CN112899579A - 一种耐腐蚀高强度轻质钢及制备方法 - Google Patents

一种耐腐蚀高强度轻质钢及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种耐腐蚀高强度轻质钢及制备方法，属于合金钢技术领域，该钢的化学成分质量分数wt％为：C:1.4～1.7％、Mn:25～30％、Al:10～12％、Cr:3～5％、Nb:0.05～0.1％、S≤0.003％、P≤0.003％，余量为Fe及不可避免杂质。制备方法：采用真空感应炉冶炼，并浇铸制成铸锭，铸锭经1100～1200℃高温均质化10～15小时处理；均质化处理后锻造成方坯；将锻坯加热至1180～1200℃保温2～4小时；均质化后的锻坯进行5～8道次热轧，水冷至室温，得到耐腐蚀高强度轻质钢；其密度均小于6.5g/cm3,屈服强度为1000～1200MPa，抗拉强度为1100～1300MPa，延伸率＞20％，并具备优于普通钢材的耐腐蚀性能，在汽车、船舶、水电、风电等领域有广泛的应用潜力。

Description

一种耐腐蚀高强度轻质钢及制备方法
技术领域
本发明属于金属材料及冶金领域，特别涉及一种耐腐蚀、高强度轻质钢的制备方法。
背景技术
Fe-Mn-Al-C系低密度钢的设计思路是，通过添加Al元素的含量降低钢的密度，添加Mn、C等元素进行成分优化，匹配与之对应的制备工艺，得到特殊用途的低密度钢。节能降耗是人类面临的严峻的生存问题。依照可持续发展战略的要求，汽车及海洋工程装备轻量化是未来的发展趋势。
经对现有技术的文献进行检索发现，中国发明专利CN109735691A公开了一种1000MPa高碳高锰低密度钢及其制备方法，其成分质量百分比wt％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。可得到屈服强度超过700MPa，抗拉强度950～1100MPa，断后延伸率50～60％，强塑积超过50GPa.％。其组织为奥氏体+铁素体双相组织。由于存在双相组织，其组织与成分不同于本发明，且其强度远小于本发明。
中国发明专利CN108486492B公开了一种1200MPa级高强度高塑性低密度钢板，其成分质量百分比wt％为：C：0.7％～1％，Mn： 13％～20％，Al：8％～13.3％，Ti：0.21％～0.33％，Nb＜0.1％，Si＜ 0.1％，，S＜0.01％，P＜0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质。其抗拉强度为1200～1300MPa，延伸率为30～40％，密度为6.5～7g/cm3，其组织为奥氏体基体和NiAl第二相构成的双相组织。制备工艺为冶炼浇铸后热轧至3～5mm，最后经冷轧和退火得到成品。而本发明的密度＜6.5g/cm3，组织为奥氏体单相组织，且不需经过冷轧和退火处理，有效降低了生产成本。
中国发明专利CN111663085A公开了一种超高强度和塑性的热轧奥氏体低密度钢及生产方法，其成分质量百分比wt％为：C：0.45～ 0.89％，Mn：16.5～29.1％，Al：5.1～13.3％，Si：0.02～0.19％，Ti： 0.21～0.33％，S≤0.05％，P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。其屈服强度在1307～1398MPa，抗拉强度可达到1653～1721MPa，延伸率可达到49～56％。由于添加了大量的微合金元素Ti，使得晶粒细化且析出大量TiC，力学性能得到提升，但是其生产工艺需经过 473～682℃的精轧和551～651℃的卷曲，对轧机性能有较高的要求且流程较为复杂。本发明制备工艺不需经过中温的精轧和后续的卷曲，且由于Cr元素的添加提升了耐腐蚀性能。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提供一种耐腐蚀高强度轻质钢及制备方法，其密度小于6.5g/cm3，组织为全奥氏体，奥氏体晶粒内存在均匀弥散分布的纳米级κ碳化物，屈服强度为1000～1200MPa，抗拉强度为1100～1300MPa，延伸率＞20％。
本发明采用的技术方案是：
一种耐腐蚀高强度轻质钢，其特征在于，化学成分质量分数为： C：1.4～1.7％、Mn：25～30wt％、Al：10～12％、Cr：3～5％、Nb:0.05～0.1％、 S≤0.03％、P≤0.03％余量为Fe及不可避免杂质；所述耐腐蚀高强度低密度钢的密度均小于6.5g/cm3,屈服强度为1000～1200MPa，抗拉强度为1100～1300MPa，延伸率＞20％。
进一步地，所述的耐腐蚀高强度低密度钢，添加了3～5％Cr，提升其耐腐蚀性能，且其组织为全奥氏体组织，奥氏体晶粒内存在均匀弥散分布的纳米级κ碳化物。
如上所述的耐腐蚀高强度轻质钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：按耐腐蚀高强度轻质钢的成分配比，采用真空感应炉冶炼，并浇铸制成铸锭；
(2)锻造：铸锭经1100～1200℃高温均质化10～15小时处理，均质化处理后锻造成方坯；
(3)热轧：将锻坯加热至1180～1200℃保温2～4小时处理，均质化后的方坯进行5～8道次热轧，开轧温度1130～1180℃，终轧温度≥950℃，累计压下量为80～90％，水冷至室温，制得成品热轧板。
各化学元素在钢中的作用如下：
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。在钢中与Mn和Al元素形成κ碳化物，对钢的强韧性有积极作用；本发明设定的C含量为 1.4～1.8％。
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；本发明设定Mn的含量为25～28％。
Al：铝会缩小奥氏体相区，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，从而提高Fe- Mn-Al-C系低密度钢的强塑性。铝的添加会使钢的密度下降，每添加 1％Al，钢的密度降低0.101g/cm3，一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；本发明设定Al含量为10～12％。
Cr：铬是缩小奥氏体相区元素，提高层错能。降低Ms点，提高耐蚀性；少量铬可提高低温冲击韧性，对低温抗拉强度有益，对屈服强度贡献不大，也可以抑制κ碳化物沉淀析出；本发明设定Cr的含量为3～5％。
Nb：强碳化物形成元素，能够细化晶粒提高强度和韧性。能增加钢的弹性模量；本发明设定Nb的含量为0.05～0.1％。
P、S:磷和硫是钢形成的不利元素。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；本发明设定P、S的含量为≤0.03％。
本发明提供的一种耐腐蚀高强度轻质钢的制备方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明制备的产品具有极低的密度，由于轻质元素Al和C的添加导致其密度均将至6.5g/cm3以下，得到了较为明显的减重效果，降低了资源的消耗，起到节能减排的作用。
(2)本发明制备的产品仅需通过简单的控轧控冷工艺即可得到优良的力学性能，其屈服强度为1000～1200MPa，抗拉强度为 1100～1300MPa，延伸率＞20％。
(3)本发明通过添加适量的Cr，一方面提升了其耐腐蚀性能，另一方面也抑制了κ碳化物的大量析出，在保持单相奥氏体的基础上进一步提高钢的耐腐蚀性能。其中实施例1号在 3.5wt％NaCl溶液的极化曲线如图2，自腐蚀电位Ecorr为-0.28V，腐蚀电流密度Icorr为0.25μA/cm2,具有较好的耐腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明实施例1～3号的金相组织图；
图2为本发明实施例1号的3.5wt％NaCl溶液极化曲线图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细描述：
表1为本发明各实施例的成分列表；
表2为本发明各实施例的制备工艺参数列表；
表3为本发明各实施例的主要性能列表。
本发明各实施例按照以下的工艺进行制备：
(1)冶炼：按耐腐蚀高强度轻质钢的成分配比，采用真空感应炉冶炼，并浇铸制成铸锭；
(2)锻造：铸锭经1100～1200℃高温均质化2～5小时处理，均质化处理后锻造成30-60mm厚的方坯；
(3)热轧：将方坯加热至1180～1200℃保温2～4小时处理，均质化后的方坯进行5～8道次热轧，开轧温度1130～1180℃，终轧温度≥950℃，累计压下量为80～90％，水冷至室温，制得成品热轧板，成品的厚度为7-12mm。
表1本发明各实施例的成分列表(wt％)
实施例 C Mn Al Cr Nb P S
1 1.45 28.42 11.06 4.98 0.090 0.01 0.02
2 1.69 27.38 10.57 4.91 0.087 0.02 0.03
3 1.70 26.49 10.61 3.03 0.088 0.02 0.02
表2本发明各实施例的制备工艺参数列表
实施例 锻坯厚度 均质化温度 轧制道次 终轧温度 终轧厚度
1 35mm 1180℃ 5 1000℃ 7mm
2 50mm 1200℃ 7 960℃ 10mm
3 60mm 1200℃ 8 950℃ 12mm
表3本发明各实施例的主要性能列表
Figure BDA0002903870320000071
。

