專利名稱：通過采用多軸加工無間隙原子(if)鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及在室溫下通過多軸鍛造(MAF)通過劇烈塑性變形(SPD)處理無 間隙原子(IF)鋼的方法，以便產(chǎn)生約幾百納米的超細(xì)晶粒并將強(qiáng)度提高到原始材料的很 多倍。更具體地，本發(fā)明涉及通過在室溫下采用多軸鍛造處理無IF鋼的方法，以通過在起 始鋼中產(chǎn)生超細(xì)晶粒組織來提供增加的強(qiáng)度和延展性。
背景技術(shù)：
無間隙原子(IF)鋼構(gòu)成一類重要的工業(yè)材料。最近，其廣泛地用于汽車工業(yè)中。 這些是典型類型的超低碳鋼，其中以ppm水平的量存在間隙元素。通常，間隙原子的總含量 在< 0. 0030重量％ C和< 0. 0040重量％ N的區(qū)域中。在IF鋼中，鈦或鈮或其二者是重要的 合金化添加物。這些元素通過形成碳化物析出物使鋼中的碳穩(wěn)定，且因而抑制任何溶質(zhì)間 隙原子的存在，因此IF鋼還是非時(shí)效的。IF鋼提供很高水平的可成型性，如成型期間的寬 度與厚度的應(yīng)變比例(r ^ 1.8)所示，且采用其制造汽車車身板如后地板，前內(nèi)件(inner) 和后內(nèi)件及備胎艙。然而，這些鋼的未來在于改善其強(qiáng)度以及儲存可觀量的延展性，且同時(shí) 改善制造的汽車部件的抗開裂性。無間隙原子鋼的晶粒尺寸細(xì)化到亞微米水平導(dǎo)致材料強(qiáng)度明顯提高以及最佳量 的韌性。其還改善抗疲勞性，并引起材料的超塑性溫度的顯著降低。近年來，開發(fā)了一些新型的強(qiáng)烈塑性變形(SPD)技術(shù)用于使金屬變形到很高程度 的塑性應(yīng)變，目的是產(chǎn)生高度細(xì)化的晶粒組織而無需外來(exotic)合金添加物或昂貴的 熱-機(jī)械處理。這些包括劇烈塑性扭轉(zhuǎn)應(yīng)變(SPTS)、多軸鍛造(MAF)、累積疊軋焊法(ARB) 和等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAE)。強(qiáng)烈塑性變形處理可產(chǎn)生具有約lOO-lOOOnm的晶粒尺寸的材 料。這些方法的獨(dú)特優(yōu)勢是，其可以按比例增大以在工業(yè)上產(chǎn)生大坯料，且是相對較簡單和 較廉價(jià)的方法。這些方法的共同新特征是，在任何給定數(shù)目的道次后，最終產(chǎn)品的凈形狀保 持與起始材料基本相同，所以對材料中積累的應(yīng)變沒有限制。與常規(guī)金屬加工方法例如軋 制、擠壓相比，可以僅以具有極少結(jié)構(gòu)用途的纖絲形式獲得大于4的有效應(yīng)變。MAF基本是為了完成一個循環(huán)而依次施加于所有三個軸的面應(yīng)變壓縮。其涉及應(yīng) 變路徑的突然改變。該方法可重復(fù)許多循環(huán)以便獲得所需顯微組織。P. B. Pragneel ^ AT 22nd Risq) International Symposium onMaterials Science, pp. 105-126 (2001)發(fā)表的題為"Formation of sub-micron and nanocrystalline grain structure by sever印lastic deformation，，的論文中提出將亞微米或納米晶體晶 粒尺寸定義為如下的結(jié)構(gòu)，其中(a)具有大于15°的錯向的高角度晶界(HAGB)的平均間隙 必須在所有取向上小于1微米，和(b)HAGB面積的比例相對于材料中的總邊界面積必須大 于 70%。G.A.SalishCheV最先開發(fā)了多軸鍛造、多向鍛造或‘a(chǎn)bc’變形處理(其具有多種 稱謂)。該方法對于在金屬和合金中產(chǎn)生亞微米晶粒尺寸是很有效的，且處理溫度典型在 0. l-o. 5Tm，其中Tm表示熔化溫度。多軸的原理是采取多次重復(fù)的自由鍛造操作，且在每次
3鍛造操作后改變施加載荷的軸。盡管與其它SPD方法相比，在材料中形成的應(yīng)變不均勻性 在多軸鍛造中顯著高于在ECAE或HPT期間形成的應(yīng)變不均勻性，該方法的本質(zhì)在于其原理 和與之相關(guān)的工具方面的簡單性。該技術(shù)具有極大的潛力以大工業(yè)規(guī)模產(chǎn)生坯料。迄今，多軸鍛造已用于鈦、鎂和鎳基合金上。