一种提高低密度钢强塑性的退火工艺及低密度钢的生产方法

摘要

本发明的一种提高低密度钢强塑性的退火工艺及低密度钢的生产方法，属于低密度钢技术领域。包括一次奥氏体化处理：将低密度钢加热到1000～1100℃，保温3～4小时；碳化物处理：将一次奥氏体化处理得到的低密度钢冷却到650～750℃，保温2～3小时；二次奥氏体化处理：将碳化物处理得到的低密度钢加热到850～950℃，保温1～3小时；冷却：将二次奥氏体化处理得到的低密度钢快速水淬冷却至室温；本发明将低密度钢通过一次奥氏体化处理、碳化物处理、二次奥氏体化处理和冷却等步骤后，得到强塑积大于50GPa·％的低密度钢，具有良好的力学性能和加工性能。

说明书

技术领域

本发明属于低密度钢技术领域，具体来说是一种提高低密度钢强塑性的退火工艺及低密度钢的生产方法。

背景技术

随着资源、能源和环境问题的日益严峻，人们环保意识的抬头和可持续发展战略的客观要求，汽车轻量化已经成为未来的发展趋势。为实现汽车轻量化可采取的途径主要有两种：一是选择轻质材料，比如低密度铝及铝合金、镁及镁合金、工程塑料或碳纤维复合材料等，主要以铝合金为主；二是使用高强度钢板代替普通钢板，通过降低钢板厚度以实现轻量化，主要包括马氏体钢、CP钢、TRIP钢、TWIP钢、DP钢等。在此基础上，诞生了开发高强度低密度钢的研究思潮，即开发集低密度和高强度于一身的钢板。

目前，已有技术通过向铁素体钢当中添加高含量的C和Mn元素，获取高强度高塑性的低密度钢。但是，这种技术由于连铸坯内部合金元素的偏析严重，轧制过程中会出现严重的中心和边部裂纹、制备的钢板冷弯性差等加工制造问题。

经检索，发明创造的名称为：高速钢退火方法(申请号：201110446207.8，申请日：2011.12.28)，该方法先将高速钢锭坯材装炉后，缓慢升温至700℃，保温2～3小时；继续升温，确保钢锭坯材的最低温度达到760℃；控制缓慢降温，使炉内高速钢钢锭坯材奥氏体组织、马氏体和贝氏体组织缓慢通过珠光体有效转变区，转变为珠光体或回火索氏体或回火屈氏体中的至少一种；断电炉冷至500℃以下，出炉空冷。该申请案实现对具有不稳定组织(马氏体、贝氏体或其混合组织)的冷锭坯材和具有过冷奥氏体组织的热锭坯材可以同时装炉一起退火，然后分别获得珠光体或回火索氏体、回火屈氏体及其混合的稳定组织，但是该申请案的不足之处在于使用该方法得到的钢材的强塑积不高，无法满足使用需求。

此外，发明创造的名称为：一种低密度Fe-Mn-Al-C系冷轧汽车用钢板的制备方法(申请号：201510107144.1，申请日：2015.06.03)，该申请案的汽车用钢板的化学成分为：C、0.65％～0.75％，Mn、14.0％～19.0％，Al、7.0％～10.5％，P<0.003％、S<0.002％，余量为Fe及不可避免杂质。制备工艺步骤包括：冶炼；锻造；钢坯加热到1150～1180℃保温2h后进行多道次热轧变形，开轧温度1050～1100℃，终轧温度850～900℃，累计变形量在80％～90％，卷取温度200～300℃；热轧后钢板进一步固溶处理，950～1050℃保温0.5～1h后水淬处理；接着冷轧变形，累积压缩量为60～80％；之后退火处理，在1000℃保温10～15min后水淬；试验用钢为奥氏体+铁素体双相组织，最终获得具有低密度、高强韧的冷轧双相汽车用钢板。但是其强塑积只有40GPa·％，无法满足市场未来的需求。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于解决现有技术中退火工艺获得的钢才强塑积不高和性能达不到要求的问题，提供一种提高低密度钢强塑性的退火工艺及低密度钢的生产方法，将低密度钢通过一次奥氏体化处理、碳化物处理、二次奥氏体化处理和冷却等步骤后，得到强塑积大于50GPa·％的低密度钢，具有良好的力学性能和加工性能。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：一种提高低密度钢强塑性的退火工艺，所述退火工艺步骤如下：

