一种低密度Ti3Al增强超高强度钢及其制备方法

摘要

本发明涉及一种低密度Ti

说明书

技术领域

本发明涉及一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢及其制备方法。属于金属材料领域。

背景技术

随着节能减排绿色理念的日渐推广，减轻汽车自重已成为当今市场发展的主题。使用高强度钢替代普通钢材，可提高钢的比强度(强度与密度比)，从而可在保证力学性能的同时减少所需钢板的厚度，实现车身减重。另一种有效提高钢材比强度的方法是，在维持高强度的同时通过添加轻质合金元素Al，降低钢材的密度。这一途径可更进一步提高钢材的比强度，因此开发兼具高强度和低密度的钢材是实现轻量化的迫切所需。

低密度钢的主要设计思路是，通过添加Al元素降低钢的密度，再通过添加Mn，C等其他合金元素进行成分优化，结合合理的制备工艺，得到低密度的高强钢。目前主要采用的成分体系为Fe-Mn-Al-C系，抗拉强度只能达到1200MPa，密度可达6.8g/cm³。

进一步提高强度是Fe-Mn-Al-C系低密度钢面临的一个主要问题。一种解决途径是添加其他合金元素，利用固溶强化或析出强化提高强度。现有的一种低密度高塑性NiAl增强超高强度钢，主要是依靠添加Ni元素形成NiAl来提高钢的抗拉强度，使其抗拉强度达1350MPa以上，但Ni的密度为8.9g/cm³，高于钢的密度(7.8g/cm³)，并不利于降低钢材的密度。因此，需要提供一种在具备超高强度的同时，也能进一步降低密度的Fe-Mn-Al-C系钢。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢，该超高强度钢在有效降低密度的同时，可显著提高抗拉强度，并保持良好的塑性，可满足汽车结构件的制造需求。本发明的目的之二在于提供一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的制备方法。

为实现本发明的目的，现提供以下技术方案：

一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢，其化学成分质量百分比为：C>

一种本发明所述低密度Ti₃Al增强超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)冶炼：按本发明所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，进行真空熔炼：将原料装入炉中，抽真空至真空度<50Pa时，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度<1Pa，温度为1600-1700℃时保温30分钟-2小时进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入炉内，通氩气保护，压强为100-150Pa，加热至完全熔化后保温2-5小时，冷却得到重熔后的钢锭。

(2)均匀化处理：在温度不高于600℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1160-1220℃时，保温8-20小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。

(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100-1180℃，终锻温度为900-1000℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯。

(4)热处理：将锻坯进行固溶处理：在温度为1050-1200℃下，保温1-3小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为450-650℃下，保温3-10小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度Ti3Al增强超高强度钢。

优选的，真空熔炼采用真空感应炉。

优选的，重熔时选用真空自耗重熔或电渣重熔的方法。

有益效果

(1)本发明所述一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢，该钢种密度为6.5-6.9g/cm³，抗拉强度达1350MPa以上，延伸率在10％以上，可满足汽车结构件的制造需求。

(2)本发明所述一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的制备方法，该方法通过添加Ti元素，形成Ti₃Al，与κ-碳化物一同产生析出强化，来提高钢的抗拉强度，同时由于Ti的密度仅为4.5g/cm³，明显低于钢(7.8g/cm³)，故添加Ti还可有效降低钢的密度。

本发明的成分设计依据如下：

C：C的主要作用是与Mn和Al元素形成κ-碳化物((Fe，Mn)₃AlC)，形成析出强化，提高钢的强度。C还是重要的固溶强化元素，可促进奥氏体形成，同时有利于降低密度。随Al含量增加，会逐渐形成铁素体，此时若C含量较低，会使奥氏体的含量与稳定性较低，导致延伸率较低。随C含量增加，钢的强度和延伸率都可得到提升，但过高的C含量会导致形成粗大的κ-碳化物，尤其是分布在晶界处的κ-碳化物，将显著降低延伸率。因此，本发明的C含量为0.5-1.5％。

Mn：Mn是奥氏体稳定元素，Mn的主要作用是促进基体奥氏体化。奥氏体组织可使钢保持较高的加工硬化率，改善塑性；还可以提高钢的加工硬化性能，提高强度，故添加Mn有利于获得良好的强塑性配合。但Mn含量较高时，随Mn含量增加，工件在快速加热和冷却过程中的开裂倾向增大。因此，本发明的Mn含量为15-30％。

Al：Al的密度为2.7g/cm³，是降低钢的密度的主要元素。Al的另一主要作用是与Ti结合形成Ti₃Al相，同时也作为κ-碳化物的组成元素促进κ-碳化物的形成。Al含量过低会导致无法形成足够的Ti₃Al和κ-碳化物，但过高的Al含量会导致B2和DO₃型有序相出现，降低钢的塑性。此外，Al是铁素体形成元素，随其含量增加，基体中逐渐形成铁素体组织，抑制奥氏体形成，使钢的强度增加而塑性降低。Al含量过高还会导致κ-碳化物及Ti₃Al粗化，明显降低延伸率。所以，本发明的Al含量为5-10％。

Ti：Ti的添加主要是与Al形成Ti₃Al相，与κ-碳化物共同产生析出强化，提高钢的强度。Ti还具有密度低的特点，可与Al一同降低钢的密度。Ti易与C，N元素结合，故需加入足量的Ti才能得到Ti₃Al相。Ti与C，N结合形成的TiC，TiN能够细化奥氏体晶粒，也具有析出强化作用。本发明中，Ti含量为5-20％。

