一种铁素体低密度高强钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高强钢，特别涉及一种铁素体低密度高强钢及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 应用高强钢和先进高强钢替代传统低强度级别钢材，可以提高汽车用钢的比强度 (强度与密度之比）和减小结构件的厚度，实现汽车结构轻量化。提高汽车用钢比强度的另 一种有效途径是在维持上述高强钢优良力学性能的基础上，降低钢材的密度。因此，目前开 发低密度、高强韧性钢板正是为了应对进一步实现汽车轻量化的迫切需求。
[0003] 高强钢的力学性能由其化学成分和制造工艺这两类因素共同决定，这两类因素通 过影响高强钢的微观组织来影响其力学性能。现有技术中以奥氏体为主要组成相的低密 度、高强度钢，其钢的主要化学成分为：C含量介于0.6~1.0%之间，Mn含量介于15~30% 之间，以及为降低密度而添加的主要合金元素 A1。这类钢由于合金元素含量过高，其生产成 本昂贵并且可制造性差。
[0004] 现有技术中以铁素体为主要组成相的低密度、高强度钢，其钢中C含量介于0. 1~ 0.5%之间，Ti含量介于0· 1~LO%之间，C+Ti含量为0.2~L 5%;并且，利用Ti (CN)颗 粒细化铸态组织以获取等轴晶和提高低密度钢的后续轧制变形能力。对冷轧钢板采用常规 再结晶退火热处理工艺，所开发的钢板强度低（小于780MPa)。
[0005] 现有技术中以铁素体为主要组成相、包含一定体积含量残余奥氏体的低密度、高 强度钢，为了提高此类钢种的强度和延伸率，往往需要添加高含量的c、Mn和Al元素。但 是，当合金元素含量过高时，钢种的可制造性明显降低；并且，添加过量的Al会抑制铁素体 钢的相变诱导塑性的强韧化机制的发生，反而会降低钢板的强度和塑性。另外，当钢中C含 量过高时，钢板在热加工过程中会发生表层严重脱碳问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种铁素体低密度高强钢及其制造方法，所述高强钢 具有高强度、低密度、高比强度及优良延展性等特点，钢板的抗拉强度彡800MPa，延伸率 彡25%，密度< 7500kg/m3,适用于制造汽车结构件。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：
[0008] 一种铁素体低密度高强钢，其化学成分质量百分数为：C :0. 05~0. 40%，Mn : 4. 0 ~12. 0%，Al :3. 0 ~7. 0%，P 彡 0· 02%，S 彡 0· 01%，N 彡 0· 01%，其余为 Fe 和不可 避免的杂质元素，且上述元素需同时满足如下关系：1.0<Mn/Al，3. 5< I. 5Mn/Al+10C，Mn/ A1+10C < 5. 2〇
[0009] 进一步，所述铁素体低密度高强钢的化学成分还包括至少一种或一种以上的如 下元素 ：Si :0· 01 ~L 5%，Ti :0· 005 ~0· 6%，Nb :0· 005 ~0· 2%，V :0· 005 ~0· 5%， Cr :0. 01 ~0. 5%，Mo :0. 01 ~0. 5%，Ni :0. 05 ~2. 0%，Cu :0. 05 ~1. 0%，B :0. 0005 ~ 0· 003%，Zr :0· 005 ~0· 2%，Re :0· 005 ~0· 1%，Ca :0· 001 ~0· 2%。
[0010] 所述铁素体低密度高强钢的化学成分中Al :3. 0~6. 0%。
[0011] 再，所述铁素体低密度高强钢的显微组织结构主要是铁素体和体积分数为6~ 40 %的残余奥氏体。
[0012] 所述铁素体低密度高强钢的抗拉强度彡800MPa，延伸率彡25 %，密度< 7500kg/ m3〇
[0013] 在本发明的成分设计中：
