一种低密度高强度钢的制备方法

本发明涉及一种低密度高强度钢的制备方法，属于金属材料。

背景技术：

1、随着汽车工业的持续快速发展，汽车保有量大幅增长，全球汽车已超过10亿辆。汽车已成为世界能源消耗和污染物排放的主要来源。各发达国家均制订了严格的法规来限制汽车燃油消耗和温室气体的排放。研究表明，汽车轻量化是降低能耗、减少排放最有效措施之一。例如汽车每减少100kg，可节省燃油0.3～0.5l/(100km)，可减少co2排放8～11g/(100km)。因此，自20世纪90年代以来，许多大型研究计划积极推动了汽车轻量化技术的研究，以之作为应对石油资源短缺和环境污染问题的一项关键技术。作为汽车轻量化过程中的关键，低密度高强度钢是一种具有高强度、高塑性，低密度等特点的轻量化的材料，将低密度高强度钢应用于汽车工业，可以在节能减排促进环保的基础上提升车身结构的强度，提升安全性。目前已经有低密度高强度钢引起了汽车工业的关注，我国也在低密度钢的生产领域实现了突破。实现钢材轻量化的一种方法是加入轻量化的合金元素铝(al)，其中铁(fe)的密度为7.86g/cm3而铝(al)的密度为2.7g/cm3。在钢中加入al来降低密度的原理有两方面，一种是钢铝之间的冶金结合改变了钢的点阵参数从而引起的体积增大来降低密度，还有一方面是铝本身的原子质量比较低。

2、然而，在目前的生产方法中，钢中的铝元素大都是通过熔炼的方式加入的，在这种生产方式中，钢的熔炼温度与铝的熔炼温度差异较大，在温度较高时铝的烧损率会极大的增加，不利于降低生产过程中的消耗。过度熔炼同时还会提高熔液氧化物、氮化物、碳化物的比率，导致非金属夹杂物的产生。大量的铝元素在钢液凝固时会出现严重的偏析，从而降低产品的性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有低密度高强度钢制备方法中材料利用率低、生产耗能高、力学性能差、生产周期长等问题，提供一种新型低密度高强度钢的制备方法，该方法利用高压高温原子扩散化学反应原理，将纯铝或铝合金箔(板)与低碳钢箔(板)交叉堆叠轧制，制备出材料利用率高、生产效率高、力学性能优异的低密度高强度钢，具体包括以下步骤：

2、(1)首先将铝合金板和钢板进行表面处理，清除表面氧化膜和油脂等表面污染物；

3、(2)将处理后的金属板交叉叠放至压力模具内并保压一定时间后取出；

4、(3)将板材在炉内预热后进行热轧；

5、(4)将热轧后的板材进行切割堆叠加热并再次进行热轧；

6、(5)对热轧后的高强度低密度板材进行真空退火热处理；

7、(6)对热处理后的低密度高强度钢板材进行切边整形和表面处理。

8、本发明的特点在于采用冷压加热轧的工艺生产低密度高强度钢板材，将纯铝或铝合金箔(板)与低碳钢箔(板)交叉堆叠冷压并轧制可以有效的将钢和铝合金紧密结合在一起，并且在界面上实现大量的冶金结合。此生产方式成本低效率高，可在保证复合板材满足性能要求的前提下，减少原材料的损耗。

9、本发明的有益效果：

10、(1)本发明采用冷压-叠轧方法制备低密度高强度钢，与传统合金熔炼相比，极大的减少了生产过程中的能耗，采用直接对固态的钢铝原材料进行变形和结合，也有效降低了铝合金原材料的过程损耗，且避免了夹杂物的产生，提高了产品的物理性能。另一方面，成形过程中受到挤压作用，组织致密、无缩松缩孔缺陷，力学性能高；此外，该发明所制备的材料，在经过横向的延展和纵向减薄之后增大了铝合金与钢的接触面积并细化了晶粒。使材料性能进一步提升。在最初阶段对材料进行冷压，可以帮助挤出板材之间的气体，避免在后续的加热过程中大量的表面被氧化，同时将界面贴合让金属原子开始进行扩散并使材料发生初步的变形。在热轧阶段控制板材预热温度和调整适当的压下率可以有效的避免钢板变形过程中的开裂情况，这是保证材料性能的的关键因素，同时由于板材变形过程中的减薄和延展，大量的新鲜金属界面发生贴合，在这样的界面上钢和铝之间的扩散可以更好的进行，最终达到板材之间产生大量冶金结合的优异效果。多道次轧制使钢铝之间发生完全合金化。

11、(2)本发明由于采用了固固结合的方式来进行生产，可以方便的调整材料中铝元素的含量，通过控制铝元素添加量和温度的变化可以根据需要来调节不同的金属间化合物如fe3al、feal3，feal等的含量。

技术特征：

1.一种低密度高强度钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述低密度高强度钢的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中金属板材的表面处理，清除油脂用碱洗，清除表面氧化膜用酸洗，机械打磨可以用钢丝刷。

3.根据权利要求1所述低密度高强度钢的制备方法，其特征在于：所述铝合金板的厚度为0.1-2mm，钢板的厚度为0.1-1mm。

4.根据权利要求1所述低密度高强度钢的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的堆叠方式为单层的交叉堆叠放置且最外层为铝合金或钢，保压的压强为40-160mpa，且保压时间为5-10分钟。

5.根据权利要求1所述低密度高强度钢的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中预热温度为300℃-500℃，升温速度不超过20℃/min。轧辊温度400℃-500℃，压下率为40％-60％。

6.根据权利要求1所述低密度高强度钢的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的预热及热轧条件与步骤(3)相同，且步骤(4)能多次重复直到取得理想的扩散结合效果。

7.根据权利要求1所述低密度高强度钢的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中的退火温度为400℃-600℃。

8.根据权利要求1所述的低密度高强度钢，其特征在于：所述低密度高强度钢的密度低于7.0g/cm3且延伸率不低于20％。

技术总结
本发明公开一种低密度高强度钢的制备方法，属于金属材料技术领域。本发明将多块纯铝或铝合金箔(板)与低碳钢箔(板)交叉堆叠，对样品的边缘进行焊接，形成坯料，然后将坯料放入压力机先进行冷压并保压，在冷压一定时间后取出，将冷压后的材料预热并放入热轧机中进行轧制，在一个轧制道次后将板材切割并再次堆叠继续轧制，在几个热轧道次后获得固固结合的低密度高强度钢材料，然后对其进行退火热处理。本发明采用热压多层复合制备低密度高强度钢，在温度和压力的共同作用下实现了不同元素之间的合金化，生产效率高、成本低、产品质量高、材料利用率高、得到高性能低密度高强度钢板材。

技术研发人员：姜庆伟,刘博文,王洪岗,张晓青,张守健,严光茂
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11