CN115772629B - 一种工业化用超塑性中锰钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业化用超塑性中锰钢及其制备方法，属于金属材料制备技术领域。超塑性中锰钢的化学成分按质量百分比分别为:C:0.05～0.3％；Mn:3～12％；Al:0～8％；Nb:0.05～0.3％；V:0.05～0.1％；Mo：0.02～0.4％，其余为Fe及不可避免杂质。中锰钢的制备方法主要包括：1)冶炼出成分配比钢锭，2)加热锻造，3)高差速比温轧，4)高差速比冷轧，5)临界热处理，最终获得平均晶粒尺寸小于200nm的超细奥氏体和铁素体双相中锰钢板材。本发明按照设计的化学成分和制备工艺，通过微观组织细化，使中锰钢在500℃～700℃和10‑1s‑1～10‑3s‑1应变速率条件下获得超过400％的高温延伸率，进而实现中锰钢的低温高速超塑性。
Description
技术领域
本发明涉及中锰钢制备技术领域，具体涉及一种工业化用超塑性中锰钢及其制备方法。
背景技术
汽车轻量化是节能减排的有效途径，是汽车行业发展的主题。相比于镁、铝及其合金，先进高强钢可在不增加汽车生产成本的前提下，显著降低车身重量，已成为目前汽车轻量化的主要材料。作为先进高强钢的典型代表，中锰钢(3.0～12wt.％Mn)具有超细、亚稳和多尺寸微观组织，在塑性变形过程中，能够发生TRIP(Transformation InducedPlasticity)效应，使其具有大于1000MPa的抗拉强度和30％的延伸率，成为材料研究的热点。然而，中锰钢在成形过程中面临一系列的技术难题：(1)由于强度高，在冷成形过程中，传统成形设备磨损严重，增加工艺成本，且或发生回弹现象，影响结构件成形精度；(2)在热成形过程中，或发生表面氧化，且尺寸精度难以精准控制；(3)高精度复杂构件生产困难。
研究发现，中锰钢在一定变形条件下具有变形抗力小、流动性好、变形能力强等超塑性特征，这为解决中锰钢成形回弹和复杂构件生产困难提供了思路。但现有超塑性中锰钢存在成形温度高、应变速率低的不足，这不利于其工业化应用。因此开发一种适合工业化应用的超塑性中锰钢具有重要意义。
发明内容
为解决现有超塑性中锰钢成形温度高、应变速率低的技术问题，本发明提供一种工业化用超塑性中锰钢及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一种工业化用超塑性中锰钢，其特征在于，中锰钢的化学成分质量百分比为：C:0.05～0.3％；Mn:3～12％；Al:0～8％；Nb:0.05～0.3％；V:0.05～0.1％；Mo：0.02～0.4％，其余为Fe及不可避免杂质。
进一步地，所述中锰钢的微观组织为双相奥氏体和铁素体，所述奥氏体和铁素体的晶粒尺寸在0.2um以下。
进一步地，所述中锰钢在500℃～750℃温度范围内，在10-1s-1～10-3s-1应变速率下进行拉伸，其延伸率均大于400％。
上述任意一种工业化用超塑性中锰钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：按照工业化用超塑性中锰钢的化学成分进行配比、冶炼浇铸获得钢锭；
步骤2，锻造：将钢锭加热到1100℃～1200℃，保温3～4h，锻造成钢坯；
步骤3，高差速比温轧：钢坯加热到800℃～900℃，保温2h，经6～7道次高差速比温轧，轧制温度区间为500℃～700℃，总压下率为60％～70％，随后空冷至时室温，得到温轧板；
步骤4，高差速比冷轧：将温轧板经冷轧机，进行压下率为85％～95％的冷轧，获得冷轧板；
步骤5，临界热处理：将冷轧板加热至两相区温度，随后水冷或空冷至室温，获得具有超细、等轴、均匀的双相奥氏体和铁素体微观组织的超塑性中锰钢。
