CN115323278A - 一种屈服700MPa级低密度钢及其热处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种屈服700MPa级低密度钢及其热处理方法，属于高强钢技术领域。成分重量百分数为：C:0.85‑1.15％、Mn：25‑35％、Al:9.0‑11.0wt％、Nb：0‑0.2％、Mo：0‑0.2％、V：0‑0.2％、Ti：0‑0.2％和Zr:0‑0.2％，其中Nb、Mo、V、Ti和Zr的总量不低于0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。在此基础上还可以另加以下一种或多种元素：Si：0‑2.0％、Cu:0‑2.0wt％、Ni：0‑2.0％、B：0‑0.005wt％、RE稀土:0‑0.050wt％。优点在于，实现低密度钢屈服强度不低于700MPa和‑40℃下的低温冲击韧性Akv≥140J的优异强韧性能，为高强韧中厚板制造提供了一种优异的低密度钢成分设计与热处理设计组合。

Description

一种屈服700MPa级低密度钢及其热处理方法
技术领域
本发明属于高强钢技术领域，特别是提供了一种屈服700MPa级高强韧低密度奥氏体钢及强韧化热处理方法，可以大幅度提升低密度奥氏体钢的屈服强度，但不降低钢材韧性。通过对Fe、Mn、Al、C等基体组织成分与组织细化元素Nb、V、Zr等元素的联合设计，获得密度≤6.7g/cm3的低密度奥氏体钢，经过400℃的长时间析出调控，获得屈服强度不低于700MPa和-40℃V-型冲击韧性不低于140J的长时间低温热处理工艺，为奥氏体钢高强化提供了高强韧性组织调控创新思路。
背景技术
相较于传统铁素体、马氏体与珠光体钢而言，奥氏体钢具有高塑性、高韧性，同时具有低磁性特点而得到广泛应用，已经成为高端装备领域重要的金属材料。但是与铁素体、马氏体和珠光体钢相比，奥氏体钢的强韧化方法相对缺乏，导致屈服强度相对较低，无法满足高端装备对轻量化和高安全性要求。比如耐磨钢Mn13、不锈钢316和304等奥氏体钢的屈服强度一般不超过400MPa。另外钢铁材料的冲击韧性随屈服强度的提高而降低，成为钢铁材料强韧化难以克服的强韧性导致问题。因此同时提高奥氏体钢的强韧性也成为科学界与工程界的重大研究课题。
针对高端装备对轻量化需求，国内外通过Al和C等轻质元素合金化，将钢铁材料的密度降低了10-20％，实现了奥氏体钢的屈服强度达到400MPa-650MPa，同时冲击韧性也能够达到100J以上。但人们对低密度钢的研究结果发现，通过对低密度钢进行500℃以上温度的时效处理，可以将低密度钢的屈服强度提升到750MPa以上，但却导致了低密度钢冲击韧性的大幅度降低，丧失了奥氏体钢的高韧性和低磁性优势。究其原因，主要是传统的较高温度时效处理，在低密度钢晶粒内部和晶界处引入了大量的较为粗大的k-型碳化物。因此如何控制低密度奥氏体钢的碳化物数量与尺寸成为提升低密度奥氏体钢强韧性的关键。根据时效析出主要是通过碳化物与合金元素扩散所控制的热处理原理，k-型碳化物析出量与析出尺寸与析出温度密切相关。通过研究析出温度与低密度钢强韧性关系，可以获得高强度与高韧性相结合的时效工艺，在提升低密度奥氏体钢的强度而不降低冲击韧性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种屈服700MPa级高强韧低密度奥氏体钢及强韧化热处理方法，为了提升低密度钢的强韧性，本发明提出长时间低温时效处理的理念，控制时效过程中碳化物的长大与分布，从而在大幅度提高低密度钢屈服强度的同时不降低钢材韧性。通过对低密度钢在400℃进行20-80小时低温时效处理，可以将低密度钢Fe30Mn11AlNbV钢的屈服强度从650MPa提高到700MPa以上，同时-40℃的冲击韧性依然保持在140J以上，实现了对低密度钢强韧性调控。更为重要的是，通过长时间的低温处理可以保证中厚板热处理的均匀性，为大厚度中厚板的热处理提供了一种可行的强韧化热处理工艺。
根据高端装备对高强度和高韧性奥氏体钢需求，本发明通过Fe、Mn、Al和C等基体组织成分与组织细化及强化元素Nb、V、Zr、Ti等元素的联合设计，形成了一种低密度(≤6.7g/cm3，密度降低15％以上)、高韧性(-40℃V-型冲击韧性≥140J)和优异屈服强度(≥650MPa)等优异性能的低密度钢铁材料。再次成分设计的基础上，通过长时间低温时效处理，将低密度钢的屈服强度提高到750MPa以上，提高了100MPa以上。但同时该低密度钢的塑性和韧性没有明显降低，满足了高端装备对高强韧性能钢需求。
