一种低密度高韧度钢及其制备方法
阅读：263发布：2021-06-10
专利汇可以提供一种低密度高韧度钢及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种低 密度 高韧度 钢 及其制备方法，其中，低密度高韧度钢的化学成分按 质量 百分比为：Mn：12％～25％、Al：5％～13％、C：0.4％～2％、Cr：0.6％～1.5％、V：0.1％～0.5％、W：0.1～0.5％、Y：0.05％～0.2％，余量为Fe以及 冶炼 过程中不可避免的其它杂质元素。向钢中添加一定量的Y元素和W元素，在 合金 成分与成型工艺调控的 基础 上，得到具备高强度和良好塑性的低密度钢，在减轻钢材的重量同时，使得钢材具有较高强度和良好的塑性。，下面是一种低密度高韧度钢及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种低密度高韧度钢，其特征在于，其化学成分按质量百分比为：Mn：12％～25％、Al：5％～13％、C：0.4％～2％、Cr：0.6％～1.5％、V：0.1％～0.5％、W：0.1～0.5％、Y：
0.05％～0.2％，余量为Fe以及冶炼过程中不可避免的其它杂质元素。
2.根据权利要求1所述的低密度高韧度钢，其特征在于，所述低密度高韧度钢的密度低于7.4g/cm3，减重率大于6.7％。
3.根据权利要求1所述的低密度高韧度钢，其特征在于，所述低密度高韧度钢的屈服强度大于730MPa，抗拉强度大于900MPa，断后伸长率大于45％，强塑积大于40.5GPa·％。
4.一种低密度高韧度钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以纯金属或中间合金为原料，根据权利要求1所述的化学成分进行配料；
(2)将所述配料放入冶炼炉进行冶炼，制得铸坯，并将所述铸坯锻造成板坯；
(3)将所述板坯进行均匀化处理，加热所述板坯到1140～1200℃，保温3～4小时；
(4)将保温后的所述板坯在二辊轧机进行多道次热轧，得到钢板；
(5)对热轧后的所述钢板进行固溶处理，得到低密度高韧度钢。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述多道次热轧的开轧温度1020～1080℃，终轧温度860～910℃，所述板坯经多道次轧制变形，再空冷至室温。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，经过多道次热轧后的钢的累计变形量为82％～87％。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述固溶处理的步骤，包括：将热轧后的钢板加热至1000～1050℃，保温0.5～1小时后直接水淬至室温。
一种低密度高韧度钢及其制备方法
【技术领域】
[0002] 在保护环境，节能减排的大趋势下，为减少碳排放就必须提高汽车燃油经济性，从而对汽车轻量化提出了迫切的需求。对于汽车制造厂商而言，轻量化最有效的途径则是应用新材料、新工艺以及结构优化三种途径来实现。因此，近些年低密度高韧度钢在汽车制造业中得到广泛的应用。
[0003] 目前，低密度高韧度钢成分体系主要采用Fe-Mn-Al-C系高锰钢，并进一步添加铝、硅等轻合金元素来降低其密度。但钢中添加的Al元素含量较高时，会导致钢材的韧性急剧下降，难以满足汽车领域对钢材韧性的要求。
[0004] 已公开的(CN104711494B)提供了一种低密度高塑性NiAl增强超高强度钢，主要是依靠添加Ni元素形成NiAl来提高钢的抗拉强度，该钢抗拉强度达到1350MPa以上，但因其添加了5-15％的Ni元素，导致成本大大提高。
[0005] 已公开的(CN106399858A)提供了一种低密度Ti3Al增强超高强度钢及其制备方法，主要是依靠添加Ti元素来形成Ti3Al金属间化合物使抗拉强度提高，但硬脆的第二相会降低高强钢的塑性。因此，需要提供一种在具备超高强度的同时，还能保证塑性的低密度Fe-Mn-Al-C系钢。【发明内容】
