一种奥氏体/铁素体/马氏体多相异构钢铁材料的制备方法技术

本说明书提供一种奥氏体/铁素体/马氏体多相异构钢铁材料的制备方法，包含：旋转摩擦焊、交替旋转摩擦焊、高温自由锻、低温轧制、多相异构热处理五步工序。其特征在于：选用低碳钢和奥氏体钢棒，利用旋转摩擦焊方法对两种钢铁材料进行交替焊接；对焊接得到的圆柱叠层样品进行高温自由锻和淬火得到立方叠层钢块并调节低碳钢层的初始结构；再通过低温轧制细化低碳钢和不锈钢组织，最后通过多相异构热处理，获得由超细奥氏体、铁素体、马氏体组成的多相异构钢铁材料。相异构钢铁材料。相异构钢铁材料。

【技术实现步骤摘要】
一种奥氏体/铁素体/马氏体多相异构钢铁材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及的是一种奥氏体/铁素体/马氏体多相异构钢铁材料的制备方法，包含：旋转摩擦焊、交替旋转摩擦焊、高温自由锻、低温轧制、多相异构热处理五步工序。具体为选用低碳钢和奥氏体钢棒，利用旋转摩擦焊方法对两种钢铁材料进行交替对焊；对焊接得到的圆柱叠层钢棒进行高温自由锻和淬火，得到立方叠层钢块并调节低碳钢层初始结构；再通过低温轧制细化低碳钢和不锈钢组织，最后通过多相异构热处理，获得由超细奥氏体、铁素体、马氏体组成的多相异构钢铁材料。
技术背景
[0002]钢铁材料作为最常见的结构材料，广泛应用于建筑、交通运输、石油化工等各领域。提高钢铁材料的强度对于结构轻量化和提升结构安全性能具有重要意义。对于钢铁材料而言，增加碳含量是强化钢铁材料最有效和经济节约的方式，但是多数钢材的强度与韧性、塑性是矛盾的。为了获得较高的韧性和塑性，往往不得不牺牲一部分强度。碳含量的增加也相应地会带来很多弊端，例如材料的可焊接性能和成型性能会降低。而目前工业上常用的低碳合金钢的强度普遍较低，例如常用的Q235钢的抗拉强度通常在500MPa以下，难以满足更高强度等级的要求。因此，如何通过有效的方式来获得高性能钢铁材料对于推广钢铁材料的应用具有重要意义。
[0003]对于钢铁材料而言，可以通过调节合金元素含量，塑性变形以及热处理方式等，可以得到不同的微观结构，其中奥氏体具有面心立方结构，通常具有较低的屈服强度和优异的均匀延伸率；铁素体由于碳含量低，其强度也比较低，延伸率较好；马氏体由于内部尺寸细小，位错密度高，其强度高，但是延伸率较低。研究表明，当钢铁材料形成双相/多相组成的异质结构时，材料可以获得优异的综合力学性能。经检索发现，专利技术专利CN 201910370853.7公开了一种1180MPa级超高强度低成本冷轧淬火配分钢的制造方法，具体是将铸锭先进行两阶段控轧轧制，再进行多道次冷轧，最后进行两阶段热处理得到具有铁素体、马氏体和残余奥氏体混合组织的钢板。该技术的特点是可以有效细化晶粒尺寸，获得优异的强度
‑
塑性匹配。但是，这种方法的缺点有：(1)需要频繁调节加热速率和冷却速率，以及严格控制配分的温度和时间，增加了生产难度；(2)残余奥氏体的含量依赖于热处理工艺的调控，无法提供高含量的奥氏体组织来提高延伸率。进一步检索发现，He等人在Mater.Sci.Eng.A 726(2018)288
‑
297上发表了题为“Improving ductility by increasing fraction of interfacial zone in low C steel/304SS laminates”的文章，提出通过将低碳钢和304奥氏体不锈钢通过热轧结合，并通过后续冷轧后热处理得到由马氏体和奥氏体组成的三层结构，并得到良好的力学性能。该技术的特点是工艺比较简单，所得三层材料中马氏体提供高强度，奥氏体含量高，提供延伸率。但是该技术的缺点是：(1)热轧过程中难以保证界面良好结合，会影响最终力学性能；(2)制备多层结构比较困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对以上不足，提供一种制备高强韧多相异构钢铁材料的方法，首先利用旋转摩擦焊，将低碳低合金钢和奥氏体不锈钢钢棒交替进行焊接，制成由多层低碳钢和奥氏体不锈钢组成的圆柱叠层试样；再通过高温自由锻使圆柱样品的形状变为立方体，实现高温均匀化的同时便于后续低温轧制处理，并结合锻造后的临界淬火处理，调节低碳钢层的微观结构；然后通过低温轧制变形使奥氏体不锈钢层发生应变诱导马氏体相变，同时细化低碳钢层的晶粒尺寸；最后巧妙地利用变形状态的低碳钢和奥氏体钢在热处理下的不同响应，使奥氏体片层发生逆相变形成细小的等轴奥氏体晶粒，同时使低碳钢片层转变成超细的铁素体
‑