在如下論文中使用多向鍛造 制造了 納米組織的純鈦:Gennady A. Salishchev, OlegValiakhmetoy, V. A. Valitov, S. K. Mukhtarov 發(fā)表于 MaterialScience Forum, vol. 17-172,1994m ppl21 上的題 為"Submicrocrystalline and Nanocrystalline Structure Formationin Material and Search for Outstanding Superplastic Properties，， 禾口 G. A. Salishchdev, 0. R. Valiahmetov, R. M. . Galeev andS. P. Malysheva 發(fā)表于 Rssian Metally vol. 4,1996, pp86 上的"Diffusion and Related Phenomenon in bulk NanostructuredMaterials，，。 在如下文獻(xiàn)中已成功對兩相Ti-6A1-4V合金進(jìn)行實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了塊體亞微米晶粒尺寸 0. A. Kalibyshev, G. A. Salishchev, G. A. Salishchev, R. M. Galeyev, R. Ya. Lutfullin， O.R.Valiakhmetov 的題為 “Method of processing titanium alloys” 美國專利 PCT/ US97/18642，W09817836A1，1998 禾P S. V.Zherebtsov, G. A. Salishchev, R. M. Galeyey, O.R.Valiakhmetov，S. Yu. Mironov, S. L. Semiatin 發(fā)表于 Scripta materialia， vol.51，2004，ppll47 上 的 ‘‘Production of s ubmicrocrystalline structure in large-sealeTi-641_4V billet by warm severe deformation processing，，。分別在如 下論文中制造和報(bào)告了納米組織的鎂合金(Mg-6% Zr)和高強(qiáng)度鎳基合金0. Kaibyshev, R. Kaibyshev 禾口 G. Salishchev 發(fā)表于 Materials Sceince Forum, vol. 113-115, pp423 上 的"Formation ofSubmicrocrystaline Structure in Materials During DynamicRecrystallization" 禾口 G. A. Salishchev, O.R.Valiakhmetov, V. A. Valitov, S.K. Mukhtarov 發(fā)表于 Material Science Forum, vol. 170-172,1994 ppl21 上的題為 “Submicrocrystal1ine andnanocrystal1ine structure formation in materials and search foroutstanding superplastic”。在所有這些情形中，在提高的溫度下進(jìn)行鍛造操 作，所以該方法與動態(tài)再結(jié)晶相關(guān)。在變形過程之后獲得的平均晶粒尺寸約為小于500nm。研究者已嘗試通過不同SPD方法生產(chǎn)IF鋼的亞微米晶粒尺寸的材料。ECAE是 在一個道次中賦予劇烈形變而不使材料幾何形狀畸變的引人注意的方法。在該方法中，模 具包含至少兩個內(nèi)部相連的通道即進(jìn)入通道和離開通道，以90°、120°或135°的角相 交。然后通過進(jìn)入出口裝入材料，并使其通過離開出口壓出。在如下一些論文中報(bào)告了由 此得出的處理?xiàng)l件和性能Saivi Li, Azdiar A. Gazder, I. J. Beyerlein, E. V. Pereloma, C. H. J. Davies 發(fā)表于 ActaMaterialia，vol. 54,2007, ppl087_1100 上的題為"Effect ofprocessing route on microstructure and texture development inequal channel angular extrusion of interstitial-free steel，，上白勺論文，禾口 J. De Messemaeker, B. Verlinden, J. Van Humbeeck 發(fā)表于 Materials letters, vol. 58, 2004, pp. 3782—3786 上 的題為"Onthe strength of boundaries in submicron IF steel，，的論文。