一种钢材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种钢材料及其制备方法，以重量计包括以下成分：0.4％‑0.65％的C、2.0％‑4.5％的Mn、2.01％‑3.0％的Al、Fe和不可避免的杂质。通过添加特定含量的C、Mn和Al元素，以及采用特定的制备工艺，能够获得具有优异的力学性能和轻量化的钢材料，并且工艺简单、耗时短，能够适用于大规模的工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种钢材料及其制备方法
本专利技术涉及金属材料领域，具体涉及一种钢材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，伴随着汽车工业的快速发展，环境污染与能源消耗等问题日益突出。为降低CO2、NO2等温室气体的排放与石油等不可再生资源的消耗，在保证成车安全性的前提下，汽车轻量化成为解决上述问题的关键手段。因此有必要研究开发一种新型低合金成分贝氏体钢，使之兼具超高强塑性与大规模工业生产可行性，同时在实用性方面，使之在满足相关冷冲压成型件的成型与使用要求的同时满足节能、节材以及安全行驶等要求。近年来，常采用热轧工艺生产贝氏体高强钢，其化学成分主要采用C-Mn-Si系或C-Mn-Si-Al系，另外还可添加一些少量的Cr、Mo、Nb、Ti和V等合金元素，以增加钢材强度。传统的热轧态超级贝氏体板钢，组织上为无碳化物贝氏体组织与残余奥氏体复合组织，综合力学性能良好，但是在制备过程中需要在盐浴中进行几天或几周的等温转变，生产成本很高，不利于汽车工业的大规模生产。另外，虽然C-Mn-Si系贝氏体钢是一种较为经济的成分体系，但是，由于其中含有较高含量的硅元素，导致钢材的产品表面质量通常不好，同时，由于高硅的固溶强化作用，一方面使得钢材的贝氏体基体强度过高，从而导致其与残余奥氏体之间的相变协同性很差，另一方面使得残余奥氏体的体积分数不高，从而导致整体试验钢材的延伸性能不佳。目前，通过热轧或冷轧方式研究或生产的工业化汽车用微合金化贝氏体钢，其抗拉强度和延伸率仍不能达到理想的效果，因而限制了其在实际生产中的应用。此外，可通过添加贵金属元素、调节制备工艺等方法来改善钢材的力学性能，但是这些方法仍存在成本高、操作复杂，不适于工业化生产等缺点。
技术实现思路
鉴于上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种钢材料及其制备方法，通过添加特定含量的C、Mn和Al元素，以及采用特定的热处理工艺，能够获得具有优异的力学性能和轻量化的钢材料，并且工艺简单、耗时短，能够适用于大规模的工业化生产。本专利技术一方面提供一种钢材料，以重量计包括以下成分：0.4％-0.65％的C、2.0％-4.5％的Mn、2.01％-3.0％的Al、Fe和不可避免的杂质，所述钢材料的屈服强度在800MPa以上，抗拉强度在1000MPa以上，延伸率在30％以上。优选的，所述钢材料的屈服强度为800MPa-1000MPa，抗拉强度为1000MPa-1200MPa，屈服强度和抗拉强度的比值在0.70-0.85之间。本专利技术的钢材料通过含有0.4wt％-0.65wt％的C，能够通过贝氏体相变，获得大量的稳定的残余奥氏体组织(薄膜状或板条状的残余奥氏体组织)，因而能够保障钢材料的延伸性能和强度。当C元素的含量低于0.4wt％时，容易导致贝氏体黏连而恶化力学性能，且最终得到的钢材料中稳定的残余奥氏体组织的体积份数在20％以下，从而不能获得本专利技术的钢材料的力学性能。从进一步提高韧性的观点出发，C元素的添加量优选在0.45wt％以上。另一方面，当C元素的含量高于0.65wt％时，容易导致贝氏体相变量降低，从而形成块状的残余奥氏体组织，不利于提高钢材料的延伸性能，同时也增加贝氏体铁素体等温转变所需要的时间，不利于大规模工业化生产。从进一步保障延伸性能和适宜的强度的观点出发，C元素的添加量优选在0.55wt％以下。本专利技术的钢材料通过含有2.0wt％-4.5wt％的Mn，Mn是奥氏体稳定元素，有利于稳定残余奥氏体组织，可延迟贝氏体相变时间，而Al元素的添加会加速贝氏体相变，本专利技术通过适量的Mn元素的添加，恰好可调控贝氏体相变程度和时间，使其与本专利技术的制备工艺一致，可在实际钢铁热轧生产的卷曲过程中实现所需贝氏体相变，以获得所需组织，达到本专利技术的优异的力学性能；此外，Mn的添加还有利于抑制恶化力学性能的贝氏体黏连。当Mn元素的含量低于2.0wt％时，钢材料中的残余奥氏体组织部分分解为马氏体并形成马奥岛组织，导致钢材料的塑性和韧性等加工性能劣化。从进一步稳定残余奥氏体组织的观点出发，Mn元素的添加量优选在2.5wt％以上。另一方面，当Mn元素的含量高于4.5wt％时，使得贝氏体铁素体转变时间过长，不适于工业化生产，同时增加合金成本与生产成本。