CN110195187B - 一种高弹性模量汽车用钢铁材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高弹性模量汽车用钢铁材料及其制备方法，属于钢铁材料领域。所述高弹性模量汽车用钢铁材料是通过在基体组织中形成增强相颗粒来提高弹性模量，增强相颗粒至少包括BN。本发明通过弹性模量高达700GPa的BN颗粒来替换TiB2颗粒来实现的，其中的氮元素的控制需要综合考虑其含量对钢材性能的影响以及与硼元素之间的匹配协同关系，使得生成的BN颗粒可以很好地取代TiB2颗粒以提升材料的弹性模量，且不会对制得钢铁材料的后续机加工性能造成影响，利于工业大规模生产和推广使用。

Description

一种高弹性模量汽车用钢铁材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁材料领域，尤其是涉及一种高弹性模量汽车用钢铁材料及其制备方法。
背景技术
在汽车工业中，车辆的轻量化就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。用高强度钢和先进的高强度钢替换传统的低强度钢，可以提高汽车用钢的比强度，减少钢板厚度，实现车身的轻量化。
目前，正在开发的富铝和富锰低密度高强度钢虽然可以有效提高钢板的比强度，但是钢材的弹性模量却会随着铝含量的增加而呈降低的趋势。材料的力学理论研究表明，在钢材的弹性模量不发生改变的基础上，构件的刚度对钢板的厚度范围进行了限定，钢板的厚度不能进一步降低。因此，如果可以改变钢材本身的弹性模量，则既可以满足对重量更严格的要求，又可以对钢材的厚度进一步调节；即增大钢材本身的弹性模量，可以相应地降低钢材厚度，优先实现汽车用钢材的轻量化需求。
而现有技术中是通过添加不同的增强颗粒，当这些陶瓷颗粒均匀分散在待增强材料的基体中时，基体整体的弹性模量可以得到有效提高。
但是现有技术中的钢材弹性模量的提高，均是通过Ti和B元素来形成增强相颗粒TiB2来提升材料的弹性模量，但Ti的含量太高，影响后续的材料机加工性能，并且Ti的高价格限制了成本降低和在机械装备轻量化中的大规模应用。
发明内容
本发明提供了一种高弹性模量汽车用钢铁材料及其制备方法，解决了现有技术中存在的“钢材弹性模量的提高，均是通过Ti和B元素来形成增强相颗粒TiB2来提升材料的弹性模量，但Ti的含量太高，影响后续的材料机加工性能，并且Ti的高价格限制了成本降低和在机械装备轻量化中的大规模应用”等问题。
本发明提供一种高弹性模量汽车用钢铁材料，所述高弹性模量汽车用钢铁材料是通过在基体组织中形成增强相颗粒来提高弹性模量，增强相颗粒至少包括BN；
所述高弹性模量汽车用钢铁材料的化学成分和质量百分比含量分别为0.15wt.％<C<0.3wt.％、1.5wt.％<Ti<4.5wt.％、1.0wt.％<B<2wt.％、0.04wt.％<N<0.07wt.％、1.8wt.％<Mn<3.0wt.％、1.0wt.％<Al<1.5wt.％、0.4wt.％<Cr<0.5wt.％、0wt.％≤Ni<1.0wt.％、0wt.％≤Cu<1.0wt.％、0wt.％≤Mo<1.0wt.％、0wt.％≤V<1.0wt.％、0wt.％≤Si<0.4wt.％、0wt.％≤S<0.030wt.％、0wt.％≤P<0.040wt.％，其余成分为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述高弹性模量汽车用钢铁材料的微观结构包括基体和均匀分散在其中的硬质增强颗粒，所述增强颗粒占体积的至少5％，增强颗粒包括弹性模量高达700GPa的BN颗粒。
优选地，所述高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量至少为230GPa。
优选地，所述高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量至少为235GPa。
优选地，所述高弹性模量汽车用钢铁材料的制备方法是依次通过原料熔炼、热轧、冷轧、涂覆和防腐蚀镀锌制得所述高弹性模量钢铁材料。
优选地，所述原料熔炼是通过原位反应熔炼进行的。
优选地，所述原料熔炼是通过真空感应熔炼炉将以纯铁、石墨、钛铁合金、铬氮合金、硼铁合金和相关的合金元素按照所述高弹性模量钢铁材料的化学成分和质量百分比配置而成的原料熔炼铸造成所述高弹性模量钢铁材料。
优选地，所述原料熔炼过程中添加含氮合金。
优选地，所述原料熔炼还包含凝固过程，所述凝固过程中的冷却速率≥0.1℃/s。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
C是一种固溶强化元素，可显著提高钢材的屈服强度和抗拉强度，是奥氏体稳定元素，可用于控制和调节钢基体的微观结构。C可以与Ti形成硬质颗粒TiC以增加弹性模量，但是C含量过高则会导致钢材的焊接性能劣化。故而，钢的C含量需要控制在0.15<C<0.3wt.％。
