CN108486492B - 1200MPa级高强度高塑性低密度钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种1200MPa级高强度高塑性低密度钢板及其制造方法，成分按质量百分比含C 0.7～1％，Mn 13～20％，Al 8～11％，Ni 1～4％，Si<0.1％，S<0.01％，P<0.01％，Ti 0～0.1％，Nb 0～0.1％，V 0～0.15％，抗拉强度为1200～1300MPa，延伸率为30～40％，密度为6.5～7g/cm3；制造方法为：(1)按上述成分冶炼钢水，浇铸；(2)加热至1100～1200℃保温后热轧，开热轧结束后水冷至室温；(3)加热至900～1100℃保温后水冷；(4)酸洗后冷轧；(5)加热至800～1000℃保温后空冷。本发明的低密度钢板在获得高强度的同时仍能够保证良好的塑性。

Description

1200MPa级高强度高塑性低密度钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于先进高强钢生产技术领域，具体涉及一种1200MPa级高强度高塑性低密度钢板及其制造方法。
背景技术
近年来，随着我国经济和工业的快速发展，资源匮乏和环境约束等问题日趋明显；先进高强钢是近年来出现的新型钢材，其可在获得高强度的同时保证良好的塑性和成形性，广泛应用于汽车、桥梁工程、输电塔、海洋平台、油气输送管道和船舶制造等行业；提高先进高强钢的强度、塑性等力学性能不仅可以有效减少工业产品的自重，而且能够提高其安全性，从而减少燃料的消耗和废气的排放以达到节能减排的目的。
与传统的普通高强度钢相比，先进高强钢最大的优势在于在保证力学性能的同时减轻板材构件的厚度和重量，还具有良好的成形性、防撞凹性、抗疲劳性能、较高的加工硬化率等优点，在各行业中均显示出良好的应用前景；先进高强钢具有优异的综合力学性能，是由于其具有独特的多相组织，通过对组织的调控，可以获得硬质基体和奥氏体相等多相复合的组织结构，从而保证良好的强度和塑性；此外，除普通高强钢所具有的固溶、析出、细晶等强化方式外，先进高强钢还可以通过奥氏体在受外应力而变形过程中发生TRIP或TWIP效应来提高钢材的强韧性；其中，Fe-Al-Mn-C系高强钢根据化学成分的变化，其室温显微组织可能为单相奥氏体或奥氏体和铁素体双相，且纳米级(Fe,Mn)3AlC型κ-碳化物在其间弥散分布，主要是利用奥氏体的TWIP效应和多相协调变形来达到提高强度和塑性的目的，但是含有κ-碳化物的Fe-Al-Mn-C钢应变强化速率较低，容易受到位错滑移产生的切应力的影响。
迄今为止，在对Fe-Al-Mn-C系高强钢的研究中，在合金成分设计上采用的理念一直是通过使“韧性”奥氏体晶体结构保持稳定并抑制金属间化合物脆性相的生成，从而得到良好塑性的钢板；这是由于一旦在钢材中形成一定量的金属间化合物脆性相，虽然会在一定程度上提高其强度，但是同时也会大大降低其塑性。从青铜时代起，人们就一直在寻求合金材料“轻量、强度、韧性”这三大性能指标的平衡。不过，强度和韧性却始终是相互排斥的，很难达在获得高强度的同时仍然保证良好的塑性；因此亟需一种具有高强度的同时又能够保证高塑性的低密度钢板。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种1200MPa级高强度高塑性低密度钢板及其制造方法，通过加入Ni元素，并配合制造过程中的冷轧和退火来获得大量且弥散的NiAl相，最终在提高钢板抗拉强度的同时提高延伸率。
本发明的1200MPa级高强度高塑性低密度钢板的成分按质量百分比含C 0.7～1％，Mn 13～20％，Al 8～11％，Ni 1～4％，Si<0.1％，S<0.01％，P<0.01％，Ti 0～0.1％，Nb 0～0.1％，V 0～0.15％，余量为Fe和不可避免杂质，其抗拉强度为1200～1300MPa，延伸率为30～40％，密度为6.5～7g/cm3。
上述的1200MPa级高强度高塑性低密度钢板的组织为奥氏体基体和NiAl第二相构成的双相组织。
上述的1200MPa级高强度高塑性低密度钢板的厚度为0.5～1.5mm。
本发明的1200MPa级高强度高塑性低密度钢板的制造方法按照以下步骤进行：
1、冶炼浇铸：在真空感应炉中按上述设定成分冶炼钢水，浇铸完成后得到铸锭；
