0.02%、0.01%～0.05%N，余量为Fe及不可避免的杂质。其抗拉强度可以达到大于900MPa。
专利CN 105441796A具有高强塑积TWIP钢及其制备方法，公开一种具有高强塑积TWIP钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.8％～1.2％，Si：0.1％～0.5％，Mn：14％～22％，P：≤0.02％，S:≤0.03％，Al：4.0％～6.0％，Ce：0.06％～0.2％，Bi：0.05％～0.4％余量为Fe和不可避免的杂质，抗拉强度大于900MPa，延伸率大于50％，强塑积大于50GPa％。
以上专利中TWIP钢的抗拉强度还远不能满足日益增长的工业应用需求,限制了TWIP钢在石油和天然气开发等领域更广泛的应用。如何提高TWIP钢的抗拉强度，同时又不损害其塑性，一直是本领域技术人员研究的热点及难点所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度高塑性TWIP钢及其制备方法。在提高TWIP钢强度的同时，不损害其塑性。
本发明提供了一种TWIP钢，在Fe-Mn-C系TWIP钢的基础上加入W以及可选择性加入Cr、Mo、Ni、Ti、V合金元素中的一种或多种，其中W/C重量比为1.25-10，优选为2-5。
更进一步，本发明提供一种TWIP钢，其组分及重量百分比为：C:0.3%-0.8%，Mn:12%-28%，W:1%-3%，Cr:0.5%-1.5%，Mo:0.2%-1%，Ni:0.05%-0.2%，Ti: 0.05%-0.2%，V:0.05%-0.2%，余量为Fe及不可避免的杂质。
发明人发现在TWIP钢中添加满足适当W/C比例的W，通过细晶和沉淀强化可以提高TWIP钢的屈服强度及TWIP钢的综合机械性能。
本发明另一方面，提供了一种TWIP钢的制备方法，包括如下步骤：
1)熔炼：将TWIP钢依照设计组分按比例进行熔炼，熔炼后浇铸成铸锭；
2)锻造：将铸锭进行锻造处理；
3)均匀化处理；
4)热轧：将均匀化处理后的锻件进行热轧；
5)冷轧：将热轧后的钢板空冷至室温后进行冷轧；
6)热处理：将冷轧后的钢板在350℃-650℃下进行退火处理，在空气炉中保温0.5-3h后水淬。
步骤1)中所述的熔炼优选在真空感应炉中进行，更优选熔炼过程中通入保护性气体氩气。步骤2)所述的锻造，锻造比在2-3之间。步骤3)所述的均匀化处理为在900℃-1200℃，优选1150℃的空气炉中进行均匀化处理，保温0.5-3h，优选1h后，水冷。
步骤4)所述的热轧开始温度为1000℃-1200℃，优选为1000℃-1100℃，最优为1050℃；终止温度为800℃-950℃，优选为800℃-900℃，最优为850℃；总下压量为20%-70%，优选为20%-50%，最优为30%。热轧为10mm-30mm，优选20 mm厚的钢板。
步骤5)所述冷轧，冷轧下压量为20%-50%，最优为30%。
步骤6)所述的热处理优选为在350℃-650℃，进一步优选为400℃-600℃下进行退火处理，在空气炉中保温0.5h-1.5h后水淬。
本发明将W元素按一定的W/C比例添加到镍钛合金中，可以有效形成碳钨化合物，显著提高合金的屈服强度和抗拉强度。更优选的，本发明向TWIP钢中加入W、Cr、Mo、Ni、Ti、V等合金元素，通过沉淀强化和细晶强化来提高现有TWIP钢的综合机械性能。
另外，本发明人发现添加W后的TWIP钢，再结合合适的热处理过程，可以起到提高强度但不影响塑性的意外的效果。通常热处理过程提高强度的同时会降低塑性，而本发明在提高TWIP钢强度的同时保持了其良好的塑性。
本发明的TWIP钢，抗拉强度可以超过1500MPa，屈服强度可以超过1200MPa，延伸率可以超过20%。
附图说明
图1是对比例1、实施例1、实施例2和对比例2所得试样在扫描电子显微镜下的金相照片；
其中：（a）未经热处理；（b）400℃热处理；（c）600℃热处理；（d）800℃热处理。
图2是对比例1、实施例1、实施例2和对比例2所得试样的透射电镜形貌图；
