CN108728752A - 一种低密度冷轧中锰钢板及其制备方法 - Google Patents

一种低密度冷轧中锰钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种低密度冷轧中锰钢板及其制备方法，属于先进高强钢技术领域；中锰钢的成分按重量百分比为：C：0.20～0.25％，Mn：10.0～11.0％，A1：6.03～7.0％，Ni：3.0～7.72％，余量为Fe及杂质；方法：1)按照成分配比冶炼出钢锭；2)加热锻造；3)钢坯进行多道次热轧；4)热轧板进行快速淬火，后进行回火处理；5)对回火后的实验钢进行酸洗；6)冷轧；7)冷轧板进行临界退火处理，得到低密度冷轧中锰钢板；本发明通过改变钢板的化学成分，添加适当比例的Ni元素，并利用冷轧+临界退火的热处理工艺，在不降低钢板伸长率的条件下，显著提高其强度。

Description

一种低密度冷轧中锰钢板及其制备方法
技术领域
本发明属于先进高强钢技术领域，特别涉及一种低密度冷轧中锰钢板及其制备方法。
背景技术
汽车产业是世界上规模最大、最重要的产业之一，汽车产业的发展水平和实力也在一定程度上反映了一个国家的综合国力和竞争力。我国的汽车行业在近十年里经历了快速的发展，对经济的发展起到巨大的拉动作用，并对GDP的增长产生了较高的贡献，但同时汽车行业的发展也给我们国家带来了一系列能源和环保问题。汽车轻量化是解决汽车行业发展所带来的能源和环保问题的一项有效可行措施，也是未来汽车行业发展的突破口。根据相关资料显示：汽车总质量每降低10％，可使燃油效率提高6％～8％；汽车整车质量每减少100Kg，每百公里油耗可降低0.3～0.6L。因此，在油气煤资源的不可再生及大气环境保护的需求背景下，轻量化、绿色环保化已成为世界汽车发展的潮流。
汽车轻量化主要有两个途径，即结构优化和新材料应用。其中新材料应用中通过使用先进高强钢，在满足汽车强度要求的前提下实现减重的目的，是很具潜力的一种轻量化方法。因此许多机构致力于开发新一代轻质高强汽车用钢。Fe-Mn-Al-C系列中锰钢属于第三代先进高强钢，是开发先进高强钢的一个重要方向。研究表明，每添加1％的Al可使中锰钢密度降低1.3％，减重效果明显。但是Al的添加会降低中锰钢组织中奥氏体的体积分数，增加铁素体的体积分数，使奥氏体稳定性提高，减弱相变诱发塑性(TRIP)效应。因此添加少量的Al可在保证Fe-Mn-C系列中锰钢强度和塑性较高的前提下降低其密度，但随着Al含量的增加Fe-Mn-Al-C系列钢组织中铁素体体积分数增加，抗拉强度在694～828MPa范围内，使钢的抗拉强度显著降低，限制了含Al低密度中锰钢在汽车产业的应用。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明提供一种低密度冷轧中锰钢板及其制备方法。对Al元素含量较高的低密度中锰钢，通过添加合金元素Ni产生弥散硬脆B2相析出，并利用冷轧+临界退火的热处理工艺，获得具有优良综合性能的低密度冷轧中锰钢板。
本发明的一种低密度冷轧中锰钢板，所述中锰钢的成分按重量百分比分别为：C：0.20～0.25％，Mn：10.0～11.0％，A1：6.03～7.0％，Ni：3.0～7.72％，余量为Fe及杂质。
所述低密度冷轧中锰钢板的厚度为1mm，屈服强度为589～1144MPa，抗拉强度为795～1281MPa，总延伸率为19.5～30.5％。
本发明的一种低密度冷轧中锰钢板的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1，冶炼：
按照低密度冷轧中锰钢板的成分配比冶炼浇铸获得钢锭；
步骤2，锻造：
将钢锭加热至1180～1220℃，保温2h，锻造成钢坯；
步骤3，热轧：
钢坯在加热到1180～1220℃，保温2h，经过多道次热轧，初轧温度为1130～1150℃，终轧温度不低于850℃，总压下率为80～90％，随后空冷到室温，得到热轧板；
步骤4，轧后热处理：
(1)将热轧板于765～785℃保温1h，以130～170℃/s的速度快速水淬至室温，得到实验钢；
(2)将淬火后的实验钢在190～210℃回火20min后空冷至室温；
步骤5，酸洗：
用体积分数为1:1的盐酸和酒精溶液对回火后的实验钢进行酸洗；
步骤6，冷轧：
将酸洗后的实验钢冷轧，总压下率为60～80％，得到冷轧板；
步骤7，临界退火处理：
将冷轧板于750～950℃保温5min，后水冷至室温，得到低密度冷轧中锰钢板。
上述一种低密度冷轧中锰钢板的制备方法，其中：
所述步骤2中，钢坯的截面积为100mm×30mm。
