CN101550515B

CN101550515B - 一种含铜高强韧高锰钢

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Publication number: CN101550515B
Application number: CN2008100353671A
Authority: CN
Inventors: 梁高飞; 方园; 于艳; 刘俊亮; 高加强
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: CN101550515A

Abstract

本发明涉及一种含铜高强韧高锰钢及其制造方法。一种含铜高强韧高锰钢，其成分按重量百分比计为：Mn：15％～25％、Cu：0.10％～1.5％、C：0.3％～1.0％、Si：0.04％～0.8％、Al：0.002％～0.8％，余量为Fe和杂质。制造方法为：将铸坯加热到0.7T_L～0.8T_L温度下固溶处理，保温处理时间在3h之内；热轧开轧温度为0.7T_L～0.8T_L，终轧温度为0.6T_L～0.8T_L，空冷或水冷，在550～680℃温度下卷取；将热轧后的钢板置于在温度300～900℃之间退火处理，之后空冷，或水淬。本发明钢强韧度高，易于成型，冶炼与铸造容易。

Description

一种含铜高强韧高锰钢

技术领域

本发明涉及一种含铜高强韧高锰钢及其制造方法，尤其是Fe-Mn-C系含铜高锰TWIP钢及其制造方法。

背景技术

孪晶诱发塑性(twinning induced plasticity，TWIP)钢含锰量高，基体为奥氏体，在塑性变形的过程中表现出较高的延展性和优越的强度特性，主要应用于汽车领域内，包括Fe-Mn-Si-Al系、Fe-Mn-C系、Fe-Mn-Al-C系(典型成分Fe-16Mn-11Al-1.1C)，以及超高碳系(典型成分Fe-8Mn-13Al-7C)等。

Fe-Mn-Si-Al系TWIP钢，典型成分为：C：＜0.2％，Mn：10％～30％，Si：1％～6％，Al：1％～8％，德国对该体系高锰钢的研究处于领先水平。由于Fe-Mn-Si-Al系高锰钢中Al元素含量较高，在板坯连铸或模铸过程中，Al通常会在凝固时在晶界处发生偏析，形成低熔点金属间化合物(Fe₂Al₅)，导致铸态组织的缺陷，热连轧时易开裂，材料的热塑性很差；另外，Al会将钢水中的SiO₂和MnO还原，增大钢水的粘度，破坏铸坯的表面和内部质量。因此，目前业界认为Fe-Mn-Si-Al系高锰钢的工业大规模制造存在很大困难，多作为科学问题来研究，尚无工程应用推广先例。

Fe-Mn-C系TWIP钢比其它体系相对容易冶炼，综合机械性能较高，是目前开发的重点。Arcelor(安赛乐)公司与TyhssenKrupp(蒂森克虏伯)公司作为全球汽车用钢的主要供应商，目前已开发出X-IP1000产品，典型成分为：0.6C，23Mn，0.05～1.0Si，0～0.008Al，0.001～0.01N。X-IP1000抗拉强度1162Mpa，屈服强度599Mpa，均匀延伸率达52.8％，并且具有非常优良的深冲性能、成型性能以及耐冲击性能。((法)D Cornette，P Cugy，A Hildenbrand，“汽车安全部件用超高强Fe-Mn TWIP钢”，《世界钢铁》，2006，(3)：39)。

由于Fe-Mn-C系高锰钢Mn、C含量非常高，热轧过程中，在隧道炉加热时晶界非常容易氧化，并且钢中κ相碳化物也带来热轧的困难，因此热轧工艺是高锰钢制造的关键技术。TyhssenKrupp公司尝试采用带式薄带连铸试验轧机制造出生产厚度为6mm、宽度300mm的高锰钢热带卷，表面与边部质量良好，(Karl Heinz Spitzer等，“带钢直接铸造生产新钢种的基本工艺技术研究”，《第一届中德(欧)冶金技术研讨会论文集》，212)。

