本發(fā)明屬高強(qiáng)度鋼超塑性鋼材以及超塑性成形技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種系列化高應(yīng)變速率中低碳中低合金超塑性鋼及制備方法。

技術(shù)背景

塑性是指在特定的條件下，即在低的應(yīng)變速率(ε＝10^-2～10^-4s^-1)，一定的變形溫度(約為熱力學(xué)熔化溫度的一半)和穩(wěn)定而細(xì)小的晶粒度(0.5～5μm)的條件下，某些金屬或合金呈現(xiàn)低強(qiáng)度和超過(guò)100％的伸長(zhǎng)率的一種特性。超塑性現(xiàn)象最早的報(bào)道是在1920年，Rosenhain等發(fā)現(xiàn)Zn-4Cu-7Al合金在低速?gòu)澢鷷r(shí)，可以彎曲近180°。1934年，C.P.Pearson發(fā)現(xiàn)Pb-Sn共晶合金在室溫低速拉伸時(shí)可以得到2000％的延伸率。1945年A.A.Bochvar等發(fā)現(xiàn)Zn-Al共析合金具有異常高的延伸率并提出“超塑性”這一名詞。1964年，W.A.Backofen對(duì)Zn-Al合金進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并提出了應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值這個(gè)新概念，為超塑性研究奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)70年代起人們注意開(kāi)發(fā)工業(yè)牌號(hào)合金的超塑性、基于上述組織條件，在超塑性變形或成形前要對(duì)材料進(jìn)行細(xì)化晶粒的預(yù)處理，包括熱處理和形變熱處理，有些處理工藝相當(dāng)繁雜，消耗了能源、人力和材料。在研究中發(fā)現(xiàn)許多工業(yè)合金在供貨態(tài)件下，雖然不能完全滿足均勻等軸細(xì)晶的組織條件，但是也具有良好的超塑性(Ti-6Al-4V就是其中的一個(gè)典型)。這樣不用或少用細(xì)化處理工藝，可以大大提高起塑性技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。因此供貨態(tài)超塑性合金的研發(fā)已成為超塑性材料和超塑性成型研發(fā)的一個(gè)重要研發(fā)方向。

到目前為止，人們發(fā)現(xiàn)了眾多鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鈦及鈦合金以及其它金屬具有超塑性，但在中低碳低合金鋼領(lǐng)域很難實(shí)現(xiàn)超塑性成形。上世紀(jì)70年代，美國(guó)科學(xué)家O.D.Sherby等掀起了以1.0-2.1％C的超高碳鋼超塑性的研究工作，發(fā)現(xiàn)超高碳鋼并申請(qǐng)了一系列具有超塑性的超高碳鋼專利，打開(kāi)了研究鋼鐵材料超塑性的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究工作。另外在高合金的不銹鋼領(lǐng)域(奧氏體不銹鋼與雙相不銹鋼，其Ni、Cr、Mn、Mo等貴重合金含量達(dá)到了30％左右)，人們也發(fā)現(xiàn)在900-1200℃的溫度范圍內(nèi)，可以獲得100-2500％的超塑性。鑒于超高碳鋼的可焊性差和不銹鋼的合金含量高等缺點(diǎn)，一直在探索開(kāi)發(fā)中低碳低合金鋼的超塑性及其產(chǎn)業(yè)化。但到目前為止，中低碳鋼超塑性的研究表明，現(xiàn)有的中低碳低合金鋼很難實(shí)現(xiàn)超塑性，更沒(méi)有開(kāi)發(fā)出無(wú)需熱處理和形變熱處理的可大規(guī)模工業(yè)化的供貨態(tài)的超塑性低中碳鋼鐵材料。

