CN114606430B - 一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢及其制备方法 - Google Patents

一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钢材领域，具体公开了一种低碳Fe‑Mn‑Al‑Si系TWIP钢及其制备方法，TWIP钢的制备方法包括：步骤1），把低碳钢、锰、铝、硅铁熔炼成钢水；步骤2），把钢水注入模具冷却成粗钢；步骤3），把粗钢经电渣重熔工艺精炼，获得精钢；步骤4），加热精钢并进行重结晶退火，冷却的速度为1‑2℃/min，冷却的同时拉伸精钢以使精钢发生形变，并控制精钢的拉伸形变速度为1‑2mm/min，直至精钢冷却至40‑50℃后，取消对精钢的拉伸操作，取消拉伸应力，取消控温，自然冷却至室温，制得低碳Fe‑Mn‑Al‑Si系TWIP钢。低碳Fe‑Mn‑Al‑Si系TWIP钢由上述制备方法制得。本发明的低碳Fe‑Mn‑Al‑Si系TWIP钢具有降低塑性成型难度的优点。

Description

一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢材领域，尤其是涉及一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢及其制备方法。
背景技术
TWIP钢即孪生诱发塑性钢，其在形变时，会形成孪晶，使得钢材具有更高的强度、更高的塑性以及更高的应***化性能，从而使得钢材在受到冲击时，能更好地吸收能量，因此，为了更有效地保护乘客安全，目前已广泛利用上述钢材作为汽车制造材料。
经研究证明，Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢中，当锰含量达到25wt％，铝含量超过3wt％，硅铁含量在2wt％-3wt％之间时，Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢形变时产生的孪晶较多，使得其物理性能非常好，具有很好的应用前景。
但是，在实际产品的生产过程中，汽车材料一般都需要利用钢材通过热轧或冷轧工艺将型材制成各种具体形状，而钢材一般是通过钢水浇筑至模具中成型得到的钢锭、钢棒等基础型材，钢材从钢水冷却至钢锭时，由于热胀冷缩的原理，钢材也会发生一定的形变，使得型材在成型过程中本身就会形成大量孪晶，因此，在需要将型材轧制加工成具体的汽车材料时，由于型材在成型过程中已经生成了大量的孪晶，容易导致型材在轧制的过程中出现抵抗变形的力急剧增加的情况，使得型材在轧制过程中容易开裂，使得Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的塑性成型十分困难，因此，还有改善的空间。
发明内容
为了降低Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的塑性成型的难度，本申请提供一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法，采用如下的技术方案：
一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法，所述TWIP钢包括以下质量份数的组分：
低碳钢66-70份；
锰32-35份；
铝3.2-3.5份；
硅铁2.6-2.8份；
所述TWIP钢的制备方法包括以下步骤：
步骤1)，把低碳钢、锰、铝、硅铁按上述质量份数比例加入至熔炉中，并熔炼成钢水；
步骤2)，把步骤1)制得的钢水注入模具中，冷却，制成粗钢；
步骤3)，把步骤2)制得的粗钢经电渣重熔工艺精炼，获得精钢；
步骤4)，加热步骤3)制得的精钢，然后再冷却，进行重结晶退火，冷却的速度为1-2℃/min，同时，在冷却过程中同步进行拉伸精钢的操作，并控制精钢的拉伸形变速度为1-2mm/min，直至精钢冷却至40-50℃后，取消对精钢的拉伸操作，并取消对精钢冷却速度的控制，自然冷却至室温，制得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢。
优选的，所述TWIP钢包括以下质量份数的组分：
低碳钢69-70份；
锰32-33份；
铝3.2-3.3份；
硅铁2.7-2.8份。
通过在退火的过程中控制精钢的冷却速度并配合施加拉应力以实现精钢的拉伸形变，使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢中的孪晶退化消失，使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢在轧制加工时不用克服孪晶带来的阻碍，使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的塑性加工更为容易，不容易出现受力***而抵抗轧制的情况，从而使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢在轧制成具体的汽车材料的加工过程中更加不容易开裂,有利于降低低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的塑性成型的难度。