采用上述技术方案，通过高差速比温轧，引入剪切变形，一方面促进形变诱发铁素体相变，一方面能通过剪切诱导细晶效应细化材料的晶粒尺寸，从而达到组织细化的目的。通过高差速比冷轧，能再次将剪切变形引入到中锰钢的冷轧过程中，较常规冷轧，能启动更多的滑移系，激发更多的位错滑移，使材料的晶粒尺寸在轧制变形过程中破碎，此外还能在材料中储备更多的形变储能，为后续中锰钢在临界热处理过程中的再结晶提供驱动力。通过临界热处理，实验钢能够利用高差速比冷轧过程中的变形储能，进行再结晶，实现晶粒再次细化，随后水冷或空冷至室温，获得“超细、等轴、均匀”的双相奥氏体和铁素体微观组织。
进一步地，步骤3所得温轧板的厚度不超过16mm，且不低于12mm。合适的厚度利于微合金析出物的析出，以便于在轧制过程中与位错相互作用，从而达到进一步组织细化的目的。
进一步地，步骤3中，高差速比温轧的上下轧辊的轧速比≥4。在此步骤中，为了减轻因上下轧辊轧速不同造成的板型弯曲，轧制过程中采用板料反转往复轧制操作。
进一步地，步骤4中，高差速比冷轧的上下轧辊的轧速比≥3。在此步骤中，为了减轻因上下轧辊轧速不同造成的板型弯曲，轧制过程中采用板料反转往复轧制操作。
进一步地，步骤5中，将冷轧板加热至两相区温度后保温3min～5min，随后水冷或空冷至室温，可获得具有更小晶粒尺寸的超细、等轴的双相奥氏体和铁素体微观组织。
本发明的有益效果：
(1)针对目前中锰钢超塑性变形温度高和应变速率低的难题，本发明采用微观组织细化的思路，进行中锰钢微观组织制备，这是因为晶粒细化能使超塑性材料的晶界滑移启动容易，容易进行低温和高速超塑性，然而常见的晶粒细化方法，如等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing,ECAP)、累积叠轧焊(Accumulative Roll Bonding,ARB)等，具有一定的局限性，具体体现在：(1)生产成本高；(2)获得样品尺寸通常较小，不利于工业化应用。本发明通过优化中锰钢的化学成分，通过采用高差速比轧制技术，对中锰钢进行剪切力轧制，实现中锰钢微观组织的细化，从而达到中锰钢低温高速超塑性的目的，具有设备依赖小、流程短、能够制备大尺寸中锰钢板材，适于工业化应用的特点。
(2)不同于现存的中锰钢成分设计，本发明采用了Nb、Mo和V复合微合金化，其中Nb和Mo能够在高温区复合析出，这对调控中锰钢高温区微观组织具有重要作用，而V析出温度相对较少，有利于在低温区发挥作用，这样从设计上一方面能和本发明的高差速比轧制实际工艺进行协同调控中锰钢微观组织，另一方面还能通过钉扎作用与独特的高差速比轧制位错增殖效应相互作用，最终细化中锰钢的微观组织。
(3)不同于目前常见的微观组织细化工艺，本发明分三步对中锰钢进行微观组织细化，第一步，在高差速比温轧过程中，利用独特的剪切变形，通过诱发铁素体形核细化晶粒，第二步，在高差速比冷轧过程中，通过微合金析出物与位错相互作用及强剪切力，使中锰钢进行晶粒细化，第三步，在临界热处理过程中，本发明充分利用高差速比冷轧过程中的高形变储能，配合短时间临界热处理，使中锰钢进行再结晶，再次细化材料的微观组织。通过上述设计的综合作用，获得超细中锰钢微观组织，有利于实现中锰钢超塑性的工业化应用。
附图说明
图1是本发明实施例1的经高差速比温轧后中锰钢的金相图。
图2是本发明实施例1的经高差速比冷轧后中锰钢的金相图。
图3是本发明实施例1的经临界热处理后中锰钢的金相图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步说明，以便于对本发明的理解，但并不因此而限制本发明。
实施例1
一种工业化用超塑性中锰钢，其化学成分的质量百分比含量是：
C为0.05％，Mn为3.0％，Nb为0.05％，V为0.05％，Mo为0.02wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述中锰钢的制备步骤包括：
步骤1，冶炼：在真空感应炉中，按照中锰钢化学成分配比、冶炼浇铸获得钢锭。