本發(fā)明提出通過(guò)對(duì)合金成分進(jìn)行設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的軋制(熱軋和冷軋)，得到一種熱軋或冷軋供貨態(tài)超塑性的中低碳板材，在550-1200℃的中高溫溫區(qū)和在0.1-0.001/秒的形變速率下獲得200％-1500％延伸率的中低碳超塑性的熱軋和冷軋鋼材。本發(fā)明鋼具有0.01-0.49％C的中低碳含量，超塑性成形后的鋼板或零部件具有良好的焊接性能和成形后具有700-1500MPa的室溫抗拉強(qiáng)度。該超塑性鋼板可以通過(guò)常規(guī)的冶煉、連鑄、熱軋和冷軋進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，不需要超塑性變形前的復(fù)雜的熱處理，成為一種可以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的供貨態(tài)的低中碳低合金超塑性鋼，打破了中低碳低合金鋼不具有超塑性的局限，為超復(fù)雜零部件鋼板成形提供了工業(yè)化供貨態(tài)的超塑性材料基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種系列化高應(yīng)變速率中低碳中低合金超塑性鋼及制備方法，通過(guò)Mn、Al和C為主要添加元素和以Ti、Zr、Nb、V和稀土等強(qiáng)碳化物析出的微合金元素的合金化設(shè)計(jì)；通過(guò)傳統(tǒng)的冶煉、鑄造、熱軋、熱處理和冷軋等工序生產(chǎn)出具有超塑性能的中低碳低合金的熱軋和冷軋超塑性鋼材。

在550-1250℃溫度和在0.1-0.001/秒的形變速率范圍內(nèi)獲得100％-1500％延伸率的超塑性冷軋鋼材及其制備方法。相對(duì)于傳統(tǒng)1.0-2.1％C的超高碳超塑性鋼，本發(fā)明鋼具有0.01-0.49％C的中低碳含量，通過(guò)冶煉、熱軋和冷軋得到具有超塑性性能的熱軋態(tài)和冷軋態(tài)的供貨態(tài)板材，可以通過(guò)超塑性成型實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)板材和其它復(fù)雜零部件的近凈成形。超塑性成形后的鋼板或零部件具有良好的焊接性能和700-1500MPa的室溫抗拉強(qiáng)度。該超塑性鋼板低成本易生產(chǎn)，可以通過(guò)常規(guī)的冶煉、連鑄、熱軋和冷軋進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)超高碳超塑性鋼的不可焊接性能和傳統(tǒng)低中碳鋼在供貨態(tài)下不具有超塑性的缺陷，為復(fù)雜零部件鋼板成形、減少焊接以及輕量化提供了材料基礎(chǔ)。

本發(fā)明的化學(xué)成分重量百分?jǐn)?shù)為：C：0.01-0.49％、Mn:2.5-13.0％、Al：0-12.0％、Si：0-3.0％、Cr：0-3.0％，Ni:0-3.0％、余量為Fe及不可避免的不純物；在此基礎(chǔ)上還可另加以下一種或多種元素：Mo:0-0.2％、Nb:0-0.20％、Ti：0-0.20％、V：0-0.20％、RE：0-0.20％。

該成分體系可以保證在超塑性成形過(guò)程中具有超細(xì)的鐵素體與奧氏體雙相組織，且鐵素體與奧氏體的晶粒尺寸不超過(guò)5微米；通過(guò)Ti、Mo、Nb、V和稀土等微合金元素的析出釘軋抑制晶粒長(zhǎng)大，進(jìn)一步將鐵素體與奧氏體的在超塑性條件下的晶粒尺寸控制到不超過(guò)2微米，從而充分發(fā)揮設(shè)計(jì)鋼的超塑性能力。2、在超塑性變形工藝上，主要在550-1200℃變形，超塑性變形過(guò)程中晶粒尺寸在0.2-5微米的范圍內(nèi)，以保證超高的高溫延伸率和變形無(wú)孔洞產(chǎn)生。3.在性能上，本發(fā)明鋼具有優(yōu)異的100-1500％的超塑性性能和700-1500MPa的超塑性變形后室溫抗拉強(qiáng)度。

本發(fā)明各元素的作用及配比依據(jù)如下：

C：作為主要的間隙固溶強(qiáng)化元素，對(duì)超塑性形變過(guò)程中的鐵素體與奧氏體含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證超塑性的雙相組織和成形后的強(qiáng)度。但考慮焊接要求，C含量應(yīng)控制在不大于0.49wt％范圍內(nèi)。

Mn：Mn是奧氏體穩(wěn)定化元素，在高溫區(qū)形變過(guò)程中，Mn保證高溫奧氏體和雙相組織的晶粒細(xì)小。為此Mn含量應(yīng)控制在2.50-13.00％范圍內(nèi)。

Al：在本發(fā)明中Al是促進(jìn)高溫奧氏體與鐵素體雙相組織的形成元素，可以調(diào)節(jié)熱形變組織中的鐵素體與奧氏體的含量。同時(shí)考慮Al是降低鋼密度的元素和抗表面氧化元素，可以大幅降低鋼的密度和提高超塑性變形過(guò)程中的抗表面演化能力。但過(guò)高的Al含量對(duì)不利于工業(yè)化生產(chǎn)和提高中低碳鋼的材料成本，因此Al含量應(yīng)該控制在0-12.0％的范圍內(nèi)。

