基于汽车统一用钢策略的高锰Fe-Mn-Al-Si-Ni钢及其制备方法

基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢及其制备方法
技术领域
1.本发明属于汽车钢技术领域，具体涉及一种基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢及其制备方法。


背景技术：

2.汽车用钢是汽车工业发展的重要物质基础。目前汽车用钢的种类很多，包括高强度低合金（hsla）钢、双相（dp）钢、冲压硬化（phs）钢、淬火配分（q&p）钢、孪生诱导塑性（twip）钢、相变诱导塑性（trip）钢等。这些钢具有不同的力学性能，被用于汽车车身的不同部位。但值得注意的是，这些不同种类的钢所含的化学元素有明显的差别，因此其生产所涉及的熔炼、锻造、轧制、热处理等工艺流程各不相同，其焊接工艺规程也存在显著的差异。此外，使用的钢种越多，在进行材料认证、变更时所需的时间和资金成本越高，同时在报废车身的分类回收方面所面临的挑战也越大。因此，减少用钢种类，发展元素组成相同、力学性能大范围可调的汽车用钢，对于汽车工业的发展至关重要。
3.如果能在汽车车身的不同部位使用元素组成相同的钢种，由于其生产、焊接、加工过程相似，一方面可以合并大量工序以降低成本，另一方面也便于资源回收。目前，除了少数的加强结构件，如前围板横梁、a柱上下加强板，汽车车身不同部位的结构件所要求的力学性能范围约为：屈服强度110~590 mpa、抗拉强度270~860 mpa、延伸率20%~50%。显然，开发一种力学性能在该范围内大幅可调且元素组成相同的汽车用钢，对降低汽车制造成本和实现资源的高效回收利用至关重要。


