專利名稱：一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳twip鋼及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，更具體涉及一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳TWIP鋼及 其制備工藝。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鋼鐵材料用戶對(duì)鋼鐵材料的使用性能和技術(shù)指標(biāo)提出 了更高的要求。作為新世紀(jì)的的工程機(jī)械、船舶艦艇、兵器裝備、大型儲(chǔ)存容器、水電和火電 能源設(shè)備以及高層建筑等都要求高性能、使用壽命長和低成本的新型鋼鐵材料。而且隨著 社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)鋼鐵材料的生產(chǎn)、加工及使用也提出了節(jié)省資源、節(jié)能環(huán)保的要求。 因此，開發(fā)先進(jìn)鋼鐵材料成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的迫切需要。1997年，G. Frommeyer等研究人員首次提出TWIP效應(yīng)，并把具有此類效應(yīng)的合金 鋼稱為TWIP鋼。TWIP鋼不僅具有中等的抗拉強(qiáng)度(約600MPa)和優(yōu)良的塑性(延伸率大于 80%)，而且具有高的能量吸收能力(如20°C時(shí)約為0. 5J/mm3)，為傳統(tǒng)深沖鋼的2倍以上， 并且沒有低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度，在一 196°C 20(TC形變溫度區(qū)間內(nèi)沒有冷脆轉(zhuǎn)變溫度。正是 由于TWIP的諸多優(yōu)異性能，使其在機(jī)車、汽車、高架建筑、抗沖擊鋼板、低溫容器等領(lǐng)域展 示出廣闊的應(yīng)用潛力。目前，國內(nèi)外對(duì)TWIP鋼的研究主用集中在Fe-Mn-Al-Si系、Fe-Mn-Al-C系及 Fe-Mn-C系。其中Fe-Mn-Al-Si系的碳含量極低，F(xiàn)e-Mn-Al-C系和Fe-Mn-C系碳含量一般 為0. 5^0. 7% ；而且Si元素的加入容易引起表面質(zhì)量缺陷，增加TWIP鋼的后續(xù)表面加工的 難度；Al元素的加入增大鋼液的粘度，破壞鋼的表面和內(nèi)部質(zhì)量，因此，可以嘗試提高C的 含量，這樣不僅可以增加奧氏體的穩(wěn)定性，而且C-Mn原子對(duì)有可能進(jìn)一步提高強(qiáng)度。在鋼中，Cu通常被認(rèn)為是一種不希望存在的元素，一方面由于其熔點(diǎn)低，易形成低 熔點(diǎn)相，增加鋼的熱加工難度；另一方面Cu的存在影響鋼的質(zhì)量和表面外觀。因此，鋼中 的Cu含量一般很低0. 05%)，但是鋼液中的Cu較難去除，需進(jìn)一步降低鋼中的Cu含量， 往往提升鋼的經(jīng)濟(jì)成本且增加生產(chǎn)難度。然而，近代含銅鋼的研究表明，鋼加入適量的Cu 時(shí)，應(yīng)用高溫固溶處理，使銅處于過飽和態(tài)，通過一定的溫度時(shí)效處理，析出ε -Cu相，產(chǎn)生 沉淀強(qiáng)化，可顯著提高鋼的強(qiáng)度。此外Cu還可以提高鋼的耐腐蝕性、焊接性。Cu具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，原子半徑為1. 27\10-1(1111與鐵原子半徑(1. 26X10"10m) 僅相差0. Inm ；與Fe原子具有較強(qiáng)的結(jié)合力；而且Cu是奧氏體形成元素，可以擴(kuò)大奧氏體 相區(qū)，進(jìn)一步穩(wěn)定Fe-Mn-C系TWIP鋼奧氏體基體的穩(wěn)定性；并且Cu是非碳化物形成元素， Cu在TWIP鋼中的加入不會(huì)引起碳化物的大量形成而難以形成單一的奧氏體基體。因此Cu 完全可以作為合金元素在TWIP鋼加以利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于提供一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳TWIP鋼及其制備工藝。