一种超高强度C-Al-Mn-Si系低密度钢及其制备方法

摘要

本发明公开一种超高强度C-Al-Mn-Si系低密度钢；按重量百分比，其组成包括：C 0.28~1.15%，Al 3.0~12.0%，Mn 6.9~27.6%，Si 0.01~2.0%；并包括以下元素中的一种或几种：Cr 0.01~0.80%，Ni 0.01~0.60%，Mo 0.01~0.30%，V 0.001~0.10%，Nb 0.001~0.06%，Ti 0.001~0.02%，且该组成的剩余部分为Fe和杂质；本发明的低密度钢的抗拉强度≥800MPa，密度≤7.4g/cm3，具有良好的强度和密度配合。本发明还公开了该低密度钢的制备方法。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料领域。更具体地，涉及一种超高强度C-Al-Mn-Si系 低密度钢。

背景技术

为了降低车辆、飞机等交通工具的自重，进而以减少CO₂的排放量并节约 能源，世界范围内开始关注新一代钢铁材料。主要是从两个方面来提高钢铁材 料的性能。一方面是通过提高钢的强度、塑性和韧性以补偿构件尺寸的减小。 目前这种钢的强度可达到800～2000MPa级别，但是这种钢的密度一般为 7.8g/cm³，这使得通过减小构件尺寸来降低工具重量的程度很有限。另一方面 是通过降低钢的密度，向钢中加入C、Al、Si等降低钢密度的元素。研究表明， 当Al的含量达到8.5%时，钢的密度可以减至7.0g/cm³。但当钢的密度减小到 一定程度时，钢的强度会降低。已经有公司申请了专利，例如，于西纳公司申 请了“很超高强度和低密度热轧薄钢板及其制造方法”（CN1688725A），以 及安赛乐米塔尔法国公司申请了“具有良好可压延性的低密度钢”（CN 101755057A），但是两个专利获得的钢的强度均在400～1000MPa级别之间， 这使得通过减小钢件密度来降低工具重量的程度也受到了限制。

因此，需要提供一种既能保证强度密度又小的钢材料。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种超高强度C-Al-Mn-Si系低密 度钢；本发明的低密度钢的抗拉强度≥800MPa，密度≤7.4g/cm³，具有良好的 强度和密度配合；本发明采用的合金元素简单，符合我国的资源现状；本发明 的低密度钢可以应用到车辆、飞机等交通工具减轻自重，符合我国节能减排的 发展战略。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种超高强度C-Al-Mn-Si系低密 度钢的制备方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种超高强度C-Al-Mn-Si系低密度钢，按重量百分比，其组成包括：

并包括以下元素中的一种或几种：

且

该组成的剩余部分为Fe和杂质。

所述杂质为冶炼、铸造、锻造或轧制中产生的不可避免的杂质。

优选地，所述低密度钢中，所含Mn与Al的重量百分比之比值不小于2.3。

优选地，所述低密度钢中，所含Al与Si的重量百分比之和不小于5%。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种超高强度C-Al-Mn-Si系低密度钢的制备方法，包括以下步骤：

1）提供具有根据上述组成之一的钢；

2）在900～1200℃均匀化处理，然后水冷至室温；

3）在300～600℃时效处理2～50小时，然后水冷至室温，得到超高强度 C-Al-Mn-Si系低密度钢。

步骤1）中的钢可经常规的冶炼、铸造、锻造或轧制等得到。

优选地，所述步骤2）中在900～1200℃均匀化处理1～4小时。

优选地，所述步骤3）中在300～600℃时效处理2～50小时。

本发明是以C-Al-Mn-Si为主要合金元素，添加的Mn促进奥氏体的形成以 便通过热处理获得更多的相，添加的C促进奥氏体形成并析出碳化物达到析出 强化效果，添加Si可以辅助Al降低钢的密度；本发明还添加Cr、Ni、Mo、V、 Nb和Ti中的一种或多种，有利于改变钢的相组成，提高钢的强度。

