CN115216704A - 一种基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法及相应的低密度钢。钢水的化学成分质量百分数为：C：0.6％‑1.5％，Mn：16％‑25％，Al：6％‑12％，V：0.01％‑0.2％，Nb：0.01％‑0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。本发明的生产方法包括步骤：(1)冶炼钢水；(2)将成分合格的钢水经一对相向旋转的铜铸辊连铸成铸带；(3)铸带在线热轧；(4)冷却及卷取；(5)固溶处理；(6)冷轧及时效处理。本发明的短流程生产方法能够获得屈服强度≥1450MPa、抗拉强度≥1700MPa、延伸率≥18％、密度为6.0‑7.0g/cm3的奥氏体钢。

Description

一种基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法
技术领域
本发明属于合金钢技术领域，尤其涉及一种基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法。
背景技术
与传统的普通高强度钢相比，先进的高强度钢最大的优势在于，保证力学性能的同时、减轻板材构件的厚度和重量，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，这些优势使得其在各行各业显示良好的应用前景。
Fe-Mn-C-Al系列低密度钢是一种典型的低密度钢，其广泛应用于汽车、船舶制造行业等领域，在保证力学性能的同时，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。
目前Fe-Mn-C-Al系列低密度钢主要通过传统的热轧、热轧后退火、酸洗、冷轧、冷轧后退火的生产工艺流程进行制备，工艺复杂，成本较大，生产难度较大。
专利文献CN104928568A公开了一种抗拉强度≥800MPa、延伸率≥25％、密度≤7.5kg/m3的铁素体低密度高强度钢，其特点是该合金钢的化学组成成分重量百分比(wt％)为：C：0.05-0.4％，Mn：4.0-12％，Al：3.0-7.0％，在这基础上加入了V、Ti、Nb、V等微合金元素中的一种或者一种以上通过析出强化提高强度。
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重量百分比(wt％)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百分比(wt％)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专利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百分比(wt％)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V、Ti、Nb、V、Zr等微合金元素中的一种或者一种以上，该钢的抗拉强度≥800MPa、延伸率≥25％、密度≤7.3kg/m3。
前述专利公开的四种方法均采用的传统连轧工艺，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，并且由于合金元素高，连轧过程中容易产生偏析，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
本发明提供了一种短流程低能耗的低密度冷轧薄带钢的制造方法，其基于具有亚快速凝固条件的薄带连铸工艺，通过适当选择金属含量和工艺参数，采用薄带铸轧工艺进行热轧，减少了元素偏析，而后冷轧，加工得到的薄带钢的抗拉强度至少为1700MPa，大幅度缩短了生产流程，降低了高强度冷轧薄带钢的生产成本，减少了环境污染，且实现了低密度和更优综合性能(抗拉强度≥1700MPa、延伸率≥18％)的薄带钢的工业化生产。
根据本发明的低密度钢的制造方法包括如下步骤：
(1)冶炼：
冶炼钢水，其中钢水的化学成分按照重量百分比计为：C：0.6％-1.5％，Mn：16％-25％，Al：6％-12％，V：0.01％-0.2％，Nb：0.01％-0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
