一种孪晶诱导塑性钢及其生产方法

摘要

本发明公开了一种孪晶诱导塑性钢及其生产方法，所述生产方法包括以下步骤：炼钢步骤、连铸步骤与轧钢步骤；在保护浇铸的条件下，执行所述连铸步骤；其中，所述保护浇铸的条件是：采用保护渣，以5℃-10℃进行低过热度浇铸，拉速为0.5至1.5米/分钟；在所述轧钢步骤中，采用冷轧预变形，并且在接近完全再结晶温度是进行退火处理。采用上述方案，本发明能够提供一种屈服强度超过1000MPa，均匀延伸率超过10％的TWIP钢，尤其适用于汽车等特殊钢材应用，具有很高的市场应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁冶金和金属材料，尤其涉及的是，一种孪晶诱导塑性钢及其生产方法。

背景技术

炼钢是通过氧化反应脱碳、升温、合金化的过程，其主要任务是脱碳、脱氧、升温、去除气体和非金属夹杂、合金化，主要包括铁水预处理、转炉吹炼、合金化、精炼、连续铸钢、轧钢等步骤。

对于钢材，其变形分为弹性变形(外力撤销可以恢复原来形状)和塑性变形(外力撤销不能恢复原来形状，形状发生变化)，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到B点后，塑性应变急剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度。

当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能力又重新提高，此时变形虽然发展很快，但却只能随着应力的提高而提高，直至应力达最大值。此后，钢材抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。钢材受拉断裂前的最大应力值称为强度极限或抗拉强度。拉伸强度是指材料在拉伸应力下产生最大均匀塑性变形的应力值。

近年来开发的高锰形变孪晶诱导塑性钢(Twinning Induced Plasticity,TWIP钢)，在形变过程中产生形变孪晶具有TWIP效应，因而具备良好的机械性能，如同时具有高拉伸强度和高塑性。目前，国际上对TWIP钢的研发包括第一代Fe-25Mn-Al-3Si-0.03C系列，以及第二代Fe-23Mn-0.6C系列。

汽车领域减重和减少气体排放部件，需要高屈服强度的同时需具有良好的成形性，TWIP钢在汽车减重方面有广泛的应用前景，

但是，TWIP钢虽然拥有高强度和高塑性，但是与其他先进高强度钢铁相比，TWIP钢的屈服强度较低，约为200～400MPa，这一因素限制了其在汽车制造业的商业化应用。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的孪晶诱导塑性钢及其生产方法。

本发明的技术方案如下：一种孪晶诱导塑性钢的生产方法，其包括以下步骤：炼钢步骤、连铸步骤与轧钢步骤；在保护浇铸的条件下，执行所述连铸步骤；其中，所述保护浇铸的条件是：采用保护渣，以5℃-10℃进行低过热度浇铸，拉速为0.5至1.5米/分钟；在所述轧钢步骤中，采用冷轧预变形，并且在接近完全再结晶温度是进行退火处理。

优选的，所述生产方法中，所述轧钢步骤中，采用变形量为10％-60％进行预变形冷轧。

优选的，所述生产方法中，所述轧钢步骤中，包括回复及部分再结晶退火过程，其处理温度在550至700摄氏度之间，处理时间为100至1000秒。

优选的，所述生产方法中，所述炼钢步骤包括降硫磷氧过程，在所述炼钢步骤结束时，硫低于0.0025％，磷低于0.0025％，全氧含量低于0.0015％。

优选的，所述生产方法中，所述炼钢步骤包括合金化过程，其添加总质量百分比为0.01-2％的以下至少一种过渡金属元素：钛、铌、钒。

优选的，所述生产方法中，所述轧钢步骤包括金属析出过程，所述轧钢步骤结束时，过渡金属析出物相的体积分数为1％-2％，大小为15nm至150nm；并且，金属析出物相Al(C,N)的体积分数为0.2％-0.5％，大小为15nm至150nm。

优选的，所述生产方法中，所述保护浇铸采用保护渣实现，保护渣的成分的质量百分比为：氧化钙30％-40％、二氧化硅30％-40％、三氧化二铝5％-10％、氧化镁5％-10％，以及余量为氧化钠和氟。

优选的，所述生产方法中，所述连铸步骤中，采用结晶器电磁搅拌控制减少柱状晶比率增加等轴晶比率，铸坯等轴晶比率在70％以上，凝固末端采用电磁搅拌，用于使得铸坯组织均匀并减少碳、磷、硫偏析，碳中心偏析度控制在1.0-1.1之间，磷、硫中心偏析度分别控制在1.0-1.15之间，锰中心偏析度控制在1.0-1.2之间。

