一种强塑积≥40GPa·%的热轧低密度钢的制备方法与流程

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种强塑积≥40GPa·％的热轧低密度钢的制备方法。

背景技术：

现代汽车的发展趋势是轻量、节能、防腐和安全舒适等。减轻汽车自重是提高汽车燃油经济性、节约能耗的重要措施之一。世界铝业协会的报告指出，汽车自重每减少10％，燃油消耗可降低6％～8％；而每减少1L的燃油消耗，会少排放2.45kg的CO₂。

在保证安全的条件下，可以通过使用高强钢、减薄其厚度来实现汽车结构材料的轻量化。目前，双相钢、相变诱导塑性钢、复相钢、马氏体钢等一系列高强钢在汽车上已经得到广泛的应用。此类钢虽然通过高强减薄实现了轻量化目标，但其材料本身并没有轻量化，为此，人们开始从材料的物理密度着手，高强减薄的同时研究钢的低密度轻质化，通过添加密度较小的合金元素来减轻钢的密度，试图从多方面实现轻量化。

钢铁材料的密度可以通过添加铝、硅、锰等轻合金元素来降低。钢中加入这些合金时，一方面可以扩大钢的点阵参数实现体积增大，另一方面这些合金元素本身的原子质量较低，两方面结合实现密度的降低。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。因此，高强度高韧性低密度钢是汽车领域的最佳应用材料。

技术实现要素：

本发明通过合理的成分设计，将Al、Mn含量控制的最佳范围之内降低钢的密度，加入V元素，利用V的细晶强化和析出强化作用提高钢的强度，并通过优化的制备工艺，控制其组织构成和析出物分布，从而使本发明钢获得所需的低密度、高强度、高延性、高强塑积等优异的力学性能指标。

本发明钢在成分设计时，重点考虑了以下元素，具体为：

将C作为本发明钢的强奥氏体化元素，因为C可以扩大并稳定奥氏体相区，起到固溶强化的作用，且C含量的增加有利于提高钢中的奥氏体相含量，使钢获得良好的强度和韧性；但过高的C含量会影响钢焊接性能。故综合考虑将C含量以质量百分比计定在0.6％～1.0％范围内，优选0.7％～0.9％。

将Mn作为本发明钢的轻质化元素之一，因为Mn的密度为7.43g/cm³，而Fe的密度为7.85g/cm³，故Mn可以降低本发明钢的密度。另外，将Mn作为主要的奥氏体化合金元素之一，因为Mn能扩大奥氏体相区，稳定奥氏体组织，同时起到固溶强化的作用，相比铁素体，奥氏体具有更强的加工硬化能力。故综合考虑，将Mn含量以质量百分比计定在8％～12％范围内，优选9％～11％。

将Al作为本发明钢的轻质化元素之一，因为Al的密度为2.7g/cm³，远低于7.85g/cm³的Fe密度，可以明显降低材料密度。一定的Al含量还可以显著提高钢的热变形抗力，提高钢的耐蚀性，延迟动态开裂，并且Al还可以显著提高钢的层错能，改变变形机理，含Al的中锰钢在发生猛烈碰撞时可以有一定的缓冲作用。但考虑到Al是强铁素体化元素，过高的Al含量易促进铁素体相的形成，降低奥氏体相含量，故将Al含量以质量百分比计定在7％～11％范围内，优选8％～9％。此处需要指出的是，冶炼过程中Al元素烧损严重，还应注意该元素的合理配比。

本发明钢中加入V，主要是利用V的细晶强化和析出强化作用。V能充分溶解在奥氏体中并且在先共析铁素体析出细小V(C，N)粒子，这种析出能明显提高钢的强度。此外，在奥氏体中高的V(C，N)溶解度允许使用较低的再加热温度，这意味着较低的生产成本。本发明钢的变形机制以位错滑移为主，V的加入可以在钢中析出细小的沉淀相，这些沉淀相一方面可以提高形核率、阻碍晶粒长大来细化晶粒；另一方面可以阻碍位错运动来提高强度，使得最终获得良好的综合力学性能。因此将V含量以质量百分比计定在0.01％～0.2％范围内，优选0.05％～0.15％。

