一种高性能耐蚀TWIP/不锈钢多层复合材料及制备方法
阅读：870发布：2020-05-26
专利汇可以提供一种高性能耐蚀TWIP/不锈钢多层复合材料及制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 为一种高性能耐蚀TWIP/不锈 钢 多层 复合材料 及制备方法，包括多层 TWIP钢 材料层和多层 不锈钢 材料层，多层TWIP钢材料层和多层不锈钢材料层交替层叠 轧制 在一起，且复合材料的表层均为不锈钢层，多层复合材料中每层材料的厚度不大于0.05mm，TWIP钢材料层的层数比不锈钢材料层的层数小1。该方法根据对材料 力 学性能的要求进行后续的 热处理 或者 冷轧 、 退火 处理等工艺调控，从而得到具有高 屈服强度 、高强塑积的TWIP/不锈钢多层复合钢。该复合材料由通过较薄的不锈钢和TWIP钢板材多层叠合构成，既能发挥TWIP钢的优点，又能保证材料的耐 腐蚀 性及强度要求。，下面是一种高性能耐蚀TWIP/不锈钢多层复合材料及制备方法专利的具体信息内容。
1.一种高性能耐蚀TWIP/不锈钢多层复合材料，包括多层TWIP钢材料层和多层不锈钢材料层，多层TWIP钢材料层和多层不锈钢材料层交替层叠轧制在一起，且复合材料的表层均为不锈钢层，多层复合材料中每层材料的厚度不大于0.05mm，TWIP钢材料层的层数比不锈钢材料层的层数小1。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，TWIP钢材料层和不锈钢材料层的层厚比为1:0.5～2。
3.一种权利要求1所述复合材料的制备方法，其特征在于，通过将不锈钢和TWIP钢材料板材进行裁剪多层叠合，在叠层过程中要保证不锈钢板位于组坯表层，再用四块封条围绕层叠TWIP/不锈钢材料形成一个凹槽，在上下两端使用盖子封装形成一个盒体，使用氩弧焊焊接起来，得到一个密封的组坯,密封然后抽真空工序，通过炉内高温加热和保温，在热轧机上进行多道次热轧成型，保证轧制总压下量为90％。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，热轧后继续进行热处理工艺，所述热处理工艺为保温及淬火或退火处理、冷轧及退火处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步、预处理：取等大小的0.3～2mm厚的不锈钢片和TWIP钢片，分别放入95％酒精内进行超声波清洗然后烘干并进行打磨，直至去除氧化层，露出金属光泽；
第二步、密封组坯：将不锈钢片和TWIP钢片呈间隔排列叠放起来，在叠层过程中要保证不锈钢板位于组坯表层，在四周用四条封条通过氩弧焊将TWIP/不锈钢层叠材料固定住；其中TWIP/不锈钢层叠材料与相邻封条的距离为2-4mm，层叠材料的高度加上高温隔离布的高度等于封条的厚度；
将相同大小的隔离布放于叠层两端，然后将两个钢板分别放于封条上下两端，使用氩弧焊将钢板和封条焊接密封起来；
第三步、抽真空：将密封好的组坯中的一个封条之间钻一个通孔，将不锈钢管焊接在通孔上，并通过验漏设备进行检查确保焊接封装完好，然后用含有机械泵、磁泵和分子泵三级泵的真空设备进行抽真空抽去孔内的空气保持真空度在10-4pa用氧弧焊枪将不锈钢管加热到500～1000℃，并用液压钳将不锈钢管密封，最后用真空泥将不锈钢管封闭；
第四步、热轧：将抽完真空后的组坯放入高温加热炉中进行升温，升至1000～1200℃进行保温处理，保温1～3h；用吊车将加热后的组坯送入热轧机中进行热轧，保证轧制总压下量为90％，每次轧制压下量为20～30％，并冷却至室温；
第五步、冷轧：热轧后再用吊车将材料送入冷轧机中进行冷轧，冷轧后的材料厚度为热轧材料厚度的1/3；