本发明的又一技术方案是，一种孪晶诱导塑性钢，其采用任一上述生产方法制备，其包括碳0.2-1.0％、锰10-25％、铝0.02-1.0％、磷<0.0025％、硫<0.0025％、氮<0.003％，以及总质量百分比为0.01-2％的以下至少一种过渡金属元素：钛、铌、钒，余量为铁元素。

优选的，所述孪晶诱导塑性钢包含以下至少一种元素及其用量：钛0.01-1.2％，铌0.01-1.2％，钒0.01-1.2％。

采用上述方案，本发明能够提供一种屈服强度超过1000MPa，均匀延伸率超过10％的TWIP钢，尤其适用于汽车等特殊钢材应用，具有很高的市场应用价值。

附图说明

图1为本发明生产方法的一个实施例的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明属于钢铁冶金和金属材料领域，提供一种屈服强度超过1000MPa，均匀延伸率超过10％的TWIP钢生产方法，尤其是改良传统TWIP钢的生产工艺，能够将其屈服强度提高到1000MPa以上，同时均匀延伸率超过10％的生产方法。本发明的一个实施例是，一种孪晶诱导塑性钢的生产方法，其包括以下步骤：炼钢步骤、连铸步骤与轧钢步骤；在保护浇铸的条件下，执行所述连铸步骤；其中，所述保护浇铸的条件是：采用保护渣，以5℃-10℃进行低过热度浇铸，拉速为0.5至1.5米/分钟；并且，在所述轧钢步骤中，采用冷轧预变形。优选的，炼钢步骤选择传统TWIP钢、传统TWIP废钢或者其他材料。

如图1所示，本发明的一个实施例是，一种孪晶诱导塑性钢的生产方法，其包括以下步骤：炼钢步骤、连铸步骤与轧钢步骤；连铸步骤即连续铸钢步骤；在保护浇铸的条件下，执行所述连铸步骤；其中，所述保护浇铸的条件是：采用保护渣，以5℃-10℃进行低过热度浇铸，拉速为0.5至1.5米/分钟；在所述轧钢步骤中，采用冷轧预变形，并且在接近完全再结晶温度是进行退火处理。优选的，炼钢的材料中，包括碳<1.0％、锰<25％、铝<1.0％、磷<0.0025％、硫<0.0025％、氮<0.003％，以及总质量百分比<2％的以下至少一种过渡金属元素：钛、铌、钒，余量为铁元素和其他参与炼钢的物质。例如，根据以下炼钢目标设置炼钢的材料，炼钢目标包括碳0.2-1.0％、锰10-25％、铝0.02-1.0％、磷<0.0025％、硫<0.0025％、氮<0.003％，以及总质量百分比为0.01-2％的以下至少一种过渡金属元素：钛、铌、钒，余量为铁元素。

优选的，炼钢过程降低全氧含量，进而降低钢种夹杂物的数量，同时使得钢种的S、P质量百分比控制在0.0025％以下，全氧含量在0.0015％以下。连铸过程尽量采用低过热度、低拉速浇铸，过热度控制在5℃-10℃之间，拉速控制在0.5/min-1.2m/min，同时浇铸过程采用结晶器电磁搅拌手段，使得铸坯组织均匀，铸坯中心缺陷控制在0-2级，等轴晶比率在70％以上。凝固末端电磁搅拌等方式铸造使得材料组织更加均匀，C元素中心偏析度控制在1.0-1.1之间，P、S两种元素中心偏析度控制在1.0-1.15之间，Mn元素中心偏析度控制在1.0-1.2之间。

例如，实现低过热度浇铸的过程包括：控制钢中夹杂物，防止低过热度浇铸过程的水口结瘤；准确控制连铸过程中间包钢水温度稳定；炼钢一连铸生产节奏的稳定控制。又如，保护浇铸的条件还包括采用浸入式保护管并吹氩气。

优选的，所述生产方法中，所述炼钢步骤包括降硫磷氧过程，在所述炼钢步骤结束时，硫低于0.0025％，磷低于0.0025％，全氧含量低于0.0015％。优选的，所述生产方法中，所述炼钢步骤包括合金化过程，炼钢步骤的合金化过程添加钛(Ti)、铌(Nb)、钒(V)一种或者一种以上过渡金属元素，这三种过渡元素是析出物形成元素，与碳元素、氮元素形成碳氮化合物析出物，细化晶粒，提高材料的屈服强度，本发明中至少使用其中一种元素形成过渡金属析出物，其添加合金总质量分数控制在0.01-2％，钢中过渡金属析出物的体积分数为1％-2％，尺寸分为为15nm-150nm。当其质量分数小于0.01％时，析出物量过少，析出物强化效果不明显，当质量分数超过2％形成大量的析出物恶化材料的塑性。例如，合金化过程添加总质量百分比为0.01-2％的以下至少一种过渡金属元素：钛、铌、钒。例如，所述轧钢步骤包括金属析出过程，所述轧钢步骤结束时，过渡金属析出物相的体积分数为1％-2％，大小为15nm至150nm；并且，金属析出物相Al(C,N)的体积分数为0.2％-0.5％，大小为15nm至150nm。碳、氮元素与铝元素形成金属间化合物Al(C,N)可以细化晶粒，提高材料的强度和塑性，铝元素质量分数应该控制在0.01-1％，控制钢中金属间化合物析出物的体积分数为0.2％-0.5％，尺寸分为为15nm-100nm，铝元素含量超过1％时会产生大量尺寸较大的夹杂物恶化材料的成形性和延伸率等物理性能。

