CN115338389B - 一种改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法和中锰钢 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，所述方法在中锰钢的凝固过程中，在中锰钢的钢液处于全液状态、固液共存状态、凝固成全固状态和全固状态高温变形时均施加电脉冲处理，改善中锰钢铸态组织和提升高温塑性。本发明采用低压电脉冲技术可以有效的抑制中锰钢凝固过程中晶界铁素体的析出，同时也可以扩大等轴晶区，提升钢材的铸坯质量和热加工性能，且能够在不引入其他杂质的前提下进行凝固组织调控，有着高效节能和绿色环保的优点。

Description

一种改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法和中锰钢
技术领域
本发明属于铸坯制造技术领域，具体涉及一种改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法和中锰钢。
背景技术
中锰钢以优良的综合力学性能被认为是最有潜力的第三代先进高强钢。中锰钢通常含有3wt.％-12wt.％的锰和一定含量的铝，在临界区退火后显微组织呈现“多相、亚稳、多尺度”的特征。该高性能中锰钢在推向工业化生产和应用过程中存在诸多工程问题亟需解决。根据现有研究，中锰钢中较高的Mn、Al等合金含量容易导致凝固组织粗大且不均匀，严重恶化连铸坯的热塑性。此外，中锰钢具有较宽的两相区，各相之间不协调变形引起的高温裂纹是造成高温脆性的重要原因。凝固组织的均匀性和抑制高温铁素体析出是提升中锰钢高温力学性能的重要途径。目前控制钢材铸态组织的主要手段包括电磁搅拌，喷射成型和晶粒细化剂。电磁搅拌不仅对设备和技术的要求高，而且在搅拌过程中，由于金属液的翻涌容易引入杂质和气体影响凝固后的铸锭质量；晶粒细化剂的引入会污染钢液，影响后续的加工；喷射成型技术对设备要求高，无法满足钢铁大批量生产的要求。
为满足中锰钢工业化高效生产的需求，亟需一种方便快捷可控的凝固技术，上世纪末已有研究发现，电容放电产生的高压脉冲能够优化低熔点金属凝固组织，且后续的几十年中陆续有学者发现电脉冲对部分合金的凝固组织有着较大的影响，但都是采用的电容释放的高压电脉冲，由于电容放电存在着高压风险和元件易损的问题，工业化应用受阻。
发明内容
为了克服现在技术存在的问题，本发明提供一种改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法和中锰钢，适用于细化中锰钢铸态组织，抑制降温和变形过程中晶界铁素体的析出，提升中锰钢铸态组织均匀性和热塑性。
一种改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，所述方法在中锰钢的铸造过程中，在中锰钢的钢液处于全液状态、固液共存状态、凝固成全固状态和全固态高温变形时均施加电脉冲处理，改善中锰钢铸态组织和提升高温塑性。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在钢液处于全液状态时，所述电脉冲的参数设置如下：脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V、电流密度为100A/mm2～300A/mm2。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在钢液处于固液共存状态时，所述电脉冲的参数设置如下：脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V、电流密度为50A/mm2～200A/mm2。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在钢液凝固成全固状态时，所述电脉冲的参数设置如下：脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V、电流密度为10A/mm2～100A/mm2。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在铸锭全固态高温变形时，所述电脉冲的参数设置如下：脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V、电流密度为1A/mm2～60A/mm2。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述中锰钢处于全液和液-固状态时采用石墨电极、在全固状态采用金属电极来引入电脉冲。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电极之间的间距为1～100cm。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述中锰钢成分范围为Fe–(0.01％～1％)C–(0％～5％)Al–(0％～5％)Si–(3％～12％)Mn–V/Nb/Ti/Cu。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钢液的成分按重量百分比为：C：0.5％；Mn：11％；Si：2.5％；V：0.08％；Al：2％；P：≤0.02％；S：≤0.02％；余量为Fe及不可避免的不纯物。
本发明还提供了一种中锰钢，所述中锰钢采用本发明所述的方法制备得到。
本发明的有益效果
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
