一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼的制備方法技術(shù)

一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)所述強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為：0.6％～1.0％C、8％～12％Mn、7％～11％Al、0.01％～0.2％V、P≤0.003％、S≤0.002％，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。制備工藝步驟包括：冶煉，鍛造，熱軋，固溶淬火處理，得到的低密度鋼組織中有退火孿晶，晶內(nèi)有納米級(jí)釩的析出物，強(qiáng)化效果明顯。該鋼具有密度低、高強(qiáng)、高延性特點(diǎn)，強(qiáng)塑積大于40GPa·％。 1

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼的制備方法
本專(zhuān)利技術(shù)屬于金屬材料領(lǐng)域，特別涉及一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼的制備方法。
技術(shù)介紹
現(xiàn)代汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)是輕量、節(jié)能、防腐和安全舒適等。減輕汽車(chē)自重是提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約能耗的重要措施之一。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告指出，汽車(chē)自重每減少10％，燃油消耗可降低6％～8％；而每減少1L的燃油消耗，會(huì)少排放2.45kg的CO2。在保證安全的條件下，可以通過(guò)使用高強(qiáng)鋼、減薄其厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)結(jié)構(gòu)材料的輕量化。目前，雙相鋼、相變誘導(dǎo)塑性鋼、復(fù)相鋼、馬氏體鋼等一系列高強(qiáng)鋼在汽車(chē)上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。此類(lèi)鋼雖然通過(guò)高強(qiáng)減薄實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)，但其材料本身并沒(méi)有輕量化，為此，人們開(kāi)始從材料的物理密度著手，高強(qiáng)減薄的同時(shí)研究鋼的低密度輕質(zhì)化，通過(guò)添加密度較小的合金元素來(lái)減輕鋼的密度，試圖從多方面實(shí)現(xiàn)輕量化。鋼鐵材料的密度可以通過(guò)添加鋁、硅、錳等輕合金元素來(lái)降低。鋼中加入這些合金時(shí)，一方面可以擴(kuò)大鋼的點(diǎn)陣參數(shù)實(shí)現(xiàn)體積增大，另一方面這些合金元素本身的原子質(zhì)量較低，兩方面結(jié)合實(shí)現(xiàn)密度的降低。但鋼中添加的Al元素含量較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼材的韌性急劇下降，難以滿(mǎn)足汽車(chē)領(lǐng)域?qū)︿摬捻g性的要求。因此，高強(qiáng)度高韌性低密度鋼是汽車(chē)領(lǐng)域的最佳應(yīng)用材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)，將Al、Mn含量控制的最佳范圍之內(nèi)降低鋼的密度，加入V元素，利用V的細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)度，并通過(guò)優(yōu)化的制備工藝，控制其組織構(gòu)成和析出物分布，從而使本專(zhuān)利技術(shù)鋼獲得所需的低密度、高強(qiáng)度、高延性、高強(qiáng)塑積等優(yōu)異的力學(xué)性能指標(biāo)。本專(zhuān)利技術(shù)鋼在成分設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮了以下元素，具體為：將C作為本專(zhuān)利技術(shù)鋼的強(qiáng)奧氏體化元素，因?yàn)镃可以擴(kuò)大并穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，起到固溶強(qiáng)化的作用，且C含量的增加有利于提高鋼中的奧氏體相含量，使鋼獲得良好的強(qiáng)度和韌性；但過(guò)高的C含量會(huì)影響鋼焊接性能。故綜合考慮將C含量以質(zhì)量百分比計(jì)定在0.6％～1.0％范圍內(nèi)，優(yōu)選0.7％～0.9％。將Mn作為本專(zhuān)利技術(shù)鋼的輕質(zhì)化元素之一，因?yàn)镸n的密度為7.43g/cm3，而Fe的密度為7.85g/cm3，故Mn可以降低本專(zhuān)利技術(shù)鋼的密度。另外，將Mn作為主要的奧氏體化合金元素之一，因?yàn)镸n能擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，穩(wěn)定奧氏體組織，同時(shí)起到固溶強(qiáng)化的作用，相比鐵素體，奧氏體具有更強(qiáng)的加工硬化能力。