一种屈服460MPa级低密度中板及其制备方法

一种屈服460mpa级低密度中板及其制备方法
技术领域
1.本发明属于低密度钢技术领域，具体涉及一种屈服460mpa级低密度正火中板及其制备方法。


背景技术：

2.在当今“双碳”背景下，轻量化的交通运输装备是实现节能减排的重要举措。各类交通运载装备如汽车、高铁等，在进行轻量化设计时，，必须保证优异的安全性，这就需要所使用的钢板不仅具有低密度的特性，还有优异的抗冲击性能。为此，通过向钢中加入轻量化元素al从而降低钢的密度，再加入mn、c等稳定奥氏体的元素，从而可以获得fe-mn-al-c系奥氏体低密度钢。单相奥氏体钢具有较高的低温冲击韧性，同时还具有低磁性或无磁性，可相应增强电子设备工作的稳定性，兼具结构功能双性，是一种应用前景广阔的高性能钢，但这类钢屈服强度较低是共性技术难题，如何兼顾奥氏体低密度钢的高强度、高延伸率和高韧性，需要对关键材料工艺加以探索。
3.国内有关奥氏体基低密度中板的专利，所涉及的低密度高强钢提高了碳含量，虽可提高钢的强度，但也恶化了焊接性能，如公开号cn 115323278 a“一种屈服700mpa级低密度钢及其热处理方法”，碳含量在0.85-1.15％；公开号为cn 114892084a“一种冲击韧性高的高强奥氏体轻质钢及其制造方法”，碳含量在0.83-0.92％，且钢板的轧后热处理为淬火，使钢具有较高的开裂倾向。cn 112281074a公开的“一种低密度lng储罐用高锰中厚板及其制备方法”，钢板在热轧后冷却时，以大于19℃/s的冷速快冷到了室温，快冷工艺使钢内组织产生较大的内应力，使钢具有较高的开裂倾向，钢的性能稳定性不足，与交通运输装备高安全性的要求不匹配。
4.如今，为满足实际应用的要求，仍迫切需要开发一种兼具高强度、高冲击韧性以及高延伸率等优良的综合力学性能，同时还有优异的焊接性能和性能稳定性的低密度中板。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供了一种屈服460mpa级低密度中板及其制备方法，通过fe、mn、al、c等基体组织成分与强化元素nb的联合设计，在减轻钢的重量的同时，钢的屈服强度可以达到460mpa级，并同时保持良好的延伸率和低温冲击韧性，主要用于需要焊接的运输装备上。
6.本发明一种屈服460mpa级低密度中板，包括以下质量百分比的化学成分：c 0.30-0.46％,al 4.8-5.7％，mn 18.1-22.3％，nb 0.015-0.06％，o 0.0005-0.0010％，si 0.05-0.20％，s≤0.005％，p≤0.005％，n≤0.0005％，余量为fe和无法避免的杂质。
7.优选的，为使钢中组织为单相的等轴奥氏体晶粒，所述c、al和mn元素含量满足：3.5≤(mn+c)/(al+c)≤4。
8.本发明所述的一种屈服460mpa级低密度中板的化学成分的设计原理为：
9.c：碳元素可以起到稳定奥氏体的作用，同时产生固溶强化作用，以提高钢的强度；
但c元素过高，会导致钢中碳化物的形成，过多的碳化物会恶化韧性，不利于焊接。因此将c的含量定为c 0.30-0.46％。
10.mn：mn元素能扩大奥氏体相区。mn含量太高会恶化低温韧性，降低焊接性能；mn含量太低会影响奥氏体相含量，且降低钢的强度和硬度。因此将mn含量定为18.1-22.3％。
11.al：每添加1％的al元素，就会使钢的密度减少1.3％。同时，a1元素的添加可以调节层错能，a1含量过低会导致层错能降低，形变过程中容易产生马氏相，恶化低温韧性，而a1含量过高，组织中又会产生δ-铁素体，过多的δ-铁素体相也严重损害低温韧性。因此将a1含量定为4.8-5.7％。al的含量应与c、mn满足：3.5≤(mn+c)/(al+c)≤4。
12.nb：nb元素的添加会通过析出强化和晶粒细化来提高钢的强度和塑性；nb溶进奥氏体能提高奥氏体硬度；过多的nb元素会使钢材在热处理过程中出现晶间夹杂物，导致无机晶核的产生，影响钢材的表面质量，如易使钢的表面出现斑点、裂纹、坑洼等缺陷。因此nb的含量定为0.015-0.06％。
13.o：炼钢过程中，一定量的氧可以脱除有害气体、非金属夹杂物和其他杂质的有效手段，但冶炼结束后钢中若存在过量的氧，就会造成很大的危害。钢中的氧多以氧化物状态存在于非金属夹杂物中，使钢机械强度降低，韧性显著降低，并有促进时效和增加热脆性作用。因此将氧含量定为0.0005～0.0010％。
14.si：si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，含si量过高时，将显著降低钢的塑性和韧性；si也能降低钢的焊接性能。因此，si含量应控制在0.05-0.20％。
15.s：硫通常情况下在钢中为有害元素，不仅对材料的强度、焊接性能不利，还易形成硫化物夹杂，恶化材料的塑性和韧性，故硫含量越低越好：但硫能够改善钢的切削性能，综合考虑，硫含量应控制在0.005％以下；
16.p：磷是铁素体相区形成元素，能够与α-fe有限固溶，缩小奥氏体相区，增加钢中对耐蚀性相对有利的铁素体组织含量；但磷含量过高易在晶界以磷化物的形式偏聚，从而增加钢的冷脆性，恶化材料的塑性、韧性和焊接性能，故磷的含量不宜过高；因此磷含量应控制在0.005％以下；