本发明屈服700MPa级低密度钢成分重量百分数为：C:0.85-1.15％、Mn：25-35％、Al:9.0-11.0wt％、Nb：0-0.2％、Mo：0-0.2％、V：0-0.2％、Ti：0-0.2％和Zr:0-0.2％，其中Nb、Mo、V、Ti和Zr的总量不低于0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。在此基础上还可以另加以下一种或多种元素：Si：0-2.0％、Cu:0-2.0wt％、Ni：0-2.0％、B：0-0.005wt％、RE(稀土):0-0.050wt％。
该屈服700MPa级低密度钢通过感应熔炼、电炉或转炉方式冶炼，后续通过高温均匀化、热锻或热轧以及最终水冷工艺处理，制造出密度在≤6.7g/cm3的高强韧低密度钢。
本发明各元素的作用及配比依据如下：
(1)Fe、Mn、Al和C等配比获得高韧性和高塑性的奥氏体组织，实现低密度钢的密度不高于6.7g/cm3；
(2)Al:为了保证密度，Al含量不能低于9.0％，同时为了保证高韧性，Al含量不能高于11％，所以本发明的Al含量为9.0％-11.0％；
(3)Mn:为了保证奥氏体基体，Mn含量应高于25％,但锰含量过高易于产生β-Mn的脆性相，应该控制Mn含量不高于35％.所以本发明要求Mn含量为25％-35％；
(4)C：C是控制奥氏体密度大小、基体类型和强韧性级别的重要元素，为了同时保证密度、奥氏体基体和强韧性级别，C的范围应控制在0.85％-1.15％；
(5)通过Ti、Nb、V、和Zr等强碳化物元素微合金化可以形成抑制奥氏体粗化的第二相粒子，实现低密度奥氏体钢组织细化。但过量加入会提高成本，因此本发明要求Nb：0-0.2％、Mo：0-0.2％、V：0-0.2％、Ti：0-0.2％和Zr:0-0.2％，其中Nb、Mo、V、Ti和Zr的总量不低于0.05％。
(6)在此基础上还可以另加以下一种或多种元素：Si：0-2.0％、Cu:0-2.0wt％、Ni：0-2.0％、B：0-0.005wt％、RE(稀土):0-0.050wt％。
本发明在上述化学成分的基础上，本发明低密度钢可以通过感应熔炼、电炉或转炉等方式冶炼，后续通过高温均匀化、热锻或热轧进行工业化生产。
传统的低密度钢热处理工艺为1050℃进行固溶处理，然后通过快速冷却抑制低密度钢的碳化物析出,但快速冷却后的强度偏低，一般低于650MPa，难以满足高端装备对高强度钢需求。为此本发明对低密度钢进行常规固溶处理，然后通过在400℃低温长时间时效热处理，获得低密度钢屈服强度大幅度提升，但同时不降低塑性和韧性，从而形成了从成分设计、到固溶热处理和长时间低温时效处理的高强韧低密度钢的强韧化热处理工艺。具体工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)冶炼与铸造：适用于转炉、电炉或感应炉冶炼，采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭或铸坯。
(2)锻造或热轧
锻造或热轧棒线材：将铸坯或铸锭经1100-1200℃加热，在800-1150℃范围内由热轧或锻造形成厚度或直径为20mm的板材和棒材。
(3)对锻造或热轧材进行固溶处理
在950-1150OC温度下保温0.1-10小时后水冷或油冷快速冷却的固溶处理，通过高温固溶，调整组织结构，获得奥氏体基体与优异韧性；
(4)进行低温长时间时效处理
在400℃下保温20-80小时，进行低温长时间时效处理，获得屈服强度≥700MPa和-40℃冲击韧性Akv≥140J的高强韧轻质钢。
对高温固溶处理的低密度钢，在400℃进行不超过100小时的长时间时效处理，获得纳米级碳化物析出，从而大幅度提升屈服强度但不降低塑韧性。
附图说明
图1为本发明低密度钢L700-2经过1050℃保温2小时固溶处理后在不同温度时效屈服强度随时效时间的变化规律图，表明时效温度极大影响力学性能。
图2为本发明低密度钢L700-2经过1050℃保温2小时固溶处理后在不同温度时效后-40℃的冲击韧性随时效时间的变化规律图，表明时效温度极大影响冲击韧性。
图3为本发明低密度钢L700-2经过1050℃保温2小时固溶处理后在400℃进行1-100小时的不同时间时效图。不同时间时效可以获得屈服强度与韧性的协同提升，20小时时效处理可以实现屈服强度≥700MPa和-40℃的V-型冲击Akv≥140J，而80小时时效处理则可以获得屈服强度≥750MPa和-40℃的V-型冲击Akv≥140J。
具体实施方式
本实施例主要针对发明低密度钢，进行低密度钢的冶炼、铸造、热轧、固溶处理和时效处理等工艺模拟，形成低密度钢的热锻/热轧与固溶工艺与低温长时间时效工艺，获得可工业化的低密度钢成分设计与强韧化热处理工艺。