[0006] 介于上述问题，本发明的目的在于提供一种低密度高韧度钢及其制备方法，通过向钢中添加一定量的Y元素和W元素，在合金成分与成型工艺调控的基础上，得到具备高强度和良好塑性的低密度钢，在减轻钢材的重量同时，使得钢材具有较高强度和良好的塑性。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供一种低密度高韧度钢，其化学成分按质量百分比为：Mn：12％～25％、Al：5％～13％、C：0.4％～2％、Cr：0.6％～1.5％、V：0.1％～0.5％、W：0.1～0.5％、Y：0.05％～0.2％，余量为Fe以及冶炼过程中不可避免的其它杂质元素。
[0008] 可选地，所述低密度高韧度钢的密度低于7.4g/cm3，减重率大于6.7％。
[0009] 可选地，所述低密度高韧度钢的屈服强度大于730MPa，抗拉强度大于900MPa，断后伸长率大于45％，强塑积大于40.5GPa·％。
[0010] 为了实现上述目的，本发明还提供一种低密度高韧度钢的制备方法，包括以下步骤：
[0011] (1)以纯金属或中间合金为原料，根据上述的化学成分进行配料；
[0013] (3)将所述板坯进行均匀化处理，加热所述板坯到1140～1200℃，保温3～4小时；
[0015] (5)对热轧后的所述钢板进行固溶处理，得到低密度高韧度钢。
[0017] 作为本发明制备方法技术方案的进一步改进，经过多道次热轧后的钢板的累计变形量为82％～87％。
[0018] 作为本发明制备方法技术方案的进一步改进，步骤(5)中所述固溶处理的步骤，包括：将热轧后的钢板加热至1000～1050℃，保温0.5～1小时后直接水淬至室温。
[0019] 与现有技术相比，本发明提供的制备方法具有如下特点和有益效果：采用热轧工艺与固溶处理相结合，无需进行冷轧工艺，生产工序短，有利于工业化的推广；在固溶处理后钨元素有效钉扎在晶界处，从而增加位错滑移难度，提高了钢的强度。添加的高熔点钇元素，有效控制金属间化合物对材料塑性带来的负面影响，满足了汽车产业对新一代钢材的性能要求。
[0020] 本发明提供的低密度高韧度钢中的各化学元素作用分析如下：
[0021] Mn：锰是Fe-Mn-Al-C系低密度钢的主要合金元素，锰对稳定奥氏体组织元素，可以扩大奥氏体相区，提高奥氏体的稳定性，起固溶强化作用。提高钢板塑性，Mn元素也影响着Fe-Mn-Al-C系低密度钢的层错能，能使钢在受到外力而形变时产生致密的孪晶，明显地提高该系列低密度钢的延伸率。本发明的Mn含量为12％～25％。
[0022] Al：铝是钢中重要的轻质元素，能够明显降低材料密度，研究表明Al含量低于4.5％时，不会出现k系碳化物出现，其中，k系碳化物是指钢在淬火或者热处理后奥氏体基体和晶界上均匀分布的纳米级碳化物，由于这些碳化物间距很小，呈有序的钙钛矿型结构，能够有效提高基体的强度和硬度。但是过高的Al含量将改变奥氏体单相组织，促进铁素体相的形成；因此将Al的质量百分比控制在5％-13％，可显著提高钢的热变形抗力；延迟动态再结晶，使奥氏体晶粒在动态再结晶后得到细化。
[0023] C：碳是奥氏体形成和稳定化元素，起固溶强化作用，在Fe-Mn-Al-C低密度钢的作用主要是和Al共同形成k系碳化物，促进形成单相奥氏体，因此，奥氏体的稳定性随奥氏体中的含碳量的增加而升高。同时，C含量的增加有助于降低钢的密度。但低密度高韧度钢中的含碳量不能过高，否则会造成浇铸时成分偏析，导致碳化物析出，从而降低其延伸率。同时碳含量也会影响焊接性能及焊缝区金属组织性能，主要表现在强度和硬度上，焊缝金属的塑性、韧性会随着其强度和硬度的提高而下降。本发明的碳含量为0.4％～2％。
[0024] Cr：将镉元素加入钢中能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力。铬能显著增加钢的淬透性，但也能增加钢的回火脆性倾向。但是Cr也是强碳化物形成元素，当Fe-Mn-Al-C低密度钢中C含量达到1.0％左右，过高的Cr含量会形成粗大的碳化物，不仅降低塑性，并且由于消耗大量的C，会严重降低合金强度。本发明的镉含量为0.6％～1.5％。
[0026] W：钨为高熔点合金元素，在固溶处理后钨元素能够有效钉扎在晶界处，从而增加位错滑移难度，提高钢板强度。本发明的镉含量为0.1％～0.5％。