其中：（a）未经热处理；（b）400℃热处理；（c）600℃热处理；（d）800℃热处理。
图3是对比例1、实施例1、实施例2和对比例2所得试样的拉伸曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
制备本发明中一种钨合金化的高强度高塑性TWIP钢，其组分及重量百分比为：C:0.6%，Mn:16%，W:1.5%，Cr:1%，Mo:0.2%，Ni:0.1%，Ti: 0.1%，V: 0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质。其中W/C重量比为2.5。
其制备方法具体步骤包括：
1)熔炼：将TWIP钢依照设计组分按比例加入真空感应炉中进行熔炼，熔炼后浇铸成铸锭；
2)锻造：将铸锭进行锻造处理，锻造比在2.8。
3)均匀化处理：将锻件在1150℃的空气炉中进行均匀化处理，保温1h后，水冷；
4)热轧：将均匀化处理后的锻件进行热轧，热轧的开始温度为1050℃，终止温度为850℃，总下压量为30%，热轧为20 mm厚的钢板。
5)冷轧：将热轧后的钢板空冷至室温后进行冷轧，冷轧下压量为30%。
6)热处理：进一步的，将冷轧后的钢板在400℃下进行退火处理，在空气炉中保温1h后水淬。
试样在扫描电子显微镜下的金相照片，透射电镜形貌图以及拉伸曲线图见图1（b）、图2（b）和图3曲线2。
实施例2：
制备本发明中一种钨合金化的高强度高塑性TWIP钢，其组分及重量百分比为：C:0.4%，Mn:18%，W:2%，Cr:1%，Mo:0.3%，Ni:0.05%，Ti:0.05%，V:0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质。其中W/C重量比为5。
其制备方法具体步骤包括：
1)熔炼：将TWIP钢依照设计组分按比例加入真空感应炉中进行熔炼，熔炼后浇铸成铸锭；
2)锻造：将铸锭进行锻造处理，锻造比在2.8。
3)均匀化处理：将锻件在1150℃的空气炉中进行均匀化处理，保温1h后，水冷；
4)热轧：将均匀化处理后的锻件进行热轧，热轧的开始温度为1050℃，终止温度为850℃，总下压量为30%，热轧为20 mm厚的钢板。
5)冷轧：将热轧后的钢板空冷至室温后进行冷轧，冷轧下压量为30%。
6)热处理：进一步的，将冷轧后的钢板在600℃下进行退火处理，在空气炉中保温1h后水淬。
试样在扫描电子显微镜下的金相照片，透射电镜形貌图以及拉伸曲线图见图1（c）、图2（c）和图3曲线3。
实施例3：
制备本发明中一种钨合金化的高强度高塑性TWIP钢，其组分及重量百分比为：C:0.3%，Mn:18%，W:2%，Cr:1%，Mo:1%，Ni:0.05%，Ti:0.05%，V:0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质。其中W/C重量比为6.7。
其制备方法具体步骤包括：
1)熔炼：将TWIP钢依照设计组分按比例加入真空感应炉中进行熔炼，熔炼后浇铸成铸锭；
2)锻造：将铸锭进行锻造处理，锻造比在2.8。
3)均匀化处理：将锻件在1150℃的空气炉中进行均匀化处理，保温1h后，水冷；
4)热轧：将均匀化处理后的锻件进行热轧，热轧的开始温度为1050℃，终止温度为850℃，总下压量为30%，热轧为20 mm厚的钢板。
5)冷轧：将热轧后的钢板空冷至室温后进行冷轧，冷轧下压量为30%。
6)热处理：进一步的，将冷轧后的钢板在400℃下进行退火处理，在空气炉中保温1h后水淬。
上述方法制得TWIP钢，其抗拉强度1456 MPa，屈服强度1135 MPa，延伸率13.19%。
对比例1：
制备一种钨合金化的高强度高塑性TWIP钢，其组分及重量百分比为：C:0.6%，Mn:16%，W:1.5%，Cr:1%，Mo:0.2%，Ni:0.1%，Ti: 0.1%，V: 0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质。其中W/C重量比为2.5。（同实施例1）
