Twip和纳米孪晶奥氏体不锈钢及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及制备TWIP和纳米孪晶奥氏体不锈钢的方法。所述奥氏体钢应含有不超过0.018wt%的C、0.25～0.75wt%的Si、1.5～2wt%的Mn、17.80～19.60wt%的Cr、24.00～25.25wt%的Ni、3.75～4.85wt%的Mo、1.26～2.78wt%的Cu、0.04～0.15wt%的N和余量的Fe。为了在材料中形成纳米孪晶，应当使所述奥氏体不锈钢达到低于0℃的温度，并且赋予其塑性变形至形成所要的纳米孪晶的程度，例如至约30%的塑性变形。本发明还涉及由此制备的奥氏体不锈钢。
【专利说明】TWIP和纳米孪晶奥氏体不锈钢及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有孪晶诱发塑性(TWIP)的奥氏体不锈钢，和制备含有纳米孪晶的奥氏体不锈钢材料的方法。
【背景技术】
[0002]奥氏体不锈钢形成一组重要的合金。奥氏体不锈钢由于具有优异的耐腐蚀性，延展性和良好的强度而广泛用于许多不同的应用中。经退火的奥氏体不锈钢是相对软的。尽管有很多强化奥氏体不锈钢的方式，但这些强化操作经常导致不希望的延展性降低。
[0003]最近，在金属材料中引入纳米孪晶已经证明是一种获得具有高强度和高延展性的材料的有效方式。然而不是所有的材料都能接受这样的处理。另外，不存在通过其可以在材料中诱发纳米孪晶的通用操作。不同的方法已经被说明对在不同材料中诱发纳米孪晶有效果。孪晶可以被定义为两个分开的晶体，它们共享一些相同的晶体点阵。对于纳米孪晶，在所述分开的晶体之间的距离小于lOOOnm。
[0004]在US2006/0014039中公开了在不锈钢的金属箔中诱发纳米孪晶的方法。将不锈钢溅镀沉积到基底上。所述纳米孪晶化通过将负偏压施加到所述基底上实现，将负偏压施加到所述基底上导致来自周围保护性气氛的氩离子的轰击。这种轰击改变了所述涂层的内在的生长残余应力，从而 形成受控的孪晶层。所述方法因此仅适用于生产涂层或箔，而不适用于金属的整块。
[0005]EP1567691公开了在铜材料中通过电沉积法诱发纳米孪晶的方法。然而所述方法被限制于对铜材料起作用。
[0006]将纳米孪晶引入到金属材料中的另一个可能的方式是使所述材料塑性变形。在科技文章“通过纳米级孪晶强化的316L奥氏体不锈钢(316L austenite stainless steelsstrengthened by means of nano-scale twins)，， (Journal of Materials Science andTechnology, 26, 4,第 289-292 页，作者 Liu, G.Ζ., Tao, N.R.，和 Lu, K)中给出了一个实例。在该文章中描述了通过在高应变率下的塑性变形诱发纳米级孪晶化的方法。所述材料的强度因此被提高了。另一方面，所述纳米孪晶材料的可塑性(延展性)非常有限，其具有约6%的断裂伸长率。为了改进所述可塑性，所述塑性变形需要随后进行热退火，以部分地重结晶所述变形的结构。
[0007]即使存在提高奥氏体不锈钢强度的成功实例，但没有在奥氏体不锈钢的整个组成范围上起作用的诱发纳米孪晶的通用方法。另外，尚没有报道在奥氏体钢中的孪晶诱发塑性(TWIP)。TWIP意味着在塑性变形过程中已经发生孪晶的形成，并且因此实现了所述强度和所述延展性或伸长率二者的增加。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种具有改进强度的奥氏体不锈钢材料及其制备方法。另一个目的是提供具有改进延展性或伸长率的奥氏体不锈钢材料，和又一个目的是提供具有改进强度和改进延展性或伸长率二者的奥氏体不锈钢材料，例如具有孪晶诱发塑性的奥氏体不锈钢。这些目的通过根据独立权利要求的本发明实现。
[0009]根据第一个方面，本发明涉及制备纳米孪晶奥氏体不锈钢的方法，特征在于如下步骤:提供奥氏体不锈钢，该奥氏体不锈钢含有不超过0.018wt%的C、0.25~0.75wt%的S1、1.5 ~2wt% 的 Mn、17.80 ~19.60wt% 的 Cr、24.00 ~25.25wt% 的 N1、3.75 ~4.85wt%的Mo、1.26~2.78wt%的Cu、0.04~0.15wt%的N和余量的Fe，以及不可避免的杂质；使所述奥氏体不锈钢达到低于0°C的温度；和在该温度下将塑性变形赋予所述奥氏体钢至对应于至少30%的塑性变形的程度，使得在所述材料中形成纳米孪晶。