(2)双辊薄带连铸
将冶炼合格的前述钢水传送至一对相对旋转的铸辊，钢水在该对铸辊的铸造表面上冷却凝固，并向下穿过所述一对铸辊之间的辊隙形成薄铸带。
(3)铸带在线热轧
所述薄铸带经过1道次热轧轧成薄钢带，该薄钢带轧后温度为850℃-1050℃。
(4)冷却及卷取
经热轧的薄钢带经过气雾冷却至600℃-800℃，并卷取成薄带钢的卷。
(5)固溶处理
经卷曲的薄带钢的卷经过约1-3小时900℃-1150℃的固溶处理。
(6)冷轧及时效处理。
经固溶处理的薄带钢经过压下量为20-50％的冷轧，然后进行约10-12小时650℃-850℃的时效处理后空冷，最后得到的冷轧薄带钢的抗拉强度不低于1700MPa。
在优选的实施例中，步骤(2)双辊薄带连铸中，形成的铸带厚度为1.4-2.5mm。
在优选的实施例中，步骤(3)铸带在线热轧中，铸带经过热轧机热轧的压下量为20％-50％。
在优选的实施例中，步骤(3)铸带在线热轧中，铸带经过热轧机进行1道次热轧，经热轧形成的薄钢带的厚度为0.8-1.9mm。
在优选的实施例中，步骤(3)铸带在线热轧中，铸带经过热轧机热轧形成的薄钢带的宽度为600-1500mm。
在优选的实施例中，步骤(6)冷轧及时效处理中，冷轧薄带钢的厚度为0.48mm-1.14mm的范围内。
在优选的实施例中，步骤(6)冷轧及时效处理中，冷轧薄带钢的屈服强度为1450MPa以上，延伸率为18％以上，密度为6.0-7.0g/cm3。
在优选的实施例中，步骤(6)冷轧及时效处理中，冷轧薄带钢的组织为细小的奥氏体组织及析出相。
本发明还涉及使用前述方法进行生产得到的高强度、低密度冷轧薄带钢。优选地，最终形成的冷轧薄带钢的屈服强度为1450MPa以上，抗拉强度为1700MPa以上，延伸率为18％以上，密度为6.0-7.0g/cm3，薄带钢的组织为奥氏体及析出相。
在通过双辊连铸机形成薄钢带的薄带连铸的方案中，熔融金属(即钢水)流至双辊连铸机的一对铸辊，该一对铸辊相对旋转，钢水在该一对铸辊的铸造表面上冷却凝固、并随铸辊的旋转向下穿过该一对铸辊之间的辊隙形成铸带。然后，铸带经热轧、冷却、和卷取，形成薄带钢，并用于各种场合。
Fe-Mn-C-Al系列低密度钢是一种典型的低密度钢，其优点至少在于：(1)该钢种密度比其他钢种要小，例如每增加1wt％的Al，钢的密度可以降低1.3％；(2)该钢种可以显著提高层错能，例如每增加1wt％Al，层错能可以增加9～11mJ/m2，这使得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，以及(3)纳米级第二相κ＇碳化物的弥散分布可以钉扎细化晶粒、及进一步强化其综合力学性能(如屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等等)。
在本发明的制造方案中，通过薄带连铸的工艺，形成高强度、低密度钢，优选地将钢水中各元素的重量百分比设置为：C：0.6％-1.5％，Mn：16％-25％，Al：6％-12％，V：0.01％-0.2％，Nb：0.01％-0.2％，其中：
碳(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。在本发明的技术方案中，C的含量选自0.6％-1.5％的范围内。
锰(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的含量应当控制在一个范围之内。在本发明的技术方案中，Mn的含量选自16％-25％的范围内。
铝(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的含量应当控制在一个范围之内。在本发明的技术方案中，Al的含量选自6％-12％的范围内。
钒(V)：V元素通过在钢中形成碳氮化物而有效提高钢的强度和韧性。在双辊薄带连铸工艺中的亚快速凝固条件下，可以熔入更多的V元素，相比传统轧制工艺，更有利于碳氮化物的析出。但是添加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的浓度应当控制在一个范围之内。在本发明的技术方案中，V的含量选自0.01％-0.2％的范围内。