本发明的改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，所述方法在中锰钢的铸造过程中，在中锰钢的钢液处于全液状态、固液共存状态、凝固成全固状态和全固状态高温变形时均施加电脉冲处理，改善中锰钢铸态组织和提升高温塑性，所述电脉冲的参数设置如下：脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V。本发明的方法在改善铸态组织的同时不会对钢材产生不利影响，同时还能提升钢材的热加工性能，具体优势如下：
(1)低压电脉冲技术的引入可以有效的抑制中锰钢凝固过程中晶界铁素体的析出，同时也可以扩大等轴晶区，提升钢材的铸坯质量和热加工性能。
(2)由于电脉冲设备比传统的电磁搅拌和喷射成型技术设备简单，能够在不引入其他杂质的前提下进行凝固组织调控，有着高效节能和绿色环保的优点。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的实施例1、2与对比例1高温拉伸下断面收缩率变化示意图；
图3为本发明的实施例3与对比例2高温拉伸下断面收缩率变化图；
图4为本发明所有实施例和对比例中铸态样品1/4厚度位置的显微组织图像，a)对比例1中的中锰钢锭组织；b)为对比例2中的中锰钢锭组织；c)为实施例1中得到的中锰钢铸态组织；d)为实施例2中得到的中锰钢铸态组织；e)为实施例3中得到的中锰钢铸态组织。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，所述方法在中锰钢的铸造过程中，在中锰钢的钢液处于全液状态、固液共存状态、凝固成全固状态和全固态600～1200℃之间高温变形时均施加电脉冲处理，改善中锰钢铸态组织和提升高温塑性，所述电脉冲的参数设置如下：脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％。
本发明中采用的钢液的化学成分按重量百分比为：C：0.5％；Mn：11％；Si：2.5％；V：0.08％；Al：2％；P：≤0.02％；S：≤0.02％；余量为Fe及不可避免的不纯物。
具体来说，在钢液处于熔体状态时插入电极施加电脉冲，包括如下步骤：
S1：设备连接：在坩埚中插入电极，并将电极与电脉冲设备的输出端连接。
S2：电脉冲处理：在钢液完全为液态时持续施加电脉冲，直至钢液全部进入结晶器，停止施加电脉冲，参数设定为电流密度：100A/mm2～300A/mm2；脉宽1μs～1ms；频率：50Hz～4000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V；电极间距：1cm～100cm。通过采用以上全液相低压电脉冲处理，能有效缩短钢液凝固形核的孕育期，促进晶粒形核，使得等轴晶率由22％以下提升至50％以上；600～1200℃的高温拉伸断面收缩率由30％左右提升至55％以上。限定上述温度范围的拉伸，是对全固态高温塑性的评估。另外也是在全固态变形过程同步加载电脉冲的温度范围。
在钢液处于固液共存阶段施加电脉冲，包括如下步骤：
S1：设备连接：根据生产需要，在熔体温度固液共存下降至满足固液共存的状态时在坩埚预留位置插入电极，并将电极与电脉冲设备的输出端连接。
S2：电脉冲处理：在固液共存时持续施加电脉冲，直至固液共存体进入模具，停止施加电脉冲，参数设定为电流密度50A/mm2～200A/mm2；脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V。固液共存阶段施加以上电脉冲处理能够有效促进固相形核，细化晶粒。使得平均晶粒尺寸由100μm左右细化至20μm左右；600～1200℃高温拉伸断面收缩率由30％以下提升至60％以上。
优选地，本发明的钢液处于全固相阶段施加电脉冲的方式，包括如下步骤：
S1.设备连接：连接电极和完全凝固的钢锭，利用导线将电极与脉冲设备的输出端连接。
S2.电脉冲处理：对S1中的钢锭施加电脉冲，施加时间为5-60min，参数设定为电流密度：电流密度：10A/mm2～100A/mm2；脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V。纯固相阶段加入电脉冲处理，采用低占空比，低频率，中低电流的脉冲参数在一定程度上抑制钢锭中的高温碳化物和铁素体在晶界析出，从而提升高温塑性，使得600～1200℃高温拉伸断面收缩率由30％以下提升至65％以上。
优选地，本发明在全固相高温变形过程阶段施加电脉冲的方式，包括如下步骤：
S1.设备连接：连接电极和即将进行全固相高温变形的铸锭，利用导线将电极与脉冲设备的输出端连接。
S2.电脉冲处理：对S1中的钢锭施加电脉冲，施加时间为5-60min，参数设定为电流密度：1A/mm2～60A/mm2；脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V。在高温变形过程施加电脉冲能够有效促进动态再结晶，并且抑制铁素体在晶界的析出，进而是高温拉伸断面收缩率由30％以下提升至55％以上。
优选地，本发明中根据实际需要，在全液相和液-固两相区采用石墨电极，在全固相区采用纯铜等金属电极。这是因为在液相区，温度高，石墨电极具有良好的导电性和优异的高温稳定性，因此采用石墨电极。在固相阶段，采用铜等金属电极有更加优异的导电性能够有效降低焦耳热效应的影响。
