本發(fā)明涉及一種低密度超高強度鋼及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：為了實現(xiàn)節(jié)約能源，提高燃油經(jīng)濟性，減少CO2排放量，輕量化已成為當下各種交通工具的重要發(fā)展趨勢。一種思路是通過提高鋼的強度和塑性等力學(xué)性能，以減少所需鋼材的用量，達到減重的目的。另一種思路是通過添加Al等合金元素降低鋼是密度，同時通過優(yōu)化成分和控制處理工藝保證鋼的力學(xué)性能，來獲得兼具低密度和高強度的鋼材。研究表明，每添加1％的Al，鋼的密度下降0.101g/cm3，可減重約1.3％；每添加1％的C，鋼的密度下降0.41g/cm3，可減重約5.2％，而汽車自重每減少10％，油耗可降低6-8％，可有效的節(jié)約資源?，F(xiàn)階段，低密度鋼成分體系主要采用Fe-Mn-Al-C系，相關(guān)研究主要涉及成分和熱處理工藝變化對力學(xué)性能和變形機理的影響。目前大多數(shù)Fe-Mn-Al-C系低密度鋼的抗拉強度都在1300MPa以下，如何進一步提高鋼的抗拉強度是開發(fā)該系列鋼種所面臨的一個重要問題。已報道的一種低密度高塑性NiAl增強超高強度鋼，主要是依靠添加Ni元素形成NiAl來提高鋼的抗拉強度，該鋼抗拉強度達到1350MPa以上，但因其添加了5-15％的Ni元素，導(dǎo)致成本大大提高。技術(shù)實現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明是目的之一在于提供一種低密度超高強度鋼，該鋼在不提高鋼材成本的條件下，顯著提高了鋼的抗拉強度。本發(fā)明的目的之二在于提供一種上述低密度超高強度鋼的制備方法。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種低密度超高強度鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為：C0.6-1.6％，Al5-10％，Mn15-30％，Nb0.01-0.2％，Mo0.1-3％，Cr≤5％，Ti≤0.5％，Si≤2％，B≤0.6％，其余為Fe及其他不可避免的雜質(zhì)元素。一種本發(fā)明所述低密度超高強度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按本發(fā)明所述超高強度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，進行真空熔煉：將原料裝入爐中，抽真空至真空度<50Pa時，加熱使原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度<1Pa，溫度為1600-1700℃時保溫30分鐘-2小時進行精煉，充分脫氧后在氬氣保護下進行合金化，然后澆注并在真空下冷卻得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入爐內(nèi)，通氬氣保護，壓強為100-150Pa，加熱至完全熔化后保溫2-5小時，冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度不高于600℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1150-1220℃時，保溫9-15小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1080-1120℃，終鍛溫度為780-850℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯。(4)熱處理：將鍛坯進行固溶處理：在溫度為950-1100℃下，保溫1-3小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進行時效處理：在溫度為400-500℃下，保溫4-10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度超高強度鋼。優(yōu)選的，真空熔煉采用真空感應(yīng)爐。優(yōu)選的，重熔時選用真空自耗重熔或電渣重熔的方法。有益效果(1)本發(fā)明所述一種低密度超高強度鋼，該鋼成本低，強度達到1350MPa以上，密度為6.8-7.0g/cm3，適用于車輛、飛機等交通運輸工具的輕量化，符合節(jié)能減排的發(fā)展理念。(2)本發(fā)明所述一種制備低密度超高強度鋼的方法，該方法通過復(fù)合添加Nb和Mo析出細小彌散的NbMoC相，協(xié)同κ-碳化物進行析出強化，顯著提高了鋼的抗拉強度，該方法操作簡單，工藝可靠。本發(fā)明的成分設(shè)計依據(jù)如下：C：C是重要的奧氏體穩(wěn)定化元素，可促進基體奧氏體化，同時有助于降低密度。其作用主要是與Mn和Al元素形成κ-碳化物((Fe，Mn)3AlC)，以及與Nb和Mo形成NbMoC，二者復(fù)合析出產(chǎn)生強化，提高鋼的強度。C含量過低時，形成的碳化物數(shù)量少，強度較低。隨C含量增加，奧氏體的含量和穩(wěn)定性都增加，鋼的強度和延伸率都可得到提升，但基體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，繼續(xù)增加C會導(dǎo)致塑性降低。過高的C含量還會導(dǎo)致奧氏體晶界處形成粗大的κ-碳化物，降低其延伸率。因此，本發(fā)明的C含量為0.6-1.6％。Al：Al的添加可顯著降低鋼的密度，同時和C一同促進κ-碳化物的形成。Al含量過低時不會形成κ-碳化物，且降低密度效果不明顯。Al是鐵素體穩(wěn)定化元素，隨其含量增加，基體中會逐漸出現(xiàn)鐵素體組織，會使鋼的強度增加而塑性降低。Al含量過高會導(dǎo)致分布在組織邊界處的κ-碳化物數(shù)量增多，進而促進裂紋形成?？傮w來說Al含量增加雖然有利于鋼強度提升但會明顯降低塑性，不利于良好的強塑性匹配。所以，本發(fā)明的Al含量為5-10％。Mn：Mn的主要作用是作為奧氏體穩(wěn)定化元素，被大量加入以獲得奧氏體為基體的組織。奧氏體有利于鋼保持較高的加工硬化率，從而獲得良好的強塑性配合。Mn還可以提高鋼的加工硬化性能，從而提高鋼的強度。但過高的Mn含量會導(dǎo)致鋼的抗氧化性下降；并且，隨錳含量的增加，鋼的熱導(dǎo)率急劇下降，線脹系數(shù)上升，使快速加熱或冷卻時形成較大內(nèi)應(yīng)力，工件開裂傾向增大。因此，本發(fā)明的Mn含量為15-30％。Nb：Nb的添加首先是與Mo形成細小的NbMoC，作為障礙物與可動位錯交互作用產(chǎn)生析出強化，同時結(jié)合κ-碳化物的析出一同顯著提高鋼的強度。Nb本身是強碳化物形成元素，可與鋼中的C形成NbC，同樣對鋼有析出強化作用。并且，Nb在鋼中可以以置換溶質(zhì)原子存在，通過溶質(zhì)拖曳機制使再結(jié)晶形核受到抑制，提高了奧氏體的再結(jié)晶溫度而使奧氏體晶粒細化。但Nb屬于微量合金元素，且成本較高，因此，本發(fā)明的Nb含量為0.01-0.2％。Mo：Mo的添加是為了與Nb一起形成細小的NbMoC，獲得較大的析出強化效果。