一種高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，屬于高強(qiáng)低碳鋼鐵材料的制備領(lǐng)域，適用于高強(qiáng)低碳鋼鐵材料的制備，所制備的高強(qiáng)低碳鋼強(qiáng)韌性?xún)?yōu)異。該工藝用不同熱輸入?yún)?shù)進(jìn)行攪拌摩擦加工，在加工過(guò)程中用流動(dòng)水快速冷卻加工區(qū)，得到性能優(yōu)異的超細(xì)鐵素體/馬氏體雙相鋼。本發(fā)明可以明顯提高普通低碳鋼的力學(xué)性能，且通過(guò)多道次搭接攪拌摩擦加工可獲得大面積的高強(qiáng)低碳鋼，其性能優(yōu)于工業(yè)上TMCP生產(chǎn)的此類(lèi)高強(qiáng)低碳鋼板。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高強(qiáng)低碳鋼鐵材料的制備領(lǐng)域，特別涉及一種高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，該工藝適用于高強(qiáng)低碳鋼鐵材料的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]為了滿(mǎn)足節(jié)能和節(jié)約資源的要求，鋼鐵材料正面臨大面積的升級(jí)換代，先進(jìn)的高強(qiáng)低碳鋼(包括添加少量合金元素的低碳低合金鋼)成為各國(guó)材料研究工作者的研究熱點(diǎn)。在大幅度提高強(qiáng)度的同時(shí)，為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，必須考慮塑性因素。因此現(xiàn)在工業(yè)中普遍傾向于利用細(xì)晶強(qiáng)化同時(shí)利用相變產(chǎn)生的雙相或多相組織來(lái)提高強(qiáng)韌性。通常采用的加工工藝歸結(jié)起來(lái)主要有兩大類(lèi):熱機(jī)械控制工藝(TMCP)及大塑性變形工藝。對(duì)比來(lái)看，前者工業(yè)化應(yīng)用前景良好，但由于塑性變形不夠劇烈，晶粒細(xì)化一般有局限性；而后者雖然能夠細(xì)化晶粒至I μ m以下，但難以制備大面積材料，且不易結(jié)合相變來(lái)進(jìn)行強(qiáng)韌化，其塑性往往較低。因此，以上兩種方法制備的高強(qiáng)低碳鋼的強(qiáng)韌性匹配還有進(jìn)一步的提升空間。
[0003]攪拌摩擦焊(FSW)是英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相焊接工藝，具有能量利用率高、環(huán)境友好、焊接缺陷少、焊縫殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，其接頭性能較熔化焊有很大提高，自發(fā)明后受到了廣泛關(guān)注。1999年，基于攪拌摩擦焊的原理，一種新型的材料制備加工工藝-攪拌摩擦加工(FSP)應(yīng)運(yùn)而生。采用多道次搭接攪拌摩擦加工工藝可制備大面積板材，加工區(qū)性能得到明顯改善。如果在攪拌摩擦加工過(guò)程中施加快速冷卻，可以制備超細(xì)晶的鋁合金、銅合金及鎂合金。然而，受攪拌頭工具材料的制約，現(xiàn)在對(duì)攪拌摩擦加工制備超細(xì)晶高強(qiáng)鋼鐵材料的研究還未見(jiàn)報(bào)道。對(duì)于常規(guī)工藝下鋼鐵材料的攪拌摩擦焊接/加工，通常采用價(jià)格昂貴的立方氮化硼和鎢基合金作為工具材料，且焊接/加工過(guò)程中還需要加保護(hù)氣以避免氧化，這大大提高了成本，顯然不符合節(jié)能及節(jié)約資源的需求。因此，需要對(duì)現(xiàn)有的攪拌摩擦加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，以滿(mǎn)足先進(jìn)高強(qiáng)低碳鋼鐵材料的工業(yè)化制備要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，該工藝?yán)每焖倮鋮s攪拌摩擦加工工藝制備強(qiáng)韌性匹配良好的高強(qiáng)低碳鋼鐵材料。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]一種高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，該工藝是對(duì)低碳鋼母材進(jìn)行攪拌摩擦加工，在加工過(guò)程中以流動(dòng)水冷卻加工區(qū)，使加工區(qū)溫度處于低碳鋼兩相區(qū)溫度(Ac1-Ac3之間)，從而使加工區(qū)獲得高強(qiáng)高韌超細(xì)鐵素體/馬氏體雙相低碳鋼。