铌(Nb)：Nb元素通过在钢中形成碳氮化物而有效提高钢的强度和韧性，在双辊薄带连铸工艺中的亚快速凝固条件下，可以熔入更多的Nb元素，相比传统轧制工艺，更有利于碳氮化物的析出。但是添加Nb会增加成本，因此，Nb的浓度应当控制在一个范围之内。在本发明的技术方案中，Nb的含量选自0.01％-0.2％的范围内。
有益技术效果
与现有技术相比，本发明的技术优势及有益技术效果至少在于：
(1)运用传统工艺生产抗拉强度≥1700MPa的低密度高强度冷轧薄钢带的生产过程非常复杂且难度很大，而通过薄带连铸生产热轧薄钢带而后冷轧可以降低低密度钢的生产难度。
(2)本发明在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、及单道次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大幅度降低，符合国家碳排放、碳中和的发展目标。
(3)本发明的冷轧薄带钢在双辊薄带连铸阶段，由于形成的铸带厚度较薄并且凝固速度较快，不会在薄钢带中形成明显的中心P偏析带和长条状的MnS夹杂带，能够在实现元素原有优异性能的前提下，而不引入其他的性能降低，表现出较高的韧性，有利于后续进行冷变形加工。
(4)根据本发明的制造方法得到的冷轧薄带钢能够实现优越的性能：屈服强度≥1450MPa、抗拉强度≥1700MPa、延伸率≥18％、密度为6.0-7.0g/cm3。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，本发明所使用的技术术语或科学术语应当为本发明所属领域具有一般技能的人士所理解的通常意义。
下面为本发明实施例，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所能够获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)冶炼
冶炼钢水。钢水化学成分按照重量百分比计为：C：1.0％，Mn：20％，Al：9.7％，Nb：0.15％，V：0.15％，其余为Fe和不可避免的杂质。优选地，钢水中杂质含量为P≤0.06％、S≤0.002％、N≤0.003％，满足合格钢水的冶炼要求。
(2)双辊薄带连铸
将冶炼合格的前述钢水传送至一对相对旋转的铸辊，钢水在该对铸辊的铸造表面上冷却凝固，并向下穿过所述该对铸辊之间的辊隙形成铸带。铸辊优选为铜制铸辊，并且以例如水冷的方式从内部冷却。
穿过铸辊形成的铸带的厚度为约1.8mm，并且钢水过热度为55℃。
(3)铸带在线铸轧
铸带经过1道次热轧轧成薄钢带。其中，薄钢带的热轧压下量为50％，薄钢带轧后温度为930℃。
(4)冷却及卷取
经热轧的薄钢带冷却至750℃(例如经由气雾冷却)，并卷取成薄带钢的卷。
(5)固溶处理
经卷曲的薄带钢的卷经过约1.5小时1000℃的固溶处理。
(6)冷轧及时效处理。
经固溶处理的薄带钢经过压下量为40％的冷轧，然后进行约10小时650℃的时效处理后空冷。
经过以上步骤，得到的低密度钢的薄带钢的厚度为约0.6mm，密度为6.55g/cm3，对薄带钢进行力学性能测试，屈服强度为1500MPa，抗拉强度为1710MPa，延伸率为19％，实现了良好的综合性能。
实施例2
(1)冶炼
冶炼钢水。钢水化学成分按照重量百分比计为：C：1.0％，Mn：20％，Al：9.7％，Nb：0.15％，V：0.15％，其余为Fe和不可避免的杂质。优选地，钢水中杂质含量为P≤0.06％、S≤0.002％、N≤0.003％，满足合格钢水的冶炼要求。
(2)双辊薄带连铸
将冶炼合格的前述钢水传送至一对相对旋转的铸辊，钢水在该对铸辊的铸造表面上冷却凝固，并向下穿过所述该对铸辊之间的辊隙形成铸带。铸辊优选为铜制铸辊，并且以例如水冷的方式从内部冷却。
穿过铸辊形成的铸带的厚度为约1.8mm，并且钢水过热度为55℃。
(3)铸带在线铸轧
铸带经过1道次热轧轧成薄钢带。其中，薄钢带的热轧压下量为50％，薄钢带轧后温度为930℃。
(4)冷却及卷取
经热轧的薄钢带冷却至750℃(例如经由气雾冷却)，并卷取成薄带钢的卷。