17.n：氮可提高钢材的强度，但会使塑韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧。因此，应该控制氮含量在0.0005％以下。
18.上述屈服460mpa级低密度中板的制备方法，包括以下步骤：
19.(1)铸造：
20.按照一种屈服460mpa级低密度中板的成分配比进行冶炼，将获得的钢水浇铸成钢锭。
21.(2)加热：
22.将钢锭在1100～1200℃保温2～3h，进行均质化处理；
23.(3)轧制：
24.对均匀化后的钢锭在再结晶区轧制，以保证得到等轴状晶粒，开轧温度1000～1100℃，终轧温度大于850℃，压下率为80～90％，得到热轧态钢材，轧后空冷至室温。
25.(4)正火：
26.将热轧钢板在660～740℃保温20～35min，随后空冷至室温，得到屈服460mpa级低密度中板。
27.其中，在步骤(1)中，钢锭厚度为70～120mm。
28.其中，在步骤(3)中，热轧钢板的厚度为11～13mm。
29.由于mn是扩大奥氏体相区元素，al是扩大铁素体相区元素。
30.优选的，在步骤(3)中，热轧钢板的开轧温度tr＝55.44al-12mn+1000。
31.优选的，在步骤(4)中，热轧钢板的正火温度tn＝45.4al-9.4mn+650。
32.所述的屈服460mpa级低密度正火中板的屈服强度为：460～550mpa，抗拉强度为：660～830mpa，断后延伸率为：40～60％，-40℃夏比冲击功为：100～150j，密度为7.27～7.36g/cm3，密度较传统低合金钢降低6.24～7.41％。
33.较现有技术相比，本发明科学成分设计与工艺流程，获得低密度高强钢，与本领域之前已经公开的技术手段的区别是：
34.1.本发明在fe-mn-al-c基体元素的基础上添加了强化元素nb，细化了奥氏体晶粒，显著提高了钢的屈服强度和塑韧性，同时能够降低韧脆转变温度，使钢具有良好的焊接性和成型性能。
35.2.本发明采用正火热处理工艺作为最终热处理，能够降低内应力，提高钢材韧性和焊接性，提高钢材的性能稳定性；可用于需要焊接的运输装备中，如列车的转向架等。
附图说明
36.图1是本发明实施例1制备的屈服460mpa级低密度正火中板的菊池带衬度图
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合附图与实施例，对本发明进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例。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。
38.实施例
39.按照表1所示的化学成分进行配料后加入炉中熔化，并浇铸成铸锭，获得表2所示厚度的铸锭；铸锭在1100℃保温2h，使其内部成分均匀化；随后按照表2工艺参数进行轧制，轧后空冷至室温；随后在进行正火热处理，以削弱钢种组织中的内应力，提升韧性和延伸率。实施例的性能和密度如表2所示。
40.由图1可知，按上述工艺得到的中板的微观组织为全奥氏体组织，因在再结晶区轧制，奥氏体晶粒呈等轴状。
41.对比例该对比例采用公开的cn 112281074 a中的实施例，其钢中各元素的质量分数为：c 0.68％，al 5.10％，mn 18.3％，si 0.18％，p 0.0018％，s 0.0016％。其屈服强度为471.3mpa，抗拉强度823.7mpa，断裂延伸率为46.5％，-196℃夏比冲击功为155.4j。其通过添加较高的c的碳元素以及轧后水冷的热处理工艺，来提高钢板的强度，过高的c含量会恶化钢的焊接性能，水冷工艺的冷速过快，会提高钢中内应力，降低钢的性能稳定性。因此，无法适用于需要焊接且高安全性要求的运输装备中。
42.表1、本发明实施例钢锭的冶炼成分(wt％)
43.实施例calmnnbosispn
10.435.2619.900.0230.00060.10.0010.0010.000120.455.5121.420.0330.00070.120.0010.0020.000330.355.6222.10.0560.00050.110.0020.00150.000240.384.8218.90.0480.00070.130.0030.00130.0001
44.表2、本发明实施例工艺参数
45.实施例铸锭厚度/mm开轧温度/℃终轧温度/℃压下率/％钢板厚度/mm正火温度/℃180105090086.25％11700290105090086.7％126903100105090087％137104110104090089.1％12680
46.表3、本发明实施例的力学性能和密度
47.实施例rp0.2/mparm/mpaa/％-40℃akv/jρ/g
·
cm-3
1463.2751.656.31267.312474.1766.355.21277.303465.375357.11307.284477.577157.51327.33

