一种高强韧耐磨钢及其纳米孪晶增强增韧化的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强韧耐磨钢及其纳米孪晶增强增韧化的制备方法，其成分质量百分比为：C:0.35～0.85％，Mn:15.2～24.8％，Si:0.1～0.5％，Al:≤1.0％，S:≤0.005％，P:≤0.01％，Nb:0.5～1.5％，Ti:0.2～0.8％，V:0.2～0.75％，N:0.005～0.05％,稀土RE：0.02％～0.1％，其余成分为Fe和不可避免的杂质。合金的层错能为24～30kJ/m2，Ti、Nb和V加入量的质量百分比满足：2:1:1。制备工艺包括合金熔炼及负压浇铸、均一化热处理及开坯、热轧制、纳米孪生化处理、纳米孪晶稳定化及低温时效化处理。本发明专利技术依托低层错能和微合金化的成分优化匹配设计，基于形变和热处理的手段进行精细化组织调控，实现组织良好匹配，合金兼具高强度、高韧性和高耐磨性。本发明专利技术耐磨钢综合力学性能优异，合金成本低，制备工艺简单，生产制造成本低，易于投入工业化生产和大范围的产业化装备。备。备。

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧耐磨钢及其纳米孪晶增强增韧化的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种耐磨钢及其加工制备
，具体涉及一种高强韧耐磨钢及其纳米孪晶增强增韧化的制备方法。

技术介绍

[0002]钢铁材料至今仍是最重要，适应性和通用性最强的工程材料，其丰富的装备经验、低廉的生产成本、广阔的性能可塑性空间都是其他材料短期内难以比拟的。近年来，钢铁材料被更多地应用在航空航天、国防军工、新型交通运输技术等关键领域，钢铁行业也整体向绿色、环保、节能减排为目标的方向发展，这些都为进一步提升钢材的综合力学性能提出了要求。锰合金耐磨钢是常用的高性能钢材，具有良好的耐磨性、强度、塑性、耐腐蚀性，广泛应用在重载设备，矿山机械、先进装备、航天军工、交通运输等重要领域，在钢铁材料装备中占据重要地位。通常高锰合金钢优于具有稳定的奥氏体组织，其强度硬度相对较低，尽管具有优异的可加工硬化能力，但是其耐磨性工况仍然有待提高。随着工业的发展和不断进步，对耐磨的高强、高韧性都提出量更高的要求。
[0003]位错和孪生是金属材料的两种主要变形机制，一般认为，材料层错能较低时，层错密度较高，位错滑移受阻，材料变形时更易于发生孪生。孪晶所生成的孪晶界面对材料力学性能有着强韧化的作用。自Frommeyer等学者1997～1998年首次提出多锰合金钢的TWIP效应并研发出TWIP钢以来，以孪生为主要强化机制的高强、高韧性高锰合金钢一直备受关注。在保留相当的塑性同时大幅提升锰合金钢的强度(尤其是屈服强度)成为了材料性能的主要优化方向。此外，所用选制备方式的生产成本和工艺流程也是大规模产业化应用的需要重点考虑的问题。
[0004]当前行业内对于提高孪生高锰合金耐磨钢的强度主要有三种思路。首先是预应变处理。已有研究报道了通过预轧制和预拉伸都可以相当程度地提高孪生高锰合金钢的屈服强度，但也会显著降低材料的延伸率。研究发现，经过10％的轧制处理，可以使屈服强度超过1000MPa(参见文献钢铁,2011,46(11):77
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81)。而Bouaziz等的研究，经过20％的再轧制处理，可以使Fe
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22Mn
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0.6C TWIP钢的屈服强度从600MPa上升至超过1400MPa，但延伸率显著降低至4％(参见文献Scripta Materialia,2010,62(9):713
