CN108486506A

CN108486506A - 一种高性能低密度钢板的制备方法及应用

Info

Publication number: CN108486506A
Application number: CN201810551305.XA
Authority: CN
Inventors: 刘和平; 高波; 高一波; 程少磊; 孙凤儿; 侯华; 裴海祥; 胡保全
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2018-09-04
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: CN108486506B

Abstract

本发明公开了一种高性能低密度钢板的制备方法及应用，属于金属材料及冶金领域；采用包含限定重量的C、Mn、Al、Si、Ni、Cr、V、Mo、Ti、Nb、S、P，余量为Fe和不可避免的杂质的金属材料；将球磨过的碳化钨和铁粉与熔融的金属材料混合后再通过均匀化处理、多道次热轧变形、淬火分配处理制备而成；本发明制备得到的低密度钢板强度高、耐磨性好，同时重量轻，可以被广泛的应用于汽车、航空航天和船舶等领域，有利于减少二氧化碳等气体的排放，更加环保；本发明生产工艺简单，无需进行冷轧工艺，生产工序短，有利于工业化的推广。

Description

一种高性能低密度钢板的制备方法及应用

技术领域

本发明属于金属材料及冶金领域，特别涉及一种高强度、高耐磨性的低密度钢板的制备方法及应用。

背景技术

随着城市化的加快和汽车工业的迅猛发展，城市交通工具中的汽车，尤其是家用轿车的数量急剧增加。然而因汽车造成的污染如：一氧化碳、一氧化氮、二氧化碳等已成为城市环境及大气环境的主要污染源之一，并且这种趋势仍在继续恶化。而为了节约能耗和减少汽车有害气体的排放，最重要的途径之一就是降低汽车的重量。有报告指出：汽车的自身重量下降10%，其燃油消耗就会降低6%～8%，而降低1L的燃油消耗，就会减少2.45Kg的二氧化碳的排放，这极大地有利于节能环保。

降低汽车重量目前有两种途径。第一种是使用高强钢，通过提高强度降低厚度的方法减轻汽车的重量，虽然减薄降低了重量，但是由于汽车某些部件的刚度禁止降低，所以对钢材的厚度有所限定，并且会出现声学问题，会让乘客感到不适，因此现在人们将注意力放在第二种方法：降低密度的途径来降低汽车本身的重量，如采用密度较低的铝合金材料，可以显著降低汽车密度、节约能耗，但是由于铝合金的价格昂贵、可加工性和焊接性难以控制，所以没有得到广泛应用和工业化生产，因此人们开始将铁与铝形成铁铝合金来降低密度，以避免降低厚度，铁铝合金由于其优异的机械性能和较低的密度，受到了人们广泛的关注。

经对现有技术的文献检索发现，专利201380019217.0公开了一种高强度无晶隙低密度钢及所述钢的制备方法，此发明中，钢的成分质量百分含量为：最多 0.01％的C；最0.2％的Si；最多1.0％的Mn；从6％到最多9％的Al；最多0.010％的N；最多0.080％的Ti；最多0.080％的Nb；最多0.1％的Zr；最多0.1％的V；最多0.01％的S；最多0.1％的P；最多0.01％的B；余量为铁和不可避免的杂质。通过铸造、加热后进行热轧、卷绕、冷轧、连续退火、热浸镀锌的生产工艺制备高强度无晶隙低密度钢。

专利201510383428.3公开了一种铁素体低密度高强钢及其制造方法，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≤0.02％，S≤0.01％，N≤0.01％，其余为 Fe 和不可避免的杂质元素，通过铸造、热轧、热轧后退火、酸洗、冷轧和冷轧后退火生产工艺制备出低密度高强钢板。

专利 201510107144.1公开了一种低密度Fe-Mn-Al-C系冷轧汽车用钢板及制备方法本发明，其化学成分质量百分数为：C:0.65％～0.75％、Mn:14.0％～19.0％、Al:7.0％～10.5％、P<0.003％、S<0.002％，余量为 Fe 及不可避免杂质。制备工艺步骤包括：冶炼、锻造、钢坯加热后进行多道次热轧变形，卷取并进行固溶处理、水淬处理、冷轧、退火处理，制备得到低密度Fe-Mn-Al-C系冷轧汽车用钢板。

