CN115233080B - 一种基于薄带连铸的抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法 - Google Patents

一种基于薄带连铸的抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于薄带连铸的抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法及相应的低密度钢。钢水的化学成分为：C：0.6％‑1.5％，Mn：16％‑25％，Al：6％‑12％，V：0.01％‑0.2％，Zr：0.01％‑0.5％，Ti：0.01％‑0.2％，Si：0.01％‑0.5％，Mo：0.01％‑0.4％，Cu：0.01％‑2％，Ni：0.05％‑2％，Nb：0.01％‑0.2％，Cr：0.01％‑2％。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厚度为1.4‑2.5mm的铸带；(3)铸带在线热轧，热轧压下量为20％‑50％，钢带轧后温度为800℃‑1050℃；(4)冷却及卷取，热轧钢带通过气雾冷却至600℃‑800℃，进行卷取。本发明能够获得屈服强度≥1600MPa、抗拉强度≥1800MPa、延伸率≥20％、密度为6.5‑7.5g/cm3的奥氏体钢。

Description

一种基于薄带连铸的抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产 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抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法。
背景技术
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，通常难以在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。
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，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CN108486492B公开了一种具有高强度高塑性低密度钢板的制造方法，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％，Mn：13-20％，Al：8-11％，Ni：1-4％，Si＜0.1％，S＜0.01％，P＜0.01％，且加入微合金元素Ti：0-0.1％、Nb：0-0.1％、V：0-0.15％，通过热轧、酸洗后冷轧，再通过热处理的方式获得了抗拉强度为1200MPa、延伸率为25％的钢板。
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
本发明提供了一种改善的高强度、高塑性、低密度薄钢带的制造方法，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，加工得到的薄带钢的抗拉强度至少为1800MPa，从而大幅度缩短了生产流程，降低了生产成本，减少了元素偏析，降低了高强度、高塑性钢的生产难度，且实现了低密度和更优综合性能(抗拉强度≥1800MPa、延伸率≥20％)的薄带钢的工业生产。
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％，Zr：0.01％-0.5％，Ti：0.01％-0.2％，Si：0.01％-0.5％，Mo：0.01％-0.4％，Cu：0.01％-2％，Ni：0.05％-2％，Nb：0.01％-0.2％，Cr：0.01％-2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
(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800℃-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，经卷曲的薄带钢的抗拉强度不低于1800MPa。
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(4)冷却及卷取中，经冷却和卷取的薄带钢的屈服强度为1600MPa以上，抗拉强度为1800MPa以上，延伸率为20％以上，密度为6.5-7.5g/cm3。
在优选的实施例中，步骤(4)冷却及卷取中，经冷却和卷取的薄带钢的组织为细小均匀的奥氏体及碳氮化物粒子和κ＇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、高塑性、低密度钢。优选地，最终形成的薄带钢的屈服强度为1600MPa以上，抗拉强度为1800MPa以上，延伸率为20％以上，密度为6.5-7.5g/cm3，薄带钢的组织为细小均匀的奥氏体及碳氮化物粒子和κ＇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、及通过Nb、V、Ti的微合金化可以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、高塑性、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％，Zr：0.01％-0.5％，Ti：0.01％-0.2％，Si：0.01％-0.5％，Mo：0.01％-0.4％，Cu：0.01％-2％，Ni：0.05％-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元素通过在薄钢带中形成碳氮化物而有效提高钢的强度和韧性。特别地，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，有益于后期更好的析出，更好的起到析出强化的效果。但是，一方面，添加V会增加成本；另一方面，在薄带连铸工艺中，V会在晶界上析出从而在薄钢带上产生裂纹。因此，V的含量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。
锆(Zr)：Zr元素可以去除钢中的N元素，抑制AlN的形成。在双辊薄带连铸工艺中的亚快速凝固条件下，Zr元素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元素的含量应当控制在一个范围之内。在本发明的技术方案中，Zr元素的含量选自0.01％-0.5％的范围内。
硅(Si)：Si元素可以脱氧，也可以降低钢的比重。在双辊薄带连铸工艺中的亚快速凝固条件下，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Si元素含量过高会降低钢的焊接性能。因此，Si元素的含量应当控制在一个范围之内。在本发明的技术方案中，Si的含量选择为不超过0.5％。
铜(Cu)：Cu元素可以稳定奥氏体，且Cu元素比Ni元素便宜。在双辊薄带连铸工艺中的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，会导致成本增加，且轧制过程更容易开裂。因此，Cu元素的含量应当控制在一个范围之内。在本发明的技术方案中，Cu的含量选自0.01％-2％的范围内。
镍(Ni)：Ni元素可以稳定奥氏体且提高堆垛层错能，并且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。在双辊薄带连铸工艺中的亚快速凝固条件下，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元素的含量应当控制在一个范围之内。在本发明的技术方案中，Ni的含量选自0.05％-2％的范围内。
钛(Ti)：Ti元素在高温下可与N相结合形成TiN，从而抑制钢中形成AlN。在双辊薄带连铸工艺中的亚快速凝固条件下，可以溶入更多的Ti元素，与C形成TiC可以提高钢的屈服强度。但是，如果Ti含量过多会形成过多的TiN，会发生夹杂物缺陷。因此，Ti元素的含量应当控制在一个范围之内。
