CN108396244A - 一种冷轧中锰高铝低密度钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种冷轧中锰高铝低密度钢及其制备方法，合金成分按重量百分比：C：1.20～1.30％，Mn：10.7～11.3％，Al：9.5～10％，P≤0.005％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；制备：1)按冷轧中锰高铝低密度钢成分配比，冶炼浇铸得铸锭；2)铸锭加热保温，锻造成形获得钢坯；3)钢坯加热保温，进行多道次热轧，水冷至室温，制得热轧板；4)热轧板，在一定温度下保温，直接水淬火至室温；5)将固溶处理后的板材，进行多道次冷轧，制得冷轧板；6)将冷轧板在一定温度下保温，水淬至室温，制得冷轧中锰高铝低密度钢；其密度为6.81～6.85g/cm3，其屈服强度1170～1230MPa，抗拉强度1280～1320MPa，延伸率16～17％，强塑积≥21GPa％。

Description

一种冷轧中锰高铝低密度钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种冷轧中锰高铝低密度钢及其制备方法。
背景技术
日益严重的能源危机和环境污染成为全球共同面对的难题，减轻车身重量是提高汽车燃油效率、降低排放的重要举措之一。目前，国内研究开发汽车轻量化项目，开发高强度及高强度钢板，通过降低汽车钢板厚度实现车身减重的目的。高强度、成形性能良好、减重效果明显及低成本钢板是现代汽车钢发展的趋势。
当今开发研究中的先进汽车用钢中包括DP钢、Q&P钢、TRIP钢及TWIP钢，通过提高材料本身强度降低汽车结构件中的规格厚度达到车身轻量化的效果。一种更有潜力的思路是，研发集高强度与低密度于一身的汽车用低密度钢。通过添加一定量的Al元素，有效地实现减重的目的并达到超高的材料强度。为保证乘客的安全，相比于强塑积，汽车用钢的高屈强比更为重要。高屈服强度可达到高几何刚度以防止或减少碰撞时车厢结构变形，比通过构件本身变形吸收冲击能更为重要。然而，随着高强钢板屈服强度的升高，必然带来塑性变形能力的下降，冲压等成形易开裂成为制约高强钢板广泛应用的关键。
考虑到目前钢铁生产成本及工艺可行性，中锰高铝低密度钢采用合理的成分设计，具有一定的Mn、Al和C含量，从而获得奥氏体为基体及少量铁素体的双相组织，具有高强度、良好的成形性能及低密度的特点，具有更大的开发前景和优势。
发明内容
针对现有技术的不足，目的是提供一种高强度、成形性能良好的冷轧中锰高铝低密度钢及其制备方法，通过设计合理的合金成分和热处理工艺，控制奥氏体组织含量及分布，从而获得具有高强度、成形性能良好兼具低密度优势的的冷轧汽车用钢。
本发明的一种冷轧中锰高铝低密度钢，其合金成分按重量百分比为：C：1.20～1.30％，Mn：10.7～11.3％，Al：9.5～10％，P≤0.005％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；所述冷轧中锰高铝低密度钢的密度为6.81～6.85g/cm3，其屈服强度1170～1230MPa，抗拉强度1280～1320MPa，延伸率16～17％，强塑积≥21GPa％。
所述的冷轧中锰高铝低密度钢的密度，较纯铁降低约13％。
所述的冷轧中锰高铝低密度钢，其组织为含有高密度退火孪晶的奥氏体基体及铁素体的双相组织，奥氏体晶粒内存在均匀分布的纳米级κ碳化物。其中铁素体的双相组织为少量的铁素体的双相组织。
上述的本发明的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：
按冷轧中锰高铝低密度钢的成分配比，冶炼并浇铸制成铸锭；
步骤2，锻造：
(1)将铸锭加热至1170～1230℃，保温2～4h；
(2)然后在950～1050℃锻造成形获得钢坯；
步骤3，热轧：
(1)将钢坯加热至1180～1250℃，保温1～5h；
(2)将保温后的钢坯，进行多道次热轧，开轧温度1120～1160℃，终轧温度在≥950℃，总累计压下率为80～90％，水冷至室温，制得热轧板；
步骤4，固溶处理：
将热轧板，在990～1010℃保温1～2h，直接水淬火至室温；
步骤5，冷轧：