其制备方法具体步骤包括：
1)熔炼：将TWIP钢依照设计组分按比例加入真空感应炉中进行熔炼，熔炼后浇铸成铸锭；
2)锻造：将铸锭进行锻造处理，锻造比为2.8；
3)均匀化处理：将锻件在1150℃的空气炉中进行均匀化处理，保温1h后，水冷；
4)热轧：将均匀化处理后的锻件进行热轧，热轧的开始温度为1050℃，终止温度为850℃，总下压量为30%，热轧为20 mm厚的钢板；
5)冷轧：将热轧后的钢板空冷至室温后进行冷轧，冷轧下压量为30%。
制备过程同实施例1，区别在于少了步骤6)的热处理过程。
试样在扫描电子显微镜下的金相照片，透射电镜形貌图以及拉伸曲线图见图1（a）、图2（a）和图3曲线1。
对比例2：
制备一种钨合金化的高强度高塑性TWIP钢，其组分及重量百分比为：C:0.6%，Mn:16%，W:1.5%，Cr:1%，Mo:0.2%，Ni:0.1%，Ti: 0.1%，V: 0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质。其中W/C重量比为2.5。（同实施例1）
其制备方法具体步骤包括：
1)熔炼：将TWIP钢依照设计组分按比例加入真空感应炉中进行熔炼，熔炼后浇铸成铸锭；
2)锻造：将铸锭进行锻造处理，锻造比为2.8；
3)均匀化处理：将锻件在1150℃的空气炉中进行均匀化处理，保温1h后，水冷；
4)热轧：将均匀化处理后的锻件进行热轧，热轧的开始温度为1050℃，终止温度为850℃，总下压量为30%，热轧为20 mm厚的钢板；
5)冷轧：将热轧后的钢板空冷至室温后进行冷轧，冷轧下压量为30%。
6)热处理：进一步的，将冷轧后的钢板在800℃下进行退火处理，在空气炉中保温1h后水淬。
试样在扫描电子显微镜下的金相照片，透射电镜形貌图以及拉伸曲线图见图1（d）、图2（d）和图3曲线4。
对比例3：
制备一种钨合金化的高强度高塑性TWIP钢，其组分及重量百分比为：C:0.6%，Mn:16%，W:7.2%，Cr:1%，Mo:0.2%，Ni:0.1%，Ti: 0.1%，V: 0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质。其中W/C重量比为12。
其制备方法具体步骤包括：
1)熔炼：将TWIP钢依照设计组分按比例加入真空感应炉中进行熔炼，熔炼后浇铸成铸锭；
2)锻造：将铸锭进行锻造处理，锻造比为2.8；
3)均匀化处理：将锻件在1150℃的空气炉中进行均匀化处理，保温1h后，水冷；
4)热轧：将均匀化处理后的锻件进行热轧，热轧的开始温度为1050℃，终止温度为850℃，总下压量为30%，热轧为20 mm厚的钢板；
5)冷轧：将热轧后的钢板空冷至室温后进行冷轧，冷轧下压量为30%。
6)热处理：进一步的，将冷轧后的钢板在400℃下进行退火处理，在空气炉中保温1h后水淬。
上述方法制得TWIP钢，其抗拉强度1656 MPa，屈服强度1235 MPa，延伸率7.19%。
对经过上述方法处理的试样进行扫描电镜、透射电镜分析及拉伸性能测试，测试结果如图1-3所示。从图1(a)可以看出冷轧后，对比例1中冷轧30%的晶粒沿轧制方向拉长，晶粒内部产生形变孪晶，没有碳化物析出。实施例1中400℃退火后(图1(b))，组织仍保持冷变形特征，没有观察到明显的碳化物析出，但与冷轧态相比，晶界变得更加不明显。实施例2中600℃时，观察到少量碳化物沿晶界析出（图1(c)）。对比例2中800℃时，发生再结晶和再结晶晶粒的长大（图1(d)）。
从图2(a)透射电镜图可以看出冷轧后（对比例1），试样内形成高密度的位错和孪晶。实施例1中400℃热处理后（图2(b)），试样发生回复，冷轧时形成的剪切带和孪晶仍然存在。实施例2中600℃时（图2(c)），已开始发生再结晶。对比例2中800℃时，再结晶晶粒发生明显长大（图2(d) ）。