在如下一些論文中通過不同的SPD技術(shù)(稱為ARB)加工了 IF鋼N.Tsuji， R. Ueji, Y. Minamino 發(fā)表于 scripta materialiavol.47,2002, pp. 69-76 上的題為 “Nanoscale crystallographicanalysis of ultrafine grained IF steel fabricated by ARBprocess，，的論文禾口 N. Tsuji, Y. Saito,H. Utsunomiya 禾口 S. Tanigawa 發(fā)表于 Scriptamaterialia vol. 40，1999，pp. 795—800 上的題為“Ultra-fine grained bulk steel produced by accumulativeroll-bonding(ARB)process。在 ARB 中，通過將金屬片的條帶 彼此堆疊對它們進(jìn)行軋制，在以很高的軋制速率被軋制之后它們彼此結(jié)合在一起。通常在 較高溫度下進(jìn)行該方法，且導(dǎo)致形成亞微米晶粒尺寸。在室溫下通過ECAE和在較高溫度通過ARB進(jìn)行IF鋼的SPD是可行的。這些方法 僅有助于理解通過晶粒細(xì)化到亞微米水平和開發(fā)優(yōu)選織構(gòu)所獲得的科學(xué)益處。然而，這些 文獻(xiàn)均未給出任何教導(dǎo)或暗示以便開發(fā)足夠按工業(yè)規(guī)模實(shí)施的可行的技術(shù)方法。本發(fā)明的目的因此本發(fā)明的目的是提出一種通過在室溫下采用多軸鍛造來處理具有粗晶粒顯 微組織的無間隙原子(IF)鋼的方法，其通過在起始鋼中產(chǎn)生超細(xì)晶粒組織來提供提高的 強(qiáng)度。本發(fā)明的另一目的是通過在室溫下采用多軸鍛造處理無間隙原子(IF)鋼的方 法，其通過在起始鋼中產(chǎn)生超細(xì)晶粒組織來提供提高的強(qiáng)度，該方法是成本有效的。本發(fā)明的另一目的是提出一種通過在室溫下采用多軸鍛造來處理具有粗晶粒顯 微組織的無間隙原子(IF)鋼的方法，其通過在起始鋼中產(chǎn)生超細(xì)晶粒組織來提供提高的 強(qiáng)度，該方法提供了具有足夠強(qiáng)度從而滿足汽車工業(yè)的需求的IF鋼。本發(fā)明的再一目的是提出一種通過在室溫下采用多軸鍛造來處理具有粗晶粒顯 微組織的無間隙原子(IF)鋼的方法，該方法能按比例放大以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。當(dāng)與附圖結(jié)合閱讀時(shí)，本發(fā)明的這些和其它目的以及優(yōu)點(diǎn)將在下文說明書中變得 清楚。發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，使用變形方法例如劇烈塑性變形(SPD)法以便產(chǎn)生特定織構(gòu)和可能 的晶粒細(xì)化，以便增強(qiáng)IF鋼的性能，例如強(qiáng)度和延展性。多軸鍛造(MAF)是SPD法之一，其 中為了完成一個循環(huán)而依次沿著三個軸壓縮IF鋼坯料。將該過程重復(fù)若干循環(huán)以便獲得 亞微米水平的晶粒尺寸。在室溫下劇烈塑性變形的結(jié)合必將產(chǎn)生約幾百納米的晶粒。多軸鍛造是劇烈塑性 變形技術(shù)之一，其用于使IF鋼在室溫下變形。這是通過沿著三個軸依次進(jìn)行面應(yīng)變壓縮坯 料以完成一個循環(huán)而進(jìn)行的。將該過程重復(fù)總數(shù)目四個循環(huán)以便獲得22納米的晶粒尺寸。 在四個循環(huán)后該屈服強(qiáng)度提高到六倍達(dá)到 600MPa。附圖簡述并入說明書并成為其一部分的附解了本發(fā)明的實(shí)施方案，且與說明書一起用 于解釋本發(fā)明的原理。

圖1是多軸鍛造設(shè)備的示意圖。圖2A、2B、2C和2D顯示了 IF鋼坯料和參考方向的示意圖，沿著坯料三個軸參照模 具軸沿著所述參考方向壓縮坯料。圖3A和3B分別顯示了坯料在其起始條件和在經(jīng)歷達(dá)四個循環(huán)的鍛造后的圖示。圖4起始材料的光學(xué)顯微圖。圖5A和5B顯示了在1循環(huán)和4循環(huán)后被疊合的IF鋼坯料的反極圖(IPF)和圖 案品質(zhì)圖。