它 是在Fe-Mn-C系TWIP鋼的基礎(chǔ)上通過提高碳含量，并把Cu作為合金元素加入鋼中，結(jié)合一定的加工工藝得到一種具有更高強(qiáng)度和塑性的TWIP鋼，進(jìn)一步提高TWIP合金鋼的綜合力 學(xué)性能(強(qiáng)塑積)，為機(jī)械制造業(yè)、裝備業(yè)提供新型高強(qiáng)韌性鋼材。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳TWIP鋼的化學(xué)組成成分按質(zhì)量百分比為c :1. Γι. 5%， Mn :19. 5 20. 7%, Cu 2. 5 4. 5%，稀土 Ce 0. 2Γ0. 24%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳TWIP鋼的制備工藝包括以下步驟熔煉、固溶處理、 熱軋、冷軋、回復(fù)再結(jié)晶。該制備工藝的具體步驟如下
1)熔煉將 C 1. Γι. 5%, Mn 19. 5 20. 7%, Cu 2. 5 4. 5%，稀土 Ce 0. 21 0. 24%, 余量為Fe按比例加入有真空氬氣保護(hù)電弧熔煉爐中，冶煉上述成分合金，冶煉的溫度在 1650°C—1700°C ；
2)固溶處理將步驟1)得到的合金加熱至100(T1055°C進(jìn)行固溶處理，保溫
4. 0 6· Oh ；
3)熱軋將步驟2)的試樣迅速放置在熱軋機(jī)進(jìn)行軋制，開軋溫度為100(T1055°C， 終軋溫度保持在750°C以上，總軋制變形量為60-90%，通過5-7道次反復(fù)軋制完成上述變形 量，每道次變形量為10%-18%，最后一道次軋完直接水淬。熱軋的目的除了鋼板成形外，另一 重要目的是消除這種高碳鋼鑄錠中的縮松孔洞以及高溫固溶處理形成的微孔缺陷。4)冷軋將熱軋?zhí)幚砗蟮暮辖鹪趦奢佨垯C(jī)對(duì)其進(jìn)行分道次可控軋制，每次 軋制變形量控制在8%-12%，軋制厚為0. 8-1. 5mm,軋制變形量為50 68% ；軋制結(jié)束后，在 100(Tl055°C保溫3 5min，然后水淬；
5)回復(fù)再結(jié)晶將冷軋后的合金在100(T1055°C進(jìn)行高溫回復(fù)與再結(jié)晶，保溫 l(T20min，取出迅速水淬。通過上述步驟制備的合金可得到504 540MPa的屈服強(qiáng)度和117(Tl274MPa的 抗拉強(qiáng)度以及64. 7^86. 8%的延伸率。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。本發(fā)明利用傳統(tǒng)的軋制技術(shù)和熱處理工藝制備出晶 粒大小為1(Γ40 μ m且具有退火孿晶和平行條帶組織的奧氏體基體，具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明材料具有極高的強(qiáng)度和塑性，通過加入高碳、微量稀土 Ce及2. 5^4. 5%的銅元素，在 延伸率達(dá)到86. 8%時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度依然高達(dá)513. 7MPa、1223. 7MPa,強(qiáng)塑積(強(qiáng)度和 延伸率的乘積)達(dá)到106217. 2MPa · %，該性能比目前國內(nèi)外所報(bào)道的最高值87882 MPa · % 提高了 20%。(2)制備方法簡單。(3)應(yīng)用潛力廣闊。本發(fā)明的合金材料經(jīng)過適當(dāng)?shù)某煞峙浔燃跋鄳?yīng)的加工工藝能 得到高強(qiáng)度的同時(shí)保持高的塑性，這種高強(qiáng)高塑合金在汽車、軍工、建筑、低溫容器等行業(yè) 都顯示出廣闊的應(yīng)用前景。(3)合金元素Cu的利用。傳統(tǒng)鋼鐵材料都把Cu當(dāng)作雜質(zhì)元素，在煉鋼過程中加以 去除，但因此也增加了煉鋼難度及相應(yīng)的成本。本發(fā)明把合金元素Cu加以利用，不僅優(yōu)化 了合金的性能，且降低了煉鋼難度及成本。


