本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，特別涉及一種強塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼的制備方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢是輕量、節(jié)能、防腐和安全舒適等。減輕汽車自重是提高汽車燃油經(jīng)濟性、節(jié)約能耗的重要措施之一。世界鋁業(yè)協(xié)會的報告指出，汽車自重每減少10％，燃油消耗可降低6％～8％；而每減少1L的燃油消耗，會少排放2.45kg的CO₂。

在保證安全的條件下，可以通過使用高強鋼、減薄其厚度來實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)材料的輕量化。目前，雙相鋼、相變誘導塑性鋼、復相鋼、馬氏體鋼等一系列高強鋼在汽車上已經(jīng)得到廣泛的應用。此類鋼雖然通過高強減薄實現(xiàn)了輕量化目標，但其材料本身并沒有輕量化，為此，人們開始從材料的物理密度著手，高強減薄的同時研究鋼的低密度輕質(zhì)化，通過添加密度較小的合金元素來減輕鋼的密度，試圖從多方面實現(xiàn)輕量化。

鋼鐵材料的密度可以通過添加鋁、硅、錳等輕合金元素來降低。鋼中加入這些合金時，一方面可以擴大鋼的點陣參數(shù)實現(xiàn)體積增大，另一方面這些合金元素本身的原子質(zhì)量較低，兩方面結(jié)合實現(xiàn)密度的降低。但鋼中添加的Al元素含量較高時，會導致鋼材的韌性急劇下降，難以滿足汽車領(lǐng)域?qū)︿摬捻g性的要求。因此，高強度高韌性低密度鋼是汽車領(lǐng)域的最佳應用材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過合理的成分設(shè)計，將Al、Mn含量控制的最佳范圍之內(nèi)降低鋼的密度，加入V元素，利用V的細晶強化和析出強化作用提高鋼的強度，并通過優(yōu)化的制備工藝，控制其組織構(gòu)成和析出物分布，從而使本發(fā)明鋼獲得所需的低密度、高強度、高延性、高強塑積等優(yōu)異的力學性能指標。

本發(fā)明鋼在成分設(shè)計時，重點考慮了以下元素，具體為：

將C作為本發(fā)明鋼的強奧氏體化元素，因為C可以擴大并穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，起到固溶強化的作用，且C含量的增加有利于提高鋼中的奧氏體相含量，使鋼獲得良好的強度和韌性；但過高的C含量會影響鋼焊接性能。故綜合考慮將C含量以質(zhì)量百分比計定在0.6％～1.0％范圍內(nèi)，優(yōu)選0.7％～0.9％。

將Mn作為本發(fā)明鋼的輕質(zhì)化元素之一，因為Mn的密度為7.43g/cm³，而Fe的密度為7.85g/cm³，故Mn可以降低本發(fā)明鋼的密度。另外，將Mn作為主要的奧氏體化合金元素之一，因為Mn能擴大奧氏體相區(qū)，穩(wěn)定奧氏體組織，同時起到固溶強化的作用，相比鐵素體，奧氏體具有更強的加工硬化能力。故綜合考慮，將Mn含量以質(zhì)量百分比計定在8％～12％范圍內(nèi)，優(yōu)選9％～11％。

將Al作為本發(fā)明鋼的輕質(zhì)化元素之一，因為Al的密度為2.7g/cm³，遠低于7.85g/cm³的Fe密度，可以明顯降低材料密度。一定的Al含量還可以顯著提高鋼的熱變形抗力，提高鋼的耐蝕性，延遲動態(tài)開裂，并且Al還可以顯著提高鋼的層錯能，改變變形機理，含Al的中錳鋼在發(fā)生猛烈碰撞時可以有一定的緩沖作用。但考慮到Al是強鐵素體化元素，過高的Al含量易促進鐵素體相的形成，降低奧氏體相含量，故將Al含量以質(zhì)量百分比計定在7％～11％范圍內(nèi)，優(yōu)選8％～9％。此處需要指出的是，冶煉過程中Al元素燒損嚴重，還應注意該元素的合理配比。

本發(fā)明鋼中加入V，主要是利用V的細晶強化和析出強化作用。V能充分溶解在奧氏體中并且在先共析鐵素體析出細小V(C，N)粒子，這種析出能明顯提高鋼的強度。此外，在奧氏體中高的V(C，N)溶解度允許使用較低的再加熱溫度，這意味著較低的生產(chǎn)成本。本發(fā)明鋼的變形機制以位錯滑移為主，V的加入可以在鋼中析出細小的沉淀相，這些沉淀相一方面可以提高形核率、阻礙晶粒長大來細化晶粒；另一方面可以阻礙位錯運動來提高強度，使得最終獲得良好的綜合力學性能。因此將V含量以質(zhì)量百分比計定在0.01％～0.2％范圍內(nèi)，優(yōu)選0.05％～0.15％。