故綜合考慮，將Mn含量以質(zhì)量百分比計(jì)定在8％～12％范圍內(nèi)，優(yōu)選9％～11％。將Al作為本專(zhuān)利技術(shù)鋼的輕質(zhì)化元素之一，因?yàn)锳l的密度為2.7g/cm3，遠(yuǎn)低于7.85g/cm3的Fe密度，可以明顯降低材料密度。一定的Al含量還可以顯著提高鋼的熱變形抗力，提高鋼的耐蝕性，延遲動(dòng)態(tài)開(kāi)裂，并且Al還可以顯著提高鋼的層錯(cuò)能，改變變形機(jī)理，含Al的中錳鋼在發(fā)生猛烈碰撞時(shí)可以有一定的緩沖作用。但考慮到Al是強(qiáng)鐵素體化元素，過(guò)高的Al含量易促進(jìn)鐵素體相的形成，降低奧氏體相含量，故將Al含量以質(zhì)量百分比計(jì)定在7％～11％范圍內(nèi)，優(yōu)選8％～9％。此處需要指出的是，冶煉過(guò)程中Al元素?zé)龘p嚴(yán)重，還應(yīng)注意該元素的合理配比。本專(zhuān)利技術(shù)鋼中加入V，主要是利用V的細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用。V能充分溶解在奧氏體中并且在先共析鐵素體析出細(xì)小V(C，N)粒子，這種析出能明顯提高鋼的強(qiáng)度。此外，在奧氏體中高的V(C，N)溶解度允許使用較低的再加熱溫度，這意味著較低的生產(chǎn)成本。本專(zhuān)利技術(shù)鋼的變形機(jī)制以位錯(cuò)滑移為主，V的加入可以在鋼中析出細(xì)小的沉淀相，這些沉淀相一方面可以提高形核率、阻礙晶粒長(zhǎng)大來(lái)細(xì)化晶粒；另一方面可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)提高強(qiáng)度，使得最終獲得良好的綜合力學(xué)性能。因此將V含量以質(zhì)量百分比計(jì)定在0.01％～0.2％范圍內(nèi)，優(yōu)選0.05％～0.15％。本專(zhuān)利技術(shù)鋼中的P、S均為有害元素，易引起鋼的脆斷，降低鋼板韌性，使成型性變差，因此在冶煉過(guò)程中需要嚴(yán)格控制鋼中的P、S含量，但實(shí)際冶煉中，其含量不可能為零，故本專(zhuān)利技術(shù)要求這兩種元素在可控制的范圍內(nèi)盡量低，即以質(zhì)量百分比計(jì)P≤0.003％、S≤0.002％。本專(zhuān)利技術(shù)采用的具體技術(shù)方案如下：本專(zhuān)利技術(shù)的一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼及其制備方法，化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為：0.6％～1.0％C、8％～12％Mn、7％～11％Al、0.01％～0.2％V、P≤0.003％、S≤0.002％，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)，該鋼密度為6.48～7.08g/cm3,具體制備工藝步驟如下：1)冶煉并澆鑄成坯，將鑄坯鍛造成扁坯；2)將扁坯加熱至1150℃～1200℃，保溫至組織均勻化后進(jìn)行6道次熱軋，熱軋開(kāi)軋溫度1070℃～1120℃，終軋溫度850℃～900℃，累計(jì)變形量87％～92％，軋后水冷至200℃～300℃進(jìn)行卷取，然后空冷至室溫，得到熱軋鋼帶；3)將熱軋鋼帶進(jìn)行固溶處理，然后直接水淬至室溫，得到成品低密度鋼帶。本專(zhuān)利技術(shù)的一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼及其制備方法，其特征在于：鑄坯鍛造過(guò)程中要求消除鑄坯的組織缺陷，鍛造成的扁坯無(wú)成分偏析，無(wú)縮孔和疏松缺陷。制備步驟3)中的固溶處理溫度為900℃～950℃，保溫時(shí)間為1h。淬火后的熱軋低密度鋼的組織為奧氏體+鐵素體雙相組織，奧氏體中有退火孿晶，晶粒內(nèi)有納米級(jí)的釩析出物，可以起到細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用。優(yōu)選地，本專(zhuān)利技術(shù)鋼的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)含有0.7％～0.9％C。優(yōu)選地，本專(zhuān)利技術(shù)鋼的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)含有9％～11％Mn。優(yōu)選地，本專(zhuān)利技術(shù)鋼的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)含有8％～9％Al。優(yōu)選地，本專(zhuān)利技術(shù)鋼的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)含有0.05％～0.15％V。本專(zhuān)利技術(shù)的一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼及其制備方法，其特征在于：淬火后的熱軋低密度鋼的屈服強(qiáng)度719MPa～752MPa，抗拉強(qiáng)度910MPa～925MPa，斷后延伸率43％～48％，強(qiáng)塑積≥40GPa·％。