圖1為本發(fā)明高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳合金鋼拉伸變形前的金相組織圖； 圖2為本發(fā)明高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳合金鋼拉伸變形后的金相組織圖； 圖3為本發(fā)明高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳合金鋼的工程應(yīng)力_應(yīng)變曲線； 圖4為本發(fā)明高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳合金鋼的真應(yīng)力_應(yīng)變曲線；
圖5為本發(fā)明高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳合金鋼拉伸變形前后的實(shí)物圖。
具體實(shí)施例方式一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳TWIP鋼的化學(xué)組成成分按質(zhì)量百分比為C: 1. Γι. 5%, Mn :19. 5 20. 7%, Cu :2· 5 4. 5%，稀土 Ce 0. 21 0. 24%，余量為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳TWIP鋼的制備工藝包括以下步驟熔煉、固溶處理、 熱軋、冷軋、回復(fù)再結(jié)晶。該制備工藝的具體步驟如下
1)熔煉將 C :1. Γι. 5%, Mn 19. 5 20. 7%, Cu 2. 5 4. 5%,稀土 Ce 0. 21 0. 24%, 余量為Fe按比例加入有真空氬氣保護(hù)電弧熔煉爐中，冶煉上述成分合金，冶煉的溫度在 1650°C—1700°C ；
2)固溶處理將步驟1)得到的合金加熱至100(T1055°C進(jìn)行固溶處理，保溫 4. 0 6· Oh ；
3)熱軋將步驟2)的試樣迅速放置在熱軋機(jī)進(jìn)行軋制，開軋溫度為100(T1055°C，終 軋溫度保持在750°C以上，總軋制變形量為60-90%，通過5-7道次反復(fù)軋制完成上述變形 量，每道次變形量為10%-18%，最后一道次軋完直接水淬。熱軋的目的除了鋼板成形外，另一 重要目的是消除這種高碳鋼鑄錠中的縮松孔洞以及高溫固溶處理形成的微孔缺陷。4)冷軋將熱軋?zhí)幚砗蟮暮辖鹪趦奢佨垯C(jī)對(duì)其進(jìn)行分道次可控軋制，每次軋 制變形量控制在8%-12%，軋制厚為0. 8-1. 5mm,軋制變形量為5(Γ68% ；軋制結(jié)束后，在 100(Tl055°C保溫3 5min，然后水淬；
5)回復(fù)再結(jié)晶將冷軋后的合金在100(T1055°C進(jìn)行高溫回復(fù)與再結(jié)晶，保溫 l(T20min，取出迅速水淬。
實(shí)施例1
(1)配料采用工業(yè)生鐵(1. 0%Si，4. 0%C，余為Fe,wt%)為基礎(chǔ)原料，以純度為99. 8% 的電解錳及純度為99. 95%的高純銅為合金原料，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)配制化學(xué)組分為C 1. 35%，Mn 20. 4%，Cu 3. 4%，稀土 Ce 0. 22%，余量為 Fe 的含銅高碳合金。(2)熔煉將配制的原料在真空電弧熔煉中熔煉，冶煉的溫度在1650°C，并澆鑄成鑄錠。(3)固溶處理將鑄錠加熱至1000°C進(jìn)行固溶處理，保溫4h后熱軋。(4)熱軋將試樣加熱到1050°C保溫4h后用兩輥熱軋機(jī)進(jìn)行熱軋加工，終軋溫 度不低于750°C，當(dāng)板材溫度低于750°C后重新放回爐中加熱，保溫5min (1050°C)后取出 再進(jìn)行熱軋，每道次變形量為12%，總軋制變形量約為90%，板材終軋厚度控制在3mm左右，最后一道次軋完，將板材放回爐體中進(jìn)行固溶處理，即加熱到1050°C保溫5min后取出水 淬。由于本發(fā)明鋼材中含有高達(dá)1.35%的碳量，凝固組織中會(huì)形成縮松缺陷，熱軋的目的 除了鋼板成形外，另一重要目的是消除鑄錠中的縮松孔洞以及高溫固溶處理形成的微孔缺 陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱軋變形量越高微孔缺陷越少合金鋼的強(qiáng)度越高，當(dāng)熱軋變形量高達(dá) 90%時(shí)，該鋼的屈服強(qiáng)度為513. 