圖6顯示了起始材料和在第一循環(huán)、第二循環(huán)和第四循環(huán)之后材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。發(fā)明詳述第一次使用多軸鍛造(MAF)技術(shù)制造了具有亞微米晶粒尺寸的無間隙原子(IF) 鋼。本發(fā)明采用了自行設(shè)計(jì)的MAF模具(3)，其導(dǎo)致了沿軸 0.7每壓縮的有效真應(yīng)變，即 2.1每循環(huán)的真應(yīng)變。設(shè)置(圖1) 了 MAF設(shè)備(1)，其由基板(1)、兩個模具板(3)、至少一 個與液壓機(jī)配合的柱塞和轉(zhuǎn)接器(2)構(gòu)成。柱塞和轉(zhuǎn)接器(2)由H-13工具鋼制成。通過 依次沿著三個軸進(jìn)行重復(fù)鍛造若干次將粗晶粒IF鋼坯料(B)的晶粒組織細(xì)化到超細(xì)晶粒 尺寸。所得的超細(xì)晶粒IF鋼具有超過HSLA鋼的強(qiáng)度以及可觀量的延展性。作為優(yōu)選實(shí)施方案而不對本發(fā)明的范圍進(jìn)行任何限制，用于該方法的材料是鈦穩(wěn) 定的IF鋼，在表1中給出了其組成。表 1 通過在圖2A、2B、2C中的示意圖顯示了 MAF方法的詳細(xì)描述。在圖2A中，a、b和c 軸代表外部或模具坐標(biāo)系，而x、y和z軸代表坯料樣品的初始參照系。使用的坯料(B)具 有20mmX20mm的正方形橫截面和40mm的高度。首先使坯料⑶的最長尺度即z軸保持與 兩個模具板(3)之間的載荷軸平行。然后通過柱塞(2)施加載荷，其具有 lmm/s的十字 頭(crosshead)速率。施加載荷直到坯料(B)的高度降低到其起始高度的二分之一。由于 第二軸y受到模具壁的限制(如圖2B)所顯示，因此發(fā)生了材料沿著第三軸即x軸的等效 流動。然后對坯料給予順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，首先繞模具參照系的a軸旋轉(zhuǎn)(表示為旋轉(zhuǎn)‘A’)，然 后以順時(shí)針方向再次進(jìn)行第二次旋轉(zhuǎn)‘B’，如圖2所示。這些后續(xù)旋轉(zhuǎn)再次使坯料(B)的最 長尺度(在該情形中為先前的y軸)平行于施加載荷的方向。在施加載荷且使坯料形變到 其寬度的二分之一時(shí)，進(jìn)行相同次序的旋轉(zhuǎn)，如之前所述。這次，起始坯料(B)的第三軸即x 軸具有最長尺度，且沿著該軸對樣品賦予最終變形(圖2C)。因而，隨后沿著所有的(x，y， z)三個軸壓縮了坯料(B)，這構(gòu)成一個操作循環(huán)。由于在每次壓制之后坯料(B)的尺度均沒 有顯著改變，因此理論上該方法可以重復(fù)任何數(shù)目的壓制或循環(huán)。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案，將給 定的坯料鍛造達(dá)四個循環(huán)。在壓制期間，為了降低摩擦作用，將混有油脂的二硫化鉬(MoS2) 潤滑劑施加于工具和坯料的界面處。這里要提及的是，與在較高溫度下進(jìn)行等溫鍛造的現(xiàn) 有技術(shù)不同，在室溫下進(jìn)行本發(fā)明中的壓制。在圖3B中顯示了坯料在其初始狀態(tài)(圖3A)和經(jīng)受鍛造達(dá)四個循環(huán)之后的圖示。 圖4顯示了具有 225 P m平均晶粒尺寸的初始材料的光學(xué)顯微圖。在僅第一循環(huán)后，晶粒 尺寸劇烈降低到亞微米水平( 260nm)。在四循環(huán)結(jié)束時(shí)，晶粒進(jìn)一步細(xì)化到 220nm。 圖5A和5B分別顯示了在使用場發(fā)射掃描式電子顯微鏡(FEG-SEM)通過電子背散射衍射 (EBSD)測量的第一和第四循環(huán)之后獲得的反極圖(IPF)形式的示意性顯微組織。因而，在 四個循環(huán)MAF之后，晶粒尺寸降低了三個數(shù)量級。
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為了測試多軸鍛造樣品的機(jī)械性能，按照ASTM規(guī)范，從坯料取得相應(yīng)的小型拉伸 樣品。在萬能試驗(yàn)機(jī)(未示出)上進(jìn)行了拉伸測試。在圖6中給出了起始材料以及一、二和 四循環(huán)之后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。表2顯示了所有樣品的屈服應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)力的數(shù)值。 起始材料的屈服強(qiáng)度為 105MPa。在第一道次后屈服強(qiáng)度劇烈增加到近5倍。在四循環(huán) 后，屈服強(qiáng)度提高到 60MPa。在所有情形中還觀測到近5%的可接受范圍的拉伸延展性。 因而，在多軸鍛造處理之后產(chǎn)生了強(qiáng)度和延展性的合理良好的結(jié)合。 