所述步骤3中，在高温炉中进行加热。
所述步骤3中，经过8道次热轧。
所述步骤3中，热轧板的厚度为4mm。
所述步骤6中，在冷轧机上进行冷轧，冷轧板的后度为1mm。
所述步骤4(1)、(2)和步骤8中，在箱式电阻炉中进行热处理。
本发明的一种低密度冷轧中锰钢板及其制备方法，基本原理为：
本发明的低密度中锰钢中Al含量高达6wt.％，Al元素可以有效降低中锰钢板的密度，实现汽车用钢轻量化。添加4wt.％的Ni元素可以生成少量的细小弥撒的硬脆B2相析出，从而使低密度中锰钢板在获得较高抗拉强度的同时仍具有优良的塑性，并大幅度提高δ铁素体的显微硬度。当Ni元素的添加量在低密度中锰钢中达到8wt.％时，低密度中锰钢板微观组织中会有大量弥散硬脆的B2相(FeAl金属间化合物)析出，对低密度中锰钢板进行弥散强化，使其可以在保持较高塑性的同时仍具有较高强度和硬度。
本发明的一种低密度冷轧中锰钢板及其制备方法，与现有技术相比，有益效果为：
本发明通过改变钢板的化学成分，添加适当比例的Ni元素，使其产生弥散的硬脆B2相，并利用冷轧+临界退火的热处理工艺，制备出的中锰钢板在不降低钢板伸长率的条件下，显著提高其强度，从而解决低密度中锰钢在Al含量较高时无法同时获得较高强度和塑性的难题。
附图说明
图1本发明实施例1～4中的冷轧板的拉伸试样图；
图2本发明对比例制备的低密度冷轧中锰钢板在750℃临界退火微观组织SEM图；
图3本发明实施例2制备的低密度冷轧中锰钢板在850℃临界退火微观组织SEM图；
图4本发明实施例4制备的低密度冷轧中锰钢板在850℃临界退火微观组织SEM图；
具体实施方式
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。道次轧制规程为30-21-15-11-9-7.2-5.5-4.5-3，由于轧辊存在弹跳，最终热轧板的厚度为4mm。
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℃。
本发明实施例的拉伸实验在MTS美特斯CMT5303系列电子万能试验机上进行，拉伸过程中使用长春三晶电子引伸计，型号：YSJ50/20-ZC，标距50mm，精度等级0.5级。
本发明实施例的电解抛光设备为美国Buehler，型号：ElectroMet 4，设定工作电压为35V，抛光时间为50s。
本发明实施例试样的形貌观察采用场发射电子探针，型号：JEOL JXA-8530F。
对比例
不含Ni的低密度冷轧中锰钢板，其合金成分按重量百分比分别为含C：0.21％，Mn：10.75％，A1：6.08％，余量为Fe及杂质。
本发明的一种不含Ni的低密度冷轧中锰钢板的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1，冶炼：
按照不含Ni的低密度冷轧中锰钢板的成分配比冶炼浇铸获得钢锭；
步骤2，锻造：
将钢锭加热至1180℃，保温2h，锻造成截面积为100mm×30mm钢坯；
步骤3，热轧：
钢坯放入高温炉从室温加热到1180℃，保温2h，经过8道次热轧，初轧温度为1130℃，终轧温度950℃，总压下率为80～90％，随后空冷到室温，得到厚度为4mm热轧板；
步骤4，轧后热处理：
(1)将热轧板于775℃的箱式电阻炉中保温1h，以150℃/s的速度快速水淬至室温，得到实验钢；
(2)将淬火后的实验钢在200℃回火20min后空冷至室温；
步骤5，酸洗：
用体积分数为1:1的盐酸和酒精溶液对回火后的实验钢进行酸洗；
步骤6，冷轧：
将酸洗后的实验钢在冷轧机上冷轧至厚度为1mm，总压下率为60～80％，得到冷轧板；
步骤7，临界退火处理：
将冷轧板于750℃、800℃、850℃的电阻炉保温5min，后水冷至室温，得到不含Ni的低密度冷轧中锰钢板。
将热处理后的实验钢加工成拉伸试样，拉伸试样按GB/T 228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”标准加工，图1所示为试样具体尺寸；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，设定拉伸速度3mm/min。
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40mL高氯酸、600mL酒精和20mL蒸馏水的混合溶液，抛光电压为30V，抛光时间50s。试样在腐蚀之前先将试样表面用无水乙醇冲洗，防止抛光磨料和杂质残留于试样表面，之后，用吹风机吹干，随后进行腐蚀，腐蚀剂为25％亚硫酸氢钠水溶液。用场发射电子探针观察冷轧实验钢的组织，本对比例在750℃退火并的低密度冷轧中锰钢板微观组织如图2所示，δ铁素体组织的显微硬度为243HV，奥氏体组织的显微硬度为190HV。不同温度退火后低密度冷轧中锰钢板的力学性能如表1所示。