(1)一次奥氏体化处理：将低密度钢加热到1000～1100℃，保温3～4小时；

(2)碳化物处理：将步骤(1)得到的低密度钢冷却到650～750℃，保温2～3小时；

(3)二次奥氏体化处理：将步骤(2)得到的低密度钢加热到850～950℃，保温1～3小时；

(4)冷却：将步骤(3)得到的低密度钢快速水淬冷却至室温。

优选地，所述低密度钢的化学成分质量百分比为：Mn：19.40～20％；Al：9.82～10％；C：0.98～1％；P≤0.003％；S≤0.003％，其余为Fe及不可避免的杂质上。

优选地，所述低密度钢中的Mn和Al的质量百分比之和>28％，所述低密度钢中的Mn与Al质量之比为1.8～2.0。

优选地，所述步骤(1)和步骤(3)的加热方式为抽真空加热；所述步骤(2)的冷却方式为空冷。

优选地，所述步骤(1)中的加热速率为10～20℃/s；所述步骤(3)的加热速率为5～10℃/s。

一种低密度钢的生产方法，钢液冶炼完成后铸造得到铸坯，对铸坯进行热轧、冷轧处理，并对冷轧后的钢坯进行退火处理，所述退火处理的工艺为上述的退火工艺。

优选地，所述低密度钢通过如下步骤制得：

S1、冶炼，将金属原料加入冶炼炉进行冶炼，得到钢液；

S2、铸造，将步骤S1得到的钢液注入模具中，得到低密度钢的铸坯；

S3、热轧，将步骤S2得到的低密度钢的铸坯加热到1150～1250℃并保温，随后进行至少两次热轧；

S4、固溶处理，将步骤S3得到的低密度钢在1000～1100℃下保温，之后进行淬火处理；

S5、冷轧，将步骤S4得到的低密度钢进行至少两次冷轧，冷轧的累计变形量为67％。

优选地，所述步骤S2中的铸造方式为模铸，模铸的过程控制钢水的过热度为20～30℃，模具的模温为步骤S1钢水温度的10％，在模具的底面装铺有保护渣。

优选地，所述步骤S2中的冷却方式为二次冷却，第一次冷却采用软水冷却，第二次冷却采用纯水冷却，第二次冷却水流量为第一次冷却水流量的70～80％。

优选地，所述步骤S3中的热轧道次为2～4道次，热轧前对步骤S2所得的低密度钢进行加热，加热到1150～1250℃，并保温2h；所述的热轧处理的终轧温度为850～900℃。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种提高低密度钢强塑性的退火工艺及低密度钢的生产方法，将低密度钢通过一次奥氏体化处理、碳化物处理、二次奥氏体化处理和冷却等步骤后，得到强塑积大于50GPa·％的低密度钢，具有良好的力学性能和加工性能；

(2)本发明的一种提高低密度钢强塑性的退火工艺及低密度钢的生产方法，在模铸的过程中加入保护渣，保护渣为铝矾土、白云石、高炉渣、水泥熟料和硅灰石，降低杂质元素对Mn偏析、Al脆性物生成的不利影响，保护渣具有良好的成渣性，铸造的过程中在锭与模之间形成很薄一层渣膜，渣膜具有良好的绝热保温性，减少钢锭头部热散失，而且减缓钢锭热应力，防止钢锭表面裂纹；

(3)本发明的一种提高低密度钢强塑性的退火工艺及低密度钢的生产方法，在铸造的过程中进行二次冷却，且第二次冷却的冷却水流量小于第一次冷却的冷却水流量，通过降低二次冷却的冷却强度，减少铸坯热流散失的强度，降低了铸坯已有的晶核的长大速度，促进了铸坯晶粒的细化，提高铸坯的等轴晶率。

附图说明

图1为本发明的一种提高低密度钢强塑性的退火工艺的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实施例的一种提高低密度钢强塑性的退火工艺，所述退火工艺步骤如下：

(1)一次奥氏体化处理：将低密度钢加热到1000～1100℃，保温3～4小时,本实施例采用温度为1050℃，保温时间为3小时；

(2)碳化物处理：将步骤(1)得到的低密度钢冷却到650～750℃，保温2～3小时，本实施例冷却温度为700℃，保温时间为2小时；

(3)二次奥氏体化处理：将步骤(2)得到的低密度钢加热到850～950℃，保温1～3小时，本实施例加热温度为900摄氏度，保温时间为2小时；

(4)冷却：将步骤(3)得到的低密度钢快速水淬冷却至室温。

本实施例中的低密度钢的化学成分质量百分比为：Mn：19.4％、Al：9.82％、C：0.99％、P：0.003％、S：0.003％，其余为Fe及其它不可避免的杂质，且低密度钢中的Mn和Al的质量百分比之和>28％，本实施例为29.22％；而且低密度钢中Mn的质量百分比为19.40～20％，Mn与Al质量之比为1.8～2.0，本实施例的Mn的质量百分比为19.4％，Mn与Al质量之比为1.98；此外，值得注意的是本方法的低密度钢中Al与C质量之比为9.5～10.5，本实施例为9.9。本发明的一种低密度钢的生产方法，具体步骤如下：