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715)。第二种是细晶强化。依据Hall
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Petch公式，晶粒的细化会显著提高材料的强度，大多数情况下，都表明细晶强化会一定程度上损失相当的延伸率。单独依靠细晶强化也并不足以满足汽车工业对于材料屈服应力的需要，以Fe
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22Mn
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0.6C钢材为例，想达到汽车工业所需要的600～700MPa，需要将晶粒细化至1μm，然而工业轧制的大生产线只能达到最低在2.0μm的水平(参见文献Current Opinion in Solid State&Materials Science,2011,15(4):141
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168)。第三种方式是第二相(析出)强化。有研究发现，Ti、V、Nb对材料都有一定的强化效应，不过后两者的强化上限相对Ti要更强一些，其中V的强化的贡献可达到400MPa，而Ti在150MPa附近。研究显示，V可以提高材料的抗拉强度和屈服强度，但会降低延伸率。如上所有的沉淀析出物的稳定温度范围在450℃至700℃之间。但是相对于传统的Nb、V、Ti微合金化HSLA钢，微合金化TWIP钢中
加入的合金元素的量至少要增加一个数量级(参见文献一种Nb、Ti合金化低碳高强度高塑性TWIP钢及制备方法[M].CN.2012)。除此之外，也有一系列如表面涂层等新方法进入了实验室研究阶段。而针对锰合金钢低层错能的特性，利用低温轧制提升材料内部孪晶密度的提升路线还没有得到广泛的实践和应用。
[0005]在现有的技术中，经过传统处理方式提升综合力学性能的锰合金耐磨钢往往在强化效果、加工工艺可行性上有一定的提升空间。例如，专利CN105200309A公布了一种提升高锰钢材料的热处理办法，依托退火处理可以获得粗晶(晶粒尺寸大于约5微米)和超细晶(尺寸小于1微米)的混合组织，使的晶界强化效果急剧增强，但材料的屈服强度提高不超过400MPa，仍难以满足重载耐磨领域的应用需求。专利CN107858602A公布了一种高韧性奥氏体型高锰钢板及其生产方法，包含轧制和热处理等工序，但由于变形量不足、轧制温度过高，强化效果并不明显。专利CN104962825A公布了一种超高锰多元素稀土耐磨合金钢衬板的制备方法，主要针对提升材料的耐磨性能，但是其屈服强度在600MPa左右，无法满足高强钢高耐磨的使用场景，且所使用的钢材含有较多稀土元素，生产装备成本较高。
[0006]组织细化是提高材料强度和韧性的有效手段。同时提高材料的强度和塑性是长期以来结构材料性能提升相关研究的主要目标，研究表明通过强变形后热处理获得均匀的、细化的显微组织是在学术界和工业生产中广泛实践并获得认可的可靠方案。但是相比与传统的强变形方式，诸如通道转角挤压、高压扭转等强塑性变形手段，强变形轧制具有生产成本低、生产设备资源多、易于制备大型块体材料等不可替代的优点。但是仅依靠强变形轧制很难得到大量的高角度晶界，通过强变形轧制所获得的低角度晶界对材料的塑性提升效果有限。通常需要合适的热处理工艺使强变形过的材料获得大量的高角度晶界，从而达到高水平的综合力学性能。(参见文献Progress in Materials Science,94(2018)462
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540；45(2000)103
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189.)