本发明的有益效果如下：

本发明的低密度钢的抗拉强度≥800MPa，密度≤7.4g/cm³，具有良好的强 度和密度配合；

本发明采用的合金元素简单，符合我国的资源现状；

本发明的低密度钢可以应用到车辆、飞机等交通工具减轻自重，符合我国 节能减排的发展战略，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说 明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性 的，不应以此限制本发明的保护范围。

表1各实施例中钢的组分重量百分比（其余为Fe和杂质）

实施例 C Al Mn Si Cr Ni Mo V Nb Ti 1 0.28 3.00 6.90 2.00 0.55 0.60 0.25 0.06 0.02 0.01 2 0.32 4.23 9.83 1.22 0.80 0.44 0.28 0.10 0.02 0.015 3 0.42 5.17 13.25 1.53 0.32 0.32 0.24 0.08 0.02 0.02 4 0.56 6.79 18.08 0.45 0.45 0.28 0.29 0.08 0.06 0.01 5 0.63 8.82 20.34 1.78 0.28 0.17 0.30 0.04 0.04 0.008 6 0.76 9.45 22.15 0.01 0.58 0.32 0.07 0.02 0.001 0.001 7 0.88 11.12 25.98 0.01 0.01 0.60 0.12 0.001 0.01 0.001 8 1.15 12.00 27.60 0.01 0.15 0.01 0.01 0.001 0.001 0.001

实施例1

按表1中各组分进行常规冶炼，轧制成2mm薄板；

在1050℃均匀化1小时，然后水冷至室温；

之后在300℃时效2小时，然后水冷至室温，得到超高强度C-Al-Mn-Si 系低密度钢板。

实施例2

按表1中各组分进行常规冶炼，轧制成列车车轮；

在900℃均匀化4小时，然后水冷至室温；

之后在400℃时效8小时，然后水冷至室温，得到超高强度C-Al-Mn-Si 系低密度钢车轮。

实施例3

按表1中各组分进行常规冶炼，轧制成10mm薄板；

在1000℃均匀化2小时，然后水冷至室温；

之后在500℃时效20小时，然后水冷至室温，得到超高强度C-Al-Mn-Si 系低密度钢板。

实施例4

按表1中各组分进行常规冶炼，锻造成60mm圆棒；

在1150℃均匀化4小时，然后水冷至室温；

之后在600℃时效18小时，然后水冷至室温，得到超高强度C-Al-Mn-Si 系低密度钢棒。

实施例5

按表1中各组分进行常规冶炼，轧制成2mm薄板；

在1200℃均匀化4小时，然后水冷至室温；

之后在550℃时效4小时，然后水冷至室温，得到超高强度C-Al-Mn-Si 系低密度钢板。

实施例6

按表1中各组分进行常规冶炼，铸造成30×30mm方坯；

在1100℃均匀化4小时，然后水冷至室温；

之后在450℃时效8小时，然后水冷至室温，得到超高强度C-Al-Mn-Si 系低密度钢坯。

实施例7

按表1中各组分进行常规冶炼，轧制成8mm薄板；

在1200℃均匀化2小时，然后水冷至室温；

之后在550℃时效50小时，然后水冷至室温，得到超高强度C-Al-Mn-Si 系低密度钢板。

实施例8

按表1中组分，经常规冶炼后，轧制成6mm薄板；

在1150℃均匀化2小时，然后水冷至室温；

之后在550℃时效48小时，然后水冷至室温，得到超高强度C-Al-Mn-Si 系低密度钢板。

通过万能拉伸试验机参考GB/T228.1-2010国家标准的规定，测定各实施 例试样的力学性能；利用精密天平测定钢的密度。

表2各实施例的钢制品的抗拉强度和密度

实施例 抗拉强度，MPa 密度，g/cm³1 1350 7.35 2 1230 7.25 3 1035 7.13

4 960 6.99 5 975 6.73 6 1125 6.74 7 1050 6.57 8 980 6.47

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述 说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施 方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动 仍处于本发明的保护范围之列。