有研究表明，退火能是形变孪晶消失，研究中发现，层错是在退火回复阶段开始退化的，形变孪晶也是在退火回复阶段消失的，层错的退化与消失的原因在于，相邻亚晶以及亚晶内部形成的新亚晶以凸出机制逐渐吞并了层错，而孪晶的退化与消失的原因在于，相邻亚晶以凸出机制逐渐吞并形变孪晶以及孪晶板条以合并机制逐渐减少板条数量而使板条扩宽，最终，宽板条的孪晶界面由于位错的运动而消失，因此通过退火工艺可以实现孪晶的退化与消失。
但是，研究中也发现，在退火过程中会形成退火孪晶，且退火孪晶也是形成于退火回复阶段，退火孪晶形成的原因是在退火时，高应变带的形变带内部会形成两个甚至多个有部分重叠的亚晶，亚晶随后向高应变区逐渐长大，不同亚晶的迁移速度不同就容易形成局部的大角度晶界，那么就会在亚晶粒内形成退火孪晶，而且，退火孪晶形成先于再结晶，因此，单纯的退火工艺是无法使孪晶完全退化消失，仍会存在部分在退火阶段新形成的退火孪晶，导致轧制加工时，依旧容易存在开裂的现象。
因此，通过步骤4)中，在退火降温的过程中，通过控制温度的冷却速度，延长回复阶段，同时施加特定程度的拉应力，使得大角度晶界迁移被抵消，减少出现大角度晶界迁移的现象，从而使得退火过程中，不易出现退火孪晶，使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢更易于塑性加工，不易出现开裂现象。
通过步骤3)进行精炼，有利于去除低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢中的杂质，使得最终得到的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的质量以及物理性能更佳，且使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢更适于塑性加工。
通过控制TWIP钢各组分的含量，有利于更好地控制最终制得的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的各组分含量，使得最终制得的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢在轧制成具体的汽车材料后，能产生的孪晶更多，进而使得其物理性能更好，更适于生产。
优选的，所述步骤4)中，加热精钢至680-700℃，保温15-20min，再进行冷却。
通过680-700℃保温，使得退火效果更佳，同时，配合特定的冷却速度以及特定的拉应力，使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢在冷却过程中稳定形变，使得退火后的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢中不容易产生退火孪晶，进而使得制得的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的塑性加工性能更好。
优选的，控制所述步骤3)制得的精钢为圆柱状，且精钢在步骤4)中的拉伸形变为精钢的长度形变。
通过控制步骤3)制得的精钢为圆柱状，使得精钢在拉伸形变的过程中，拉伸应力可更加均匀地分布于整根精钢上，同时，由于圆柱状的界面比较光滑，不容易出现在棱角处应力集中的情况，从而有利于拉伸形变的效果分布更为均匀，进而有利于更好地减少退火孪晶的生成。
优选的，控制所述步骤3)中的制得的精钢的长度为5-6m、直径为5-6cm。
通过控制精钢的长度与直径，有利于精钢更好地与特定的形变速度匹配后，从而有利于更好地减少出现大角度界面迁移的现象，进而有利于更好地减少退火孪晶的生成，同时，每次处理的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的重量较多，在工业生产中具有较强的实用性。
优选的，所述步骤4)中，利用夹具夹持住精钢并对精钢进行拉伸操作，待精钢冷却至室温后，去掉精钢在拉伸形变过程中被夹具夹持的部分，余下部分即为低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢。
由于在拉伸过程中，精钢被夹具夹持的部分难以发生拉伸形变，从而容易导致精钢被夹具夹持的部分难以实现消除退火孪晶的效果，因此，通过去掉精钢在拉伸过程中被夹持的部分，有利于更好地保证最终获得的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的质量。
优选的，所述步骤4)中，精钢的加热以及冷却至40-50℃的过程均在密闭加热室中进行，并在冷却过程中加设风机使得加热室内的空气始终处于循环流动的状态。
通过在密闭加热室中进行加热以及均匀冷却的过程，有利于更好地保证加热室在精钢加热以及冷却过程中的保温效果，从而有利于更好地保证对精钢的加热效果以及冷却效果，使得最终获得的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的质量更好。