本发明钢中的P、S均为有害元素，易引起钢的脆断，降低钢板韧性，使成型性变差，因此在冶炼过程中需要严格控制钢中的P、S含量，但实际冶炼中，其含量不可能为零，故本发明要求这两种元素在可控制的范围内尽量低，即以质量百分比计P≤0.003％、S≤0.002％。

本发明采用的具体技术方案如下：

本发明的一种强塑积≥40GPa·％的热轧低密度钢及其制备方法，化学成分以质量百分比计为：0.6％～1.0％C、8％～12％Mn、7％～11％Al、0.01％～0.2％V、P≤0.003％、S≤0.002％，余量为Fe及不可避免杂质，该钢密度为6.48～7.08g/cm³,具体制备工艺步骤如下：

1)冶炼并浇铸成坯，将铸坯锻造成扁坯；

2)将扁坯加热至1150℃～1200℃，保温至组织均匀化后进行6道次热轧，热轧开轧温度1070℃～1120℃，终轧温度850℃～900℃，累计变形量87％～92％，轧后水冷至200℃～300℃进行卷取，然后空冷至室温，得到热轧钢带；

3)将热轧钢带进行固溶处理，然后直接水淬至室温，得到成品低密度钢带。

本发明的一种强塑积≥40GPa·％的热轧低密度钢及其制备方法，其特征在于：

铸坯锻造过程中要求消除铸坯的组织缺陷，锻造成的扁坯无成分偏析，无缩孔和疏松缺陷。

制备步骤3)中的固溶处理温度为900℃～950℃，保温时间为1h。

淬火后的热轧低密度钢的组织为奥氏体+铁素体双相组织，奥氏体中有退火孪晶，晶粒内有纳米级的钒析出物，可以起到细晶强化和析出强化的作用。

优选地，本发明钢的化学成分以质量百分比计含有0.7％～0.9％C。

优选地，本发明钢的化学成分以质量百分比计含有9％～11％Mn。

优选地，本发明钢的化学成分以质量百分比计含有8％～9％Al。

优选地，本发明钢的化学成分以质量百分比计含有0.05％～0.15％V。

本发明的一种强塑积≥40GPa·％的热轧低密度钢及其制备方法，其特征在于：淬火后的热轧低密度钢的屈服强度719MPa～752MPa，抗拉强度910MPa～925MPa，断后延伸率43％～48％，强塑积≥40GPa·％。

本发明的热轧低密度钢，与其他先进高强汽车用钢相比，具有以下优点：

(1)本发明钢具有优良的综合力学性能，固溶处理后具有强度和塑性的优良匹配(高强度和高断后延伸率)，碰撞吸收能较高。

(2)本发明生产工艺简单，采用热轧+固溶处理方法，无需冷轧，生产工序短，节约时间和成本。

(3)本发明采用合理的合金元素配比，在保证钢板优良的综合力学性能的基础上，降低了钢板密度，减重效果明显。

(4)本发明钢加入了微合金元素钒，钒会在晶粒内析出纳米级的V(C,N)，起到细晶强化和加工硬化的效果，提高了钢的强度和塑性。另外，V相比其他合金较为廉价，一方面降低实际工业生产成本，同时还可以降低钢的碳当量，有利于钢板后续生产中的进焊接组装。

附图说明：

附图1是本发明实施例1固溶处理后典型的金相组织照片。

附图2是本发明实施例1固溶处理后透射电镜观察的晶内钒的析出物照片。

具体实施方式

实施例1

本发明实施例1的化学成分及密度如表1所示，具体实施工艺为：(1)真空冶炼炉冶炼并浇铸成坯，将铸坯锻造成扁坯，锻造过程中消除铸坯中的成分偏析，去除缩孔、疏松等缺陷；(2)扁坯加热至1150℃，保温至组织均匀化后进行6道次热轧，热轧开轧温度1080℃，终轧温度865℃，累计变形量87％，轧后水冷至240℃进行卷取，然后空冷至室温，得到热轧钢带；(3)将热轧钢带进行固溶处理，固溶处理温度900℃，保温时间60min，然后直接水淬至室温，得到成品低密度钢带。