[0010]根据第二个方面，本发明涉及一种奥氏体不锈钢材料，该奥氏体不锈钢材料含有不超过 0.018wt% 的 C、0.25 ~0.75wt% 的 S1、1.5 ~2wt% 的 Mn、17.80 ~19.60wt% 的 Cr、24.00 ~25.25wt% 的 N1、3.75 ~4.85wt% 的 Mo、1.26 ~2.78wt% 的 Cu、0.04 ~0.15wt% 的N和余量的Fe，以及不可避免的杂质；其中在所述材料中的平均纳米级间距低于1000nm和其中所述纳米孪晶密度高于35%。
[0011]这样的奥氏体不锈钢材料通过本发明的方法形成，并且这样的钢材料具有非常好的抗张性质和延展性，它们远优于具有同样组成但没有诱发的纳米孪晶的奥氏体不锈钢材料的抗张性质和延展性。这对于已经被退火或冷加工的具有相同组成的奥氏体不锈钢材料也是正确的。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]下面将参照附图详细说明本发明，其中:
[0013]图1显示了说明根据本发明的方法的逻辑流程图；
`[0014]图2a显示了根据本发明的具有TWIP的奥氏体不锈钢和常规奥氏体不锈钢的应力一应变曲线的比较；
[0015]图2b~c显示了在4个不同温度下的应力-应变曲线的比较；
[0016]图2d显示了完成拉伸时的温度对在什么应变百分比下开始纳米孪晶化的影响的内推；
[0017]图3显示了本发明的孪晶诱发的奥氏体钢的性质与市售钢的性质的比较；
[0018]图4显示了在低放大率下，根据本发明的纳米孪晶化的奥氏体不锈钢的微结构；
[0019]图5显示了根据本发明的纳米孪晶奥氏体不锈钢的TEM衍射图案；
[0020]图6a~c显示了在--Μ研究中根据本发明的奥氏体不锈钢中的纳米孪晶；
[0021]图7显示了在EBSD映射中根据本发明的纳米孪晶奥氏体不锈钢的错误取向；
[0022]图8显示了根据本发明的纳米孪晶奥氏体不锈钢和常规冷加工的高强度奥氏体不锈钢的应力一应变曲线的比较；
[0023]图9显示了一些本发明的样品的收缩率与屈服强度的关系。
[0024]发明详述
[0025]奥氏体不锈钢由于具有优异的耐腐蚀性与相对高的强度和延展性的组合而广泛用于多种应用中。
[0026]本发明所基于的观点是通过在低温下由塑性变形诱发纳米孪晶可以进一步增大奥氏体不锈钢的强度和延展性二者。[0027]在奥氏体不锈钢中，必须注意保留所述材料的奥氏体结构。所述结构既取决于所述钢的组成，又取决于它是如何被处理的。所述奥氏体钢是含铁金属。下面讨论的是奥氏体不锈钢的不同组分的一般依赖性。另外，明确了界定根据本发明的奥氏体钢的组成范围。
[0028]碳是奥氏体稳定元素，但大部分奥氏体不锈钢具有低的碳含量，最大0.020~
0.08%。根据本发明的钢具有甚至更低的碳含量水平，即低于0.018wt%。这种低碳含量进一步抑制了碳化铬的形成，所述碳化铬原本会导致晶间腐蚀侵袭的风险增加。低的碳含量还可以改进可焊性。
[0029]硅在钢的熔融中用作去氧化元素，但过量的硅含量对可焊性是有害的。根据本发明的钢具有0.25~0.75wt%的硅含量。
[0030]锰，与Si类似，是一种去氧化元素。另外，其可有效地改进热加工性。限制Mn是为了控制在室温下所述合金的延展性和韧性。根据本发明的钢具有1.5~2wt%的Mn含量。
[0031]铬是一种铁素体稳定元素。另外,通过增加Cr含量，耐腐蚀性增加。然而，较高的Cr含量可能增加形成金属间相，如σ相的风险。根据本发明的钢具有17.80~19.60wt%的Cr含量。
[0032]镍是一种奥氏体稳定元素。高的镍含量可以提供稳定的奥氏体微结构，并且还促进了钝态Cr氧化物膜的形成以及抑制金属间相，如σ相的形成。根据本发明的钢具有
24.00 ~25.25wt% 的 Ni 含量。
[0033]钥是一种铁素体稳定化元素。添加Mo显著改进了不锈钢的一般耐腐蚀性。然而，高含量的Mo促进了 σ相的形成。根据本发明的钢具有3.75~4.85被％的Mo含量。
[0034]添加铜既可以改进所述强度，又可以改进在一些环境，例如硫酸中的耐腐蚀性。高含量的Cu可能导致延展性和韧性的降低。根据本发明的钢具有1.26~2.78wt%的Cu含量。
[0035]氮是一种强的奥氏体稳定元素。添加氮可以改进奥氏体钢的强度和耐腐蚀性以及所述可焊性。N降低了形成σ相的倾向。根据本发明的钢具有0.04~0.15被％的N含量。
