CN113088826B - 一种微合金化高强韧低密度钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种微合金化高强韧低密度钢及其制备方法，通过在Fe‑Mn‑Al‑C合金系的铁基奥氏体微观组织结构分布以下微合金化元素中的一种或多种：V，Nb，Ti，Mo，且所述微合金化元素与所述Fe‑Mn‑Al‑C合金系中的C在奥氏体晶粒中和/或奥氏体晶界中以碳化物析出，有利于实现低密度钢的高强韧和低密度的有效结合。

Description

一种微合金化高强韧低密度钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及Fe-Mn-Al-C系奥氏体低密度钢技术，特别是一种微合金化高强韧低密度钢及其制备方法，通过在Fe-Mn-Al-C合金系的铁基奥氏体微观组织结构分布以下微合金化元素中的一种或多种：V，Nb，Ti，Mo，且所述微合金化元素与所述Fe-Mn-Al-C合金系中的C在奥氏体晶粒中和/或奥氏体晶界中以碳化物析出，有利于实现低密度钢的高强韧和低密度的有效结合。
背景技术
目前国内外汽车、火车等用钢铁材料，矿山机械、大型运输机械所用耐磨材料，航空航天用高性能钢铁材料，大型舰船用高强韧钢材及各种装甲等钢铁材料都对材料的轻量化提出了更高要求。目前几种方法被用来解决高强零部件的轻量化。一是目前广泛应用的通过大幅度提高强度来降低零部件用钢厚度，但该种方法受到零部件刚度影响，而无法大幅度提高轻量化。另外一种就是用Al和Mg等轻质合金材料替代密度较高的钢铁材料。但相对于传统钢铁材料，目前Al和Mg等轻质材料存在成本高和强度低的问题。因此如何实现传统钢铁材料密度降低，同时保持传统钢铁材料的高强度是未来钢铁材料发展的一个重要方向。新型低密度和高强度兼顾的钢铁材料，赋予了从密度降低和强度提高两个方面实现轻量化，是未来航空航天、矿山机械、交通运输和海洋装备等高端装备领域轻量化方向的理想材料之一。
低密度钢(low density steel)或轻质钢(light weight alloy)是通过向钢中加入Al、Si、Mn等轻量化合金元素固溶于钢中形成置换固溶体，在降低了摩尔质量同时增大晶格常数，从而显著降低钢的密度。Fe-Mn-Al-C系奥氏体钢不仅具有更低的密度(≤6.5-7.0g/cm3)，还具有优异的力学性能，即抗拉强度与塑性的乘积≥50GPa％。但是众多文献报道的低密度钢是完全奥氏体组织，导致屈服强度和抗拉强度均比较低，无法实现低密度与高强度相结合的轻量化。为了进一步提升零部件减重效果，不仅需要通过密度减小而减重，还需进一步提升低密度钢的强度，即通过提高强度减小零部件钢板厚度减薄和通过低密度实现进一步减重。为了提高低密度钢强度，可以在低密度钢中加入微合金化元素，实现微合金化析出强化和析出细化组织而最终提高低密度钢的屈服强度和抗拉强度。众所周知，Nb、V和Ti微合金化产生析出，可以细化晶粒尺寸和析出强化。但微合金化的析出现象还没有在传统奥氏体钢中报道，更没有在低密度钢报道。
本发明人基于以上分析，提出了以Fe-Mn-Al-C为低密度钢的主体合金元素，以Nb-V-Ti-Mo为提升强度的辅助添加元素的新型低密度钢合金化设计思路，提出冶炼、热轧和固溶处理等制造技术，实现低密度钢的高强韧和低密度有效结合，为航空航天、高铁、汽车、机床等高端装备零部件的轻量化和高安全性提供低密度高强韧性钢铁材料，大幅提升钢铁材料轻量化潜力。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种微合金化高强韧低密度钢及其制备方法，通过在Fe-Mn-Al-C合金系的铁基奥氏体微观组织结构分布以下微合金化元素中的一种或多种：V，Nb，Ti，Mo，且所述微合金化元素与所述Fe-Mn-Al-C合金系中的C在奥氏体晶粒中和/或奥氏体晶界中以碳化物析出，有利于实现低密度钢的高强韧和低密度的有效结合。
本发明的技术解决方案如下：
一种微合金化高强韧低密度钢，其特征在于，在Fe-Mn-Al-C合金系的铁基奥氏体微观组织结构中包括以下微合金化元素中的一种或多种：V，Nb，Ti，Mo，所述微合金化元素与所述Fe-Mn-Al-C合金系中的C在奥氏体晶粒中和/或奥氏体晶界中以碳化物析出。
所述Fe-Mn-Al-C为主体合金化元素，所述微合金化元素中的V、Nb、Ti和Mo均为辅助合金化元素，并且，以wt％计，0.25≥辅助合金化元素的总计含量≥0.1。
各元素以wt％计含量如下：C＝0.60～1.20，Mn＝26～34.0，Al＝6.0～12，Nb＝0～0.25，V＝0～0.25，Ti＝0～0.25，Mo＝0～0.25，P≤0.015，S≤0.01，余量为Fe。
还包括以下元素中的一种或多种，以wt％计含量：Si＝0～3.0，Cr＝0～5.0，Cu＝0～2.0，B＝0.0005～0.01、稀土RE＝0.001～0.10，Ca＝0.005～0.050。
密度为6.5～7.3g/cm3。
抗拉强度为0.80～1.00GPa，屈服强度为0.60～0.80GPa，-40℃的V型冲击韧性不低于100J，塑性不低于50％。
抗拉强度为0.70～0.90GPa，屈服强度为0.50～0.70GPa，-40℃的V型冲击韧性不低于200J，钢的塑性不低于60％。
一种上述微合金化高强韧低密度钢的制备方法，其特征在于，包括以下工序：通过冶炼得到钢液，将所述钢液铸造成铸坯或铸锭，将所述铸坯或铸锭加热至1100～1180℃，在800～1150℃范围内通过锻造或热轧得到型材，将所述型材直接在900～1150℃进行高温固溶处理或将所述型材冷轧后在900～1150℃进行高温固溶处理，使得微合金化元素与Fe-Mn-Al-C合金系中的C在奥氏体晶粒中和/或奥氏体晶界中以碳化物析出，从而实现低密度钢的高强韧和低密度的有效结合。
所述型材为棒材或线材或板材。
一种上述微合金化高强韧低密度钢在航空航天装备或海洋舰船装备或交通运输高端装备中的应用。
本发明技术效果如下：一种微合金化高强韧低密度钢及其制备方法，提出了以Fe-Mn-Al-C为低密度钢的主体合金元素，以Nb-V-Ti-Mo为提升强度的辅助添加元素的新型低密度钢合金化设计思路，提出冶炼、热轧和固溶处理等制造技术，实现低密度钢的高强韧和低密度有效结合，为航空航天、高铁、汽车、机床等高端装备零部件的轻量化和高安全性提供低密度高强韧性钢铁材料，大幅提升钢铁材料轻量化潜力。
本发明中的在900～1150℃进行高温固溶处理，能够调整组织结构，获得奥氏体基体与少量碳化物的组织结构，获得强度与韧性的更高匹配。
本发明中Nb、V、Ti和Mo等辅助元素的合金化设计，可以实现低密度钢组织的细化和均匀化，提高低密度钢强韧性。但过低的合金添加无法实现细化和均匀化，过高则易于液态析出大颗粒碳化物，所以将辅助合金的添加量限制在0.25％≥Nb+V+Ti+Mo≥0.10％的范围。
本发明钢的特点不仅在于化学成分要求，还在于炉外精炼/真空感应熔炼工艺(以及通过电渣和双真空冶炼),控轧控冷获得高强韧低密度钢，热轧后固溶退火工艺和冷轧后固溶处理生产低密度低磁耐蚀钢的工艺。
附图说明
图1是实施本发明一种微合金化高强韧低密度钢的微观组织结构EBSD表征图。EBSD(Electron Backscattered Diffraction)是电子背散射衍射技术，能够在扫描电镜中获得样品晶体学数据。图1中主体被EBSD表征为奥氏体组织，奥氏体晶粒与晶粒之间是细线晶界，大小不等的点状物是其他组织，例如铁素体结构等。图1中底部的比例尺(100um)等为图片参数。
图2是本发明一种微合金化高强韧低密度钢与没有微合金化的低密度钢的室温拉伸工程应力应变曲线对比图。图2中横坐标为工程应变(坐标点从左至右为0.0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)，纵坐标为工程应力(MPa，坐标点从下至上为0，200，400，600，800，1000)，整体居上的曲线为本发明VNbTi微合金化低密度钢，整体居下的曲线为没有微合金化的低密度钢。
图3是本发明一种微合金化高强韧低密度钢中VNbTiC电子探针分析结果对比图。图3中左上为V的分布状况，右上为Nb的分布状况，左下为Ti的分布状况，右下为C的分布状况。图3中V、Nb、Ti等微合金元素分布位置与碳元素一致，表明其主要以碳化物形式存在。
具体实施方式
下面结合实施例和附图(图1-图3)对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种微合金化高强韧低密度钢的微观组织结构EBSD表征图。图2是本发明一种微合金化高强韧低密度钢与没有微合金化的低密度钢的室温拉伸工程应力应变曲线对比图。图3是本发明一种微合金化高强韧低密度钢中VNbTiC电子探针分析结果对比图。参考图1至图3，一种微合金化高强韧低密度钢，在Fe-Mn-Al-C合金系的铁基奥氏体微观组织结构中包括以下微合金化元素中的一种或多种：V，Nb，Ti，Mo，所述微合金化元素与所述Fe-Mn-Al-C合金系中的C在奥氏体晶粒中和/或奥氏体晶界中以碳化物析出。所述Fe-Mn-Al-C为主体合金化元素，所述微合金化元素中的V、Nb、Ti和Mo均为辅助合金化元素，并且，以wt％计，0.25≥辅助合金化元素的总计含量≥0.1。各元素以wt％计含量如下：C＝0.60～1.20，Mn＝26～34.0，Al＝6.0～12，Nb＝0～0.25，V＝0～0.25，Ti＝0～0.25，Mo＝0～0.25，P≤0.015，S≤0.01，余量为Fe。还包括以下元素中的一种或多种，以wt％计含量：Si＝0～3.0，Cr＝0～5.0，Cu＝0～2.0，B＝0.0005～0.01、稀土RE＝0.001～0.10，Ca＝0.005～0.050。密度为6.5～7.3g/cm3。抗拉强度为0.80～1.00GPa，屈服强度为0.60～0.80GPa，-40℃的V型冲击韧性不低于100J，塑性不低于50％。或者，抗拉强度为0.70～0.90GPa，屈服强度为0.50～0.70GPa，-40℃的V型冲击韧性不低于200J，钢的塑性不低于60％。
一种上述微合金化高强韧低密度钢的制备方法，包括以下工序：通过冶炼得到钢液，将所述钢液铸造成铸坯或铸锭，将所述铸坯或铸锭加热至1100～1180℃，在800～1150℃范围内通过锻造或热轧得到型材，将所述型材直接在900～1150℃进行高温固溶处理或将所述型材冷轧后在900～1150℃进行高温固溶处理，使得微合金化元素与Fe-Mn-Al-C合金系中的C在奥氏体晶粒中和/或奥氏体晶界中以碳化物析出，从而实现低密度钢的高强韧和低密度的有效结合。所述型材为棒材或线材或板材。一种上述微合金化高强韧低密度钢在航空航天装备或海洋舰船装备或交通运输高端装备中的应用。
本发明的目的在于提供一种低密度和高强韧相结合的新型低密度钢铁材料。本发明钢的基本特征为：
(1)在钢的化学成分上，主要是通过0.60-1.20wt％C，26-32wt％Mn、6.5-12.0％Al等主体成分和Nb：0-0.25％；V:0-0.25wt％；Ti：0-0.25wt％，Mo:0-0.25wt％的辅助合金化成分。该成分系钢以下几个特点：(a)C、Mn、Al的配比及其加入获得奥氏体组织和大幅度降低密度，(b)Nb、V、Ti和Mo的加入可以细化和均匀化奥氏体组织，获得高强度。(c)为了保证细晶化和均匀化，辅助合金含量需要不低于0.1％，同时保证凝固过程中不析出大颗粒合金碳化物析出，需要辅助合金含量不高于0.25％，即0.25％≥Nb+V+Ti+Mo≥0.1％。(c)通过该成分设计，低密度钢的密度与传统钢铁材料相比，实现钢铁材料密度的大幅度降低，达到新型低密度钢的密度6.5-7.0g/cm3。
(2)在制备工艺上，主要通过高温条件下的控轧轧制和动态再结晶相结合，实现奥氏体基体的细化与均匀化，提高强度与韧性；通过轧后快速冷却(喷水水冷)，来保证奥氏体基体组织与抑制κ-碳化物析出；为了进一步提升热轧冷却低密度钢的强韧性匹配，还可以对热轧冷却后制备的热轧态低密度钢进行固溶处理，大幅提升低密度钢的塑性和韧性。
(3)在力学性能上，热轧快冷的低密度热轧钢的力学性能为抗拉强度为0.80-1.00GPa，屈服强度为0.60-0.80GPa，-40℃的V型冲击韧性不低于100J，并且钢的塑性也不低于50％；热轧后固溶处理低密度钢的力学性能为抗拉强度为0.70-0.90GPa，屈服强度为0.50-0.70GPa，-40℃的V型冲击韧性不低于200J，并且钢的塑性也不低于60％。
本发明的特点在于化学成分要求：C：0.60-1.20wt％、Mn:26-34.0wt％、Al：6.0-12％、Nb：0-0.25％；V:0-0.25wt％；Ti：0-0.25wt％，Mo:0-0.25wt％；P≤0.015wt％，S≤0.01wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。同时合金成分满足0.25％≥Nb+V+Ti+Mo≥0.10％。在此基础上可以添加以下一种或多种元素：Si:0-3.0wt％、Cr:0-5.0wt％、Cu:0-2.0wt％、B：0.0005-0.01wt％、RE(稀土):0.001-0.10wt％、Ca:0.005-0.050wt％。本发明的特点在于采用炉外精炼/真空感应熔炼工艺(以及通过电渣和双真空冶炼),控轧控冷获得高强韧低密度钢，热轧后固溶退火工艺和冷轧后固溶处理生产低密度低磁耐蚀钢的工艺。本发明高强韧低密度钢的力学性能如下，热轧快冷的低密度热轧钢的力学性能为抗拉强度为0.80-1.00GPa，屈服强度为0.60-0.80GPa，-40℃的V型冲击韧性不低于100J，并且钢的塑性也不低于50％；热轧后固溶处理低密度钢的力学性能为抗拉强度为0.70-0.90GPa，屈服强度为0.50-0.70GPa，-40℃的V型冲击韧性不低于200J，并且钢的塑性也不低于60％。本发明工艺制造的高强韧低密度钢能够应用于航空航天、海洋舰船、和交通运输等高端装备领域。
关于本发明钢的化学成分：C：0.60-1.20wt％、Mn:26-34.0wt％、Al：6.0-12％、Nb：0-0.25％；V:0-0.25wt％；Ti：0-0.25wt％，Mo:0-0.25wt％；P≤0.015wt％，S≤0.01wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。同时合金成分满足0.25％≥Nb+V+Ti+Mo≥0.10％。在此基础上可以添加以下一种或多种元素：Si:0-3.0wt％、Cr:0-5.0wt％、Cu:0-2.0wt％、B：0.0005-0.01wt％、RE(稀土):0.001-0.10wt％、Ca:0.005-0.050wt％。
关于本发明各元素的作用及配比依据如下：(a)、C、Mn和Al的配比设计，获得奥氏体组织和实现钢材密度降低10-20％；根据研究经验，1％C添加可以降低约0.4g/cm3的密度，1％Al添加可以降低约0.1g/cm3的密度，1％Mn添加可以降低约0.01g/cm3的密度。为了保证低密度钢的强度、塑性和韧性，需要抑制低密度钢中k碳化物析出，将碳含量控制在0.60-1.20％之间；为了获得低密度和保证塑韧性，将铝含量控制在6.0-12％之间；为了保证奥氏体基体，将Mn含量控制在26-34％之间。(b)、Nb、V、Ti和Mo等辅助元素的合金化设计，可以实现低密度钢组织的细化和均匀化，提高低密度钢强韧性。但过低的合金添加无法实现细化和均匀化，过高则易于液态析出大颗粒碳化物，所以将辅助合金的添加量限制在0.25％≥Nb+V+Ti+Mo≥0.10％的范围。
关于本发明的制造工艺及条件为：
(1)冶炼与铸造，适用于转炉、电炉或感应炉、电渣或真空自耗冶炼，采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭或铸坯。
(2)锻造、热轧和冷轧，锻造或热轧棒线材：将铸坯或铸锭经1100-1180℃加热，在800-1150℃范围内由热轧或锻造形成不同直径尺寸的棒线材；热轧板材：将铸坯或铸锭经1100-1180℃加热，在800-1150℃范围内热轧制到设计厚度规格的棒材或板材。
(3)对锻造、热轧产品进行固溶处理，在900-1150℃进行高温固溶，调整组织结构，获得奥氏体基体与少量碳化物的组织结构，获得强度与韧性的更高匹配。
以下实施例主要针对不同成分的高强韧低密度钢，进行低密度钢的冶炼、铸造、热轧和固溶处理等低密度钢板材工艺模拟，形成高强韧低密度钢的热轧、冷轧与固溶工艺以及对应性能。该工艺同样适用于各种型材和棒线材。
关于钢的冶炼与化学成分：本发明钢由试验室真空感应炉冶炼，浇铸锭型为50kg的圆锭，包括发明钢与对比钢共冶炼若干炉钢供锻造棒状样品，化学成分见表1。
钢的热轧板和冷轧板工业化模拟：
发明钢GD1-GD7钢和对比钢DB1-DB3的钢锭经过1150℃加热，保温10h，进行锻造开坯。在锻造温度范围为800-1180℃内，将直径约130mm的铸锭锻成截面尺寸为厚度40mm和宽度100mm的锻坯。通过实验室轧机，将锻坯轧制到厚度12mm和6mm的热轧板。通过冷轧将厚度为6mm的热轧板轧制到2mm厚度冷轧板。对热轧板和冷轧板在1050℃进行高温固溶。对热轧板、热轧板固溶处理、冷轧板固溶处理进行力学性能和冲击韧性测定(拉伸试验拉伸速率为10-4/s，延伸率采用A5，冲击试验：冲击样品尺寸为10mm×10mm×55mm的V型冲击(冷轧板不进行韧性测试))。热轧板性能见表2，热轧固溶处理钢板性能见表3。图1利用EBSD表征的热轧和固溶处理后的GD3钢的微观组织结构，表明新型低密度钢具有基体奥氏体组织。图2室温拉伸应力应变曲线，表明固溶处理后发明钢具有优异的力学性能。图2给出了室温拉伸工程应力应变曲线，表明发明钢的高强度与高塑性。图3是微合金元素在钢中的分布图。图3给出了微合金元素在低密度钢中的分布情况，电子探针分析结果表明，所加入的V、Nb、Ti等微合金元素分布位置与碳元素一致，表明其主要以碳化物形式存在。
通过表2可以看出，热轧板屈服强度在650-850MPa之间，抗拉强度在800-1000MPa之间，延伸率均超过了40％。同时研发钢热轧冷却后的室温V型冲击韧性均超过了100J，最低密度达到了6.5g/cm3。因此发明钢具有高强度、高塑性、高韧性、低密度等优异综合性能。同样冷轧板也得到同样的综合力学性能和其他性能。可以看出，控制轧制的热轧板比固溶后冷轧板具有更高强度，表明微合金化析出可以有效提高低密度钢的强度。
表1发明钢与传统低密度钢化学成分(P％≤0.015％，S≤0.01％)质量百分数
Figure GDA0003658738310000071
表2热轧淬水后发明钢与传统低密度钢力学性能与密度
Figure GDA0003658738310000072
Figure GDA0003658738310000081
表3热轧淬水加固溶后的发明钢与传统低密度钢力学性能与密度
Figure GDA0003658738310000082
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (6)

1.一种微合金化高强韧低密度钢，其特征在于，在Fe-Mn-Al-C合金系的铁基奥氏体微观组织结构中包括以下微合金化元素中的一种或多种：V，Ti，Mo，所述微合金化元素与所述Fe-Mn-Al-C合金系中的C在奥氏体晶粒中和/或奥氏体晶界中以碳化物析出；
所述Fe-Mn-Al-C为主体合金化元素，所述微合金化元素中的V、Ti和Mo均为辅助合金化元素，并且，以wt％计，0.25≥辅助合金化元素的总计含量≥0.1；
各元素以wt％计含量如下：C＝0.60～1.20，Mn＝26～34.0，Al＝6.0～12，V＝0～0.25，Ti＝0～0.25，Mo＝0～0.25，P≤0.015，S≤0.01，余量为Fe；
密度为6.5～7.3g/cm3；
抗拉强度为0.80～1.00GPa，屈服强度为0.60～0.80GPa，-40℃的V型冲击韧性不低于100J，延伸率A5不低于60％。
2.根据权利要求1所述的微合金化高强韧低密度钢，其特征在于，还包括以下元素中的一种或多种，以wt％计含量：Si＝0～3.0，Cr＝0～5.0，Cu＝0～2.0，B＝0.0005～0.01、稀土RE＝0.001～0.10，Ca＝0.005～0.050。
3.一种如上述权利要求1至2之一所述微合金化高强韧低密度钢的制备方法，其特征在于，包括以下工序：通过冶炼得到钢液，将所述钢液铸造成铸坯或铸锭，将所述铸坯或铸锭加热至1100～1180℃，在800～1150℃范围内通过锻造或热轧得到型材，将所述型材直接在900～1150℃进行高温固溶处理或将所述型材冷轧后在900～1150℃进行高温固溶处理，使得微合金化元素与Fe-Mn-Al-C合金系中的C在奥氏体晶粒中和/或奥氏体晶界中以碳化物析出，从而实现低密度钢的高强韧和低密度的有效结合。
4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述型材为棒材或线材或板材。
5.一种如上述权利要求1至2之一微合金化高强韧低密度钢在航空航天装备或海洋舰船装备。
6.一种如上述权利要求1至2之一微合金化高强韧低密度钢在交通运输高端装备中的应用。
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