步骤2，锻造：将钢锭加热到1100℃，保温3h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯。
步骤3，高差速比温轧：将钢坯加热到800℃，保温2h，经6道次高差速比温轧，上下轧机轧辊轧速比为4，轧制温度区间为500℃～700℃，随后空冷至室温，得到16mm厚温轧板，所得温轧板的微观组织如图1。
步骤4，高差速比冷轧：将上述高差速比温轧板经冷轧机，进行压下率为85％的冷轧，其中上下轧机轧辊轧速比为3，获得冷轧板，所得冷轧板的微观组织如图2。
步骤5，临界热处理：将冷轧板加热至500℃，保温3min，获得具有“超细、等轴、均匀”的双相奥氏体和铁素体微观组织的超塑性中锰钢，奥氏体和铁素体的平均晶粒尺寸为160nm，所得超塑性中锰钢的微观组织如图3。
随后对临界热处理后的试样进行高温拉伸测试，其中拉伸样采用线切割按照美标(ASTM-E8-E8M)进行加工。拉伸结果如表1所示，实验钢在500℃～750℃内，在10-1s-1～10- 3s-1应变速率下均获得超过400％的延伸率。
表1
| 变形温度 | 应变速度 | 高温延伸率 |
| 500℃ | 10-1s-1 | 412％ |
| 500℃ | 10-3s-1 | 942％ |
| 600℃ | 10-1s-1 | 689％ |
| 600℃ | 10-3s-1 | 1052％ |
| 750℃ | 10-1s-1 | 1125％ |
| 750℃ | 10-3s-1 | 1236％ |
实施例2
一种工业化用超塑性中锰钢，其化学成分的质量百分比含量是：
C为0.3％，Mn为12.0％，Al为8.0％，Nb为0.3％，V为0.1％，Mo为0.4％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述中锰钢的制备步骤包括：
步骤1，冶炼：在真空感应炉中，按照中锰钢的化学成分配比、冶炼浇铸获得钢锭。
步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃，保温4h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯。
步骤3，高差速比温轧：将钢坯加热到900℃，保温2h，经7道次高差速比温轧，上下轧机轧辊轧速比为5，轧制温度区间为500℃～700℃，压下率为70％，随后空冷至室温，得到12mm厚的温轧板。
步骤4，高差速比冷轧：将温轧板经冷轧机，进行压下率为95％的冷轧，其中上下轧机轧辊轧速比为3.5，获得冷轧板。
步骤5，临界热处理：将冷轧板加热至800℃，保温5min，获得具有“超细、等轴、均匀”双相奥氏体和铁素体微观组织的超塑性中锰钢，奥氏体和铁素体的平均晶粒尺寸为200nm。
随后对临界热处理后的试样进行高温拉伸测试，其中拉伸样采用线切割按照美标(ASTM-E8-E8M)进行加工。拉伸结果如表2所示，实验钢在500℃～750℃范围内，10-1s-1～10-3s-1应变速率下均获得超过400％的延伸率。
表2
| 变形温度 | 应变速度 | 高温延伸率 |
| 500℃ | 10-1s-1 | 408％ |
| 500℃ | 10-3s-1 | 789％ |
| 750℃ | 10-1s-1 | 658％ |
| 750℃ | 10-3s-1 | 1102％ |
实施例3
一种工业化用超塑性中锰钢，其化学成分的质量百分比含量是：
C为0.2％，Mn为7.0％，Al为3.0％，Nb为0.1％，V为0.1％，Mo为0.2％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述中锰钢的制备步骤包括：
步骤1，冶炼：在真空感应炉中，按照中锰钢的化学成分配比、冶炼浇铸获得钢锭。
步骤2，锻造：将钢锭加热到1100℃，保温4h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯。
