CN110343974A - 比强塑积高于6.0GPa%/gcm-3的高碳低合金低密度钢及其热处理工艺 - Google Patents

比强塑积高于6.0GPa%/gcm-3的高碳低合金低密度钢及其热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种比强塑积高于6.0GPa％/gcm‑3的高碳低合金低密度钢及其热处理工艺，此钢种的具体化学成分如下(质量分数，％)：C：0.55～0.75，Cr：0.20～1.00，Mn:1.0～2.0，Al:2.5～4.5，Nb：0.02～0.06，P<0.003，S<0.001，剩余是铁。相对应的热处理工艺采用淬火‑分配‑回火(Q‑P‑T)工艺。本发明通过改变高碳低合金钢化学成分及调整热处理工艺提高高碳钢的力学性能，使其比强塑积高于6.0GPa％/gcm‑3以上。

Description

比强塑积高于6.0GPa％/gcm-3的高碳低合金低密度钢及其热 处理工艺
技术领域
本发明涉及一种钢的化学成分和热处理工艺，即涉及一种比强塑积高于6.0GPa％/gcm-3的高碳低合金低密度钢及其热处理工艺。
背景技术
汽车材料的选择受几个因素所控制，其中最重要的三个性能：轻质性、焊接性和安全性。先进高强度钢(advanced high strength steel，AHSSs)的发展满足了减轻汽车的重量，达到节能减排的目的，也增强了安全性。在AHSSs的研究基础上发展起来的低密度钢进一步可减轻汽车的重量，更有效地满足节能减排的目的。目前低密度钢是在第三代先进高强度钢的基础上主要通过加Al而发展起来的。
通常表征钢铁材料基本力学性能的指标为强度(单位：MPa)和伸长率(单位：％；可用来表示塑性)。钢铁材料的强度和塑性往往互相矛盾，即材料强度的提高会导致其塑性的降低。因此，为了能综合判断材料性能，通常以材料的强塑积(product of strength andelongation，PSE)，即抗拉强度与总伸长率的乘积，作为其综合性能的判据。若将轻质性也纳入评判钢综合力学性能的标准，则比强塑积(SPSE：PSE/密度)更为合适，即单位密度的强塑积越高，代表钢铁材料的强度与塑性不降低的情况下，汽车结构件的重量越轻，更能达到节能减排的效果。低密度钢按合金成分和室温微观组织大体可分为三类：1)铁素体钢；2)铁素体/奥氏体双相钢；3)奥氏体钢。这三类钢基本对应三代先进高强钢，只是提高了碳含量，以弥补Al加入后强度的降低。因此，含Al的高碳低合金钢比含Al的中碳和低碳低合金钢具有更大比强塑积的潜力。高的比强塑积表示轻质材料具有优良的综合力学性能，其获得途径为进行最优的材料成分设计及热处理工艺设计。高的比强塑积是先进高强度钢的重要指标。
经对现有技术文献检索发现：
Yi H L,Ryu J H,Bhadeshia H K D H,et al.Low-alloy duplex,directlyquenched transformation-induced plasticity steel[J].Scripta Materialia,2011,65(7):604-607.文章对0.4C-1.03Mn-2.95Al-0.22Si轻质钢进行不同工艺的热处理，得到组织为δ-铁素体、残余奥氏体以及马氏体混合组织。结果表明，其最佳性能为强度900MPa和伸长率28％，得到最高强塑积为25.2GPa％，比强塑积3.3GPa％/gcm-3。此外，易红亮等的研究还表明：2.50wt.％Al的合金(Fe-0.4C-0.26Si-2.02Mn-2.50Al,wt.％)加热至1000℃时均奥氏体化，即高温δ-铁素体全部转变为奥氏体，因此，2.50wt.％Al钢的热轧组织为常规由奥氏体转变的α铁素体+珠光体组织。在Al含量提高至3.50wt.％的合金(Fe-0.39C-0.77Si-1.50Mn-3.35Al，wt.％)加热至1000℃保留了部分的高温δ-铁素体。低合金δ-铁素体低密度钢目前报道均为是中、低碳钢，其强塑积在20-30GPa％，密度在7.5g/cm3左右，故SPSE在2.7-4.0GPa％/gcm-3。