參考文獻(xiàn)Formation of sub-micron and nanocrystal1ine grain structure by severeplastic deformation P. B. Pragnell, J. R. Bowen and A. Gholina, TheProceedings of 22nd RiSCp International Symposium of Materials Science，pp. 105—126(2001) Submicrocrystal1ine and Nanocrystalline StructureFormation in Materials and Search for Outstanding SuperplasticProperties G. A. Salishchev, 0. Valiakhmetov, V. A. Valitov, S. K. Mukhtarov, Materials Sceince Forum, vol.170-172,1994,ppl21Diffusion and Related Phenomenon in bulk Nanostructured Materials G. A. Salishchev, Q. R. Valiahmetov, R. M. . and S. P. Malysheva, RussianMetally, vol. 4, 1996, pp86,US patent No. :PCT/US97/18642, W0 981783 A1Method of processing titanium alloys 19980. A. Kaibyshev, G. A. Sal ishchev, R. M. Galeyev, R. Ya. Lutfullin, 0. R. ValiakhmetovProduction of submicrocrystal1ine structure in large-scale Ti_6Al_4V billetby warm severe deformation processingSV. Zherebstsov, G. A. Salishchev, R. M. Galeyev, 0. R. Valiakhmetov, S. Yu. Micronav, S. L. Semiatin, Scripta materialia, vol. 51,2004, ppl147. Formation of Submicrocrystaline Structure in Materials During DynamicRecrystallization0. Kaibyshev, R. Kaibyshev and G. Salishchev, Materials Science Forum, vol.113-115，pp.423Submicrocrystal1ine and nanocrystalline structure formation in materialsand search for outstanding superplastic propertiesG. A. Salishchev, 0. R. Valiakhmetov, V. A. Valitov, S. K. Mukhtarov, MaterialsScience Forum,vol.170—172，1994，ppl21.Effect of processing route on microstructure and texture development inequal channel angular extrusion of interstitial-free steelS. Li，A. A. Gazder，I. J. Beyerlein, E. V. Pereloma，C. H. J. Davies， ActaMaterialia，vol. 54，2007，pp.1087-1100On the strength of boundaries in submicron IF steelJ. De Messemaeker,B. Verlinden,J. Van Humbeeck，Materials Letters,vol. 58, 2004，pp.3782-3786.Nanoscale crystallographic analysis of ultrafine grained IF steelfabricated ARB processN.Tsuji，R.Ueji，Y. Minamino , Scripta maerialia，vol. 47 , 2002 , pp.69-76U1tra-fine grained bulk steel produced by accumulative roll-banding(ARB)process N.Tsuji，Y. Saito，H. Utsunomiya and S.Tanigawa， Scriptamaterialia，vol. 4，1999，pp.795-800.