步骤3，高差速比温轧：将钢坯加热到850℃，保温2h，经7道次高差速比温轧，上下轧机轧辊轧速比为4.5，轧制温度区间为500℃～700℃，压下率为60％，随后空冷至室温，得到16mm厚的温轧板。
步骤4，高差速比冷轧：将温轧板经冷轧机，进行压下率为95％的冷轧，其中上下轧机轧辊轧速比为4，获得冷轧板。
步骤5，临界热处理：将冷轧板加热至700℃，保温5min，获得具有“超细、等轴、均匀”双相奥氏体和铁素体微观组织的超塑性中锰钢，奥氏体和铁素体的平均晶粒尺寸为186nm。
随后对临界热处理后的试样进行高温拉伸测试，其中拉伸样采用线切割按照美标(ASTM-E8-E8M)进行加工。拉伸结果如表3所示，实验钢在500℃～750℃范围内，在10-1s-1～10-3s-1应变速率下均获得超过400％的延伸率。
表3
实施例4
一种工业化用超塑性中锰钢，其化学成分的质量百分比含量是：
C为0.1％，Mn为5.0％，Al为2.0％，Nb为0.1％，V为0.1％，Mo为0.2％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述中锰钢的制备步骤包括：
步骤1，冶炼：在真空感应炉中，按照中锰钢的化学成分配比、冶炼浇铸获得钢锭。
步骤2，锻造：将钢锭加热到1100℃，保温3h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯。
步骤3，高差速比温轧：将钢坯加热到850℃，保温2h，经7道次高差速比温轧，上下轧机轧辊轧速比为4.5，轧制温度区间为500℃～700℃，压下率为60％，随后空冷至室温，得到16mm厚的温热轧板。
步骤4，高差速比冷轧：将温轧板经冷轧机，进行压下率为95％的冷轧，其中上下轧机轧辊轧速比为4，获得冷轧板。
步骤5，临界热处理：将冷轧板加热至700℃，保温5min，获得具有“超细、等轴、均匀”双相奥氏体和铁素体微观组织的超塑性中锰钢，奥氏体和铁素体的平均晶粒尺寸为176nm。
随后对临界热处理后的试样进行高温拉伸测试，其中拉伸样采用线切割按照美标(ASTM-E8-E8M)进行加工。拉伸结果如表4所示，实验钢在500℃～750℃温度范围内，在10- 1s-1～10-3s-1应变速率下均获得超过400％的延伸率。
表4
| 变形温度 | 应变速度 | 高温延伸率 |
| 500℃ | 10-1s-1 | 542％ |
| 500℃ | 10-3s-1 | 724％ |
| 750℃ | 10-1s-1 | 682％ |
| 750℃ | 10-3s-1 | 1101％ |
实施例5
一种工业化用超塑性中锰钢，其化学成分的质量百分比含量是：
C为0.1％，Mn为7.0％，Al为3.0％，Nb为0.05％，V为0.1％，Mo为0.4％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述中锰钢的制备步骤包括：
步骤1，冶炼：在真空感应炉中，按照锰钢的化学成分配比、冶炼浇铸获得钢锭。
步骤2，锻造：将钢锭加热到1100℃，保温3h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯。
步骤3，高差速比温轧：将钢坯加热到850℃，保温2h，经7道次高差速比温轧，上下轧机轧辊轧速比为4.5，轧制温度区间为500℃～700℃，压下率为60％，随后空冷至室温，得到16mm厚的温热轧板。
步骤4，高差速比冷轧：将温轧板经冷轧机，进行压下率为95％的冷轧，其中上下轧机轧辊轧速比为4，获得冷轧板。
步骤5，临界热处理：将冷轧板加热至700℃，保温5min，获得具有“超细、等轴、均匀”双相奥氏体和铁素体微观组织的超塑性中锰钢。
随后对临界热处理后的试样进行高温拉伸测试，其中拉伸样采用线切割按照美标(ASTM-E8-E8M)进行加工。拉伸结果如表5所示。实验钢在500℃～600℃范围内，在10-1s-1～10-3s-1应变速率下均获得超过400％的延伸率。
表5