韩国浦项制铁对高锰钢薄带连铸技术的研究也处于世界领先水平。专利KR100650559B，KR100650562B公开了高锰钢的薄带连铸技术，并制造出表面质量良好的原形钢带，典型成分为0.35C，25Mn，1.5Al，0.5Si。专利KR20040056300公开的高锰钢成分为：＜1.5C，15～35Mn，0.1～6.0Al。Fe-Mn-C系高锰钢具有高强度(屈服强度599MPa、抗拉强度为1162MPa)和较高的延伸率(52.8％)。围绕高锰钢薄带连铸技术，专利KR20040055925公开了结晶辊的特点；专利KR20040020465、KR20040020464、KR20040020463、KR20060074638阐述了结晶辊处理、浇铸气氛、表面质量控制等技术问题。

利用废钢进行重新冶炼已经十分普遍，废钢中通常含有Cu元素，一般被认为钢中的有害元素而加以控制，但是对于高锰钢而言，Cu作为奥氏体稳定元素，在奥氏体中有较高的固溶度。特别的是，薄板坯连铸连轧、薄带连铸流程的快速凝固特征使Cu元素在高锰钢中的使用存在较大的空间。目前，对于含Cu的Fe-Mn-C系高锰钢的热处理工艺技术，还没有相关的专利与报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含铜高强韧高锰钢，该种钢强韧性高，易于成型，此外该钢种在不同的温度区间退火，可以在抗拉强度变化不大的情况下，屈服强度和延伸率在较大的范围内变化，从而满足用户特定的需求。

本发明是这样实现的：一种含铜高强韧高锰钢，其成分按重量百分比计为：Mn：15％～25％、Cu：0.10％～1.5％、C：0.3％～1.0％、Si：0.04％～0.8％、Al：0.002％～0.8％，余量为Fe和不可避免的杂质。

含铜高强韧高锰钢的制造方法，将满足上述成分的含铜高强韧高锰钢铸坯加热到0.7T_L～0.8T_L(T_L：钢的液相线温度)温度下固溶处理，保温处理时间在3h之内；热轧开轧温度为0.7T_L～0.8T_L，终轧温度为0.6T_L～0.8T_L，空冷或水冷，在550～680℃温度下卷取；将热轧后的钢板在温度300～900℃之间退火处理，之后空冷，或水淬。

所述热轧工艺可以为单道或多道次。

本发明放宽了Cu元素的要求，从而降低了原材料的要求，可以利用含铜的废钢材进行冶炼，扩大了冶炼工艺范围。如果原料中带入Cu量不足，还可以在材料中加入一定的Cu，使Cu含量达到0.10％～1.5％，这样的Cu含量能够调节材料的层错能，从而调节材料的变形机制，优化材料的强韧性，经适当的退火工艺处理后，Cu合金化Fe-C-Mn系高锰钢的强韧积比未加Cu的Fe-C-Mn系高锰钢有较大幅度提高。

本发明降低了对Mn元素的最低含量要求(15％)，含Mn量在15％～25％的钢抗拉强度可超过1000Mpa，延伸率在40％以上，可以通过合适的退火工艺使材料的屈服强度在220～600Mpa之间变化。并且该钢合金元素含量低，对成型工艺要求相对较低，强韧性指标与目前同强度规格材料相比较具有优势。

本发明加入比较高的C元素(0.3％～1.0％)，加入C元素可以同时提高材料的强度与延伸率，这与一般碳钢提高C元素强度提高而延伸率下降不同，其原因主要在于C-Mn原子存在相互拖曳作用。同时本发明C元素含量限制在1.0％以下，不会引起冶炼困难。