优选的，所述步骤3)中，电渣由氟化钙、氧化铝、氧化钙以6：2：5的质量比例复配而成。
通过特定比例的特定物质复配成电渣，使得精钢提炼的效果更好，有利于更好地减少低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢中的杂质，从而使得制得的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢质量更佳。
优选的，所述步骤3)中，电渣重熔的过程中采用惰性气体进行保护。
通过利用惰性气体进行保护，使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢中的组分更加不易出现被氧化的情况，有利于减少低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢中的有效成分的损耗，从而有利于更好地保持低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的优良的物理性能。
第二方面，本申请提供一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，采用如下的技术方案：
一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，由上述的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法制得。
通过采用上述方法制备低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，使得制得的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢更易于塑性加工，使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢在塑性加工过程中更加不容易开裂，从而有利于低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢获得更佳的物理性能。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请通过在退火的过程中控制冷却速度以及配合施加拉应力以实现拉伸形变，使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢中的孪晶退化消失，使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢在轧制加工时无需克服孪晶带来的阻碍，使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的塑性加工更为容易，不易出现受力***而抵抗轧制的情况，从而使得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢在加工时不容易出现开裂的情况,有利于降低低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的塑性成型的难度。
2、本申请中优选通过控制精钢为圆柱状，使得精钢在拉伸过程中，拉伸应力更加均匀地分布于整根精钢中，由于圆柱状界面光滑，不容易出现棱角处的应力集中的情况，使得精钢的拉伸形变效果更为均匀，从而有利于更好地减少退火孪晶的生成。
3、本申请中优选通过控制精钢的长度与直径，有利于低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢更好地与特定的形变速度匹配，从而有利于更好地减少出现大角度界面迁移的现象，使得退火孪晶更加不容易生成，同时，每次处理的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的重量较多，在工业生产中具有较强的实用性。
具体实施方式
以下结合实施例以及对比例对本申请作进一步详细说明。
以下实施例及对比例中所用原料的来源信息详见表1。
表1
原料 来源信息
低碳钢 无锡法迈利金属材料有限公司20#低碳钢，碳含量0.2％
锰 河北玖越新材料科技有限公司，高纯度锰，杂质含量0.01％
铝 济南永昌铝业有限公司，高纯度铝，铝含量99.6％
硅铁 郑州市熔成冶金材料有限公司，75#硅铁，硅含量80％
氟化钙 山东开普勒生物科技有限公司，含量98％
氧化铝 涿州有融新材料科技有限公司，含量99.99％
氧化钙 北京京豫鲁建筑工程有限公司，含量99％
实施例1-3
一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，包括以下组分：
低碳钢、锰、铝、硅铁。
实施例1-3中各组分的具体投入量详见表2，表2中各组分的质量单位均为kg。
表2
Figure BDA0003525242770000081
Figure BDA0003525242770000091
低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)，把低碳钢、锰、铝、硅铁按表2所示的质量投入熔炉中，并加热至1600℃，熔炼成钢水。