[0014] C :C是重要固溶强化元素，可以显著提高钢板的屈服强度和抗拉强度。与Mn的作 用相类似，C是促进奥氏体形成和稳定化元素。C与Mn和（或）Al元素一道通常在钢的基 体中形成κ碳化物（Fe，MrO3AlC或渗碳体（Fe，Mn) 3C。在富含Al的低密度钢中，当C含量 过高时，钢板表面脱碳严重。因此，本发明控制C含量为0.05~0.40%。
[0015] Mn :Mn在本发明中是主要合金元素。Mn能增加奥氏体稳定性和促进奥氏体生成。 Mn降低钢淬火时临界冷却速度以及提高钢的淬透性，会促进热轧钢板的基体中形成马氏体 组织。这些马氏体组织可以经退火热处理转变生成亚稳态奥氏体，从而增加热轧钢板的冷 轧变形能力以及最终退火钢板的强塑性。Mn能够提高钢的加工硬化能力，从而提高钢板强 度。Mn还可以减弱或消除S所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。但是，过高 Mn含量会引起铸造板坯中Mn偏析以及热轧板中明显的带状组织分布，从而最终降低冷轧 退火钢板的弯曲性能；并且，过高Mn含量会使钢中奥氏体组织过分稳定而无法被形变诱导 马氏体相变。因此，本发明控制Mn含量为4. O~12.0%。
[0016] Al :A1在本发明中是主要合金元素。添加 Al元素可显著降低钢板密度，故控制Al 含量的下限为3. 0%。Al是强铁素体形成元素，添加过量Al会抑制奥氏体形成，以及促进 (Fe，Al)金属间化合物在钢的基体中形成，从而降低钢板的轧制变形能力和力学性能。另 外，Al元素能显著增加钢中奥氏体的堆垛层错能，添加过量的Al会抑制钢中残余奥氏体在 形变时被诱发马氏体相变，从而使钢板无法获得良好的强度和塑性匹配。这一现象尤其会 发生在Mn含量同时处于较高水平的情况下。因此，本发明控制Al含量为3. O~7. 0%，优 选 3. O ~6. 0%。
[0017] 本发明中Μη、Α1和C元素的含量需要同时满足1.0 < Mn/Al、3. 5 < I. 5Mn/Al+10C 以及Mn/Al+10C < 5. 2。本发明在成分设计上充分考虑利用Al来降低钢板密度，同时限定 I. 0 < Mn/Al和3. 5 < I. 5Mn/Al+10C，使冷轧钢板在退火过程中通过包括奥氏体逆相变在 内的转变机制形成多于6% (体积分数）的亚稳态残余奥氏体，并且残余奥氏体具有良好稳 定性，使所制备钢板的抗拉强度彡800MPa、延伸率彡25% ;反之，则所制备钢板的显微组织 中包含大量铁素体组织，钢板的强度和塑性均较低。
[0018] 本发明限定Μη/Al+lOC < 5. 2,以维持钢板具有良好的冷轧可变形性；另外，当钢 种成分满足这一条件时，钢板的显微组织中包含适量的高温铁素体，从而使钢板具有良好 的焊接性，并且使退火钢板中所含残余奥氏体的体积分数小于40%。如果残余奥氏体的体 积分数高于40%，会引起钢板的扩孔性能明显降低。
[0019] P :P是固溶强化元素；但是P会增加钢的冷脆性，降低钢的塑性，使冷弯性能和焊 接性能变坏。因此，限定钢中P含量<0.02%。
[0020] S :s使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，使焊接性能变坏，降低钢的耐蚀 性。因此，限定S含量彡0.01 %。
[0021] N :N与Al形成A1N，凝固过程中可细化柱状枝晶，但N含量过高时，形成的粗大AlN 颗粒影响钢板的延展性。另外，过量AlN会降低钢的热塑性。因此，限定N含量<0.01 %。
[0022] Si :Si是铁素体固溶强化元素，可提高强度；另外，添加 Si可以显著提高残余奥氏 体的力学稳定性，有助于钢板获取良好强度和塑性的匹配。但是，过高Si含量会降低钢板 的塑性；另外，对于热镀锌钢板来说，过高Si含量使基板的可镀性变差。因此，本发明限定 Si含量为〇· 01~L 50%。
[0023] Ti :Ti与C、N结合会形成Ti (C，N)、TiN和TiC，可细化铸态组织以及抑制热加工 时晶粒粗化。添加过量Ti会使钢的成本增加，并使上述析出物含量增加进而降低钢的延展 性。因此，本发明限定Ti含量为0.005~0.6%。
[0024] Nb :Nb与C、N结合会形成Nb(C