CN108118254A - 低密度高强钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低密度高强钢，按质量百分比，合金成分如下：0.2‑1.0%C、20‑26%Mn、6‑10%Al、0.5‑2.0%Cu、3‑5%Ti、1‑3%Ni、0.05‑0.2%Zr，其余为Fe及不可避免的杂质；其制备步骤为：将按照设计好的成分配比的原料放入真空感应炉熔炼母合金，获得合金铸锭；通过热锻获得锻坯；热处理。本发明制备的低密度高强钢密度近为6.5‑6.9g/cm3时，对于汽车车身减重显著；本发明所述的低密度高强钢通过析出碳化物、金属间化合物及富铜相复合强化合金基体，强化效果好。

Description

低密度高强钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低密度、高强度的轻质钢及其制备工艺，可用作汽车车身材料，属材料领域。
背景技术
中国的巨大汽车市场持续迅速增长，在能源危机和环境保护双重压力下，汽车轻量化设计成为当今汽车市场发展的主题。实现车身减重，一种有效的方式是采用低密度高强钢替代普通钢材，而低密度高强钢通常是通过添加轻质合金元素（如Al、Ti等）降低钢材的密度，通过合金化获得高强度。当前，低密度高强钢主要成分体系为Fe-Mn-Al-C系，荷兰发明专利（公开号：103827338A）公开了一种低密度高强钢，利用10多种合金元素合金化获得了优异的力学性能，但其密度达7.4g/cm3，对于车身减重效果较为有限。杨富强等（杨富强,宋仁伯,孙挺,张磊峰,赵超,廖宝鑫.Fe-Mn-Al轻质高强钢组织和力学性能研究[J].金属学报,2014, 50(8):897-904）开发的Fe-Mn-Al-C系低密度高强钢（成分：质量百分比表示为0.95%C-0.59%Si-27.02%Mn-11.5%Al-0.043%Nb-0.055%Cr,余量为Fe）密度为6.55 g/cm3，但经1050℃固溶处理后抗拉强度下降至925.9 MPa。国家发明专利（专利号：CN106399858A）通过添加5-20wt%的Ti析出Ti3Al金属间化合物强化合金，在保证低密度的前提下获得了高强度，然而，Ti元素价格较高，大量Ti元素的添加增加了合金成本。因此，亟需开发一种低成本的低密度高强度钢以满足日益严峻的能源危机要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低密度、高强度的轻质钢及其制备工艺。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种低密度高强钢，按质量百分比，合金成分如下：0.2-1.0%C、20-26%Mn、6-10%Al、0.5-2.0%Cu、3-5%Ti、1-3%Ni、0.05-0.2%Zr，其余为Fe及不可避免的杂质。
一种制备上述低密度高强钢的方法包括以下步骤：
第一步：将按照设计好的成分配比的原料放入真空感应炉熔炼母合金，获得合金铸锭；
第二步：通过热锻获得锻坯；
第三步：热处理。
其中，第一步中所述合金熔炼工艺：采用水冷铜坩埚坩埚，熔炼功率为10-25kW，熔炼时间为5-20分钟。
第二步中所述通过热锻获得锻坯的工艺：热锻始锻温度1050-1100℃，终锻温度为850-900℃，加载速率为1-10mm/s。
第三步中所述低密度高强钢热处理工艺：在650-750℃范围内进行去应力退火，处理时间为2-6小时，冷却方式为空冷；在950-1050℃范围内进行高温固溶处理，时间为0.5-2小时，冷却方式为水淬。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
（1）本发明合金贵重元素含量低，成本较低。
（2）本发明低密度高强钢密度近为6.5-6.9g/cm3时，对于汽车车身减重显著。
（3）本发明低密度高强钢，通过析出碳化物、金属间化合物及富铜相复合强化合金基体，强化效果好。
附图说明
图1是本发明低密度高强钢制备流程图。
图2是本发明实施例2的一种低密度高强钢室温拉伸性能曲线。
具体实施方式
本发明所述合金设计原理如下：
（1）加入一定量的C，主要作用是与Mn、Al、Zr等元素形成(Fe,Mn)3C和(Fe,Mn)3AlC等碳化物来强化合金。
（2）Mn是奥氏体稳定元素，Mn的添加促进基体奥氏体化，在保持较高的加工硬化前提下改善塑性，有利于获得良好的强塑性组合。但Mn含量过高，会增大工件在快速加热和冷却过程中的开裂倾向。
（3）Al的密度为2.7g/cm3，是降低钢的密度的主要元素。Al与Ti、Cu结合形成Ti-Al、Cu-Al相强化合金，同时Al作为K-碳化物的组成元素促进K-碳化物的形成，抑制奥氏体形成，使钢的强度增加而塑性降低。
（4）Ti的添加除与C、N形成化合物细化奥氏体晶粒之外，主要与Al形成Ti-Al金属间化合物相获得析出强化，提高钢的强度。同时，Ti还具有密度低的特点，与Al共同降低钢的密度。
（5）Cu是奥氏体形成元素，Cu的添加能够改善合金变形能力，并通过热处理析出纳米团簇铜相，强化合金。
（6）Zr是碳化物强形成元素，Zr的添加能够抑制钛的碳化物的形成，有利于析出金属间化合物强化基体。
下列各实施例中所述的低密度高强钢制备流程图见图1。
实施例1
本实施例合金成分按质量百分比如下：0.2%C、20%Mn、6%Al、0.5%Cu、3%Ti、1%Ni、0.05%Zr，其余为Fe及不可避免的杂质。