[0036]在精心制定奥氏体组成中的挑战是精心制定的组成一方面不会在塑性变形过程中形成马氏体，和另一方面不倾向于形成堆垛层错。例如，高含量的镍将抑制马氏体的形成。另一方面，高含量的镍将增加在塑性变形过程中形成堆垛层错的风险，并且因此也抑制了纳米孪晶的形成。
[0037]如上给出的范围已经证明是一个良好的折中范围，在该范围内，通过如下描述的方法可以提供TWIP奥氏体不锈钢。
【具体实施方式】
[0038]实施例样品
[0039]下面将基于四个样品的观察描述本发明，所述样品具有在如上明确说明的范围内的组成并且已经根据如下所述本发明的方法进行处理。
[0040]本发明的观点是通过在降低的温度下使奥氏体钢的样品塑形变形可以在所述样品中诱发纳米孪晶。这导致孪晶诱发塑形，TWIP。
[0041]下面显示了根据本发明的材料的四个具体样品的特征。每个样品的具体组成在下表1中给出。
【权利要求】
1.制备TWIP和纳米孪晶奥氏体不锈钢的方法，特征在于如下步骤: 一提供奥氏体不锈钢，该奥氏体不锈钢含有不超过0.018wt%的C、0.25~0.75wt%的S1、1.5 ~2wt% 的 Mn、17.80 ~19.60wt% 的 Cr、24.00 ~25.25wt% 的 N1、3.75 ~4.85wt%的Mo、1.26~2.78wt%的Cu、0.04~0.15wt%的N和余量的Fe，以及不可避免的杂质；一使所述奥氏体不锈钢达到低于0°C的温度；和 一在该温度下将塑性变形赋予所述奥氏体钢至对应于至少30%的塑性变形的程度，使得在所述材料中形成纳米孪晶。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述塑性变形赋予所述材料之前，使所述材料达到低于_50°C的温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述塑性变形赋予所述材料之前，使所述材料达到低于_75°C的温度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过拉伸将所述塑性变形赋予所述材料。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中通过来自于例如滚动的压缩将所述塑性变形赋予所述材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使所述材料塑性变形至对应于至少40%的塑性变形的程度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使所述材料塑性变形至对应于至少50%的塑性变形的程度。
8.根据前述权利要求中任一`项所述的方法，其中间歇地将所述塑性变形赋予所述材料，其中每次变形小于10%，优选每次变形小于6%，和更优选每次变形小于4%。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在每秒超过0.15%，优选每秒超过0.35%的速度下将所述塑性变形赋予所述材料。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在低于每秒3.5%,优选低于每秒1.5%的速度下将所述塑性变形赋予所述材料。
11.一种奥氏体不锈钢材料，其特征在于该奥氏体不锈钢材料是纳米孪晶奥氏体钢，该奥氏体钢含有不超过0.018wt%的C、0.25~0.75wt%的S1、1.5~2wt%的Mn、17.80~19.60wt% 的 Cr、24.00 ~25.25wt% 的 N1、3.75 ~4.85wt% 的 Mo、1.26 ~2.78wt% 的 Cu、0.04~0.15wt%的N和余量的Fe，以及不可避免的杂质；和特征在于在所述材料中的平均纳米级间距低于lOOOnm，和特征在于所述纳米孪晶密度高于35%。
12.根据权利要求11所述的奥氏体不锈钢材料，其中在所述材料中的平均纳米级间距低于500nmo
13.根据权利要求11所述的奥氏体不锈钢材料，其中在所述材料中的平均纳米级间距低于300nm。
【文档编号】C22C38/42GK103857813SQ201280047647
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年9月25日 优先权日:2011年9月29日
【发明者】乌尔丽卡·伊萨克松, 柴国才 申请人:山特维克知识产权股份有限公司