Si：在本發(fā)明中Si也是促進(jìn)亞穩(wěn)奧氏體與鐵素體雙相組織形成元素，可以調(diào)節(jié)熱形變組織中的鐵素體與奧氏體的含量。同時(shí)Si可以通過(guò)固溶提高鋼的強(qiáng)度。但超過(guò)3％的Si含量會(huì)帶來(lái)冶煉、連鑄與熱軋的問(wèn)題。因此Si含量應(yīng)該控制在0-3.0％的范圍內(nèi)。

Cr:促進(jìn)高溫奧氏體與鐵素體雙相組織形成元素，可以調(diào)節(jié)熱形變組織中的鐵素體與奧氏體的含量。同時(shí)能夠有效提高鋼的抗高溫表面氧化能力。但考慮到低中碳鋼的成本，Cr含量控制在0-3.0wt％。

Ni：Ni和Mn具有同樣的作用，可以調(diào)節(jié)高溫條件下奧氏體與鐵素體的體積分?jǐn)?shù)和抑制晶粒長(zhǎng)大，可以有效提高超塑性成形后的材料和零部件的韌性。但Ni金屬的價(jià)格高，其含量應(yīng)控制在3.0％以下。

Mo、Nb、Ti和V:均是強(qiáng)碳化物形成的微合金化元素，可以在超塑性成形過(guò)程中抑制晶粒長(zhǎng)大。同時(shí)，添加這些強(qiáng)碳化物形成元素可以提高超塑性成形后材料的抗氫脆敏感性能。但考慮到成本，這些元素含量控制在0-0.2wt％范圍內(nèi)。

本發(fā)明的制造工藝及控制的技術(shù)參數(shù)為：

本發(fā)明鋼的生產(chǎn)工藝為冶煉、鑄造、熱軋、退火和冷軋等制造工藝過(guò)程，工藝中控制的技術(shù)參數(shù)如下：

(1)鋼的冶煉與凝固：適用于轉(zhuǎn)爐、電爐和感應(yīng)爐冶煉，采用連鑄生產(chǎn)鑄坯或模鑄生產(chǎn)鑄錠。

(2)鑄坯或鑄錠的熱軋或熱連軋或鍛造：

熱連軋板材：將鑄坯經(jīng)1100-1250℃加熱，先粗軋后精軋，軋后在300-700℃范圍內(nèi)進(jìn)行卷取成鋼卷，可獲得工業(yè)化供貨態(tài)的超塑性熱軋鋼材。

(3)軟化退火與冷軋

對(duì)熱變形后的鋼材在550-850℃的范圍內(nèi)進(jìn)行軟化退火處理以降低鋼板硬度。退火后進(jìn)行0-90％的不同壓下量冷軋，可獲得工業(yè)化供貨態(tài)的超塑性冷軋鋼材。

(4)冷軋板材的逆相變退火

對(duì)冷軋變形后的鋼材在550-750℃的范圍內(nèi)進(jìn)行退火處理以獲得20-50％的室溫高塑性，可獲得工業(yè)化供貨態(tài)的超塑性冷軋退火鋼材。

附圖說(shuō)明

圖1為5#樣的超塑性拉伸試樣在變形前后的尺寸變化圖。

圖2為6#鋼的超塑性拉伸曲線圖。

圖3為6#鋼超塑性拉伸前后試樣尺寸的變化圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

本實(shí)施例主要針對(duì)于鑄坯熱軋、逆相變退火后進(jìn)行熱溫軋獲得高強(qiáng)度高塑性的鋼板。試驗(yàn)過(guò)程模擬鋼板的熱連軋、逆相變退火和熱溫軋工藝(部分熱溫軋后退火)。但該工藝同樣適用于型材和棒線材的生產(chǎn)。

鋼的冶煉：

本發(fā)明鋼由試驗(yàn)室真空感應(yīng)爐冶煉，澆鑄錠型為50kg的圓錠。共冶煉10爐鋼，其中化學(xué)成分見(jiàn)表1。其中1-10爐鋼為發(fā)明鋼，而CP鋼、DP鋼和PH鋼則為模擬傳統(tǒng)多相鋼而冶煉的低中碳鋼對(duì)比鋼。