优选地，本发明中的中锰钢成分范围为Fe–(0.01％～1％)C–(0％～5％)Al–(0％～5％)Si–(3％～12％)Mn–V/Nb/Ti/Cu。该成分为本发明中电脉冲技术的适用范围，本发明目的在于解决上述成分范围钢种在凝固和冷却过程中由于粗大铁素体沿晶界析出导致的高温塑性和加工性差的问题。本发明涉及的电脉冲处理工艺包括但不限于应用于中锰钢连续铸造，半连续铸造的中间过程，以及热加工过程。
对比例1
①将成分为Fe–0.5％C–2％Al–2.5％Si–11％Mn–0.08％V的中锰钢进行电炉熔炼，在熔炼过程中依次加入硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、铝铁，冶炼出炉温度为1550-1600℃，得到钢液；上述硅铁、锰铁、铬铁、钒铁的加入量满足以下条件，使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C：0.5％；Mn：11％；Si：2.5％；V：0.08％；Al：2％；P：≤0.02％；S：≤0.02％；余量为Fe及不可避免的不纯物。
②在完全熔化后，在1550-1600℃的区间内浇铸，切下部分样品在中频炉中进行重熔并浇铸。
按照对比例1的方法，取样进行高温拉伸和铸态组织表征，组织如图4a)所示。可以看出，样品的铸态组织中晶粒粗大，有较多铁素体生成，其高温力学性能如图2所示，由于铁素体较多，晶粒过于粗大导致断面收缩率较低。
对比例2
①将成分为Fe–0.5％C–1.5％Al–2％Si–9％Mn–0.08％V的中锰钢进行电炉熔炼，在熔炼过程中依次加入硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、铝铁，冶炼出炉温度为1550-1600℃，得到钢液；上述硅铁、锰铁、铬铁、钒铁的加入量满足以下条件，使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C：0.5％；Mn：9％；Si：2％；V：0.08％；Al：1.5％；P：≤0.02％；S：≤0.02％；余量为Fe及不可避免的不纯物。
②完全熔化，成分充分均匀后在1550-1600℃之间温度范围浇铸，切下部分样品在中频炉中进行重熔并浇铸。
③对浇铸后的铸锭进行保温模拟高温变形时的温度，温度保持在1100℃以上进行高温变形。
按照对比例2的方法，取样进行高温拉伸和铸态组织表征，组织如图4b)所示。可以看出，样品的铸态组织晶粒粗大，有较多铁素体生成且晶粒较粗，其高温力学性能如图3所示，由于铁素体较多，晶粒过于粗大，断面收缩率较低。
实施例
实施例1
一种改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，实施步骤如下：
①将成分为Fe-0.5％C-2％Al-2.5％Si-11％Mn-0.08％V的中锰钢进行电炉熔炼，在熔炼过程中依次加入硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、铝铁，冶炼出炉温度为1550-1600℃，得到铸锭；上述硅铁、锰铁、铬铁、钒铁的加入量满足以下条件，使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C：0.5％；Mn：11％；Si：2.5％；V：0.08％；Al：2％；P：≤0.02％；S：≤0.02％；余量为Fe及不可避免的不纯物。
②在完全融化后，使成分充分均匀后在1550-1600℃的区间内浇铸，切下部分样品在中频炉中进行重熔，控制温度在1550℃以上，转入保温坩埚中进行电脉冲实验。
③在坩埚中插入电极并连接电脉冲设备，控制温度在1550℃以上为全液相状态下以脉宽为200μs；脉周为2000μs；电流密度为160A/mm2；电极间距为15cm；脉冲电压为10V；施加电脉冲，处理30min后，模冷至完全凝固。其铸态组织如图4c)所示，相比于未进行电脉冲处理的对比例1中的样品明显抑制了凝固过程中铁素体的析出(图4a))。
实施例2
一种改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，实施过程如下：
①将成分为Fe-0.5％C-2％Al-2.5％Si-11％Mn-0.08％V的中锰钢进行电炉熔炼，在熔炼过程中依次加入硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、铝铁，冶炼出炉温度为1550-1600℃，得到钢液；上述硅铁、锰铁、铬铁、钒铁的加入量满足以下条件，使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C：0.5％；Mn：11％；Si：2.5％；V：0.08％；Al：2％；P：≤0.02％；S：≤0.02％；余量为Fe及不可避免的不纯物。
②完全融化后，使成分充分均匀后在1550-1600℃的区间内浇铸，切下部分样品在中频炉中进行重熔，控制温度在1550℃以上，转入保温坩埚中进行电脉冲实验。
③插入电极后连接电脉冲设备，控制温度在1200℃以上为固液共存状态下以脉宽为150μs；脉周为1500μs；电流密度为120A/mm2；电极间距为13cm；脉冲电压为15V；施加电脉冲，直至完全凝固。
按照发明实施例2的方法，取样进行高温拉伸和铸态组织表征，与对比例1中的中锰钢锭组织(图4a))对比看出，本发明例所获得的样品拥有更加细小的晶粒，晶界处的铁素体的析出也有了较为明显的抑制效果(图4d))，与普通熔炼铸造的中锰钢的高温塑性比较(图2)，断面收缩率有了明显的提高。
实施例3
一种改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，实施步骤如下：