从图2可以看出，750℃保温5min试样微观组织由奥氏体和板条δ铁素体、α铁素体组成，晶粒较为粗大。在表1不同临界退火温度退火实验钢的抗拉强度和伸长率数据中观察到随着临界退火温度的升高，抗拉强度降低而伸长率增加。总体来看，抗拉强度较低，且无法同时获得较高的强度和塑性。
表1不同温度保温5min试样的力学性能
实施例1
一种低密度冷轧中锰钢板，所述中锰钢的成分按重量百分比分别为：C：0.2％，Mn：10.0％，A1：6.5％，Ni：2.89％，余量为Fe及杂质。
本发明的一种低密度冷轧中锰钢板的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1，冶炼：
按照低密度冷轧中锰钢板的成分配比冶炼浇铸获得钢锭；
步骤2，锻造：
将钢锭加热至1180℃，保温2h，锻造成截面积为100mm×30mm钢坯；
步骤3，热轧：
钢坯放入高温炉从室温加热到1180℃，保温2h，经过8道次热轧，初轧温度为1130℃，终轧温度860℃，总压下率为80～90％，随后空冷到室温，得到热轧板；
步骤4，轧后热处理：
(1)将热轧板于775℃的电阻炉中保温1h，以130℃/s的速度快速水淬至室温，得到实验钢；
(2)将淬火后的实验钢在200℃回火20min后空冷至室温；
步骤5，酸洗：
用体积分数为1:1的盐酸和酒精溶液对回火后的实验钢进行酸洗；
步骤6，冷轧：
将酸洗后的实验钢在冷轧机上冷轧至厚度为1mm，总压下率为60～80％，得到冷轧板；
步骤7，临界退火处理：
将冷轧板分别于750℃、800℃、850℃保温5min，后水冷至室温，得到3组低密度冷轧中锰钢板。
将热处理后的实验钢加工成拉伸试样，拉伸试样按GB/T 228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”标准加工，图1所示为试样具体尺寸；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，设定拉伸速度3mm/min。
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40mL高氯酸、600mL酒精和20mL蒸馏水的混合溶液，抛光电压为30V，抛光时间50s。试样在腐蚀之前先将试样表面用无水乙醇冲洗，防止抛光磨料和杂质残留于试样表面，之后，用吹风机吹干，随后进行腐蚀，腐蚀剂为25％亚硫酸氢钠水溶液。不同温度退火后低密度冷轧中锰钢板的力学性能如表2所示。本实施例在850℃退火制备的低密度冷轧中锰钢板的δ铁素体组织的显微硬度为325HV，奥氏体组织的显微硬度为183HV。
表2不同温度保温5min试样的力学性能
温度(℃) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 总延伸率(％)
750 762 887 24.2
800 673 850 28.1
850 602 795 30.5
实施例2
一种低密度冷轧中锰钢板，所述中锰钢的成分按重量百分比分别为：C：0.23％，Mn：10.33％，A1：6.03％，Ni：3.87％，余量为Fe及杂质。
本发明的一种低密度冷轧中锰钢板的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1，冶炼：
按照低密度冷轧中锰钢板的成分配比冶炼浇铸获得钢锭；
步骤2，锻造：
将钢锭加热至1200℃，保温2h，锻造成截面积为100mm×30mm钢坯；
步骤3，热轧：
钢坯放入高温炉从室温加热到1200℃，保温2h，经过8道次热轧，初轧温度为1140℃，终轧温度850℃，总压下率为80～90％，随后空冷到室温，得到4mm厚热轧板；
步骤4，轧后热处理：
(1)将热轧板于765℃的电阻炉中保温1h，以160℃/s的速度快速水淬至室温，得到实验钢；
(2)将淬火后的实验钢在190℃回火20min后空冷至室温；
步骤5，酸洗：
用体积分数为1:1的盐酸和酒精溶液对回火后的实验钢进行酸洗；
步骤6，冷轧：
将酸洗后的实验钢在冷轧机上冷轧至厚度为1mm，总压下率为60～80％，得到冷轧板；
步骤7，临界退火处理：
将冷轧板分别于750℃、850℃、950℃保温5min，后水冷至室温，得到3组低密度冷轧中锰钢板。
