一种低密度高韧度钢及其制备方法技术

本发明专利技术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。

A Low Density and High Toughness Steel and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种低密度高韧度钢及其制备方法
本专利技术涉及低密度合金钢领域，尤其涉及一种低密度高韧度钢及其制备方法。
技术介绍
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。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。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。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。
技术实现思路
介于上述问题，本专利技术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。为了实现上述目的，本专利技术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。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％。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·％。为了实现上述目的，本专利技术还提供一种低密度高韧度钢的制备方法，包括以下步骤：(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；(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。作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，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。作为本专利技术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％。作为本专利技术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。与现有技术相比，本专利技术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。本专利技术提供的低密度高韧度钢中的各化学元素作用分析如下：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。本专利技术的Mn含量为12％～25％。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。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。本专利技术的碳含量为0.4％～2％。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。本专利技术的镉含量为0.6％～1.5％。V：将钒元素加入钢中能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。本专利技术的镉含量为0.1％～0.5％。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。本专利技术的镉含量为0.1％～0.5％。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。本专利技术的镉含量为0.05％～0.2％。本专利技术的低密度高韧度钢，至少具有以下优点：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；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；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。4)相比Fe-Mn-Al-C系高锰钢的第二相强化，本专利技术中添加高熔点金属元素，能有效控制金属间化合物对材料塑性带来的负面影响。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，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专利技术的一些实施例，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。图1是本专利技术实施例所提供的低密度高韧度钢的制备方法的流程图；图2是本专利技术实施例1所提供的低密度高韧度钢的SEM照片；图3是本专利技术实施例2所提供的低密度高韧度钢的SEM照片；图4是本专利技术实施例3所提供的低密度高韧度钢的SEM照片；图5是本专利技术实施例4所提供的低密度高韧度钢的SEM照片。【具体实施方式】为了使本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：石海，石荡赫，喻哲，滕朝艳，周海，胡涛，
申请(专利权)人：重庆金康新能源汽车设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50