2、热轧：将铸锭加热至1100～1200℃并保温1～2h，随后经过8～11道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1050～1170℃和800～900℃，热轧结束后水冷至室温，得到3～5mm厚的热轧板；
3、固溶处理：将热轧板加热至900～1100℃并保温0.5～2h，随后水冷至室温，得到固溶处理板；
4、冷轧：将固溶处理板酸洗后冷轧至厚度0.5～1.5mm，获得冷轧板；
5、退火：将冷轧板加热至800～1000℃并保温1～15min，随后空冷至室温，得到1200MPa高强度高塑性低密度钢板。
上述方法中，步骤2的热轧总压下率为95～98％。
上述方法中，步骤4的冷轧总压下率为70～82％。
上述方法中，步骤5空冷时的平均冷却速度20～28℃/s。
本发明的主要原理是：通过添加含量为1～4％的镍元素，利用镍元素的催化作用，在冷轧板的退火过程中，脆性金属间化合物B2有序相(即NiAl相)在钢中的奥氏体上析出，进而充分利用可以诱导晶粒析出的有效成核位点来控制NiAl相在基体中分布，从而使得钢板在获得高强度的同时仍能够保证良好的塑性。
本发明中钢板成分设计依据如下：
C：能够起到稳定奥氏体基体、固溶强化提高强度等作用；但是C容易与Al、Mn形成κ-碳化物，为脆性相，不利于获得高塑性。且C含量过高会使钢材的焊接性能显著下降，冷脆性和时效敏感性增大；因此C含量为0.7～1％；
Al：除形成κ-碳化物脆性相外，还会与Ni形成脆性金属间化合物B2相(NiAl)；因此，需要对Al的含量进行严格控制，在形成脆性金属间化合物B2相(NiAl)的同时不会数量过多、尺寸过于粗大。此外，Al含量过高会使钢的热加工性能变差，导致热轧过程中钢板开裂；因此Al含量为8～11％；
Mn：能与Fe无限固溶，提高钢材的强度。稳定奥氏体基体，保证良好的塑性；保证层错能处于18～35mJ/m2，变形机制为TWIP效应，从而保证良好的塑性；因此Mn含量为13～20％；
Ni：首先，Ni为奥氏体形成元素，能够起到稳定奥氏体基体的作用；此外，与Al结合形成脆性金属间化合物B2相(NiAl)，提高强度；但是含量过高会导致NiAl相数量过多，尺寸过于粗大，严重恶化塑性；因此Ni含量为1～4％；
Ti：首先，一部分Ti能够起到脱氧剂的作用；其次，与C有极强的亲和力，是强碳化物形成元素，在钢材中碳化钛可以起到细化强化、析出强化等作用，能够提高钢材的强度；但是若含量过高，能够显著降低C在奥氏体中的扩散速度，降低奥氏体中的C含量，导致基体稳定性下降，降低塑性；因此Ti含量≤0.1％；
Nb：Nb能够形成碳氮化物能够细化晶粒，同时固溶铌可以提高未再结晶区温度，易于通过控制轧制实现奥氏体的扁平化；高于0.10％时作用增加不明显，达到饱和；因此Nb含量应控制在0.10％以内；
V：以细小的碳氮化物形成存在时，能够细化晶粒；以固溶形式存在时，能够提高强度。适量加入可以改善性能，高于0.15％时易形成大颗粒碳氮化物，反而使韧塑性下降；另外，V还具有析出强化作用，可进一步提高钢的强度；因此V含量应控制在0.15％以内。
本发明制造方法中在热轧过程中的保温温度、时间和开、终轧温度的控制是为了保证铸锭组织完全均匀化，同时轧后获得尺寸细小的微观组织；热轧后水冷是为了避免κ-碳化物脆性相的形成；固溶处理是为了使晶粒适当粗化，各元素溶入基体中，从而使热轧板硬度降低，能够保证冷轧顺利进行而不发生开裂；冷轧过程中最终厚度的控制是为了保证足够大的变形量而充分破碎晶粒、细化组织，同时在奥氏体内获得足够多的剪切带和变形带，并使其尽量弥散分布，从而为后续的NiAl相析出提供足够的形核位点；退火是为了为脆性金属间化合物B2相(NiAl)的形核和长大提供足够的驱动力，最终在室温获得一定量且均匀细小、弥散分布的NiAl第二相，从而提高钢板的强度；若退火温度低于800℃则会形成大量κ-碳化物，导致钢材塑性严重下降，若退火温度高于1000℃则奥氏体和NiAl相均十分粗大，不利于获得高强度和高塑性；退火后以10～50℃/s的速度冷却至室温是为了给NiAl有序相足够的有序化时间。
附图说明
图1是本发明1200MPa级高强度高塑性低密度钢板的制造方法流程示意图；
图2是本发明实施例1的1200MPa级高强度高塑性低密度钢板微观组织的扫描电镜图；
图3是本发明实施例2的1200MPa级高强度高塑性低密度钢板微观组织的扫描电镜图；