步骤2)，把步骤1)制得的钢水注入模具中，在室温条件下自然冷却，直至钢水冷却成粗钢，且制得的粗钢为圆柱状，粗钢长度为1m，直径为10cm。
步骤3)，把步骤2)制得的粗钢经过电渣炉进行电渣重熔，并控制熔化速率为600kg钢/小时，同时，通入氦气进行保护，并控制氦气的流速为35Nm3/h，经过电渣重熔精炼后，获得铸锭，然后再次加热铸锭至1600℃以形成钢水，再把钢水注入至模具中，自然冷却，形成精钢，精钢为圆柱状，精钢长度为5m，直径为5cm。
步骤4)，把步骤3)制得的精钢置于密闭的加热室中，通过夹具夹持住精钢的两端，并把拉力设备与夹具连接，在无拉应力状态下，通过启动加热室内的制热设备，使得加热室内的温度升高，从而将精钢加热至680℃，保温20min，然后调整加热设备的功率，使得加热室内的温度以1℃/min的冷却速度逐渐下降，同时，在加热室内设置风机，使得加热室内的空气始终处于循环流动的状态，从而保证对精钢的加热效果与降温效果，在温度开始下降的同时，启动拉力设备，拉伸精钢，使得精钢以1mm/min的速度在长度方向上发生拉伸形变，直至精钢降温至40℃，关闭拉力设备，同时，打开加热室，使得加热室内自然通风，并使得精钢在自然条件下冷却至室温，松开夹具，取下被夹持的精钢，并将精钢在拉伸过程中被夹具夹持住的两端切除，最后通过酸洗去表面氧化皮，即获得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢。
其中，步骤3)的电渣重熔过程中的电渣利用氟化钙、氧化铝、氧化钙以6：2：5的质量比例复配而成。
实施例4
一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，与实施例3相比，区别仅在于：
低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法中：
步骤3)中，最终获得的精钢的长度控制为6m，直径控制为6cm。
步骤4)中，把精钢置于密闭加热室后，加热精钢至700℃，保温15min；
精钢在冷却过程中的冷却速度控制为：以2℃/min的速度下降；
精钢在拉伸过程中以2mm/min的速度在长度方向上发生拉伸形变；
精钢在完成拉伸形变后，降低温度至50℃。
对比例1
一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，与实施例3相比，区别仅在于：
低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法中：
步骤4)，精钢在冷却过程中的冷却速度控制为：以5℃/min的速度下降；
精钢在拉伸过程中以5mm/min的速度在长度方向上发生拉伸形变；
对比例2
一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，与实施例3相比，区别仅在于：
低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法中：
步骤4)，精钢在冷却过程中的冷却速度控制为：以5℃/min的速度下降；
对比例3
一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，与实施例3相比，区别仅在于：
低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法中：
步骤4)，精钢在拉伸过程中以5mm/min的速度在长度方向上发生拉伸形变；
对比例4
一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，与实施例3相比，区别仅在于：
低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法中：
步骤4)，把步骤3)制得的精钢置于密闭的加热室中，通过夹具夹持住精钢的两端，并把拉力设备与夹具连接，在无拉应力状态下，通过启动加热室内的制热设备，使得加热室内的温度升高，从而将精钢加热至680℃，保温20min，然后调整加热设备的功率，使得加热室内的温度以1℃/min的冷却速度逐渐下降，同时，在加热室内设置风机，使得加热室内的空气始终处于循环流动的状态，从而保证对精钢的加热效果与降温效果，直至精钢降温至40℃，打开加热室，使得加热室内自然通风，并使得精钢在自然条件下冷却至室温，松开夹具，取下被夹持的精钢，并将精钢被夹具夹持住的两端切除，最后通过酸洗去表面氧化皮，即获得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢。
对比例5
一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，与实施例3相比，区别仅在于：
低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法中：
