CN110484816A - 一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢，合金成分重量百分比为：C：0.1‑0.4 wt.%、Si：3.5‑5.5 wt.%、Mn：4.0‑6.0 wt.%、Ni：0.5‑1.0 wt.%、Ti：0.01‑0.1 wt.%，余量为Fe；本发明还涉及一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢的制备方法，包括称取合金成分，冶炼、铸造和热轧工序，本发明的目的是提供一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢及其制备方法，该材料具有优异的力学性能，生产成本低、工艺简单，很好地弥补了铝轻量化所带来的一系列问题，有着巨大的应用前景。

Description

一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种显微组织为纳米结构，利用以硅代铝的合金系统来制备这种轻量化高强韧汽车用钢。

背景技术

钢铁材料广泛应用于国防工业及建筑、机械、造船、汽车、家电等行业，是社会和经济发展的物质基础；当前形势下钢铁材料的生产正面临能源、资源和环境的巨大压力；此外，随着现代工业科技发展与国民经济转型升级，建筑高层化、大跨度桥梁、轻型节能汽车、先进轨道交通装备、大型海工装备、高新船舶、航空航天装备、大型矿山机械设备等飞速发展都对钢铁材料的强度、塑性、韧性等指标提出了更高的要求，国家重大基础工程中进一步强调节能减排和交通装备的轻量化，加快制造业绿色改造升级，促进钢铁、石化、工程机械、轻工、纺织等产业向价值链高端发展；《新材料产业发展指南》明确了先进钢铁材料的发展方向，其中将节能与新能源汽车材料确定为重点应用领域急需的新材料，高强度汽车用钢的研发与应用对于实现节能减排和交通装备的轻量化具有重要意义，致力于开发新型、高强韧、轻量化的钢铁材料，有利于减少对能源和资源的消耗，促进经济社会可持续发展。

目前高强韧汽车用钢已发展至第三代，典型的产品如Q&P钢、中锰钢、低密度钢、超级贝氏体钢等；未来汽车用钢的发展是以高强韧和轻量化为导向，因此目前低密度钢与中锰钢相结合的研究颇多，但也具有很多问题，下面列举几个典型的国内发明专利进行论述，并阐明本发明专利的特点和优势；中国发明专利CN201810362095.X介绍了一种强塑积大于45GPa·%的汽车用高强韧钢及制备方法，采用中碳、中锰及一定含量的铝作为主要合金系统，起到降低密度的作用，并通过热轧、冷轧和退火，使抗拉强度超过1000MPa，强塑积大于45GPa·%，但是此发明中采用中碳及较高的合金系统，对于承担焊接及成形的结构件来说是不适合的，而且较高含量的Al会严重降低材料的刚度，这对于汽车用承载件来说也是不合适的，因此需要从合金系统设计角度重新设计满足当今及未来轻量化高强韧汽车用钢；中国发明专利CN201810507557.2介绍了一种1200MPa级高强度高塑性低密度钢板及其制造方法，其采用高碳、高锰、高铝合金系统，抗拉强度超过1200MPa，延伸率大于30%，虽然此专利介绍的钢种性能非常优异，但也是出现了上面CN201810362095.X专利所体现的问题，一是焊接性和成形性更差，二是加过高的铝刚度降低更多，且实际生产中连铸过程极为困难，另外，此合金含量过高，成本显著提高，不适用于当前及未来汽车用钢的发展，中国发明专利CN201310733931.8介绍了一种1400MPa级低屈强比高延伸率冷轧超高强汽车用钢的制备方法，采用低碳低合金系统，并以简单的制备工艺得到抗拉强度大于1400MPa，延伸率大于等于8%的钢板，但其设计的显微组织以常规马氏体板条结构为主，抗拉强度最高在1500MPa左右，并不能满足可替代热成型钢的要求，未来更安全的防撞结构件需要更高的强度来支撑，因此，基于上述关于轻量化和马氏体强化的相关分析，体现了当前设计和研究符合未来汽车用钢发展的不足，这也是本发明所要克服的。

发明内容

本发明的目的是提供一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢及其制备方法，该材料具有优异的力学性能，生产成本低、工艺简单，很好地弥补了铝轻量化所带来的一系列问题，有着巨大的应用前景。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢，合金成分重量百分比为：C：0.1-0.4 wt.%、Si：3.5-5.5 wt.%、Mn：4.0-6.0 wt.%、Ni：0.5-1.0 wt.%、Ti：0.01-0.1 wt.%，余量为Fe。

