CN109868420B

CN109868420B - 铁素体钢

Info

Publication number: CN109868420B
Application number: CN201810568236.3A
Authority: CN
Inventors: 金桐辉; 赵凤來
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2038-06-05
Also published as: US10900106B2; KR20190065671A; US20190169720A1; CN109868420A; DE102018113060A1

Abstract

本文公开了一种通过抑制κ‑碳化物的形成而具有降低的比重和具有优异的机械强度的铁素体钢。铁素体钢可以包括：约0.05wt％至0.12wt％的量的碳；约3.0wt％至7.0wt％的量的铝；约0.5wt％或更少但大于0wt％的量的锰；约0.5wt％或更少但大于0wt％的量的镍；约0.75wt％或更少但大于0wt％的量的铬；约0.3wt％至0.75wt％的量的硅；约0.25wt％至0.7wt％的量的钛和钒的组合量；和余量的铁，所有wt％均基于铁素体钢的总重量。

Description

铁素体钢

技术领域

本发明涉及一种具有降低的比重同时通过抑制在其中形成κ-碳化物而保持优异的机械强度的铁素体钢。

背景技术

为了提高车辆的燃料效率，不断进行减轻材料重量的研究。例如，不断进行用于减轻由车辆组件的钢材制成的每个组件的重量的研究。

在相关技术中，已经使用铁素体轻质钢、奥氏体轻质钢、铁素体-奥氏体双相(双相)轻质钢等。由于这种轻钢在钢材中含有大量的Al以具有高比强度，因此这种轻质钢作为诸如车辆组件的先进结构材料而受到关注。

例如，由于铁素体轻质钢可能不需要用于奥氏体稳定化的附加合金材料，因此考虑到合金的成本，铁素体轻质钢可能比其他类型的轻质钢更经济。然而，当热处理且未在最佳条件下添加组分时，铁素体轻质钢可能包含可由铁素体轻质钢的组分形成的卡帕(κ)相，并且因此成形性可能由于κ相的过度沉淀而劣化。

发明内容

在优选的方面，本发明提供了一种铁素体钢及其组合物。铁素体钢可具有降低的比重，同时通过抑制κ相的形成而保持优异的机械强度。因此，铁素体钢可适用于需要应用各种热处理的车辆组件。

一方面，提供了铁素体钢。铁素体钢可以包括：约0.05wt％至0.12wt％的量的碳；约3.0wt％至7.0wt％的量的铝；约0.5wt％或更少(不是0wt％)的量的锰；约0.5wt％或更少的量的镍；约0.75wt％或更少(不是0wt％)的量的铬；约0.3wt％至0.75wt％的量的硅；约0.25wt％至0.7wt％的组合量的钛和钒；和余量的铁(Fe)，所有wt％均基于铁素体钢的总重量。

铁素体钢还可以包含其他材料，特别是约0.02wt％或更少的量的铌，约0.1wt％或更少的量的磷，约0.05wt％或更少的量的硫，约0.01wt％或更少的量的氮，或其组合，所有wt％均基于铁素体钢的总重量。应该理解的是，如果存在，这些附加材料的量为大于0，例如约0.01wt％，所有wt％均基于铁素体钢的总重量。

铁素体钢可以基本上由本文所述的组分组成。例如，铁素体钢可以基本上由以下元素组成：约0.05wt％至0.12wt％的量的碳；约3.0wt％至7.0wt％的量的铝；约0.5wt％或更少(不是0wt％)的量的锰；约0.5wt％或更少(不是0wt％)的量的镍；约0.75wt％或更少(不是0wt％)的量的铬；约0.3wt％至0.75wt％的量的硅；约0.25wt％至0.7wt％的组合量的钛和钒；和余量的铁，所有wt％均基于铁素体钢的总重量。

此外，铁素体钢可以基本上由以下元素组成：约0.05wt％至0.12wt％的量的碳；约3.0wt％至7.0wt％的量的铝；约0.5wt％或更少(不是0wt％)的量的锰；约0.5wt％或更少(不是0wt％)的量的镍；约0.75wt％或更少(不是0wt％)的量的铬；约0.3wt％至0.75wt％的量的硅；约0.25wt％至0.7wt％的组合量的钛和钒；约0.02wt％或更少的量的铌，约0.1wt％或更少的量的磷，约0.05wt％或更少的量的硫，约0.01wt％或更少的量的氮或其组合；和余量的铁，所有wt％均基于铁素体钢的总重量。

