CN109735691A - 一种1000MPa高碳高锰低密度钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料领域，涉及一种高碳高锰低密度钢及其制备方法，更具体地说，涉及一种通过冷轧和合理的热处理工艺方法获得的具有高强度、低密度且延伸率大的高碳高锰钢及其制备方法。其化学成分及其重量百分比为C：0.75%～0.95%，Mn：14%～19%，Al：7.0%～9.0%，S：0～0.005%，P：0～0.01%，余量为Fe及不可避免的杂质。在本发明中，1000MPa高碳高锰低密度钢的屈服强度达到700MPa以上，抗拉强度950～1100MPa，断后延伸率50%～60%。本发明所述的1000MPa高碳高锰低密度钢的比强度高，具有轻量化的特点。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种高碳高锰低密度钢及其制备方法，更具体地说，涉及一种通过冷轧和合理的热处理工艺方法获得的具有高强度、低密度且延伸率大的高碳高锰钢及其制备方法。
背景技术
近年来，随着汽车产量的连续增长，燃油消耗总量的不断增加，以及环境友好型社会的构建，汽车产业要求汽车结构钢向高强度、轻量化、环境友好的方向发展。汽车在使用过程中有可能遭受撞击而受损，而汽车的强度极大程度上决定了汽车的安全性能，开发高强度、高塑性、具有优良抗冲击性能的高强汽车钢是金属材料技术领域亟需发展的方向。汽车的轻量化是保证强度和安全性能的前提下，尽可能降低汽车的总体质量，减小油耗，降低尾气排量的有效方法。以此同时，汽车的轻量化也是促进环境友好型社会构建的有效途径。
目前，实现汽车轻量化的主要有两种途径，一是采用轻质材料，如使用铝和铝合金、镁和镁合金以及工程塑料等。使用该类型的材料，虽然可以降低汽车的重量，减小燃油的消耗及尾气排放，但是较低的强度限制了其在汽车承重及受力部件的使用，同时，这些材料的成本较高，成型工艺差，碰撞吸收能量小等因数限制了其的研发和市场推广。二是使用低密度高强度高塑性钢代替传统汽车结构钢，由于低密度高强度高塑性钢可吸收较高能量以及具有高的静态强度和疲劳强度，在使用过程中可减小所用刚材的厚度，同时具有较低的密度，从而实现轻量化。为了满足汽车产业在更高安全性、耐用性、经济性等方面的要求，钢铁企业加紧了更先进的汽车钢的研究与开发。
淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于VK的速度冷却的热处理工艺，而退火是将钢加热到适当温度保温，然后缓慢冷却的热处理工艺。对于含合金元素较多的钢而言，当钢冷轧工艺前热处理的保温温度较高时，采用淬火作为钢的热处理工艺，不仅可获得与退火所具有的相似作用与效果，而且还可减少合金元素的析出，以获得较高综合性能的钢材。
中国发明专利申请公开说明书CN107641763A公开了一种高强塑积的低密度高锰钢，其成分按质量百分比为：C:0.98～0.1％，Mn：19.40～20％，Al：9.82～10％，P≤0.003％，S≤0.003％，其余为Fe及不可避免的杂质，可得到抗拉强度1000Mpa以上，断后延伸率40～50％，强塑积50GPa·％以上。其合金元素Mn和Al的总含量高达30％，而本发明为21～28％，与本发明相比较，其高的合金元素含量以致需要较高的生产成本，其延伸率也较低，同时其热处理工艺采用长时间的退火工艺，本发明采用高效率的热处理工艺，实现了绿色节能，可提高生产效率。
中国发明专利申请公开说明书CN105441796A公开了具有高强塑积TWIP钢及其制备方法，其成分按质量百分比为：C:0.8～1.2％，Si：0.1～0.5％，Mn：14～22％，P≤0.02％，S≤0.03％，Al：4.0～6％，Ce：0.06～0.2％，Bi：0.05～0.4％，其余为Fe及不可避免的杂质，抗拉强度大于900MPa，延伸率大于50％，强塑积大于50GPa·％。但屈服强度较小，小于500MPa，其合金元素中含有稀土元素，生产成本高，其退火时间长，降低了生产效率。