有研究表明，對于單獨添加Nb的鋼而言，Nb元素可使其強度得到提升，但在此基礎(chǔ)上加入Mo可進一步提升鋼的強度，提升幅度可達100-150MPa。此外，Mo還能夠提高鋼的淬透性和熱強性，但Mo含量過高會使鋼的抗氧化性惡化，因此，本發(fā)明的Mo含量為0.1-3％。具體實施方式結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。拉伸試驗設(shè)備：型號為INSTRON5985的電子萬能材料試驗機(美國英斯特朗)；實施例中拉伸強度測試標準：GB/T228-2002；抗拉強度，屈服強度和延伸率均由拉伸試驗所得的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線按GB/T228-2002測得。真空感應(yīng)爐為錦州中真電爐有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZG-0.05真空感應(yīng)爐；電渣爐為上海凱越自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的0.5噸氣氛保護電渣爐。根據(jù)本發(fā)明一種低密度超高強度鋼的化學(xué)成分范圍，制備39公斤的合金錠7爐。表1為本發(fā)明實施例制得的所述低密度超高強度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比(wt％)。表1實施例爐號C/wt％Mn/wt％Al/wt％Nb/wt％Mo/wt％Cr/wt％Ti/wt％11#0.627100.23.050.122#0.92580.121.1--33#1.32590.010.940.244#1.21550.030.8--55#1.43080.11.04-66#1.52580.10.14-77#1.62290.151.550.1續(xù)表1實施例爐號Si/wt％B/wt％P/wt％S/wt％O/wt％N/wt％Fe/wt％11#-0.10.0030.00350.00190.0022余量22#--0.0040.0040.00160.0020余量33#0.50.40.00350.0030.00100.0030余量44#0.3-0.0030.0040.00150.0025余量55#-0.50.00350.00350.00100.0025余量66#1.90.10.0020.0040.00150.0030余量77#0.8-0.0030.0040.00120.0020余量實施例1一種低密度超高強度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中1#爐所對應(yīng)的所述超高強度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧后在氬氣保護下進行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護，壓強為100Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至84kW，保持該功率5小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1150℃時，保溫15小時，隨爐冷卻至室溫，均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1080℃，終鍛溫度為780℃，在空氣中冷卻至室溫，鍛造得到鍛坯，鍛坯為尺寸：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯，然后將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為950℃下，保溫3小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進行時效處理：在溫度為400℃下，保溫10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例2一種低密度超高強度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中2#爐所對應(yīng)的所述超高強度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧后在氬氣保護下進行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將的鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護，壓強為120Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至87.5kW時鋼錠完全熔化，保持該功率2小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為580℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1220℃時，保溫9小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將上述鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1120℃，終鍛溫度為850℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯，鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：溫度為1100℃下，保溫1小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進行時效處理：在溫度為500℃下，保溫4小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例3一種所述低密度超高強度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中3#爐所對應(yīng)的所述超高強度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1650℃時保溫1.5小時進行精煉，充分脫氧后在氬氣保護下進行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護，壓強為150Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至86kW時鋼錠完全熔化，保持該功率3小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將上述得到的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1190℃時，保溫12小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為820℃，在空氣中冷卻至室溫得到鋼錠，鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