铁素体钢可具有约500MPa或更大的屈服强度，优选为约570MPa或更大。

铁素体钢可具有约540MPa或更大的拉伸强度，优选为约611MPa或更大。

铁素体钢可具有约10％或更大的延伸率。

铁素体钢可具有约7.0g/cm³至7.5g/cm³的密度。

在铁素体钢中，形成的κ-碳化物的含量可能小于约1％。

本申请进一步提供的是可以包括如本文所述的铁素体钢的车辆。

以下公开了本发明的其他方面。

附图说明

图1是实例和比较实例中的组成的表格。

图2是实例和比较实例中的物理性质和性能的表格。

图3和图4是实例中观察到的微观结构的照片；且

图5和图6是实例和比较实例中的产品的照片。

具体实施方式

本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不意图限制性的。如本文所用的，单数形式“一个(a)”，“一个(an)”和“the”旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应该理解，术语“包括(comprise)”、“包括(include)”、“具有(have)”等当用于本说明书时指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/组件的存在，但并不排除存在或添加其一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。

应该理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似的术语包括机动车辆，大体上例如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车的乘用车，各种商用车辆，包括各种船舶的船只，航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆，氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，来源于非石油资源的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两个或多个动力源的车辆，例如汽油动力车辆和电动车辆。

可以各种方式使用如本文所述的铁素体钢，例如作为其他车辆组件的车身、发动机组件的构造材料。

此外，除非特别说明或从上下文中明显看出，如本文所用，术语“约”应理解为在本领域的正常容限范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％的规定值的范围内。除非上下文另有明确说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。

除非另外定义，否则本文使用的包括技术和科学术语的所有术语具有与由本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。还应理解的是，诸如在通用字典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关技术和本公开内容的上下文中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化或过于正式的含义，除非在本文明确地如此定义。

在下文，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方案。然而，本发明不限于本文公开的示例性实施方案，而是将以各种形式实现。本示例性实施方案使得本发明的发明详尽并被提供以便本领域技术人员能够容易地理解本发明的范围。

图1是示出实例和比较实例中的成分的表格，且2是示出实例和比较实例中的物理性质和性能的表格。

在一个方面，根据本发明的示例性实施方案的铁素体钢，通过优化主要合金成分的含量来抑制κ-碳化物的形成。铁素体钢可以包括：约0.05wt％至0.12wt％的量的碳(C)；约3.0wt％至7.0wt％的量的铝(Al)；约0.5wt％或更少(不是0wt％)的量的锰(Mn)；约0.5wt％或更少(不是0wt％)的量的镍(Ni)；约0.75wt％或更少(不是0wt％)的量的铬(Cr)；约0.3wt％至0.75wt％的量的硅(Si)；约0.25wt％至0.7wt％的组合量的钛(Ti)和钒(V)；和余量的铁(Fe)，所有wt％均基于铁素体钢的总重量。

在本发明中，限制合金成分及其组成范围的原因如下。在下文中，除非特别说明，否则以组成范围的单位形式公开的术语“％”是指“重量％(wt％)”。

优选地，基于铁素体钢的总重量，碳(C)的含量可为约0.05wt％至0.12wt％。尽管碳(C)可以是有效提高钢的强度的元素，但由于随着碳量的增加，κ-碳化物的含量增加，因此碳(C)的含量可被限制为约0.12wt％，这可能对应于BCC(Body Centered Cubic，体心立方)中的碳(C)的高温溶解度极限。此外，当碳的含量为约或大于0.05wt％(其可以对应于低温BCC中的碳(C)的低温溶解度极限)时，可获得通过形成碳化物提高强度的效果。

优选地，基于铁素体钢的总重量，铝(Al)的含量可为约3.0wt％至7.0wt％。在相关技术中，在将铝添加到合金时，铝可以有效地降低材料的比重。当以大于预定量的量包含铝时，例如大于7wt％，则在整个温度范围内不存在κ-碳化物的平衡相时，可以沉淀大量的κ-碳化物。此外，当以小于预定量的量包含铝时，例如小于约3wt％时，比重的下降可能不足，并且基体结构可能主要由奥氏体形成，使得与根据现有技术的材料没有不同。

优选地，基于铁素体钢的总重量，锰(Mn)和镍(Ni)的含量各自可以为0.5wt％或更少(不是0wt％)。当添加锰(Mn)和镍(Ni)的量大于预定量时，例如大于约0.5wt％时，可能在奥氏体中形成κ-碳化物。

优选地，基于铁素体钢的总重量，铬(Cr)的含量可为约0.75wt％或更少(不是0wt％)。尽管铬(Cr)是铁素体稳定元素，但由于铬(Cr)在添加大量铬(Cr)时可能引起脆性，因此铬的含量可以包含至约0.75wt％或更少。