技术特征：
1.一种屈服460mpa级低密度中板，其特征在于，包括以下质量百分比的化学成分：c 0.30-0.46％,al 4.8-5.7％，mn 18.1-22.3％，nb 0.015-0.06％，o0.0005-0.0010％，si 0.05-0.20％，s≤0.005％，p≤0.005％，n≤0.0005％，余量为fe和不可避免的杂质；按成分配比进行冶炼、铸锭、加热，对加热后的钢锭进行再结晶区轧制，开轧温度1000～1100℃，终轧温度大于850℃，总压下率为80～90％，得到热轧钢材，轧后空冷至室温，再进行正火处理，将热轧钢板在660～740℃保温20～35min，随后空冷至室温。2.根据权利要求1所述的一种屈服460mpa级低密度中板，其特征在于，其化学成分符合3.5≤(mn+c)/(al+c)≤4。3.根据权利要求1或2所述的一种屈服460mpa级低密度中板，其特征在于，中板的屈服强度为460～550mpa，抗拉强度为660～830mpa，断后延伸率为40～60％，-40℃夏比冲击功为100～150j，密度为7.27～7.36g/cm3。4.权利要求1～3中任意一项所述的一种屈服460mpa级低密度中板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：1)铸造：按照屈服460mpa级低密度中板的成分配比进行冶炼，将获得的钢水浇铸成钢锭；2)加热：将钢锭加热至1100～1200℃，并保温2～3h进行均质化处理；3)轧制：对加热后的钢锭进行再结晶区轧制，开轧温度1000～1100℃，终轧温度大于850℃，压下率为80～90％，得到热轧钢板，轧后空冷至室温；4)正火：将热轧钢板在660～740℃保温20～35min，随后空冷至室温，得到屈服460mpa级低密度中板。5.根据权利要求4所述的一种屈服460mpa级低密度中板的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述钢锭厚度为70～120mm。6.根据权利要求4所述的一种屈服460mpa级低密度中板的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述热轧钢板的厚度为11～13mm。7.根据权利要求4所述的一种屈服460mpa级低密度中板的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述热轧钢板的开轧温度t
r
＝55.44al-12mn+1000。8.根据权利要求4所述的一种屈服460mpa级低密度中板的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述热轧钢板的正火温度t
n
＝45.4al-9.4mn+650。

技术总结
一种屈服460MPa级低密度中板及其制备方法，属于低密度钢技术领域。化学成分的质量百分比为：C 0.30-0.46％,Al 4.8-5.7％，Mn 18.1-22.3％，Nb0.015-0.06％，O 0.0005-0.0010％，Si 0.05-0.20％，S≤0.005％，P≤0.005％，N≤0.0005％，余量为Fe和不可避免的杂质。该屈服460Mpa级低密度中板的制备方法包含以下步骤：冶炼铸锭、控温轧制、正火热处理。本发明的低密度中板的微观组织为等轴奥氏体组织，具有460Mpa以上的屈服强度，断后延伸率超过40％，-40℃夏比冲击功大于100J，密度小于7.36g/cm3。。。


技术研发人员：王学敏 李非凡 尚学良 杨雍哲 徐翔宇
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/22