| 变形温度 | 应变速度 | 高温延伸率 |
| 500℃ | 10-1s-1 | 436％ |
| 500℃ | 10-3s-1 | 823％ |
| 600℃ | 10-1s-1 | 643％ |
| 600℃ | 10-3s-1 | 984％ |
实施例6
一种工业化用超塑性中锰钢，其化学成分的质量百分比含量是：
C为0.2％，Mn为4.0％，Al为2.0％，Nb为0.1％，V为0.1％，Mo为0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述中锰钢的制备步骤包括：
步骤1，冶炼：在真空感应炉中，按照中锰钢的化学成分配比、冶炼浇铸获得钢锭。
步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃，保温4h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯。
步骤3，高差速比温轧：将钢坯加热到900℃，保温2h，经7道次高差速比温轧，上下轧机轧辊轧速比为5，轧制温度区间为500℃～700℃，压下率为70％，随后空冷至室温，得到12mm厚的温热轧板。
步骤4，高差速比冷轧：将温轧板经冷轧机，进行压下率为95％的冷轧，其中上下轧机轧辊轧速比为3.5，获得冷轧板。
步骤5，临界热处理：将冷轧板加热至800℃，保温5min，获得具有“超细、等轴、均匀”双相奥氏体和铁素体微观组织的超塑性中锰钢。
随后对临界热处理后的试样进行高温拉伸测试，其中拉伸样采用线切割按照美标(ASTM-E8-E8M)进行加工。拉伸结果如表6所示。实验钢在500℃～750℃范围内，在10-1s-1～10-3s-1应变速率下均获得超过400％的延伸率。
表6
| 变形温度 | 应变速度 | 高温延伸率 |
| 500℃ | 10-1s-1 | 425％ |
| 500℃ | 10-3s-1 | 684％ |
| 750℃ | 10-1s-1 | 725％ |
| 750℃ | 10-3s-1 | 1225％ |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种工业化用超塑性中锰钢的制备方法，其特征在于，中锰钢的化学成分质量百分比为：C:0.05～0.3%；Mn:3～12%；Al:0～8%；Nb:0.05～0.3%；V:0.05～0.1%；Mo：0.02～0.4%，其余为Fe及不可避免杂质；
所述中锰钢的制备方法包括以下步骤：
步骤1，冶炼：按照工业化用超塑性中锰钢的化学成分进行配比、冶炼浇铸获得钢锭；
步骤2，锻造：将钢锭加热到1100℃～1200℃，保温3～4h，锻造成钢坯；
步骤3，高差速比温轧：钢坯加热到800℃～900℃，保温2h，经6～7道次高差速比温轧，轧制温度区间为500℃～700℃，总压下率为60%～70%，随后空冷至室温，得到温轧板；上下轧辊的轧速比≥4；
步骤4，高差速比冷轧：将温轧板经冷轧机，进行压下率为85%～95%的冷轧，获得冷轧板；上下轧辊的轧速比≥3；
步骤5，临界热处理：将冷轧板加热至两相区温度后保温3min～5min，随后水冷或空冷至室温，获得具有超细、等轴、均匀的双相奥氏体和铁素体微观组织的超塑性中锰钢。
2.根据权利要求1所述的一种工业化用超塑性中锰钢的制备方法，其特征在于，所述中锰钢的微观组织为双相奥氏体和铁素体，所述奥氏体和铁素体的晶粒尺寸在0.2um以下。
3.根据权利要求1所述的一种工业化用超塑性中锰钢的制备方法，其特征在于，所述中锰钢在500℃～750℃温度范围内，在10-1s-1～10-3s-1应变速率下进行拉伸，其延伸率均大于400%。
4.根据权利要求1所述的一种工业化用超塑性中锰钢的制备方法，其特征在于，步骤3所得温轧板的厚度不超过16mm，且不低于12mm。
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