第六步、退火：将材料置于在500℃～800℃之间保温5～7min时间，随后空冷至室温。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，第一步中不锈钢片和TWIP钢片每层材料厚度均在1mm以下。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，材料保温及淬火处理中，保温温度为
1000～1100℃，保温时间为6～30min；保温及退火处理，保温温度为500～800℃，保温时间为0.5～3h。
一种高性能耐蚀TWIP/不锈钢多层复合材料及制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着国民经济和社会的进步，人们对材料的性能要求越来越高，传统金属材料具有强度越高韧性越低或者韧性越低强度越高的缺点，人们发现了一种新型材料TWIP钢，TWIP钢具有高比强度、高韧性的特点，具有广泛的应用前景，但是TWIP钢具有明显的延迟断裂和较差的耐腐蚀性的缺点，限制了TWIP钢的工业化研究和应用。金属材料在强化的同时，会导致塑性和韧性的下降，令强度和韧性(塑性)呈现倒置现象，制约着金属材料的进一步强韧化和工业化应用。CN 107309285 A公开了一种TWIP钢、IF钢和低碳钢轧制制成的复合材料，在较大应力下由于TWIP钢上下两侧材料不同所产生的变形量也会不同，导致界面两侧所受应力不同，同时每层原材料厚度较厚为20mm，即使经过较大的压下量形成3mm材料，发生变形的主要是三种材料，有较大的能量损失不利于两个界面之间的结合，变形不均匀。
发明内容
[0003] 针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种高性能耐蚀TWIP/不锈钢多层复合材料，该复合材料由通过较薄的不锈钢和TWIP钢板材多层叠合构成，既能发挥TWIP钢的优点，又能保证材料的耐腐蚀性及强度要求。该方法根据对材料力学性能的要求进行后续的热处理或者冷轧、退火处理等工艺调控，从而得到具有高屈服强度、高强塑积的TWIP/不锈钢多层复合钢。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] 一种高性能耐蚀TWIP/不锈钢多层复合材料，包括多层TWIP钢材料层和多层不锈钢材料层，多层TWIP钢材料层和多层不锈钢材料层交替层叠轧制在一起，且复合材料的表层均为不锈钢层，多层复合材料中每层材料的厚度不大于0.05mm，TWIP钢材料层的层数比不锈钢材料层的层数小1。
[0006] TWIP钢材料层和不锈钢材料层的层厚比为1:0.5～2。
[0007] 一种上述复合材料的制备方法，其特征在于，通过将不锈钢和TWIP钢材料板材进行裁剪多层叠合，在叠层过程中要保证不锈钢板位于组坯表层，再用四块封条围绕层叠TWIP/不锈钢材料形成一个凹槽，在上下两端使用盖子封装形成一个盒体，使用氩弧焊焊接起来，得到一个密封的组坯,密封然后抽真空工序，通过炉内高温加热和保温，在热轧机上进行多道次热轧成型，保证轧制总压下量为90％。
[0008] 热轧后继续进行热处理工艺，所述热处理工艺为保温及淬火或退火处理、冷轧及退火处理。
[0009] 所述的制备方法包括以下步骤：
[0011] 第二步、密封组坯：将不锈钢片和TWIP钢片呈间隔排列叠放起来，在叠层过程中要保证不锈钢板位于组坯表层，在四周用四条封条通过氩弧焊将TWIP/不锈钢层叠材料固定住；其中TWIP/不锈钢层叠材料与相邻封条的距离为2-4mm，层叠材料的高度加上高温隔离布的高度等于封条的厚度；
[0012] 将相同大小的隔离布放于叠层两端，然后将两个钢板分别放于封条上下两端，使用氩弧焊将钢板和封条焊接密封起来；
