一種高強高韌低碳鋼的制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高強高韌低碳鋼的制備工藝，屬于高強低碳鋼鐵材料的制備領域，適用于高強低碳鋼鐵材料的制備，所制備的高強低碳鋼強韌性優異。該工藝用不同熱輸入參數進行攪拌摩擦加工，在加工過程中用流動水快速冷卻加工區，得到性能優異的超細鐵素體/馬氏體雙相鋼。本發明可以明顯提高普通低碳鋼的力學性能，且通過多道次搭接攪拌摩擦加工可獲得大面積的高強低碳鋼，其性能優于工業上TMCP生產的此類高強低碳鋼板。
【專利說明】一種高強高韌低碳鋼的制備工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及高強低碳鋼鐵材料的制備領域，特別涉及一種高強高韌低碳鋼的制備工藝，該工藝適用于高強低碳鋼鐵材料的制備。
【背景技術】
[0002]為了滿足節能和節約資源的要求，鋼鐵材料正面臨大面積的升級換代，先進的高強低碳鋼(包括添加少量合金元素的低碳低合金鋼)成為各國材料研究工作者的研究熱點。在大幅度提高強度的同時，為了擴大其應用范圍，必須考慮塑性因素。因此現在工業中普遍傾向于利用細晶強化同時利用相變產生的雙相或多相組織來提高強韌性。通常采用的加工工藝歸結起來主要有兩大類:熱機械控制工藝(TMCP)及大塑性變形工藝。對比來看，前者工業化應用前景良好，但由于塑性變形不夠劇烈，晶粒細化一般有局限性；而后者雖然能夠細化晶粒至I μ m以下，但難以制備大面積材料，且不易結合相變來進行強韌化，其塑性往往較低。因此，以上兩種方法制備的高強低碳鋼的強韌性匹配還有進一步的提升空間。
[0003]攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所于1991年發明的一種固相焊接工藝，具有能量利用率高、環境友好、焊接缺陷少、焊縫殘余應力小等優點，其接頭性能較熔化焊有很大提高，自發明后受到了廣泛關注。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)應運而生。采用多道次搭接攪拌摩擦加工工藝可制備大面積板材，加工區性能得到明顯改善。如果在攪拌摩擦加工過程中施加快速冷卻，可以制備超細晶的鋁合金、銅合金及鎂合金。然而，受攪拌頭工具材料的制約，現在對攪拌摩擦加工制備超細晶高強鋼鐵材料的研究還未見報道。對于常規工藝下鋼鐵材料的攪拌摩擦焊接/加工，通常采用價格昂貴的立方氮化硼和鎢基合金作為工具材料，且焊接/加工過程中還需要加保護氣以避免氧化，這大大提高了成本，顯然不符合節能及節約資源的需求。因此，需要對現有的攪拌摩擦加工工藝進行改進，以滿足先進高強低碳鋼鐵材料的工業化制備要求。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種高強高韌低碳鋼的制備工藝，該工藝利用快速冷卻攪拌摩擦加工工藝制備強韌性匹配良好的高強低碳鋼鐵材料。
[0005]本發明的技術方案是:
[0006]一種高強高韌低碳鋼的制備工藝，該工藝是對低碳鋼母材進行攪拌摩擦加工，在加工過程中以流動水冷卻加工區，使加工區溫度處于低碳鋼兩相區溫度(Ac1-Ac3之間)，從而使加工區獲得高強高韌超細鐵素體/馬氏體雙相低碳鋼。
[0007]所述攪拌摩擦加工工藝參數:工具轉速200-1000轉/分鐘，行進速度50-400毫米
/分鐘。
[0008]利用水管中水的循環流動冷卻加工區，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]所述低碳鋼兩相區溫度是指奧氏體和α鐵素體兩相共存的溫度區間，即AcjIjAc3之間(Ac1是指鋼加熱時，開始形成奧氏體的溫度；Ac3是指所有鐵素體均轉變為奧氏體時的溫度)。
[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的寬度為單道次加工區寬度的1/3，采用多道次搭接加工方式可制備大面積的高強低碳鋼，且與單道次加工方式相比所制備的大面積高強低碳鋼的力學性能無明顯下降。
[0012]本發明的有益效果是:
[0013]1、本發明提供了一種高強高韌低碳鋼的制備工藝，攪拌摩擦加工過程中采用流動水快速冷卻，使溫度控制在兩相區溫度(Ac1-Ac3之間)，得到兩相組織，同時晶粒得到明顯細化，大大提高了其力學性能。所制備的高強低碳鋼組織特征為超細的鐵素體/馬氏體雙相組織，鐵素體平均晶粒尺寸最細可細化至I μ m以下，馬氏體晶粒尺寸可細化至3飛μ m，且隨熱輸入(由工具尺寸、轉速和行進速度決定)及冷卻速率(由水管出水口直徑，循環水流速及水的溫度決定)的不同兩相的尺寸和含量可以調控。
[0014]2、本發明高強高韌低碳鋼的制備工藝，制備過程中采用流動水快速冷卻加工區，使加工區溫度控制在兩相區溫度(Ac1-Ac3之間)，大大減少了攪拌工具的磨損，并省去了保護氣。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大，比如本發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程。攪拌頭所用軸肩直徑10-20毫米，攪拌摩擦加工參數:工具轉速200-1000轉/分鐘、行進速度50-400毫米/分鐘。與現有高強低碳鋼鐵材料制備·方法相比，本發明工藝可明顯提高加工區的力學性能，簡單實用，大大降低了成本。因此，這種新的攪拌摩擦加工工藝在高強高韌低碳鋼制備領域將有著廣闊的工業應用前景。
[0015]3、本發明可以明顯提高所制備材料的力學性能，尤其適用于高強高韌低碳鋼鐵材料的制備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明攪拌摩擦加工制備的高強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為本發明攪拌摩擦加工制備的高強低碳鋼以應變速率IX 10_3拉伸時的典型拉伸曲線圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
[0019]使用5毫米厚的Q345低碳鋼板，其化學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 ;屈服強度 350MPa，抗拉強度 525MPa。采用軸肩直徑14毫米的金屬陶瓷攪拌頭進行攪拌摩擦加工，采用單道次加工方式，單道次加工區寬度5mm，工具轉速為400轉/分鐘、行進速度為50毫米/分鐘，在加工過程中以流動水快速冷卻加工區，冷卻過程中所用水管出水口直徑4mm，流速~4L/min，出水口水溫20°C。使加工過程溫度處于兩相區溫度(約750°C)，加工區獲得超細的鐵素體/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。室溫拉伸試驗顯示(圖2)，屈服強度高達llOOMPa，抗拉強度1400MPa，與母材相比強度大幅提高；且均勻延伸率達到7 %，滿足實際工程需要。
