專利名稱：一種高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及含Mn、 Si、 Al、 N、 B、 Ti的孿生誘發(fā)塑性鋼，特別涉 及含有N、 B、 Ti的孿生誘發(fā)塑性鋼，此鋼材適合用于低溫應(yīng)用領(lǐng)域，特別適合于深冷用途 以及高寒地區(qū)汽車的安全防護用材料。
背景技術(shù)：
隨著能源危機、環(huán)境保護的日益緊迫以及人們生活水平的提高，汽車行業(yè)面臨挑戰(zhàn)， 目前，汽車工業(yè)用鋼材的發(fā)展趨勢是節(jié)能、降耗、環(huán)保、安全，因此，使用高強度鋼以達到 汽車的輕型化是汽車工業(yè)研究的重點，但是，如何在汽車輕量化設(shè)計的同時保證汽車的安全 是汽車設(shè)計者首先要考慮的問題。目前，國內(nèi)外研究與開發(fā)的汽車用高強度高塑性、高成形 性的新鋼種，如DP鋼(雙相鋼)、TRIP鋼(相變誘導(dǎo)塑性鋼)、TWIP鋼、含B鋼等等。其 中，最有發(fā)展?jié)摿Φ氖荰WIP鋼，由于該類合金的高強韌性來自形變過程中孿晶的形成而不 是TRIP鋼中的相變，故命名為孿生誘發(fā)塑性(twinning induced plasticity, TWIP)鋼。TWIP鋼 具有高的抗拉強度(600 1000MPa)和極高的延伸率(50。/。 80X)，其抗拉強度(Rm)和延伸率 (A)的乘積在50000MPa^以上，是高強韌性TRIP鋼的兩倍。除此之外，令人矚目的力學(xué)性能 是具有高的能量吸收能力和沒有低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度。如2(TC時傳統(tǒng)深沖鋼的吸收能范圍是 0.16 J/mm5E^0.25J/mm， TWIP鋼約為0.5J / mm，為傳統(tǒng)深沖鋼的兩倍以上；在一196。C 200。C形變溫度區(qū)間內(nèi)沒有低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度，TWIP鋼是最近幾年國內(nèi)外正在進行研究的 高強度、高塑性指標(biāo)的汽車用鋼，國際期刊《International Journal of Plasticity》 16(2000)1391陽1409發(fā)表了《High strengthFe-Mn國(Al,Si) TRIP/TWIP steels development-properties-application》，應(yīng)用15。/。-30n/。含量的Mn與添加硅鋁元素，得到了以上分析的性能的 實驗鋼材。中國期刊《鋼鐵》VO1.40.NO.撥表的《高強度高塑性TWIP鋼的開發(fā)研究》，公 開了按錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同的4組實驗研究，分別為W(Mn"15X， W(Mn)=20%， W(Mn)= 25%， W(Mn)-30%，各組都添加W(Si)-3。/。， W(A1)=3%，其它為Fe與雜質(zhì)元素，經(jīng)過冶煉、 鍛造、加熱到110(TC后保溫2h，而后經(jīng)過水淬處理，得出了性能相似的實驗樣品。