在本发明的技术方案中，Ti的含量选自0.01％-0.2％的范围内。
钼(Mo)：在双辊薄带连铸工艺中的亚快速凝固条件下，可以溶入更多的Mo元素，可以形成碳化物，提高钢的强度。然而，Mo元素比较昂贵，且Mo浓度过高会降低钢的延展性。因此，Mo元素的含量应当控制在一个范围之内。在本发明的技术方案中，Mo的含量选自0.01％-0.4％的范围内。
铌(Nb)：在双辊薄带连铸工艺中的亚快速凝固条件下，可以溶入更多的Nb元素。Nb元素是形成碳氮化物且延迟再结晶的有效元素，可以提高钢的强度；但是，Nb也是贵金属元素，成本较高。因此，在本发明的技术方案中，Nb的含量选自0.01％-0.2％的范围内。
铬(Cr)：Cr可以提高钢的耐腐蚀性能，当钢腐蚀时，Cr可以抑制氢的吸收。但是，Cr是铁素体形成元素，Cr的浓度过量，会减小钢的延展性。因此，Cr元素的含量应当控制在一个范围之内。在本发明的技术方案中，Cr的含量选自0.01％-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)高抗拉强度(如高于1800MPa)的高强度、低密度钢的传统热轧工艺制造方法生产复杂且难度极大，本发明的技术方案通过双辊薄带连铸、及单道次在线热轧，即可以降低高强度、高塑性、低密度钢的生产难度。
(2)本发明省去了板坯加热、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，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)本发明的高强薄钢带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，可以降低合金元素的偏析，成分均匀，且钢水中的元素成分(如Mn，S，P等)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，从而表现出较高的韧性，有利于后续进行冷变形加工。
(4)本发明的技术方案能够提高合金的利用率。在传统工艺中，若合金成分较多，传统工艺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。然而，在本发明的薄带连铸工艺中，高温铸带直接热轧，所添加的多种合金元素主要以固溶态存在，能够提高合金利用率。
(5)根据本发明的制造方法得到的薄带钢能够实现优越的性能：屈服强度≥1600MPa、抗拉强度≥1800MPa、延伸率≥20％。
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：1.2％，Mn：23％，Al：10.1％，V：0.14％，Zr：0.16％，Ti：0.15％，Si：0.48％，Mo：0.15％，Cu：1.52％，Ni：1.48％，Nb：0.16％，Cr：1.9％，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40％，钢带轧后温度为1030℃。
(4)冷却及卷取
经热轧的薄钢带冷却至780℃(例如经由气雾冷却)，并卷取成薄带钢的卷。
经过以上步骤，得到的低密度钢的薄带钢厚度为约1.14mm，密度为7.1g/cm3，对薄带钢进行力学性能测试，屈服强度为1600MPa，抗拉强度为1840MPa，延伸率为21％，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：1.1％，Mn：22％，Al：10.1％，V：0.2％，Zr：0.2％，Ti：0.15％，Si：0.5％，Mo：0.15％，Cu：1.5％，Ni：1.45％，Nb：0.2％，Cr：1.5％，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40％，钢带轧后温度为1030℃。
(4)冷却及卷取
经热轧的钢带冷却至780℃(例如经由气雾冷却)，并卷取成薄带钢的卷。
经过以上步骤，得到的低密度钢的薄带钢厚度为约1.1mm，密度为7.1g/cm3，对薄带钢进行力学性能测试，屈服强度为1620MPa，抗拉强度为1860MPa，延伸率为21％，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％，Al：9.8％，V：0.14％，Zr：0.16％，Ti：0.2％，Si：0.4％，Mo：0.15％，Cu：1.5％，Ni：1.3％，Nb：0.2％，Cr：1.5％，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1050℃。
(4)冷却及卷取
经热轧的钢带冷却至780℃(例如经由气雾冷却)，并卷取成薄带钢的卷。
经过以上步骤，得到的低密度钢的薄带钢厚度为1mm，密度为7.1g/cm3，对薄带钢进行力学性能测试，屈服强度为1630MPa，抗拉强度为1880MPa，延伸率为21％，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抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法，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：20％-25％，Al：6％-12％，V：0.14％-0.2％，Zr：0.01％-0.5％，Ti：0.01％-0.2％，Si：0.01％-0.5％，Mo：0.15％-0.4％，Cu：1.5％-2％，Ni：1.3％-2％，Nb：0.01％-0.2％，Cr：0.01％-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800℃-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，并且经卷取的薄带钢的抗拉强度不低于1800MPa。
2.如权利要求1所述的基于薄带连铸的抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法，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抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法，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抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法，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抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法，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抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法，其特征在于，在(4)冷却及卷取的步骤中，经卷取的薄带钢的屈服强度为1600MPa以上，延伸率为20％以上，密度为6.5-7.5g/cm3。
7.如权利要求1或2所述的基于薄带连铸的抗拉强度≥1800MPa的低密度钢的生产方法，其特征在于，在(4)冷却及卷取的步骤中，经卷取的薄带钢的组织为细小均匀的奥氏体及碳氮化物粒子和κ＇析出相。
8.一种使用如权利要求1-7中的任意一项所述的生产方法进行生产得到的低密度钢。
9.如权利要求8所述的低密度钢，其特征在于，最终得到的低密度钢薄带的屈服强度为1600MPa以上，抗拉强度为1800MPa以上，延伸率为20％以上。
10.如权利要求8或9所述的低密度钢，其特征在于，最终得到的低密度钢薄带的密度为6.5-7.5g/cm3，薄带钢的组织为细小均匀的奥氏体及碳氮化物粒子和κ＇析出相。
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