将固溶处理后的板材，进行多道次冷轧，总累计压下率为70～80％，制得冷轧板；
步骤6，热处理：
将冷轧板在980～1020℃，保温5～15min，水淬至室温，制得冷轧中锰高铝低密度钢。
上述的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，其中：
所述步骤3中，共进行5～8道次热轧。
所述步骤4中，固溶处理采用箱式电阻炉。
所述步骤5中，共进行5～8道次冷轧。
所述步骤5，进行冷轧前，将固溶处理后的板材先酸洗去除氧化铁皮。其中，酸洗是采用重量浓度8～12％的盐酸溶液进行酸洗。
所述步骤5，根据轧机能力进行多道次冷轧。
本发明的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明的方法中冷轧板在在1000℃±10℃保温10min，在水淬冷却至室温的过程中，通过调幅分解在奥氏体晶粒内形成均匀分布的纳米级κ碳化物。塑性变形时，开动的位错剪切κ碳化物颗粒促使建立平面位错滑移的变形机制和形成滑移带，由此提供持续的加工硬化，从而使材料具有良好的塑性。同时，少量铁素体和κ碳化物的存在有利于钢板强度的提高。本发明的制备方法可以获得一种兼具高强度且成形性能良好优点的低密度汽车用钢。
(2)相比于DP钢、Q&P钢、TRIP钢及TWIP钢等传统高强度汽车结构用钢，本发明采用合理的合金元素配比，通过添加一定量的Al轻质元素，在保证钢板达到高强度的基础上，大幅度降低钢板密度，减重效果显著，且轧后热处理工艺简单，是理想的新一代汽车用钢。
附图说明
图1为本发明实施例1的冷轧中锰高铝低密度钢的制备工艺流程示意图；
图2本发明实施例1～4的冷轧中锰高铝低密度钢的进行室温拉伸试验时的拉伸试样图；单位mm；
图3本发明实施例1的冷轧中锰高铝低密度钢的金相组织图，图中含有大量退火孪晶的为奥氏体，亮白色的孤立、链状分布的为铁素体；
图4本发明实施例1的冷轧中锰高铝低密度钢的透射组织图，其中(a)为明场图像，(b)为暗场图像，(c)为选区衍射斑点图像；
图5本发明实施例1的冷轧中锰高铝低密度钢的冷弯成形U形件试样照片。
具体实施方式
本发明实施例中进行组织观察采用的设备OLYMPUS公司的DSX550金相显微镜和FEI公司的TECNAI G220型透射电子显微镜。
本发明实施例中采用的轧机是东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室自行设计的φ450mm的热轧机组，最大轧制力为4000kN，轧制速度为0～1.5m/s，主电机功率为400kW。
本发明实施例中采用的轧机是东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室自行设计的直拉式四辊可逆冷轧机，最大轧制力为1200kN，轧制速度为0～0.3m/s，主电机功率为18.5kW。
本发明实施例中轧制表面温度的测量采用日本产ICON手提式红外测温仪，高温仪测温范围为600～3000℃，低温仪测温范围为-50～1000℃。
本发明实施例中轧后热处理采用是箱式电阻炉，额定功率为8kW，额定电压380V，额定温度1350℃。
本发明实施例中，沿轧制方向切取试样，将切下的试样用砂纸进行磨光，然后在电解抛光机上抛光，抛光液为60ml高氯酸、910ml酒精和300ml蒸馏水的混合溶液，抛光电压为28V，抛光时间35s。电解抛光之后立即用无水乙醇将试样表面进行冲洗，防止杂质残留于试样表面；之后用吹风机吹干，随后进行腐蚀。
本发明实施例中，采用的腐蚀剂为4g苦味酸、1ml盐酸和100ml甲醇的混合溶液进行腐蚀，然后用金相显微镜观察产品的组织。
本发明实施例中，在冷轧钢板上切取试样，将切下的试样用砂纸进行研磨至50μm厚，利用95％冰乙酸、5％高氯酸混合溶液进行双喷减薄，然后用透射电镜观察产品的组织。
本发明实施例中，根据ASTM E8/E8M标准将热处理后的实验钢加工成拉伸试样，如图4所示，沿轧制方向切取试样并用砂纸进行初步的打磨，设定拉伸速度3mm/min，拉伸前先固定好电子引伸计，拉伸过程由计算机程序自动控制。
本发明实施例中，沿轧制方向切取290mm×100mm试样，利用双柱液压机，借助一副凹模凸模，通过人为控制液压机，进行冷弯试验测试钢板成形性能，冷弯成形U形件试样照片。
实施例1