中国发明专利申请公开说明书CN104674109A公开了一种低密度Fe-Mn-Al-C系冷轧汽车用钢板的制备方法，其成分按质量百分比为：C:0.65～0.75％，Si：0～0.1％，Mn：14.0～19.0％，Al：7.0～10.5％，P≤0.003％，S≤0.002％，最终得到低密度、高强韧性的冷轧双相汽车用钢板，但是其抗拉强度只有900MPa，强塑积也只达到40GPa·％，与本发明相比较，其综合力学性能较差。
发明内容
介于上述问题，本发明的目的在于提供一种1000MPa高碳高锰低密度钢及其制备方法，提高了汽车结构钢的强度，可有效减轻车体的重量，对减小燃油的消耗以促进节能减排具有积极作用。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种1000MPa高碳高锰低密度钢，其化学成分及其重量百分比为C：0.75％～0.95％，Mn：14％～19％，Al：7.0％～9.0％，S：0～0.005％，P：0～0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质。
在本发明中，1000MPa高碳高锰低密度钢的屈服强度达到700MPa以上，抗拉强度950～1100MPa，断后延伸率50％～60％。本发明所述的1000MPa高碳高锰低密度钢的比强度高，具有轻量化的特点，且其密度在7.26g/cm3～7.39g/cm3之间。
本发明进一步提供了一种1000MPa高碳高锰低密度钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照1000MPa高碳高锰低密度钢的化学成分及其重量百分比进行冶炼，并浇铸成铸锭；
(2)先加热、保温以达到组织均匀化的目的，然后将铸锭锻造成板坯，空冷；
(3)再加热、保温，然后热轧获得热轧板，以空冷方式冷却至室温；
(4)将热轧板加热并保温，以水为介质淬火；
(5)将淬火之后的热轧板进行冷轧得到冷轧板；
(6)进行第二次淬火获得1000MPa级别的高碳高锰低密度钢。
作为本发明制备方法技术方案的进一步改进，在步骤(1)的冶炼设备为真空感应炉，炉内温度为1550℃～1650℃。本发明所采用的真空感应炉进行冶炼获得铸锭，该步骤是在隔绝空气的条件下进行的，避免了空气中的N、O等元素与锰铁发生反应生成氧化物和氮化物，而减小出现热脆性和时效脆性的可能。
作为本发明制备方法技术方案的进一步改进，在步骤(2)中的锻造保温温度为1150℃～1250℃，时间为2±0.25小时，锻造后的板坯厚度为18～22mm。
作为本发明制备方法技术方案的进一步改进，在步骤(3)中的热轧前的保温温度为1120℃～1180℃范围内保温2±0.25小时，热轧时的开轧温度为1120℃～1180℃，终轧温度为900℃～950℃，轧制道次为5～6次，轧后的热轧板厚度为2mm。
作为本发明制备方法技术方案的进一步改进，在步骤(4)中的淬火保温温度为800℃～850℃，时间为20分钟。
作为本发明制备方法技术方案的进一步改进，在步骤(5)中的冷轧，冷轧过程的轧制道次为3～4次，冷轧后的冷轧板厚度为1mm。
作为本发明制备方法技术方案的进一步改进，在步骤(6)中的淬火保温温度为800℃～850℃，时间为5～20分钟。该步骤中的淬火介质也为较为经济且冷却能力较强的水。
冷轧前的淬火与采用退火工艺时的作用相似，去除热轧之后的带状组织，降低冷轧的变形抗力，冷轧后的淬火是为了固溶强化，将合金元素固溶到基体中，以提高高碳高锰钢的强度和硬度。
各化学元素在钢中的作用分析如下：
C：碳是奥氏体形成和稳定化元素，起间隙固溶强化作用，奥氏体的稳定性随奥氏体中的含碳量的增加而升高。但低密度高强钢中的含碳量不能过高，否则会造成浇铸时成分偏析，导致碳化物析出。同时碳含量也会影响焊接性能及焊缝区金属组织性能，主要表现在强度和硬度上，焊缝金属的塑性、韧性会随着其强度和硬度的提高而下降。本发明的碳含量限定在0.75％～0.95％。
Mn：锰是Fe-Mn-Al-C系低密度钢的主要合金元素，锰对奥氏体的稳定性具有极大的影响，可以扩大奥氏体相区，提高奥氏体的稳定性，起固溶强化作用。它的加入可使Ms点降低。Mn元素也影响着Fe-Mn-Al-C系低密度钢的层错能，能使钢在受到外力而形变时产生致密的孪晶，明显地提高该系列低密度钢的延伸率。但是过高的Mn含量会造成成分偏析，形成带状组织以及焊接性能下降，对锰钢的综合性能的提高有负向作用。因此优选的Mn含量为14％～19％。