[0007]所述攪拌摩擦加工工藝參數(shù):工具轉(zhuǎn)速200-1000轉(zhuǎn)/分鐘，行進(jìn)速度50-400毫米
/分鐘。
[0008]利用水管中水的循環(huán)流動(dòng)冷卻加工區(qū)，水管出水口直徑4mm，流速2~10L/min，水管中水的溫度約為0-20°C。[0009]所用攪拌頭工具材料可選立方氮化硼、鎢基合金或成本低廉的金屬陶瓷等，攪拌頭軸肩直徑10~20毫米。
[0010]所述低碳鋼兩相區(qū)溫度是指奧氏體和α鐵素體兩相共存的溫度區(qū)間，即AcjIjAc3之間(Ac1是指鋼加熱時(shí)，開(kāi)始形成奧氏體的溫度；Ac3是指所有鐵素體均轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)的溫度)。
[0011]所述攪拌摩擦加工中，可采用多道次搭接加工或單道次加工方式；單道次加工區(qū)寬度為4-8mm,多道次搭接加工中前后兩道次之間重疊加工區(qū)的寬度為單道次加工區(qū)寬度的1/3，采用多道次搭接加工方式可制備大面積的高強(qiáng)低碳鋼，且與單道次加工方式相比所制備的大面積高強(qiáng)低碳鋼的力學(xué)性能無(wú)明顯下降。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
[0013]1、本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，攪拌摩擦加工過(guò)程中采用流動(dòng)水快速冷卻，使溫度控制在兩相區(qū)溫度(Ac1-Ac3之間)，得到兩相組織，同時(shí)晶粒得到明顯細(xì)化，大大提高了其力學(xué)性能。所制備的高強(qiáng)低碳鋼組織特征為超細(xì)的鐵素體/馬氏體雙相組織，鐵素體平均晶粒尺寸最細(xì)可細(xì)化至I μ m以下，馬氏體晶粒尺寸可細(xì)化至3飛μ m，且隨熱輸入(由工具尺寸、轉(zhuǎn)速和行進(jìn)速度決定)及冷卻速率(由水管出水口直徑，循環(huán)水流速及水的溫度決定)的不同兩相的尺寸和含量可以調(diào)控。
[0014]2、本發(fā)明高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，制備過(guò)程中采用流動(dòng)水快速冷卻加工區(qū)，使加工區(qū)溫度控制在兩相區(qū)溫度(Ac1-Ac3之間)，大大減少了攪拌工具的磨損，并省去了保護(hù)氣。更為重要的是，在此較低的溫度下，攪拌工具材料可選范圍大大擴(kuò)大，比如本發(fā)明中所用的成本低廉的金屬陶瓷攪拌頭就可很好地完成制備過(guò)程。攪拌頭所用軸肩直徑10-20毫米，攪拌摩擦加工參數(shù):工具轉(zhuǎn)速200-1000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度50-400毫米/分鐘。與現(xiàn)有高強(qiáng)低碳鋼鐵材料制備·方法相比，本發(fā)明工藝可明顯提高加工區(qū)的力學(xué)性能，簡(jiǎn)單實(shí)用，大大降低了成本。因此，這種新的攪拌摩擦加工工藝在高強(qiáng)高韌低碳鋼制備領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
[0015]3、本發(fā)明可以明顯提高所制備材料的力學(xué)性能，尤其適用于高強(qiáng)高韌低碳鋼鐵材料的制備。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明攪拌摩擦加工制備的高強(qiáng)高韌低碳鋼典型的鐵素體/馬氏體雙相組織圖；圖中:(a)為金相組織；(b)為掃描電鏡(SEM)組織。
[0017]圖2為本發(fā)明攪拌摩擦加工制備的高強(qiáng)低碳鋼以應(yīng)變速率IX 10_3拉伸時(shí)的典型拉伸曲線(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
[0019]使用5毫米厚的Q345低碳鋼板，其化學(xué)組成成分按重量百分比為含C 0.17%，Si