表1發(fā)明鋼與對(duì)比鋼的化學(xué)成分(wt％)

本發(fā)明鋼制備工藝流程實(shí)施事例如下：

步驟1：鋼的冶煉

由試驗(yàn)室真空感應(yīng)爐冶煉，澆鑄錠型為50kg的圓錠。

步驟2：鋼的鍛造和熱軋：

1-10#鋼的鋼錠經(jīng)過(guò)1250℃加熱，保溫5h，進(jìn)行鍛造開(kāi)坯。初鍛造溫度為1200℃，終鍛溫度為800℃，鍛后空冷。最終鍛造成尺寸為30mm×100mm×150mm的坯料。將上述鍛造坯料經(jīng)1200℃加熱，保溫5h后，由試驗(yàn)熱軋機(jī)通過(guò)7道次軋制，最終鋼板成品厚度為6mm。軋制過(guò)程模擬熱連軋工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，獲得具有熱軋態(tài)的超塑性鋼板。

步驟3：熱軋鋼的軟化退火：

將1-10#鋼在650℃進(jìn)行退火處理，保溫6小時(shí)，以降低熱軋板硬度不高于350HB便于冷軋。

步驟4：鋼的冷軋：

將步驟3得到的鋼進(jìn)行冷軋，軋制到70％的形變量。得到具有超塑性的冷軋低中碳超塑性鋼。

步驟5：冷軋鋼的逆相變退火：

將步驟4得到的冷軋鋼在650℃進(jìn)行逆相變退火，得到具有較高塑性的退火冷軋低中碳鋼，獲得超塑性的冷軋退火鋼材。

步驟6.超塑性測(cè)定

方案A：將步驟2得到的熱軋6mm厚的鋼板在表2所示的實(shí)驗(yàn)溫度和拉伸速率下進(jìn)行超塑性拉伸實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)鋼與對(duì)比鋼的高溫拉伸延伸率如表2所示。

表2方案A熱軋鋼板高溫拉伸超塑性能

通過(guò)表2可以看出，發(fā)明鋼經(jīng)過(guò)熱軋后得到了170-392％的超塑性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)比鋼的高溫塑性，說(shuō)明發(fā)明鋼經(jīng)過(guò)熱軋后具有超塑性。同時(shí)該結(jié)果也告訴我們現(xiàn)有CP鋼、DP鋼和PH鋼等工業(yè)化中低碳鋼鐵產(chǎn)品不具有熱軋供貨態(tài)的超塑性性能。

方案B：將步驟4得到的冷軋鋼板在表3所示的實(shí)驗(yàn)溫度和拉伸速率下拉伸，得到高溫拉伸下的延伸率如表3所示。

表3方案B冷軋量為70％的鋼板高溫拉伸超塑性能

通過(guò)表3可以看出，發(fā)明鋼經(jīng)過(guò)熱軋后得到了350-1510％的超塑性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)比鋼的高溫塑性，說(shuō)明發(fā)明鋼經(jīng)過(guò)冷軋后具有超塑性。同時(shí)該結(jié)果也告訴我們現(xiàn)有CP鋼、DP鋼和PH鋼等工業(yè)化中低碳鋼鐵產(chǎn)品不具有冷軋供貨態(tài)的超塑性性能。

方案C：將步驟5得到的冷軋鋼板在表4所示的實(shí)驗(yàn)溫度和拉伸速率下拉伸，得到高溫拉伸下的延伸率如表4所示。

表4方案C逆相變退火板材的高溫拉伸超塑性能

通過(guò)表4可以看出，發(fā)明冷軋態(tài)鋼板經(jīng)過(guò)逆相變退火后得到了159-812％的超塑性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)比鋼的高溫塑性，說(shuō)明發(fā)明鋼經(jīng)過(guò)冷軋和逆相變退火后也具有超塑性。同時(shí)該結(jié)果也告訴我們現(xiàn)有CP鋼、DP鋼和PH鋼等工業(yè)化中低碳鋼鐵產(chǎn)品不具有冷軋退火供貨態(tài)的超塑性性能。

圖1給出了5#鋼冷軋70％后在超塑性溫度600-800℃及變形速度0.1-0.001/秒的條件下得到的超塑性拉伸試樣圖。

圖2給出了6#鋼冷軋態(tài)板材的超塑性拉伸曲線。

圖3給出了6#鋼冷軋態(tài)的超塑性拉伸前后試樣尺寸的變化。