①将成分为Fe-0.5％C-1.5％Al-2％Si-9％Mn-0.08％V的中锰钢进行电炉熔炼，在熔炼过程中依次加入硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、铝铁,冶炼出炉温度为1550-1600℃，得到钢液；上述硅铁、锰铁、铬铁、钒铁的加入量满足以下条件，使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C：0.5％；Mn：9％；Si：2％；V：0.08％；Al：1.5％；P：≤0.02％；S：≤0.02％；余量为Fe及不可避免的不纯物。
②完全融化后，使成分充分均匀后在1550-1600℃的区间内浇铸，切下部分样品在中频炉中进行重熔并浇铸。
③对浇铸后的铸锭进行恒温处理，模拟热锻前的固溶温度，保持在1100℃以上，并以脉宽为600μs；脉周为2000μs；电流密度为55A/mm2；脉冲电压为20V；电极间距为10cm；通电时间为10分钟。
按照发明实施例3的方法，取样进行高温拉伸和铸态组织表征，与对比例2中的中锰钢锭组织(图4b))对比看出，本发明例所获得的样品一定程度上细化了晶粒的同时抑制了晶界处的铁素体的长大(图4e))。在图2高温拉伸结果中可以看出，断面收缩率得到提高。
实施例4
一种改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，实施步骤如下：
①将成分为Fe-0.5％C-1.5％Al-2％Si-9％Mn-0.08％V的中锰钢进行电炉熔炼，在熔炼过程中依次加入硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、铝铁,冶炼出炉温度为1550-1600℃，得到钢液；上述硅铁、锰铁、铬铁、钒铁的加入量满足以下条件，使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C：0.5％；Mn：9％；Si：2％；V：0.08％；Al：1.5％；P：≤0.02％；S：≤0.02％；余量为Fe及不可避免的不纯物。
②完全熔化后，使成分充分均匀在1550-1600℃之间温度范围浇铸，切下部分样品在中频炉中进行重熔并浇铸。
③对浇铸后的铸锭进行切割，在600℃-1200℃温度范围进行高温拉伸，并且拉伸变形过程同步加载电脉冲。其中，脉宽700μs；脉周2000μs；电流密度30A/mm2；脉冲电压为25V。
④由图1高温拉伸结果中可以看出，高温拉伸过程同步加载电脉冲样品的断面收缩率较对比例1有一定的提高。
优选地，本发明还提供一种中锰钢，采用本发明的方法制得。该成分中锰钢是在本发明中涉及的电脉冲技术下进行冶炼生产的，电脉冲处理的目的在于解决该成分范围的中锰钢在熔炼过程中由于粗大铁素体在晶界析出导致的高温塑性和加工差的问题，同时还能够提高样品的等轴晶率。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (6)

1.一种改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，其特征在于，所述方法在中锰钢的铸造过程中，在中锰钢的钢液处于全液状态、固液共存状态、凝固成全固状态和全固态高温变形时均施加低压电脉冲处理，改善中锰钢铸态组织和提升高温塑性；
在钢液处于全液状态时，所述电脉冲的参数设置如下：脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V、电流密度为100A/mm2～300A/mm2；
在钢液处于固液共存状态时，所述电脉冲的参数设置如下：脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V、电流密度为50A/mm2～200A/mm2；
在钢液凝固成全固状态时，所述电脉冲的参数设置如下：脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V、电流密度为10A/mm2～100A/mm2；
在全固态高温变形过程进行电脉冲处理，所述电脉冲的参数设置如下：脉宽：1μs～1ms；频率：50Hz～9000Hz；占空比：1％～45％；脉冲电压：0～50V、电流密度为1A/mm2～60A/mm2。
2.根据权利要求1所述的改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，其特征在于，在所述中锰钢处于全液和固液共存状态时采用石墨电极、在全固状态采用金属电极来引入电脉冲。
3.根据权利要求2所述的改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，其特征在于，所述电极之间的间距为1～100cm。
4.根据权利要求1所述的改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，其特征在于，所述中锰钢成分范围为Fe–(0.01％～1％)C–(0％～5％)Al–(0％～5％)Si–
(3％～12％)Mn–V/Nb/Ti/Cu。
5.根据权利要求1所述的改善中锰钢铸态组织和高温塑性的方法，其特征在于，所述钢液的成分按重量百分比包括：C：0.5％；Mn：11％；Si：2.5％；V：0.08％；Al：2％；P：≤0.02％；S：≤0.02％，余量为Fe及不可避免的不纯物。
6.一种中锰钢，其特征在于，所述中锰钢采用权利要求1-5任一所述的方法制备得到。
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