但是， 目前，以上研究存在以下缺點限制了其工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用，首先，其成分通常主要是Fe，添 加25 30。/。的Mn并加入3。/。的Al和3。/。的Si，合金含量高，生產(chǎn)成本高，特別是鋁的含量高， 由于目前高鋁含量的鋼連鑄生產(chǎn)比較困難，限制了工業(yè)化生產(chǎn)；其次，由于硅、鋁含量高使 得該鋼種在加熱過程中晶粒容易長大，晶界氧化容易，加工困難。CN101381839公開了一種 高強塑積合金鋼及其熱處理工藝，其化學(xué)成分百分含量為C: 0.03 0.05%， Mn: 30±0.5 %， Al: 3±0.5%， Si: 3±0.5%，其余為Fe。其工藝包括以下步驟有將工件置于電阻加熱 爐內(nèi)，工件間應(yīng)留有適當(dāng)間隙；通電加熱，升溫速率6 9'C/分鐘；升溫至1100。C時開始保溫，此時溫度跳動35r，保溫時間2 5小時視工件大小而定；保溫結(jié)束后將工件從電阻加 熱爐內(nèi)取出，迅速投入水池中，水溫^3(TC,并擺動；當(dāng)工件表面不再有明顯蒸汽產(chǎn)生時，
即可將工件從水池中取出。該發(fā)明也存在同樣的問題。《金屬熱處理》2002年08期《Mn含 量對0.15C-0.6Si-MnTRIP鋼組織和力學(xué)性能的影響》中報道低硅和低錳鋼的殘留奧氏體量 少，力學(xué)性能差;增加錳含量，能提高殘留奧氏體量及拉伸強度和伸長率，其力學(xué)性能與常 規(guī)低碳Si2Mn TRIP鋼的水平相當(dāng)。
CN101160183提出如下方案通過依次布置的工序，將具有預(yù)定化學(xué)成分15 27XMn、 1 6%A1、 l 6%Si、 S0.8C，余為Fe和伴隨元素一的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼在使用合適鑄造粉劑的條 件下，在一種薄板坯鑄造機(l)(dSl20mm)上進行鑄造，直接與凝固相連，從連續(xù)鑄錠(2)上 分取板坯(3)，在一中間爐(4)中在通過時實現(xiàn)一種溫度平衡，然后將板坯(3)不需中間時間冷 卻而直接進行熱軋。本方案提供了一種新的TWIP鋼制備方法，缺點在于需要對現(xiàn)有設(shè)備進 行改造，否則，傳統(tǒng)的設(shè)備難以實現(xiàn)直接熱軋。
CN101215672公開了一種高強度高塑性的超低碳孿晶誘發(fā)塑性鋼，屬特種鋼技術(shù)領(lǐng)域。 本發(fā)明冷軋孿晶誘發(fā)塑性鋼的組成為C0.005 0.03%， Si2 3%， Mn20 32%， A12 4 %， Fe余量。將具有上述組成的鋼坯冷軋后進行熱處理，在1000 1200'C等溫加熱，隨后快 速冷卻至室溫，可得高性能冷軋孿晶誘發(fā)塑性鋼。本發(fā)明的冷軋孿晶誘發(fā)塑性鋼具有良好的 強塑性，靜態(tài)拉伸時其抗拉強度為580 760MPa，延伸率為60 90%;動態(tài)拉伸時其抗拉強 度為700 1100MPa，延伸率為40 60%。其不足之處在于沒有對材料進行微合金強化，而 是通過高鋁含量來獲得高的延伸率，從而傳統(tǒng)連鑄生產(chǎn)設(shè)備難以進行生產(chǎn)。.
