專利名稱：一種氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬鋼鐵材料制備領(lǐng)域，涉及一種氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料及其制備
方法
背景技術(shù)：
孿晶誘導(dǎo)塑性鋼是以Fe、 Mn為主的純奧氏體碳鋼，退火后的室溫組織為奧氏體， 并伴有少量的片狀退火孿晶和層錯(cuò)，經(jīng)拉伸后晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量的機(jī)械孿晶，通過孿晶 界阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)從而誘導(dǎo)塑性，使得基體具有很高的延伸性的同時(shí)具有高的塑性。
近幾年孿晶誘導(dǎo)塑性鋼優(yōu)越的高強(qiáng)度(600-1200MPa)、高塑性(最大延伸率可達(dá)95%)、 高韌性(-196。C鋼具有65。Z。的總應(yīng)變)的研究，使一種新的大范圍提高鋼材性能的手段 成為可能。使孿生變形對(duì)鋼的性能的貢獻(xiàn)引起了材料研究者的重新認(rèn)識(shí)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的 TWIP鋼成分為Fe-25Mn-3Al-3Si-0. 03C (文獻(xiàn)l: Georg Frommeyer， Udo Brux, Peter Neumann. Supra-ductile and high-strength manganese_TRIP/TWIP steels for high energy absorption purposes, ISIJ International, V 43(2003)3:438-446.)其中Al 含量較高，因?yàn)锳1在澆鑄時(shí)易氧化，會(huì)堵澆鑄的水口，而高含量的Si會(huì)影響冷軋板的鍍 鋅質(zhì)量，這些問題會(huì)為TWIP鋼的工業(yè)化生產(chǎn)帶來難題，因此有必要開發(fā)新一代的低Si低 Al的TWIP鋼。
氮元素是普遍存在的便宜元素，固溶于基體中的N原子增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的摩擦力。 雖然N原子半徑小于C原子，但由于N原子擁有更多的核外電子，F(xiàn)e原子的4s或3d 軌道電子與C/N原子的s-p軌道電子發(fā)生軌道雜化。N原子更高的自由電子密度提高了 原子交互作用的金屬鍵特性，而C原子則增加共價(jià)鍵特性。因此，N原子所造成的晶格 畸變大于C原子，固溶強(qiáng)化作用比C原子更大。此外，在Fe-Mn合金中加入合適范圍的 N含量可以顯著提高層錯(cuò)能、固溶強(qiáng)化和抗腐蝕性能。
本發(fā)明制備的高強(qiáng)度、高塑性的鋼鐵材料具有非常優(yōu)異的綜合力學(xué)性能?？捎糜?鐵路鋼軌、制造轎車、工程機(jī)械、輸油氣管線和液化天然氣運(yùn)輸船以及軍工等行業(yè)，具 有重要的價(jià)值和極大的應(yīng)用空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性具有高強(qiáng)度高塑性的奧氏體鋼 鐵材料及制備方法。一種氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料其成份范圍為C%:0. 2-1. 0%， Mn%:15-35%, 氮含量控制在0, 04-0. 2wt%， Al%:<lwt%， Si%<lwt%, S%<0. 008%, P%<0. 02%,余量是Fe 及不可避免的雜質(zhì)；層錯(cuò)能控制在20-60 raj'mm2。
其中氮含量的優(yōu)選范圍為0. 06-0. 2wt°/。。
氮強(qiáng)化的孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的制備方法
1) .采用電磁感應(yīng)爐真空熔煉，充氬氣保護(hù)，澆鑄成板坯；
2) .利用軋制技術(shù)，經(jīng)熱軋、冷軋，其中熱軋的加熱溫度1100-120(TC，保溫30分 鐘-3小時(shí)后，在350 二輥熱軋機(jī)上熱軋，得到厚度為2. 5 3. 5mm的熱軋薄板，總變形 量為80 90%，熱軋的開軋溫度為1100，終軋溫度為750°C，優(yōu)選終軋溫度控制在850°C 以上；終軋之后空冷至巻取溫度，巻取溫度控制在400-75(TC，優(yōu)選巻取溫度是 500-600°C，冷軋鋼板經(jīng)酸洗后在430四輥冷軋機(jī)上冷軋，冷軋板厚度0. 8-1. 5mm，冷軋 壓下率控制在30-80%，優(yōu)選冷軋壓下率是50-70%;