本發(fā)明鋼中的P、S均為有害元素，易引起鋼的脆斷，降低鋼板韌性，使成型性變差，因此在冶煉過程中需要嚴格控制鋼中的P、S含量，但實際冶煉中，其含量不可能為零，故本發(fā)明要求這兩種元素在可控制的范圍內(nèi)盡量低，即以質(zhì)量百分比計P≤0.003％、S≤0.002％。

本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的一種強塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼及其制備方法，化學成分以質(zhì)量百分比計為：0.6％～1.0％C、8％～12％Mn、7％～11％Al、0.01％～0.2％V、P≤0.003％、S≤0.002％，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)，該鋼密度為6.48～7.08g/cm³,具體制備工藝步驟如下：

1)冶煉并澆鑄成坯，將鑄坯鍛造成扁坯；

2)將扁坯加熱至1150℃～1200℃，保溫至組織均勻化后進行6道次熱軋，熱軋開軋溫度1070℃～1120℃，終軋溫度850℃～900℃，累計變形量87％～92％，軋后水冷至200℃～300℃進行卷取，然后空冷至室溫，得到熱軋鋼帶；

3)將熱軋鋼帶進行固溶處理，然后直接水淬至室溫，得到成品低密度鋼帶。

本發(fā)明的一種強塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼及其制備方法，其特征在于：

鑄坯鍛造過程中要求消除鑄坯的組織缺陷，鍛造成的扁坯無成分偏析，無縮孔和疏松缺陷。

制備步驟3)中的固溶處理溫度為900℃～950℃，保溫時間為1h。

淬火后的熱軋低密度鋼的組織為奧氏體+鐵素體雙相組織，奧氏體中有退火孿晶，晶粒內(nèi)有納米級的釩析出物，可以起到細晶強化和析出強化的作用。

優(yōu)選地，本發(fā)明鋼的化學成分以質(zhì)量百分比計含有0.7％～0.9％C。

優(yōu)選地，本發(fā)明鋼的化學成分以質(zhì)量百分比計含有9％～11％Mn。

優(yōu)選地，本發(fā)明鋼的化學成分以質(zhì)量百分比計含有8％～9％Al。

優(yōu)選地，本發(fā)明鋼的化學成分以質(zhì)量百分比計含有0.05％～0.15％V。

本發(fā)明的一種強塑積≥40GPa·％的熱軋低密度鋼及其制備方法，其特征在于：淬火后的熱軋低密度鋼的屈服強度719MPa～752MPa，抗拉強度910MPa～925MPa，斷后延伸率43％～48％，強塑積≥40GPa·％。

本發(fā)明的熱軋低密度鋼，與其他先進高強汽車用鋼相比，具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明鋼具有優(yōu)良的綜合力學性能，固溶處理后具有強度和塑性的優(yōu)良匹配(高強度和高斷后延伸率)，碰撞吸收能較高。

(2)本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單，采用熱軋+固溶處理方法，無需冷軋，生產(chǎn)工序短，節(jié)約時間和成本。

(3)本發(fā)明采用合理的合金元素配比，在保證鋼板優(yōu)良的綜合力學性能的基礎(chǔ)上，降低了鋼板密度，減重效果明顯。

(4)本發(fā)明鋼加入了微合金元素釩，釩會在晶粒內(nèi)析出納米級的V(C,N)，起到細晶強化和加工硬化的效果，提高了鋼的強度和塑性。另外，V相比其他合金較為廉價，一方面降低實際工業(yè)生產(chǎn)成本，同時還可以降低鋼的碳當量，有利于鋼板后續(xù)生產(chǎn)中的進焊接組裝。