CN101225459公開一種高塑性超細(xì)晶微合金低碳鋼的制造方法，其特征是a.將14MnNb 鋼熱軋板加熱到950 1020'C溫度范圍內(nèi)保溫30 40min; b.隨爐冷卻到840 800'C保溫30 40min后在10X鹽水中淬火；c.然后進行總壓下量60 80X的多道次室溫軋制變形；(4)最后 再進行500 600'C保溫l 20h空冷的再結(jié)晶退火。使用上述工藝制造的高塑性超細(xì)晶微合 金低碳鋼，在保持高強度的同時具有較高伸長率，伸長率為11.3%，抗拉強度為6I5MPa，與 完全馬氏體室溫變形后再結(jié)晶退火得到的超細(xì)晶組織相比，分別提高85%和降低23%。本發(fā) 明可用于生產(chǎn)高塑性超細(xì)晶微合金低碳鋼板材或帶材。其不足之處在于鋼材伸長率太低(伸 長率為11.3%)，沒有達到60%以上的伸長率。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明通過分析計算與實驗研究得出了一種能夠工業(yè)化生產(chǎn)的 高強度高塑性鋼及其制備工藝。TWIP鋼成分的原理是基于層錯能，要求其在形變過程中誘 發(fā)孿晶，抑制馬氏體相變,從而產(chǎn)生TWIP效應(yīng)。奧氏體中Yfce的層錯能是關(guān)鍵，Yfcc大于20MJ/m2 時會發(fā)生機械孿生，所有增加層錯能的合金都有助于孿生發(fā)生，比如鋁就增加層錯能，硅則 降低層錯能；該鋼在使用時無外載荷，冷卻到室溫下的組織是穩(wěn)定的殘余奧氏體，但是如果 施加一定的外部載荷，由于應(yīng)變誘導(dǎo)產(chǎn)生機械孿晶，會產(chǎn)生大的無頸縮延伸，顯示非常優(yōu)異 的力學(xué)性能，高的應(yīng)變硬化率、高的塑性值和高的強度。本發(fā)明根據(jù)C、 Si、 Mn、 Al、 N、
4Ti、 V、 P、 S等元素對TWIP效應(yīng)的影響因素，設(shè)計了合理的化學(xué)成分，降低了生產(chǎn)成本，考 慮工業(yè)生產(chǎn)因素，設(shè)計了制備工藝。
本發(fā)明提供一種高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，其特征在于成分按質(zhì)量百分比范圍如 下C:^l%、 Si:1.8 2,8%、 Mn:10 25%、 Al:0.05 0.1%、 N:0.008 0.05%、 B:0.001 0.005%、 Ti:0.01 0.2%、 S:^).01%、 P^).015。/。.其余為鐵元素與不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明通過加入微 合金元素N:0.008 0.05。/0、 B:0.001 0.005%、 Ti:0.01 0.2。/o來達到防止制備過程中材料晶粒 的長大，降低鋁含量實現(xiàn)傳統(tǒng)連鑄設(shè)備能夠生產(chǎn)該鋼種的目的。
優(yōu)選的，當(dāng)C:^).l。/。時，Mn含量應(yīng)保證20 25。/。；當(dāng)0.7^C含量5P/。時，Mn含量可以15 20%范圍內(nèi)控制。
進一步來說，本發(fā)明以碳代錳來擴大奧氏體區(qū)，減少錳的用量，以氮代鋁以保證工業(yè) 化生產(chǎn)，用氮、鈦、硼的配合來強化鋼的性能，降低生產(chǎn)成本。
優(yōu)選的，所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，材料經(jīng)過高溫退火以后，孿晶比例達 到40%以上。
優(yōu)選的，所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，抗拉強度700 1100MPa,屈服強度600 900MPa，延伸率60% 85%。
優(yōu)選的，所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，抗拉強度700 900MPa,屈服強度600 700MPa，延伸率65% 85 % 。
本發(fā)明另一方面提供了 一種所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼的制備方法，包含下
列步驟
1) 冶煉、鑄造；
2) 鍛造或軋制成型，初始成型溫度為1100。C 115(TC，終成型溫度850。C 95(TC;
3) 水冷或空冷至室溫；