[0027] Y：钇为类稀土元素，在冶炼过程中加入少量的钇，可使钢板的晶粒在类稀土元素的作用下的得到有效细化，从而提高钢材的塑性，并且钇是类稀土元素，其成本低于稀土元，能够有效控制成本。本发明的镉含量为0.05％～0.2％。
[0028] 本发明的低密度高韧度钢，至少具有以下优点：
[0029] 1)微量Y的加入可使钢板的晶粒在类稀土元素的作用下得到有效细化，从而提高钢材的塑性，且能有效控制成本；
[0030] 2)在固溶处理后W元素可有效钉扎在晶界处，从而增加位错滑移难度，从而提高钢板强度；
[0031] 3)生产工艺简单，综合力学性能优异，采用热轧+固溶处理方案，无需进行冷轧工艺，生产工序短。
[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0034] 图1是本发明实施例所提供的低密度高韧度钢的制备方法的流程图；
[0035] 图2是本发明实施例1所提供的低密度高韧度钢的SEM照片；
[0036] 图3是本发明实施例2所提供的低密度高韧度钢的SEM照片；
[0037] 图4是本发明实施例3所提供的低密度高韧度钢的SEM照片；
[0038] 图5是本发明实施例4所提供的低密度高韧度钢的SEM照片。【具体实施方式】
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
[0040] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0041] 本发明提供一种低密度高韧度钢，其化学成分按质量百分比为：Mn：12％～25％、Al：5％～13％、C：0.4％～2％、Cr：0.6％～1.5％、V：0.1％～0.5％、W：0.1～0.5％、Y：0.05％～0.2％，余量为Fe以及冶炼过程中不可避免的其它杂质元素。
[0042] 低密度高韧度钢的密度低于7.4g/cm3，减重率大于6.7％。低密度高韧度钢的屈服强度大于730MPa，抗拉强度大于900MPa，断后伸长率大于45％，强塑积大于40.5GPa·％。
[0043] 实施例1
[0044] (1)按照表1所示的质量百分比：Mn：13％、Al：7％、C：0.52％、Cr：0.67％、V：0.1％、W：0.15％、Y：0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质，称取含有以上成分及其含量的纯金属或中间合金为原料，进行配料。在本实施例中，选用钨粉和钇粉。
[0045] (2)将配料放入冶炼炉进行冶炼，制得铸坯，并将所述铸坯锻造成板坯。
[0048] (3)将板坯进行均匀化处理，加热板坯到1160℃，保温3小时。
[0049] (4)将保温后的板坯在二辊轧机进行多道次热轧，得到钢板。在本实施例中，热轧道次为7次，热轧开轧温度1070℃，终轧温度870℃，热轧后的钢板厚度约为4mm，经过多道次热轧后的钢板的累计变形量为85％。
[0050] (5)对热轧后的钢板进行固溶处理，得到低密度高韧度钢。在本实施例中，采用快速加热法将热轧后的钢板加热至1040℃，保温1小时后直接水淬至室温，得到低密度高韧度钢，其金相组织如图2所示。
[0051] 对成品低密度高韧度钢进行力学性能检测得到结果如表2所示。
[0052] 实施例2：
[0053] (1)按照表1所示的质量百分比：Mn：13％、Al：8％、C：0.6％、Cr：0.7％、V：0.15％、W：0.1％、Y：0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质，称取含有以上成分及其含量的纯金属或中间合金为原料，进行配料。在本实施例中，选用钨粉和钇粉。
[0054] (2)将配料放入冶炼炉进行冶炼，制得铸坯，并将所述铸坯锻造成板坯。
[0055] 具体地，将配料装入真空感应冶炼炉中，抽真空后送电加热，至配料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，充分脱氧并在氩气保护下进行合金化，然后浇注得到铸坯。
[0056] 在本实施例中，将铸坯锻造成20mm左右的板坯，空冷至室温。锻造过程中消除铸坯中的成分偏析，去除缩孔、疏松等缺陷。
[0057] (3)将板坯进行均匀化处理，加热板坯到1140℃，保温4小时。