以上专利所制备得到的钢虽然密度低，力学性能较为良好，但耐磨损性能较差，并且制备工艺较为复杂，不利于工业化推广。

发明内容

本发明的目的在于改善现有的钢的密度较大且耐磨损性较差的缺点，提供了一种高强度、高耐磨性、低密度钢板及其制备方法。具体为通过在钢的冶炼过程中增加Mn、Al、Si等密度较小的元素，从而降低钢的密度；并加入球磨后的碳化钨与铁粉的混合粉末，增强了钢本身的耐磨损性能，以满足汽车行业用钢的要求，同时减轻汽车本身的重量，降低能耗，从而减少有害气体的排放，更加节能环保。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高性能低密度钢板的制备方法，包括以下步骤：

a）按照如下重量百分比：C：0.2%～1.0%，Mn：4.0%～16.0%，Al：3.0%～12.0%，Si：0.2%～2.0%，Ni：0.1～1.2%，Cr：0.1～0.8%，V：0.01%～0.5%，Mo：0.1%～0.3%，Ti：0.01%～0.2%，Nb：0.01～0.07%，S≤0.03%，P≤0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质，称取含有以上成分及其含量的金属材料。

b）将称取好的所有金属投入高温熔炼炉内使其熔融。

c）将碳化钨和铁粉放入球磨机中进行球磨，并将球磨后的粉末加入到熔融的金属液中，充分搅拌，浇注后得到铸锭；所述的铁与碳化钨的质量比为45-50:1；所述的金属材料的总重量与铁粉和碳化钨的总重量之比为10-15:1。

d）将铸锭预热后锻造成板坯之后进行均匀化处理。

e）进行多道次热轧变形，累计变形量为80-92％，然后水淬至200-300℃，并卷绕热轧带材。

f）将热轧带材进行淬火分配处理。

优选的，所述的高温熔炼炉中的熔炼温度为1500-1550℃。

优选的，所述的球磨参数为：球料比为5:1～7:1，转速为300～500r/min，球磨时间为4～5h。

优选的，所述的铁与碳化钨的质量比为49:1。

优选的，所述的球磨后的粉末通过氮气吹粉机吹入至熔融的金属液，气压为0.2～0.5Mpa。

优选的，所述的进行多道次热轧变形，其中热轧的开轧温度为1000℃～1180℃，终轧温度为850℃～900℃，进行4～6个道次的轧制。

优选的，所述的将热轧带材进行淬火分配处理：是在850-1150℃的温度下保温1-2h，然后水淬至高于发生马氏体相变温度10-20℃，并进行元素分配5-10min，然后空冷。

本发明所述的一种高性能低密度钢板可以应用于汽车的制造过程中。

本发明所述的制备高性能低密度钢板材料的主要成分质量百分含量为C：0.2%～1.0%，Mn：4.0%～16.0%，Al：3.0%～12.0%，Si：0.2%～2.0%，Ni：0.1～1.2%，Cr：0.1～0.8%，V:0.01%～0.5%，Mo：0.1%～0.3%，Ti：0.01%～0.2%，Nb：0.01～0.07%，S≤0.03%，P≤0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质。其中C是重要的固溶强化和奥氏体稳定化元素，可以显著提高钢板的屈服强度和抗拉强度。Mn能增加奥氏体稳定性和促进奥氏体生成，降低钢淬火时临界冷却速度以及提高钢的淬透性和钢的塑性，而且可以降低钢的密度。Al元素的添加可以显著降低钢板密度，并且一定量的Al可以显著提高钢的热变形抗力，同时增加钢本身的耐腐蚀性能。Si以固溶方式存在于钢中时，能够显著提高钢的强度和硬度，也可以提高耐腐蚀性能。Ni是奥氏体稳定化元素，可阻碍高温下晶粒粗化，并且可以提高钢的淬透性。Cr 和Mo可以细化晶粒组织和抑制热加工时晶粒粗化。V有细晶强化和析出强化的作用，并提高组织热稳定性。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。Nb有细晶强化的作用，在提高钢的强度的同时，改善钢的韧性。S的最大危害是引起钢在热加工时开裂，即热脆，还会使钢铸件在铸造应力作用下产生热裂纹，因此作为有害元素，本发明限定含量≤0.03%。P虽然有很强的固溶强化作用，使钢的强度硬度显著增强，但会剧烈的降低钢的韧性，尤其是低温韧性，即冷脆，因此本发明限定含量为≤0.03%。在制备的过程中本发明通过将WC引入到钢中，不仅提高了钢板的强度，而且使得钢板的耐磨损性能有了较为明显的改善，满足现代汽车行业的要求，有利于工业化的推广。