7MPa,抗拉強(qiáng)度為1223. 7MPa,延伸率為86. 8%，強(qiáng)塑積高達(dá) 106217. 2 MPa · %，比國外文獻(xiàn)報(bào)道的最高值87882 MPa · %提高了 20%。(5)冷軋冷軋的目的是將板材加工到所需要使用的尺寸和獲得光潔的表面。將固 溶處理后的板材在冷軋機(jī)上對(duì)其進(jìn)行分道次可控軋制，每次軋制變形量控制在10%左右， 終軋厚約為0. 8mm，軋制變量為53. 3%，軋制結(jié)束后，在1000°C保溫3min，然后水淬。(6)回復(fù)再結(jié)晶將冷軋后的合金在1050°C進(jìn)行高溫回復(fù)與再結(jié)晶，并保溫20min， 取出水淬。光學(xué)顯微鏡顯示其基體組織為等軸狀?yuàn)W氏體基體，且奧氏體中分布有退火孿晶， 晶粒尺寸大概為2(Γ40 μ m(圖1所示)，圖2是拉伸變形后的微觀形貌，存在大量細(xì)小的形變 孿晶，且組織形態(tài)縱橫交錯(cuò)，說明在變形過程中孿生“切割”基體組織，形成大量細(xì)小的形變 孿晶，發(fā)生孿生誘發(fā)塑性效應(yīng)，從而使合金在擁有高強(qiáng)度的同時(shí)保持高的塑性。圖3是合金 的工程應(yīng)力_應(yīng)變曲線，圖4是合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到室溫的力學(xué)性能513. 7MPa (589. 33MPa)的屈服強(qiáng)度、1223. 7MPa (1265. 07MPa)的抗拉強(qiáng)度以及 86. 8% (73. 6%)的延 伸率。實(shí)施例2
(1)配料采用實(shí)施例1的原料，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Wt%)配制化學(xué)組分為C 1. 25%，Mn 20. 7%，Cu 4. 3%，稀土 Ce 0. 24%，余量為Fe的含銅高碳合金。(2)熔煉將配制的原料在真空電弧熔煉中熔煉，冶煉的溫度在1700°C。(3)固溶處理將試樣在木炭粉的保護(hù)氣氛中(試樣放置在填滿木炭粉的不銹鋼盒 中)加熱到1052°C并保溫4. 5h。用保護(hù)氣氛主要是防止鋼板表面氧化脫碳。(4)熱軋將步驟3)的試樣迅速放置在熱軋機(jī)進(jìn)行軋制，開軋溫度為1000°C，終軋 溫度保持在840°C，每道次變形量為10%，經(jīng)過6次軋制，總軋制變形量為67%，最后一道次軋 完直接水淬。(5)冷軋將熱軋?zhí)幚砗蟮暮辖鹪贙03-60型兩輥軋機(jī)對(duì)其進(jìn)行分道次可控軋 制，每次軋制變形量控制在12%，軋制厚約為1. 2mm,軋制變形量為64. 8%，軋制結(jié)束后，在 1055°C保溫5min，然后水淬。(6)回復(fù)再結(jié)晶將冷軋后的合金在1052°C進(jìn)行高溫回復(fù)與再結(jié)晶，并保溫 13min，取出迅速水淬。該合金在室溫的力學(xué)性能580. 36MPa的屈服強(qiáng)度、1211. 86MPa的抗拉強(qiáng)度以及 76. 8%的延伸率。實(shí)施例3
(1)配料，熔煉按質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)配制化學(xué)組分為=C 1. 1%，Mn 19. 5%，Cu 4. 5%， 稀土 Ce 0. 21%，余量為Fe，將配制的原料在真空電弧熔煉中熔煉，冶煉的溫度在1680°C。(2)固溶處理溫度在1055°C，保溫5h，
(3)熱軋將步驟2)的試樣迅速放置在熱軋機(jī)進(jìn)行軋制，開軋溫度為1055°C，終軋溫度保持在840°C，每道次變形量為12%，經(jīng)過5次軋制，總軋制變形量為60%，最后一道次軋 完直接水淬。(4)冷軋將熱軋?zhí)幚砗蟮暮辖鹪贙03-60型兩輥軋機(jī)對(duì)其進(jìn)行分道次可控軋制， 每次軋制變形量控制在8%，軋制厚約為1. 5mm，軋制變形量為68%。(5)回復(fù)再結(jié)晶將冷軋后的合金在1000°C進(jìn)行高溫回復(fù)與再結(jié)晶，并保溫 lOmin，取出迅速水淬。其余實(shí)施步驟同實(shí)施例1
實(shí)施例4