Sohn S S,Lee B J,Lee S,et al.Effect of annealing temperature onmicrostructural modification and tensile properties in 0.35C-3.5Mn-5.8Allightweight steel[J].Acta Materialia,2013,61(13):5050-5066.文章对0.35C-3.5Mn-5.8Al轻质钢进行不同工艺的热处理，得到组织为δ-铁素体、残余奥氏体以及α-铁素体混合组织。试验结果表明，经880℃加热保温50s，400℃等温180s处理后样品取得最高强度以及塑性，其最佳性能为强度800MPa和伸长率42％，得到最高强塑积为33.6GPa％，比强塑积4.5GPa％/gcm-3。需要注意的是此钢种合金成分较本申请材料成分高2-3倍，Mn是奥氏体化元素，添加Mn元素不仅能提高奥氏体含量、扩大奥氏体相区范围，还可使奥氏体能在较低温度下形成，加快奥氏体晶粒的生长速率，从而使δ-铁素体破碎分布，达到提高塑性的目的。此富铝中锰钢已不属于低合金钢范围。
Suh D W,Park S J,Lee T H,et al.Influence of Al on the MicrostructuralEvolution and Mechanical Behavior of Low-Carbon,Manganese Transformation-Induced-Plasticity Steel[J].Metallurgical&Materials Transactions A,2010,41(2):397-408.文章对0.12C-5.8Mn-3.1Al-0.47Si轻质钢进行不同工艺的热处理，得到组织为δ-铁素体、残余奥氏体以及α-铁素体混合组织。结果表明，其最佳性能为强度994MPa和伸长率27％，得到最高强塑积为26.8GPa％，比强塑积3.48GPa％/gcm-3。
董超等发表的文章“退火温度对铁素体基轻质钢组织与力学性能的影响”，《上海金属》，2017，39(04):5-9.。设计了一种成分(质量分数,％)为Fe-0.25C-3.5Mn-8Al的铁素体基轻质钢，研究了在不同热处理条件下，试验钢的显微组织与力学性能之间的关系。结果表明，随着退火温度的升高，样品中残余奥氏体含量不断增加，抗拉强度和断后伸长率均呈逐渐增加的趋势，经950℃保温50s，最后400℃保温3min处理后，试验钢的强塑积达到最大值22.451GPa％，比强塑积最高达3.13GPa％/gcm-3。
以上的研究无一例外地都通过控制轻质钢成分以及改变热处理工艺以达到提高钢的性能，但是均为中低碳轻质合金钢，且得到的比强塑积均不超过4.5GPa％/gcm-3。而本申请所涉及材料为含Al的高碳低合金钢，在降低合金含量和成本的同时，通过调整热处理工艺能够显著提高性能，本发明中得到的比强塑积均高于6.0GPa％/gcm-3，与上述检索文献结果差距非常明显。这表明在碳硅锰含量相似情况下，高碳钢通过改变合金元素配比以及热处理工艺，高碳钢的性能仍具有非常大的提高空间。
发明内容
目前轻质钢的研究主要集中于中低碳合金钢，且均通过控制轻质钢成分以及改变热处理工艺以达到提高其性能，但得到的比强塑积均不超过4.5GPa％/gcm-3。针对这一情况，本发明提出了一种比强塑积高于6.0GPa％/gcm-3的高碳低合金低密度钢及其热处理工艺。
根据本发明的第一方面，提供一种比强塑积高于6.0GPa％/gcm-3的高碳低合金低密度钢，其成分具体如下(质量分数，％)：
C：0.55～0.75，Al:2.5～4.5，Mn:1.0～2.0，Cr：0.20～1.00，Nb：0.02～0.06，P<0.003，S<0.001，剩余是铁。
高碳低合金低密度钢，其成分优选范围如下(质量分数，％)：
C：0.62～0.69，Al:3.5～4.5，Mn:1.3～1.8，Cr：0.40～1.00，Nb：0.04～0.06，P<0.003，S<0.001，剩余是铁。