优选的，连铸过程选用CaO/SiO2类型的保护渣，保持一定厚度的液渣层厚度，及时添加保护渣，使得铸坯与结晶器壁保持良好的润滑性能，防止出现漏钢及表面裂纹、夹渣等现象发生，保护渣的具体成分的重量百分比为：氧化钙(CaO)30％-40％，二氧化硅(SiO₂)30％-40％，三氧化二铝(Al₂O₃，氧化铝)5％-10％，氧化镁(MgO)5％-10％，其余为一氧化二钠(Na₂O，氧化钠)和氟(F)。例如，所述连铸步骤中，所述保护浇铸采用保护渣实现，保护渣的成分的质量百分比为：氧化钙30％-40％、二氧化硅30％-40％、三氧化二铝5％-10％、氧化镁5％-10％，以及余量为氧化钠和氟。例如，保护渣的成分的质量百分比为：氧化钙32％、二氧化硅38％、三氧化二铝8％、氧化镁10％，以及氧化钠10％和氟2％。又如，保护渣的成分的质量百分比为：氧化钙39％、二氧化硅34％、三氧化二铝5％、氧化镁9％，以及氧化钠4％和氟9％。优选的，所述连铸步骤中，采用结晶器电磁搅拌控制减少柱状晶比率增加等轴晶比率，铸坯等轴晶比率在70％以上，凝固末端采用电磁搅拌，用于使得铸坯组织均匀并减少碳、磷、硫偏析，碳中心偏析度控制在1.0-1.1之间，磷、硫中心偏析度分别控制在1.0-1.15之间，锰中心偏析度控制在1.0-1.2之间。

优选的，所述生产方法中，所述轧钢步骤中，采用变形量为10％-60％进行预变形冷轧。由于TWIP钢的超高塑性，增加预应变牺牲一定量的塑性来提高TWIP钢屈服强度是一种有效的强化手段，通过10％-60％的冷轧预应变会明显提高材料的屈服强度，超过60％预应变时，会引发两个问题，一是材料的加工硬化率急剧减少，材料的塑性如延伸率降低，二是材料的各项异性增加，因而材料的成型性能减弱。优选的，采用变形量为50％进行预变形冷轧。

和/或，所述轧钢步骤中，包括回复及部分再结晶退火过程，其处理温度在550至700摄氏度之间，处理时间为100至1000秒。为了减少预应变给材料性能带来的负面效果，通过增加回复及部分再结晶连续退火工序来改善材料性能，回复及部分再结晶退火处理温度在550℃-700℃之间，接近钢的完全再结晶温度下限，处理时间为100s-1000s。处理结束后，晶粒部分再结晶，晶体内位错密度急剧下降，由于机械孪晶具有较好的热稳定性，在此温度区间几乎不发生变化，将会获得最佳的屈服强度和延伸率。温度超过700℃时，容易发生完全再结晶，加工硬化率减少，材料的屈服强度急剧减少，当温度小于550℃以下时，晶体内位错密度过高，材料的塑性和成形性依然较差。