3) .熱處理工藝將0.8-1. 5mm厚的冷軋鋼板在加熱爐中在設(shè)定溫度600-850'C保溫 5-60分鐘后，以5°C/min-10(TC/s的速度冷卻至室溫，優(yōu)選熱處理工藝是650-75(TC保 溫5-20分鐘，冷卻速度是10-50°C/s。
氮元素強(qiáng)化的高碳高錳含量的高強(qiáng)度高塑性孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料，其微觀結(jié)構(gòu)經(jīng) 過熱軋或熱處理后變形前是奧氏體基體中存在有退火孿晶和層錯(cuò)，其晶粒尺寸為 2-20pm，退火孿晶生長(zhǎng)并貫穿于晶粒內(nèi)部；經(jīng)變形后，在外力作用下形成形變孿晶，取 向相同的孿晶片層之間相互平行。正是由于變形過程中形變孿晶的形成最后階段的剪切 帶變形從而誘導(dǎo)塑性使材料在具有高強(qiáng)度的同時(shí)具有高塑性。
本材料通過工藝控制得到不同級(jí)別的強(qiáng)度和塑性的配比，可得到使抗拉強(qiáng)度在 995-1530MPa，同時(shí)屈服強(qiáng)度在470-1340MPa，延伸率在13-71. 5%。在-100。C以上不存在 韌脆性轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 具有優(yōu)良的性質(zhì)。本發(fā)明利用軋制技術(shù)和熱處理工藝制備出具有退火孿晶和層 錯(cuò)的奧氏體晶粒，其大小為2-20pm，具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明材料具有很高的延伸 率，A50可高達(dá)7L 5%，該塑性指標(biāo)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用其他傳統(tǒng)方法制備的鋼鐵材料。
2. 應(yīng)用前景好。由于本發(fā)明中這種鋼鐵材料可通過不同的化學(xué)成分配比經(jīng)過熱軋 工藝控制或者冷軋后簡(jiǎn)單的熱處理后具有退火孿晶的奧氏體組織結(jié)構(gòu)，使得材料具有高 強(qiáng)度的同時(shí)具有高塑性。因此，這種高強(qiáng)度高塑性的鋼鐵材料對(duì)高速發(fā)展的汽車、石油、鐵路、建筑、船舶等行業(yè)及軍工用品方面和需要的發(fā)展具有重要價(jià)值
3.制備方法簡(jiǎn)單。本發(fā)明利用傳統(tǒng)的煉鋼技術(shù)、軋制工藝和熱處理技術(shù)，只需控 制熱軋工藝及熱處理工藝即可獲得這種具有孿晶組織的高強(qiáng)度高塑性的鋼鐵材料。
4成本低。本發(fā)明的鋼鐵材料不需要添加貴重的合金元素，只需常用的價(jià)格較低的 碳和錳元素含氮元素即可獲得鋼鐵材料。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l.
1. 利用傳統(tǒng)的真空冶煉和熱軋、冷軋工藝制備出鋼板
冶煉工藝采用電磁感應(yīng)爐真空熔煉，充氬氣保護(hù)丄％:0. 52wt%， Mn%:23. 77wt%， N%: 0. 088wt%， S%〈0. 008wt%， P%<0. 02wt%， Al%:<lwt%， Si%<lwt%,余量是Fe。
軋制工藝鋼鐵材料加熱溫度為1200。C，保溫3小時(shí)均勻化處理。在350二輥熱軋機(jī) 上熱軋，得到厚度為2.5 3. 5mm左右的熱軋薄板，總變形量為80 90%，其開軋和終軋 溫度分別為110(TC和95(rC，在430四輥冷軋機(jī)上冷軋，冷軋至l. Omm厚的試驗(yàn)薄板。
2. 熱處理工藝將1.0mm厚的冷軋鋼板在加熱爐中70(TC保溫10分鐘后，以5IVs的 冷卻速度冷卻至室溫。
光學(xué)顯微組織觀察其室溫組織為奧氏體基體的退火孿晶，退火后的組織有邊界平直 的退火孿晶出現(xiàn)。通過TEM觀察內(nèi)部為大量的層錯(cuò)和孿晶共存結(jié)構(gòu)，拉伸變形后的光學(xué) 顯微組織，在外力作用下原來的退火孿晶發(fā)生變形，產(chǎn)生了更為細(xì)小的變形孿晶。
氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的室溫力學(xué)性能1130MPa的抗拉強(qiáng)度，和565MPa 的屈服強(qiáng)度以及61.5%延伸率。
實(shí)施例2
與實(shí)施例l不同之處在于熱處理溫度的控制，只將熱處理溫度控制在700"C， 保溫20分鐘以上，以3(TC/s的冷卻速度冷卻至室溫。
該工藝條件下同樣制備出高強(qiáng)度、高塑性的孿晶誘導(dǎo)塑性鋼，透射電子顯微鏡 觀察該鋼鐵材料也由奧氏體基體中存在退火孿晶和層錯(cuò)的微觀結(jié)構(gòu)，其晶粒尺寸2-5pm。 該鋼鐵材料在室溫的力學(xué)性能屈服強(qiáng)度515MPa，抗拉強(qiáng)度1020MPa，延伸率71%。 實(shí)施例3.