一种冷轧中锰高铝低密度钢，其合金成分按重量百分比为：C：1.25％，Mn：11％，Al：9.86％，P≤0.0046％，S≤0.0026％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述的本发明的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：
按冷轧中锰高铝低密度钢的成分配比，冶炼并浇铸制成铸锭；
步骤2，锻造：
(1)将铸锭加热至1200℃，保温2h；
(2)然后在1000℃锻造成形获得钢坯；
步骤3，热轧：
(1)将钢坯加热至1200℃，保温2h；
(2)将保温后的钢坯，进行6道次热轧，开轧温度1150℃，终轧温度为960℃，总累计压下率为88％，水冷至室温，制得热轧板；
步骤4，固溶处理：
采用箱式电阻炉将热轧板，在1000温1h，直接水淬火至室温；
步骤5，冷轧：
将固溶处理后的板材先酸洗去除氧化铁皮，根据轧机能力进行5道次冷轧，总累计压下率为75％，制得冷轧板；
步骤6，热处理：
将冷轧板在1000℃，保温10min，水淬至室温，制得冷轧中锰高铝低密度钢。
本实施例制备的冷轧中锰高铝低密度钢，其密度为6.85g/cm3，其屈服强度1225MPa，抗拉强度1314MPa，延伸率17％，强塑积≥21GPa％。
本实施例的冷轧中锰高铝低密度钢的制备工艺流程示意图如图1所示，制备的冷轧中锰高铝低密度钢，其组织的金相组织扫描如图3所示，透射组织如图4所示，为含有高密度退火孪晶的奥氏体基体及少量铁素体的双相组织，奥氏体晶粒内存在均匀分布的纳米级κ碳化物；其冷弯成形U形件试样照片如图5所示，成形件形状良好、精度高，没有开裂、裂纹，在弯曲部位无褶皱，呈现了材料良好的成形特性。
实施例2
一种冷轧中锰高铝低密度钢，其合金成分按重量百分比为：C：1.20％，Mn：10.7％，Al：9.5％，P≤0.005％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述的本发明的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：
按冷轧中锰高铝低密度钢的成分配比，冶炼并浇铸制成铸锭；
步骤2，锻造：
(1)将铸锭加热至1170℃，保温4h；
(2)然后在950℃锻造成形获得钢坯；
步骤3，热轧：
(1)将钢坯加热至1180℃，保温5h；
(2)将保温后的钢坯，进行5道次热轧，开轧温度1120℃，终轧温度为970℃，总累计压下率为90％，水冷至室温，制得热轧板；
步骤4，固溶处理：
采用箱式电阻炉将热轧板，在990℃温2h，直接水淬火至室温；
步骤5，冷轧：
将固溶处理后的板材先酸洗去除氧化铁皮，根据轧机能力进行5道次冷轧，总累计压下率为70％，制得冷轧板；
步骤6，热处理：
将冷轧板在980℃，保温15min，水淬至室温，制得冷轧中锰高铝低密度钢。
本实施例制备的冷轧中锰高铝低密度钢，其密度为6.81g/cm3，其屈服强度1200MPa，抗拉强度1310MPa，延伸率16％，强塑积≥21GPa％。
本实施例制备的冷轧中锰高铝低密度钢，其组织为含有高密度退火孪晶的奥氏体基体及铁素体的双相组织，奥氏体晶粒内存在均匀分布的纳米级κ碳化物。
实施例3
一种冷轧中锰高铝低密度钢，其合金成分按重量百分比为：C：1.30％，Mn：11.3％，Al：10％，P≤0.005％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述的本发明的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：
按冷轧中锰高铝低密度钢的成分配比，冶炼并浇铸制成铸锭；
步骤2，锻造：
(1)将铸锭加热至1230℃，保温2～4h；
(2)然后在1050℃锻造成形获得钢坯；
步骤3，热轧：
(1)将钢坯加热至1250℃，保温1h；
(2)将保温后的钢坯，进行8道次热轧，开轧温度1160℃，终轧温度为950℃，总累计压下率为80％，水冷至室温，制得热轧板；
步骤4，固溶处理：
采用箱式电阻炉将热轧板，在990℃温2h，直接水淬火至室温；
步骤5，冷轧：
将固溶处理后的板材先酸洗去除氧化铁皮，根据轧机能力进行8道次冷轧，总累计压下率为80％，制得冷轧板；
步骤6，热处理：