技术实现要素：

4.考虑到目前汽车用钢因种类较多而存在认证和变更成本高、工艺流程繁杂及资源回收困难的问题，显然，研发出元素组成相同、力学性能大范围可调的汽车用钢是解决这些问题的关键途径。
5.ni和al元素能够显著提高钢的层错能，而si元素降低钢的层错能，随着ni、al和si的含量不同，钢的层错能也随之改变，而当层错能升高时，其变形机制会逐渐发生“应力诱发马氏体相变+位错滑移
→
形变孪晶+位错滑移
→
位错滑移”的转变，塑性和加工硬化能力随之降低。此外，ni元素能够稳定奥氏体并易与al结合形成b2强化相，从而显著提升钢的强度，而能发生应力诱发马氏体相变的高锰fe-mn-al-si钢的层错能较低，其变形机制以应力诱发马氏体相变和位错滑移为主，拥有优异的加工硬化能力和塑性。因此，本发明以能发生应力诱发马氏体相变的高锰fe-mn-al-si钢为基础，通过调整ni和al、ni和si的质量百分比，获得了一种力学性能大范围可调的汽车用钢，从而满足车身大部分结构件对钢的需求，进而减少汽车用钢的种类。该钢种的开发能够显著降低汽车成本并实现资源的高效回收，对汽车工业的发展具有重要的意义。
6.本发明具体采用如下的技术方案实现：
本发明第一方面提供一种基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢，所述高锰fe-mn-al-si-ni钢的组成元素及质量百分比为：22%~24%mn，2%~4%al，2%~4%si，0%~18%ni，余量为fe及不可避免的杂质元素。
7.作为本发明的进一步说明，当所述高锰fe-mn-al-si-ni钢中ni和al的质量百分数之比为0~1.8时，该钢由奥氏体相和铁素体相组成，当ni和si的质量百分数之比为0~1.8时，该钢在塑性变形阶段产生应力诱发马氏体。
8.作为本发明的进一步说明，当所述高锰fe-mn-al-si-ni钢中ni和al的质量百分数之比为1.8~3时，该钢由单一奥氏体相组成，当ni和si的质量百分数之比为1.8~3时，该钢在塑性变形阶段产生形变孪晶。
9.作为本发明的进一步说明，当所述高锰fe-mn-al-si-ni钢中ni和al的质量百分数之比为3~6时，该钢由奥氏体和b2相组成，当ni和si的质量百分数之比为3~6时，该钢在塑性变形阶段产生形变孪晶。
10.本发明第二方面提供一种基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢的制备方法，所述制备方法包括：采用纯度不低于99.9%的纯fe、纯mn、纯ni、纯al、纯si为原料，按照上述的钢的成分配比进行配料，经真空感应熔炼得到铸锭，并将铸锭分切成板材，随后进行均匀化处理、冷轧处理及固溶处理。
11.作为本发明的进一步说明，所述真空感应熔炼在真空中频感应熔炼炉中进行，并采用氩气作为保护气氛，每次熔炼结束后先翻转铸锭再进行下一次熔炼，重复熔炼3~5次。
12.作为本发明的进一步说明，所述均匀化处理是在氩气气氛保护下经1100 ℃保温不短于6 h后水冷淬火。
13.作为本发明的进一步说明，所述冷轧处理是使用双辊板带轧机对所述板材进行多道次冷轧，每道次变形量~5%，总变形量为~67%。
14.作为本发明的进一步说明，所述固溶处理是在氩气气氛保护下经900~1000 ℃保温1~2 h后水冷淬火。
15.本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明所提供的基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢原料成本低廉，易于制备加工。随着ni和al的质量百分比升高，该种钢的初始组织会发生“奥氏体相+铁素体相
→
单一奥氏体相
→
奥氏体相+b2相”的转变，而随着ni和si的质量百分比升高，其变形机制会发生“应力诱发马氏体相变+位错滑移
→
形变孪晶+位错滑移
→
位错滑移”的转变，导致其呈现出大范围变化的力学性能。该种钢的屈服强度范围为235~654 mpa、抗拉强度范围为615~935 mpa、延伸率范围为24%~90%，可以满足汽车车身的多种部位对材料力学性能的需求。该钢在汽车车身上的应用将实现用钢种类的减少，并由此降低成本、简化工艺流程及提高资源回收效率，对于汽车工业的发展具有重要的意义。
附图说明
16.图1为本发明实施例1~4中制备得到的高锰钢初始组织的电子背散射衍射(ebsd)图；图2为本发明实施例1~4中制备得到的高锰钢变形组织的ebsd图；图3为本发明实施例1~4中制备得到的高锰钢室温拉伸工程应力-应变曲线图。
实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本发明提供了一种基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢，所述高锰fe-mn-al-si-ni钢的组成元素及质量百分比为：22%~24%mn，2%~4%al，2%~4%si，0%~18%ni，余量为fe及不可避免的杂质元素。
19.其中，当所述高锰fe-mn-al-si-ni钢中ni和al的质量百分数之比为0~1.8，例如可以为0、0.3、0.7、1、1.3、1.5、1.8等等时，该钢由奥氏体相和铁素体相组成，当ni和si的质量百分数之比为0~1.8，例如可以为0、0.3、0.7、1、1.3、1.5、1.8等等时，该钢在塑性变形阶段产生应力诱发马氏体。当所述高锰fe-mn-al-si-ni钢中ni和al的质量百分数之比为1.8~3，例如可以为1.83、2.2、2.5、2.7、3等等时，该钢由单一奥氏体相组成，当ni和si的质量百分数之比为1.8~3，例如可以为1.83、2.2、2.5、2.7、3等等时，该钢在塑性变形阶段产生形变孪晶。当所述高锰fe-mn-al-si-ni钢中ni和al的质量百分数之比为3~6，例如可以为3.7、4.2、4.7、5.2、5.7、6等等时，该钢由奥氏体和b2相组成，当ni和si的质量百分数之比为3~6，例如可以为3.7、4.2、4.7、5.2、5.7、6等等时，该钢在塑性变形阶段产生形变孪晶。