S1、冶炼：以低碳Mn-Fe为基体，加入Al-Fe合金及碳粉，按照需要的比例通过真空感应熔炼炉进行熔炼，在熔炼的过程中向炉内通入氩气，同时在熔炼的过程中向钢液中加入添加剂，添加剂的加入量为钢液的0.01％，所述的添加剂由稀土、高岭土、生物质组成，添加剂各组分按照如下质量份组成：稀土：10份；高岭土：5份；生物质：2份，得到钢水温度为1623℃。在钢液中加入添加剂，减小了低密度钢韧性的各向异性，防止了钢的层状撕裂；添加剂中的Ca、Mg等元素促进了夹杂物变性，且添加剂中生物质在熔炼的过程中分解产生的还原性气体对钢液具有较好的搅拌作用，促进了Ca、Mg与夹杂物的结合，提高了Ca、Mg变性处理的效果，且气体搅拌使得钢液中的夹杂物上浮，进而改善了低密度钢的综合性能；且生物质分解产生的气体与氩气共同作用，促进了夹杂物和杂质的上浮，改善低密度钢的综合性能。

S2、模铸：设置钢锭模具温度为160℃，在模具的底面铺设2层马粪纸，在马粪纸上均匀装铺保护渣，保护渣由铝矾土、白云石、高炉渣、水泥熟料和硅灰石组成，保护渣的总添加量为钢水质量的0.2％，保护渣按照如下质量份组成：铝矾土：5份；白云石：20份；高炉渣：3份；水泥熟料：1份；硅灰石：1份；从而控制[S]+[P]+[O]+[H]+[N]≤100ppm，降低杂质元素对Mn偏析、Al脆性物生成的不利影响；保护渣是在浇铸过程中覆盖在钢锭模内钢液表面，能维持正常浇铸的渣料。本实施例为粉渣，具有良好的铺散性，防止模内钢液二次氧化；而且保护渣具有良好的成渣性，保护渣在锭与模之间形成很薄一层渣膜，渣膜具有较好的保温性，而且减缓钢锭热应力，防止钢锭表面裂纹。

此外，在将熔炼后钢水浇注到模具内，控制钢水的过热度为20～30℃，本实施例控制过热度为25℃，低过热度使得两相区温度梯度小、减小定向传热的时间，有利于细晶粒的形成，抑制柱状晶的生长，减少了中心偏析。在模铸的同时进行电磁搅拌，电磁搅拌频率为4～7Hz之间，电流强度为250～400A之间，本实施例采用频率6Hz，电流强度为300A，在铸造的过程中进行电磁搅拌，电磁搅拌能够打断正在生长的柱状晶、末端枝晶，被打断而游离的树枝晶将作为新的形核核心，增多了铸坯结晶的形核核心，并扩大铸坯中心等轴晶区，从而显著提高了凝固组织的致密程度；最后进行冷却，冷却方式为二次冷却，第一次采用软水冷却，第二次采用纯水冷却且冷水流量为第一次冷却软水流量的70％，二次冷却有利于提高铸坯的等轴晶率，第一次冷却降低了初生坯壳的厚度，有利于热量通过初生坯壳散出，使得铸坯能够形成更多的形核核心，形核核心的增多使得低密度钢的晶粒得到细化，凝固组织更加致密；第二次采用比第一次低流量的纯水冷却，通过降低二次冷却强度使铸坯冷却速度减小，降低了铸坯晶核的生长速度，从而有利于促进铸坯晶粒细化，提高了铸坯的等轴晶率。

S3、热轧：将所得的钢坯进行加热，加热温度为1200℃，升温速度为1℃/s，并保温2h，可以使得坯料的成分更加均匀并减小偏析，而后进行第一道次轧制，开轧温度为1050℃，轧制参数为：变形速率0.006/s，压下量30％；间隔10s后，再进行第二道次轧制，轧制参数为：变形速率0.6/s，压下量20％；间隔10s后，再进行第三道次轧制，轧制参数为：变形速率4/s，压下量20％；控制终轧温度为900℃，然后进行固溶处理。第一道次压下率为30％，第一道次热轧下压率为k，为钢中的Mn质量百分比，为钢中的Al质量百分比，为钢中的C质量百分比；多道次热轧可以减少轧制裂纹的产生，并促进铸坯结晶化，抑制有序化结构B2相和Fe-Al金属间化合物的出现和偏聚。

