一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼及其製備方法與流程

2023-09-17 03:25:45 1

本發明涉及一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼及其製備方法。屬於金屬材料領域。
背景技術：
：隨著節能減排綠色理念的日漸推廣，減輕汽車自重已成為當今市場發展的主題。使用高強度鋼替代普通鋼材，可提高鋼的比強度(強度與密度比)，從而可在保證力學性能的同時減少所需鋼板的厚度，實現車身減重。另一種有效提高鋼材比強度的方法是，在維持高強度的同時通過添加輕質合金元素Al，降低鋼材的密度。這一途徑可更進一步提高鋼材的比強度，因此開發兼具高強度和低密度的鋼材是實現輕量化的迫切所需。低密度鋼的主要設計思路是，通過添加Al元素降低鋼的密度，再通過添加Mn，C等其他合金元素進行成分優化，結合合理的製備工藝，得到低密度的高強鋼。目前主要採用的成分體系為Fe-Mn-Al-C系，抗拉強度只能達到1200MPa，密度可達6.8g/cm3。進一步提高強度是Fe-Mn-Al-C系低密度鋼面臨的一個主要問題。一種解決途徑是添加其他合金元素，利用固溶強化或析出強化提高強度。現有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，使其抗拉強度達1350MPa以上，但Ni的密度為8.9g/cm3，高於鋼的密度(7.8g/cm3)，並不利於降低鋼材的密度。因此，需要提供一種在具備超高強度的同時，也能進一步降低密度的Fe-Mn-Al-C系鋼。技術實現要素：有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼，該超高強度鋼在有效降低密度的同時，可顯著提高抗拉強度，並保持良好的塑性，可滿足汽車結構件的製造需求。本發明的目的之二在於提供一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的製備方法。為實現本發明的目的，現提供以下技術方案：一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼，其化學成分質量百分比為：C0.5-1.5wt％，Mn15-30wt％，Al5-10wt％，Ti5-20wt％，Cr≤5wt％，Nb≤0.2wt％，Si≤2wt％，B≤0.6wt％，其餘為Fe及不可避免的雜質。一種本發明所述低密度Ti3Al增強超高強度鋼的製備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按本發明所述超高強度鋼的化學成分質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後，在真空度<1Pa，溫度為1600-1700℃時保溫30分鐘-2小時進行精煉，充分脫氧後在氬氣保護下進行合金化，然後澆注並在真空下冷卻得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入爐內，通氬氣保護，壓強為100-150Pa，加熱至完全熔化後保溫2-5小時，冷卻得到重熔後的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度不高於600℃時將重熔後的鋼錠裝入爐內，在溫度為1160-1220℃時，保溫8-20小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理後的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理後的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100-1180℃，終鍛溫度為900-1000℃，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1050-1200℃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450-650℃下，保溫3-10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼。優選的，真空熔煉採用真空感應爐。優選的，重熔時選用真空自耗重熔或電渣重熔的方法。有益效果(1)本發明所述一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼，該鋼種密度為6.5-6.9g/cm3，抗拉強度達1350MPa以上，延伸率在10％以上，可滿足汽車結構件的製造需求。(2)本發明所述一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的製備方法，該方法通過添加Ti元素，形成Ti3Al，與κ-碳化物一同產生析出強化，來提高鋼的抗拉強度，同時由於Ti的密度僅為4.5g/cm3，明顯低於鋼(7.8g/cm3)，故添加Ti還可有效降低鋼的密度。本發明的成分設計依據如下：C：C的主要作用是與Mn和Al元素形成κ-碳化物((Fe，Mn)3AlC)，形成析出強化，提高鋼的強度。C還是重要的固溶強化元素，可促進奧氏體形成，同時有利於降低密度。隨Al含量增加，會逐漸形成鐵素體，此時若C含量較低，會使奧氏體的含量與穩定性較低，導致延伸率較低。隨C含量增加，鋼的強度和延伸率都可得到提升，但過高的C含量會導致形成粗大的κ-碳化物，尤其是分布在晶界處的κ-碳化物，將顯著降低延伸率。因此，本發明的C含量為0.5-1.5％。Mn：Mn是奧氏體穩定元素，Mn的主要作用是促進基體奧氏體化。奧氏體組織可使鋼保持較高的加工硬化率，改善塑性；還可以提高鋼的加工硬化性能，提高強度，故添加Mn有利於獲得良好的強塑性配合。但Mn含量較高時，隨Mn含量增加，工件在快速加熱和冷卻過程中的開裂傾向增大。因此，本發明的Mn含量為15-30％。Al：Al的密度為2.7g/cm3，是降低鋼的密度的主要元素。Al的另一主要作用是與Ti結合形成Ti3Al相，同時也作為κ-碳化物的組成元素促進κ-碳化物的形成。Al含量過低會導致無法形成足夠的Ti3Al和κ-碳化物，但過高的Al含量會導致B2和DO3型有序相出現，降低鋼的塑性。此外，Al是鐵素體形成元素，隨其含量增加，基體中逐漸形成鐵素體組織，抑制奧氏體形成，使鋼的強度增加而塑性降低。Al含量過高還會導致κ-碳化物及Ti3Al粗化，明顯降低延伸率。所以，本發明的Al含量為5-10％。Ti：Ti的添加主要是與Al形成Ti3Al相，與κ-碳化物共同產生析出強化，提高鋼的強度。Ti還具有密度低的特點，可與Al一同降低鋼的密度。Ti易與C，N元素結合，故需加入足量的Ti才能得到Ti3Al相。Ti與C，N結合形成的TiC，TiN能夠細化奧氏體晶粒，也具有析出強化作用。本發明中，Ti含量為5-20％。具體實施方式結合實施例對本發明作進一步說明。拉伸試驗設備：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力-應變曲線按GB/T228-2002測得。真空感應爐為錦州中真電爐有限責任公司生產的ZG-0.05真空感應爐；電渣爐為上海凱越自動化設備有限公司生產的0.5噸氣氛保護電渣爐。根據本發明一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的化學成分範圍，製備39公斤的合金錠7爐。表1為本發明實施例製得的所述超高強度鋼的化學成分質量百分比(wt％)。表1實施例爐號C/wt％Mn/wt％Al/wt％Ti/wt％Cr/wt％Nb/wt％Si/wt％B/wt％11#0.830855-0.5-22#0.522102040.1-0.133#1.01591240.11.10.344#1.2285105-1.90.455#1.32791230.10.8-66#1.3278104--0.377#1.52591550.20.20.2續表1實施例爐號P/wt％S/wt％O/wt％N/wt％Fe/wt％11#0.0030.0040.00190.0020餘量22#0.0020.0040.00170.0022餘量33#0.0040.0030.00100.0030餘量44#0.0030.0040.00120.0025餘量55#0.00350.0040.00100.0030餘量66#0.0040.00350.00150.0020餘量77#0.00350.0040.00100.0030餘量實施例1一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的製備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中1#爐所對應的所述超高強度鋼的化學成分質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後，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧後在氬氣保護下進行合金化，然後澆注並在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內，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，最後冷卻得到重熔後的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔後的鋼錠裝入爐內，在溫度為1160℃時，保溫20小時，隨爐冷卻至室溫，均勻化處理後的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理後的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，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，然後將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為1050℃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10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例2一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的製備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中2#爐所對應的所述超高強度鋼的化學成分質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後，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧後在氬氣保護下進行合金化，然後澆注並在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將的鋼錠放入電渣爐內，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，最後冷卻得到重熔後的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為580℃時將重熔後的鋼錠裝入爐內，在溫度為1220℃時，保溫8小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理後的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理後的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1180℃，終鍛溫度為1000℃，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。