[0013] 第三步、抽真空：将密封好的组坯中的一个封条之间钻一个通孔，将不锈钢管焊接在通孔上，并通过验漏设备进行检查确保焊接封装完好，然后用含有机械泵、磁泵和分子泵三级泵的真空设备进行抽真空抽去孔内的空气保持真空度在10-4pa用氧弧焊枪将不锈钢管加热到500～1000℃，并用液压钳将不锈钢管密封，最后用真空泥将不锈钢管封闭；
[0014] 第四步、热轧：将抽完真空后的组坯放入高温加热炉中进行升温，升至1000～1200℃进行保温处理，保温1～3h；用吊车将加热后的组坯送入热轧机中进行热轧，保证轧制总压下量为90％，每次轧制压下量为20～30％，并冷却至室温；
[0015] 第五步、冷轧：热轧后再用吊车将材料送入冷轧机中进行冷轧，冷轧后的材料厚度为热轧材料厚度的1/3；
[0016] 第六步、退火：将材料置于在500℃～800℃之间保温5～7min时间，随后空冷至室温。
[0017] 第一步中不锈钢片和TWIP钢片每层材料厚度均在1mm以下。
[0018] 材料保温及淬火处理中，保温温度为1000～1100℃，保温时间为6～30min；保温及退火处理，保温温度为500～800℃，保温时间为0.5～3h。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0020] 本发明突出的实质性特点为：
[0021] 本发明利用的高温热轧方式制备层状TWIP/不锈钢复合材料，在组坯过程中，上下表面一层均为不锈钢层，以起到耐腐蚀作用。在热轧过程中由于较大的塑性变形量和较高的热轧温度会大大提高材料界面的结合强度，同时会经历严重的回复再结晶过程，起到细化晶粒的作用，从而提高材料的韧性，另一方面热轧后每层材料的厚度可达到微米级别，实现组织均匀的目的。在冷轧过程中，由于加工硬化的作用提高了材料的强度同时也大幅度降低了材料的断后延伸率。因此随后进行退火处理将会消除界面氧化物和残余应力，通过生成细晶和较强织构在一定程度上提高了金属材料的强度和韧性。
[0022] 本发明的显著进步是：
[0023] 本发明复合材料采用低屈服强度、高强韧性的TWIP钢和较高屈服强度、高耐蚀的不锈钢板，通过叠层和真空热轧方式获得具有界面结合较强并且每层材料能达到微米级别的TWIP/不锈钢多层复合钢，根据对材料力学性能要求的不同可以借助后续冷轧和热处理工艺进行调控，通过多层结构增韧、TWIP(应变诱发孪晶)/TRIP(应变诱发马氏体相变)协同变形方式、大塑性变形增强和覆层耐蚀的作用，获得较高屈服强度、延伸率和高耐蚀的多层复合钢板。
[0024] 本发明制备方法利用真空热轧提高材料的界面结合强度并且界面处含有极少的氧化物，从而使两种材料更好结合，另一方面多层材料经较大变形量，使得每一层的层厚可以达到微米级别，使材料的组织性更加均匀，提高材料的变形协调能力进而提高材料的力学性能。随后可以进行冷轧通过形变强化提高材料抗拉强度同时材料层间的界面结合强度随变形产生加工硬化提高材料的界面结合强度，再进行退火处理，在接近再结晶温度以下进行退火缓解材料的加工硬化从而提高材料的延伸率。不锈钢具有良好的耐腐蚀性能和高强度的力学性能，不锈钢在性能上可以弥补TWIP钢的不足，通过真空热轧的方法可以有效将不锈钢金属的综合性能和TWIP钢的高韧性结合起来，从而提高TWIP钢的力学性能。在本次发明中材料的强度为700MPa--1600MPa，延伸率在10％--60％，根据实际需要可以自行调整制备工艺，具有广泛的应用范围，制备过程简单，绿色无污染，符合国家提倡的节能减排的政策。
[0025] 方法的具体优势如下：a)将组坯放置加热炉里保温1～3h可以保证材料完全转变为奥氏体组织并且晶粒尺寸也不会长大。这样在随后的轧制过程中两种材料做到均匀形变从而降低两种材料界面处的应力集中。b)与以前专利相比本发明中两种原材料的厚度选取控制在1mm左右，可以保证经过较大变形量的热轧后，两种材料的界面结合更加稳定，组织更加均匀。c)热轧过程中每次压下量都控制在20％～30％，每次下压都能使材料均匀变形。d)冷轧后对材料进行退火处理，保温时间控制在5-7min，保温时间较长可以保证冷轧后材料内应力得到完全消除。f)本申请方法在热轧处理后也可以进行淬火处理。