4) 退火，溫度90(TC 1000。C，保溫30 60分鐘；水淬冷卻至350'C，空冷至室溫。 優(yōu)選的，步驟l)之后進行電渣連鑄重熔，渣系為CaF2: Al2O3=70%: 30%，渣量保持30
100Kg,熔速15 20Kg/min，空冷。對于普通用途的產(chǎn)品此步驟可以省略。
優(yōu)選的，步驟l)在電爐內(nèi)進行冶煉，冶煉過程中充氮氣保護；鑄造成電渣錠。 步驟4)中保溫時間根據(jù)產(chǎn)品厚度而定， 一般為30 60分鐘。
有益效果
本發(fā)明制造的是一種具有高強度高塑性，高吸能，沒有低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度的鋼鐵材料， 在無外加載荷時，未變形的鋼材在室溫下的組織是全部穩(wěn)定的殘余奧氏體，在這些一次Y(奧 氏體)內(nèi)有少量的退火孿晶。當(dāng)處于外部載荷作用狀態(tài)時，由于變形過程中應(yīng)變誘導(dǎo)產(chǎn)生機 械孿晶，會發(fā)生非常大的無頸縮均勻延伸，因而表現(xiàn)出非常高的塑性。本發(fā)明的有益效果是
為了達到以上目標(biāo)即充分考慮了廉價微量元素的作用，又考慮并排除了高鋁含量對工業(yè)化生 產(chǎn)的限制作用，并制造出了滿足市場需求的鋼材。由于充分發(fā)揮了氮、硼、磷元素與鈦的作 用，減少了鋁、錳的加入量，在不考慮鋁含量時，又充分利用了碳的強化作用以及擴大奧氏
5體區(qū)域的作用，以及利用間隙原子N來取代置換原子Al，由于氮能夠增加層錯能抑制馬氏 體相變，硅降低層錯能有利于馬氏體相變，所以，本發(fā)明通過實驗得出了抗拉強度1000MPa， 屈服強度700MPa，延伸率65%，以及抗拉強度800MPa,屈服強度650MPa，延伸率80%的鋼材。


圖1為實例1典型金相組織。
圖2為實例2典型金相組織。
具體實施例方式
下面應(yīng)用實例對本發(fā)明作進一步闡述與說明。以下實例不表明對本發(fā)明有任何限制。 實施例1
按照下列化學(xué)成份進行冶煉，質(zhì)量百分比C:0.03%、 Si:2.8%、 Mn: 25%、 Al:2.0%、 N:0.05%、 B:0.001%、 Ti:0.2%、 S:0.01%、 P: 0.030.其余為鐵元素與不可避免的雜質(zhì)。應(yīng)用 電爐冶煉、鑄造成電渣錠，應(yīng)用電渣連鑄重熔，電渣重熔渣系為CaF2:Al2O3=70%:30%，渣 量保持80 90Kg，熔速15 20Kg/min,空冷。軋制成型，厚度3.5mm，初始成型溫度為 1150°C，終成型溫度85(TC，水淬至室溫。高溫退火，溫度900'C，保溫時間30分鐘，空冷 至室溫，得到鋼材性能為抗拉強度810MPa，屈服強度690MPa，延伸率82%的鋼材，鋼材變 性后金相組織照片中存在大量孿晶，圖1為實例1典型金相組織。 實施例2
按照下列化學(xué)成份進行冶煉，質(zhì)量百分比C:0.9%、 Si:2.5%、 Mn: 18%、 Al:0.05%、 N:0.02%、 B:0.0015%、 Ti:0.1%、 S:0.009%、 P: 0.020.其余為鐵元素與不可避免的雜質(zhì)。應(yīng) 用電爐冶煉、鑄造成電渣錠，應(yīng)用電渣連鑄重熔，電渣重熔渣系為CaF2:Al2O3=70%:30%， 渣量保持30 100Kg，熔速15 20Kg/min,空冷。軋制成型，厚度3.0mnl，初始成型溫度 為1100°C，終成型溫度86(TC，然后水淬至室溫。高溫退火，溫度90(TC，保溫時間30分 鐘，空冷至室溫，得到鋼材性能為抗拉強度llOOMPa，屈服強度790MPa，延伸率60%的鋼材， 鋼材變性后金相組織照片中存在大量孿晶，圖2為實例2典型金相組織。 實施例3
按照下列化學(xué)成份進行冶煉，質(zhì)量百分比C:0.4%、 Si:1.8%、 Mn: 15%、 Al:1.0%、 N:0.005%、 B:0.005%、 Ti:0.02%、 S:0.001%、 P: 0.010.其余為鐵元素與不可避免的雜質(zhì)。應(yīng) 用電爐冶煉、鑄造成電渣錠，應(yīng)用電渣連鑄重熔，電渣重熔渣系為CaF2:Al2O3=70%:30%， 渣量保持60Kg，熔速15 20Kg/min,空冷。軋制成型，厚度3.5mrn，初始成型溫度為1150'C， 終成型溫度950'C，水淬至室溫。高溫退火，溫度100(TC，保溫時間20分鐘，空冷至室溫， 得到鋼材性能為抗拉強度730MPa,屈服強度650MPa，延伸率82%的鋼材，鋼材變性后金相 組織照片中存在大量孿晶。
權(quán)利要求