WC为六方晶体，具有硬度高、熔点高、耐磨性好、热膨胀系数小等特点，并具有稳定的化学性质。并且与钢铁液的润湿角几乎为零。由于钢铁液的成形性能好, 与碳化钨颗粒完全润湿, 所以几乎所有的钢铁材料都可作为碳化钨增强颗粒的基体。因此本技术将WC作为增强体加入熔融金属液中。旨在提高钢板的耐磨损性能。

本发明制备得到的低密度钢板强度高、耐磨性好，并有利于大规模的工业化生产，可以被广泛的应用于汽车、航空航天和船舶等领域，有利于减少二氧化碳等气体的排放，更加环保。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

与现有的技术相比，本发明描述了一种高强度、高耐磨性、低密度钢板制备方法，包括铸造、轧制、热处理等步骤。通过添加Mn、Al、Si等较轻的元素，显著降低了钢的密度，WC的加入也显著提高了钢的综合力学性能和耐磨损性。

1）本发明采用低碳、高铝高锰含量设计，在保证钢板优良综合力学性能的基础上，降低了钢板密度，减重效果明显，生产成本低。

2）本发明所制得的低密度钢板有良好的耐磨损性能，同时具有良好的耐腐蚀性能。

3）本发明生产工艺简单，无需进行冷轧工艺，生产工序短，有利于工业化的推广。

4）本发明所制得的高强度、高耐磨性、低密度钢板，由于其具有上述的低密度和优异的机械性能，可以被广泛的应用于汽车、船舶、航空航天领域，减轻重量，以促进降耗减排，更加环保。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

实施例1

按照如下百分比：C：0.5%，Mn：10.0%，Al：8.0%，Si：1.2%，Ni：0.66%，Cr：0.4%，V:0.2%，Mo：0.15%，Ti：0.1%，Nb：0.02%，S：0.01%，P：0.01%，余量为Fe和不可避免的杂质，称取含有以上成分及其含量的金属材料。

步骤2、将所有金属投入高温熔炼炉内使其熔融，熔炼温度为1500℃。

步骤3、将WC和铁粉放入球磨机中进行球磨，其球磨参数为：球料比为5:1，转速为380r/min，球磨时间为4h。铁：WC的质量比为49:1。金属材料的总重量与铁粉和碳化钨的总重量之比为10:1；通过氮气吹粉机吹入的方式，气压为0.25Mpa，充分搅拌，经过精炼除气后浇注后得到铸锭。

步骤4、预热后锻造成板坯。

步骤5、在1100℃的温度下，保温5h。进行均匀化处理。

步骤6、进行4～6道次热轧变形，热轧的开轧温度为1000℃，终轧温度为860℃，累计变形量为85％，然后水淬至250℃，并卷绕热轧带材。

步骤7、将钢进行淬火分配处理：在950℃的温度下保温1h，然后水淬至400℃，并进行元素分配5min，然后空冷。最终得到高强度、高耐磨性、低密度钢板。

实施例2

按照如下百分比：C：0.8%，Mn：12.0%，Al：10.0%，Si：1.0%，Ni：0.8%，Cr：0.6%，V:0.3%，Mo：0.1%，Ti：0.1%，Nb：0.02%，S：0.02%，P：0.02%，余量为Fe和不可避免的杂质，称取含有以上成分及其含量的金属材料。

步骤2、将所有金属投入高温熔炼炉内使其熔融，熔炼温度为1550℃。

步骤3、将WC和铁粉放入球磨机中进行球磨，其球磨参数为：球料比为7:1，转速为500r/min，球磨时间为5h。铁：WC的质量比为45:1；金属材料的总重量与铁粉和碳化钨的总重量之比为15:1；通过氮气吹粉机吹入的方式，气压为0.5Mpa，充分搅拌，经过精炼除气后浇注后得到铸锭。

步骤4、预热后锻造成板坯。

步骤5、在1200℃的温度下，保温3h。进行均匀化处理。

步骤6、进行4～6道次热轧变形，热轧的开轧温度为1100℃，终轧温度为880℃，累计变形量为80％，然后水淬至250℃，并卷绕热轧带材。

步骤7、将钢进行淬火分配处理：在1050℃的温度下保温1.6h，然后水淬至380℃，并进行元素分配8min，然后空冷。最终得到高强度、高耐磨性、低密度钢板。

实施例3

按照如下百分比：C：0.2%，Mn：16.0%，Al：3.0%，Si：2.0%，Ni：0.1%，Cr：0.8%，V:0.01%，Mo：0.3%，Ti：0.01%，Nb：0.01%，S：0.03%，P：0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质，称取含有以上成分及其含量的金属材料。