图4是本发明实施例3的1200MPa级高强度高塑性低密度钢板微观组织的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明的工艺流程如图1所示。
本发明实施例中电镜扫描采用的设备为德国蔡司制造的场发射扫描电子显微镜，型号为Zeiss Ultra 55。
实施例1
在真空感应炉中冶炼钢水，浇铸完成后得到铸锭，其成分按质量百分比为：C0.9％，Mn 15％，Al 8％，Ni 1.3％，Ti 0.03％，Si 0.06％，S 0.002％，P 0.002％，余量为Fe和不可避免杂质；
将铸锭加热至1180℃并保温1h，随后经过9道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1050℃和820℃，热轧结束后水冷至室温，得到4mm厚的热轧板；热轧总压下率为96.9％；
将热轧板加热至900℃并保温2h，随后水冷至室温，得到固溶处理板；
将固溶处理板酸洗后冷轧至厚度1.2mm，获得冷轧板；冷轧总压下率为70％；
将冷轧板加热至880℃并保温10min，随后空冷至室温(冷却速度20℃/s)，得到1200MPa高强度高塑性低密度钢板，其抗拉强度为1232MPa，延伸率为38％，密度7g/cm3，组织为奥氏体基体和NiAl第二相构成的双相组织；显微组织如图2所示。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铸锭成分按质量百分比为：C 0.85％，Mn 16.4％，Al 9％，Ni 2.6％，Si0.04％，Ti 0.05％，S 0.002％，P 0.002％；
(2)加热至1200℃并保温2h，随后经过10道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1060℃和850℃，热轧结束后水冷至室温，得到4.5mm厚的热轧板；热轧总压下率为96.5％；
(3)热轧板加热至1050℃并保温1h；
(4)冷轧至厚度1mm，获得冷轧板；冷轧总压下率为78％；
(5)加热至900℃并保温15min，空冷至室温(冷却速度22℃/s)，1200MPa高强度高塑性低密度钢板的抗拉强度为1258MPa，延伸率为35％，密度6.8g/cm3；显微组织如图3所示。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铸锭成分按质量百分比为：C 0.92％，Mn 18.3％，Al 10.2％，Ni 3.6％，Si0.03％，S 0.002％，P 0.002％；
(2)加热至1130℃并保温1.5h，随后经过11道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1080℃和860℃，热轧结束后水冷至室温，得到3.8mm厚的热轧板；热轧总压下率为97.1％；
(3)热轧板加热至1100℃并保温0.5h；
(4)冷轧至厚度0.7mm，获得冷轧板；冷轧总压下率为82％；
(5)加热至970℃并保温2min，空冷至室温(冷却速度28℃/s)，1200MPa高强度高塑性低密度钢板的抗拉强度为1279MPa，延伸率为31％，密度6.6g/cm3；显微组织如图4所示。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铸锭成分按质量百分比为：C 0.7％，Mn 20％，Al 11％，Ni 4％，Si 0.07％，Nb0.1％，S 0.003％，P 0.004％；
(2)加热至1100℃并保温2h，随后经过10道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1100℃和870℃，热轧结束后水冷至室温，得到5mm厚的热轧板；热轧总压下率为95％；
(3)热轧板加热至950℃并保温2h；
(4)冷轧至厚度1.5mm，获得冷轧板；冷轧总压下率为70％；
(5)加热至1000℃并保温1min，空冷至室温(冷却速度25℃/s)，1200MPa高强度高塑性低密度钢板的抗拉强度为1291MPa，延伸率为40％，密度6.7g/cm3。
实施例5
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铸锭成分按质量百分比为：C 1％，Mn 13％，Al 8.6％，Ni 1％，Si 0.08％，Ti0.06％，V 0.1％，S 0.006％，P 0.005％；