[0027] 图1为热轧304/TWIP复合板对称真空封装示意图，其中：1--钢板，2—封条，3—高温隔离布，4—不锈钢管，5—SUS304不锈钢片，6—TWIP钢片。
具体实施方式
[0028] 下面结合实施例进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
[0029] 本发明高性能耐蚀TWIP/不锈钢多层复合材料，包括多层TWIP钢材料层和多层不锈钢材料层，多层TWIP钢材料层和多层不锈钢材料层交替层叠轧制在一起，且复合材料的表层均为不锈钢层，TWIP钢材料层和不锈钢材料层的层数均不少于十层，多层复合材料中每层材料的厚度不大于0.05mm，多层复合材料的厚度与原材料的厚度和层数有关，TWIP钢材料层的层数比不锈钢材料层的层数小1。
[0030] 上述TWIP钢材料层和不锈钢材料层的层厚比为1:0.5～2，可以根据实际需求调整层厚比。
[0031] 上述材料的制备方法是：通过将不锈钢和TWIP钢材料板材进行裁剪多层叠合，在叠层过程中要保证不锈钢板位于组坯表层，从而保证材料的耐腐蚀性，再用四块封条围绕层叠TWIP/不锈钢材料形成一个凹槽，在上下两端使用盖子封装形成一个盒体，使用氩弧焊焊接起来，得到一个密封的组坯,密封然后抽真空工序，通过炉内高温加热和保温，在热轧机上进行多道次热轧成型，保证轧制总压下量为90％。
[0032] 热轧后可以继续进行热处理工艺(保温及淬火或退火处理、冷轧及退火处理)，获得较好的层间界面结合和微米级的层厚尺度，实现层状复合材料的强韧化目的。
[0033] 上述方法包括以下步骤：
[0034] 第一步、预处理：取等大小的0.3～2mm厚的不锈钢片和TWIP钢片，分别放入95％酒精内进行超声波清洗然后烘干并进行打磨，直至去除氧化层，露出金属光泽；
[0035] 第二步、密封组坯：将不锈钢片和TWIP钢片呈间隔排列叠放起来，在叠层过程中要保证不锈钢板位于组坯表层，从而保证材料的耐腐蚀性，在四周用四条封条通过氩弧焊将TWIP/不锈钢层叠材料固定住；其中TWIP/不锈钢层叠材料与相邻封条的距离为2-4mm，层叠材料的高度加上高温隔离布的高度等于封条的厚度；
[0036] 将相同大小的隔离布放于叠层两端，然后将两个钢板分别放于封条上下两端，使用氩弧焊将钢板和封条焊接密封起来；
[0037] 其中钢板的形状大小根据不锈钢密封条所围形状大小而定，厚度视层叠高度而定，层叠高度高，钢板的厚度则大，反之亦然。
[0038] 第三步、抽真空：将密封好的组坯中的一个封条之间钻一个直径为6mm的通孔，将不锈钢管焊接在小孔上，并通过验漏设备进行检查确保焊接封装完好(检漏的方法是将组坯置于水中向不锈钢管打气加压，看是否有气泡产生)然后用含有机械泵、磁泵和分子泵三级泵的真空设备进行抽真空抽去孔内的空气保持真空度在10-4pa用氧弧焊枪将不锈钢管加热到500～1000℃，并用液压钳将不锈钢管密封，最后用真空泥将不锈钢管封闭；
[0039] 其中，不锈钢管的外径为8～10mm，内径为6～8mm；
[0040] 第四步、热轧：将抽完真空后的组坯放入高温加热炉中进行升温，升至1000～1200℃进行保温处理，保温1～3h；用吊车将加热后的组坯送入热轧机中进行热轧，保证轧制总压下量为90％，每次轧制压下量为20～30％，并冷却至室温；
[0041] 第五步、冷轧：热轧后再用吊车将材料送入冷轧机中进行冷轧，冷轧后的材料厚度为热轧材料厚度的1/3；
[0042] 第六步、退火：将材料置于在500℃～800℃之间保温5～7min时间，随后空冷至室温。
[0043] 上述制备方法中第一步中不锈钢片和TWIP钢片每层材料厚度均在1mm以下。