从获得更适宜的贝氏体铁素体转变时间和节约成本的观点出发，Mn元素的添加量优选在3.5wt％以下。本专利技术的钢材料通过含有2.01wt％-3.0wt％的Al，Al元素可以抑制碳转变成碳化物，并且能够使贝氏体相变期间所产生的过量的碳进入到残余奥氏体内，从而提高残余奥氏体组织中的碳含量，有利于生成稳定的残余奥氏体组织，从而提高延伸性能。另一方面，上述特定含量的Al还能够有效地增加贝氏体铁素体的形核能力，缩短贝氏体铁素体的转化时间，提高工业上的应用性。当Al元素的含量低于2.01wt％时，可能出现碳化物或渗碳体的析出，影响钢材料的延伸性能。从进一步改善钢材料的延伸性能的观点出发，Al元素的添加量优选在2.05wt％以上。但是，当Al元素的含量高于3.0wt％时，将会增加连铸的难度，增加设备维护的成本。从这一观点出发，Al元素的添加量优选在2.5wt％以下。此外，通过进一步含有0.001wt％-1.5wt％的Si，也可以抑制碳化物的形成。但Si元素的添加会延长贝氏体铁素体的转化时间、恶化钢的表面性能，还会导致钢的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向性增大，因此不优选。但是，Al元素的固溶强化能力不及Si元素，本专利技术通过以特定含量的C元素和Mn元素与Al配合，能够补偿Al元素的这一缺陷。在本专利技术的一个优选的实施方式中，所述钢材料以重量计还包括：0.001％-1.0％的Mo、0.001％-3.0％的Cr、0.001％-0.2％的Ti、0.001％-0.2％的Nb、0.001％-0.2％的V、0.001％-2.0％的Cu、0.001％-3.0％的Ni和0.0001％-0.005％的B中的至少一种。在本专利技术中，通过进一步含有0.001wt％-1.0wt％的Mo元素，可以增加钢材料的淬透性，有效控制奥氏体晶粒尺寸，延缓碳化物的析出，有效降低奥氏体化温度，同时抑制先共析铁素体析出，降低贝氏体铁素体开始转变温度，还可以起到固溶强化作用，而且此范围内的Mo不易形成氧化物，从而影响热镀锌处理，并可在一定程度上起到替代Si元素的作用。在本专利技术中，通过进一步含有0.001wt％-3.0wt％以上的Cr元素，可以改善钢材料的抗腐蚀和抗氧化的能力，增强钢材料的淬透性，提升钢材料的强度和硬度。但是，当Cr元素的添加量高于3.0wt％时，易于形成强碳化物，不利于提高钢材的塑性，因此，Cr元素的添加量在3.0wt％以下为宜。在本专利技术中，通过进一步含有0.001wt％-0.2wt％的Ti、Nb和V元素，能使钢材料的晶粒细化、强度升高，从而获得良好的热处理特性。但是，当Ti、Nb和V元素的含量在0.2wt％以上时，则会增加不必要的成本，因此，从节约成本的角度出发，Ti、Nb和V元素的添加量优选为0.1wt％以下。在本专利技术中，通过进一步含有0.001wt％-2.0wt％的Cu元素，能够起到增强钢材料的强度、抑制碳化物的析出，促进贝氏体铁素体组织的形核与长大的作用。当Cu元素的添加量超过2.0wt％时，可能导致加工性劣化以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢材料，其特征在于，以重量计包括以下成分：0.4％‑0.65％的C、2.0％‑4.5％的Mn、2.01％‑3.0％的Al、Fe和不可避免的杂质；所述钢材料的屈服强度在800MPa以上，抗拉强度在1000MPa以上，延伸率在30％以上。

【技术特征摘要】
1.一种钢材料，其特征在于，以重量计包括以下成分：0.4％-0.65％的C、2.0％-4.5％的Mn、2.01％-3.0％的Al、Fe和不可避免的杂质；所述钢材料的屈服强度在800MPa以上，抗拉强度在1000MPa以上，延伸率在30％以上。2.根据权利要求1所述的钢材料，其特征在于，以重量计包括以下成分：0.45％-0.55％的C、2.5％-3.5％的Mn、2.05％-2.5％的Al、Fe和不可避免的杂质。3.根据权利要求1所述的钢材料，其特征在于，所述钢材料以重量计还包括以下成分：0.00％1-1.0％的Mo、0.001％-3.0％的Cr、0.001％-0.2％的Ti、0.001％-0.2％的Nb、0.001％-0.2％的V、0.001％-2.0％的Cu、0.001％-3.0％的Ni和0.0001％-0.005％的B中的至少一种。4.根据权利要求1所述的钢材料，其特征在于，所述钢材料的微观组织以体积百分数计，包括：20％-50％的残余奥氏体，50％-80％的贝氏体铁素体以及10％以下的其他组织。5.根据权利要求1-4任一项所述的钢材料的制备方法，包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：易红亮，赵飞宇，王国栋，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21