CN113832320A - 一种低碳低合金钢超塑性材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低碳低合金钢超塑性材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：步骤一，将低碳低合金钢冶炼，冶炼过程中采用模铸生产出铸锭或连铸生产出连铸坯；步骤二，将铸锭或者连铸坯进行轧制成型，冷却后获得层片状或板条状组织坯料；步骤三，将经过轧制成型的坯料退火后在高温下快速拉伸以使延伸率达到100％以上，获得低碳低合金钢超塑性。本发明中实施的超塑性工艺应变速率最高为10‑2/s，较现有超塑性工艺提高了102数量级，可大大提高大型复杂零部件的生产制造效率、节约生产成本，并大幅度降低焊接应用。
Description
技术领域
本发明属于超塑性材料制备技术领域，具体涉及一种低碳低合金钢超塑性材料及其制备方法。
背景技术
超塑性材料在超塑性状态具有异常好的塑性和极低的流动应力(超塑性成型)，一般延伸率超过100％，特别适用于形状复杂及变形量较大的大型零部件制作。通过材料超塑性特性一次成形，减少零部件连接工艺，可节约生产制造成本、减少焊接应用及其相关实施工艺难题，因此超塑性材料在工业生产的很多领域中得到了广泛应用。
目前关于具有超塑性特征的材料制备方法主要集中在Zn、Al、Cu合金，关于超塑性钢的制备方法的专利较少。现有技术中，申请号为202010256442.8的专利主要采用石墨化处理和等温十字锻造处理的方法来获得具有良好超塑性的石墨化钢，组织特征为在等轴状的铁素体基体上弥散分布着近似球形的微细石墨粒子与粒状渗碳体，但该方法只适用于高碳钢；申请号为201710112465.X的专利公布了“一种基于形变孪晶退化实现TWIP钢超塑性的方法”，通过循环拉伸-退火实现形变孪晶退化与消失来获得100％的超塑性，工艺非常复杂，需要多次拉伸和热处理。申请号为201611235448.7的专利公布了“一种超塑性纯铁材料的生产加工工艺”，具体实施方式是通过拉拔及等温再结晶退火获得等轴超细晶的方式获得材料超塑性(平均晶粒度大于等于11级)，但是利用该方法需要拉拔技术形成钢丝后再退火就导致材料的横向尺寸受限，不适用于工业化生产大尺寸部件。申请号为201610827412.1的专利公布了“高应变速率中低碳中低合金超塑性钢及制备方法”，是在中高温区以0.1-0.001/s的应变速率变形获得200-1500％延伸率，但是该方法材料成分设计相对复杂，Mn、Al和Si含量范围较高，并且部分钢号中成分含有Cr、Ni、Nb、Ti、V等合金元素，增加了冶炼难度、生产成本高，不适合低成本、大尺寸复杂零部件大范围工业生产应用。
综上所述，现有公布的专利中，大多数使用循环拉伸及热处理的方式获得材料的超塑性，工艺相对复杂，且并未公布低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，而当今低碳低合金钢的用量占金属材料用量80％以上。
基于此本发明公布了一种低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，为工业化大型复杂零部件甚至整部件生产提供实施办法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低碳低合金钢超塑性材料及其制备方法，以解决目前的低碳低合金钢超塑性材料制备工艺复杂的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一，将低碳低合金钢冶炼，冶炼过程中采用模铸生产出铸锭或采用连铸生产出连铸坯；
步骤二，将所述铸锭或者所述连铸坯轧制成型，冷却后获得具有层片状或板条状组织的坯料，所述坯料退火后获得铁素体和奥氏体双相组织；
步骤三，将经过退火后的坯料在高温下拉伸以使延伸率达到100％以上，获得低碳低合金钢超塑性材料。
在如上所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，优选，步骤二中，所述轧制成型包括热轧或冷轧，轧制变形量为30％以上；
优选地，所述轧制成型采用多道次轧制。
在如上所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，优选，所述热轧温度在700℃以上，所述冷轧的温度在500℃以下；
优选地，所述热轧的温度为800-1200℃，所述冷轧的温度在100-500℃；
再优选地，在热轧温度800-1200℃下保温1-4h；在冷轧温度100-500℃下保温1-4h。
在如上所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，优选，步骤二中，所述层片状或板条状组织为铁素体和马氏体两相交替组织，满足铁素体组织片层平均厚度小于50μm；
优选地，所述退火后获得的铁素体和奥氏体双相组织，其中奥氏体体积分数含量在5％以上。
在如上所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，优选，步骤二中，所述冷却包括空冷、层流冷却或淬火。
在如上所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，优选，步骤三中，所述高温为700-1150℃；
优选地，所述高温为800-1000℃。
在如上所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，优选，步骤三中，所述拉伸过程中的拉伸应变速率为10-3/s以上。