本專(zhuān)利技術(shù)的熱軋低密度鋼，與其他先進(jìn)高強(qiáng)汽車(chē)用鋼相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)本專(zhuān)利技術(shù)鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，固溶處理后具有強(qiáng)度和塑性的優(yōu)良匹配(高強(qiáng)度和高斷后延伸率)，碰撞吸收能較高。(2)本專(zhuān)利技術(shù)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，采用熱軋+固溶處理方法，無(wú)需冷軋，生產(chǎn)工序短，節(jié)約時(shí)間和成本。(3)本專(zhuān)利技術(shù)采用合理的合金元素配比，在保證鋼板優(yōu)良的綜合力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，降低了鋼板密度，減重效果明顯。(4)本專(zhuān)利技術(shù)鋼加入了微合金元素釩，釩會(huì)在晶粒內(nèi)析出納米級(jí)的V(C,N)，起到細(xì)晶強(qiáng)化和加工硬化的效果，提高了鋼的強(qiáng)度和塑性。另外，V相比其他合金較為廉價(jià)，一方面降低實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)還可以降低鋼的碳當(dāng)量，有利于鋼板后續(xù)生產(chǎn)中的進(jìn)焊接組裝。附圖說(shuō)明：附圖1是本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例1固溶處理后典型的金相組織照片。附圖2是本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例1固溶處理后透射電鏡觀察的晶內(nèi)釩的析出物照片。具體實(shí)施方式實(shí)施例1本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例1的化學(xué)成分及密度如表1所示，具體實(shí)施工藝為：(1)真空冶煉爐冶煉并澆鑄成坯，將鑄坯鍛造成扁坯，鍛造過(guò)程中消除鑄坯中的成分偏析，去除縮孔、疏松等缺陷；(2)扁坯加熱至1150℃，保溫至組織均勻化后進(jìn)行6道次熱軋，熱軋開(kāi)軋溫度1080℃，終軋溫度865℃，累計(jì)變形量87％，軋后水冷至240℃進(jìn)行卷取，然后空冷至室溫，得到熱軋鋼帶；(3)將熱軋鋼帶進(jìn)行固溶處理，固溶處理溫度900℃，保溫時(shí)間60min，然后本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼的制備方法，其特征在于，化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為：0.6％～1.0％C、8％～12％Mn、7％～11％Al、0.01％～0.2％V、P≤0.003％、S≤0.002％，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)，該鋼密度為6.48～7.08g/cm

【技術(shù)特征摘要】
1.一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼的制備方法，其特征在于，化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為：0.6％～1.0％C、8％～12％Mn、7％～11％Al、0.01％～0.2％V、P≤0.003％、S≤0.002％，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)，該鋼密度為6.48～7.08g/cm3,具體制備工藝步驟如下：1)冶煉并澆鑄成坯，將鑄坯鍛造成扁坯；2)將扁坯加熱至1150℃～1200℃，保溫至組織均勻化后進(jìn)行熱軋，熱軋開(kāi)軋溫度1070℃～1120℃，終軋溫度850℃～900℃，累計(jì)變形量87％～92％，軋后水冷至200℃～300℃進(jìn)行卷取，然后空冷至室溫，得到熱軋鋼帶；3)將熱軋鋼帶進(jìn)行固溶處理，然后直接水淬至室溫，得到低密度鋼帶。2.如權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼的制備方法，其特征在于，需要在鍛造過(guò)程中消除鑄坯的組織缺陷，鍛造成的扁坯無(wú)成分偏析，無(wú)縮孔和疏松缺陷。3.如權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼的制備方法，其特征在于，步驟3)中所述的固溶處理溫度為900℃～950℃，保溫時(shí)間為1...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙征志，袁洪濤，周占明，梁駒華，梁江濤，李楓，康濤，張才華，何青，唐荻，劉強(qiáng)，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：北京科技大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京,11