TWIP鋼專利技術(shù)綜述

摘 要：本文對(duì)TWIP的專利申請(qǐng)尤其是全球TWIP鋼申請(qǐng)量排名前五的創(chuàng)新主體的相關(guān)申請(qǐng)情況進(jìn)行剖析，涉及TWIP的主要成分，制備工藝以及應(yīng)用，對(duì)我國當(dāng)前TWIP鋼的制備和應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：TWIP鋼;專利

近年來，機(jī)動(dòng)車輛輕量化和安全性已成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)之一。為此，研發(fā)和使用機(jī)動(dòng)車輛用先進(jìn)高強(qiáng)鋼成為了科研部門和鋼鐵企業(yè)的重點(diǎn)工作內(nèi)容。經(jīng)估算，如果國內(nèi)商用車自重減輕10 %，其油耗量就可以降低4.8 %。到2020年，我國商用車自重若能比2007年的水平平均降低20 %～35 %，每年則可節(jié)約燃油2.7×107～3.0×107t。2018年我國汽車輕量化企業(yè)規(guī)模為2684.1億元，同比2017年的2487.7億元增長了7.89%[1]。為實(shí)現(xiàn)汽車減重，鋼板減薄是主要途徑，提高汽車用鋼的強(qiáng)度是必然的發(fā)展趨勢(shì)。TWIP（孿生誘發(fā)塑性）鋼層錯(cuò)能較低，加工硬化速率較高，兼具較高的強(qiáng)度和塑性，在近些年來成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[2]。易煒發(fā)等[3][4]對(duì)Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP鋼（各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)：20%Mn，3%Cu，1.3%C，余量為Fe）做了初步的研究，并獲得優(yōu)異的力學(xué)性能，筆者對(duì)該合金在-100℃～200℃范圍內(nèi)的應(yīng)變規(guī)律和斷口組織進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在-100℃～0℃范圍內(nèi)溫度越低抗拉強(qiáng)度越高，在0℃～100℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度隨溫度升高而升高，在100℃達(dá)最大值1201.7MPa，同時(shí)，合金伸長率在100℃伸長率達(dá)到峰值85.4%，強(qiáng)塑積達(dá)到106217MPa？%，體現(xiàn)了較好的綜合力學(xué)性能，具有較好的運(yùn)用前景[5]。本文擬通過專利分析對(duì)TWIP鋼當(dāng)前研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

在專利數(shù)據(jù)庫VEN中進(jìn)行檢索和統(tǒng)計(jì)，申請(qǐng)數(shù)量排名前五的申請(qǐng)主體參見圖1，可見，申請(qǐng)量最多的申請(qǐng)主體為德國的薩爾茨基特公司，申請(qǐng)數(shù)量為46，芬蘭的奧托昆普公司與盧森堡的安賽樂米塔爾集團(tuán)的相關(guān)申請(qǐng)量分別排第二和第三，申請(qǐng)數(shù)量分別為33和32。我國的北京科技大學(xué)也有17件的相關(guān)申請(qǐng)。

通過對(duì)薩爾茨基特公司的相關(guān)申請(qǐng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其主要致力于TWIP鋼的低溫力學(xué)性能研究[6][7][8]，主要產(chǎn)品包括鋼帶、鋼管以及電路板等。在把扁鋼產(chǎn)品進(jìn)一步加工成長縫或螺旋縫焊接的管材情況下，對(duì)于實(shí)現(xiàn)所要求的低溫韌性來說必需的退火、進(jìn)而最終組織的設(shè)定，可以并非在熱軋帶鋼或冷軋帶鋼上就已經(jīng)進(jìn)行，而是可選地可以在管材制造之后才進(jìn)行，其中，在退火設(shè)備中對(duì)管材的退火在0.3至24h的退火時(shí)間和500℃至840℃的溫度情況下進(jìn)行，優(yōu)選在520℃至600℃、0.5至6h的退火時(shí)間情況下進(jìn)行。

奧托昆普公司主要研究利用奧氏體鋼在冷變形過程中的硬化效應(yīng)，通過柔性軋制實(shí)現(xiàn)帶材或者板材局部硬化，使材料的各部分實(shí)現(xiàn)期望的不同的力學(xué)性能[9]。冷變形的TWIP鋼具有高強(qiáng)度以及厚度減薄的區(qū)域和在另一方面具有較高厚度與較好延性的區(qū)域。區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，該申請(qǐng)人通過由冷軋工藝結(jié)合厚度減薄與在片材、板材或卷材的機(jī)械性質(zhì)中特定且平衡的局部改變，省去了能量需求和成本需求較高的熱處理程序例如壓力硬化。