本发明的另一个技术方案一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢的制备方法，包括如下步骤；

1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取相应的C、Si、Mn、Ni、Ti和Fe；

2）、冶炼、铸造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造成40-80mm厚的铸坯；

3）、热轧，将40-80mm厚的铸坯在1200-1250℃保温2.0-2.5h，然后在1100-1150℃进行热轧，总压下率为90-96%，得到厚度为2.4-4.0mm的热轧板，即为本发明的硅代铝轻量化高强韧汽车用钢。

本发明的有益效果为：

1、合金系统中加入3.5-5.5wt.%的Si以及0.5-1.0wt.%的Ni，此含量范围的Si可代替2wt.%的Al所起到的轻量化效果，并避免Al轻量化所带来的刚度低及碳化物复杂、多变等缺陷，并且Si所产生的固溶强化效果为350-500MPa，可大幅增加钢的强度；加入过高含量Si后，钢的脆性加强，而Ni可以提高钢的韧脆转变温度，按照Si含量范围加入0.5-1.0 wt.%的Ni，可有效避免热轧时产生裂纹,如此即实现了硅代铝所起到的轻量化效果，并避免Al轻量化所带来的刚度低及碳化物复杂、多变等缺陷，同时又确保了刚的韧性。

2、合金系统中加入0.1-0.4 wt.%的C和4.0-6.0wt.%的Mn，可使热轧板产生一定体积含量的、稳定的残余奥氏体，此范围的C、Mn含量比可使残余奥氏体在拉伸过程中产生渐变式TRIP效应，有效地提高钢的强塑性。

3、加入0.01~0.1wt.%的Ti，并严格控制冶炼过程钢中N含量，使其小于40ppm，使钢中形成纳米尺寸且分布弥散、均匀的TiC析出相，细化奥氏体晶粒，同时进一步增强基体强度，提高钢的强韧性。

本发明以科学、合理的合金系统设计为基础，通过冶炼和热轧工艺，制备具有纳米板条结构的超高强韧轻量化汽车用钢；本发明的创新性体现如下：1）通过热力学、动力学及物理冶金原理进行以硅代铝实现轻量化的合金系统设计，并采用低碳低合金系统；2）在以硅代铝基础上，通过理论计算及实验验证，加入一定含量的Ni，即可抵消引入Si后所带来的脆性；3）在1）和2）的基础上加入一定含量的Ti，并配合特定的热轧工艺，即可获得含有纳米板条组织，且抗拉强度超过2000 MPa的轻量化高强韧汽车用钢；本发明所制备的以硅代铝具有纳米板条结构的轻量化高强韧汽车用热轧板中纳米马氏体板条宽度为62-103nm，热轧板的力学性能为：抗拉强度1750-2258MPa，断后伸长率5.1-17.0%。

附图说明

图1为本发明实施例1中纳米马氏体板条透射电镜图像；

图2为本发明实施例2中纳米马氏体板条透射电镜图像；

图3为本发明实施例3中纳米马氏体板条透射电镜图像；

图4为本发明实施例4中纳米马氏体板条透射电镜图像。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

实施例1：

一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢的制备方法，包括如下步骤；

1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取0.1wt.%的C、3.5wt.%的Si、4.0wt.%的Mn、0.5wt.%的Ni、0.01wt.%的Ti，余量为Fe；

2）、冶炼、铸造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造成40mm厚的铸坯；

3）、热轧，将40mm厚的铸坯在1200℃保温2.5h，然后在1100℃进行热轧，终轧温度为950℃，热轧到3mm，总压下率为92.5%，空冷至室温得到本发明的硅代铝轻量化高强韧汽车用钢；其组织以纳米马氏体板条为主，以及高位错密度，经统计分析，纳米马氏体板条平均宽度为103nm，见图1，力学性能如表1所示。

表1 热轧板力学性能

实施例2：

一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢的制备方法，包括如下步骤；

1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取0.4wt.%的C、5.5wt.%的Si、6.0wt.%的Mn、1.0wt.%的Ni、0.1wt.%的Ti，余量为Fe；

2）、冶炼、铸造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造成80mm厚的铸坯；

3）、热轧，将80mm厚的铸坯在1250℃保温2.5h，然后在1150℃进行热轧，终轧温度为950℃，热轧到4mm，总压下率为95%，空冷至室温得到本发明的硅代铝轻量化高强韧汽车用钢；其组织以纳米马氏体板条为主，以及高位错密度，经统计分析，纳米马氏体板条平均宽度为62nm，见图2，力学性能如表2所示。