0.35%, Mn 1.30%, P 0.017%, S 0.018%，余量為 Fe ;屈服強(qiáng)度 350MPa，抗拉強(qiáng)度 525MPa。采用軸肩直徑14毫米的金屬陶瓷攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦加工，采用單道次加工方式，單道次加工區(qū)寬度5mm，工具轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度為50毫米/分鐘，在加工過(guò)程中以流動(dòng)水快速冷卻加工區(qū)，冷卻過(guò)程中所用水管出水口直徑4mm，流速~4L/min，出水口水溫20°C。使加工過(guò)程溫度處于兩相區(qū)溫度(約750°C)，加工區(qū)獲得超細(xì)的鐵素體/馬氏體雙相組織，如圖1所不，鐵素體晶粒尺寸為I 2 μ m,馬氏體的晶粒尺寸為5 μ m左右。室溫拉伸試驗(yàn)顯示(圖2)，屈服強(qiáng)度高達(dá)llOOMPa，抗拉強(qiáng)度1400MPa，與母材相比強(qiáng)度大幅提高；且均勻延伸率達(dá)到7 %，滿(mǎn)足實(shí)際工程需要。
[0020]比較例I
[0021]使用5毫米厚的Q345低碳鋼板，其化學(xué)組成成分按重量百分比為含C 0.17%，Si0.35%, Mn 1.30%, P 0.017%, S 0.018%，余量為 Fe ;屈服強(qiáng)度 350MPa，抗拉強(qiáng)度 525MPa。將此鋼板在950°C保溫20分鐘，然后快速在水中淬火，得到單相馬氏體組織。室溫拉伸試驗(yàn)顯示，屈服強(qiáng)度可達(dá)1000MPa左右，抗拉強(qiáng)度約1300MPa，但拉伸過(guò)程中快速脆斷，幾乎無(wú)均勻
延伸率。
[0022]實(shí)施例2
[0023]使用5毫米厚的Q235A低碳鋼板，其化學(xué)組成成分按重量百分比為含C0.15%，Si0.3%，Mn 0.6%，P 0.02%, S 0.022%，余量為Fe。用軸肩直徑10毫米的金屬陶瓷攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦加工，采用單道次加工方式，單道次加工區(qū)寬度4mm，加工參數(shù):工具轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度200毫米/分鐘。在加工過(guò)程中以流動(dòng)水快速冷卻加工區(qū)，冷卻過(guò)程中所用水管出水口直徑4mm，流速~7L/min，出水口水溫約10°C。使加工過(guò)程溫度處于兩相區(qū)溫度(約750°C)，在加工區(qū)獲得超細(xì)鐵素體/馬氏體雙相組織，鐵素體平均晶粒尺寸約為
2μ m，馬氏體的晶粒尺寸為8 μ m左右。室溫拉伸試驗(yàn)顯示，屈服強(qiáng)度為800MPa，抗拉強(qiáng)度llOOM Pa，與商用軋制態(tài)Q235A低碳鋼板材相比強(qiáng)度大幅提高；且均勻延伸率達(dá)到10%。
[0024]比較例2
[0025]使用5毫米厚的Q235A低碳鋼板，其化學(xué)組成成分按重量百分比為含C0.15%，Si0.3%，Mn 0.6%，P 0.02%, S 0.022%，余量為Fe ;用軸肩直徑10毫米的鎢錸合金攪拌頭進(jìn)行常規(guī)攪拌摩擦加工，在工具轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度200毫米/分鐘的加工參數(shù)下，在加工區(qū)獲得鐵素體組織及魏氏組織，晶粒尺寸約15 μ m。室溫拉伸試驗(yàn)顯示，屈服強(qiáng)度約為400MPa左右，抗拉強(qiáng)度約600MPa。
[0026]實(shí)施例3
[0027]使用5毫米厚的普通低碳鋼板，其化學(xué)組成成分按重量百分比為含C 0.06%, Si
0.1%, Mn 2.2%, Nb 0.05%, V 0.07%, Ti 0.06%, P 0.005%, S 0.008%，余量為 Fe。用軸肩直徑20毫米的金屬陶瓷攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦加工，采用單道次加工方式，單道次加工區(qū)寬度8mm。在加工過(guò)程中以流動(dòng)水快速冷卻加工區(qū)，冷卻過(guò)程中所用水管出水口直徑4mm，流速~10L/min,出水口水溫約5°C。在工具轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度400毫米/分鐘的加工參數(shù)下，使加工過(guò)程溫度處于兩相區(qū)溫度(約800°C)，在加工區(qū)獲得超細(xì)鐵素體/馬氏體雙相組織，鐵素體平均晶粒尺寸約為2μπι，馬氏體的晶粒尺寸為7μπι左右。室溫拉伸試驗(yàn)顯示，屈服強(qiáng)度為700MPa，抗拉強(qiáng)度lOOOMPa，均勻延伸率達(dá)到12%。
[0028]實(shí)施例4
[0029]使用5毫米厚的普通低碳鋼板，其化學(xué)組成成分按重量百分比為含C 0.30%, Si