步骤4)，把步骤3)制得的精钢置于密闭的加热室中，通过夹具夹持住精钢的两端，并把拉力设备与夹具连接，在无拉应力状态下，通过启动加热室内的制热设备，使得加热室内的温度升高，从而将精钢加热至680℃，保温20min，打开加热室，使得加热室内自然通风，并使得精钢在自然条件下冷却至室温，松开夹具，取下被夹持的精钢，并将精钢被夹具夹持住的两端切除，最后通过酸洗去表面氧化皮，即获得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢。
实验1
根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》检测各实施例及对比例制得的的低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的断后伸长率(％)和抗拉强度(MPa)。
实验1的具体实验数据详见表3。
表3
断后伸长率(％) 抗拉强度(MPa)
实施例1 101.7 1861
实施例2 101.5 1866
实施例3 102.3 1863
实施例4 102.1 1859
对比例1 67.3 1864
对比例2 67.9 1863
对比例3 67.6 1862
对比例4 68.7 1857
对比例5 66.8 1860
根据表3中实施例3与对比例1-5的数据对比可得，实施例3的抗拉强度与对比例1-5的抗拉强度相近，但实施例3的断后伸长率明显比高于对比例1-5的断后伸长率，可见，在退火时，只有通过采用特定的冷却速度并匹配施加特定的拉应力，使得钢材在冷却的同时发生拉伸形变，才可有效地减少退火孪晶的产生，而对比例1-5中由于缺少了冷却速度的控制，或缺少了拉应力的拉伸，或改变了冷却速度，或改变了拉伸的拉应力，导致制备过程中都产生了退火孪晶，使得在刚开始拉伸的过程中，孪晶即发挥作用，从而导致即便最终抗拉强度较高，但依旧会存在塑性形变困难的情况，进而证明在轧制过程中，容易出现开裂现象。而实施例3中由于退火孪晶减少，因此在刚开始拉伸时，需要重新形成形变孪晶，然后孪晶才会开始发挥作用，从而使得前期的塑性形变较为容易，塑性形变区间变大，进而证明在轧制加工过程中，具有更好的加工塑性性能，钢材不易开裂，质量更佳。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法，其特征在于：所述TWIP钢由以下原料组成：
低碳钢66-70份；其中碳含量0.2%；
锰32-35份；
铝3.2-3.5份；
硅铁2.6-2.8份；其中硅含量80%；
所述TWIP钢的制备方法包括以下步骤：
步骤1），把低碳钢、锰、铝、硅铁按上述质量份数比例加入至熔炉中，并熔炼成钢水；
步骤2），把步骤1）制得的钢水注入模具中，冷却，制成粗钢；
步骤3），把步骤2）制得的粗钢经电渣重熔工艺精炼，获得精钢；
步骤4），加热步骤3）制得的精钢，然后再冷却，进行重结晶退火，冷却的速度为1-2℃/min，同时，在冷却过程中同步进行拉伸精钢的操作，并控制精钢的拉伸形变速度为1-2mm/min，直至精钢冷却至40-50℃后，取消对精钢的拉伸操作，并取消对精钢冷却速度的控制，自然冷却至室温，制得低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢；
所述步骤4）中，加热精钢至680-700℃，保温15-20min，再进行冷却；
控制所述步骤3）制得的精钢为圆柱状，且精钢在步骤4）中的拉伸形变为精钢的长度形变；
控制所述步骤3）中的制得的精钢的长度为5-6m、直径为5-6cm；
所述步骤3）中，电渣由氟化钙、氧化铝、氧化钙以6：2：5的质量比例复配而成。
2.根据权利要求1所述的一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法，其特征在于：所述TWIP钢由以下原料组成：
低碳钢69-70份；其中碳含量0.2%；
锰32-33份；
铝3.2-3.3份；
硅铁2.7-2.8份；其中硅含量80%。
3.根据权利要求1所述的一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中，利用夹具夹持住精钢并对精钢进行拉伸操作，待精钢冷却至室温后，去掉精钢在拉伸形变过程中被夹具夹持的部分，余下部分即为低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢。
4.根据权利要求1-2任一项所述的一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中，精钢的加热以及冷却至40-50℃的过程均在密闭加热室中进行，并在冷却过程中加设风机使得加热室内的空气始终处于循环流动的状态。
5.根据权利要求4所述的一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，电渣重熔的过程中采用惰性气体进行保护。
6.一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢，其特征在于：由权利要求1-2任一项所述的一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的制备方法制得。
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