CN106244927B - 一种低密度超高强度钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低密度超高强度钢及其制备方法，属于金属材料领域。所述钢的化学成分质量百分比为：C 0.6‑1.6％，Al 5‑10％，Mn 15‑30％，Nb 0.01‑0.2％，Mo 0.1‑3％，Cr≤5％，Ti≤0.5％，Si≤2％，B≤0.6％，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。本发明通过复合添加Nb和Mo析出细小弥散的NbMoC相，协同κ‑碳化物进行析出强化，拉伸强度达1350MPa以上，延伸率达10％以上，密度为6.8‑7.0g/cm3，且成本低，适用于车辆、飞机等交通运输工具的轻量化，符合节能减排的发展理念。

Description

一种低密度超高强度钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低密度超高强度钢及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术
为了实现节约能源，提高燃油经济性，减少CO2排放量，轻量化已成为当下各种交通工具的重要发展趋势。一种思路是通过提高钢的强度和塑性等力学性能，以减少所需钢材的用量，达到减重的目的。另一种思路是通过添加Al等合金元素降低钢是密度，同时通过优化成分和控制处理工艺保证钢的力学性能，来获得兼具低密度和高强度的钢材。研究表明，每添加1％的Al，钢的密度下降0.101g/cm3，可减重约1.3％；每添加1％的C，钢的密度下降0.41g/cm3，可减重约5.2％，而汽车自重每减少10％，油耗可降低6-8％，可有效的节约资源。
现阶段，低密度钢成分体系主要采用Fe-Mn-Al-C系，相关研究主要涉及成分和热处理工艺变化对力学性能和变形机理的影响。目前大多数Fe-Mn-Al-C系低密度钢的抗拉强度都在1300MPa以下，如何进一步提高钢的抗拉强度是开发该系列钢种所面临的一个重要问题。已报道的一种低密度高塑性NiAl增强超高强度钢，主要是依靠添加Ni元素形成NiAl来提高钢的抗拉强度，该钢抗拉强度达到1350MPa以上，但因其添加了5-15％的Ni元素，导致成本大大提高。
发明内容
有鉴于此，本发明是目的之一在于提供一种低密度超高强度钢，该钢在不提高钢材成本的条件下，显著提高了钢的抗拉强度。本发明的目的之二在于提供一种上述低密度超高强度钢的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种低密度超高强度钢，其化学成分质量百分比为：C 0.6-1.6％，Al 5-10％，Mn15-30％，Nb 0.01-0.2％，Mo 0.1-3％，Cr≤5％，Ti≤0.5％，Si≤2％，B≤0.6％，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。
一种本发明所述低密度超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)冶炼：按本发明所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，进行真空熔炼：将原料装入炉中，抽真空至真空度<50Pa时，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度<1Pa，温度为1600-1700℃时保温30分钟-2小时进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入炉内，通氩气保护，压强为100-150Pa，加热至完全熔化后保温2-5小时，冷却得到重熔后的钢锭。
(2)均匀化处理：在温度不高于600℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1150-1220℃时，保温9-15小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。
(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1080-1120℃，终锻温度为780-850℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯。
(4)热处理：将锻坯进行固溶处理：在温度为950-1100℃下，保温1-3小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为400-500℃下，保温4-10小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度超高强度钢。
优选的，真空熔炼采用真空感应炉。
优选的，重熔时选用真空自耗重熔或电渣重熔的方法。
有益效果
(1)本发明所述一种低密度超高强度钢，该钢成本低，强度达到1350MPa以上，密度为6.8-7.0g/cm3，适用于车辆、飞机等交通运输工具的轻量化，符合 节能减排的发展理念。
(2)本发明所述一种制备低密度超高强度钢的方法，该方法通过复合添加Nb和Mo析出细小弥散的NbMoC相，协同κ-碳化物进行析出强化，显著提高了钢的抗拉强度，该方法操作简单，工艺可靠。
本发明的成分设计依据如下：
C：C是重要的奥氏体稳定化元素，可促进基体奥氏体化，同时有助于降低密度。其作用主要是与Mn和Al元素形成κ-碳化物((Fe，Mn)3AlC)，以及与Nb和Mo形成NbMoC，二者复合析出产生强化，提高钢的强度。C含量过低时，形成的碳化物数量少，强度较低。随C含量增加，奥氏体的含量和稳定性都增加，钢的强度和延伸率都可得到提升，但基体完全转变为奥氏体后，继续增加C会导致塑性降低。过高的C含量还会导致奥氏体晶界处形成粗大的κ-碳化物，降低其延伸率。因此，本发明的C含量为0.6-1.6％。
Al：Al的添加可显著降低钢的密度，同时和C一同促进κ-碳化物的形成。Al含量过低时不会形成κ-碳化物，且降低密度效果不明显。Al是铁素体稳定化元素，随其含量增加，基体中会逐渐出现铁素体组织，会使钢的强度增加而塑性降低。Al含量过高会导致分布在组织边界处的κ-碳化物数量增多，进而促进裂纹形成。总体来说Al含量增加虽然有利于钢强度提升但会明显降低塑性，不利于良好的强塑性匹配。所以，本发明的Al含量为5-10％。
Mn：Mn的主要作用是作为奥氏体稳定化元素，被大量加入以获得奥氏体为基体的组织。奥氏体有利于钢保持较高的加工硬化率，从而获得良好的强塑性配合。Mn还可以提高钢的加工硬化性能，从而提高钢的强度。但过高的Mn含量会导致钢的抗氧化性下降；并且，随锰含量的增加，钢的热导率急剧下降，线胀系数上升，使快速加热或冷却时形成较大内应力，工件开裂倾向增大。因此， 本发明的Mn含量为15-30％。
Nb：Nb的添加首先是与Mo形成细小的NbMoC，作为障碍物与可动位错交互作用产生析出强化，同时结合κ-碳化物的析出一同显著提高钢的强度。Nb本身是强碳化物形成元素，可与钢中的C形成NbC，同样对钢有析出强化作用。并且，Nb在钢中可以以置换溶质原子存在，通过溶质拖曳机制使再结晶形核受到抑制，提高了奥氏体的再结晶温度而使奥氏体晶粒细化。但Nb属于微量合金元素，且成本较高，因此，本发明的Nb含量为0.01-0.2％。
Mo：Mo的添加是为了与Nb一起形成细小的NbMoC，获得较大的析出强化效果。有研究表明，对于单独添加Nb的钢而言，Nb元素可使其强度得到提升，但在此基础上加入Mo可进一步提升钢的强度，提升幅度可达100-150MPa。此外，Mo还能够提高钢的淬透性和热强性，但Mo含量过高会使钢的抗氧化性恶化，因此，本发明的Mo含量为0.1-3％。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步说明。
拉伸试验设备：型号为INSTRON5985的电子万能材料试验机(美国英斯特朗)；
实施例中拉伸强度测试标准：GB/T228-2002；抗拉强度，屈服强度和延伸率均由拉伸试验所得的拉伸应力-应变曲线按GB/T228-2002测得。
