CN115418578A

CN115418578A - 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

Info

Publication number: CN115418578A
Application number: CN202211125870.2A
Authority: CN
Inventors: 陈金龙; 郭魂; 尹飞鸿; 沈洪雷; 张建梅; 祝世超; 杨辉; 张丹丹; 栗慧
Original assignee: Changzhou Institute of Technology
Current assignee: Changzhou Institute of Technology
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2022-12-02

Abstract

本发明公开了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，其化学成分及质量百分数为：C：0.6％‑1.5％，Mn:16％‑25％，Al：6％‑12％，余量为Fe和杂质元素。本发明制造方法，采用亚快速凝固工艺，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、抗拉强度≥1200MPa、延伸率≥30％、强塑积≥40Gpa·％薄钢带的工业生产。

Description

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

技术领域

本发明属于钢铁生产技术领域，具体涉及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。

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，成本较大，生产难度较大。

目前，现有的专利文献申请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％为：C：0.05-0.4％，Mn:4.0-12％，Al：3.0-7.0％，在这基础上加入了一种或者一种以上的V、Ti、Nb、V等微合金元素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％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，该钢带的抗拉强度≥800MPa、延伸率≥25％、密度≤7.3kg/m³。

上述专利文献中公布的四种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，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，本发明制造方法，采用亚快速凝固+轧制工艺，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，且开发出了低密度、抗拉强度≥1200MPa、延伸率≥30％、强塑积≥40Gpa·％薄钢带。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带，其化学成分及质量百分数为：C：0.6％-1.5％，Mn:16％-25％，Al：6％-12％，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基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带的制造方法，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制备的钢水经亚快速凝固制备成铸带；

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℃；

其中，所述的制造方法制造的高强塑积的低密度钢带的屈服强度在1050MPa以上，抗拉强度在1200MPa以上，延伸率为30％以上，强塑积为40Gpa·％以上，密度为5.5-7.0g/cm³。

优选的技术方案有，所述的步骤S2中，具体操作为：将步骤S1制备的钢水采用单棍熔体旋转的方法铸成铸带，铸带的厚度为1.4～2.5mm，宽度为60mm～150mm。

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。

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高强塑积的低密度钢带的金相组织为奥氏体及析出相。

本发明的优点和有益效果在于：

1、本发明的强塑积≥40GPa·％的低密度钢带的成分较简单，除C、Mn、Al之外不添加其他元素，成本较低廉，用传统生产工艺开发较复杂且难度、成本都较大，本发明的制造方法通过亚快速凝固+轧制工艺可以降低低密度钢的开发难度，之前低密度钢的亚快速凝固+轧制工艺未见相关报道。

2、本发明一种基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带的制造方法，省去了板坯加热、多道次反复热轧、难加工等复杂过程，仅通过亚快速凝固+单道次20-50％压下量的热轧工艺，开发流程更短，降低能耗、工序成本低。

3、本发明制造方法制造的高强塑积的低密度钢带，成型性能更好，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、本发明制造方法制造的高强塑积的低密度钢带，金相组织为奥氏体及析出相，具有优越的性能：屈服强度在1050MPa以上，抗拉强度在1200MPa以上，延伸率为30％以上，强塑积为40Gpa·％以上，密度为5.5-7.0g/cm³。

附图说明

图1是实施例1中制备的基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带的金相组织微观照片图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，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基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带，包括如下步骤：

S1：按照化学成分及质量百分数为：C：1.1％，Mn:20.5％，Al：9.8％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备钢水；优选地，钢水中杂质含量为P≤0.06％、S≤0.002％、N≤0.003％；

S2：将步骤S1冶炼合格的钢水经过单棍熔体旋转的方法铸成厚度为1.9mm的铸带，钢水温度约为1560℃；

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900℃；

S4：将步骤S3制备的薄钢带经气雾冷却系统冷却至660℃；

其中，所述的制造方法制造的高强塑积的低密度钢带的宽度为60mm，厚度为1.0mm，屈服强度在1052MPa以上，抗拉强度在1202MPa以上，延伸率为35％以上，强塑积为42.07Gpa·％，密度为6.5g/cm³，其金相组织微观照片参见附图1，从图1中可以看出高强塑积的低密度钢带为组织结构均匀的奥氏体及析出相。

实施例2

S1：按照化学成分及质量百分数为：C：1.1％，Mn:21.1％，Al：9.5％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备钢水；优选地，钢水中杂质含量为P≤0.06％、S≤0.002％、N≤0.003％；

S2：将步骤S1冶炼合格的钢水经过单棍熔体旋转的方法铸成厚度为1.9mm的铸带，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50％制备成薄钢带，薄钢带热轧后的温度为880℃；

S4：将步骤S3制备的薄钢带经气雾冷却系统冷却至650℃；

其中，所述的制造方法制造的高强塑积的低密度钢带的宽度为80mm，厚度为0.8mm，屈服强度在1122MPa以上，抗拉强度在1283MPa以上，延伸率为33％以上，强塑积为42.3Gpa·％，密度为6.5g/cm³。

实施例3

S1：按照化学成分及质量百分数为：C：1.2％，Mn:22.5％，Al：10.2％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备钢水；优选地，钢水中杂质含量为P≤0.06％、S≤0.002％、N≤0.003％；

S2：将步骤S1冶炼合格的钢水经过单棍熔体旋转的方法铸成厚度为1.8mm的铸带，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850℃；

S4：将步骤S3制备的薄钢带经气雾冷却系统冷却至600℃；

其中，所述的制造方法制造的高强塑积的低密度钢带的宽度为80mm，厚度为1.0mm，屈服强度在1155MPa以上，抗拉强度在1330MPa以上，延伸率为31％以上，强塑积为41.23Gpa·％，密度为6.45g/cm³。

经测试实施例2～3制备的高强塑积的低密度钢带的金相组织均为细小均匀的奥氏体及析出相。

本发明制造方法，采用亚快速凝固+轧制工艺，大幅度缩短了生产流程，降低了开发成本，减少了元素偏析，降低了高强度、高塑性钢的开发难度，且实现了低密度、抗拉强度≥1200MPa、延伸率≥30％、强塑积≥40Gpa·％薄钢带的开发。

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，可以促性奥氏体的形成，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％。

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

1.一种基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带，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％，余

量为Fe和杂质元素。

2.如权利要求1所述的基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带，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2或3所述的基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带的制造方法，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制备的钢水经亚快速凝固制备成铸带；

S3：将步骤S2制备的铸带经过一道次热轧制备成薄钢带；

4.如权利要求3所述的基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带的制造方法，其特征在于，所述的步骤S2中，具体操作为：将步骤S1制备的钢水采用单棍熔体旋转的方法铸成铸带，铸带的厚度为1.4～2.5mm，宽度为60mm～150mm。

5.如权利要求3所述的基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带的制造方法，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。

6.如权利要求3所述的基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带的制造方法，其特征在于，所述的步骤S3中，热轧终轧温度为850℃～1050℃。

7.如权利要求3～6任一项所述的基于亚快速凝固+轧制工艺的高强塑积的低密度钢带，其特征在于，所述的制造方法制造的高强塑积的低密度钢带的金相组织为奥氏体及析出相。