Ti是本发明中用于形成TiC和TiB2增强颗粒的重要合金元素。当Ti含量小于1.5wt.％时，导致增强颗粒的体积分数较低，增强颗粒的含量和分布并不足以改善钢材的弹性模量；当Ti含量高于4.5wt.％时，难以使大量生产工业化，TiB2增强颗粒会大量形成，而形成的粗大颗粒的TiB2对后续工艺会产生不利的影响。故而，钢中的Ti含量需要控制在1.5<Ti<4.5wt.％。
B是本发明中重要的合金元素，B与Ti、Fe和N都可以结合形成主要的增强颗粒，如TiB2，Fe2B和BN。但是B含量低于1.0wt.％时不利于增强颗粒的形成，高于2wt.％时则不利于延展性和加工性能，故而，B含量需要控制在1.0<B<2wt.％。
N是本发明中的重要合金元素。由于BN颗粒的弹性模量高达700GPa，即使很小的体积分数也能提高弹性模量。但是N元素的含量不宜过高，否则会导致钢材的老化和机加工性能下降。故而，N含量需要控制在0.04<N<0.07wt.％。
Mn增加奥氏体稳定性以促进奥氏体形成，调节钢基体的微观结构并消除由S引起的热脆化，从而改善钢材的热加工性。过量的Mn会导致热轧过程中铸锭中的Mn偏析和带状结构，从而降低钢材的整体机械性能。故而，Mn含量需要控制在1.8<Mn<3.0wt.％。
Al是本发明中重要的合金元素。Al元素的添加有助于改善钢材的微观结构并减少硬质增强颗粒(TiB2，NB)在晶界处的分布，以增强材料的后续机加工变形能力。同时，可以降低钢材的密度。然而过量的Al会对钢材的铸造性能产生不利的影响。故而，Al含量需要控制在1.0<Al<1.5wt.％。
Cr可以细化结构的晶粒并抑制晶粒粗化的热加工，但是过高的Cr含量会破坏钢的延展性。故而，Cr含量需要控制在0.4<Cr<0.5wt.％。
Si是铁素体固溶强化元素，可以提高钢材的强度。此外，Si可以显着提高奥氏体的机械稳定性，并有助于钢材的良好强度和可塑性。但是，过高的Si会降低轻钢的可塑性。故而，Si含量需要控制在0≤Si<0.4wt.％。
V有助于细化晶粒并改善结构的热稳定性。且V和B也可形成增强相，但是在工业化生产中如果大量使用会大幅度提高生产成本，故而V含量需要控制在0≤V<1.0wt.％。
如果S的存在量超过0.030％，MnS的形成几率大幅提高。已知MnS对钢材的热和冷成形性会产生不利的影响。故而，S含量需要控制在0≤S<0.030wt.％。
P在晶界处易偏析。为保持钢材足够的热延性并避免钢材凝固和焊接过程中的热裂缺陷的产生，P含量需要控制在0.04wt.％以内。
原料中也可以添加镍、铜和钼，这增加了钢基体的强度和淬火硬化能力。出于经济原因，添加量需要控制在1wt.％以内。
所述高弹性模量汽车用钢铁材料的原料熔炼是通过在真空感应熔炼炉添加中间合金来完成的，并且可以通过常规炼钢设备实现大规模批量化的生产。在熔炼过程中需要添加含氮合金，在凝固过程中的冷却速率≥0.1℃/s。
综上，本发明提供了一种高弹性模量汽车用钢铁材料及其制备方法，其中的高弹性模量汽车用钢铁材料中的元素组分和含量的选择并不是通过Ti和B元素来形成增强相颗粒TiB2以提升材料的弹性模量，而是通过弹性模量高达700GPa的BN颗粒来替换TiB2颗粒来实现的，其中的氮元素的控制需要综合考虑其含量对钢材性能的影响以及与硼元素之间的匹配协同关系，使得生成的BN颗粒可以很好地取代TiB2颗粒以提升材料的弹性模量，且不会对制得钢铁材料的后续机加工性能造成影响，利于工业大规模生产和推广使用。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中存在的“钢材弹性模量的提高，均是通过Ti和B元素来形成增强相颗粒TiB2来提升材料的弹性模量，但Ti的含量太高，影响后续的材料机加工性能，并且Ti的高价格限制了成本降低和在机械装备轻量化中的大规模应用”等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高弹性模量汽车用钢铁材料，所述高弹性模量汽车用钢铁材料是通过在基体组织中形成增强相颗粒来提高弹性模量，增强相颗粒至少包括BN；
所述高弹性模量汽车用钢铁材料的化学成分和质量百分比含量分别为0.15wt.％<C<0.3wt.％、1.5wt.％<Ti<4.5wt.％、1.0wt.％<B<2wt.％、0.04wt.％<N<0.07wt.％、1.8wt.％<Mn<3.0wt.％、1.0wt.％<Al<1.5wt.％、0.4wt.％<Cr<0.5wt.％、0wt.％≤Ni<1.0wt.％、0wt.％≤Cu<1.0wt.％、0wt.％≤Mo<1.0wt.％、0wt.％≤V<1.0wt.％、0wt.％≤Si<0.4wt.％、0wt.％≤S<0.030wt.％、0wt.％≤P<0.040wt.％，其余成分为Fe和不可避免的杂质。
所述高弹性模量汽车用钢铁材料的微观结构包括基体和均匀分散在其中的硬质增强颗粒，所述增强颗粒占体积的至少5％，增强颗粒包括弹性模量高达700GPa的BN颗粒。
所述高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量至少为230GPa。