真空感应炉为锦州中真电炉有限责任公司生产的ZG-0.05真空感应炉；电渣炉为上海凯越自动化设备有限公司生产的0.5吨气氛保护电渣炉。根据本发明一种低密度超高强度钢的化学成分范围，制备39公斤的合金锭7炉。
表1为本发明实施例制得的所述低密度超高强度钢的化学成分质量百分比(wt％)。
表1
实施例 炉号 C/wt％ Mn/wt％ Al/wt％ Nb/wt％ Mo/wt％ Cr/wt％ Ti/wt％
1 1# 0.6 27 10 0.2 3.0 5 0.1
2 2# 0.9 25 8 0.12 1.1 - -
3 3# 1.3 25 9 0.01 0.9 4 0.2
4 4# 1.2 15 5 0.03 0.8 - -
5 5# 1.4 30 8 0.1 1.0 4 -
6 6# 1.5 25 8 0.1 0.1 4 -
7 7# 1.6 22 9 0.15 1.5 5 0.1
续表1
实施例 炉号 Si/wt％ B/wt％ P/wt％ S/wt％ O/wt％ N/wt％ Fe/wt％
1 1# - 0.1 0.003 0.0035 0.0019 0.0022 余量
2 2# - - 0.004 0.004 0.0016 0.0020 余量
3 3# 0.5 0.4 0.0035 0.003 0.0010 0.0030 余量
4 4# 0.3 - 0.003 0.004 0.0015 0.0025 余量
5 5# - 0.5 0.0035 0.0035 0.0010 0.0025 余量
6 6# 1.9 0.1 0.002 0.004 0.0015 0.0030 余量
7 7# 0.8 - 0.003 0.004 0.0012 0.0020 余量
实施例1
一种低密度超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)冶炼：按表1中1#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为100Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至84kW，保持该功率5小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。
(2)均匀化处理：在温度为550℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1150℃时，保温15小时，随炉冷却至室温，均匀化处理后的钢锭。
(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1080℃，终锻温度为780℃，在空气中冷却至室温，锻造得到锻坯，锻坯为尺寸：的试棒。
(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯，然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为950℃下，保温3小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为400℃下，保温10小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度超高强度钢的拉伸试样毛坯。
实施例2
一种低密度超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)冶炼：按表1中2#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将的钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为120Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至87.5kW时钢锭完全熔化，保持该功率2小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。
(2)均匀化处理：在温度为580℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1220℃时，保温9小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。
(3)锻造：将上述钢锭进行锻造，始锻温度为1120℃，终锻温度为850℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯，锻坯为尺寸为：的试棒。
(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：温度为1100℃下，保温1小时，在淬火油中冷却至室 温；再进行时效处理：在温度为500℃下，保温4小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度超高强度钢的拉伸试样毛坯。
实施例3
一种所述低密度超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)冶炼：按表1中3#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1650℃时保温1.5小时进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为150Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至86kW时钢锭完全熔化，保持该功率3小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。
(2)均匀化处理：在温度为550℃时将上述得到的钢锭装入炉内，在温度为1190℃时，保温12小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。
(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为820℃，在空气中冷却至室温得到钢锭，锻坯为尺寸为：的试棒。
(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为1070℃下，保温2小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为450℃下，保温7小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度超高强度钢的拉伸试样毛坯。
实施例4
一种低密度超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)冶炼：按表1中4#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量 选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为150Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至87kW时钢锭完全熔化，保持该功率4小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。
(2)均匀化处理：在温度为550℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1160℃时，保温12小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。
(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为800℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯，所述锻坯为尺寸为：的试棒。
(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为970℃下，保温3小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为450℃下，保温8小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度超高强度钢的拉伸试样毛坯。
