CN104674109B

CN104674109B - 一种低密度Fe‑Mn‑Al‑C系冷轧汽车用钢板及制备方法

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Publication number: CN104674109B
Application number: CN201510107144.1A
Authority: CN
Inventors: 宋仁伯; 张磊峰; 赵超; 杨富强; 彭世广
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: CN104674109A

Abstract

一种低密度Fe‑Mn‑Al‑C系冷轧汽车用钢板及制备方法，属于金属材料领域。本发明所述汽车用钢板的化学成分为：0.65％～0.75％C、14.0％～19.0％Mn、7.0％～10.5％Al、P<0.003％、S<0.002％，余量为Fe及不可避免杂质。制备工艺步骤包括：冶炼；锻造；钢坯加热到1150～1180℃保温2h后进行多道次热轧变形，开轧温度1050～1100℃，终轧温度850～900℃，累计变形量在80％～90％，卷取温度200～300℃；热轧后钢板进一步固溶处理，在950～1050℃保温0.5～1h后水淬处理；接着冷轧变形，累积压缩量为60～80％；之后退火处理，在1000℃保温10～15min后水淬；试验用钢为奥氏体+铁素体双相组织，最终获得具有低密度、高强韧的冷轧双相汽车用钢板。本发明在保证钢板优良综合力学性能的基础上，降低了钢板密度，减重效果明显，实现了强度与塑性的良好组合，其强塑积可达40GPa·％，远超出第三代汽车用钢的要求。

Description

一种低密度Fe-Mn-Al-C系冷轧汽车用钢板及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，是一种低密度、高强韧的冷轧汽车用钢板，具体涉及该低密度钢的成分设计及制备工艺。

背景技术

节能降耗、减少尾气排放是当今汽车行业亟待解决的问题，而汽车轻量化是提高汽车的燃油经济性、节约能耗、降低排放的重要措施之一。近些年来，国内外投入了大量资金，开发了多种高强或超高强钢板，包括TRIP、TWIP钢等，通过降低钢板厚度来降低汽车重量。同时，一些以铝合金、镁合金、工程塑料及碳纤维复合材料为代表的轻质材料也逐渐受到人们的青睐，被应用于轮胎、发动机等减重部件上。

一种更具有潜力的思路是，开发集低密度与高强度性能于一身的钢板。有研究表明，钢材的密度仅需降低10％就可以保持甚至显著提高其在汽车工业中应用的优越性和竞争力。这种设计的理念是，向钢中添加一定量的Al元素(＞5wt.％)，在合金成分与成型工艺的控制基础上，得到兼具低密度和高强韧性的新型汽车钢板，以保证在不牺牲汽车结构部件强度的前提下尽量减轻汽车的自重。

发明内容

本发明目的是向钢中添加一定量的Al元素(＞5wt.％)，在合金成分与成型工艺的控制基础上，得到兼具低密度和高强韧性的新型汽车钢板，以保证在不牺牲汽车结构部件强度的前提下尽量减轻汽车的自重。

一种低密度Fe-Mn-Al-C系冷轧汽车用钢板的制备方法，钢中化学成分(质量百分比)为：0.65％～0.75％C、14.0％～19.0％Mn、7.0％～10.5％Al、P<0.003％、S<0.002％，余量为Fe及不可避免杂质。试验用钢的密度为6.65～7.05g/cm³，较纯铁降低10.0～16.0％。

本发明开发了一种低密度、高强韧汽车用钢，其制备方法如下：

(1)根据上述的化学成分进行冶炼，锻造成矩形板坯；

(2)将板坯进行组织均匀化处理，加热温度为1150～1180℃，保温2h；

(3)板坯在二辊轧机进行多道次热轧变形，开轧温度1050～1100℃，终轧温度保持在850～900℃，多道次轧制，保证其累计变形量80％～90％，轧制结束后水冷至200～300℃，后空冷至室温；之后将热轧后钢板快速加热到950～1050℃进行固溶处理，保温0.5～1h后水淬处理；

(4)固溶后钢板进行冷轧变形，经过多道次轧制变形，累积压缩量为60％～80％；之后进行退火处理，在1000℃保温10～15min后水淬至200～300℃，空冷至室温。

本发明Fe-Mn-Al-C系低密度、高强韧钢具有奥氏体或奥氏体+铁素体双相组织，具有较高的强度、良好的塑性、高的加工硬化率，变形过程中无屈服平台现象；是一种具有高强韧性、成形性能好的汽车用钢，较传统钢铁材料和先进高强汽车用钢铁材料而言，其高强韧性、低密度特点具备更大的开发前景与优势。本发明实现了强度与塑性的良好组合，其强塑积(抗拉强度与断后伸长率的乘积)可达40GPa·％，远超出第三代汽车用钢(强塑积＞30GPa·％)的要求。

本发明具有以下优点

(1)具有优良的综合力学性能(高强度、高断后伸长率)，本发明退火处理后钢板具有强度与塑性的良好结合，具有很好的碰撞吸收性能。

(2)相比DP钢、TRIP钢及TWTP钢等汽车用结构用钢，本发明采用合理的合金元素配比，添加了Al等轻质元素，在保证钢板优良综合力学性能的基础上，降低了钢板密度，减重效果明显。

(3)本发明的成分设计中无需添加贵重合金，一方面降低实际工业生产成本与难度，同时降低钢板的碳当量，利于钢板进行后续生产与焊接组装。

附图说明

附图1是本发明汽车用钢板制备过程。

附图2是本发明的一种低密度、高强韧汽车用钢板制备工艺示意图。

附图3是本发明退火后钢板典型双相组织(SEM照片)。

具体实施方法

实验室环境下冶炼了三炉钢，其化学成分(质量百分比)如表1所示。

表1试验用钢化学成分(wt.％)

钢号

C

Mn

Al

P

S

Fe

Ⅰ

0.67

15.2

8.2

＜0.003

＜0.002

Bal.