将冷轧板在1020℃，保温5min，水淬至室温，制得冷轧中锰高铝低密度钢。
本实施例制备的冷轧中锰高铝低密度钢，其密度为6.83g/cm3，其屈服强度1195MPa，抗拉强度1310MPa，延伸率16.5％，强塑积≥21GPa％。
本实施例制备的冷轧中锰高铝低密度钢，其组织为含有高密度退火孪晶的奥氏体基体及少量铁素体的双相组织，奥氏体晶粒内存在均匀分布的纳米级κ碳化物。
实施例4
一种冷轧中锰高铝低密度钢，其合金成分按重量百分比为：C：1.25％，Mn：11.2％，Al：9.8％，P≤0.005％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述的本发明的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：
按冷轧中锰高铝低密度钢的成分配比，冶炼并浇铸制成铸锭；
步骤2，锻造：
(1)将铸锭加热至1210℃，保温3h；
(2)然后在1015℃锻造成形获得钢坯；
步骤3，热轧：
(1)将钢坯加热至1190℃，保温4h；
(2)将保温后的钢坯，进行6道次热轧，开轧温度1140℃，终轧温度在为980℃，总累计压下率为88％，水冷至室温，制得热轧板；
步骤4，固溶处理：
采用箱式电阻炉将热轧板，在995温1.5h，直接水淬火至室温；
步骤5，冷轧：
将固溶处理后的板材先酸洗去除氧化铁皮，根据轧机能力进行7道次冷轧，总累计压下率为74％，制得冷轧板；
步骤6，热处理：
将冷轧板在990℃，保温12min，水淬至室温，制得冷轧中锰高铝低密度钢。
本实施例制备的冷轧中锰高铝低密度钢，其密度为6.84g/cm3，其屈服强度1208MPa，抗拉强度1307MPa，延伸率16.2％，强塑积≥21GPa％。
本实施例制备的冷轧中锰高铝低密度钢，其组织为含有高密度退火孪晶的奥氏体基体及少量铁素体的双相组织，奥氏体晶粒内存在均匀分布的纳米级κ碳化物。

Claims (6)

1.一种冷轧中锰高铝低密度钢，其特征在于，所述合金成分按重量百分比为：C：1.20～1.30％，Mn：10.7～11.3％，Al：9.5～10％，P≤0.005％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；所述冷轧中锰高铝低密度钢的密度为6.81～6.85g/cm3，其屈服强度1170～1230MPa，抗拉强度1280～1320MPa，延伸率16～17％，强塑积≥21GPa％。
2.根据权利要求1所述的一种冷轧中锰高铝低密度钢，其特征在于，所述的冷轧中锰高铝低密度钢，其组织为含有高密度退火孪晶的奥氏体基体及铁素体的双相组织，奥氏体晶粒内存在均匀分布的纳米级κ碳化物。
3.权利要求1所述的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：
按冷轧中锰高铝低密度钢的成分配比，冶炼并浇铸制成铸锭；
步骤2，锻造：
(1)将铸锭加热至1170～1230℃，保温2～4h；
(2)然后在950～1050℃锻造成形获得钢坯；
步骤3，热轧：
(1)将钢坯加热至1180～1250℃，保温1～5h；
(2)将保温后的钢坯，进行多道次热轧，开轧温度1120～1160℃，终轧温度在≥950℃，总累计压下率为80～90％，水冷至室温，制得热轧板；
步骤4，固溶处理：
将热轧板，在990～1010℃保温1～2h，直接水淬火至室温；
步骤5，冷轧：
将固溶处理后的板材，进行多道次冷轧，总累计压下率为70～80％，制得冷轧板；
步骤6，热处理：
将冷轧板在980～1020℃，保温5～15min，水淬至室温，制得冷轧中锰高铝低密度钢。
4.根据权利要求3所述的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，共进行5～8道次热轧。
5.根据权利要求3所述的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，共进行5～8道次冷轧。
6.根据权利要求3所述的冷轧中锰高铝低密度钢的制备方法，其特征在于，所述步骤5，进行冷轧前，将固溶处理后的板材先酸洗去除氧化铁皮。
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