Al：铝可以缩小奥氏体相区，能使A3温度升高，同时有效增强奥氏体的稳定性，增加Fe-Mn-Al-C系低密度钢的层错能，并影响着形变孪晶的产生，有利于形变孪晶的形成，从而提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢的强塑性。一定的铝含量可以显著提高钢的热变形抗力，延迟动态再结晶，使奥氏体晶粒在动态再结晶后得到细化。但是高的铝含量不利于金属的浇铸，对铝含量需要进一步控制。故本发明的Al含量为7.0％～9.0％。
P、S：磷和硫是钢成形的不利元素。硫在钢中以FeS、MnS等硫化物夹质的形式存在，硫化物通常发布在晶界中，当温度达到其熔点时便会熔化，在轧制和锻造时会导致钢热变形时的开裂。磷会严重影响钢的冷变形能力，随着磷含量的增加，其影响会急剧加剧，并出现冷脆现象。因此，本发明需除去硫、磷元素。在本发明所述制备方法的步骤(1)中，并没有在冶炼时添加磷和硫元素，但是在钢中会有磷和硫元素杂质，本发明所述制备方法也能够除去部分的磷和硫元素，但是不可避免的会有部分磷和硫元素夹杂在钢中，优选的是在本发明的1000MPa高碳高锰低密度钢中磷和硫元素的含量为0，即便无法全部除去磷和硫元素杂质，也需要控制高碳高锰低密度钢中S的含量小于等于0.005％，P的含量小于等于0.01％。
本发明提供的一种1000MPa高碳高锰低密度钢及其制备方法，与现有技术相比，具有如下特点和有益效果：
1)本发明采用冷轧工艺与淬火热处理相结合，制备了强度高、延伸率大的钢材，满足了汽车产业对新一代钢材的性能要求。本发明所述高碳高锰低密度钢具有可吸收较高能量以及高的静态强度和疲劳强度，在需适应相同的抗冲击能力下，可减少钢材的使用量，以降低汽车重量，促进节能减排。
2)本发明合理配置合金元素的比重，既增强了C和Mn元素对奥氏体稳定的有益效果，提高了钢的强度，Al元素的加入又可有效地降低钢的密度，获得低密度的钢材，促进节能减排及环境友好型社会的发展。
3)冷轧前热处理的保温温度较高，本发明的热处理工艺是用淬火取代较为常用的退火工艺，不仅可得到所需的去除热轧之后的带状组织、降低冷轧的变形抗力的效果，而且可减少合金元素的析出以提高锰钢的性能。
4)本发明的热处理工艺均为淬火，冷却时间短，单位质量钢材的生产时间短，有利于绿色节能与提高生产效率。
5)采用真空感应炉冶炼，在真空条件下通过电磁感应原理使熔炼材料获得感应电流，以达到加热目的，不需要采用覆盖剂来防止空气中的N、O元素在高温下与铁锰反应，节约了覆盖剂的使用，可有效降低本发明高碳高锰低密度钢的生产成本，并且加热效率高，提高了生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1～3的高碳高锰低密度钢的应力-应变曲线图。
图2为本发明实施例1的高碳高锰低密度钢的XRD图。
图3为本发明实施例1的高碳高锰低密度钢的SEM照片。
图4为本发明实施例4～6的高碳高锰低密度钢的应力-应变曲线图。
图5为本发明实施例4的高碳高锰低密度钢的XRD图。
图6为本发明实施例4的高碳高锰低密度钢的SEM照片。
图7为本发明对比例1的高碳高锰低密度钢的XRD图。
图8为本发明对比例2的高碳高锰低密度钢的XRD图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1～3
钢的化学成分及质量百分比如下：C:0.83％，Mn:14.44％，Al:7.74％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述实施例的高碳高锰低密度钢的制备方法，按如下步骤进行：
(1)冶炼：按照本发明高碳高锰低密度钢的化学成分在真空感应炉中进行冶炼，控制炉内温度为1550℃～1650℃，然后浇铸成铸锭；
(2)锻造：先在1200℃保温2±0.25小时，使组织均匀化，然后将铸锭锻造成18～22mm厚度的板坯，空冷；
(3)热轧：将板坯在1150℃进行组织均匀化处理，保温时间为2±0.25小时，然后进行热轧，热轧时的开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃，轧制道次为6次，以空冷方式冷却至室温；