具体实施方式

结合实施例对本发明作进一步说明。

拉伸试验设备：型号为INSTRON5985的电子万能材料试验机(美国英斯特朗)；

实施例中拉伸强度测试标准：GB/T228-2002；抗拉强度，屈服强度和延伸率均由拉伸试验所得的拉伸应力-应变曲线按GB/T228-2002测得。

真空感应炉为锦州中真电炉有限责任公司生产的ZG-0.05真空感应炉；电渣炉为上海凯越自动化设备有限公司生产的0.5吨气氛保护电渣炉。根据本发明一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的化学成分范围，制备39公斤的合金锭7炉。

表1为本发明实施例制得的所述超高强度钢的化学成分质量百分比(wt％)。

表1

实施例炉号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

续表1

实施例炉号P/wt％S/wt％O/wt％N/wt％Fe/wt％11^#0.0030.0040.00190.0020余量22^#0.0020.0040.00170.0022余量33#0.0040.0030.00100.0030余量44^#0.0030.0040.00120.0025余量55^#0.00350.0040.00100.0030余量66^#0.0040.00350.00150.0020余量77^#0.00350.0040.00100.0030余量

实施例1

一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)冶炼：按表1中1^#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为100Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至84kW，保持该功率5小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。

(2)均匀化处理：在温度为550℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1160℃时，保温20小时，随炉冷却至室温，均匀化处理后的钢锭。

(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为900℃，在空气中冷却至室温，锻造得到锻坯，锻坯为尺寸：的试棒。

(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯，然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为1050℃下，保温3小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为450℃下，保温10小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的拉伸试样毛坯。

实施例2

一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)冶炼：按表1中2^#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将的钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为120Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至87.5kW时钢锭完全熔化，保持该功率2小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。

(2)均匀化处理：在温度为580℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1220℃时，保温8小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。

(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1180℃，终锻温度为1000℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯，锻坯为尺寸为：的试棒。

(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：温度为1200℃下，保温1小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为650℃下，保温3小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的拉伸试样毛坯。

实施例3

一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)冶炼：按表1中3^#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1650℃时保温1.5小时进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为150Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至86kW时钢锭完全熔化，保持该功率3小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。

(2)均匀化处理：在温度为550℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1190℃时，保温15小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。

(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1140℃，终锻温度为950℃，在空气中冷却至室温得到锻坯，锻坯为尺寸为：的试棒。

(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为1070℃下，保温2小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为550℃下，保温7小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的拉伸试样毛坯。

实施例4

一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)冶炼：按表1中4^#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为150Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至87kW时钢锭完全熔化，保持该功率4小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。

(2)均匀化处理：在温度为550℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1160℃时，保温20小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。

(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为900℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯，所述锻坯为尺寸为：的试棒。

(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为1050℃下，保温3小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为450℃下，保温10小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的拉伸试样毛坯。

实施例5

一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)冶炼：按表1中5^#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为150Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至87kW时钢锭完全熔化，保持该功率4小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。

(2)均匀化处理：在温度为550℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1160℃时，保温20小时，随炉冷却至室温，得到均匀化处理后的钢锭。

(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为900℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯，所述锻坯为尺寸为：的试棒。

(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为1050℃下，保温3小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为450℃下，保温10小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的拉伸试样毛坯。

实施例6

一种低密度Ti3Al增强超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)冶炼：按表1中6^#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为100Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至85kW时钢锭完全熔化，保持该功率5小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。

(2)均匀化处理：在温度为550℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1160℃时，保温20小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。

(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为900℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯，所述锻坯为尺寸为：的试棒。

(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为1050℃下，保温3小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为450℃下，在空气中冷却至室温，得到一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的拉伸试样毛坯。

实施例7

一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)冶炼：按表1中7^#炉所对应的所述超高强度钢的化学成分质量百分比称量选取原料，首先进行真空熔炼：将原料装入真空感应炉中，抽真空至真空度＜50Pa时，送电加热，逐渐增加输入功率，至原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度为＜1Pa，温度为1700℃时保温30分钟进行精炼，充分脱氧后在氩气做保护气下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却，得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入电渣炉内，通氩气保护，压强为100Pa，送电加热，逐渐增加输入功率至84kW时钢锭完全熔化，保持该功率5小时，使钢锭完全熔化，最后冷却得到重熔后的钢锭。

(2)均匀化处理：在温度为550℃时将重熔后的钢锭装入炉内，在温度为1160℃时，保温20小时，随炉冷却至室温得到均匀化处理后的钢锭。

(3)锻造：将均匀化处理后的钢锭进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为900℃，在空气中冷却至室温，得到锻坯，所述锻坯为尺寸为：的试棒。

(4)热处理：将所述试棒首先送试样段加工得到拉伸试样毛坯。然后将拉伸试样毛坯进行固溶处理：在温度为1050℃下，保温3小时，在淬火油中冷却至室温；再进行时效处理：在温度为450℃下，保温10小时，在空气中冷却至室温，得到一种低密度Ti₃Al增强超高强度钢的拉伸试样毛坯。

将实施例1～7中制得的所述拉伸试样毛坯经磨削加工成横截面直径d为5mm，原始标距L₀为25mm的标准比例拉伸试样，进行力学性能测试如表2所示，其中σ_b表示拉伸强度，σ_0.2表示屈服强度，A表示延伸率。

表2

实施例炉号σ_b/MPaσ_0.2/MPaA/％密度/(g/cm³)11#13501200196.822#13701215186.533#14101270136.744#14001280176.955#14551320166.666#14401300166.777#14801320156.5