一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢及其制备方法与流程

一种低碳fe-mn-al-si系twip钢及其制备方法
技术领域
1.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：

2.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变硬化性能，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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.为了降低fe-mn-al-si系twip钢的塑性成型的难度，本技术提供一种低碳fe-mn-al-si系twip钢及其制备方法。
6.第一方面，本技术提供一种低碳fe-mn-al-si系twip钢的制备方法，采用如下的技术方案：
7.一种低碳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：
8.低碳钢66-70份；
9.锰32-35份；
10.铝3.2-3.5份；
11.硅铁2.6-2.8份；
12.所述twip钢的制备方法包括以下步骤：
13.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；
14.步骤2)，把步骤1)制得的钢水注入模具中，冷却，制成粗钢；
15.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；
16.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
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。
30.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。
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
35.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。
36.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。
37.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。
38.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。
39.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。
40.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。
41.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。
42.第二方面，本技术提供一种低碳fe-mn-al-si系twip钢，采用如下的技术方案：
43.一种低碳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。
44.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。
45.综上所述，本技术具有以下有益效果：
46.1、由于本技术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，不易出现受力变硬而抵抗轧制的情况，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。
47.2、本技术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。
48.3、本技术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
49.以下结合实施例以及对比例对本技术作进一步详细说明。
50.以下实施例及对比例中所用原料的来源信息详见表1。
51.表1
52.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％
53.实施例1-3
54.一种低碳fe-mn-al-si系twip钢，包括以下组分：
55.低碳钢、锰、铝、硅铁。
56.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。
57.表2
58.[0059][0060]
低碳fe-mn-al-si系twip钢的制备方法，包括以下步骤：
[0061]
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。
[0062]
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。
[0063]
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。
[0064]
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。
[0065]
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。
[0066]
实施例4
[0067]
一种低碳fe-mn-al-si系twip钢，与实施例3相比，区别仅在于：
[0068]
低碳fe-mn-al-si系twip钢的制备方法中：
[0069]
步骤3)中，最终获得的精钢的长度控制为6m，直径控制为6cm。
[0070]
步骤4)中，把精钢置于密闭加热室后，加热精钢至700℃，保温15min；
[0071]
精钢在冷却过程中的冷却速度控制为：以2℃/min的速度下降；
[0072]
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；
[0073]
精钢在完成拉伸形变后，降低温度至50℃。
[0074]
对比例1
[0075]
一种低碳fe-mn-al-si系twip钢，与实施例3相比，区别仅在于：
[0076]
低碳fe-mn-al-si系twip钢的制备方法中：
[0077]
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；
[0078]
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；
[0079]
对比例2
[0080]
一种低碳fe-mn-al-si系twip钢，与实施例3相比，区别仅在于：
[0081]
低碳fe-mn-al-si系twip钢的制备方法中：
[0082]
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；
[0083]
对比例3
[0084]
一种低碳fe-mn-al-si系twip钢，与实施例3相比，区别仅在于：
[0085]
低碳fe-mn-al-si系twip钢的制备方法中：
[0086]
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；
[0087]
对比例4
[0088]
一种低碳fe-mn-al-si系twip钢，与实施例3相比，区别仅在于：
[0089]
低碳fe-mn-al-si系twip钢的制备方法中：
[0090]
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。
[0091]
对比例5
[0092]
一种低碳fe-mn-al-si系twip钢，与实施例3相比，区别仅在于：
[0093]
低碳fe-mn-al-si系twip钢的制备方法中：
[0094]
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。
[0095]
实验1
[0096]
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低碳fe-mn-al-si系twip钢的断后伸长率(％)和抗拉强度(mpa)。
[0097]
实验1的具体实验数据详见表3。
[0098]
表3
[0099] 断后伸长率(％)抗拉强度(mpa)实施例1101.71861实施例2101.51866实施例3102.31863实施例4102.11859对比例167.31864对比例267.91863
对比例367.61862对比例468.71857对比例566.81860
[0100]
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。
[0101]
以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。