表2热轧板力学性能

实施例3：

一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢的制备方法，包括如下步骤；

1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取0.2wt.%的C、4.8wt.%的Si、5.2wt.%的Mn、0.6wt.%的Ni、0.07wt.%的Ti，余量为Fe；

2）、冶炼、铸造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造成60mm厚的铸坯；

3）、热轧，将60mm厚的铸坯在1230℃保温2.4h，然后在1130℃进行热轧，终轧温度为950℃，热轧到2.4mm，总压下率为96%，空冷至室温得到本发明的硅代铝轻量化高强韧汽车用钢；其组织以纳米马氏体板条为主，以及高位错密度，经统计分析，纳米马氏体板条平均宽度为70nm，见图3，力学性能如表3所示。

表3热轧板力学性能

实施例4：

一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢的制备方法，包括如下步骤；

1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取0.3wt.%的C、5.5wt.%的Si、6.0wt.%的Mn、1.0wt.%的Ni、0.1wt.%的Ti，余量为Fe；

2）、冶炼、铸造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造成40mm厚的铸坯；

3）、热轧，将40mm厚的铸坯在1210℃保温2.1h，然后在1110℃进行热轧，终轧温度为950℃，热轧到4mm，总压下率为90%，空冷至室温得到本发明的硅代铝轻量化高强韧汽车用钢；其组织以纳米马氏体板条为主，以及高位错密度，经统计分析，纳米马氏体板条平均宽度为65nm，见图4，力学性能如表4所示。

表4热轧板力学性能

综上所述，本发明中热轧板的抗拉强度范围为1750~2258MPa，断后伸长率为5.1~17.0%，具有良好的强塑性，主要归因于本发明以硅代铝的合金系统设计，以及纳米马氏体板条结构设计。

下面列举几个常见的轻量化用钢，来证明本发明的显著优势。

对比例1：

典型的第三代汽车用钢QP钢，成分范围：C 0.15-0.35 wt.%，Si 1.0-2.0 wt.%，Mn1.4-2.5 wt.%，其余为Fe；经过铸造、热轧、冷轧、QP热处理后，力学性能为：抗拉强度900-1300 MPa，断后伸长率15-30%；综合力学性能很好，但是强度偏低，无法达到超高强度水平，且热处理工艺复杂，生产成本高。

对比例2

典型的第三代汽车用钢中Mn钢，成分范围：C 0.15-0.40wt.%，Si0.5-2.0 wt.%，Mn3.5-9.0 wt.%，其余为Fe‘经过铸造、热轧、冷轧、固溶处理后，力学性能为：抗拉强度900-1400MPa，断后伸长率20-40%；综合力学性能非常优异，但抗拉强度无法达到超高强度级别；且中锰钢和QP钢的合金系统并没有从根本上起到降低钢的密度的作用。

对比例3

典型的第三代高强钢中的低密度钢，成分范围：C 0.2-0.8wt.%，Si0.2-2.0 wt.%，Mn3.5-9.0 wt.%，Al 1.5-7.0 wt.%，其余为Fe，经过铸造、热轧、冷轧、固溶处理后，力学性能为：抗拉强度700-1200 MPa，断后伸长率25-50%；综合力学性能很好，但是强度偏低，无法达到超高强度水平，且加入Al后刚度降低，连铸易堵水口，不易实现工业化生产。

因此综上所述，本发明克服了上述对比案例的缺陷，具有显著优势。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以本发明是技术方案而非限制；尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢，其特征在于，合金成分重量百分比为：C：0.1-0.4 wt.%、Si：3.5-5.5 wt.%、Mn：4.0-6.0 wt.%、Ni：0.5-1.0 wt.%、Ti：0.01-0.1 wt.%，余量为Fe。

2.如权利要求1所述的一种以硅代铝轻量化高强韧汽车用钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤；

1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取相应的C、Si、Mn、Ni、Ti和Fe；

2）、冶炼、铸造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造成40-80mm厚的铸坯；

3）、热轧，将40-80mm厚的铸坯在1200-1250℃保温2.0-2.5h，然后在1100-1150℃进行热轧，总压下率为90-96%，得到厚度为2.4-4.0mm的热轧板，即为本发明的硅代铝轻量化高强韧汽车用钢。