第一步：将按照设计好的成分配比的原料放入真空感应炉熔炼母合金，获得合金铸锭；
第二步：通过热锻获得锻坯；
第三步：热处理。
其中，第一步中所述合金熔炼工艺：采用水冷铜坩埚，熔炼功率为10kW，熔炼时间为5分钟。
第二步中所述通过热锻获得锻坯的工艺：热锻始锻温度1050℃，终锻温度为850℃，加载速率为1mm/s。
第三步中所述低密度高强钢热处理工艺：在650℃范围内进行去应力退火，处理时间为2小时，冷却方式为空冷；在950℃范围内进行高温固溶处理，时间为0.5小时，冷却方式为水淬。
本实施例力学性能如表1所示。
实施例2
本实施例合金成分按质量百分比如下：0.6%C、23%Mn、8%Al、1.25%Cu、4%Ti、2%Ni、0.125%Zr，其余为Fe及不可避免的杂质。
一种制备上述低密度高强钢的方法包括以下步骤：
第一步：将按照设计好的成分配比的原料放入真空感应炉熔炼母合金，获得合金铸锭；
第二步：通过热锻获得锻坯；
第三步：热处理。
其中，第一步中所述合金熔炼工艺：采用水冷铜坩埚，熔炼功率为17.5kW，熔炼时间为12.5分钟。
第二步中所述通过热锻获得锻坯的工艺：热锻始锻温度1075℃，终锻温度为875℃，加载速率为5.5mm/s。
第三步中所述低密度高强钢热处理工艺：在700℃范围内进行去应力退火，处理时间为4小时，冷却方式为空冷；在1000℃范围内进行高温固溶处理，时间为1.25小时，冷却方式为水淬。
本实施例低密度高强钢密度为6.84g/cm2，室温抗拉强度为1148MPa，延伸率为38%，其室温拉伸性能曲线见图2。
实施例3
本实施例合金成分按质量百分比如下：1.0%C、26%Mn、10%Al、2.0%Cu、5%Ti、3%Ni、0.2%Zr，其余为Fe及不可避免的杂质。
一种制备上述低密度高强钢的方法包括以下步骤：
第一步：将按照设计好的成分配比的原料放入真空感应炉熔炼母合金，获得合金铸锭；
第二步：通过热锻获得锻坯；
第三步：热处理。
其中，第一步中所述合金熔炼工艺：采用水冷铜坩埚，熔炼功率为25kW，熔炼时间为20分钟。
第二步中所述通过热锻获得锻坯的工艺：热锻始锻温度1100℃，终锻温度为900℃，加载速率为10mm/s。
第三步中所述低密度高强钢热处理工艺：在750℃范围内进行去应力退火，处理时间为6小时，冷却方式为空冷；在1050℃范围内进行高温固溶处理，时间为2小时，冷却方式为水淬。
本实施例力学性能如表1所示。
实施例4
本实施例合金成分如实施例2，制备方法如实施例1。
本实施例力学性能如表1所示。
实施例5
本实施例合金成分如实施例2，制备方法如实施例3。
本实施例力学性能如表1所示。
对比例1
本对比例合金成分按质量百分比下：0.6%C、23%Mn、8%Al、4%Ti、2%Ni、0.125%Zr，其余为Fe及不可避免的杂质。制备方法如实施例2。
本对比例力学性能如表1所示。
对比例2
本对比例合金成分按质量百分比如下：0.6%C、23%Mn、8%Al、1.25%Cu、4%Ti、2%Ni，其余为Fe及不可避免的杂质。制备方法如实施例2。
本对比例力学性能如表1所示。
对比例3
本对比例合金成分按质量百分比如下：0.6%C、23%Mn、8%Al、1.25%Cu、2%Ni、0.125%Zr，其余为Fe及不可避免的杂质。制备方法如实施例2。
本对比例力学性能如表1所示。
表1
实施例 抗拉强度(R m )/MPa 延伸率(δ)/%
实施例1 1040 41
实施例2 1148 38
实施例3 1211 31
实施例4 1132 39
实施例5 1190 32
对比例1 1011 35
对比例2 1035 30
对比例3 1021 32

Claims (5)

1.低密度高强钢，其特征在于，按质量百分比，包括如下组分组成：0.2-1.0%C、20-26%Mn、6-10%Al、0.5-2.0%Cu、3-5%Ti、1-3%Ni、0.05-0.2%Zr，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.制备权利要求所述的低密度高强钢的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一步：将按照设计好的成分配比的原料放入真空感应炉熔炼母合金，获得合金铸锭；
第二步：通过热锻获得锻坯；
第三步：热处理。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，第一步中，所述合金熔炼时采用水冷铜坩埚，熔炼功率为10-25kW，熔炼时间为5-20分钟。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，第二步中，通过热锻获得锻坯的工艺如下：热锻始锻温度1050-1100℃，终锻温度为850-900℃，加载速率为1-10mm/s。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，第三步中，热处理工艺如下：在650-750℃范围内进行去应力退火，处理时间为2-6小时，冷却方式为空冷；在950-1050℃范围内进行高温固溶处理，时间为0.5-2小时，冷却方式为水淬。
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