S4、固溶处理：将钢锭加热到1050℃，保温1h后进行快速水淬，冷却速度为20℃/s，通过固溶处理，使得奥氏体晶粒长大，同时将带状铁素体组织被分割成细小的岛状，减少了热轧组织中条带状铁素体的含量，可以提高钢板的横向力学性能；而且固溶处理促进了碳化物消失，固溶处理后的热轧钢板的综合力学性能得到改善，进而增强钢板的塑性和冲击韧性，保证了冷轧的顺利进行。

S5、冷轧：将固溶处理后的钢板酸洗除鳞后进行多次冷轧，冷轧压下率为67％。

S6、退火处理：将冷轧后的低密度钢放到加热炉中进行加热，将低密度钢加热到1050℃，加热速率为20℃/s，保温3小时，为一次奥氏体化处理；将一次奥氏体化处理后得到的低密度钢冷却到700℃，保温2小时，冷却方式为空冷，为碳化物处理；将碳化物处理后得到的低密度钢加热到900℃，加热速率为10℃/s，保温2小时，为二次奥氏体化处理；将二次奥氏体化处理后得到的低密度钢快速水淬冷却至室温。一次奥氏体化处理可以将条带状铁素体和奥氏体破碎成小晶粒，同时奥氏体晶粒长大增多，奥氏晶粒可以使得钢材具有良好的综合性能；碳化物处理可以使得低密度钢中碳化物增多，碳化物和在铁素体中形成分散状的纳米级颗粒κ-碳化物，从而获得再结晶晶粒，κ-碳化物可以提高低密度钢的硬度等力学性能；二次奥氏体化处理可以使得κ-碳化物含量减少到10～20％，当κ-碳化物含量小于10％时对低密度钢的硬度等力学性能影响不够大，达不到要求，当κ-碳化物含量大于20％时，低密度钢的硬度过大，使得延展性降低，强塑积降低，当碳化物含量为10～20％时可以提高硬度的同时提高低密度钢的塑性，使得低密度钢具有较高的强塑积和良好的加工性能。而后检测低密度钢的抗拉强度、断后延伸率和强塑积，检测结果记录如表1所示。

对比例1

本对比例的一种提高低密度钢强塑性的退火工艺，基本步骤与实施例1基本相同，其不同之处在于：退火过程如下，将冷轧后的低密度钢加热到700℃，保温1小时，然后水淬到室温，得到低密度钢。而后检测该密度钢的抗拉强度、断后延伸率和强塑积，检测结果记录如表1所示。

对比例2

本对比例的一种提高低密度钢强塑性的退火工艺，基本步骤与实施例1基本相同，其不同之处在于：退火过程如下，将冷轧后的低密度钢加热到900℃，保温1小时，然后水淬到室温，得到低密度钢。而后检测该密度钢的抗拉强度、断后延伸率和强塑积，检测结果记录如表1所示。

对比例3

本对比例的一种提高低密度钢强塑性的退火工艺，基本步骤与实施例1基本相同，其不同之处在于：退火过程如下，将冷轧后的低密度钢加热到1050℃，保温1小时，然后水淬到室温，得到低密度钢。而后检测该密度钢的抗拉强度、断后延伸率和强塑积，检测结果记录如表1所示。

将以上实施例所制得的钢材料进行力学性能检测，得到结果如下表：

表1实施例1、对比例1～3的实验数据

屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后延伸率/％强塑积/GPa·％实施例192010804851.84对比例1115013501013.50对比例285010004242.00对比例35758054032.20

分析表1中的实验数据可知：

采用本发明退火工艺的实施例1所获得的低密度钢的强塑积大于50GPa·％，而对比例1～3所获得低密度钢的强塑积都小于50GPa·％，对结果分析如下：

低密度钢在一次奥氏体化的过程中，加热到1000～1100℃，保温3～4小时，可以将条带状铁素体和奥氏体破碎成小晶粒，同时奥氏体晶粒长大增多，奥氏体晶粒可以使得钢材具有良好的综合性能；

在碳化物处理时，将一次奥氏体化后的低密度钢冷却到650～750℃，保温2～3小时，可以使得低密度钢中碳化物增多，碳化物和在铁素体中形成分散状的纳米级颗粒κ-碳化物，从而获得再结晶晶粒，κ-碳化物可以提高低密度钢的硬度等力学性能；

在二次奥氏体化处理时，将碳化物处理后的低密度钢加热到850～950℃，保温1～3小时，可以使得κ-碳化物含量减少到10～20％，当κ-碳化物含量小于10％时对低密度钢的硬度等力学性能影响不够大，达不到要求，当κ-碳化物含量大于20％时，低密度钢的硬度过大，使得延展性降低，强塑积降低，当碳化物含量为10～20％时可以提高硬度的同时提高低密度钢的塑性，使得低密度钢具有较高的强塑积和良好的加工性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。