[0058] (4)将保温后的板坯在二辊轧机进行多道次热轧，得到钢板。在本实施例中，热轧道次为7次，热轧开轧温度1080℃，终轧温度910℃，热轧后的钢板厚度约为4mm，经过多道次热轧后的钢板的累计变形量为82％。
[0059] (5)对热轧后的钢板进行固溶处理，得到低密度高韧度钢。在本实施例中，采用快速加热法将热轧后的钢板加热至1050℃，保温0.5小时后直接水淬至室温，得到低密度高韧度钢，其金相组织如图3所示。
[0060] 对成品低密度高韧度进行力学性能检测得到结果如表2所示。
[0061] 实施例3：
[0062] (1)按照表1所示的质量百分比：Mn：14.5％、Al：12％、C：0.7％、Cr：0.8％、V：0.3％、W：0.2％、Y：0.08％，余量为Fe和不可避免的杂质，称取含有以上成分及其含量的纯金属或中间合金为原料，进行配料。在本实施例中，选用钨粉和钇粉。
[0063] (2)将配料放入冶炼炉进行冶炼，制得铸坯，并将所述铸坯锻造成板坯。
[0064] 具体地，将配料装入真空感应冶炼炉中，抽真空后送电加热，至配料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，充分脱氧并在氩气保护下进行合金化，然后浇注得到铸坯。
[0065] 在本实施例中，将铸坯锻造成20mm左右的板坯，空冷至室温。锻造过程中消除铸坯中的成分偏析，去除缩孔、疏松等缺陷。
[0066] (3)将板坯进行均匀化处理，加热板坯到1200℃，保温3小时。
[0067] (4)将保温后的板坯在二辊轧机进行多道次热轧，得到钢板。在本实施例中，热轧道次为7次，热轧开轧温度1020℃，终轧温度860℃，热轧后的钢板厚度约为4mm，经过多道次热轧后的钢板的累计变形量为87％。
[0068] (5)对热轧后的钢板进行固溶处理，得到低密度高韧度钢。在本实施例中，采用快速加热法将热轧后的钢板加热至1000℃，保温1小时后直接水淬至室温，得到低密度高韧度钢，其金相组织如图4所示。
[0069] 对成品低密度高韧度钢进行力学性能检测得到结果如表2所示。
[0070] 实施例4(对比例)：
[0071] (1)按照表1所示的质量百分比：Mn：13％、Al：7％、C：0.52％、Cr：0.67％、V：0.1％，余量为Fe和不可避免的杂质，称取含有以上成分及其含量的纯金属或中间合金为原料，进行配料。
[0072] (2)将配料放入冶炼炉进行冶炼，制得铸坯，并将所述铸坯锻造成板坯。
[0073] 具体地，将配料装入真空感应冶炼炉中，抽真空后送电加热，至配料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，充分脱氧并在氩气保护下进行合金化，然后浇注得到铸坯。
[0074] 在本实施例中，将铸坯锻造成20mm左右的板坯，空冷至室温。锻造过程中消除铸坯中的成分偏析，去除缩孔、疏松等缺陷。
[0075] (3)将板坯进行均匀化处理，加热板坯到1160℃，保温3小时。
[0076] (4)将保温后的板坯在二辊轧机进行多道次热轧，得到钢板。在本实施例中，热轧道次为7次，热轧开轧温度1070℃，终轧温度870℃，热轧后的钢板厚度约为4mm，经过多道次热轧后的钢板的累计变形量为85％。
[0077] (5)对热轧后的钢板进行固溶处理，得到低密度高韧度钢。在本实施例中，采用快速加热法将热轧后的钢板加热至1040℃，保温1小时后直接水淬至室温，得到低密度高韧度钢，其金相组织如图5所示。
[0078] 对成品低密度高韧度钢进行力学性能检测得到结果如表2所示。
[0079] 表1列出了实施例1～4的化学成分的质量百分比。
[0080] 表1
[0081]
[0082] 表2列出了实施例1～4的制得的低密度高韧度钢的性能参数。
[0083] 表2
[0084]
[0085] 根据表2中的实施例1、2及4的性能参数数据可知，在主成分(Mn、Al、C、Cr)的质量百分比相近时，钢的密度基本相同。
[0086] 从实施例1～3与实施例4的性能参数数据可知，添加了钇和钨元素的钢的抗拉强度大于900MPa，屈服强度大于730MPa，断后伸长率大于45％，强塑积大于40.5GPa·％。可见，在减轻钢材的重量同时，使得钢材具有较高强度和良好的塑性。
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