(2)加热至1150℃并保温1.5h，随后经过9道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1110℃和880℃，热轧结束后水冷至室温，得到3mm厚的热轧板；热轧总压下率为98％；
(3)热轧板加热至980℃并保温1.5h；
(4)冷轧至厚度0.6mm，获得冷轧板；冷轧总压下率为80％；
(5)加热至800℃并保温15min，空冷至室温(冷却速度26℃/s)，1200MPa高强度高塑性低密度钢板的抗拉强度为1287MPa，延伸率为37％，密度6.6g/cm3。
实施例6
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铸锭成分按质量百分比为：C 0.76％，Mn 14.9％，Al 9.4％，Ni 3.2％，Si0.05％，Nb 0.03％，V 0.06％，S 0.007％，P 0.003％；
(2)加热至1200℃并保温1h，随后经过10道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1120℃和880℃，热轧结束后水冷至室温，得到4mm厚的热轧板；热轧总压下率为97％；
(3)热轧板加热至1080℃并保温0.5h；
(4)冷轧至厚度1.0mm，获得冷轧板；冷轧总压下率为75％；
(5)加热至870℃并保温12min，空冷至室温(冷却速度24℃/s)，1200MPa高强度高塑性低密度钢板的抗拉强度为1292MPa，延伸率为38％，密度6.8g/cm3。
实施例7
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铸锭成分按质量百分比为：C 0.84％，Mn 15.6％，Al 10.7％，Ni 1.9％，Si0.08％，Ti 0.1％，Nb 0.02％，V 0.02％，S 0.004％，P 0.005％；
(2)加热至1160℃并保温1.5h，随后经过8道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1150℃和890℃，热轧结束后水冷至室温，得到3.5mm厚的热轧板；热轧总压下率为97.5％；
(3)热轧板加热至1100℃并保温1h；
(4)冷轧至厚度0.8mm，获得冷轧板；冷轧总压下率为77％；
(5)加热至900℃并保温10min，空冷至室温(冷却速度25℃/s)，1200MPa高强度高塑性低密度钢板的抗拉强度为1289MPa，延伸率为36％，密度6.9g/cm3。
实施例8
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铸锭成分按质量百分比为：C 0.97％，Mn 17.8％，Al 9.1％，Ni 2.8％，Si0.06％，Ti 0.04％，Nb 0.03％，S 0.003％，P 0.004％；
(2)加热至1140℃并保温1.5h，随后经过9道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1150℃和900℃，热轧结束后水冷至室温，得到4.2mm厚的热轧板；热轧总压下率为95.8％；
(3)热轧板加热至990℃并保温1.5h；
(4)冷轧至厚度0.9mm，获得冷轧板；冷轧总压下率为79％；
(5)加热至930℃并保温6min，空冷至室温(冷却速度25℃/s)，1200MPa高强度高塑性低密度钢板的抗拉强度为1300MPa，延伸率为37％，密度6.6g/cm3。
对比例1
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
铸锭中按质量百分比含C 0.65％(即相对于实施例2降低碳含量)；
制成的钢板抗拉强度为1083MPa，延伸率为37％。
对比例2
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
铸锭中按质量百分比含C 0.65％(即相对于实施例2提高碳含量)；
制成的钢板抗拉强度为1366MPa，延伸率为21％。
对比例3
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
铸锭中按质量百分比含Ni 0.6％(即相对于实施例2降低镍含量)；
制成的钢板抗拉强度为1108MPa，延伸率为29％。
对比例4
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