1.5%, Mn 2.1%，Mo 0.35%, P 0.03%, S 0.01%，余量為Fe。用軸肩直徑20毫米的立方氮化硼攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦加工，采用單道次加工方式，單道次加工區(qū)寬度8mm。在加工過(guò)程中以流動(dòng)水快速冷卻加工區(qū)，冷卻過(guò)程中所用水管出水口直徑4mm，流速~8L/min，出水口水溫約20°C。在工具轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫米/分鐘的加工參數(shù)下，使加工過(guò)程溫度處于兩相區(qū)溫度(約730°C)，在加工區(qū)獲得超細(xì)鐵素體/馬氏體雙相組織，鐵素體平均晶粒尺寸小于I μ m，馬氏體的晶粒尺寸為5 μ m左右。室溫拉伸試驗(yàn)顯示，屈服強(qiáng)度為1300MPa，抗拉強(qiáng)度2000MPa，均勻延伸率達(dá)到5%。
[0030]實(shí)施例5
[0031]使用5毫米厚的普通低碳鋼板，其化學(xué)組成成分按重量百分比為含C 0.14%，Si
0.13%,Mn 1.3%, P 0.01%, S 0.007%, Nb 0.02%，余量為Fe。用軸肩直徑10毫米的金屬陶瓷攪拌頭進(jìn)行多道次搭接攪拌摩擦加工制備大面積板材，前后兩道次之間重疊加工區(qū)的寬度為單道次加工區(qū)寬度的1/3，在加工過(guò)程中以流動(dòng)水快速冷卻加工區(qū)，冷卻過(guò)程中所用水管出水口直徑4mm，流速~8L/min，出水口水溫約20°C。在工具轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫米/分鐘的加工參數(shù)下，使加工區(qū)溫度處于兩相區(qū)溫度(約750°C )，在加工區(qū)獲得超細(xì)鐵素體/馬氏體雙相組織，鐵素體平均晶粒尺寸約為I μ m,馬氏體的晶粒尺寸為3、μπι左右，且相鄰道次之間的過(guò)渡區(qū)組織與加工區(qū)中心組織類(lèi)似。室溫拉伸試驗(yàn)顯示，單道次加工區(qū)屈服強(qiáng)度為1050MPa，抗拉強(qiáng)度1350MPa，均勻延伸率為8% ;多道次搭接攪拌摩擦加工大面積板材屈服強(qiáng)度為lOOOMPa，抗拉強(qiáng)度1300MPa，均勻延伸率為7%，與單道次相比拉伸性能僅略有下降?！?br> 【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，其特征在于:該工藝是對(duì)低碳鋼母材進(jìn)行攪拌摩擦加工，在加工過(guò)程中以流動(dòng)水冷卻加工區(qū)，使加工區(qū)溫度處于低碳鋼兩相區(qū)溫度，從而使加工區(qū)獲得高強(qiáng)高韌鐵素體/馬氏體雙相低碳鋼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，其特征在于:所述攪拌摩擦加工工藝參數(shù):工具轉(zhuǎn)速200~1000轉(zhuǎn)/分鐘，行進(jìn)速度50~400毫米/分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，其特征在于:利用水管中水的循環(huán)流動(dòng)冷卻加工區(qū)，水管出水口直徑4mm，流速2~10L/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，其特征在于:水管出水口的水溫為 0-20°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，其特征在于:所用攪拌頭工具材料為立方氮化硼、鎢基合金或金屬陶瓷，攪拌頭軸肩直徑10-20毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，其特征在于:所述攪拌摩擦加工中，采用多道次搭接加工或單道 次加工方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)高韌低碳鋼的制備工藝，其特征在于:單道次加工方式中加工區(qū)寬度4-8_，多道次搭接加工中前后兩道次之間重疊加工區(qū)的寬度為單道次加工區(qū)寬度的1/3。
【文檔編號(hào)】C21D8/02GK103849741SQ201210516446
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月5日
【發(fā)明者】薛鵬, 王全兆, 張琪, 肖伯律, 馬宗義 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所