本发明钢设计了L700-1，L700-2，L700-3和L700-4等四种试验钢(具体见表1)，通过试验室真空感应炉冶炼，浇铸锭型为50kg的圆锭，发明钢冶炼钢锭经过1180℃加热，保温5h，进行锻造开坯。初始锻造温度为1150℃，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板材。
表1发明钢实施例成分设计，余量为Fe
Figure BDA0003719649800000051
对热轧板在1050℃进行高温固溶处理，然后进行400℃、20小时的时效。最后针对高温固溶处理+长时间低温时效进行力学性能测试(室温拉伸性能和-40℃的V-型冲击韧性测定)，研究低温长时间时效热处理工艺对强度、塑性和韧性影响。通过对低密度经过1050℃保温2小时固溶处理后在不同温度时效屈服强度变化，确定高强韧低密度钢的时效热处理工艺。通过阿基米德原理测定了发明钢在室温的密度。
图1本发明低密度钢L700-2经过1050℃保温2小时固溶处理+不同时效工艺处理后的室温屈服强度随时效时间变化规律；图2给出了本发明低密度钢L700-2经过1050℃保温2小时固溶处理+不同时效工艺处理后的在-40℃的冲击韧性变化规律；图3给出了本发明低密度钢L700-2经过1050℃保温2小时固溶处理+400℃长时间时效工艺处理后抗拉强度、屈服强度和-40℃冲击韧性随时间的变化规律。
通过图1-图3可以看出400℃长时间时效处理，L700-2屈服强度从最初650MPa明显提升，但韧性没有降低。表明400℃长时间时效处理可以大幅提升低密度钢的强韧性，即20小时时效处理可以获得700MPa的室温屈服强度，80小时时效处理可以获得750MPa的屈服强度。但是温度升高到450℃甚至到500℃，虽然可以提升屈服强度，但塑性和韧性大幅度降低。通过本发明工艺处理，固溶处理的低密度钢在400℃进行不同时间时效可以获得屈服强度与韧性的协同提升，实现屈服≥700MPa和-40℃的V-型冲击Akv≥140J。
表2给出了四种设计钢L700-1，L700-2，L700-3和L700-4等经过1050℃固溶处理(水冷至室温)后20小时低温长时间时效热处理后的力学性能，进一步证明了低温长时间热处理可以将发明钢的屈服强度提升到700MPa以上，同时保持高的塑性和韧性。可见低温长时间时效处理，实现了本发明奥氏体低密度钢强韧性大幅度提升，打破了奥氏体屈服强度低和高强后韧性低的技术壁垒，为高强度高韧性低密度奥氏体钢提供了成分与工艺保障。
表2发明钢经过1050℃固溶水冷后20小时低温长时间热处理后力学性能和密度
Rp0.2，MPa Rm，MPa A5，％ Akv-40℃，J 室温密度，g/cm<sup>3</sup>
L700-1 703 870 62 190 6.70
L700-2 717 901 57 144 6.68
L700-3 753 910 55 170 6.64
L700-4 790 930 51 158 6.60

Claims (2)

1.一种屈服700MPa级低密度钢，其特征在于，成分重量百分数为：C:0.85-1.15％、Mn：25-35％、Al:9.0-11.0wt％、Nb：0-0.2％、Mo：0-0.2％、V：0-0.2％、Ti：0-0.2％和Zr:0-0.2％，其中Nb、Mo、V、Ti和Zr的总量不低于0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；在此基础上另加以下一种或多种元素：Si：0-2.0％、Cu:0-2.0wt％、Ni：0-2.0％、B：0-0.005wt％、RE稀土:0-0.050wt％；
该屈服700MPa级低密度钢通过感应熔炼、电炉或转炉方式冶炼，后续通过高温均匀化、热锻或热轧以及最终水冷工艺处理，制造出密度≤6.7g/cm3的高强韧低密度钢。
2.一种根据权利要求1所述的屈服700MPa级低密度钢热处理方法，其特征在于，具体工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)冶炼与铸造：适用于转炉、电炉或感应炉冶炼，采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭或铸坯；
(2)锻造或热轧
锻造或热轧棒线材：将铸坯或铸锭经1100-1200℃加热，在800-1150℃范围内由热轧或锻造形成厚度或直径为20mm的板材和棒材；
(3)对锻造或热轧材进行固溶处理
在950～1150℃温度下保温0.1～10小时后水冷或油冷的固溶处理，通过高温固溶，调整组织结构，获得奥氏体基体与优异韧性；
(4)进行低温长时间时效处理
在400℃保温20-80小时，进行低温长时间时效处理，获得屈服强度≥700MPa和-40℃冲击韧性Akv≥140J的高强韧轻质钢。
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