实施例5
一种低密度超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)冶炼：按表1中5#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔： 将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为150Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至87kW时钢锭完全熔化，保持该功率4小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。
(2)均匀化处理：在温度为550℃时将上述得到的钢锭装入炉内，在温度为1180℃时，保温10小时，随炉冷却至室温，得到均匀化处理后的钢锭。
(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为800℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯，所述锻坯为尺寸为：的试棒。
(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为1050℃下，保温1.5小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为450℃下，保温8小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度超高强度钢的拉伸试样毛坯。
实施例6
一种低密度超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)冶炼：按表1中6#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为100Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至85kW时钢锭完全熔化，保持该功率5小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。
(2)均匀化处理：在温度为550℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为 1160℃时，保温12小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。
(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为800℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯，所述锻坯为尺寸为：的试棒。
(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为1000℃下，保温2小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为470℃下，保温6小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度超高强度钢的拉伸试样毛坯。
实施例7
一种低密度超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)冶炼：按表1中7#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气做保护气下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为100Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至84kW时钢锭完全熔化，保持该功率5小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。
(2)均匀化处理：在温度为550℃时将上述得到的钢锭装入炉内，在温度为1160℃时，保温12小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。
(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为800℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯，所述锻坯为尺寸为：的试棒。
(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为1020℃下，保温2小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为,470℃下，保温6小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度超高强度钢的拉伸试样毛坯。
将实施例1～7中制得的所述拉伸试样毛坯经磨削加工成横截面直径d为5mm，原始标距L0为25mm的标准比例拉伸试样，进行力学性能测试如表2所示，其中σb表示拉伸强度，σ0.2表示屈服强度，A表示延伸率。
表2
实施例 炉号 σb/MPa σ0.2/MPa A/％ 密度/(g/cm3)
1 1# 1310 1130 26 7.0
2 2# 1360 1190 27 6.9
3 3# 1400 1240 23 6.9
4 4# 1360 1190 20 7.0
5 5# 1410 1260 18 6.8
6 6# 1450 1290 19 6.8
7 7# 1430 1270 14 6.8

Claims (2)

1.一种低密度超高强度钢，其特征在于：所述钢的化学成分质量百分比为：C 0.6-1.6％，Al 5-10％，Mn 15-30％，Nb 0.01-0.2％，Mo 0.1-3％，Cr≤5％，Ti≤0.5％，Si≤2％，B≤0.6％，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素；
其中，所述钢的制备方法如下：
(1)冶炼：首先进行真空熔炼：将原料装入炉中，抽真空至真空度<50Pa时，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度<1Pa，温度为1600-1700℃时保温30分钟-2小时进行精炼，充分脱氧后在氩气做保护气下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却得到钢锭；再进行重熔：钢锭放入炉内，通氩气做保护气，压强为100-150Pa，加热使其熔化后保温2-5小时至完全熔化，冷却得到重熔后的钢锭；
(2)均匀化处理：在温度不高于600℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1150-1220℃时，保温9-15小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭；
(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1080-1120℃，终锻温度为780-850℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯；
(4)热处理：将锻坯进行固溶处理：在温度为950-1100℃下，保温1-3小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为400-500℃下，保温4-10小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度超高强度钢。
2.根据权利要求1所述的一种低密度超高强度钢，其特征在于：所述钢的制备方法中真空熔炼采用真空感应炉；重熔时采用真空自耗重熔或电渣重熔的方法。
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