马氏体双相结构，得到由超细奥氏体、铁素体、马氏体组成多相异构钢铁材料。其中韧性好的奥氏体、铁素体和强度高的马氏体分别作为异构材料的软/硬组元，多组元协调变形，提高材料综合力学性能。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案为：
[0006]一种奥氏体/铁素体/马氏体多相异构钢铁材料的制备方法，主要包括以下步骤：
[0007]第一步，旋转摩擦焊：选择一定直径和长度的低碳钢和奥氏体不锈钢钢棒，依次用600#，1200#和2000#砂纸对钢棒待焊接端面用进行打磨，并用酒精和丙酮清洗，以除去焊接端面的氧化膜和油污等污染物。如图1所示，将低碳钢通过旋转卡盘固定在旋转摩擦焊机的旋转端，奥氏体不锈钢通过固定卡盘固定在移动端。焊接过程中，旋转端以一定转速旋转，移动端向旋转端靠近并接触，两端钢棒相对旋转运动产生的摩擦热作为热源，并在顶锻压力作用下，界面处发生冶金反应，棒材之间实现冶金结合。两种棒材的直径为10
‑
30mm，长度50
‑
100mm，旋转端转速为1200
‑
2000rpm，顶锻压力为50
‑
300MPa，顶锻时间5
‑
15s，顶锻量1
‑
10mm。
[0008]第二步，交替旋转摩擦焊：利用角磨机去除焊接接头处的毛边，用砂轮打磨至光亮，然后利用电火花线切割在距焊缝2
‑
10mm处的奥氏体不锈钢一侧切断，剩余奥氏体钢棒待用，将焊有奥氏体钢的低碳钢钢棒再次固定在旋转端，取另一根直径相同的低碳钢棒固定在移动端，重复多次以上旋转摩擦焊接和线切割步骤，得到低碳钢和奥氏体不锈钢交替分布的圆柱叠层试样。可以通过调整交替摩擦焊的次数以及每段钢棒的长度灵活地调控叠层棒材的层数和每层的厚度。叠层棒材的层数在2
‑
8层，每层厚度在2
‑
10mm。
[0009]第三步，高温自由锻：对交替旋转摩擦焊得到的圆柱叠层钢棒进行高温自由锻造，如图1所示，经过多道次的自由锻造，将圆柱形的试样锻打成立方体的形状，每道次锻造之前将叠层钢块加热至1000
‑
1200℃，保温10
‑
30min，锻造温度范围在900
‑
1000℃，每道次锻造结束后将样品重新放入炉中加热并保温；锻造结束后将样品冷却至720
‑
860℃，然后进行水淬；自由锻得到的立方体叠层样品沿垂直层片方向的总厚度为10
‑
25mm，为方便后续低温轧制，最终立方钢块的宽度大于总体厚度。
[0010]第四步，低温轧制：对高温自由锻及淬火得到的多层钢材进行低温轧制，轧制温度在
‑
196℃
‑
400℃，每次下轧量为0.2
‑
0.5mm，累积轧制量为50％
‑
95％。
[0011]第五步，多相异构热处理：对低温轧制后的钢板进行700℃
‑
860℃热处理，保温时间1
‑
60min，之后对钢板进行淬火处理，得到由超细奥氏体、铁素体和马氏体组成的多相异构钢铁材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种奥氏体/铁素体/马氏体多相异构钢铁材料的制备方法，主要包括以下步骤：第一步，旋转摩擦焊：选择一定直径和长度的低碳钢和奥氏体不锈钢钢棒，焊接前依次使用600#，1200#和2000#砂纸对钢棒待焊接端面进行打磨，并用酒精和丙酮清洗，以除去焊接端面的氧化膜和油污等污染物；将低碳钢钢棒通过旋转卡盘固定在旋转摩擦焊机的旋转端，奥氏体不锈钢钢棒通过固定卡盘固定在移动端；旋转端以一定转速旋转，移动端向旋转端靠近并接触，两端钢棒相对旋转运动产生的摩擦热作为热源，在顶锻压力作用下，棒材之间实现冶金结合；焊接过程中，旋转端转速为1200
‑
2000rpm，顶锻压力为50
‑
300MPa，顶锻时间5
‑
15s，顶锻量1
‑
10mm。第二步，交替旋转摩擦焊：首先利用角磨机去除第一步得到的焊接接头处的毛边，并用砂轮打磨至光亮；利用电火花线切割在距离焊缝2
‑
10mm的奥氏体不锈钢一侧处切断，剩余奥氏体钢棒待用；将焊有奥氏体钢的低碳钢钢棒再次固定在旋转端，取另外相同直径的低碳钢棒固定在移动端，重复以上步骤，得到低碳钢奥氏体不锈钢交替分布的圆柱叠层试样；叠层棒材的层数在2
‑
8层，每层厚度在2
‑
10mm，沿着垂直层片方向的总厚度为10
‑
30mm，利用电火花线切割将两端多余部分切除。第三步，高温自由锻：对交替旋转摩擦焊得到的圆柱叠层试样进行高温自由锻，经过多道次的自由锻造，将圆柱试样锻打成立方体形状，每道次锻造之前将叠层钢块加热至1000℃
‑
1200℃，保温10
‑
30min，锻造温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：马嘉欣，高波，胡钊华，王佳新，陈相杰，肖礼容，周浩，朱运田，
申请(专利权)人：鞍钢集团北京研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：