20.上述基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢的制备方法，包括：采用纯度不低于99.9%的纯fe、纯mn、纯ni、纯al、纯si为原料，按照上述的钢的成分配比进行配料，经真空感应熔炼得到铸锭，并将铸锭分切成板材，随后进行均匀化处理、冷轧处理及固溶处理。
21.在一种可实现的方式中，所述真空感应熔炼在真空中频感应熔炼炉中进行，并采用氩气作为保护气氛，每次熔炼结束后先翻转铸锭再进行下一次熔炼，重复熔炼3~5次，例如可以为3次、4次、5次等等。
22.在一种可实现的方式中，所述均匀化处理是在氩气气氛保护下经1100 ℃保温不短于6 h后水冷淬火。
23.在一种可实现的方式中，所述冷轧处理是使用双辊板带轧机对所述板材进行多道次冷轧，每道次变形量~5%，总变形量为~67%。
24.在一种可实现的方式中，所述固溶处理是在氩气气氛保护下经900~1000 ℃，例如可以为900℃、920℃、950℃、970℃、1000℃等等，保温1~2 h，例如可以为1 h、1.2 h、1.6 h、2 h等等，然后水冷淬火。
25.下面结合具体实施例进行说明：
实施例
26.本实施例提供的一种基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢，主要组成元素及质量百分比为：23%mn，3%al，3%si，0%ni，余量为fe及不可避免的杂质元素。该钢的层错能为15 mj/m2。
27.该钢的制备方法包括以下步骤：s1、采用纯度不低于99.9%的纯fe、纯mn、纯al、纯si为原料，在氩气气氛的保护下，
℃，保温时间分别为1h和2 h，处理完成后水冷淬火。
52.采用ebsd表征了本实施例中所制备的钢的初始组织和变形组织，分别如附图1和附图2所示。从图中可以看出，本实施例中所制备的钢的初始组织由奥氏体相和b2相组成，奥氏体相和b2相的晶粒尺寸分别为4.3 μm和1.5 μm，b2相的体积分数为12.2%，奥氏体相的变形组织含少量的形变孪晶，表明形变孪晶也是其变形机制，但其主要变形机制为位错滑移。
53.根据gb/t 228.1
–
2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》对本实施例中所制备的钢的力学性能进行测量，如附图3所示，经1000 ℃固溶处理的钢的屈服强度为397 mpa，抗拉强度为768 mpa，总延伸率为38%；经900 ℃固溶处理的钢的屈服强度为654 mpa，抗拉强度为935 mpa，总延伸率为24%。
54.需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
55.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢，其特征在于，所述高锰fe-mn-al-si-ni钢的组成元素及质量百分比为：22%~24%mn，2%~4%al，2%~4%si，0%~18%ni，余量为fe及不可避免的杂质元素。2.根据权利要求1所述的基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢，其特征在于，当所述高锰fe-mn-al-si-ni钢中ni和al的质量百分数之比为0~1.8时，该钢由奥氏体相和铁素体相组成，当ni和si的质量百分数之比为0~1.8时，该钢在塑性变形阶段产生应力诱发马氏体。3.根据权利要求1所述的基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢，其特征在于，当所述高锰fe-mn-al-si-ni钢中ni和al的质量百分数之比为1.8~3时，该钢由单一奥氏体相组成，当ni和si的质量百分数之比为1.8~3时，该钢在塑性变形阶段产生形变孪晶。4.根据权利要求1所述的基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢，其特征在于，当所述高锰fe-mn-al-si-ni钢中ni和al的质量百分数之比为3~6时，该钢由奥氏体和b2相组成，当ni和si的质量百分数之比为3~6时，该钢在塑性变形阶段产生形变孪晶。5.一种基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：采用纯度不低于99.9%的纯fe、纯mn、纯ni、纯al、纯si为原料，按照权利要求1-4中任一项所述的钢的成分配比进行配料，经真空感应熔炼得到铸锭，并将铸锭分切成板材，随后进行均匀化处理、冷轧处理及固溶处理。6.根据权利要求5所述的基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢的制备方法，其特征在于，所述真空感应熔炼在真空中频感应熔炼炉中进行，并采用氩气作为保护气氛，每次熔炼结束后先翻转铸锭再进行下一次熔炼，重复熔炼3~5次。7.根据权利要求5所述的基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理是在氩气气氛保护下经1100 ℃保温不短于6 h后水冷淬火。8.根据权利要求5所述的基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢的制备方法，其特征在于，所述冷轧处理是使用双辊板带轧机对所述板材进行多道次冷轧，每道次变形量~5%，总变形量为~67%。9.根据权利要求5所述的基于汽车统一用钢策略的高锰fe-mn-al-si-ni钢的制备方法，其特征在于，所述固溶处理是在氩气气氛保护下经900~1000 ℃保温1~2 h后水冷淬火。

技术总结
本发明公开了一种基于汽车统一用钢策略的高锰Fe-Mn-Al-Si-Ni钢及其制备方法，所述钢的组成元素及质量百分数为：22%~24%Mn，2%~4%Al，2%~4%Si，0%~18%Ni，余量为Fe及不可避免的杂质元素；其制备工艺包括真空感应熔炼、均匀化处理、冷轧处理以及固溶处理。本发明提供的Fe-Mn-Al-Si-Ni钢在成分设计范围内，随着Ni/Al和Ni/Si的质量百分比上升，其初始组织会发生“奥氏体相+铁素体相


技术研发人员：赖敏杰 支辉辉 李璐璐 李金山
受保护的技术使用者：西北工业大学重庆科创中心
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/24