安賽樂米塔爾公司對(duì)TWIP鋼的化學(xué)組成對(duì)工件性能的影響進(jìn)行了深入的研究[10]，發(fā)現(xiàn)C在顯微組織的形成和機(jī)械特性方面起重要作用。C增加了堆垛層錯(cuò)能并且促進(jìn)了奧氏體相的穩(wěn)定性。當(dāng)與含量為13.0wt%至25.0wt%的Mn組合時(shí)，在存在釩碳化物的情況下，高的Mn含量可以提高釩碳化物（VC）在奧氏體中的溶解度。然而，對(duì)于大于1.2%的C含量，存在由于例如（Fe，Mn）3C滲碳體的過度析出而導(dǎo)致延性降低的風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)選地，碳含量為0.71重量%至1.1重量%，以獲得與最佳碳化物或碳氮化物析出組合的足夠強(qiáng)度，Mn也是用于提高強(qiáng)度、用于增加堆垛層錯(cuò)能和用于穩(wěn)定奧氏體相的必要元素。如果Mn含量小于13.0%，則存在形成馬氏體相的風(fēng)險(xiǎn)，這非常明顯地降低了可變形性。此外，當(dāng)錳含量大于25.0%時(shí)，抑制了孿晶的形成，因此，雖然強(qiáng)度增加，但是室溫下的延性降低。優(yōu)選地，錳含量為15.0%至24.0%以優(yōu)化堆垛層錯(cuò)能并防止在變形的效應(yīng)下形成馬氏體。此外，當(dāng)Mn含量大于24.0%時(shí)，通過孿晶的變形模式?jīng)]有通過完全位錯(cuò)滑移的變形模式有利。相應(yīng)地，氮含量必須為0.1%或更小以防止在凝固期間AlN的析出和體積缺陷（氣泡）的形成。此外，當(dāng)存在能夠以氮化物形式析出的元素（例如釩、鈮、鈦、鉻、鉬和硼）時(shí)，氮含量必須不超過0.1%，這給TWIP鋼的制備指明了方向。

浦項(xiàng)制鐵公司為了在鑄造TWIP鋼時(shí)避免條帶表層中生成凹痕從而改善該條帶的機(jī)械性能（包括提高拉伸強(qiáng)度和延伸率），在該鑄造輥表面上形成連續(xù)的氣體通道，從而排出當(dāng)鑄造該條帶時(shí)混入的氣體，進(jìn)而降低常規(guī)凹痕指數(shù)并阻礙凹痕的形成[11]。該公司將TWIP鋼板與鋁合金板材進(jìn)行復(fù)合得到汽車用復(fù)合板材[12]（參見圖2），且將TWIP鋼用于制作汽車的保險(xiǎn)杠和車門。

北京科技大學(xué)對(duì)TWIP鋼的制備和應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，值得一提的是，該創(chuàng)新主體利用TWIP鋼在高應(yīng)變率下塑性變形時(shí)，應(yīng)變率對(duì)材料具有增強(qiáng)增塑效應(yīng)，即隨著應(yīng)變率的提高TWIP鋼的強(qiáng)度和塑性相應(yīng)的增加，據(jù)此，進(jìn)行彈丸的制備，在形成彈丸過程中，TWIP鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能明顯高于靜態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能。優(yōu)良的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，尤其是較好的強(qiáng)韌性結(jié)合以及極高的延展性，保證了TWIP鋼作為藥形罩材料在形成彈丸過程中，彈丸被充分拉長而不被拉斷，從而增大長徑比并保持彈丸的完整性，可以極大地提高其侵徹能力[13]，對(duì)TWIP鋼的具體應(yīng)用進(jìn)行了拓展。

結(jié)語

本文對(duì)TWIP的專利申請(qǐng)尤其是全球TWIP鋼申請(qǐng)量排名前五的創(chuàng)新主體的相關(guān)申請(qǐng)情況進(jìn)行剖析，涉及TWIP的主要成分，制備工藝以及應(yīng)用，對(duì)我國當(dāng)前TWIP鋼的制備和應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)，2018年中國汽車輕量化企業(yè)需求現(xiàn)狀.

[2]Gr？ssel O， Kruger L， Frommeyer G， et al. High strength Fe-Mn-（Al， Si） TRIP/TWIP steels development-properties-application[J]， International Journal of Plasticity， 2000， 16 （10-11）： 1391-1409.

[3]? 易煒發(fā)， 朱定一， 楊澤斌， 林淑梅. 銅含量對(duì)高碳TWIP鋼組織和力學(xué)性能的影響[J]. 鋼鐵. 2011， 46（11）：71-76.

[4]? 易煒發(fā)， 朱定一， 楊澤斌， 林淑梅. 熱軋變形對(duì)高碳TWIP鋼組織缺陷和力學(xué)性能的影響[J]. 材料科學(xué)與工藝. 2011，19（5）：45-49.

[5]劉海軍. Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP鋼應(yīng)變與斷裂行為研究： [D]. 福州：福州大學(xué)材料學(xué)院， 2012.

[6] Salzgitter Flachstahl Gmbh，Medium-manganese steel product for low-temperature use and method for the production thereof，WO2018083035 A1[P]， 2018-05-11.? ? .

[7] Salzgitter Flachstahl Gmbh， High-alloy steel and method for producing pipes from said steel by means of internal high-pressure shaping ，WO2017017107 A1[P]，2017-02-02.

[8] Salzgitter Flachstahl Gmbh， Method for producing components from lightweight steel ，WO2014180456 A1[P]，2014-11-13.

[9] Outokumpu OY ， Method for cold deformation of an austenitic steel ，WO2018060454 A1[P]，2018-04-05.

[10]Arcelormittal ， TWIP steel sheet having an austenitic matrix ，WO2017203309 A1，2017-11-30.

[11] POSCO ， Casting roll for twin roll strip caster，KR100779574 B1[P]，2007-11-29.

[12] POSCO ， Twinnning induced plasticity steel sheet-al clad plate，KR20150075731 A[P]，2015-07-06.

[13]北京科技大學(xué)， 一種孿晶誘導(dǎo)塑性鋼藥形罩，CN101824524 A[P]，2010-09-08.