為1070℃下，保溫2小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進行時效處理：在溫度為450℃下，保溫7小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例4一種低密度超高強度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中4#爐所對應(yīng)的所述超高強度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧后在氬氣保護下進行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護，壓強為150Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至87kW時鋼錠完全熔化，保持該功率4小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1160℃時，保溫12小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為800℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯，所述鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為970℃下，保溫3小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進行時效處理：在溫度為450℃下，保溫8小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例5一種低密度超高強度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中5#爐所對應(yīng)的所述超高強度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧后在氬氣保護下進行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護，壓強為150Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至87kW時鋼錠完全熔化，保持該功率4小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將上述得到的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1180℃時，保溫10小時，隨爐冷卻至室溫，得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為800℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯，所述鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為1050℃下，保溫1.5小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進行時效處理：在溫度為450℃下，保溫8小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例6一種低密度超高強度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中6#爐所對應(yīng)的所述超高強度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧后在氬氣保護下進行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護，壓強為100Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至85kW時鋼錠完全熔化，保持該功率5小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1160℃時，保溫12小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為800℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯，所述鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為1000℃下，保溫2小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進行時效處理：在溫度為470℃下，保溫6小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例7一種低密度超高強度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中7#爐所對應(yīng)的所述超高強度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧后在氬氣做保護氣下進行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護，壓強為100Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至84kW時鋼錠完全熔化，保持該功率5小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將上述得到的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1160℃時，保溫12小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為800℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯，所述鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為1020℃下，保溫2小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進行時效處理：在溫度為,470℃下，保溫6小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。將實施例1～7中制得的所述拉伸試樣毛坯經(jīng)磨削加工成橫截面直徑d為5mm，原始標距L0為25mm的標準比例拉伸試樣，進行力學(xué)性能測試如表2所示，其中σb表示拉伸強度，σ0.2表示屈服強度，A表示延伸率。表2實施例爐號σb/MPaσ0.2/MPaA/％密度/(g/cm3)11#13101130267.022#13601190276.933#14001240236.944#13601190207.055#14101260186.866#14501290196.877#14301270146.8當前第1頁1 2 3