优选地，所述高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量至少为235GPa。
所述高弹性模量汽车用钢铁材料的制备方法是依次通过原料熔炼、热轧、冷轧、涂覆和防腐蚀镀锌制得所述高弹性模量钢铁材料。
所述原料熔炼是通过原位反应熔炼进行的。
所述原料熔炼是通过真空感应熔炼炉将以纯铁、石墨、钛铁合金、铬氮合金、硼铁合金和相关的合金元素按照所述高弹性模量钢铁材料的化学成分和质量百分比配置而成的原料熔炼铸造成所述高弹性模量钢铁材料。
所述原料熔炼过程中添加含氮合金。
所述原料熔炼还包含凝固过程，所述凝固过程中的冷却速率≥0.1℃/s。
在本发明中，高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量是通过动态共振方法来进行测量，需要对熔炼得到的铸锭进行切割，经过不同位置的切割后，对得到的样品进行测量，取最小弹性模量测量值作为不同成分高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量值。具体情况如下表1所示的实施例1-4四种不同成分高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量：
表1 四种不同成分高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量
Figure BDA0002062311140000061
由上述四种不同成分高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量对比可知，第一种高弹性模量汽车用钢铁材料中的硼含量和钛含量比第二种高弹性模量汽车用钢铁材料中的较多，其他元素含量差别不大，导致弹性模量提高，提高幅度不大；虽然第三种高弹性模量汽车用钢铁材料中硼含量和钛含量远小于其他几种，但是氮含量的提高使得弹性模量的提高幅度较大。
综上可见，本发明提供了一种高弹性模量汽车用钢铁材料及其制备方法，其中的高弹性模量汽车用钢铁材料中的元素组分和含量的选择并不是通过Ti和B元素来形成增强相颗粒TiB2以提升材料的弹性模量，而是通过弹性模量高达700GPa的BN颗粒来替换TiB2颗粒来实现的，其中的氮元素的控制需要综合考虑其含量对钢材性能的影响以及与硼元素之间的匹配协同关系，使得生成的BN颗粒可以很好地取代TiB2颗粒以提升材料的弹性模量，且不会对制得钢铁材料的后续机加工性能造成影响，利于工业大规模生产和推广使用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高弹性模量汽车用钢铁材料，其特征在于，所述高弹性模量汽车用钢铁材料是通过在基体组织中形成增强相颗粒来提高弹性模量，增强相颗粒至少包括BN；
所述高弹性模量汽车用钢铁材料的化学成分和质量百分比含量分别为0.15wt.％<C<0.3wt.％、1.5wt.％<Ti<4.5wt.％、1.0wt.％<B<2wt.％、0.04wt.％<N<0.07wt.％、1.8wt.％<Mn<3.0wt.％、1.0wt.％<Al<1.5wt.％、0.4wt.％<Cr<0.5wt.％、0wt.％≤Ni<1.0wt.％、0wt.％≤Cu<1.0wt.％、0wt.％≤Mo<1.0wt.％、0wt.％≤V<1.0wt.％、0wt.％≤Si<0.4wt.％、0wt.％≤S<0.030wt.％、0wt.％≤P<0.040wt.％，其余成分为Fe和不可避免的杂质；
所述高弹性模量汽车用钢铁材料的制备方法是依次通过原料熔炼、热轧、冷轧、涂覆和防腐蚀镀锌制得所述高弹性模量钢铁材料；
所述原料熔炼是通过真空感应熔炼炉将以纯铁、石墨、钛铁合金、铬氮合金、硼铁合金和相关的合金元素按照所述高弹性模量钢铁材料的化学成分和质量百分比配置而成的原料熔炼铸造成所述高弹性模量钢铁材料。
2.根据权利要求1所述一种高弹性模量汽车用钢铁材料，其特征在于，所述高弹性模量汽车用钢铁材料的微观结构包括基体和均匀分散在其中的硬质增强颗粒，所述增强颗粒占体积的至少5％，增强颗粒包括弹性模量高达700GPa的BN颗粒。
3.根据权利要求1所述一种高弹性模量汽车用钢铁材料，其特征在于，所述高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量至少为230GPa。
4.根据权利要求3所述一种高弹性模量汽车用钢铁材料，其特征在于，所述高弹性模量汽车用钢铁材料的弹性模量至少为235GPa。
5.根据权利要求1所述一种高弹性模量汽车用钢铁材料，其特征在于，所述原料熔炼是通过原位反应熔炼进行的。
6.根据权利要求1所述一种高弹性模量汽车用钢铁材料，其特征在于，所述原料熔炼过程中添加含氮合金。
7.根据权利要求1所述一种高弹性模量汽车用钢铁材料，其特征在于，所述原料熔炼还包含凝固过程，所述凝固过程中的冷却速率≥0.1℃/s。
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