将热处理后的实验钢加工成拉伸试样，拉伸试样按GB/T 228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”标准加工，图1所示为试样具体尺寸；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，设定拉伸速度3mm/min。
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40mL高氯酸、600mL酒精和20mL蒸馏水的混合溶液，抛光电压为30V，抛光时间50s。试样在腐蚀之前先将试样表面用无水乙醇冲洗，防止抛光磨料和杂质残留于试样表面。之后，用吹风机吹干，随后进行腐蚀，腐蚀剂为25％亚硫酸氢钠水溶液。图3所示为本实施例在850℃退火制备的低密度冷轧中锰钢板的微观组织的SEM图，δ铁素体组织的显微硬度为353HV，奥氏体组织的显微硬度为192HV。不同温度退火后低密度冷轧中锰钢板的力学性能如表3所示。
表3不同温度保温5min试样的力学性能
温度(℃) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 总延伸率(％)
750 746 912 19.5
850 695 924 25.0
950 610 828 29.2
由图3可以看出实施例2中冷轧板在850℃保温5min微观组织由δ铁素体、B2相和奥氏体组成。与图2对比例的微观组织相比，出现明显的硬脆B2相弥散析出，使实验钢同时具有较高的抗拉强度、硬度和塑性。
实施例3
一种低密度冷轧中锰钢板，所述中锰钢的成分按重量百分比分别为：C：0.25％，Mn：11.02％，A1：6.17％，Ni：5.02％，余量为Fe及杂质。
本发明的一种低密度冷轧中锰钢板的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1，冶炼：
按照低密度冷轧中锰钢板的成分配比冶炼浇铸获得钢锭；
步骤2，锻造：
将钢锭加热至1220℃，保温2h，锻造成截面积为100mm×30mm钢坯；
步骤3，热轧：
钢坯放入高温炉从室温加热到1220℃，保温2h，经过8道次热轧，初轧温度为1150℃，终轧温度980℃，总压下率为80～90％，随后空冷到室温，得到热轧板；
步骤4，轧后热处理：
(1)将热轧板于785℃的电阻炉中保温1h，以170℃/s的速度快速水淬至室温，得到实验钢；
(2)将淬火后的实验钢在210℃回火20min后空冷至室温；
步骤5，酸洗：
用体积分数为1:1的盐酸和酒精溶液对回火后的实验钢进行酸洗；
步骤6，冷轧：
将酸洗后的实验钢在冷轧机上冷轧至厚度为1mm，总压下率为60～80％，得到冷轧板；
步骤7，临界退火处理：
将冷轧板分别于于750℃、850℃、950℃保温5min，后水冷至室温，得到3组低密度冷轧中锰钢板。
将热处理后的实验钢加工成拉伸试样，拉伸试样按GB/T 228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”标准加工，图1所示为试样具体尺寸；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，设定拉伸速度3mm/min。
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40mL高氯酸、600mL酒精和20mL蒸馏水的混合溶液，抛光电压为30V，抛光时间50s。试样在腐蚀之前先将试样表面用无水乙醇冲洗，防止抛光磨料和杂质残留于试样表面，之后，用吹风机吹干，随后进行腐蚀，腐蚀剂为25％亚硫酸氢钠水溶液。不同温度退火后低密度冷轧中锰钢板的力学性能如表4所示。本实施例在850℃退火制备的低密度冷轧中锰钢板的δ铁素体组织的显微硬度为346HV，奥氏体组织的显微硬度为189HV。
表4不同温度保温5min试样的力学性能
温度(℃) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 总延伸率(％)
750 1021 1145 20.5
850 795 989 27.0
950 620 885 29.1
实施例4
一种低密度冷轧中锰钢板，所述中锰钢的成分按重量百分比分别为：C：0.24％，Mn：10.37％，A1：6.06％，Ni：7.72％，余量为Fe及杂质。
本发明的一种低密度冷轧中锰钢板的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1，冶炼：
按照低密度冷轧中锰钢板的成分配比冶炼浇铸获得钢锭；
步骤2，锻造：
将钢锭加热至1200℃，保温2h，锻造成截面积为100mm×30mm钢坯；
步骤3，热轧：