在如上所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，优选，按照质量百分比，所述低碳低合金钢包括如下化学成分：C：0.01-0.4％、Mn：1-6％、Al：0.5-6％、余量为Fe及不可避免的杂质。
在如上所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，优选，按照质量百分比，所述低碳低合金钢包括如下化学成分：C：0.05-0.3％、Mn：2-6％、Al：1-6％、余量为Fe及不可避免的杂质。
一种低碳低合金钢超塑性材料制备方法制备出的低碳低合金钢超塑性材料。
有益效果：
本发明提供的一种低碳低合金钢超塑性材料及其制备方法，超塑性行为的实现工艺简单，不采用任何循环反复拉拔-退火过程，材料经常规的热轧和冷轧及退火后即可直接实现在高温拉伸过程中超塑性行为。且高温拉伸过程中的应变速率可达到10-2/s以上，较现有常规的超塑性变形应变速率(10-4-10-3/s)可提高两个数量级，大大提高生产制造效率，节约成本。
本发明提供的低碳低合金钢超塑性材料制造方法具有广阔的潜在市场应用空间和价值，因为低碳低合金钢超塑性材料用量占金属材料用量80％以上，且本发明方法实施过程简单，不需要额外增加大型的生产设备即可实现，市场应用价值高。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例1的0.1C5Mn2Al钢在600-1100℃高温拉伸变形工程应力-工程应变曲线；
图2为本发明实施例1的热轧态0.1C5Mn2Al微观组织对比，其中(a)为热轧态铁素体和马氏体金相组织图，(b)为退火前TEM微观组织图；(c)为800℃退火后TEM微观组织图；
图3为本发明实施例2的0.05C5Mn2Al方坯热轧后的微观组织(其中L代表轧制方向，S代表垂直方向)；
图4为本发明实施例2的0.05C5Mn2Al钢在750-900℃高温拉伸变形真应力-真应变曲线；
图5为本发明实施例2的0.05C5Mn2Al钢在600-1100℃高温拉伸变形工程应力-工程应变曲线；
图6为本发明实施例3的0.20C5Mn3Al钢在700-1150℃高温拉伸变形工程应力-工程应变曲线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为解决超塑性低碳低合金钢生产制造技术的空白，实现占金属材料用量80％的低碳低合金钢复杂部件及整体部件的一次成型，本发明提供了一种低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，材料经热轧或冷轧、冷却后直接在高温以较高的应变速率拉伸延伸率可达到100％以上，获得材料的超塑性。本发明中较高的应变速率较现有实施的超塑性工艺可提高102数量级，可大大提高大型复杂零部件的生产制造效率、节约生产成本，大幅度降低焊接应用。本发明在拉伸过程中保持超细晶组织和高稳定性且延伸率可达到100％以上，减少轧后退火工艺降低生产成本。
本发明的低碳低合金钢材料中碳与合金元素含量较低，合金元素包括铁素体形成元素Al和奥氏体形成元素Mn，按照质量百分比，低碳低合金钢包括如下化学成分：C：0.01-0.4％(比如0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％)、Mn：1-6％(比如1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％)、Al：0.5-6％(比如0.6％、0.8％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％)、余量为Fe及不可避免的杂质。
优选地，低碳低合金钢包括如下化学成分：C：0.05-0.3％、Mn：2-6％、Al：1-6％、余量为Fe及不可避免的杂质。
其中，置换原子Mn和Al在高温变形过程中可起到对界面迁移的拖曳作用、阻止晶粒快速粗化，此外含有奥氏体形成的Mn元素高温变形过程中可促进冷轧和热轧后形成的层片状或板条状组织向等轴超细晶组织转变，这些均保证了材料在高温拉伸过程中组织的超细性和稳定性，为材料的超塑性行为提供了组织基础。
本发明提供的一种低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，制备方法包括以下步骤：
步骤一，将低碳低合金钢冶炼，冶炼过程中采用模铸生产出铸锭或采用连铸生产出连铸坯。其中冶炼过程中可以使用转炉、电炉和感应炉进行冶炼。
步骤二，将铸锭或者连铸坯轧制成型，冷却后获得具有层片状或板条状组织的坯料，且坯料退火后获得铁素体和奥氏体双相组织。
本发明的具体实施例中，轧制成型包括热轧或冷轧，轧制变形量为30％以上；如果轧制变形量过小，高温拉伸变形过程中形成的组织会较为粗大，不利于实现超塑性变形；优选地，轧制成型可采用多道次轧制，即热轧采用多道次轧制或者冷轧采用多道次轧制。
热轧温度在700℃以上，冷轧的温度在500℃以下；优选地，热轧的温度为800-1200℃(比如850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃)，冷轧的温度在100-500℃(比如150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃)。步骤二中，轧制成型后得到的铁素体和马氏体两相交替的层片状或板条状组织，满足铁素体片层平均厚度小于50μm；在此温度范围内进行多道次轧制以便获得层片状或者板条状的铁素体和马氏体双相组织。此阶段得到的铁素体和马氏体双相组织经退火后获得铁素体和奥氏体双相组织，可为后续的高温拉伸过程材料的超塑性行为提供组织基础。铁素体和奥氏体双向组织中奥氏体体积分数含量在5％以上。再优选地，在热轧温度800-1200℃下保温1-4h(比如1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h)；在冷轧温度100-500℃下保温1-4h(比如1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h)。