附圖說明：

附圖1是本發(fā)明實施例1固溶處理后典型的金相組織照片。

附圖2是本發(fā)明實施例1固溶處理后透射電鏡觀察的晶內(nèi)釩的析出物照片。

具體實施方式

實施例1

本發(fā)明實施例1的化學成分及密度如表1所示，具體實施工藝為：(1)真空冶煉爐冶煉并澆鑄成坯，將鑄坯鍛造成扁坯，鍛造過程中消除鑄坯中的成分偏析，去除縮孔、疏松等缺陷；(2)扁坯加熱至1150℃，保溫至組織均勻化后進行6道次熱軋，熱軋開軋溫度1080℃，終軋溫度865℃，累計變形量87％，軋后水冷至240℃進行卷取，然后空冷至室溫，得到熱軋鋼帶；(3)將熱軋鋼帶進行固溶處理，固溶處理溫度900℃，保溫時間60min，然后直接水淬至室溫，得到成品低密度鋼帶。

對成品鋼帶進行組織觀察分析，觀察成品鋼帶的組織為鐵素體+奧氏體雙相組織，奧氏體中存在退火孿晶，晶粒內(nèi)有納米級的釩析出物，金相組織照片如附圖1所示，析出物照片如附圖2所示。力學性能檢測得到的結(jié)果如表2所示。

實施例2

本發(fā)明實施例2的化學成分及密度與實施例1完全相同，如表1所示，具體實施工藝為：(1)真空冶煉爐冶煉并澆鑄成坯，將鑄坯鍛造成扁坯，鍛造過程中消除鑄坯中的成分偏析，去除縮孔、疏松等缺陷；(2)扁坯加熱至1180℃，保溫至組織均勻化后進行6道次熱軋，熱軋開軋溫度1100℃，終軋溫度890℃，累計變形量92％，軋后水冷至265℃進行卷取，然后空冷至室溫，得到熱軋鋼帶；(3)將熱軋鋼帶進行固溶處理，固溶處理溫度950℃，保溫時間60min，然后直接水淬至室溫，得到成品低密度鋼帶。

對成品鋼帶進行組織觀察分析，觀察成品鋼帶的組織為鐵素體+奧氏體雙相組織，奧氏體中存在退火孿晶，晶粒內(nèi)有納米級的釩析出物。力學性能檢測得到的結(jié)果如表2所示。

對比例1、對比例2、對比例3

對比例1、對比例2、對比例3的化學成分及密度均與實施例1相同，制備方法與均實施例1基本相同，不同之處在于，對比例1的固溶處理溫度為800℃，對比例2的固溶處理溫度為850℃，對比例3的固溶處理溫度為1000℃。力學性能檢測得到的結(jié)果如表2所示。

實施例3

本發(fā)明實施例3的化學成分及密度如表1所示，具體實施工藝與實施例1相同。

觀察得到淬火后鋼帶的組織為鐵素體+奧氏體雙相組織，奧氏體中存在退火孿晶，晶粒內(nèi)有納米級的釩析出物。力學性能檢測得到的結(jié)果如表2所示。

實施例4

本發(fā)明實施例4的化學成分及密度如表1所示，具體實施工藝與實施例2相同。

觀察得到淬火后鋼帶的組織為鐵素體+奧氏體雙相組織，奧氏體中存在退火孿晶，晶粒內(nèi)有納米級的釩析出物。力學性能檢測得到的結(jié)果如表2所示。

表1實施例鋼與對比例鋼的化學成分(質(zhì)量百分比，％)及密度

表2實施例鋼和對比例鋼的固溶處理溫度及力學性能

本發(fā)明鋼三個實施例可以看出：

對比例1、對比例2、實施例1、實施例2、對比例3的力學性能結(jié)果可以看出：當成分完全相同時，固溶處理溫度對力學性能的影響較大；固溶溫度在800℃～1000℃范圍內(nèi)時，屈服強度和抗拉強度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，而斷后能延伸率則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；固溶溫度為900℃和950℃時，延伸率均大于40％，有最優(yōu)的強度塑性匹配，強塑積高達40GPa·％級。

所有實施例的力學性能屈服強度為719MPa～752MPa，抗拉強度為910MPa～925MPa，斷后延伸率為43％～48％，強塑積均≥40GPa·％，具有高強度、高斷后伸長率、優(yōu)異的強度塑性匹配、高強塑積的特點。

組織上看本發(fā)明鋼的組織均為鐵素體+奧氏體雙相組織，變形機制以位錯滑移為主，V的加入可以在鋼中析出細小的納米級沉淀相，這些沉淀相一方面可以提高形核率、阻礙晶粒長大來細化晶粒；另一方面可以阻礙位錯運動來提高強度，從而使本發(fā)明鋼獲得良好的綜合力學性能。

最后所應說明的是，以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并非用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明技術(shù)方案的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。