1.利用傳統(tǒng)的真空冶煉和熱軋、冷軋工藝制備出鋼板
冶煉工藝采用電磁感應(yīng)爐真空熔煉，充氬氣保護(hù)丄％:0. 57wt%, Mn%:29. 14wt%， N%: 0.18wt%， S%〈0. 008wt%， P%〈0. 02wt%， Al%:<lwt%, Si%<lwt%，余量是Fe。軋制工藝鋼鐵材料加熱溫度為120(TC，保溫3小時(shí)均勻化處理。在350二輥熱軋機(jī) 上熱軋，得到厚度為2. 5 3. 5mm左右的熱軋薄板，總變形量為80 90%，其開軋和終軋 溫度分別為1100。C和95(TC，在430四輥冷軋機(jī)上冷軋，冷軋至l. Omm厚的試驗(yàn)薄板。
2.熱處理工藝將1.0隱厚的冷軋鋼板在加熱爐中70(TC保溫10分鐘后，以20'C/s 的冷卻速度冷卻至室溫。
光學(xué)顯微組織觀察其室溫組織為奧氏體基體的退火孿晶，退火后的組織有邊界平直 的退火孿晶出現(xiàn)。通過TEM觀察內(nèi)部為大量的層錯(cuò)和孿晶共存結(jié)構(gòu)，拉伸變形后的光學(xué) 顯微組織，在外力作用下原來的退火孿晶發(fā)生變形，產(chǎn)生了更為細(xì)小的變形孿晶。
氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的室溫力學(xué)性能1520MPa的抗拉強(qiáng)度，和 1340MPa的屈服強(qiáng)度以及13%以上的延伸率。
實(shí)施例4
與實(shí)施例l不同之處在于其化學(xué)成分的不同，具體的成分為C%:0. 53wt%， Mn%:24. 61wt%, N%: 0. llwt%， S%<0. 008wt%， P%〈0. 02wt%， Al%:<lwt%, Si%<lwt%，余
量是Fe。
冷軋lmm厚的薄板，熱處理溫度的控制是將熱處理溫度控制在750'C，保溫10分鐘， 以3(TC/s的冷卻速度冷卻至室溫。
氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的室溫力學(xué)性能1160MPa的抗拉強(qiáng)度，和610MPa 的屈服強(qiáng)度以及54%的延伸率。
權(quán)利要求
1一種氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料，其特征是材料成份范圍為C％0.2-1.0％，Mn％15-35％，氮含量控制在0.04-0.2wt％，Al％<1wt％，Si％<1wt％，S％<0.008％，P％<0.02％，余量是Fe，層錯(cuò)能控制在20-60mJ·mm2。
2.如權(quán)利要求1所述氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料，其特征是氮含量是 0.06-0.2wt%。
3、如權(quán)利要求1或2所述氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料，其特征是制備方法為1) .采用電磁感應(yīng)爐真空熔煉，充氬氣保護(hù)，澆鑄成板坯；2) .利用軋制技術(shù)，經(jīng)熱軋、冷軋，其中熱軋的加熱溫度1100-1200°C，保溫30分 鐘-3小時(shí)后，在350 二輥熱軋機(jī)上熱軋，得到厚度為2.5 3.5mm的熱軋薄板，總變形 量為80 90%，熱軋的開軋溫度為1100，終軋溫度為750";終軋之后空冷至巻取溫度， 巻取溫度控制在400-750°C，冷軋鋼板經(jīng)酸洗后在430四輥冷軋機(jī)上冷軋，冷軋板厚度 0.8-1.5mm，冷軋壓下率控制在30-80%;3) .熱處理工藝將0.8-1.5mm厚的冷軋鋼板在加熱爐中在設(shè)定溫度600-850'C保 溫5-60分鐘后，以5°C/min-100°C/s的速度冷卻至室溫。
4. 如權(quán)利要求3所述氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的制備方法，其特征是終軋 溫度控制在85(TC以上。
5. 如權(quán)利要求3所述氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的制備方法，其特征是巻取 溫度是500-600 。C。
6. 如權(quán)利要求3所述氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的制備方法,其特征冷軋壓 下率是50-70%。
7. 如權(quán)利要求3所述氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的制備方法，其特征是熱處 理工藝是650-750。C保溫5-20分鐘，冷卻速度是10-50°C/s。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋼鐵金屬材料的改進(jìn)技術(shù)，特別是一種氮強(qiáng)化高碳孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料及其制備方法。其特征是材料成份范圍為C％0.2-1.0％，Mn％15-35％，氮含量控制在0.04-0.2wt％，Al％＜1wt％，Si％＜1wt％，S％＜0.008％，P％＜0.02％，余量是Fe。層錯(cuò)能控制在20-60mJ·mm²。本發(fā)明可通過工藝控制得到不同級(jí)別的強(qiáng)度和塑性的配比，使抗拉強(qiáng)度在995-1530MPa，同時(shí)屈服強(qiáng)度在470-1340MPa，延伸率在13-71.5％。在-100℃以上不存在韌脆性轉(zhuǎn)折點(diǎn)。本發(fā)明制備的高強(qiáng)度、高塑性的鋼鐵材料可用于鐵路鋼軌、制造轎車、工程機(jī)械、輸油氣管線和液化天然氣運(yùn)輸船以及軍工等行業(yè)，具有重要的價(jià)值和極大的應(yīng)用空間。
文檔編號(hào)C22C38/06GK101429621SQ20081023989
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者代永娟, 呂建崇, 荻 唐, 江海濤, 米振莉 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)