Ⅱ

0.65

18.1

9.5

＜0.003

＜0.002

Bal.

Ⅲ

0.73

16.3

7.9

＜0.003

＜0.002

Bal.

具体实施工艺如下：锻造处理为热轧工艺提供35×60mm的原始坯料，同时消除成分偏析，去除缩孔、疏松等缺陷；钢坯在1150～1180℃下保温2h，进行组织均匀化处理。根据实验轧机能力，设计热轧厚度为3.0mm，热轧开轧温度为1050～1100℃，终轧温度为850～900℃，进行6道次轧制，设定卷取温度为200～300℃，空冷至室温；热轧后钢板进行固溶处理，将钢板快速加热到950～1050℃，保温0.5～1h后水淬；

固溶后钢板进行冷轧变形，设计轧制厚度为1.0mm，根据轧机能力，经过6道次变形；之后进行退火处理，退火工艺选择在1000℃保温10～15min后水淬至200～300℃，空冷至室温，最终获得奥氏体+铁素体双相组织。试验用钢的力学性能记录如下表2。

表2试验用钢力学性能表

由上表2可以看出，试验用钢的强塑积＞40GPa·％。拉伸变形过程中，这种钢呈现出明显的三阶段应变硬化特性，伴随着位错亚结构演变。奥氏体主要以平面滑移为主，其位错亚结构经历“平面位错排列与缠结→泰勒晶格结构→微带”的演变过程，奥氏体在变形中起主导作用；铁素体表现出明显的波带滑移，其位错亚结构经历“位错结→位错胞→胞块”的演变过程。相比于铁素体而言，奥氏体具有更强的加工硬化能力。

C在合金钢中有两大作用：(1)作为奥氏体化元素，扩大并稳定奥氏体相区；(2)固溶强化，以保证钢的力学性能。C含量的增加有利于提高钢中的奥氏体含量，使其获得良好的强韧性，但是过高的C含量将影响其焊接性能，不利于汽车焊接组装。

Mn是钢中主要的奥氏体化合金元素，能扩大γ相区，稳定奥氏体组织，同时起到固溶强化作用，提高钢的综合力学性能。

Al是钢中重要的轻质元素，可以明显降低材料密度，但是Al是铁素体元素，过高的Al含量易促进铁素体相的形成，降低奥氏体相含量；一定的铝含量可显著提高钢的热变形抗力，提高钢材的耐蚀性；延迟动态开裂。Al能显著提高钢的层错能，改变其变形机理。同时，含Al的中锰钢在发生猛烈碰撞时起到一定的缓冲作用。在冶炼过程中，Al元素烧损严重，应注意元素的合理配比。

P、S均为钢中的有害元素，易引起钢材的脆断，降低钢板韧性。因此在冶炼过程中需要严格控制钢中磷、硫的含量。

Claims

1.一种低密度Fe-Mn-Al-C系冷轧汽车用钢板的制备方法，其特征在于化学成分质量百分比为：0.65％～0.75％C、14.0％～19.0％Mn、7.0％～10.5％Al、P<0.003％、S<0.002％，余量为Fe及不可避免杂质，试验用钢的密度为6.65～7.05g/cm³，制备工艺步骤包括：冶炼、锻造、钢坯加热到1150～1180℃保温后进行多道次热轧变形；热轧后钢板进一步固溶处理，在950～1050℃保温0.5～1h后水淬处理；接着冷轧变形，之后退火处理，在1000℃保温10～15min后水淬；具体步骤如下：

(1)根据上述的合金成分体系进行冶炼，并将铸造坯料锻造成板坯；

(2)将板坯进行热轧；加热温度为1150～1180℃，保温2h组织均匀化处理，经多道次轧制变形，累积变形量在80％～90％，轧后水淬至200～300℃，空冷至室温；

(3)钢板热轧后的固溶处理工艺采用快速加热到固溶温度950～1050℃，保温0.5～1h后直接水淬至200～300℃卷取，空冷至室温；

(4)将钢板进行冷轧：根据轧机能力，经过多道次轧制变形，累积压缩量为60％～80％；之后对冷轧钢板进行退火处理，空冷至室温；

其中步骤(2)所述的热轧的开轧温度为1050～1100℃，终轧温度为850～900℃；

步骤(4)所述的冷轧钢板退火温度在1000℃，保温时间为10～15min。

2.根据权利要求1所述的低密度Fe-Mn-Al-C系冷轧汽车用钢板的制备方法，其特征在于强塑积大于40GPa·％。