优选地，基于铁素体钢的总重量，硅(Si)的含量可为约0.3wt％至0.75wt％。本文使用的硅(Si)可以是类似于铬(Cr)的铁素体稳定化元素，并且可以0.3wt％或更大的量添加含量以形成稳定的铁素体相。当硅加入量大于预定量时，例如大于约0.75wt％时，硅(Si)也会引起脆性，类似于铬(Cr)。优选地，基于铁素体钢的总重量，钛(Ti)和钒(V)的组合含量可为约0.25wt％至0.7wt％。如本文所用，在各自单独添加或以组合形式添加钛(Ti)和钒(V)时，钛(Ti)和钒(V)可以通过在约1200℃或更高的高温下形成微碳化物来提高强度并抑制κ-碳化物的形成。因此，为了抑制κ-碳化物的形成，由于碳(C)的含量的上限为约0.12wt％，因此Ti和V的理论最大组合含量可为约0.48wt％。然而，由于诸如氮(N)、氧(O)等的其他元素可以与Ti或V结合，因此组合含量可为约0.7wt％或小于0.7wt％。此外，其组合含量可为约或大于0.25wt％，以防止由于形成TiC和VC而不会形成κ-碳化物而导致强度降低。

铁素体钢还可以包含约0.02wt％或更少的量的铌(Nb)，约0.1wt％或更少的量的磷(P)，约0.05wt％或更少的量的硫(S)，约0.01wt％或更少的量的氮(N)，或其组合，基于铁素体钢的总重量。

为了使Ti和V的效果最大化，基于铁素体钢的总重量，包含的铌(Nb)的含量可为约或小于约0.02wt％。

由于磷(P)和硫(S)可能是杂质，因此可限制磷(P)和硫(S)的含量尽可能低，但考虑到磷(P)和硫(S)的去除过程，磷(P)的含量可为约或小于约0.1wt％，并且硫(S)的含量可为约或小于约0.05wt％。

优选地，为了抑制Ti、V、Al等的氮化物的形成，可将氮(N)的含量控制得尽可能低，并且考虑到去除过程，基于铁素体钢的总重量，氮(N)的含量可为约或小于约0.01wt％。

同时，除了上述成分之外的余量可以是Fe和其他不可避免的杂质。

在下文，将参照实例和比较实例更详细地描述本发明。

根据实例和比较实例生产钢筋的实验根据商业生产的钢筋和通过在改变各个成分的含量的同时生产的钢水制造的钢坯的生产条件进行，如图1所示，依次进行热粗轧工艺、热处理工艺、一次热轧工艺、一次退火工艺、二次热轧工艺、二次退火工艺和冷轧工艺，由此制造钢筋。对应于表1中未示出的合金元素的Nb、P、S和N的含量被控制为尽可能低，并且其上限被调整为不超过本发明中限定的上限。

在1000℃至1300℃的温度区间内，将所制造的钢坯在热粗轧过程中以每1mm的厚度为2分钟的速率再加热。此处，为了使钛和钒的碳化物沉淀的效果最大化，可在上述再加热温度下以每25mm厚度为1小时的速率在其上进一步进行附加的热处理工艺。再加热后的钢坯在800℃或更高的温度下以3.5或更大的减速比进行轧制工艺，从而制造坯锭。

在700℃至1000℃的温度区间中对该轧制坯锭进行一次热轧工艺，从而形成为钢筋或钢卷形式。然后，可以在600℃至900℃的温度区间内对轧制钢筋或钢卷进行一次退火工艺。

一次退火的钢筋或钢卷可在500℃至850℃的温度区间进行二次热轧工艺，并且二次轧制的钢筋或钢卷可在650℃至850℃的温度区间内进行二次退火工艺。

如上所述的二次退火的钢筋或钢卷可进行冷轧工艺以进行最终尺寸校正。

接下来，将描述用于确认根据如上所述的实例和比较实例制造的钢筋的物理性能的测试方法。

进行确认实例和比较实例的相应试验样品的屈服强度、拉伸强度、延伸率、密度以及κ-碳化物的含量的测试，结果示于图2。

在此，将根据实例和比较实例的相应试验样品，在Φ35的轧制钢筋的1/2R的位置处进行加工，以满足钢筋标准样品的ASTM E8规范。

此外，使用单轴拉伸试验机，在25℃的温度和湿度为65％下，按照ASTM E 8测试方法评价测试样品，最大负载能力为250kN，从而测定屈服强度、拉伸强度和延伸率。