另外，本发明含铜高强韧高锰钢Si、Al含量较低，其中，Si：0.04～0.8％，Al：0.002～0.8％，冶炼与铸造相对容易。

同时，钢中还可以含有少量的Cr、B、N元素，主要用于提高材料的强度和耐腐蚀性，以及细化晶粒，扩大材料应用范围。

本发明含铜高强韧高锰钢为比较稳定的奥氏体基体，在变形过程中奥氏体具有TWIP效应，使材料在变形过程中，同时具有较高的抗拉强度与延伸率。

本发明固溶处理以及热轧开轧温度为0.7T_L～0.8T_L，选择这样的温度范围是由于，如果温度过高会使材料氧化严重，对于高锰钢而言，过高的温度使材料晶界处出现大量第二相，严重影响其性能以及后续加工性能。固溶处理保温时间由铸坯尺寸决定，尺寸较大则保温时间较长，一般控制在3h之内。由于高锰钢变形抗力随温度下降快速提高，因此应尽量在较高温度下完成终轧，终轧温度为0.6T_L～0.8T_L，整个热轧过程保证全奥氏体组织。

热轧之后的最终热处理一般的高锰钢常采用高温(1000℃以上)固溶处理，温度高、时间长，本发明钢种的热处理温度较低(300～900℃，一般在700℃以下进行)，工艺简单，易于在工业生产中实施。并且本发明含铜高强韧高锰钢经过不同的热处理后，钢的机械性能可以在很大的范围内变化。

本发明具有以下有益效果：本发明含铜高强韧高锰钢利用Cu元素合金化提高高锰钢的机械性能，冶炼与铸造相对容易，奥氏体基体稳定性较强，具有比较宽的制造工艺窗口，结合后续热处理工艺，使材料的机械性能在较大的范围内变化。

本发明含铜高强韧高锰钢在机车、建筑、能源、电力等领域具有广阔的应用前景与潜力，适合制造机车底盘、低温液体储藏容器、机车支柱、3D产品外壳、高速列车安全部件、以及建筑受力部件等。

具体实施方式

实施例1：

成分：15.8％Mn，0.6％C，0.25％Cu，0.05％Si，0.01％Al，余量为Fe和不可避免的杂质。

制造方法：

将以上成分的钢铸坯加热到1150℃温度下固溶处理，保温4小时后热轧，开轧温度：1100℃，终轧温度：850℃，累积压下量80％，卷取温度为650℃。热轧板厚度2.5mm。取样(试样序号E1)，进行静态拉伸试验。

抗拉强度：1050Mpa，延伸率：50％。

实施例2：

成分：15.8％Mn，0.6％C，1.0％Cu，0.08％Si，0.01％Al，余量为Fe和不可避免的杂质。

制造方法：

将以上成分的钢铸坯加热到1150℃温度下固溶处理，保温4小时后热轧，开轧温度：1100℃，终轧温度：850℃，累积压下量：80％，卷取温度：600℃。热轧板厚度2.5mm。在900℃下保温20min后，水淬。取样(试样序号E2)，进行静态拉伸试验。

抗拉强度：900～1000Mpa，延伸率：62～70％，强韧积可以达到70,000Mpa％。

实施例3：

成分：0.56％C，15.83％Mn，0.10％Cu，0.01％Al，0.05％Si，0.005％N，0.005％B，余量为Fe和不可避免的杂质。

制造方法：

将以上成分的钢铸坯加热到1150℃温度下固溶处理，保温4小时后热轧，开轧温度：1100℃，终轧温度：850℃，累积压下量80％，卷取温度：600℃。热轧板厚度2.5mm。在300～900℃下退火5～60min，退火过程中通N₂保护，水淬。取样，进行力学分析。表1为退火60min后测定的机械性能。可见，退火温度对高锰钢的机械性能影响很大。值得注意的是，700℃下退火，材料抗拉强度与延伸率基本不变，而屈服强度从520Mpa降至370Mpa；900℃退火使材料抗拉强度有一定下降，而延伸率达到73.5％，屈服强度稍有下降，综合强韧性最佳。

表1实施例3高锰钢的机械性能(退火60min)

试样序号	温度 ℃	R_p0.2 Mpa	R_m Mpa	A ％	R_m×A Mpa％	R_p0.2/R_m
							E3	300	520	1080	49.0	52,920	0.48
E4	500	520	1040	49.6	51,584	0.46
							E5	700	370	1040	51.5	53,040	0.36
E6	900	320	850	73.5	62,475	0.38