1.一種高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，其特征在于成分按質(zhì)量百分比范圍如下C≤1％、Si1.8～2.8％、Mn10～25％、Al0.05～0.1％、N0.008～0.05％、B0.001～0.005％、Ti0.01～0.2％、S≤0.01％、P≤0.015％.其余為鐵元素與不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明通過加入微合金元素N0.008～0.05％、B0.001～0.005％、Ti0.01～0.2％來達到防止制備過程中材料晶粒的長大，降低鋁含量實現(xiàn)傳統(tǒng)連鑄設(shè)備能夠生產(chǎn)該鋼種的目的。
2. 如權(quán)利要求l所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，其特征在于，當(dāng)<::^).1%時， Mn含量為20 25。/。。
3. 如權(quán)利要求l所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，其特征在于，當(dāng)0.75C含量S"/。 時，Mn含量為15 20n/。。
4. 如權(quán)利要求l所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，其特征在于，材料經(jīng)過高溫退 火以后，孿晶比例達到40%以上。
5.如權(quán)利要求1所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，其特征在于，優(yōu)選的，所述的 高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，抗拉強度700 1100MPa，屈服強度600 900MPa，延伸率 60% 85%。
6. 如權(quán)利要求5所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼，其特征在于，抗拉強度700 卯OMPa，屈服強度600 700MPa，延伸率65% 85%。
7. 如權(quán)利要求l所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼的制備方法，包含下列步驟1) 冶煉、鑄造；2) 鍛造或軋制成型，初始成型溫度為1100。C 115(TC，終成型溫度850'C 95(TC;3) 水冷或空冷至室溫；4) 退火，溫度90(TC 100(TC，保溫30 60分鐘；水淬冷卻至350'C，空冷至室溫。
8. 如權(quán)利要求5所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼的制備方法，其特征在于，步驟l) 之后進行電渣連鑄重熔，渣系為CaF2: Al2O3=70%: 30%，渣量保持30 100Kg,熔速15 20Kg/min，空冷。
9. 如權(quán)利要求5所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼的制備方法，其特征在于，步驟l) 在電爐內(nèi)進行冶煉，冶煉過程中充氮氣保護；鑄造成電渣錠。
10. 如權(quán)利要求5所述的高強度高塑性孿生誘發(fā)塑性鋼的制備方法，其特征在于，步驟 4)中保溫時間為30 60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及含Mn、Si、Al、N、B、Ti的孿生誘發(fā)塑性鋼，成分按質(zhì)量百分比范圍如下C≤1％、Si1.8～2.8％、Mn10～25％、Al0.05～0.1％、N0.008～0.05％、B0.001～0.005％、Ti0.01～0.2％、S≤0.01％、P≤0.015％，其余為鐵元素與不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明通過加入微合金元素N0.008～0.05％、B0.001～0.005％、Ti0.01～0.2％來達到防止制備過程中材料晶粒的長大，降低鋁含量實現(xiàn)傳統(tǒng)連鑄設(shè)備能夠生產(chǎn)該鋼種的目的。此鋼材適合用于低溫應(yīng)用領(lǐng)域，特別適合于深冷用途以及高寒地區(qū)汽車的安全防護用材料。
文檔編號C21D1/26GK101580916SQ20091001660
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者劉洪銀, 孫會朝, 蔣鯉平, 許榮昌 申請人:萊蕪鋼鐵集團有限公司