(5)固溶处理
经卷曲的薄带钢的卷经过约2小时1050℃的固溶处理。
(6)冷轧及时效处理。
经固溶处理的薄带钢经过压下量为40％的冷轧，然后进行约11小时650℃的时效处理后空冷。
经过以上步骤，得到的低密度钢的薄带钢的厚度为约0.6mm，密度为6.55g/cm3，对薄带钢进行力学性能测试，屈服强度为1530MPa，抗拉强度为1740MPa，延伸率为19％，实现了良好的综合性能。
实施例3
(1)冶炼
冶炼钢水。钢水化学成分按照重量百分比计为：C：1.0％，Mn：20.5％，Al：9.5％，Nb：0.2％，V：0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质。优选地，钢水中杂质含量为P≤0.06％、S≤0.002％、N≤0.003％，满足合格钢水的冶炼要求。
(2)双辊薄带连铸
将冶炼合格的前述钢水传送至一对相对旋转的铸辊，钢水在该对铸辊的铸造表面上冷却凝固，并向下穿过所述该对铸辊之间的辊隙形成铸带。铸辊优选为铜制铸辊，并且以例如水冷的方式从内部冷却。
穿过铸辊形成的铸带的厚度为约1.9mm，并且钢水过热度为50℃。
(3)铸带在线铸轧
铸带经过1道次热轧轧成薄钢带。其中，钢带的热轧压下量为50％，钢带轧后温度为930℃。
(4)冷却及卷取
经热轧的钢带冷却至750℃(例如经由气雾冷却)，并卷取成薄带钢的卷。
(5)固溶处理
经卷曲的薄带钢的卷经过约1.5小时1050℃的固溶处理。
(6)冷轧及时效处理。
经固溶处理的薄带钢经过压下量为45％的冷轧，然后进行约11小时650℃的时效处理后空冷。
经过以上步骤，得到的低密度钢的薄带钢厚度为约0.55mm，密度为6.55g/cm3，对薄带钢进行力学性能测试，屈服强度为1525MPa，抗拉强度为1740MPa，延伸率为19％，实现了良好的综合性能。
实施例4
(1)冶炼
冶炼钢水。钢水化学成分按照重量百分比计为：C：1.0％，Mn：20.5％，Al：9.5％，Nb：0.2％，V：0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质。优选地，钢水中杂质含量为P≤0.06％、S≤0.002％、N≤0.003％，满足合格钢水的冶炼要求。
(2)双辊薄带连铸
将冶炼合格的前述钢水传送至一对相对旋转的铸辊，钢水在该对铸辊的铸造表面上冷却凝固，并向下穿过所述该对铸辊之间的辊隙形成铸带。铸辊优选为铜制铸辊，并且以例如水冷的方式从内部冷却。
穿过铸辊形成的铸带的厚度为约1.9mm，并且钢水过热度为50℃。
(3)铸带在线铸轧
铸带经过1道次热轧轧成薄钢带。其中，钢带的热轧压下量为50％，钢带轧后温度为930℃。
(4)冷却及卷取
经热轧的钢带冷却至750℃(例如经由气雾冷却)，并卷取成薄带钢的卷。
(5)固溶处理
经卷曲的薄带钢的卷经过约2小时1050℃的固溶处理。
(6)冷轧及时效处理。
经固溶处理的薄带钢经过压下量为45％的冷轧，然后进行约11小时650℃的时效处理后空冷。
经过以上步骤，得到的低密度钢的薄带钢厚度为约0.55mm，密度为6.55g/cm3，对薄带钢进行力学性能测试，屈服强度为1550MPa，抗拉强度为1770MPa，延伸率为18％，实现了良好的综合性能。
实施例5
(1)冶炼
冶炼钢水。钢水化学成分按照重量百分比计为：C：1.1％，Mn：21％，Al：10.5％，Nb：0.2％，V：0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质。优选地，钢水中杂质含量为P≤0.06％、S≤0.002％、N≤0.003％，满足合格钢水的冶炼要求。
(2)双辊薄带连铸
将冶炼合格的前述钢水传送至一对相对旋转的铸辊，钢水在该对铸辊的铸造表面上冷却凝固，并向下穿过所述该对铸辊之间的辊隙形成铸带。铸辊优选为铜制铸辊，并且以例如水冷的方式从内部冷却。
穿过铸辊形成的铸带的厚度为约1.8mm，并且钢水过热度为50℃。
(3)铸带在线铸轧
铸带经过1道次热轧轧成薄钢带。其中，钢带的热轧压下量为40％，钢带轧后温度为930℃。
(4)冷却及卷取
经热轧的钢带冷却至750℃(例如经由气雾冷却)，并卷取成薄带钢的卷。
(5)固溶处理
经卷曲的薄带钢的卷经过约1.5小时1100℃的固溶处理。
