CN114875339A - 一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带及其制造方法 - Google Patents

一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带及其制造方法，其化学成分及质量百分数为：C：0.6％‑1.5％，Mn:16％‑25％，Al：6％‑12％，V:0.01％‑0.2％，Zr：0.01％‑0.5％，Si:0.01％‑0.5％，Cu：0.01％‑2％，Ni：0.05％‑2％，余量为Fe和杂质元素。本发明制造方法，热轧阶段省去了板坯加热、多道次反复热轧等复杂过程，仅通过双辊薄带连铸+单道次20～50％压下量的在线热轧之后进行冷轧，生产流程更短，工序成本低，生产的能耗和碳排放量大幅度降低；在连铸阶段，由于铸带厚度较薄并且凝固速度较快，在薄带钢中无明显的中心P偏析带和长条状的MnS夹杂带，表现出较高的韧性，有利于后续进行冷变形加工；本发明方法制造的低密度冷轧薄钢带，屈服强度在1550MPa以上，抗拉强度在1800MPa以上，延伸率为10％以上。

Description

一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带及其制造 方法
技术领域
本发明属于钢铁生产技术领域，具体涉及一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带及其制造方法。
背景技术
与传统的普通高强钢相比，先进高强钢最大的优势在于保证力学性能的同时减轻板材构建的厚度和重量，还具有良好的成型性、防撞凹性、抗疲劳性能、较高的加工硬化率，在各行各业显示良好的应用前景。Fe-Mn-C-Al系低密度钢出现于上世纪年代，随着研究的深入，低密度钢的特殊性逐渐被挖掘出来。首先，该钢种密度比其他钢种要小，研究表明，每增加1％的Al，钢的密度可以降低1.3％，同时可以显著提高层错能，每增加1wt％Al，层错能增加9～11mJ/m2。低密度钢的加工硬化机制不仅仅局限于高锰钢的相变诱导塑性及孪晶诱导塑性强化，微带诱导塑性、剪切带诱导塑性及动态滑移带细化等加工硬化机制也能用于强化低密度钢，同时纳米级第二相κ＇碳化物的弥散分布可以钉扎细化晶粒及通过Nb、V、Ti的微合金化可以进一步强化其综合力学性能，包括屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等等。鉴于以上特点，低密度钢广泛应用于汽车、船舶制造行业等领域，通过降低重量，可以降低能源消耗、减少尾气排放，符合我国的“碳达峰”和“碳中和”的绿色发展理念。
迄今为止，人们就一直寻求金属材料“轻量、强度、韧性”三大指标的平衡。不过，强度和韧性始终是相互排斥的，很难达到获得高强度的同时仍然保证良好的塑性，因此，亟需一种具有高强度的同时又能保证高塑性的低密度钢板。目前Fe-Mn-C-Al系列低密度、高强度、高塑性钢的研究主要通过传统的热轧、热轧后退火、酸洗、冷轧、冷轧后退火生产工艺进行制备，工艺复杂，能耗及环境污染较大，成本较大，生产难度较大。
目前现有的专利文献CN111235484B公开了一种高强度高硬度低密度钢的制备方法，其特点是该合金钢的化学组成成分及重量百分比为C：0.7-1.8％，Mn:25-34％，Al:8-12％，Si:0.3％-0.9％，Cr:0.3％-1.2％，V：0.1-0.7％，Ti:0.1％-0.8％，Mo:0.7％-1.3％，经过热锻、水韧、热轧和固溶处理后，再经过冷轧和时效处理，抗拉强度可以达到950-1127MPa，硬度达到62-68HRC。专利文献CN104711494A公开了一种高强度高塑性的NiAl强化低密度钢，其特点是该合金钢的化学组成成分重量％为C：0.5-1.5％，Mn:10-30％，Al:5-12％，Ni：5-15％，抗拉强度达到1350MPa以上，延伸率达到10％以上。专利文献CN108779528B公开了具有高延展性、低密度高强度奥氏体钢带，其特点是该合金钢的化学组成成分重量％为C：0.65-0.9％，Mn:5.0-20％，Al:5.5-11％，0＜Si≤0.15％，0＜Cu≤0.34％，0＜Cr≤0.14％，同时加入一种或者一种以上的V、Ti、Nb、V、Zr等微合金元素，该钢的抗拉强度≥800MPa、延伸率≥25％、密度≤7.3kg/m3。
上述专利文献中公布的钢制品的制造方法均采用传统连轧工艺，工艺流程长、能耗高、机组设备多、基建成本高，生产综合成本高，且由于合金元素高，连铸过程容易产生偏析，轧制过程轧制力大，容易形成裂纹，生产难度大，对于高抗拉强度、高延伸率的薄钢带的生产难度更大。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带及其制造方法，本发明制造方法，热轧阶段省去了板坯加热、多道次反复热轧等复杂过程，仅通过双辊薄带连铸+单道次20～50％压下量的在线热轧之后进行冷轧，生产流程更短，工序成本低，生产的能耗和碳排放量大幅度降低；在连铸阶段，由于铸带厚度较薄并且凝固速度较快，在薄带钢中无明显的中心P偏析带和长条状的MnS夹杂带，表现出较高的韧性，有利于后续进行冷变形加工；本发明方法制造的低密度冷轧薄钢带，屈服强度在1550MPa以上，抗拉强度在1800MPa以上，延伸率为10％以上。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带，其化学成分及质量百分数为：C：0.6％-1.5％，Mn:16％-25％，Al：6％-12％，V:0.01％-0.2％，Zr：0.01％-0.5％，Si:0.01％-0.5％，Cu：0.01％-2％，Ni：0.05％-2％，余量为Fe和杂质元素。
优选的技术方案是，杂质元素的化学成分及质量百分数符合P≤0.06％、S≤0.002％、N≤0.003％。
相应地，本发明还公开了一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带的制造方法，包括如下步骤：
S1：按照上述的化学成分及质量百分数，冶炼制备钢水；
S2：将步骤S1制备的钢水经薄带连铸制备成铸带；
S3：将步骤S2制备的铸带经过一道次热轧制备成薄钢带；
S4：将步骤S3制备的薄钢带经气雾冷却系统冷却至600℃～800℃，并卷取成卷；
S5：将步骤S4制备的薄钢带于900℃～1150℃温度下固溶处理1～3h，然后进行压下量为20％-50％的冷轧，并于650℃～850℃温度下时效处理10～12h后空冷，
其中，所述的制造方法制造的低密度冷轧薄钢带的屈服强度在1550MPa以上，抗拉强度在1800MPa以上。
优选的技术方案有，所述的步骤S2中，具体操作为：将步骤S1制备的钢水经过一对相向旋转的铜铸辊连铸成铸带，铸轧速度为40～90m/min，铸带的厚度为1.4～2.5mm。
优选的技术方案还有，所述的步骤S3中，一道次热轧压下量为20％～50％，薄钢带的厚度为0.8～1.9mm、宽度为600mm～1500mm。
优选的技术方案还有，所述的步骤S3中，热轧出口温度为850℃～1050℃。
进一步优选的技术方案还有，所述的制造方法制造的低密度冷轧薄钢带的金相组织为奥氏体及析出相，冷轧薄钢带的厚度为0.5～1.0mm，延伸率为10％以上，密度为6.5～7.2g/cm3。
本发明的优点和有益效果在于：
1、运用传统生产工艺生产低密度钢的过程较复杂且难度极大，本发明制造方法通过薄带连铸工艺生产热轧钢带而后冷轧可以降低低密度钢的生产难度，之前未见相关生产工艺报道。
2、本发明制造方法中的热轧阶段省去了板坯加热、多道次反复热轧等复杂过程，仅通过双辊薄带连铸+单道次20～50％压下量的在线热轧之后进行冷轧，生产流程更短，工序成本低，生产的能耗和碳排放量大幅度降低。
3、本发明的低密度冷轧薄钢带在连铸阶段，由于铸带厚度较薄并且凝固速度较快，在薄带钢中无明显的中心P偏析带和长条状的MnS夹杂带，表现出较高的韧性，有利于后续进行冷变形加工。
4、传统热轧工艺中板坯冷却过程中发生合金元素析出，板坯再加热时往往会由于合金元素回溶不充分而降低合金元素利用率；本发明制造方法的薄带连铸工艺中，高温铸带直接热轧，所添加的合金元素主要以固溶态存在，可提高合金利用率。
5、本发明的低密度冷轧薄钢带，金相组织为奥氏体及析出相，具有优越的高抗拉性能：屈服强度在1550MPa以上，抗拉强度在1800MPa以上，延伸率为10％以上。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
采用本发明方法制造一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带，包括如下步骤：
S1：按照化学成分及质量百分数为：C：1.1％，Mn：21％，Al：9.8％，V：0.15％，Si:0.5％，Ni：1.5％，Zr：0.15％，Cu：1.5％，P：0.06％，S：0.002％，N：0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备成分合格的钢水；
S2：将步骤S1冶炼合格的钢水经过一对相向旋转的铜铸辊连铸成厚度为1.9mm的铸带，铸轧速度为48m/min，钢水温度约为1500℃；
S3：将步骤S2制备的铸带经过一道次热轧下压量40％制备成薄钢带，薄钢带热轧后的温度为950℃；
S4：将步骤S3制备的薄钢带经气雾冷却至730℃，并卷取成卷；
S5：将步骤S4制备的薄钢带于1000℃温度下固溶处理1.5h，然后进行压下量为40％的冷轧，并于650℃温度下时效处理10h后空冷。
所述的制造方法制造的低密度冷轧薄钢带的宽度为600mm，厚度为0.75mm，密度为6.8g/cm3，屈服强度为1570MPa，抗拉强度为1800Mpa，延伸率为16％。
实施例2
采用本发明方法制造一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带，包括如下步骤：
S1：按照化学成分及质量百分数为：C：1.2％，Mn：22％，Al：10.2％，V：0.15％，Zr：0.15％，Cu：1.5％，Si:0.3％，Ni：1.5％，P：0.06％，S：0.002％，N：0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备成分合格的钢水；
S2：将步骤S1冶炼合格的钢水经过一对相向旋转的铜铸辊连铸成厚度为1.9mm的铸带，铸轧速度为75m/min，钢水温度约为1540℃；
S3：将步骤S2制备的铸带经过一道次热轧下压量40％制备成薄钢带，薄钢带热轧后的温度为1000℃；
S4：将步骤S3制备的薄钢带经气雾冷却至710℃，并卷取成卷；
S5：将步骤S4制备的薄钢带于1050℃温度下固溶处理2h，然后进行压下量为40％的冷轧，并于750℃温度下时效处理11h后空冷。
所述的制造方法制造的低密度冷轧薄钢带的宽度为800mm，厚度为0.70mm，密度为6.8g/cm3，屈服强度为1590MPa，抗拉强度为1827Mpa，延伸率为16％。
实施例3
采用本发明方法制造一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带，包括如下步骤：
S1：按照化学成分及质量百分数为：C：1.2％，Mn：22％，Al：10.2％，V：0.15％，Si:0.5％，Ni：2.0％，Zr：0.15％，Cu：1.5％，P：0.06％，S：0.002％，N：0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备成分合格的钢水；
S2：将步骤S1冶炼合格的钢水经过一对相向旋转的铜铸辊连铸成厚度为1.9mm的铸带，铸轧速度为85m/min，钢水温度约为1555℃；
S3：将步骤S2制备的铸带经过一道次热轧下压量45％制备成薄钢带，薄钢带热轧后的温度为870℃；
S4：将步骤S3制备的薄钢带经气雾冷却至860℃，并卷取成卷；
S5：将步骤S4制备的薄钢带于1050℃温度下固溶处理2.0h，然后进行压下量为40％的冷轧，并于700℃温度下时效处理11h后空冷。
所述的制造方法制造的低密度冷轧薄钢带的宽度为700mm，厚度为0.65mm，密度为6.8g/cm3，屈服强度为1610MPa，抗拉强度为1842Mpa，延伸率为15％。
实施例4
采用本发明方法制造一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带，包括如下步骤：
S1：按照化学成分及质量百分数为：C：1.2％，Mn：22％，Al：10.2％，V：0.15％，Si:0.5％，Ni：2.0％，Zr：0.15％，Cu：1.5％，P：0.06％，S：0.002％，N：0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备成分合格的钢水；
S2：将步骤S1冶炼合格的钢水经过一对相向旋转的铜铸辊连铸成厚度为1.9mm的铸带，铸轧速度为75m/min，钢水温度约为1550℃；
S3：将步骤S2制备的铸带经过一道次热轧下压量45％制备成薄钢带，薄钢带热轧后的温度为950℃；
S4：将步骤S3制备的薄钢带经气雾冷却至750℃，并卷取成卷；
S5：将步骤S4制备的薄钢带于1100℃温度下固溶处理2.0h，然后进行压下量为45％的冷轧，并于700℃温度下时效处理11h后空冷。
所述的制造方法制造的低密度冷轧薄钢带的宽度为600mm，厚度为0.60mm，密度为6.8g/cm3，屈服强度为1620MPa，抗拉强度为1860Mpa，延伸率为15％。
实施例5
采用本发明方法制造一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带，包括如下步骤：
S1：按照化学成分及质量百分数为：C：1.0％，Mn：21％，Al：10.5％，V：0.2％，Si:0.5％，Ni：1.5％，Zr：0.20％，Cu：1.5％，P：0.06％，S：0.002％，N：0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备成分合格的钢水；
S2：将步骤S1冶炼合格的钢水经过一对相向旋转的铜铸辊连铸成厚度为1.9mm的铸带，铸轧速度为75m/min，钢水温度约为1500℃；
S3：将步骤S2制备的铸带经过一道次热轧下压量45％制备成薄钢带，薄钢带热轧后的温度为950℃；
S4：将步骤S3制备的薄钢带经气雾冷却至730℃，并卷取成卷；
S5：将步骤S4制备的薄钢带于1100℃温度下固溶处理3.0h，然后进行压下量为50％的冷轧，并于800℃温度下时效处理10h后空冷。
所述的制造方法制造的低密度冷轧薄钢带的宽度为800mm，厚度为0.55mm，密度为6.8g/cm3，屈服强度为1650MPa，抗拉强度为1878Mpa，延伸率为14％。
经测试实施例1～5制备的低密度冷轧薄钢带的金相组织均为奥氏体及析出相。
本发明制造方法，热轧阶段省去了板坯加热、多道次反复热轧等复杂过程，仅通过双辊薄带连铸+单道次20～50％压下量的在线热轧之后进行冷轧，生产流程更短，工序成本低，生产的能耗和碳排放量大幅度降低；在连铸阶段，由于铸带厚度较薄并且凝固速度较快，在薄带钢中无明显的中心P偏析带和长条状的MnS夹杂带，表现出较高的韧性，有利于后续进行冷变形加工；本发明方法制造的低密度冷轧薄钢带，屈服强度在1550MPa以上，抗拉强度在1800MPa以上，延伸率为10％以上。
高强度、高塑性低密度钢中各元素的作用如下：
C：C元素的作用主要与Mn、Al元素形成κ＇-碳化物，形成析出强化、弥散强化，提高钢的强度，C是奥氏体形成元素，可以促进奥氏体的形成，同时又可以降低钢的密度，但是，C含量过多会形成过多的κ＇-碳化物，反而对合金的延伸率形成不利的影响。
Mn:Mn元素是奥氏体形成元素，可以促进奥氏体的形成，对钢的强塑性是十分有利的，且Mn元素可以和C、Al元素形成κ＇-碳化物，通过析出强化和弥散强化作用进一步提高钢的强塑性，Mn元素的密度比Fe元素略低，不会增加钢的密度，同时Mn元素又比较便宜，但是，过量的添加Mn元素会使得钢在时效过程析出大量的β-Mn相，该相为硬质相，会大大降低钢的塑性，因此，Mn含量的控制在一个范围之内，本发明的含量为16％-25％。
Al:Al元素会大大降低钢的密度，与C、Mn元素形成κ＇-碳化物，通过析出强化和弥散强化作用进一步提高钢的强塑性，但是Al含量过高会增加钢的成本，因此，Al含量的控制在一个范围之内，本发明的含量为6％-12％。
V:V元素通过在钢种形成碳氮化物而有效提高钢的强度和韧性，在双辊薄带连铸亚快速凝固条件下可以溶入更多的V元素，有益于后期更好的析出，更好的起到析出强化的效果，添加V一方面会增加成本，另一方面，V会在晶界上析出从而在钢带上产生裂纹，因此，V的浓度控制在0.01％-0.2％。
Zr:Zr元素可以去除钢中的N元素，抑制形成AlN。在双辊薄带连铸亚快速凝固条件下，Zr可以更好的起到细化晶粒的作用。但是，Zr元素比较昂贵，会增加钢的成本。因此，Zr元素的含量控制在0.01％-0.5％。
Si:Si元素可以脱氧，Si元素也可以降低钢的比重，在双辊薄带连铸亚快速凝固条件下可以溶入更多的Si元素，更好的起到固溶强化的效果，提高钢的强度，但是硅含量过高会降低钢的焊接性能，因此，允许Si的最高含量为0.5％。
Cu:Cu元素可以稳定奥氏体，且Cu元素比Ni元素便宜，在双辊薄带连铸亚快速凝固条件下可以溶入更多的Cu元素，降低Cu元素的偏析，降低开裂倾向，更好的达到固溶强化的效果，但是，如果Cu含量过高，成本增加，且轧制过程更容易开裂，因此，Cu的浓度必须在0.01％-2％之内。
Ni:Ni元素可以稳定奥氏体且提高堆垛层错能，Ni集中在钢的表面还可以改进钢的耐腐蚀性和耐氧化性，可以抑制腐蚀过程中H的吸收，在双辊薄带连铸亚快速凝固条件下可以溶入更多的Ni元素，更好的达到固溶强化的效果。因此，Ni的添加含量为0.05％-2％之内。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，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)

1.一种短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带，其特征在于，其化学成分及质量百分数为：C：0.6％-1.5％，Mn:16％-25％，Al：6％-12％，V:0.01％-0.2％，Zr：0.01％-0.5％，Si:0.01％-0.5％，Cu：0.01％-2％，Ni：0.05％-2％，余量为Fe和杂质元素。
2.如权利要求1所述的短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带，其特征在于，杂质元素的化学成分及质量百分数符合P≤0.06％、S≤0.002％、N≤0.003％。
3.一种如权利要求1或2所述的短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：按照权利要求1或2所述的化学成分及质量百分数，冶炼制备钢水；
S2：将步骤S1制备的钢水经薄带连铸制备成铸带；
S3：将步骤S2制备的铸带经过一道次热轧制备成薄钢带；
S4：将步骤S3制备的薄钢带经气雾冷却系统冷却至600℃～800℃，并卷取成卷；
S5：将步骤S4制备的薄钢带于900℃～1150℃温度下固溶处理1～3h，然后进行压下量为20％～50％的冷轧，并于650℃～850℃温度下时效处理10～12h后空冷，
其中，所述的制造方法制造的低密度冷轧薄钢带的屈服强度在1550MPa以上，抗拉强度在1800MPa以上。
4.如权利要求3所述的短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带的制造方法，其特征在于，所述的步骤S2中，具体操作为：将步骤S1制备的钢水经过一对相向旋转的铜铸辊连铸成铸带，铸轧速度为40～90m/min，铸带的厚度为1.4～2.5mm。
5.如权利要求3所述的短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带的制造方法，其特征在于，所述的步骤S3中，一道次热轧压下量为20％～50％，薄钢带的厚度为0.8～1.9mm、宽度为600mm～1500mm。
6.如权利要求3所述的短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带的制造方法，其特征在于，所述的步骤S3中，热轧出口温度为850℃～1050℃。
7.如权利要求3～6任一项所述的短流程低能耗高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带的制造方法，其特征在于，所述的制造方法制造的低密度冷轧薄钢带的金相组织为奥氏体及析出相，冷轧薄钢带的厚度为0.5～1.0mm，延伸率为10％以上，密度为6.5～7.2g/cm3。
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CN115418578A (zh) * 2022-09-16 2022-12-02 常州工学院 一种基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带及其制造方法
CN115433882A (zh) * 2022-09-16 2022-12-06 常州工学院 一种基于亚快速凝固+轧制工艺的高抗拉强度的低密度冷轧薄钢带及其制造方法
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