本发明上述化学成分设计原理：C能最有效降低钢的密度，相比于中低C含量，高的C含量可显著降低钢的密度；同时，高的C含量可有效提高材料强度，弥补Al加入后引起的强度的降低；C含量与奥氏体稳定性成正比关系，与Ms呈反比关系。Mn是奥氏体化元素，添加Mn元素可扩大奥氏体相区并提高奥氏体含量，提高钢的层错能，抑制马氏体相变，使其在形变过程中产生密集的孪晶，并有效提高钢的伸长率。Cr的加入主要提高钢的淬透性，兼有固溶强化效应；Al是铁素体强稳定化元素，它可降低钢的密度、提高层错能，提升铁素体稳定性和抑制奥氏体形成，使δ铁素体可稳定存在，奥氏体相区受到挤压并向C和Mn含量增加的方向移动。Nb能够有效细化奥氏体化处理中的奥氏体晶粒，从而产生细晶强化作用；同时可与C形成稳定的Nb碳化物，从而产生弥散强化，最终提高钢的屈服强度和韧性。
根据本发明的另一方面，提供一种上述钢的热处理工艺，其要求在于：采用特定的淬火-分配-回火(Q-P-T)工艺的热处理，具体工艺为：
Q-P-T工艺：两相区奥氏体化温度：880～960℃，保温时间不易过长以防止晶粒粗大，然后淬火至马氏体相变开始温度Ms和结束温度Mf之间的某个温度Tq：230～330℃，之后将试样再一次完全浸入回火温度为330～450℃的盐浴中保温，保温时间则是依据样件截面尺寸确定，最后将试样取出在水中淬火至室温。
本发明上述热处理工艺设计原理：
Q-P-T工艺，由于合金元素的加入，奥氏体化保温实则为铁素体与奥氏体两相区加热，奥氏体化温度的选择是为了调节钢中组织成分与含量，不仅要使碳化物全部溶解在奥氏体中形成均匀分布的奥氏体和铁素体组织，而且要调节奥氏体与铁素体相对含量以获得最优力学性能。奥氏体保温时间的选择是为了保持晶粒细小。在Q-P-T工艺中，淬火温度(Tq)的选择是为了调节奥氏体在淬火过程中相变为马氏体的含量；并且，结合回火过程中的碳配分，使碳从过饱和的马氏体扩散至相邻残余奥氏体中去，增大残余奥氏体的稳定性。回火过程中的碳扩散的时间以及温度的选择则是依据碳配分程度以及碳化物形成而定，此过程中马氏体由于碳含量的降低，其晶格畸变减小，位错密度显著降低，从而增加其变形能力，有利于样品获得更高的强塑性。
通过上述处理得到的钢：所述热处理后所得到的钢，其体积分数：δ-铁素体为35～45％，残余奥氏体为25～35％，马氏体为25～35％，稳定的Nb碳化物(小于1％)；强度1100～1400MPa，伸长率40～32％，强塑积42～48GPa％，比强塑积(SPSE)高达6.0GPa％/gcm-3以上。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的成分设计和热处理工艺方法可以获得比强塑积高于6.0GPa％/gcm-3的高碳低合金低密度钢。相比于铁素体/奥氏体双相钢以及奥氏体钢，本发明钢中Mn以及Al元素含量大大降低，显著降低成本。其Mn含量仅为奥氏体钢的二十分之一至十分之一左右，但本申请钢的抗拉强度远高于高Mn奥氏体钢，如Fe-15Mn-0.8C-8.5Al-1.5Si钢仅为870MPa。本发明的这种高碳和低合金化，比强塑积高于6.0GPa％/gcm-3的的高强度和高塑性的高碳低合金低密度钢国内外目前尚未见报道。
本发明的成分和热处理工艺适用于各类机械结构件、锻件或轧件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
(1)本实施例中钢的具体成分如下(质量分数，％)：
C：0.67，Mn：1.50，Al：4.00，Cr：0.60，Nb：0.04，P：0.0029，S：0.001，剩余是铁；
(2)本发明的具体热处理工艺如下：
待处理件为15mm厚热轧板。
对待处理件进行淬火-分配-回火(Q-P-T)工艺的热处理。具体为：
Q-P-T工艺：奥氏体化温度：950℃，保温300s，然后淬火至：290℃(马氏体相变开始温度(Ms)和结束温度(Mf)之间的温度(Tq))，保温10s，之后在400℃的盐浴中保温，保温600s，最后水冷至室温。
处理结果：
微观组织：δ-铁素体(体积分数：40％)，马氏体(体积分数：31.6％)，残余奥氏体(28％)，Nb碳化物(小于1％)。