本发明的具体实施例中，冷却包括空冷、层流冷却或淬火。
步骤三，将经过轧制成型后的坯料在高温下拉伸以使延伸率达到100％以上，得到低碳低合金钢超塑性材料。
本发明的具体实施例中，步骤三中，高温为700-1150℃(比如750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃)；优选地，高温为800-1000℃。在此温度范围内进行高温拉伸时，才能确保材料内部组织为铁素体和奥氏体双相组织。温度过低，元素扩散较慢，奥氏体形成不充分；温度过高，会导致晶粒尺寸长大较快，降低组织稳定性。
本发明的具体实施例中，拉伸过程中的拉伸应变速率最大可达到10-2/s以上(比如10-2/s、2×10-2/s、4×10-2/s、6×10-2/s、8×10-2/s等等)，保证材料在快速拉伸过程中延伸率达到100％以上，实现材料的超塑性特性。本发明中的高温拉伸应变速率相较于常规的超塑性变形应变速率(10-4-10-3/s)最大可提高两个数量级，大大提高生产制造效率，节约成本。
本发明还提供了一种低碳低合金钢超塑性材料的制备方法制备出的低碳低合金钢超塑性材料。
实施例1
0.1C5Mn2Al钢超塑性材料制备
0.1C5Mn2Al钢表示按照质量百分比，C元素含量为0.1％，Mn元素含量为5％，Al元素含量为2％。
本实施例提供的一种低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，包括以下步骤：
首先利用原材料实验室50kg真空感应炉冶炼、铸造、锻造制成30mm厚、成分为0.1C5Mn2Al的方坯，随后在1200℃保温2h后经过4道次(30-24-20-15-12mm)热轧至12mm厚后空冷至室温，形成铁素体和马氏体组织如图2中(a)中所示。轧制后的变形量为60％。
然后将试样加工成标准的拉伸试样尺寸，将其加热至不同温度以10-3/s拉伸速率进行超塑性变形，结果如图1所示，可以看出在700-900℃不同温度范围内拉伸后延伸率均达到100％及以上，实现了材料的超塑性。
退火前后的微观组织如图2所示，图2中(a)显示了热轧后的微观组织为层片状的铁素体和马氏体组织，图2中(b)为退火前的马氏体微观组织，图2中(c)为800℃退火后的微观组织，可发现退火过程中发生了奥氏体相变，形成了奥氏体。
实施例2
0.05C5Mn2Al钢超塑性材料制备
0.05C5Mn2Al钢表示按照质量百分比，C元素含量为0.05％，Mn元素含量为5％，Al元素含量为2％。
本实施例提供的一种低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，包括以下步骤：
首先利用原材料实验室50kg真空感应炉冶炼、铸造、锻造制成30mm厚、成分为0.05C5Mn2Al的方坯，随后在1200℃保温2h后经过4道次(30-24-20-15-12mm)热轧至12mm后空冷至室温；轧制后的变形量为60％。热轧后形成的层片状铁素体和马氏体两相交替组织，如图3所示。然后将试样加工成标准的拉伸试样尺寸，将其加热至不同温度以10-2/s拉伸速率进行超塑性变形，结果如图4所示，可以看出在750-900℃不同温度范围内拉伸后延伸率均达到100％及以上，实现了材料的超塑性。
此外，将该材料在不同温度以10-3/s拉伸速率进行超塑性变形，结果如图5所示，可以看出在700-1000℃不同温度范围内拉伸后延伸率均达到100％及以上，实现了材料的超塑性。
与10-3/s的拉伸速率相比，结果基本接近，但是以10-2/s拉伸速率进行超塑性变形可以提高变形效率一个数量级，可大量节约变形时间，进一步说明了本发明低碳低合金钢超塑性材料制备方法的优异效果。
实施例3
0.2C5Mn3Al钢超塑性材料制备
0.2C5Mn3Al钢表示按照质量百分比，C元素含量为0.2％，Mn元素含量为5％，Al元素含量为3％。
本实施例提供的一种低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，包括以下步骤：
首先利用原材料实验室50kg真空感应炉冶炼、铸造、锻造制成30mm厚、成分为0.20C5Mn3Al的方坯后，随后在1200℃保温2h后经过4道次(30-24-20-15-12mm)热轧至12mm后空冷至室温；轧制后的变形量为60％。
然后将试样加工成标准的拉伸试样尺寸将其加热至不同温度以10-3/s拉伸速率进行超塑性变形，结果如图6所示，可以看出在700-1150℃不同温度范围内拉伸后延伸率均达到100％及以上，实现了材料的超塑性。本实施例进一步证明了本发明低碳低合金钢超塑性材料的制备方法的有效性。
对照例1
0.1C5Mn2Al钢超塑性材料制备
本对照例采用与实施例1相同的低碳低合金钢，且低碳低合金钢超塑性材料的制备方法与实施例1相同，仅仅在步骤三中经过高温600℃拉伸变形，以10-3/s拉伸速率进行超塑性变形，结果如图1所示，可以看出在600℃拉伸后延伸率无法达到100％及以上，无法实现材料的超塑性变形。
对照例2
0.05C5Mn2Al钢超塑性材料制备