对成品钢带进行组织观察分析，观察成品钢带的组织为铁素体+奥氏体双相组织，奥氏体中存在退火孪晶，晶粒内有纳米级的钒析出物，金相组织照片如附图1所示，析出物照片如附图2所示。力学性能检测得到的结果如表2所示。

实施例2

本发明实施例2的化学成分及密度与实施例1完全相同，如表1所示，具体实施工艺为：(1)真空冶炼炉冶炼并浇铸成坯，将铸坯锻造成扁坯，锻造过程中消除铸坯中的成分偏析，去除缩孔、疏松等缺陷；(2)扁坯加热至1180℃，保温至组织均匀化后进行6道次热轧，热轧开轧温度1100℃，终轧温度890℃，累计变形量92％，轧后水冷至265℃进行卷取，然后空冷至室温，得到热轧钢带；(3)将热轧钢带进行固溶处理，固溶处理温度950℃，保温时间60min，然后直接水淬至室温，得到成品低密度钢带。

对成品钢带进行组织观察分析，观察成品钢带的组织为铁素体+奥氏体双相组织，奥氏体中存在退火孪晶，晶粒内有纳米级的钒析出物。力学性能检测得到的结果如表2所示。

对比例1、对比例2、对比例3

对比例1、对比例2、对比例3的化学成分及密度均与实施例1相同，制备方法与均实施例1基本相同，不同之处在于，对比例1的固溶处理温度为800℃，对比例2的固溶处理温度为850℃，对比例3的固溶处理温度为1000℃。力学性能检测得到的结果如表2所示。

实施例3

本发明实施例3的化学成分及密度如表1所示，具体实施工艺与实施例1相同。

观察得到淬火后钢带的组织为铁素体+奥氏体双相组织，奥氏体中存在退火孪晶，晶粒内有纳米级的钒析出物。力学性能检测得到的结果如表2所示。

实施例4

本发明实施例4的化学成分及密度如表1所示，具体实施工艺与实施例2相同。

观察得到淬火后钢带的组织为铁素体+奥氏体双相组织，奥氏体中存在退火孪晶，晶粒内有纳米级的钒析出物。力学性能检测得到的结果如表2所示。

表1实施例钢与对比例钢的化学成分(质量百分比，％)及密度

表2实施例钢和对比例钢的固溶处理温度及力学性能

本发明钢三个实施例可以看出：

对比例1、对比例2、实施例1、实施例2、对比例3的力学性能结果可以看出：当成分完全相同时，固溶处理温度对力学性能的影响较大；固溶温度在800℃～1000℃范围内时，屈服强度和抗拉强度均呈现逐渐降低的趋势，而断后能延伸率则呈现先升高后降低的趋势；固溶温度为900℃和950℃时，延伸率均大于40％，有最优的强度塑性匹配，强塑积高达40GPa·％级。

所有实施例的力学性能屈服强度为719MPa～752MPa，抗拉强度为910MPa～925MPa，断后延伸率为43％～48％，强塑积均≥40GPa·％，具有高强度、高断后伸长率、优异的强度塑性匹配、高强塑积的特点。

组织上看本发明钢的组织均为铁素体+奥氏体双相组织，变形机制以位错滑移为主，V的加入可以在钢中析出细小的纳米级沉淀相，这些沉淀相一方面可以提高形核率、阻碍晶粒长大来细化晶粒；另一方面可以阻碍位错运动来提高强度，从而使本发明钢获得良好的综合力学性能。

最后所应说明的是，以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并非用于限制本发明，凡在本发明技术方案的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。