(6)冷轧及时效处理。
经固溶处理的薄带钢经过压下量为50％的冷轧，然后进行约10小时700℃的时效处理后空冷。
经过以上步骤，得到的低密度钢的薄带钢厚度为0.5mm，密度为6.55g/cm3，对薄带钢进行力学性能测试，屈服强度为1560MPa，抗拉强度为1780MPa，延伸率为19％，实现了良好的综合性能。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，不在脱离本发明原理的前提下，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保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法，其特征在于，所述生产方法包括如下步骤：
(1)冶炼：
冶炼钢水，其中钢水的化学成分按照重量百分比计为：
C：0.6％-1.5％，Mn：16％-25％，Al：6％-12％，V：0.01％-0.2％，Nb：0.01％-0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
(2)双辊薄带连铸
将冶炼合格的所述钢水传送至一对相对旋转的铸辊，所述钢水在该对铸辊的铸造表面上冷却凝固，并向下穿过该对铸辊之间的辊隙形成薄铸带；
(3)铸带在线热轧
所述薄铸带经过1道次热轧轧成薄钢带，所述薄钢带轧后温度为850℃-1050℃；
(4)冷却及卷取
经热轧的薄钢带经过冷却至600℃-800℃，并卷取成薄带钢的卷；
(5)固溶处理
经卷曲的薄带钢的卷经过约1-3小时900℃-1150℃的固溶处理；
(6)冷轧及时效处理。
经固溶处理的薄带钢经过压下量为20-50％的冷轧，然后进行约10-12小时650℃-850℃的时效处理后空冷，最后得到的冷轧薄带钢的抗拉强度不低于1700MPa。
2.如权利要求1所述的基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法，其特征在于，在(2)双辊薄带连铸的步骤中，形成的铸带厚度为1.4-2.5mm。
3.如权利要求1或2所述的基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法，其特征在于，在(3)铸带在线热轧的步骤中，所述铸带经过1道次热轧，并且热轧的压下量为20％-50％。
4.如权利要求1或2所述的基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法，其特征在于，在(3)铸带在线热轧的步骤中，所述铸带经过1道次热轧，并且经热轧形成的薄钢带的厚度为0.8-1.9mm。
5.如权利要求1或2所述的基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法，其特征在于，在(3)铸带在线热轧的步骤中，所述铸带经过热轧形成的薄钢带的宽度为600-1500mm。
6.如权利要求1或2所述的基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法，其特征在于，在(6)冷轧及时效处理的步骤中，冷轧薄带钢的厚度为0.48mm-1.14mm的范围内。
7.如权利要求6所述的基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法，其特征在于，在(6)冷轧及时效处理的步骤中，冷轧薄带钢的屈服强度为1450MPa以上，延伸率为18％以上，密度为6.0-7.0g/cm3。
8.如权利要求1或2所述的基于薄带连铸的低密度钢的短流程生产方法，其特征在于，在(6)冷轧及时效处理的步骤中，冷轧薄带钢的组织为奥氏体及析出相。
9.一种使用如权利要求1-8中的任意一项所述的短流程生产方法进行生产得到的低密度钢。
10.如权利要求9所述的低密度钢，其特征在于，低密度钢的冷轧薄带的屈服强度为1450MPa以上，抗拉强度为1700MPa以上，延伸率为18％以上，密度为6.0-7.0g/cm3，低密度钢的冷轧薄带的组织为奥氏体及析出相。
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