(4)淬火：将热轧板在800℃保温20分钟，然后水淬冷却，以去除热轧之后的带状组织，降低冷轧的变形抗力；
(5)冷轧：冷轧过程的轧制道次为3次；
(6)淬火：将冷轧板在800℃保温5～20分钟，然后水淬冷却，以将合金元素固溶到基体中，以提高钢材的强度和硬度。
另外需说明的是，步骤(3)中热轧后的热轧板厚度为2mm，步骤(5)中冷轧后的冷轧板厚度为1mm。
在上述实施例中，各实施例不同之处在于冷轧之后的热处理保温时间。实施例1的保温时间为20分钟，实施例2的保温时间为10分钟，实施例3的保温时间为5分钟。
结合图2、图3，经过上述具体操作步骤可得到组织为奥氏体和铁素体的低密度高强度高塑性合金钢，其奥氏体呈等轴晶分布，铁素体呈带状分布，并经计算，实施例1的奥氏体含量可达58％。
实施例4～6
钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.86％，Mn:16.92％，Al:7.83％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述实施例的高碳高锰低密度钢的制备方法，按如下步骤进行：
(1)冶炼：按照本发明高碳高锰低密度钢的化学成分在真空感应炉中进行冶炼，控制炉内温度为1550℃～1650℃，然后浇铸成铸锭；
(2)锻造：先在1175℃保温2±0.25小时，使组织均匀化，然后将铸锭锻造成18～22mm厚度的板坯，空冷；
(3)热轧：将板坯在1150℃进行组织均匀化处理，保温时间为2±0.25小时，然后进行热轧，热轧时的开轧温度为1150℃，终轧温度为950℃，轧制道次为6次，轧后的热轧板厚度为2mm，以空冷方式冷却至室温；
(4)淬火：将热轧板在820℃保温20分钟，然后水淬冷却，以去除热轧之后的带状组织，降低冷轧的变形抗力；
(5)冷轧：冷轧过程的轧制道次为3次，冷轧后的冷轧板厚度为1mm；
(6)淬火：将冷轧板在820℃保温5～20分钟，然后水淬冷却，以将合金元素固溶到基体中，以提高高碳高锰钢的强度和硬度。
在上述实施例4～6中，各实施例不同之处在于冷轧之后的热处理保温时间。实施例4的保温时间为20分钟，实施例5的保温时间为10分钟，实施例6的保温时间为5分钟。
经过上述操作步骤，保温时间为20分钟的实施4获得了如图6所示的组织亦为奥氏体和铁素体的高锰钢，该实施例获得的钢组织的形态与实施例1～3的高锰钢相似，但因化学成分百分比的差别，其奥氏体含量较实施例1～3的奥氏体含量高。继续结合图5并经计算分析，其奥氏体含量为62％。
对比例1～2
对比例1的钢化学成分及质量百分比如下为C：0.83％，Mn:14.44％，Al:7.74％，余量为Fe及不可避免的杂质。对比例2的钢化学成分及质量百分比如下：C：0.86％，Mn:16.92％,Al:7.83％，余量为Fe及不可避免的杂质。
对比例1的具体操作步骤分别与实施例1～3的相似，不同之处在于第二次淬火的保温时间为30分钟。对比例2的具体操作步骤分别与实施例4～6的相似，不同之处在于第二次淬火的保温时间为30分钟。
图7和图8分别为对比例1和对比例2的XRD图，经研究分析，对比例1～2获得的高锰钢的组织类型及形态并未发生改变，既为奥氏体和铁素体，但因其保温时间较长，导致奥氏体晶粒粗大，以致影响了钢的综合力学性能。
实施例1～3获得的材料密度为7.36g/cm3，实施例4～6获得的材料密度为7.34g/cm3。在实施例1～3中，所制备的高碳高锰低密度钢中的化学成分及质量百分比相同，因此其密度基本相等，同理所述实施例4～6。
经过上述操作步骤获得1000MPa级别的高碳高锰低密度钢后，对获得的高锰钢进行了拉伸试验以得到屈服强度、抗拉强度与延伸率等参数。
表1列出了实施例1～6和对比例1～2的性能参数。
表1
表2列出了实施例1和4及对比例1和2的奥氏体含量。
表2
| 项目 | 实施例1 | 实施例4 | 对比例1 | 对比例2 |
| 奥氏体含量(％) | 58 | 62 | 59 | 64 |
从表1中可以看出，本发明各实施例的1000MPa高碳高锰低密度钢，其抗拉强度可达1000MPa级别，断后延伸率达50％，强塑积大于45MPa·％。说明各实施例的汽车用钢具备较高的强度和良好的拉伸延伸性。
