CN115216703A - 一种超高强度低密度钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高强度低密度钢，属于金属材料领域，所述超高强度低密度钢中的化学成分以质量百分比计包括：Mn：25~30、Al：11~12、C：1.0~1.2，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明还提供了一种上述的超高强度低密度钢的制备方法。本发明的成分设计和在200~400℃下进行温轧的方式，充分利用加工硬化和κ‑碳化物的弥散强化提高低密度钢的强度的同时避免了κ‑碳化物在晶界析出对强度和塑性均造成不利的影响，制备出超高强度（大于1900 MPa）、低密度（不高于6.7 kg/m3）钢。相较于纯铁，本发明钢种密度降低了17.8%以上的同时满足了时效硬化的临界条件。

Description

一种超高强度低密度钢及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，特别涉及一种超高强度（1900 MPa级）低密度钢（不高于6.7 kg/m3）及其制备方法。
背景技术
近年来，由于经济和工业化的迅速发展，国内汽车保有量不断提高，能源大量消耗，环境问题日趋严峻。钢铁因其丰富的储备、优异的力学性能、可循环使用、成本低等优点成为了汽车车身的主要用材。为了节约能源，减少温室气体的排放，提高燃料效率，除了发展新能源汽车等措施外，通过在保证汽车强度的前提下减小车身的厚度成为了目前生产汽车用钢的主要发展方向之一。研究表明，汽车钢板减薄0.1 mm，车身减重12%，能源消耗减少5~8%。Al是有效的轻量化元素，每添加1%的Al，密度降低1.5%左右，因此通过添加轻量化Al元素在保证汽车安全性性的前提下，全面降低汽车钢板的整体密度成为了最具潜力的轻量化方案。因此发展出了Fe-Mn-Al-C系低密度汽车用钢。
以减重节能为目标的高强度钢板通常通过冷轧的工艺轧成薄板后再进行退火等热处理工艺制备出符合条件的汽车钢板。因此，通过冷轧获得尽量高的强度为后续获得综合力学性能优异的汽车钢板提供了更多的空间与可能，更值得注意的是，冷轧过程中会产生极为强烈的加工硬化效果，大大提高了对轧机、轧辊等轧制设备的要求。
对现有技术文献检索发现：1、Zhang J L, Raabe D, Tasan C, et al.Designing duplex, ultrafine-grained Fe-Mn-Al-C steels by tuning phasetransformation and recrystallization kinetics[J]. Acta Materialia, 141, 374-387, 2017.文章对Fe-25.7Mn-10.6Al-1.2C钢进行了90%的冷轧，抗拉强度达到了1800MPa。但是冷轧对轧制设备的要求极为苛刻的同时也无法充分利用κ-碳化物的弥散强化作用。2、刘少尊, 王春旭, 厉勇, 等.时效温度对固溶态 Fe-Mn-Al-C 低密度钢性能与析出相的影响。金属热处理报, 40, 103-107，2015. 文章探讨了Fe-27Mn-8Al-1.6C钢固溶态及405 ℃及以上对时效5h后的力学性能发现，405 ℃时效后κ-碳化物的体积分数和尺寸较固溶态有所提高和长大，此时获得最佳的强度和塑性，当温度提高到455 ℃及以上后，κ-碳化物发生非常明显的长大，试验钢发生脆性断裂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种超高强度低密度钢及其制备方法，通过添加大量的轻质元素Al，极大降低了合金的密度的并通过采用温轧降低了对轧制设备的要求，充分利用了加工硬化提高强度的同时保留了一定的塑性变形能力以及κ-碳化物的弥散强化提高钢的强度，大幅度提高了其应用于工业生产中的可行性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超高强度低密度钢，所述超高强度低密度钢中的化学成分以质量百分比计包括：Mn：25~30、Al：11~12、C：1.0~1.2，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明还提供了一种制备上述超高强度低密度钢的制备方法，包括以下步骤：S1、冶炼：将金属原料加入熔炼炉中进行冶炼，得到铸锭；S2、锻造：将熔炼成的铸锭锻造成钢板，消除铸造过程中形成的孔洞等缺陷，均匀化组织；S3、固溶处理：将锻造的板材加热温度到1000~1100 oC，保温时间1~2h后进行快速水淬，通过固溶处理可以消除锻造过程中产生的应力，溶解晶界上析出的κ-碳化物，均匀化组织，固溶处理后，钢的组织构成为：奥氏体、铁素体和κ-碳化物组成的三相组织，其中，奥氏体为基体，铁素体分布于奥氏体晶界，以及弥散细小的κ-碳化物弥散分布于奥氏体基体内，铁素体的体积分数小于10%；S4、轧制：轧制前先保温，保温温度为轧制温度（200~400 oC），保温时间按公式t=α·k·D进行计算，式中α为加热系数，取α=1.2~1.6 min/mm；k为钢板加热的修正系数，取k=1；D为钢板的有效厚度，保温时间在按公式计算的基础上适当延长可以保证试样完全热透，每轧一道次后放入炉内保温，保温时间8~10 min，每道次压下量为0.2~0.3 mm，总压下量90%。
本发明化学成分设计原理如下：（1）要制备出1900MPa级超高强钢，需要利用κ-碳化物的弥散强化作用，而κ-碳化物的析出需要满足一定的成分条件，Al、C和Mn元素均对κ-碳化物的析出有很大的影响，0.098(wt.%Al) + 0.208(wt.%C)=1-0.0054(wt.%Mn)是κ-碳化物在奥氏体晶内析出的临界条件，只有当左边大于右边时，κ-碳化物才可能析出；（2）限定Mn：25~30，Al：11~12，C：1.0~1.2保证了低密度钢的密度不高于6.7 kg/m3。
本发明上述制备工艺设计原理如下：在1000~1100 ℃下固溶处理1~2h能够将粗大或在晶界析出的κ-碳化物完全溶解的同时避免晶粒的过度长大。与此同时，在1000~1100℃固溶后水冷后会通过调幅分解的形式在奥氏体基体内形成细小弥散的κ-碳化物。κ-碳化物的形成除了通过调幅分解的形式形成外，还能通过在300~850 ℃之间时效析出和长大，并且在此温度内κ-碳化物的析出形态、尺寸和位置会随着温度的变化而发生明显的差异，从而导致力学性能的差异。本发明选择在200~400 ℃之间进行轧制：一方面，在引入大量位错充分利用加工硬化提高强度的同时保留了一定的塑性变形能力；另一方面，在200~400℃之间进行轧制过程中伴随着κ-碳化物的析出与长大，κ-碳化物通过弥散强化进一步提高了强度。值得注意的是本发明选择最低轧制温度为200 ℃，低于上述提到的κ-碳化物析出温度（300~850 ℃）是由于本发明考虑了轧制过程中会产生一部分热量，使得实际轧制的温度会高于轧前温度。另外，本发明也没有选择在400 ℃以上进行轧制，是由于400 ℃以上轧制会导致κ-碳化物在晶界上大量析出。在晶界上大量析出的κ-碳化物会对强度有不利的影响。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的成分设计和在200~400 ℃下进行温轧的方式，充分利用加工硬化和κ-碳化物的弥散强化提高低密度钢的强度的同时避免了κ-碳化物在晶界析出对强度和塑性均造成不利的影响，制备出超高强度（大于1900 MPa）、低密度（不高于6.7 kg/m3）钢。相较于纯铁，本发明钢种密度降低了17.8%以上的同时满足了时效硬化的临界条件。
（2）相较于传统的通过冷轧+时效制备超高强度低密度钢的工艺，本发明通过温轧的方式让轧制和κ-碳化物的时效析出两个过程可以同步进行，将原本的冷轧+时效工艺合并在一个工序中，大大简化了整个工艺流程。另外，与传统的冷轧相比，本发明温轧的方法降低了对轧制设备包括轧机、轧辊的要求，在利用加工硬化提高强度的同时保留了一定的塑性变形能力，降低了轧制过程中发生严重开裂的危险，更适用于工业化生产。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为实施例1~4的力学性能；
图2为实施例1和对比例试样轧后的样品状态；
图3为实施例1和对比例试样轧后的SEM组织；
图4为实施例1和对比例室温下的工程应力-应变曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种超高强度低密度钢，超高强度低密度钢中的化学成分以质量百分比计包括：Mn：25~30、Al：11~12、C：1.0~1.2，其余为Fe及不可避免的杂质。超高强度低密度钢中的化学成分中满足以下条件：0.098*Al+0.208 *C＞1-0.0054 *Mn。
上述超高强度低密度钢的抗拉强度不低于1900MPa，密度不高于6.7 kg/m3。
本发明还提供了一种制备上述超高强度低密度钢的方法，包括以下步骤。
S1、冶炼：将金属原料加入熔炼炉中进行冶炼，得到铸锭。
S2、锻造：将熔炼成的铸锭锻造成钢板（如15 mm厚），消除铸造过程中形成的孔洞等缺陷，均匀化组织。
S3、固溶处理：将锻造的板材加热温度到1000~1100 ℃，保温时间1~2h后进行快速水淬。通过固溶处理可以消除锻造过程中产生的应力、溶解晶界上析出的κ-碳化物，均匀化组织。
固溶处理后，钢的组织构成为：奥氏体、铁素体和κ-碳化物组成的三相组织，其中，奥氏体为基体，铁素体分布于奥氏体晶界，以及弥散细小的κ-碳化物弥散分布于奥氏体基体内。其中，铁素体的体积分数小于10%。
S4、轧制：轧制前先保温，保温温度为轧制温度（200~400 oC），保温时间按公式t=α·k·D进行计算，式中α为加热系数，取α=1.2~1.6 min/mm；k为钢板加热的修正系数，取k=1；D为工件的有效厚度每轧一道次后放入炉内保温，保温时间8~10 min，每道次压下量为0.2~0.3 mm，总压下量90%。以钢板厚度D=15 mm为例，保温时间t的范围在18~24 min。此外，保温时间还可以在按公式计算的基础上适当延长可以保证钢板完全热透。
相较于冷轧，对钢板在200~400 oC下进行轧制，轧制后钢的组织构成为：奥氏体、铁素体和κ-碳化物组成的三相组织，其中，奥氏体和铁素体晶粒相较于步骤S3处理后的钢板存储了更多的位错（步骤S3处理后的钢板的位错密度几乎为0m-2），而经过本步骤处理后的钢板的位错密度大于8.5×1013m-2。κ-碳化物相较于步骤S3处理后的钢板长大1~5倍且κ-碳化物不会在晶界上析出，使得材料的强度提高。
本发明在200~400 oC轧制引入了大量的位错利用加工硬化提高强度的同时又保留了一定的塑性变形能力。与此同时，200~400 oC下促进了κ-碳化物的析出和长大进一步通过弥散强化提高了强度。低于400 oC轧制还避免了κ-碳化物在晶界上析出，从而避免了因为κ-碳化物在晶界上析出而造成强度和塑性的严重损失。
下面通过实施例详细阐述本发明。
实施例1：在本实施例中，钢中化学成分的质量百分比包括：Mn：25，Al：11， C：1，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
制备方法包括如下步骤：
S1、冶炼：将金属原料加入熔炼炉中进行冶炼，得到铸锭。
S2、锻造：将熔炼成的铸锭锻造成15 mm厚的钢板，消除铸造过程中形成的孔洞等缺陷，均匀化组织。
S3、固溶处理：在κ-碳化物完全溶解温度以上：1050 ℃，保温2h，然后淬火。
S4、轧制：分别在200℃、300℃和400℃进行轧制，控制道次压下量为0.2~0.3 mm，轧制至厚度1.70 mm。
经检测，本实施例中钢板密度6.70 kg/m3，抗拉强度和断后延伸率如图1和图2所示。
实施例2：在本实施例中，钢中化学成分的质量百分比包括：Mn：25，Al：11，C：1.2，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
制备方法包括如下步骤：
S1、冶炼：将金属原料加入熔炼炉中进行冶炼，得到铸锭。
S2、锻造：将熔炼成的铸锭锻造成15 mm厚的钢板，消除铸造过程中形成的孔洞等缺陷，均匀化组织。
S3、固溶处理：在κ-碳化物完全溶解温度以上：1050 ℃，保温2h，然后淬火。
S4、轧制：分别在200 ℃、300℃和400℃进行轧制，控制道次压下量为0.2~0.3 mm，轧制至厚度1.71 mm。
经检测，本实施例中钢板密度6.62kg/m3，抗拉强度和断后延伸率如图1所示。
实施例3：在本实施例中，钢中化学成分的质量百分比包括：Mn：30， Al：11，C：1，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
制备方法包括如下步骤：
S1、冶炼：将金属原料加入熔炼炉中进行冶炼，得到铸锭。
S2、锻造：将熔炼成的铸锭锻造成15 mm厚的钢板，消除铸造过程中形成的孔洞等缺陷，均匀化组织。
S3、固溶处理：在κ-碳化物完全溶解温度以上：1050 ℃，保温2h，然后淬火。
S4、轧制：分别在200 ℃、300℃和400℃进行轧制，控制道次压下量为0.2~0.3 mm，轧制至厚度1.72 mm。
经检测，本实施例中钢板密度6.66kg/m3，抗拉强度和断后延伸率如图1所示。
实施例4：在本实施例中，钢中化学成分的质量百分比包括：Mn：30，Al：11，C：1.2，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
制备方法包括如下步骤：
S1、冶炼：将金属原料加入熔炼炉中进行冶炼，得到铸锭.
S2、锻造：将熔炼成的铸锭锻造成15 mm厚的钢板，消除铸造过程中形成的孔洞等缺陷，均匀化组织.
S3、固溶处理：在κ-碳化物完全溶解温度以上：1050 ℃，保温2h，然后淬火.
S4、轧制：分别在200 ℃、300℃和400℃进行轧制，控制道次压下量为0.2~0.3 mm，轧制至厚度1.69 mm。
经检测，本实施例中钢板密度6.58kg/m3，抗拉强度和断后延伸率如图1所示。
对比例：本对比例原料配比，制备方法基本与实施例1相同，其不同之处在于步骤S4中，对比例试样的轧制温度高于本发明的限定温度，为500 ℃。
S1、冶炼：将金属原料加入熔炼炉中进行冶炼，得到铸锭。
S2、锻造：将熔炼成的铸锭锻造成15 mm厚的钢板，消除铸造过程中形成的孔洞等缺陷，均匀化组织。
S3、固溶处理：在κ-碳化物完全溶解温度以上：1050 ℃，保温2h，然后淬火。
S4、轧制：在500 ℃进行轧制，控制道次压下量为0.2~0.3 mm，轧制至厚度1.71 mm。
图2为实施例1和对比例轧完后样品的状态，可以看出对比例试样轧后发生了崩裂的同时还观察到扩展到样品内部的深长裂纹，实施例1在200 ℃、300℃和400℃轧后的样品完整，不存在明显的开裂。
图3为实施例1和对比例试样轧完后的SEM组织图。实施例1的SEM组织分别如图3(a)、(b)、(c)所示，可以看出，实施例1在200 ℃、300℃和400℃扎制后的组织内均没有观察到κ-碳化物在晶界上析出，与之对应的，在对比例试样在500℃轧制后的组织中观察到了大量在晶界位置析出的κ-碳化物，如图3(d)所示。
图4为实施例1和对比例在室温下的拉伸应力-应变曲线，可以看出，由于对比例试样轧制温度超出本发明的限定范围，导致κ-碳化物在晶界上析出，拉伸过程中没有到达屈服点就提前断裂。
实施例1~4采用本发明在200~400℃温度范围内进行温轧的制备工艺能够制备出性能稳定的超高强低密度钢，抗拉强度能够到达1900 MPa以上，密度不高于6.70 kg/m3。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种超高强度低密度钢，其特征在于，所述超高强度低密度钢中的化学成分以质量百分比计包括：Mn：25~30、Al：11~12、C：1.0~1.2，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的超高强度低密度钢，其特征在于，所述超高强度低密度钢中的化学成分中满足以下条件：
0.098*Al+0.208 *C＞1-0.0054 *Mn。
3.根据权利要求1所述的超高强度低密度钢，其特征在于，所述超高强度低密度钢的抗拉强度不低于1900MPa。
4. 根据权利要求1所述的超高强度低密度钢，其特征在于，所述超高强度低密度钢的密度不高于6.7 kg/m3。
5.一种超高强度低密度钢的制备方法，用于制备如权利要求1-4任一项所述的超高强度低密度钢，其特征在于，包括以下步骤：
S1、冶炼：将金属原料加入熔炼炉中进行冶炼，得到铸锭；
S2、锻造：将熔炼成的铸锭锻造成钢板；
S3、固溶处理：将钢板加热到温度1000~1100 ℃，保温时间1~2 h后在水中淬火冷却；
S4、轧制：在200~400 ℃下保温时间t后进行轧制，每轧一道次后放入炉内保温，保温时间8~10 min，每道次压下量为0.2~0.3 mm，总压下量90%。
6.根据权利要求5所述的超高强度低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤S3中对钢板进行固溶处理后，钢的组织构成为由奥氏体、铁素体和κ-碳化物组成的三相组织，其中，奥氏体为基体，铁素体分布于奥氏体晶界，以及弥散细小的κ-碳化物弥散分布于奥氏体基体内，铁素体的体积分数小于10%。
7. 根据权利要求5所述的超高强度低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤S4中对钢板在200~400 ℃下进行轧制，轧制后钢的组织构成为由奥氏体、铁素体和κ-碳化物组成的三相组织，其中，位错密度大于8.5×1013m-2，κ-碳化物相较于步骤S3处理后的钢板长大1~5倍且κ-碳化物不会在晶界上析出。
8.根据权利要求5所述的超高强度低密度钢的制备方法，其特征在于，保温时间t=α·k·D，其中，α为加热系数，取α=1.2~1.6 min/mm；k为钢板加热的修正系数，取k=1；D为钢板的有效厚度。
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