然後將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：溫度為1200℃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650℃下，保溫3小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例3一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的製備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中3#爐所對應的所述超高強度鋼的化學成分質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後，在真空度為＜1Pa，溫度為1650℃時保溫1.5小時進行精煉，充分脫氧後在氬氣保護下進行合金化，然後澆注並在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內，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，最後冷卻得到重熔後的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔後的鋼錠裝入爐內，在溫度為1190℃時，保溫15小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理後的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理後的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1140℃，終鍛溫度為950℃，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。然後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550℃下，保溫7小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例4一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的製備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中4#爐所對應的所述超高強度鋼的化學成分質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後，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧後在氬氣保護下進行合金化，然後澆注並在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內，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，最後冷卻得到重熔後的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔後的鋼錠裝入爐內，在溫度為1160℃時，保溫20小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理後的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理後的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，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。然後將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為1050℃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10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例5一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的製備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中5#爐所對應的所述超高強度鋼的化學成分質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後，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧後在氬氣保護下進行合金化，然後澆注並在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內，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，最後冷卻得到重熔後的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔後的鋼錠裝入爐內，在溫度為1160℃時，保溫20小時，隨爐冷卻至室溫，得到均勻化處理後的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理後的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，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。然後將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為1050℃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10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例6一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的製備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中6#爐所對應的所述超高強度鋼的化學成分質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後，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧後在氬氣保護下進行合金化，然後澆注並在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內，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，最後冷卻得到重熔後的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔後的鋼錠裝入爐內，在溫度為1160℃時，保溫20小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理後的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理後的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，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。然後將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為1050℃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，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例7一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的製備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中7#爐所對應的所述超高強度鋼的化學成分質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後，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進行精煉，充分脫氧後在氬氣做保護氣下進行合金化，然後澆注並在真空下冷卻，得到鋼錠；再進行重熔：將鋼錠放入電渣爐內，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，最後冷卻得到重熔後的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔後的鋼錠裝入爐內，在溫度為1160℃時，保溫20小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理後的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理後的鋼錠進行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，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。然後將拉伸試樣毛坯進行固溶處理：在溫度為1050℃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10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強超高強度鋼的拉伸試樣毛坯。將實施例1～7中製得的所述拉伸試樣毛坯經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#13501200196.822#13701215186.533#14101270136.744#14001280176.955#14551320166.666#14401300166.777#14801320156.5當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp