CN114082982B - 一种高强韧叠层异构钢板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强韧叠层异构钢板的制备方法。包括如下步骤：(1)电弧堆焊：选用低碳钢和奥氏体不锈钢焊丝，使用电弧增材方法进行逐层堆焊，制成叠层板材；(2)高温热轧及临界热处理：叠层板材在1000℃‑1200℃进行热轧，累积轧制量为20％‑50％；热轧结束后将钢板空冷至低碳钢对应的奥氏体单相区或者铁素体‑奥氏体两相区，保温1‑20min后进行水淬；(3)低温轧制：通过低温轧制使奥氏体不锈钢片层发生应变诱导马氏体相变，同时细化低碳钢片层晶粒尺寸；(4)异构热处理：对低温轧制后的钢板进行异构热处理，得到由超细奥氏体和高强低碳钢组成的叠层异构钢板。本发明的钢材具有超高硬度与良好的韧性，工艺流程简单，形成的异种材料界面结合良好。
Description
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种高强韧叠层异构钢板的制备方法。
背景技术
钢铁材料作为最常见的结构材料，广泛应用于建筑、交通运输、石油化工等各领域。提高钢铁材料的强度对于结构轻量化和提升结构安全性能具有重要意义。对于钢铁材料而言，增加碳含量是各种强化钢铁材料方式中最有效和经济节约的方式，但是碳含量的增加也相应地会带来很多弊端，例如材料的可焊接性能和成型性能会降低。而目前工业上常用的低碳合金钢的强度普遍较低，例如常用的Q235钢的抗拉强度通常在500MPa以下，难以满足更高强度等级的要求。因此，如何通过有效的方式来获得高性能钢铁材料对于推广钢铁材料的应用具有重要意义。
奥氏体不锈钢通常具有较低的屈服强度和优异的均匀延伸率，为了提高其屈服强度，Ren等人(Ultrahigh-strength AISI-316austenitic stainless steel foilsthrough concentrated interstitial carbon,Acta Materialia,(2019)167:231-240.)对316奥氏体不锈钢进行低温渗碳来提高合金零件性能。该方法的特点是：(1)可以将奥氏体不锈钢的屈服强度提高4倍；(2)钢的表面层具有高硬度，而工件的中心部分仍然具有比较好的韧性，使材料具有更高强度的同时，减少了韧性的损失。但是，此方法适用于薄片样品，而且渗碳工艺比较复杂，渗碳层厚度难控制。除了利用合金元素以外，通过马氏体相变和晶粒细化可以大幅提高材料的强度。
R.K.Islamgaliev等人(Effect of grain refinement on mechanicalproperties of martensitic steel)对马氏体钢进行进一步等径角挤压(ECAP)，使晶粒得到了显著的细化，晶粒尺寸为0.8μm，有效提高了马氏体钢的强度，但是材料基本没有均匀延伸率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备高强韧钢板的方法，首先通过电弧增材，将低碳低合金钢和奥氏体不锈钢焊丝进行逐层堆焊，制成叠层板材；再通过高温热轧消除堆焊过程的孔隙缺陷并结合后续临界热处理调节变形前初始组织，然后通过低温轧制变形使奥氏体不锈钢片层发生应变诱导马氏体相变，同时细化低碳钢片层晶粒尺寸；最后通过精确的异构热处理工艺使奥氏体片层发生逆相变形成细小的等轴奥氏体晶粒，同时使低碳钢片层转变成铁素体-马氏体双相结构或者全马氏体结构，得到由超细奥氏体片层和高强度低碳钢片层组成叠层异构钢铁材料。其中强度高的低碳钢片层和韧性好的奥氏体片层分别作为异构材料的软硬组元，两者协调变形，提高材料综合力学性能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高强韧叠层异构钢板的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：电弧堆焊：选用低碳钢和奥氏体不锈钢焊丝，使用电弧增材方法进行逐层堆焊，制成叠层板材；
步骤(2)：高温热轧及临界热处理：叠层板材在1000℃-1200℃进行热轧，累积轧制量为20％-50％；热轧结束后将钢板空冷至低碳钢对应的奥氏体单相区或者铁素体-奥氏体两相区，保温1-20min后进行水淬；
步骤(3)：低温轧制：通过低温轧制使奥氏体不锈钢片层发生应变诱导马氏体相变，同时细化低碳钢片层晶粒尺寸；
步骤(4)：异构热处理：对低温轧制后的钢板进行异构热处理，得到由超细奥氏体和高强低碳钢组成的叠层异构钢板。
进一步的，步骤(1)增材过程中送丝速度为4-6m/min、电流为100-150A、电压为10-15V、电弧运动速度为2-6mm/s、摆动幅度为2-5mm、保护气采用Ar+CO2混合气体、气体流量为10-30L/min，焊丝与基板夹角为50-70°。
进一步的，所述低碳钢焊丝和奥氏体不锈钢焊丝直径为0.8-2mm，低碳钢焊丝碳含量范围为0.03-0.25wt.％，奥氏体不锈钢为3系列奥氏体不锈钢。
进一步的，每层堆焊的低碳钢或者奥氏体不锈钢层的厚度为2mm-10mm。
进一步的，临界热处理的铁素体+马氏体两相区温度为720-860℃。
进一步的，步骤(3)的低温轧制具体为：轧制温度为-196℃-350℃，每道次下轧量为0.2-0.8mm，累积轧制量为50％-95％。
进一步的，步骤(3)中的低温轧制中进行低于0℃轧制前将样品浸泡在液氮中5-10min；进行高于25℃轧制前将样品放入马弗炉加热保温5-30min。
进一步的，步骤(4)的异构热处理具体为：对低温轧制后的钢板进行700°C-900℃热处理，保温时间1-60min，之后对钢板进行淬火处理，得到由超细奥氏体和高强低碳钢组成的叠层异构钢板。
一种高强韧叠层异构钢板，采用上述的方法制备。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明通过电弧堆焊(丝材增材)的方式将低碳低合金钢和奥氏体不锈钢增材形成一个整体坯料，实现了强度高、塑性变形能力差的低碳低合金钢和奥氏体不锈钢的结合，并通过后续的“高温热轧及临界热处理-低温轧制-异构热处理”使得低碳低合金钢形成由铁素体+马氏体组成的高强度低碳钢片层、并使得奥氏体不锈钢形成具有超细奥氏体晶粒的片层，形成强度、塑性兼具且界面结合良好的异构钢板。
(2)可以有效强化钢材，制成的钢材具有超高硬度与良好的韧性；工艺流程简单，生产设备简单；堆焊过程中，焊丝经过熔化，凝固过程，形成的异种材料界面结合良好。
附图说明
图1为本发明的制备方法流程示意图。
图2为本发明的异构热处理前的钢板的微观结构示意图。
图3为本发明的异构热处理后的钢板的微观结构示意图。
附图标记说明：
1-低碳钢，2-奥氏体不锈钢，3-焊丝，4-轧辊，5-真空炉，6-轧制后的叠层材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
一种高强韧叠层异构钢的制备方法，主要包括以下步骤：
第一步，电弧堆焊：在奥氏体不锈钢基板上，通过电弧增材方式堆焊一定厚度的低碳钢，随后在低碳钢层上以奥氏体不锈钢焊丝为增材材料堆焊一定厚度的不锈钢层，如此往复，获得奥氏体不锈钢和低碳钢叠层材料，送丝速度为4-6m/min、电流为100-150A、电压为10-15V、电弧运动速度为2-6mm/s、摆动幅度为2-5mm、保护气采用Ar+CO2混合气体、气体流量为10-30L/min，焊丝与基板夹角为50-70°。
第二步，高温热轧及临界热处理：轧制过程由高温热轧和低温轧制组成，首先对电弧增材得到的叠层钢板在1000℃-1200℃进行热轧，累积轧制量为20％-50％；热轧结束后将钢板降温(空冷)至低碳钢对应的奥氏体单相区或者铁素体-奥氏体两相区，保温1-20min后进行水淬。
第三步，低温轧制：对热轧及临界热处理得到的钢板进行低温轧制，轧制温度在-196℃-350℃，每道次下轧量为0.2-0.5mm，累积轧制量为50％-95％。
第四步，异构热处理：对低温轧制后的钢板进行700℃-900℃热处理，保温时间1-60min，之后对钢板进行淬火处理，得到由超细奥氏体和高强低碳钢组成的叠层异构钢铁材料。
实施例1
选用直径为1.2mm的ER60-G低碳钢焊丝和ER316L奥氏体不锈钢焊丝。
(1)电弧堆焊：
在300mm×400mm×5mm厚的316L奥氏体不锈钢基板上，先通过多道多层堆焊5mm厚的ER60-G低碳钢，随后在低碳钢层上以ER316L不锈钢焊丝堆焊5mm厚的不锈钢层，如此往复，获得4层由奥氏体不锈钢和低碳钢组成的叠层材料，增材过程中送丝速度为4m/min、电流为120A、电压为12V、电弧运动速度为3mm/s、摆动幅度为4mm、保护气采用80％Ar+20％CO2混合气体、气体流量为15L/min，焊丝与基板夹角为60°
(2)高温热轧及临界热处理：
首先利用电火花线切割切除多余的奥氏体基板，并用砂轮打磨样品表面，然后对电弧增材得到的叠层钢板在1000℃保温2h，进行热轧，累积轧制量为50％，将叠层板材的厚度从20mm减小至10mm；随后将钢板冷却至820℃保温10min，随后进行水淬，得到的钢板中低碳钢片层组织为铁素体+马氏体双相结构，奥氏体片层为单相奥氏体结构。
(3)低温轧制：
对热轧钢板进行室温冷轧，每道次下轧量为0.5mm，每道次结束后将样品静置空气中30s，减小变形过程中的温升，最终将板材厚度减小至1mm，累积变形量为90％。
(4)异构热处理：
对冷轧后的钢板进行750℃热处理，保温时间30min，之后对钢板进行淬火处理，淬火介质为水。
实施例2
选用直径为1.2mm的ER60-G低碳钢焊丝和ER316L奥氏体不锈钢焊丝。
(1)电弧堆焊：
在300mm×400mm×5mm厚的316L奥氏体不锈钢基板上，多道多层堆焊5mm厚的ER60-G低碳钢，随后在低碳钢层上以ER316L不锈钢焊丝为增材材料堆焊5mm厚的不锈钢层，如此往复，获得4层由奥氏体不锈钢和低碳钢组成的叠层材料，增材过程中送丝速度为4m/min、电流为120A、电压为12V、电弧运动速度为3mm/s、摆动幅度为4mm、保护气采用80％Ar+20％CO2混合气体、气体流量为15L/min，焊丝与基板夹角为60°
(2)高温热轧及临界热处理：
首先利用电火花线切割切除多余的奥氏体基板，并用砂轮打磨样品表面，然后对电弧增材得到的叠层钢板在1000℃保温2h，进行热轧，累积轧制量为50％，将叠层板材的厚度从20mm减小至10mm；随后将钢板冷却至820℃保温10min，随后进行水淬，得到的钢板中低碳钢片层组织为铁素体+马氏体双相结构，奥氏体片层为单相奥氏体结构。
(3)低温轧制：
对热轧及临界热处理得到的钢板进行300℃轧制，轧制之前将样品放入马弗炉加热10min，每道次下轧量为0.5mm，每道次结束后将样品静置空气中30s，减小变形过程中的温升，最终将板材厚度减小至1mm，累积变形量为90％。
(4)异构热处理：
对冷轧后的钢板进行750℃热处理，保温时间30min，之后对钢板进行淬火处理，淬火介质为水。
实施例3
选用直径为1.2mm的ER60-G低碳钢焊丝和ER316L奥氏体不锈钢焊丝。
(1)电弧堆焊：
在300mm×400mm×5mm厚的316L奥氏体不锈钢基板上，多道多层堆焊7mm厚的ER60-G低碳钢，随后在低碳钢层上以ER316L不锈钢焊丝为增材材料堆焊3mm厚的不锈钢层，如此往复，获得4层由奥氏体不锈钢和低碳钢组成的叠层材料，增材过程中送丝速度为4m/min、电流为120A、电压为12V、电弧运动速度为3mm/s、摆动幅度为4mm、保护气采用80％Ar+20％CO2混合气体、气体流量为15L/min，焊丝与基板夹角为60°
(2)高温热轧及临界热处理：
首先利用电火花线切割切除多余的奥氏体基板，并用砂轮打磨样品表面，然后对电弧增材得到的叠层钢板在1000℃保温2h，进行热轧，累积轧制量为50％，将叠层板材的厚度从20mm减小至10mm；随后将钢板冷却至820℃保温10min，随后进行水淬，得到的钢板中低碳钢片层组织为铁素体+马氏体双相结构，奥氏体片层中为单相奥氏体结构。
(3)低温轧制：
对热轧及临界热处理得到的钢板进行液氮温度轧制，轧制之前将材料浸入液氮中保持10min，再将板材进行轧制，每道次下轧量为0.5mm，如此反复至板材厚度减小至1mm，累积变形量为90％。
(4)异构热处理：
对液氮轧制后的钢板进行750℃热处理，保温时间30min，之后对钢板进行淬火处理，淬火介质为水。
Claims (7)
1.一种高强韧叠层异构钢板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：电弧堆焊：选用低碳钢和奥氏体不锈钢焊丝，使用电弧增材方法进行逐层堆焊，制成叠层板材；
步骤(2)：高温热轧及临界热处理：叠层板材在1000℃-1200℃进行热轧，累积轧制量为20％-50％；热轧结束后将钢板空冷至低碳钢对应的奥氏体单相区或者铁素体-奥氏体两相区，保温1-20min后进行水淬；
步骤(3)：低温轧制：通过低温轧制使奥氏体不锈钢片层发生应变诱导马氏体相变，同时细化低碳钢片层晶粒尺寸；轧制温度为-196℃-350℃，每道次下轧量为0.2-0.8mm，累积轧制量为50％-95％；
步骤(4)：异构热处理：对低温轧制后的钢板进行700℃-900℃热处理，保温时间1-60min，之后对钢板进行淬火处理，得到由超细奥氏体和高强低碳钢组成的叠层异构钢板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)增材过程中送丝速度为4-6m/min、电流为100-150A、电压为10-15V、电弧运动速度为2-6mm/s、摆动幅度为2-5mm、保护气采用Ar+CO2混合气体、气体流量为10-30L/min，焊丝与基板夹角为50-70°。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述低碳钢焊丝和奥氏体不锈钢焊丝直径为0.8-2mm，低碳钢焊丝碳含量范围为0.03-0.25wt.％，奥氏体不锈钢为3系列奥氏体不锈钢。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每层堆焊的低碳钢或者奥氏体不锈钢层的厚度为2mm-10mm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，临界热处理的铁素体+马氏体两相区温度为720-860℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的低温轧制中进行低于0℃轧制前将样品浸泡在液氮中5-10min；进行高于25℃轧制前将样品放入马弗炉加热保温5-30min。
7.一种高强韧叠层异构钢板，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的方法制备。
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