[0007]相比于常规的高角度晶界，孪晶界面在提高材料强度塑性方面有着更好的效果。作为一种高度共格的界面，孪晶界的界面储存能较高角度晶界低一个数量级。一方面，纳米孪晶界可将原始晶粒分成多个区域，起到细晶强化的作用。如果能在细晶或者超细晶组织中，进一步引入高密度纳米孪晶界面，则可以显著提升材料的强度和韧性。但是通常引入高密度孪晶的方法为热处理引入退火孪晶，但是优于退火过程中晶粒存在长大现象，同时孪晶尺寸也相对较大，很难达到同时高强度和高韧性的效果。针对高锰合耐磨钢，如果在成分设计上，能够获得具有一定相对低层错能的合金，使其奥氏体足够稳定，通过室温或者超低温的形变诱发高密度的纳米变形孪晶，引入高密度的孪晶界面，材料强度显著增加，同时基体结构仍然为奥氏体，因此兼具良好的塑韧性。此外，如果能够在合金设计及其制备工艺中能够制备出高密度的纳米析出相，与纳米孪晶界相互匹配，那么则可以进一步显著提升材料的强度。孪晶具备很强的阻碍位错运动能力和位错吸收能力，可以同时强化材料的强度和塑性。这为制备高性能的耐磨性金属材料提供了理论依据。目前，依托形变热处理引入高密度纳米孪晶和纳米析出的原理来制备高强韧耐磨合金还鲜有报道。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强韧耐磨钢，其特征在于：合金化学成分的质量百分比为：C:0.35～0.85％，Mn:15.2～24.8％，Si:0.1～0.5％，Al:≤1.0％，S:≤0.005％，P:≤0.01％，Nb:0.5～1.5％，Ti:0.2～0.8％，V:0.2～0.75％，N:0.005～0.05％,稀土RE：0.02％～0.5％，其余成分为Fe和不可避免的杂质。2.如权利要求1所述一种高强韧耐磨钢，其特征在于：合金的层错能为24～30kJ/m2，Nb、Ti和V加入量的质量百分比满足：2:1:1。3.如权利要求1所述的一种高强韧耐磨钢，其特征在于：合金的成分质量百分比为：C:0.5～0.8％，Mn:20～24％，Si:0.1～0.5％，Al:≤1.0％，S:≤0.005％，P:≤0.01％，Nb:0.6～1.0％，Ti:0.3～0.5％，V:0.3～0.5％，N:0.01～0.02％,稀土RE：0.02～0.5％，其余成分为Fe和不可避免的杂质。4.如权利要求1所述的一种高强韧耐磨钢，其特征在于：该钢成分的质量百分比为：C:0.5％,Mn:20
±
0.5％，Si:0.25％,Al≤1.0％,Nb:1.0
±
0.2％，Ti:0.5
±
0.1％，V:0.5
±
0.1％，N 0.01％，稀土RE：0.05
±
0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。5.如权利要求1所述的一种高强韧耐磨钢及其纳米孪晶增强增韧化的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)合金熔炼及负压浇铸：按照上述成分在真空感应炉中均匀搅动熔炼，并进行电渣重熔后，负压浇铸成铸锭；(2)均匀化热处理及开坯：步骤(1)得到的铸锭在1200～1280℃进行高温均匀化处理，保温时间2.0～5.0h，空冷至1100℃进行锻造或轧制开坯，终锻或终轧温度不低950℃，开坯后的材料厚度不小于60mm，水冷至室温；(3)热轧制：经步骤(2)处理后的板材加热至900～950℃，保温2.0～5.0h后进行热轧，开轧温度不低于800℃，终轧温度不低于700℃，获得终轧厚度为10～30mm厚的板材，轧制后风冷至室温；(4)纳米孪生化处理：步骤(3)处理后的合金材料重新加热至830～900℃保温0.5～1.0h后风冷至室温，随后室温或者超低温冷轧处理，轧制总变形量不大于80％，(5)纳米孪晶稳定化及低温时效化处理：将步骤(4)处理后的材料加热至400～450℃进行位错回复处理，保温时间为1.0～2.0h，随后进行低温时效处理，时效温度为200～400℃，保温时间为5.0～8.0h，获得高密度纳米变形孪晶和纳米析出相强化高强韧耐磨钢。6.如权利要求5所述的一种高强韧耐磨钢及其纳米孪晶增强增韧化的制备方法，其特征在于:步骤(1)中所采用的熔炼方式为真空感应，和电弧炉熔炼、加电渣重溶、真空熔炼加真空自耗中的任意一种或两种相结合，负压铸造为塑料薄膜密封砂箱，真空抽气系统抽出型内空气；步骤(2)中均匀化温度为1250℃，保温为2.0h，开轧温度为1100℃，终轧制温度为950℃，开坯厚度为60mm。7.如权利要求5所述的一种高...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：上交大徐州新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：