强度1240MPa，伸长率37％，强塑积45.756GPa％，比强塑积为6.183GPa％/gcm-3。
实施例2
(1)本实施例中钢的具体成分如下(质量分数，％)：
C：0.65，Mn：1.20，Al：3.50，Cr：0.30，Nb：0.04，P：0.0028，S：0.001，剩余是铁；
(2)本发明的具体热处理工艺如下：
待处理件为15mm厚热轧板。
对待处理件进行淬火-分配-回火(Q-P-T)工艺的热处理。具体为：
Q-P-T工艺：奥氏体化温度：940℃，保温300s，然后淬火至：270℃(马氏体相变开始温度(Ms)和结束温度(Mf)之间的温度(Tq))，保温10s，之后在400℃的盐浴中保温，保温600s，最后水冷至室温。
处理结果：
微观组织：δ-铁素体(体积分数：35％)，马氏体(体积分数：34％)，残余奥氏体(30.6％)，Nb碳化物(小于1％)。
强度1300MPa，伸长率36.7％，强塑积47.71GPa％，比强塑积为6.447GPa％/gcm-3。
实施例3
(1)本实施例中钢的具体成分如下(质量分数，％)：
C：0.75，Mn：1.60，Al：4.00，Cr：0.60，Nb：0.06，P：0.0029，S：0.001，剩余是铁；
(2)本发明的具体热处理工艺如下：
待处理件为15mm厚热轧板。
对待处理件进行淬火-分配-回火(Q-P-T)工艺的热处理。具体为：
Q-P-T工艺：奥氏体化温度：950℃，保温300s，然后淬火至：280℃(马氏体相变开始温度(Ms)和结束温度(Mf)之间的温度(Tq))，保温10s，之后在400℃的盐浴中保温，保温600s，最后水冷至室温。
处理结果：
微观组织：δ-铁素体(体积分数：39％)，马氏体(体积分数：30％)，残余奥氏体(30.6％)，Nb碳化物(小于1％)。
强度1240MPa，伸长率38.4％，强塑积47.616GPa％，比强塑积为6.435GPa％/gcm-3。
以上的具体实施例对本发明进行了详细描述。需要注意的是，本发明中涉及到的成分以及热处理工艺并不局限于上述特定方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种比强塑积高于6.0GPa％/gcm-3的高碳低合金低密度钢，其特征要求在于该钢种的化学成分如下(质量分数，％)：
C：0.55～0.75，Al:2.5～4.5，Mn:1.0～2.0，Cr：0.20～1.00，Nb：0.02～0.06，P<0.003，S<0.001，剩余是铁。
2.根据权利要求1所述的比强塑积高于6.0GPa％/gcm-3的高碳低合金低密度钢，其特征要求在于该钢种的化学成分如下(质量分数，％)：
C：0.62～0.69，Al:3.5～4.5，Mn:1.3～1.8，Cr：0.40～1.00，Nb：0.04～0.06，P<0.003，S<0.001，剩余是铁。
3.一种权利要求1或2所述比强塑积高于6.0GPa％/gcm-3的高碳低合金低密度钢的热处理工艺，其特征要求在于：采用特定的淬火-分配-回火(Q-P-T)工艺的热处理，具体工艺为：
Q-P-T工艺：两相区奥氏体化温度：880～960℃，保温时间不易过长以防止晶粒粗大，然后淬火至马氏体相变开始温度Ms和结束温度Mf之间的某个温度Tq：230～330℃，之后将试样再一次完全浸入回火温度为330～450℃的盐浴中保温，保温时间则是依据样件截面尺寸确定，最后将试样取出在水中淬火至室温。
4.根据权利要求3所述钢的热处理工艺，其特征在于：所述热处理工艺适用于各类机械结构件、锻件或轧件。
5.根据权利要求3所述钢的热处理工艺，其特征在于：所述热处理后所得到的钢，其体积分数：δ-铁素体为35～45％，残余奥氏体为25～35％，马氏体的为25～35％，稳定的Nb碳化物(小于1％)；强度1100～1400MPa，伸长率40～32％，强塑积42～48GPa％，比强塑积(SPSE)高达6.0GPa％/gcm-3以上。
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