本发明获得的高锰钢的比强度大于130MPa/(g/cm3)，与同类材料相比，比强度高，具有轻量化的特点，可有效促进油耗的降低，有利于节能减排的发展。
由于淬火过程的保温时间不同，所获得的钢组织的百分比含量及晶粒大小会有所差别，以致影响了钢的综合力学性能。并结合图1和图4分析，实施例1～3和实施例4～6所获得的高锰钢的力学性能优异，但对比例1～2所获高锰钢的性能却相对较差。
继续结合表1、表2数据，本发明的奥氏体含量较高，当热处理时间较长时，随着奥氏体晶粒长大和较硬相铁素体相的减少，屈服强度和抗拉强度显著降低，因此，对比例1和对比例2的强度和强塑积与实施例相比均较小。
通过比较各实施例和对比例的性能参数，其热处理时间对本发明的力学性能影响极大，当冷轧后的第二次淬火时间大于20分钟时，得到的钢的强度和强塑积将变小，对比例1和2的屈服强度都小于500MPa，抗拉强度小于750MPa。
以上结果表明，本发明制备的高锰钢综合性能优良，符合汽车产业对汽车钢的性能要求，具有极强的市场应用价值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种1000MPa高碳高锰低密度钢，其特征在于，其化学成分及其重量百分比为C：0.75%～0.95%，Mn：14%～19%，Al：7.0%～9.0%，S：0～0.005%，P：0～0.01%，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种1000MPa高碳高锰低密度钢，其特征在于，1000MPa高碳高锰低密度钢的屈服强度达到700MPa以上，抗拉强度950～1100MPa，断后延伸率50%～60%。
3.权利要求1或2所述的一种1000MPa高碳高锰低密度钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照1000MPa高碳高锰低密度钢的化学成分及其重量百分比进行冶炼，并浇铸成铸锭；
(2)先加热、保温以达到组织均匀化的目的，然后将铸锭锻造成板坯，空冷；
(3)再加热、保温，然后热轧获得热轧板，以空冷方式冷却至室温；
(4)将热轧板加热并保温，以水为介质淬火；
(5)将淬火之后的热轧板进行冷轧得到冷轧板；
(6)进行第二次淬火获得1000MPa级别的高碳高锰低密度钢。
4.根据权利要求3所述的一种1000MPa高碳高锰低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤(1)的冶炼设备为真空感应炉，炉内温度为1550℃～1650℃。
5.根据权利要求3所述的一种1000MPa高碳高锰低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中的锻造保温温度为1150℃～1250℃，时间为2±0.25小时，锻造后的板坯厚度为18～22mm。
6.根据权利要求3所述的一种1000MPa高碳高锰低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中的热轧前的保温温度为1120℃～1180℃范围内保温2±0.25小时，热轧时的开轧温度为1120℃～1180℃ ，终轧温度为900℃～950℃，轧制道次为5～6次，轧后的热轧板厚度为2mm。
7.根据权利要求3所述的一种1000MPa高碳高锰低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中的淬火保温温度为800℃～850℃，时间为20分钟。
8.根据权利要求3所述的一种1000MPa高碳高锰低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤(5)中的冷轧，冷轧过程的轧制道次为3～4次，冷轧后的冷轧板厚度为1mm。
9.根据权利要求3所述的一种1000MPa高碳高锰低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤(6)中的淬火保温温度为800℃～850℃，时间为5～20分钟。
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