本对照例采用与实施例2相同的低碳低合金钢，且低碳低合金钢超塑性材料的制备方法与实施例2相同，仅仅在步骤三中经过高温600℃拉伸变形，以10-3/s拉伸速率进行超塑性变形，结果如图5所示，可以看出在600℃拉伸后延伸率无法达到100％及以上，无法实现材料的超塑性变形。
综上所述：本发明提供的一种低碳低合金钢超塑性材料及其制备方法，将低碳低合金钢热轧或冷轧保证变形量在30％以上后冷却至室温以形成细小的亚结构组织。将低碳低合金钢经热轧或冷轧后直接在700-1150℃高温以10-3/s及以上应变速率拉伸，拉伸过程中保持超细晶组织和高稳定性且延伸率可达到100％以上，减少轧后退火工艺降低生产成本。本发明的制备方法填补了低碳低合金超塑性钢生产制造技术的空白，为低中碳超塑性汽车钢制造提供了技术支撑，且利用钢的超塑性可实现超大零部件成型或整体成型，减少生产制造过程中零部件数量，大幅度降低焊接应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一，将低碳低合金钢冶炼，冶炼过程中采用模铸生产出铸锭或采用连铸生产出连铸坯；
步骤二，将所述铸锭或者所述连铸坯轧制成型，冷却后获得具有层片状或板条状组织的坯料，所述坯料退火后获得铁素体和奥氏体双相组织；
步骤三，将经过退火后的坯料在高温下拉伸以使延伸率达到100％以上，获得低碳低合金钢超塑性材料。
2.如权利要求1所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述轧制成型包括热轧或冷轧，轧制变形量为30％以上；
优选地，所述轧制成型采用多道次轧制。
3.如权利要求2所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，其特征在于，所述热轧温度在700℃以上，所述冷轧的温度在500℃以下；
优选地，所述热轧的温度为800-1200℃，所述冷轧的温度在100-500℃；
再优选地，在热轧温度800-1200℃下保温1-4h；在冷轧温度100-500℃下保温1-4h。
4.如权利要求1所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述层片状或板条状组织为铁素体和马氏体两相交替组织，满足铁素体组织片层平均厚度小于50μm；
优选地，所述退火后获得的铁素体和奥氏体双相组织，其中奥氏体体积分数含量在5％以上。
5.如权利要求1所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述冷却包括空冷、层流冷却或淬火。
6.如权利要求1～5中任一项所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述高温为700-1150℃；
优选地，所述高温为800-1000℃。
7.如权利要求1所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述拉伸过程中的拉伸应变速率为10-3/s以上。
8.如权利要求1～7中任一项所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，其特征在于，按照质量百分比，所述低碳低合金钢包括如下化学成分：C：0.01-0.4％、Mn：1-6％、Al：0.5-6％、余量为Fe及不可避免的杂质。
9.如权利要求8所述的低碳低合金钢超塑性材料的制备方法，其特征在于，按照质量百分比，所述低碳低合金钢包括如下化学成分：C：0.05-0.3％、Mn：2-6％、Al：1-6％、余量为Fe及不可避免的杂质。
10.一种如权利要求1～9任一所述低碳低合金钢超塑性材料的制备方法制备出的低碳低合金钢超塑性材料。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114606430A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-06-10 | 兴机电器有限公司 | 一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢及其制备方法 |
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| CN106350739A (zh) * | 2016-09-14 | 2017-01-25 | 钢铁研究总院 | 高应变速率中低碳中低合金超塑性钢及制备方法 |
| US20180179611A1 (en) * | 2016-12-28 | 2018-06-28 | Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University | Superplastic medium manganese steel and method of produing the same |
| CN110551878A (zh) * | 2019-10-12 | 2019-12-10 | 东北大学 | 一种超高强度超高韧性低密度双相层状钢板及其制备方法 |
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2021
- 2021-09-23 CN CN202111117135.2A patent/CN113832320A/zh active Pending
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