[发明专利]一种高强高韧低碳钢的制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及高强低碳钢铁材料的制备领域，特别涉及一种高强高韧低碳钢的制备工艺，该工艺适用于高强低碳钢铁材料的制备。

背景技术

为了满足节能和节约资源的要求，钢铁材料正面临大面积的升级换代，先进的高强低碳钢（包括添加少量合金元素的低碳低合金钢）成为各国材料研究工作者的研究热点。在大幅度提高强度的同时，为了扩大其应用范围，必须考虑塑性因素。因此现在工业中普遍倾向于利用细晶强化同时利用相变产生的双相或多相组织来提高强韧性。通常采用的加工工艺归结起来主要有两大类：热机械控制工艺（TMCP）及大塑性变形工艺。对比来看，前者工业化应用前景良好，但由于塑性变形不够剧烈，晶粒细化一般有局限性；而后者虽然能够细化晶粒至1μm以下，但难以制备大面积材料，且不易结合相变来进行强韧化，其塑性往往较低。因此，以上两种方法制备的高强低碳钢的强韧性匹配还有进一步的提升空间。

搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接工艺，具有能量利用率高、环境友好、焊接缺陷少、焊缝残余应力小等优点，其接头性能较熔化焊有很大提高，自发明后受到了广泛关注。1999年，基于搅拌摩擦焊的原理，一种新型的材料制备加工工艺-搅拌摩擦加工（FSP）应运而生。采用多道次搭接搅拌摩擦加工工艺可制备大面积板材，加工区性能得到明显改善。如果在搅拌摩擦加工过程中施加快速冷却，可以制备超细晶的铝合金、铜合金及镁合金。然而，受搅拌头工具材料的制约，现在对搅拌摩擦加工制备超细晶高强钢铁材料的研究还未见报道。对于常规工艺下钢铁材料的搅拌摩擦焊接/加工，通常采用价格昂贵的立方氮化硼和钨基合金作为工具材料，且焊接/加工过程中还需要加保护气以避免氧化，这大大提高了成本，显然不符合节能及节约资源的需求。因此，需要对现有的搅拌摩擦加工工艺进行改进，以满足先进高强低碳钢铁材料的工业化制备要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高韧低碳钢的制备工艺，该工艺利用快速冷却搅拌摩擦加工工艺制备强韧性匹配良好的高强低碳钢铁材料。

本发明的技术方案是：

一种高强高韧低碳钢的制备工艺，该工艺是对低碳钢母材进行搅拌摩擦加工，在加工过程中以流动水冷却加工区，使加工区温度处于低碳钢两相区温度（Ac₁-Ac₃之间），从而使加工区获得高强高韧超细铁素体/马氏体双相低碳钢。

所述搅拌摩擦加工工艺参数：工具转速200~1000转/分钟，行进速度50~400毫米/分钟。

利用水管中水的循环流动冷却加工区，水管出水口直径4mm，流速2~10L/min，水管中水的温度约为0-20℃。

所用搅拌头工具材料可选立方氮化硼、钨基合金或成本低廉的金属陶瓷等，搅拌头轴肩直径10~20毫米。

所述低碳钢两相区温度是指奥氏体和α铁素体两相共存的温度区间，即Ac₁到Ac₃之间（Ac₁是指钢加热时，开始形成奥氏体的温度；Ac₃是指所有铁素体均转变为奥氏体时的温度）。

所述搅拌摩擦加工中，可采用多道次搭接加工或单道次加工方式；单道次加工区宽度为4-8mm，多道次搭接加工中前后两道次之间重叠加工区的宽度为单道次加工区宽度的1/3，采用多道次搭接加工方式可制备大面积的高强低碳钢，且与单道次加工方式相比所制备的大面积高强低碳钢的力学性能无明显下降。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种高强高韧低碳钢的制备工艺，搅拌摩擦加工过程中采用流动水快速冷却，使温度控制在两相区温度（Ac₁-Ac₃之间），得到两相组织，同时晶粒得到明显细化，大大提高了其力学性能。所制备的高强低碳钢组织特征为超细的铁素体/马氏体双相组织，铁素体平均晶粒尺寸最细可细化至1μm以下，马氏体晶粒尺寸可细化至3~5μm，且随热输入（由工具尺寸、转速和行进速度决定）及冷却速率（由水管出水口直径，循环水流速及水的温度决定）的不同两相的尺寸和含量可以调控。