[0044] 本申请中每层的板材选择厚度尽量要薄，保证在较大的变形下，大部分力是作用在层与层之间提高结合强度，原材料越薄在热轧后每层的厚度越薄，微裂纹在扩展过程中需要穿过界面消耗较大能量，达到增韧的效果。另一方面，这样有助于使得到的材料每一层的层厚都可以控制在微米级别，有利于提高材料的变形协调能力。层数的选择可根据实际所需要的板厚来确定，最终板厚越大，层叠数量越多。对于后续的冷轧和退火工艺则根据所需力学性能进行调整，冷轧后变形程度越大，强度越高，退火温度越高(在结晶温度以下)，材料的韧性越高。
[0045] 本发明方法将材料多层重叠，通过大的压缩变形达到对每一层材料的层厚达到微米级别的控制。在叠层过程中保证不锈钢位于上下表层，从而保证材料的耐腐蚀性。得到热轧态的多层复合材料后可以根据对力学性能的不同要求实现灵活调整后续热处理工艺和冷轧后退火处理。
[0046] 实施例1：
[0047] 本实施例中所具体使用的不锈钢材料为SUS304奥氏体不锈钢，TWIP钢、SUS304不锈钢总计层叠数量为61层，不锈钢和TWIP钢层厚比为1:1。
[0048] 本实施例涉及的TWIP钢为本领域广泛应用的公知材料主要成分：Mn:31.48％Si:2.83％Al:2.88％C:0.0046％。TWIP钢的韧性很高延伸率可达83.33％，但是抗拉强度却比较低只能达到600MPa。SUS304奥氏体不锈钢为本领域广泛应用的公知材料主要成分：Cr：
18.5％Ni：8.5％Mn：2％Si:2％P:0.025％S:0.001％。其强度很高但是延伸率却很低。
18.5％Ni：8.5％Mn：2％Si:2％P:0.025％S:0.001％。其强度很高但是延伸率却很低。
[0049] 具体制备过程是：
[0050] 1：取厚度为0.5mm的SUS304奥氏体不锈钢31片和TWIP钢各30片，分别放入95％酒精内进行超声波清洗然后烘干并进行打磨，直至去除氧化层，露出金属光泽。
[0051] 两种材料尺寸均为80mm×80mm×0.5mm
[0052] 2：将SUS304不锈钢片5和TWIP钢片6呈间隔排列叠放起来(上下表面一层均为不锈钢层)在四周通过氩弧焊将四条钢封条2焊接起来将TWIP/304层叠材料固定住。
[0053] 封条尺寸为120mm×36mm×20mm和84mm×18mm×35mm材质为45钢
[0054] 3：使用两块钢板1置于层叠材料的两端(并使用尺寸为80mm×80mm的高温隔离布3将层叠材料和钢板隔离开来)，使用氩弧焊将封条和钢板焊接连接起来形成一个封闭的四方体盒子。
[0055] 钢板的大小为84mm×84mm×2mm
[0056] 4：在封条中间打一个直径为6mm的通孔，将外直径为10mm，内径为6mm的不锈钢管4焊接至通孔边缘，并通过验漏设备进行检查确保焊接封装完好(检漏的方法是将组坯置于水中向不锈钢管打气加压，看是否有气泡产生)然后含有机械泵、磁泵和分子泵三级泵的真空设备进行抽真空抽去孔内的空气保持真空度在10-4pa用氧弧焊枪将不锈钢管加热到800℃，并用液压钳将不锈钢管密封，最后用真空泥将不锈钢管封闭。
[0057] 5：将抽完真空后的组坯放入高温加热炉中进行升温，升至1100℃进行保温处理，保温2h。6：用吊车将加热的组坯送入热轧机中进行热轧，轧制道次为8次，每道次压下率分别为：20％、20％、21％、22％、23％、27％、32％、35％轧制总压下量约为90％，轧制速度为1m/s。对材料进行拉伸试验其屈服强度达到242MPa，抗拉强度达到722MPa，延伸率达到
47.7％。
47.7％。
[0058] 实施例2：
[0059] 在实施例1的基础上对材料进行热处理工艺，将材料在1050℃下保温6min随后淬火。
[0060] 对材料进行拉伸试验其屈服强度达到253MPa，抗拉强度为824MPa，延伸率达到60.5％