權(quán)利要求
一種在室溫下通過采用多軸鍛造(MAF)加工無間隙原子(IF)鋼的方法，其通過在鋼中產(chǎn)生超細(xì)晶粒組織來提供提高的強(qiáng)度和延展性，該方法包括步驟(a)提供多軸鍛造設(shè)備，其具有基板、至少兩個模具板、具有多個轉(zhuǎn)接器的至少一個柱塞；(b)將粗晶粒IF鋼坯料置于至少兩個經(jīng)潤滑的模具板之間，使坯料的第一軸沿著柱塞的軸；(c)沿著第一軸用所述至少一個柱塞壓制坯料，以將坯料的長度降低到起始尺寸的二分之一，而沿著第二軸的較小側(cè)相應(yīng)地增加；(d)對坯料賦予第一旋轉(zhuǎn)，并沿著第三軸重復(fù)步驟(b)和(c)；(e)對坯料賦予第二旋轉(zhuǎn)，并重復(fù)步驟(b)和(c)使得沿著第一軸發(fā)生延伸；及(f)重復(fù)包括步驟(b)至(e)的循環(huán)直到晶粒尺寸減小至少三個數(shù)量級之時(shí)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(c)在室溫下提供坯料的面應(yīng)變壓縮。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將步驟(b)、(c)、(d)和(e)重復(fù)總計(jì)四個循環(huán)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在坯料中產(chǎn)生220納米的超細(xì)晶粒而無任何開裂。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中IF鋼坯料的屈服強(qiáng)度提高到600MPa，這是起始材料 的六倍。
6.基本如本文參照附圖所描述和說明的，一種在室溫下通過采用多軸鍛造(MAF)加工 無間隙原子(IF)鋼的方法，其通過在鋼中產(chǎn)生超細(xì)晶粒組織來提供提高的強(qiáng)度和延展性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在室溫下通過采用多軸鍛造(MAF)加工無間隙原子(IF)鋼的方法，以通過在鋼中產(chǎn)生超細(xì)晶粒組織來提供提高的強(qiáng)度和延展性，該方法包括步驟提供具有基板、至少兩個模具板、至少一個具有多個轉(zhuǎn)接器的柱塞的多軸鍛造設(shè)備；將粗晶粒IF鋼坯料置于至少兩個經(jīng)潤滑的模具板之間，使坯料的第一軸沿著柱塞軸；沿著第一軸用所述至少一個柱塞壓制坯料，以將坯料的長度降低到起始尺寸的二分之一，而沿著第二軸的較小側(cè)相應(yīng)增加；對坯料賦予第一旋轉(zhuǎn)，并沿著第三軸重復(fù)步驟(b)和(c)；對坯料賦予第二旋轉(zhuǎn)，并重復(fù)步驟(b)和(c)使得沿著第一軸發(fā)生伸長；重復(fù)包括步驟(b)至(e)的循環(huán)直到晶粒尺寸減小至少三個數(shù)量級之時(shí)。
文檔編號B21J1/02GK101889097SQ200980100972
公開日2010年11月17日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者A·博米克, D·S·幸赫, D·巴哈塔查杰, R·K·瑞, S·比斯瓦斯, S·蘇瓦斯 申請人:塔塔鋼鐵有限公司