铸锭中按质量百分比含Ni 4.4％(即相对于实施例2提高镍含量)；
制成的钢板抗拉强度为1382MPa，延伸率为12％。
对比例5
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
铸锭中按质量百分比含Al 7.2％(即相对于实施例2降低铝含量)；
制成的钢板抗拉强度为1093MPa，延伸率为36％。
对比例6
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
铸锭中按质量百分比含Al 11.4％(即相对于实施例2提高铝含量)；
制成的钢板抗拉强度为1387MPa，延伸率为16％。
对比例7
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
将固溶处理板酸洗后冷轧至1.8mm；冷轧压下率60％(即相对于实施例2减少冷轧压下率)；
制成的钢板抗拉强度为1163MPa，延伸率为35％。
对比例8
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
将固溶处理板酸洗后冷轧至0.7mm；冷轧压下率84％(即相对于实施例2增加冷轧压下率)；
制成的钢板抗拉强度为1352MPa，延伸率为18％。
对比例9
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
冷轧板在1050℃保温15min(即相对于实施例2提高退火处理温度)；
制成的钢板抗拉强度为1312MPa，延伸率为22％。
对比例10
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
冷轧板在770℃保温15min(即相对于实施例2降低退火处理温度)；
制成的钢板抗拉强度为1254MPa，延伸率为20％。
对比例11
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
冷轧板退火处理后以80℃/s的速度冷却至室温(即相对于实施例2加快冷却速度)；
制成的钢板抗拉强度为1137MPa，延伸率为32％。
对比例12
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
铸锭中按质量百分比含Mn 22％(即相对于实施例2提高锰含量)；
制成的钢板抗拉强度为1093MPa，延伸率为41％。
对比例13
以实施例2为对比进行对比试验，与实施例2的不同点在于：
铸锭中按质量百分比含Mn 11.3％(即相对于实施例2降低锰含量)；
制成的钢板抗拉强度为1233MPa，延伸率为25％。
从以上对比可以看出，对比例中钢板的抗拉强度或延伸率显著低于本发明的实施效果。

Claims (1)

1.一种1200MPa级高强度高塑性低密度钢板，其特征在于成分按质量百分比含C 0.7~1%，Mn 13~20%，Al 8~11%，Ni 1~4%，Si <0.1%，S <0.01%，P <0.01%，Ti 0~0.1%，Nb 0~0.1%，V 0~0.15%，余量为Fe和不可避免杂质，其抗拉强度为1200~1300MPa，延伸率为30~40%，密度为6.5~7g/cm3；其组织为奥氏体基体和NiAl第二相构成的双相组织；其厚度为0.5~1.5mm；
制造方法按照以下步骤进行：
（1）冶炼浇铸：在真空感应炉中按上述成分冶炼钢水，浇铸完成后得到铸锭；
（2）热轧：将铸锭加热至1100~1200℃并保温1~2h，随后经过8~11道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1050~1170℃和800~900℃，热轧总压下率为95~98%，热轧结束后水冷至室温，得到3~5mm厚的热轧板；
（3）固溶处理：将热轧板加热至900~1100℃并保温0.5~2h，随后水冷至室温，得到固溶处理板；
（4）冷轧：将固溶处理板酸洗后冷轧至厚度0.5~1.5mm，冷轧总压下率为70~82%，获得冷轧板；
（5）退火：将冷轧板加热至800~1000℃并保温1~15min，随后空冷至室温，空冷时的平均冷却速度20~28℃/s，得到1200MPa高强度高塑性低密度钢板。
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