[0061] 实施例3：
[0062] 在实施例1的基础上对材料进行热处理工艺，将材料在1100℃下保温6min随后淬火。
[0063] 对材料进行拉伸试验其屈服强度达到214MPa，抗拉强度达到824MPa，延伸率达到22.2％
[0064] 实施例4：
[0065] 在实施例1的基础上对材料进行热处理工艺，将材料在500℃下保温30min随后空冷。
[0066] 对材料进行拉伸试验其屈服强度达到280MPa，抗拉强度达到857MPa，延伸率达到38.89％
[0067] 实施例5：
[0068] 在实施例1的基础上对材料进行热处理工艺，将材料在600℃下保温30min随后空冷。
[0069] 对材料进行拉伸试验其屈服强度达到326MPa，抗拉强度达到906MPa，延伸率达到22％
[0070] 实施例6：
[0071] 在实施例1的基础上对材料进行热处理工艺，将材料在820℃下保温3h随后空冷。
[0072] 对材料进行拉伸试验其屈服强度达到216MPa，抗拉强度达到848MPa，延伸率达到27.8％
[0073] 实施例7：
[0074] 在实施例1的基础上对材料进行热处理工艺，将材料的1050℃下保温30min随后淬火。对材料进行拉伸试验其屈服强度达到232MPa，抗拉强度达到785MPa，延伸率达到30.56％
[0075] 实施例8：
[0076] 在实施例1的基础上对材料进行热处理工艺，将材料在1100℃下保温30min随后淬火。
[0077] 对材料进行拉伸试验其屈服强度达到205MPa，抗拉强度达到714MPa,延伸率达到33.33％
[0078] 实施例9：
[0079] 在实施例1的基础上对材料进行冷轧直至材料的厚度为原来1/3，即冷扎厚度为1mm；随后进行退火处理将材料置于500℃下保温6min后空冷。
[0080] 对材料进行拉伸试验屈服强度达到1606MPa，其抗拉强度达到1606MPa，延伸率达到10.55％
[0081] 实施例10：
[0082] 本实施例在实施例1的基础上对材料进行冷轧及退火处理，冷轧至1mm，温度控制在结晶温度以下600℃保温6min，最后空冷至室温。
[0083] 对材料进行拉伸试验其屈服强度达到757MPa，抗拉强度达到1245MPa，延伸率达到11.38％
[0084] 实施例11：
[0085] 本实施例步骤同实施例10，不同之处在于退火处理的温度为700℃。
[0086] 对材料进行拉伸试验其屈服强度达到632MPa，抗拉强度达到998MPa，延伸率达到24.52％
[0087] 实施例12：
[0088] 本实施例步骤同实施例10，不同之处在于退火处理的温度为800℃。
[0089] 对材料进行拉伸试验其屈服强度达到452MPa，抗拉强度达到919MPa，延伸率达到30.56％
[0090] 上述实施例的性能测试结果见下表：
[0091]
[0092]
[0093] 对材料进行不同的热处理工艺，其屈服强度虽没有明显提高但是可以不同程度的提高材料的抗拉强度，而对材料进行冷轧后退火的处理可以明显提高材料的屈服强度和抗拉强度，根据对材料力学性能要求的不同可以调整对材料的处理工艺。表中数据说明材料通过不同的工艺处理后材料的力学性能得到了不同程度的改变。
[0094] 经过不同热处理工艺都可以不同程度提高TWIP钢的抗拉强度，热轧后对材料进行不同的热处理工艺材料的抗拉强度提高程度有限，但是可以在热轧以后进行冷轧可以很大程度的提高材料的抗拉强度，根据实际需求可以调整工艺。
[0095] 本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或者变动仍处于本发明的保护范围之列。
[0096] 本发明未尽事宜为公知技术。
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