TWIP钢专利技术综述

摘 要：本文对TWIP的专利申请尤其是全球TWIP钢申请量排名前五的创新主体的相关申请情况进行剖析，涉及TWIP的主要成分，制备工艺以及应用，对我国当前TWIP钢的制备和应用具有一定的参考价值。

关键词：TWIP钢;专利

近年来，机动车辆轻量化和安全性已成为汽车工业发展的主要目标之一。为此，研发和使用机动车辆用先进高强钢成为了科研部门和钢铁企业的重点工作内容。经估算，如果国内商用车自重减轻10 %，其油耗量就可以降低4.8 %。到2020年，我国商用车自重若能比2007年的水平平均降低20 %～35 %，每年则可节约燃油2.7×107～3.0×107t。2018年我国汽车轻量化企业规模为2684.1亿元，同比2017年的2487.7亿元增长了7.89%[1]。为实现汽车减重，钢板减薄是主要途径，提高汽车用钢的强度是必然的发展趋势。TWIP（孪生诱发塑性）钢层错能较低，加工硬化速率较高，兼具较高的强度和塑性，在近些年来成为研究和应用的热点[2]。易炜发等[3][4]对Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP钢（各组分质量分数：20%Mn，3%Cu，1.3%C，余量为Fe）做了初步的研究，并获得优异的力学性能，笔者对该合金在-100℃～200℃范围内的应变规律和断口组织进行了分析，发现在-100℃～0℃范围内温度越低抗拉强度越高，在0℃～100℃时，发现强度随温度升高而升高，在100℃达最大值1201.7MPa，同时，合金伸长率在100℃伸长率达到峰值85.4%，强塑积达到106217MPa？%，体现了较好的综合力学性能，具有较好的运用前景[5]。本文拟通过专利分析对TWIP钢当前研究进展进行阐述。

在专利数据库VEN中进行检索和统计，申请数量排名前五的申请主体参见图1，可见，申请量最多的申请主体为德国的萨尔茨基特公司，申请数量为46，芬兰的奥托昆普公司与卢森堡的安赛乐米塔尔集团的相关申请量分别排第二和第三，申请数量分别为33和32。我国的北京科技大学也有17件的相关申请。

通过对萨尔茨基特公司的相关申请进行分析发现，其主要致力于TWIP钢的低温力学性能研究[6][7][8]，主要产品包括钢带、钢管以及电路板等。在把扁钢产品进一步加工成长缝或螺旋缝焊接的管材情况下，对于实现所要求的低温韧性来说必需的退火、进而最终组织的设定，可以并非在热轧带钢或冷轧带钢上就已经进行，而是可选地可以在管材制造之后才进行，其中，在退火设备中对管材的退火在0.3至24h的退火时间和500℃至840℃的温度情况下进行，优选在520℃至600℃、0.5至6h的退火时间情况下进行。

奥托昆普公司主要研究利用奥氏体钢在冷变形过程中的硬化效应，通过柔性轧制实现带材或者板材局部硬化，使材料的各部分实现期望的不同的力学性能[9]。冷变形的TWIP钢具有高强度以及厚度减薄的区域和在另一方面具有较高厚度与较好延性的区域。区别于现有技术，该申请人通过由冷轧工艺结合厚度减薄与在片材、板材或卷材的机械性质中特定且平衡的局部改变，省去了能量需求和成本需求较高的热处理程序例如压力硬化。

安赛乐米塔尔公司对TWIP钢的化学组成对工件性能的影响进行了深入的研究[10]，发现C在显微组织的形成和机械特性方面起重要作用。C增加了堆垛层错能并且促进了奥氏体相的稳定性。当与含量为13.0wt%至25.0wt%的Mn组合时，在存在钒碳化物的情况下，高的Mn含量可以提高钒碳化物（VC）在奥氏体中的溶解度。然而，对于大于1.2%的C含量，存在由于例如（Fe，Mn）3C渗碳体的过度析出而导致延性降低的风险。优选地，碳含量为0.71重量%至1.1重量%，以获得与最佳碳化物或碳氮化物析出组合的足够强度，Mn也是用于提高强度、用于增加堆垛层错能和用于稳定奥氏体相的必要元素。如果Mn含量小于13.0%，则存在形成马氏体相的风险，这非常明显地降低了可变形性。此外，当锰含量大于25.0%时，抑制了孿晶的形成，因此，虽然强度增加，但是室温下的延性降低。优选地，锰含量为15.0%至24.0%以优化堆垛层错能并防止在变形的效应下形成马氏体。此外，当Mn含量大于24.0%时，通过孪晶的变形模式没有通过完全位错滑移的变形模式有利。相应地，氮含量必须为0.1%或更小以防止在凝固期间AlN的析出和体积缺陷（气泡）的形成。此外，当存在能够以氮化物形式析出的元素（例如钒、铌、钛、铬、钼和硼）时，氮含量必须不超过0.1%，这给TWIP钢的制备指明了方向。

浦项制铁公司为了在铸造TWIP钢时避免条带表层中生成凹痕从而改善该条带的机械性能（包括提高拉伸强度和延伸率），在该铸造辊表面上形成连续的气体通道，从而排出当铸造该条带时混入的气体，进而降低常规凹痕指数并阻碍凹痕的形成[11]。该公司将TWIP钢板与铝合金板材进行复合得到汽车用复合板材[12]（参见图2），且将TWIP钢用于制作汽车的保险杠和车门。

北京科技大学对TWIP钢的制备和应用进行了深入的研究，值得一提的是，该创新主体利用TWIP钢在高应变率下塑性变形时，应变率对材料具有增强增塑效应，即随着应变率的提高TWIP钢的强度和塑性相应的增加，据此，进行弹丸的制备，在形成弹丸过程中，TWIP钢的动态力学性能明显高于静态及准静态力学性能。优良的静态及动态力学性能，尤其是较好的强韧性结合以及极高的延展性，保证了TWIP钢作为药形罩材料在形成弹丸过程中，弹丸被充分拉长而不被拉断，从而增大长径比并保持弹丸的完整性，可以极大地提高其侵彻能力[13]，对TWIP钢的具体应用进行了拓展。

结语

本文对TWIP的专利申请尤其是全球TWIP钢申请量排名前五的创新主体的相关申请情况进行剖析，涉及TWIP的主要成分，制备工艺以及应用，对我国当前TWIP钢的制备和应用具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]华经情报网，2018年中国汽车轻量化企业需求现状.

[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]  易炜发， 朱定一， 杨泽斌， 林淑梅. 铜含量对高碳TWIP钢组织和力学性能的影响[J]. 钢铁. 2011， 46（11）：71-76.

[4]  易炜发， 朱定一， 杨泽斌， 林淑梅. 热轧变形对高碳TWIP钢组织缺陷和力学性能的影响[J]. 材料科学与工艺. 2011，19（5）：45-49.

[5]刘海军. Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP钢应变与断裂行为研究： [D]. 福州：福州大学材料学院， 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.

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[13]北京科技大學， 一种孪晶诱导塑性钢药形罩，CN101824524 A[P]，2010-09-08.