步骤2、将所有金属投入高温熔炼炉内使其熔融，熔炼温度为1530℃。

步骤3、将WC和铁粉放入球磨机中进行球磨，其球磨参数为：球料比为6:1，转速为450r/min，球磨时间为5h。铁：WC的质量比为50:1；金属材料的总重量与铁粉和碳化钨的总重量之比为12:1；通过氮气吹粉机吹入的方式，气压为0.4Mpa，充分搅拌，经过精炼除气后浇注后得到铸锭。

步骤4、预热后锻造成板坯。

步骤5、在1150℃的温度下，保温3h。进行均匀化处理。

步骤6、进行4～6道次热轧变形，热轧的开轧温度为1180℃，终轧温度为880℃，累计变形量为80％，然后水淬至250℃，并卷绕热轧带材。

实施例4

按照如下百分比：C：2.0%，Mn：4.0%，Al：12.0%，Si：0.2%，Ni：1.2%，Cr：0.1%，V:0.5%，Mo：0.1%，Ti：0.2%，Nb：0.07%，S：0.02%，P：0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质，称取含有以上成分及其含量的金属材料。

步骤3、将WC和铁粉放入球磨机中进行球磨，其球磨参数为：球料比为7:1，转速为500r/min，球磨时间为5h。铁：WC的质量比为49:1；金属材料的总重量与铁粉和碳化钨的总重量之比为13:1；通过氮气吹粉机吹入的方式，气压为0.5Mpa，充分搅拌，经过精炼除气后浇注后得到铸锭。

步骤4、预热后锻造成板坯。

步骤5、在1150℃的温度下，保温3h。进行均匀化处理。

步骤6、进行4～6道次热轧变形，热轧的开轧温度为1100℃，终轧温度为880℃，累计变形量为85％，然后水淬至250℃，并卷绕热轧带材。

步骤7、将钢进行淬火分配处理：在1050℃的温度下保温1h，然后水淬至380℃，并进行元素分配10min，然后空冷。最终得到高强度、高耐磨性、低密度钢板。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种高性能低密度钢板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）按照如下重量百分比：C：0.2%～1.0%，Mn：4.0%～16.0%，Al：3.0%～12.0%，Si：0.2%～2.0%，Ni：0.1～1.2%，Cr：0.1～0.8%，V：0.01%～0.5%，Mo：0.1%～0.3%，Ti：0.01%～0.2%，Nb：0.01～0.07%，S≤0.03%，P≤0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质，称取含有以上成分及其含量的金属材料；

b）将称取好的所有金属投入高温熔炼炉内使其熔融；

c）将碳化钨和铁粉放入球磨机中进行球磨，并将球磨后的粉末加入到熔融的金属液中，充分搅拌，浇注后得到铸锭；所述的铁与碳化钨的质量比为45-50:1；所述的金属材料的总重量与铁粉和碳化钨的总重量之比为10-15:1；

d）将铸锭预热后锻造成板坯之后进行均匀化处理；

e）进行多道次热轧变形，累计变形量为80-92％，然后水淬至200-300℃，并卷绕热轧带材；

f）将热轧带材进行淬火分配处理。

2.根据权利要求1所述的一种高性能低密度钢板的制备方法，其特征在于，所述的高温熔炼炉中的熔炼温度为1500-1550℃。

3.根据权利要求1所述的一种高性能低密度钢板的制备方法，其特征在于，所述的球磨参数为：球料比为5-7:1，转速为300-500r/min，球磨时间为4-5h。

4.根据权利要求2所述的一种高性能低密度钢板的制备方法，其特征在于，所述的铁与碳化钨的质量比为49:1。

5.根据权利要求1所述的一种高性能低密度钢板的制备方法，其特征在于，所述的球磨后的粉末通过氮气吹粉机吹入至熔融的金属液，气压为0.2-0.5Mpa。

6.根据权利要求1所述的一种高性能低密度钢板的制备方法，其特征在于，所述的进行多道次热轧变形，其中热轧的开轧温度为1000-1180℃，终轧温度为850-900℃，进行4-6个道次的轧制。

7.根据权利要求1所述的一种高性能低密度钢板的制备方法，其特征在于，所述的将热轧带材进行淬火分配处理：是在850-1150℃的温度下保温1-2h，然后水淬至高于发生马氏体相变温度10-20℃，并进行元素分配5-10min，然后空冷。

8.一种高性能低密度钢板在制备汽车中的应用。