Claims (3)

1.一种耐腐蚀高强度轻质钢，其特征在于，化学成分质量分数为：C：1.4～1.7％、Mn：25～30wt％、Al：10～12％、Cr：3～5％、Nb:0.05～0.1％、S≤0.03％、P≤0.03％余量为Fe及不可避免杂质；所述耐腐蚀高强度低密度钢的密度均小于6.5g/cm3,屈服强度为1000～1200MPa，抗拉强度为1100～1300MPa，延伸率＞20％。
2.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀高强度轻质钢，其特征在于，所述的耐腐蚀高强度低密度钢，添加了3～5％Cr，提升其耐腐蚀性能，且其组织为全奥氏体组织，奥氏体晶粒内存在均匀弥散分布的纳米级κ碳化物。
3.一种如权利要求1所述的耐腐蚀高强度轻质钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)冶炼：按耐腐蚀高强度轻质钢的成分配比，采用真空感应炉冶炼，并浇铸制成铸锭；
(2)锻造：铸锭经1100～1200℃高温均质化10～15小时处理，均质化处理后锻造成方坯；
(3)热轧：将锻坯加热至1180～1200℃保温2～4小时处理，均质化后的方坯进行5～8道次热轧，开轧温度1130～1180℃，终轧温度≥950℃，累计压下量为80～90％，水冷至室温，制得成品热轧板。
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