(1)配料按質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)配制化學(xué)組分為=C 1. 5%，Mn 20. 7%，Cu 2. 5%，稀土 Ce 0. 21%，余量為Fe，將配制的原料在真空電弧熔煉中熔煉，冶煉的溫度在1680°C。(2)固溶處理溫度在1055°C，6h，
(3)熱軋將步驟2)的試樣迅速放置在熱軋機(jī)進(jìn)行軋制，開軋溫度為1055°C，終軋 溫度保持在840°C，每道次變形量為15%，經(jīng)過5次軋制，總軋制變形量為80%，最后一道次軋 完直接水淬。(4)冷軋將熱軋?zhí)幚砗蟮暮辖鹪贙03-60型兩輥軋機(jī)對(duì)其進(jìn)行分道次可控軋制， 每次軋制變形量控制在8%，軋制厚約為0. 8mm，軋制變形量為50%。(5)回復(fù)再結(jié)晶將冷軋后的合金在1055°C進(jìn)行高溫回復(fù)與再結(jié)晶，并保溫 20min，取出迅速水淬。其余實(shí)施步驟同實(shí)施例1。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化 與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳TWIP鋼，其特征在于該TWIP鋼的化學(xué)組成成分按質(zhì)量百分比為C1.1~1.5%，Mn19.5~20.7%，Cu2.5~4.5%，稀土Ce0.21~0.24%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳TWIP鋼的制備工藝，其特征在于該制備工藝包括以 下步驟熔煉、固溶處理、熱軋、冷軋、回復(fù)再結(jié)晶。
3.一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳TWIP鋼的制備工藝，其特征在于該制備工藝的具體 步驟如下1)熔煉將 C 1. Γι. 5%, Mn 19. 5 20. 7%, Cu 2. 5 4. 5%，稀土 Ce 0. 21 0. 24%，余量為 Fe按比例加入有真空氬氣保護(hù)電弧熔煉爐中，冶煉上述成分合金，冶煉的溫度在1650°C— 1700 0C ；2)固溶處理將步驟1)的合金加熱至100(T1055°C進(jìn)行固溶處理，保溫4.(Γ6. Oh ；3)熱軋將步驟2)的試樣迅速放置在熱軋機(jī)進(jìn)行軋制，開軋溫度為100(T1055°C，終 軋溫度保持在750°C以上，總軋制變形量為60-90%，通過5-7道次反復(fù)軋制完成上述變形 量，每道次變形量為10%_18%，最后一道次軋完直接水淬；4)冷軋將熱軋?zhí)幚砗蟮暮辖鹪趦奢佨垯C(jī)對(duì)其進(jìn)行分道次可控軋制，每次軋制變形量 控制在8%-12%，軋制厚為0. 8-1. 5mm,軋制變形量為50 68% ；軋制結(jié)束后，在100(Tl055°C保 溫；T5min，然后水淬；5)回復(fù)再結(jié)晶將冷軋后的合金在100(T1055°C進(jìn)行高溫回復(fù)與再結(jié)晶，保溫 l(T20min，取出迅速水淬。
全文摘要
一種高強(qiáng)度、高塑性含銅高碳TWIP鋼及其制備工藝，是在Fe-Mn-C系TWIP鋼的基礎(chǔ)上通過提高碳含量，并把非碳化物形成元素Cu以及稀土Ce作為合金元素加入鋼中，結(jié)合900℃~1050℃的高溫固溶處理工藝，熱軋工藝減少鑄錠組織中空隙缺陷，充分發(fā)揮出這種高碳含銅TWIP鋼的本征強(qiáng)度和塑性，所研制的合金鋼突出特點(diǎn)是反映其綜合力學(xué)性能的強(qiáng)塑積顯著提高，該合金鋼的屈服強(qiáng)度為513.7MPa，抗拉強(qiáng)度為1223.7MPa，延伸率為86.8%，強(qiáng)塑積高達(dá)106217.2MPa·%，比目前國內(nèi)外文獻(xiàn)所報(bào)道的各種TWIP鋼的最高數(shù)據(jù)87882MPa·%提高了20%，為機(jī)械制造業(yè)、裝備業(yè)制備出新型高強(qiáng)韌性鋼材。
文檔編號(hào)C22C33/04GK101956134SQ20101052606
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者易韋發(fā), 朱定一, 楊澤斌, 林淑梅 申請(qǐng)人:福州大學(xué)