又一例子是，一种具有屈服强度超过1000MPa，均匀延伸率在10％以上的TWIP钢生产方法，通过在炼钢过程对危害元素、全氧含量控制，连铸过程采用保护浇铸，选用合适成分保护渣，采用过渡金属及金属间合金形成析出物强化以及冷轧预变形、接近完全再结晶温度退化处理等工艺来提高TWIP的综合力学性能。其中，TWIP钢在炼钢过程终点S控制在0.0025％以下，P控制在0.0025％以下，全氧含量控制在0.0015％以下。优选的，TWIP钢在连铸过程中采用5℃-10℃低过热度浇铸，采取保护浇铸措施，采用结晶器电磁搅拌控制减少柱状晶比率增加等轴晶比率，铸坯等轴晶比率在70％以上，凝固末端采用电磁搅拌，使得铸坯组织均匀，同时减少碳、磷、硫偏析，铸坯中心缺陷宏观评级在0-2级，C元素中心偏析度控制在1.0-1.1之间，P、S两种元素偏析度控制在1.0-1.15之间，Mn元素中心偏析度控制在1.0-1.2之间。其中，优选的，TWIP钢在进行变形量10％-60％冷轧预变形过程，该过程明显提高TWIP钢的屈服强度。其中，优选的，TWIP钢具有体积分数为0.2％-0.5％，尺度分布为10-150纳米在基体组织中均匀分布的过渡金属间化合物析出物相Al(C,N)。其中，优选的，TWIP钢有体积分数为1％-2％，尺度分布为10-100纳米在基体组织中均匀分布的金属间化合物析出物相TiNbV(C,N)。其中，优选的，回复及部分再结晶退火处理温度在550℃-700℃之间，接近钢的完全再结晶温度下限，处理时间为100s-1000s。优选的，TWIP钢的化学成分以质量分数表示为：碳(C)：0.2-1.0％，锰(Mn)：10-25％，铝(Al)：0.02-1.0％，磷(P)<0.0025％，硫(S)<0.0025％，氮(<0.003％)，含以下至少一种合金元素：钛(Ti)：0.01-1.2％，铌(Nb)：0.01-1.2，钒(V)：0.01-1.2％，其余为铁元素。

又如，本发明属于钢铁冶金和金属材料领域，提供一种屈服强度超过1000MPa，同时均匀延伸率超过10％的TWIP钢生产方法。其在炼钢步骤控制危害元素与全氧含量，连铸过程选用合适成分保护渣，并采用保护浇铸及低过热度低拉速浇铸工艺，采用过渡金属及金属间化合物析出强化以及冷轧预变形、接近完全再结晶温度连续退火处理等工艺来提高TWIP的力学性能，使其屈服强度超过1000MPa，均匀延伸率超过10％。

下面再举一实施例，其以化学成分为Fe-22％Mn-0.6％C-1％Al-0.5％V的TWIP钢为实施对象，炼钢过程使得S、P元素质量分数分别控制在0.0025％，连铸过程采用低过热度为10℃、拉速为0.8m/min进行保护浇铸，连铸坯放在1200℃的加热炉中加热1小时，然后进行终轧温度为900℃的热轧，轧到3.5mm的薄板，卷曲温度为650℃，然后进行预应变量60％的冷轧过程，薄板厚度变为1.4mm，在750℃的连续退火炉中进行连续退火处理1000s，在冷轧坯上取试样进行传统的一维准静态拉伸实验及微观组织的表征。

试验测得试样的拉伸强度超过1150MPa，屈服强度超过1000MPa，延伸率超过15％，通过TEM观察到尺寸为20-100纳米弥散分布在钢基体组织中V(C,N)及Al(C,N)析出物，其体积分数分别为1.2％和0.3％。然后进行5％，8％，12％，15％四种不同应变水平的拉伸试验，表征应变变形后的微观组织，发现不同应变水平下的变形过程都有一定密度的形变孪晶产生，拉伸变形后微观组织中未发现马氏体，表明试样拉伸变形过程只产生了形变孪晶，没有发生马氏体相变，该钢力学性能和微观组织符合汽车用高碰撞能量吸收的要求。与传统的TWIP钢生产方法相比，本实施例得到的TWIP钢，大幅度提高材料的屈服强度到1000MPa以上，同时材料的均匀延伸率控制在10％以上，是一种较为理想的汽车工业用材料，也能广泛应用于对于特种钢材的其他需求行业中。

本发明的又一实施例是，一种孪晶诱导塑性钢，其包括碳0.2-1.0％、锰10-25％、铝0.02-1.0％、磷<0.0025％、硫<0.0025％、氮<0.003％，以及总质量百分比为0.01-2％的以下至少一种过渡金属元素：钛、铌、钒，余量为铁元素；例如，总重量为1000kg，含有2至10kg的碳，100至250kg的锰，以此类推。本发明各实施例所涉及比例，如无特殊说明，均为质量百分比。又如，一种孪晶诱导塑性钢，其采用任一上述生产方法制备，其包括碳0.2-1.0％、锰10-25％、铝0.02-1.0％、磷<0.0025％、硫<0.0025％、氮<0.003％，以及总质量百分比为0.01-2％的以下至少一种过渡金属元素：钛、铌、钒，余量为铁元素。优选的，所述孪晶诱导塑性钢包含以下至少一种元素及其用量：钛0.01-1.2％，铌0.01-1.2％，钒0.01-1.2％，例如，包含0.1％的钛、0.5％的铌以及0.63％的钒；又如，包含1.1％的钛与0.8％的铌，又如，包含1.0％的铌与0.2％的钒。钛、铌、钒的总体质量百分比为0.01-2％。

进一步地，本发明的实施例还可以是，上述各实施例的各技术特征，相互组合形成的孪晶诱导塑性钢及其生产方法。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。