钢坯放入高温炉从室温加热到1200℃，保温2h，经过8道次热轧，初轧温度为1150℃，终轧温度900℃，总压下率为80～90％，随后空冷到室温，得到4mm厚热轧板；
步骤4，轧后热处理：
(1)将热轧板于775℃的电阻炉中保温1h，以170℃/s的速度快速水淬至室温，得到实验钢；
(2)将淬火后的实验钢在200℃回火30min后空冷至室温；
步骤5，酸洗：
用体积分数为1:1的盐酸和酒精溶液对回火后的实验钢进行酸洗；
步骤6，冷轧：
将酸洗后的实验钢在冷轧机上冷轧至厚度为1mm，总压下率为60～80％，得到冷轧板；
步骤7，临界退火处理：
将冷轧板分别于750℃、850℃、950℃保温5min，后水冷至室温，得到3组低密度冷轧中锰钢板。
将热处理后的实验钢加工成拉伸试样，拉伸试样按GB/T 228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”标准加工，图1所示为试样具体尺寸；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，设定拉伸速度3mm/min。
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40mL高氯酸、600mL酒精和20mL蒸馏水的混合溶液，抛光电压为30V，抛光时间50s。试样在腐蚀之前先将试样表面用无水乙醇冲洗，防止抛光磨料和杂质残留于试样表面，之后，用吹风机吹干，随后进行腐蚀，腐蚀剂为25％亚硫酸氢钠水溶液。图4所示为本实施例在850℃退火制备的低密度冷轧中锰钢板的微观组织的SEM图，δ铁素体组织的显微硬度为351HV，奥氏体组织的显微硬度为177HV。不同温度退火后低密度冷轧中锰钢板的力学性能如表5所示。
表5不同温度保温5min试样的力学性能
温度(℃) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 总延伸率(％)
750 1144 1281 20.3
850 839 1090 26.2
950 589 921 28.4
由图4可以看出，与图2对比例的微观组织相比，Ni含量为7.72％的实验钢出现大量弥散的第二相，该第二相为硬脆的FeAl金属间化合物，起弥散强化作用，使实验钢在具有优良塑性的同时仍可表现出较高抗拉强度，且使δ铁素体的硬度提高。

Claims (5)

1.一种低密度冷轧中锰钢板，其特征在于，所述中锰钢的成分按重量百分比分别为：C：0.20～0.25％，Mn：10.0～11.0％，A1：6.03～7.0％，Ni：3.0～7.72％，余量为Fe及杂质；
所述低密度冷轧中锰钢板的厚度为1mm，屈服强度为589～1144MPa，抗拉强度为795～1281MPa，总延伸率为19.5～30.5％。
2.权利要求1所述的一种低密度冷轧中锰钢板的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤1，冶炼：
按照低密度冷轧中锰钢板的成分配比冶炼浇铸获得钢锭；
步骤2，锻造：
将钢锭加热至1180～1220℃，保温2h，锻造成钢坯；
步骤3，热轧：
钢坯在加热到1180～1220℃，保温2h，经过多道次热轧，初轧温度为1130～1150℃，终轧温度不低于850℃，总压下率为80～90％，随后空冷到室温，得到热轧板；
步骤4，轧后热处理：
(1)将热轧板于765～785℃保温1h，以130～170℃/s的速度快速水淬至室温，得到实验钢；
(2)将淬火后的实验钢在190～210℃回火20min后空冷至室温；
步骤5，酸洗：
用体积分数为1:1的盐酸和酒精溶液对回火后的实验钢进行酸洗；
步骤6，冷轧：
将酸洗后的实验钢冷轧，总压下率为60～80％，得到冷轧板；
步骤7，临界退火处理：
将冷轧板于750～950℃保温5min，后水冷至室温，得到低密度冷轧中锰钢板。
3.根据权利要求2所述的一种低密度冷轧中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，钢坯的截面积为100mm×30mm。
4.根据权利要求2所述的一种低密度冷轧中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，经过8道次热轧。
5.根据权利要求2所述的一种低密度冷轧中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，热轧板的厚度为4mm。
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