[0038] 表2为退火时间和高锰钢机械性能的关系。可见，对于低温退火，退火时间对性能基本无影响；高温退火，随着时间延长，强韧性明显提高，而屈强比下降。

表3为试样E3与Arcelormittal(安赛乐米塔尔，著名钢铁生产公司)同等级强度钢的性能比较。可见，在同一强度级别高强钢中，高锰钢延伸率是其它钢种的3～5倍，具有非常明显的性能优势。

表2实施例3高锰钢机械性能与退火时间的关系

试样序号	温度 ℃	时间 min	R_p0.2 Mpa	R_m Mpa	A ％	R_m×A Mpa％	R_p0.2/R_m
								E7	300	5	530	1020	56.0	57,120	0.52
E3	300	60	520	1080	49.0	52,920	0.48
								E8	900	5	310	725	57.0	41,325	0.43
E5	900	60	320	850	73.5	62,475	0.38

表3实施例高锰钢与Arcelormittal同等级强度钢的性能比较

钢种	R_p0.2 Mpa	R_m Mpa	A ％	R_m×A Mpa％
					MP1000	800-950	≥950	≥10	≥9,500
DP980	600-750	980～1100	≥10	≥9,800
					TRIP980	＞500	980～1100	≥18	≥17,640
E3(本发明)	520	1080	49.0	52,920

实施例4：

成分：15.1％Mn，0.6％C，0.62％Cu，0.08％Si，0.01％Al，余量为Fe和不可避免的杂质。

制造方法：

将以上成分的钢铸坯加热到1150℃温度下固溶处理，保温4小时后热轧，开轧温度：1100℃，终轧温度：850℃，累积压下量：80％，卷取温度：600℃。热轧板厚度2.5mm。在900℃下保温20min后，水淬。取样(试样序号E9)，进行静态拉伸试验。

另外，作为对比试样，实施例中选取未加Cu的高锰钢(试样序号E10)，成分为：Fe-15Mn-0.6C，制造方法同试样E9。两试样的机械性能见表4所示。很明显，经相同的热处理后，含Cu高锰钢延伸率有较大的提高，强韧积明显高于未加Cu高锰钢。

表4Cu元素对热处理高锰钢机械性能的影响

试样序号	R_m Mpa	A ％	R_m×A Mpa％
				E9(含Cu)	825	72.5	59812.5
E10(不加Cu)	835	47.0	45925.0

实施例5：

成分：25.0％Mn，0.3％C，1.0％Cu，0.8％Si，0.8％Al，0.1％B，5.0％Cr，余量为Fe和不可避免的杂质。

制造方法：

将以上成分的钢铸坯加热到1150℃温度下固溶处理，保温4小时后热轧，开轧温度：1100℃，终轧温度：850℃，累积压下量：80％，卷取温度：600℃。热轧板厚度2.5mm。在900℃下保温20min后，空冷。取样(试样序号E11)，进行静态拉伸试验。

屈服强度：400Mpa，抗拉强度：745Mpa，延伸率：57.5％。

Claims

1.一种含铜高强韧高锰钢，其特征在于，其成分按重量百分比计为：Mn：15％～25％、Cu：0.10％～1.0％、C：0.3％～1.0％、Si：0.04％～0.8％、Al：0.002％～0.8％，余量为Fe和不可避免的杂质；

将满足上述成分的含铜高强韧高锰钢铸坯加热到0.7TL～0.8TL温度下固溶处理，保温处理时间在3h之内；热轧开轧温度为0.7TL～0.8TL，终轧温度为0.6TL～0.8TL，空冷或水冷，在550～680℃温度下卷取；将热轧后的钢板在温度300～900℃之间退火处理，之后空冷，或水淬。

2.如权利要求1所述的含铜高强韧高锰钢，其特征在于：所述热轧工艺为单道或多道次。