从图3的拉伸曲线可以得出对比例1中冷轧态试样的抗拉强度为1477 MPa，屈服强度1233 MPa，延伸率13.02%。实施例1中400℃热处理后试样的抗拉强度1566 MPa，屈服强度1275 MPa，延伸率21.19%。实施例2中600℃热处理后试样的抗拉强度1486 MPa，屈服强度1041 MPa，延伸率22.49%。对比例2中800℃热处理后试样的抗拉强度1226 MPa，屈服强度522 MPa，延伸率54.84%。W/C重量比大于10后（对比例3），材料的抗拉强度有所提升，但延伸率下降明显，塑性变差，综合性能降低。
Claims (13)
1.一种TWIP钢，其特征在于，在Fe-Mn-C系TWIP钢的基础上加入W以及可选择性加入Cr、Mo、Ni、Ti、V合金元素中的一种或多种，其中W/C重量比为1.25-10；所述TWIP钢的组分及重量百分比为：C:0.3%-0.8%，Mn:12%-28%，W:1%-3%，Cr:0.5%-1.5%，Mo:0.2%-1%，Ni:0.05%-0.2%，Ti: 0.05%-0.2%，V:0.05%-0.2%，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述TWIP钢的制备方法，包括如下步骤：
1)熔炼：将TWIP钢依照设计组分按比例进行熔炼，熔炼后浇铸成铸锭；
2)锻造：将铸锭进行锻造处理；
3)均匀化处理；
4)热轧：将均匀化处理后的锻件进行热轧；
5)冷轧：将热轧后的钢板空冷至室温后进行冷轧；
6)热处理：将冷轧后的钢板在350℃-650℃下进行退火处理，在空气炉中保温0.5-3h后水淬。
2.根据权利要求1所述的TWIP钢，其特征在于，W/C重量比为2-5。
3.一种权利要求1或2所述TWIP钢的制备方法，包括如下步骤：
1)熔炼：将TWIP钢依照设计组分按比例进行熔炼，熔炼后浇铸成铸锭；
2)锻造：将铸锭进行锻造处理；
3)均匀化处理；
4)热轧：将均匀化处理后的锻件进行热轧；
5)冷轧：将热轧后的钢板空冷至室温后进行冷轧；
6)热处理：将冷轧后的钢板在350℃-650℃下进行退火处理，在空气炉中保温0.5-3h后水淬。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述的熔炼在真空感应炉中进行。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述的锻造，锻造比在2-3之间。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述的均匀化处理为在900℃-1200℃的空气炉中进行均匀化处理，保温0.5-3h后，水冷。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述的热轧开始温度为1000℃-1200℃；终止温度为800℃-950℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述的热轧开始温度为1000℃-1100℃；终止温度为800℃-900℃。
9.根据权利要求3或7所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述的热轧总下压量为20%-70%；热轧为10mm-30mm厚的钢板。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述的热轧总下压量为20%-50%。
11.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤5)所述冷轧，冷轧下压量为20%-50%。
12.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤6)所述的热处理为在350℃-650℃下进行退火处理，在空气炉中保温0.5h-1.5h后水淬。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，步骤6)所述的热处理为在400℃-600℃下进行退火处理，在空气炉中保温0.5h-1.5h后水淬。
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