此外，根据ASTM D 792方法A测量测试样品的密度。

同时，通过主要测量经镜面抛光后的微弱抛光的测试样品的κ-碳化物含量，然后通过Lepera彩色蚀刻后的图像分析结果验证一致性来确定κ-碳化物的含量。

如图2所示，在根据本发明的实例中，屈服强度、拉伸强度、延伸率、密度和κ-碳化物的含量全部满足根据本发明的要求。

例如，在根据本发明的实例1和实例2中，屈服强度保持在500Mpa或更高，并且优选地，屈服强度为570MPa或更高。

此外，在根据本发明的实例1和实例2中，拉伸强度保持在540Mpa或更高，并且优选地，拉伸强度为611MPa或更高。

此外，在根据本发明的实例1和实例2中，延伸率保持为10％或更高，并且密度在7.0g/cm³至7.5g/cm³的范围内。

此外，在根据本发明的实例1和实例2中，所形成的κ-碳化物的含量小于1％。

相反，在比较实例1中，Al含量不足，使得没有减小比重的作用，κ-碳化物的含量超过了本发明的要求(小于1％)，并且形成奥氏体相基质。

在比较实例2至比较实例5中，Ti和V的含量不足，使得TiC和VC形成不充分。结果，屈服强度和拉伸强度不满足本发明的要求。

在比较实例6和比较实例7中，屈服强度、拉伸强度和密度满足本发明的要求，但Mn或Ni的含量过高，使得κ-碳化物的含量超过本发明的要求。

在比较实例8至10中，屈服强度、拉伸强度、延伸率和密度满足本发明的要求，但Al的含量过高，使得κ-碳化物的含量超过本发明的要求。

在比较实例11中，屈服强度、拉伸强度、延伸率和密度满足本发明的要求，但C的含量过高，使得κ-碳化物的含量超过本发明的要求。

同时，图3是实例1中的微观结构的照片，且图4是实例2中的微观结构的照片。

如图3所示，在实例1中，在铁素体基体组织中形成诸如TiC、VC、M7C3的沉淀物，未观察到κ-碳化物的沉淀。

如图4所示，可以确认，在实例2中，在铁素体基体组织中形成诸如TiC、VC和M7C3的沉淀物，沉淀的κ-碳化物的含量小于1％。

此外，示出实例1和2中的产品的照片的图5是在轧制钢筋形式的产品期间和之后的产品照片。如图5所示，可以确定，在根据本发明的实例中，通常进行轧制，并且产品的表面质量优异。

示出实例8、9和11中的产品的照片的图6是在轧制钢筋形式的产品期间和之后的产品照片。如图6所示，可以确认，在对应于其中沉淀的κ-碳化物的含量分别为约1.5％和2.4％的测试样品的比较实例例8和9中，在轧制期间在表面中发生裂纹。此外，可以确认，在对应于其中沉淀的κ-碳化物的含量为约4.3％的测试样品的比较实例11中，在轧制期间发生爆裂。

根据本发明的示例性实施方案，由于通过调整主要合金成分的含量来抑制κ-碳化物的形成，因此可以获得在保持优异的屈服强度和拉伸强度的同时能够确保10％或更大的延伸率和降低的比重的铁素体轻质钢。

在根据相关技术的铁素体低比重轻质钢中，由于Al和C的含量相对较高，因此形成约1％至30％的κ-碳化物。然而，根据本发明的实施方案，可通过将Al含量抑制在7％或更小的范围内从而允许κ-碳化物的稳定相不存在并且将基质中的溶质碳的量控制在相当低的水平来抑制κ-碳化物的形成，同时通过在1000℃或更高的温度下形成碳化钛或碳化钒确保强度。

尽管已经参照附图和示例性实施方案描述了本发明，但本发明不限于此，而是由所附权利要求限定。因此，本领域技术人员将会理解，在不脱离所附权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。

Claims

1.一种铁素体钢，由以下元素组成：

0.05wt％至0.12wt％的量的碳；

3.0wt％至7.0wt％的量的铝；

0.5wt％或更少但大于0wt％的量的锰；

0.5wt％或更少但大于0wt％的量的镍；

0.75wt％或更少但大于0wt％的量的铬；

0.3wt％至0.75wt％的量的硅；

0.25wt％至0.7wt％的组合量的钛和钒；以及

余量的铁，

所有wt％均基于所述铁素体钢的总重量，并且

还包括：

0.02wt％或更少的量的铌；

0.1wt％或更少的量的磷；

0.05wt％或更少的量的硫；

0.01wt％或更少的量的氮，或

以上元素的组合，

其中，在所述铁素体钢中，形成的κ-碳化物的含量小于1％。

2.根据权利要求1所述的铁素体钢，其中，所述铁素体钢具有500MPa或更大的屈服强度。

3.根据权利要求2所述的铁素体钢，其中，所述铁素体钢具有570MPa或更大的屈服强度。

4.根据权利要求1所述的铁素体钢，其中，所述铁素体钢具有540MPa或更大的拉伸强度。

5.根据权利要求4所述的铁素体钢，其中，所述铁素体钢具有611MPa或更大的拉伸强度。

6.根据权利要求1所述的铁素体钢，其中，所述铁素体钢具有10％或更大的延伸率。

7.根据权利要求1所述的铁素体钢，其中，所述铁素体钢具有7.0g/cm³至7.5g/cm³的密度。

8.一种包括权利要求1所述的铁素体钢的车辆。