[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 ;屈服強度 350MPa，抗拉強度 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。室溫拉伸試驗顯示，屈服強度可達1000MPa左右，抗拉強度約1300MPa，但拉伸過程中快速脆斷，幾乎無均勻
延伸率。
[0022]實施例2
[0023]使用5毫米厚的Q235A低碳鋼板，其化學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行攪拌摩擦加工，采用單道次加工方式，單道次加工區寬度4mm，加工參數:工具轉速為800轉/分鐘、行進速度200毫米/分鐘。在加工過程中以流動水快速冷卻加工區，冷卻過程中所用水管出水口直徑4mm，流速~7L/min，出水口水溫約10°C。使加工過程溫度處于兩相區溫度(約750°C)，在加工區獲得超細鐵素體/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。室溫拉伸試驗顯示，屈服強度為800MPa，抗拉強度llOOM Pa，與商用軋制態Q235A低碳鋼板材相比強度大幅提高；且均勻延伸率達到10%。
[0024]比較例2
[0025]使用5毫米厚的Q235A低碳鋼板，其化學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行常規攪拌摩擦加工，在工具轉速為800轉/分鐘、行進速度200毫米/分鐘的加工參數下，在加工區獲得鐵素體組織及魏氏組織，晶粒尺寸約15 μ m。室溫拉伸試驗顯示，屈服強度約為400MPa左右，抗拉強度約600MPa。
[0026]實施例3
[0027]使用5毫米厚的普通低碳鋼板，其化學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行攪拌摩擦加工，采用單道次加工方式，單道次加工區寬度8mm。在加工過程中以流動水快速冷卻加工區，冷卻過程中所用水管出水口直徑4mm，流速~10L/min,出水口水溫約5°C。在工具轉速為1000轉/分鐘、行進速度400毫米/分鐘的加工參數下，使加工過程溫度處于兩相區溫度(約800°C)，在加工區獲得超細鐵素體/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。室溫拉伸試驗顯示，屈服強度為700MPa，抗拉強度lOOOMPa，均勻延伸率達到12%。
[0028]實施例4
[0029]使用5毫米厚的普通低碳鋼板，其化學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行攪拌摩擦加工，采用單道次加工方式，單道次加工區寬度8mm。在加工過程中以流動水快速冷卻加工區，冷卻過程中所用水管出水口直徑4mm，流速~8L/min，出水口水溫約20°C。在工具轉速為200轉/分鐘、行進速度100毫米/分鐘的加工參數下，使加工過程溫度處于兩相區溫度(約730°C)，在加工區獲得超細鐵素體/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。室溫拉伸試驗顯示，屈服強度為1300MPa，抗拉強度2000MPa，均勻延伸率達到5%。
[0030]實施例5
[0031]使用5毫米厚的普通低碳鋼板，其化學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的寬度為單道次加工區寬度的1/3，在加工過程中以流動水快速冷卻加工區，冷卻過程中所用水管出水口直徑4mm，流速~8L/min，出水口水溫約20°C。在工具轉速為600轉/分鐘、行進速度100毫米/分鐘的加工參數下，使加工區溫度處于兩相區溫度(約750°C )，在加工區獲得超細鐵素體/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渡區組織與加工區中心組織類似。室溫拉伸試驗顯示，單道次加工區屈服強度為1050MPa，抗拉強度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度為lOOOMPa，抗拉強度1300MPa，均勻延伸率為7%，與單道次相比拉伸性能僅略有下降。·
【權利要求】
1.一種高強高韌低碳鋼的制備工藝，其特征在于:該工藝是對低碳鋼母材進行攪拌摩擦加工，在加工過程中以流動水冷卻加工區，使加工區溫度處于低碳鋼兩相區溫度，從而使加工區獲得高強高韌鐵素體/馬氏體雙相低碳鋼。
2.根據權利要求1所述的高強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:工具轉速200~1000轉/分鐘，行進速度50~400毫米/分鐘。
3.根據權利要求1所述的高強高韌低碳鋼的制備工藝，其特征在于:利用水管中水的循環流動冷卻加工區，水管出水口直徑4mm，流速2~10L/min。
4.根據權利要求3所述的高強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.根據權利要求1所述的高強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.根據權利要求1所述的高強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.根據權利要求6所述的高強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寬度4-8_，多道次搭接加工中前后兩道次之間重疊加工區的寬度為單道次加工區寬度的1/3。
【文檔編號】C21D8/02GK103849741SQ201210516446
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月5日 優先權日:2012年12月5日
【發明者】薛鵬, 王全兆, 張琪, 肖伯律, 馬宗義 申請人:中國科學院金屬研究所