一种低密度温轧钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于冷轧板带生产领域，具体涉及一种低密度温轧钢板及其制备方法。

背景技术

汽车制造业是国民经济的支柱产业，伴随着能源短缺和环境污染问题，轻量化成为汽车行业碳减排关注的焦点。目前，实现汽车轻量化主要有以下三种途径：一是采用轻量化原材料，如铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等。虽然轻量化原材料的使用能够降低汽车的总体重量，但存在成形工艺复杂、焊接性能较差、碰撞吸收能较低及格昂贵、产量较小等不足，限制了轻量化原材料的市场化应用。二是使用超高强度钢代替传统汽车用钢，降低钢板厚度以减轻汽车重量，随着钢板强度的提高，成形能力下降，出现开裂、起皱和回弹过大的问题，此外，随着钢板厚度的降低，某些机动车部件的刚度过度降低以及出现对乘客而言产生不舒适条件的声学问题，导致推广受到限制。三是开发出一种集高强度、高延伸率和低密度于一身的钢种，低密度钢具有良好的机械、物理特性和显著的减重效果，使其成为汽车及其供应商争相研究的热点。

现有技术中与低密度温轧钢板及其制备方法相类似的专利有：

CN 108998734 A公开了一种超高强塑性冷轧Mn-Al系TRIP钢板及其快速退火制备方法，其按重量百分比计的化学成分为：C：0.18～0.22％、Si：0.30～0.70％、Mn：6.0～7.5％、Al：2.0～3.0％、V：0.08～0.12％、P≤0.005％、S≤0.005％、N≤0.006％、O≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。熔炼温度为1550～1600℃、采用电阻式连续退火炉将冷轧钢板快速提温，加热速率为100～400℃/s、冷却至室温速度大于10℃/s。将板坯进行组织均匀化处理，加热至1170～1230℃，等温2～2.5h；开轧温度1080～1160℃，终轧温度900～950℃，每道次压下率为30％，累积压下率≥95％，热轧后待温度至680～740℃进行卷取；中间退火：退火温度为720～780℃，退火时间为0.5～2h；冷轧：每道次压下量0.1～0.2mm，累积总压下率为75～90％，得到厚度为0.5～1.2mm的冷轧钢板。两相区退火：将冷轧钢板，提温加热至820～850℃，等温时间为20～40s，随后冷却至室温。该专利冷轧之前先进行中间退火，流程较长；冷轧每道次压下量0.1～0.2mm，累积压下率为75～90％，需要反复多道次冷轧，工序较为复杂。

CN 108396244 A公开了一种冷轧中锰高铝低密度钢及其制备方法，其按重量百分比计的化学成分为C：1.20～1.30％，Mn：10.7～11.3％，Al：9.5～10％，P≤0.005％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。将铸锭加热至1170～1230℃，保温2～4h；然后在950～1050℃锻造成形获得钢坯；将钢坯加热至1180～1250℃，保温1～5h；将保温后的钢坯，进行多道次热轧，开轧温度1120～1160℃，终轧温度在≥950℃，总累计压下率为80～90％，水冷至室温，制得热轧板；将热轧板，在990～1010℃保温1～2h，直接水淬火至室温，将固溶处理后的板材进行多道次冷轧，总累计压下率为70～80％，制得冷轧板，将冷轧板在980～1020℃，保温5～15min，水淬至室温，制得冷轧中锰高铝低密度钢。该专利较高的C含量(1.20～1.30％)不利于获得良好的焊接性能，在冷轧之前进行直接水淬火至室温，将固溶处理后的板材进行多道次冷轧，总累计压下率为70～80％，由于中锰钢淬透性较强，虽然固溶处理后有部分马氏体会逆相变为奥氏体改善冷轧性能，但在冷轧过程中奥氏体转变为马氏体导致带钢变硬、变脆，限制了每道次的压下量等，不利于生产的顺行。

CN 115323275 B公开了一种高强高韧的稀土温轧低碳低锰TRIP钢及其制备方法，其按重量百分比计的化学成分为C：0.18～0.21％，Mn：1.69～1.83％，Si：0.23～0.41％，Al：1.44～1.65％，Mo：0.02～0.04％，Cu≤0.01％，Ni≤0.01％，Ti≤0.01％，N≤0.01％，Ce：0.03～0.5％，余量为Fe元素和不可避免的杂质。将铸锭加热至1200±20℃保温2～4h进行均匀化处理后，以1200±20℃的起始温度开始进行7道次轧制，终轧温度控制在850±50℃，总变形量为92.5％，将所得的热轧板空冷至室温。温轧时首先在750±20℃下保温30min，然后进行8道次轧至1.5mm，每道次的压下量为10～20％，道次间将钢板在750±20℃下保温5min，将温轧钢板空冷至室温；对温轧钢板进行贝氏体等温处理，具体工艺为：首先在800±50℃下保温120s，然后快速淬火至400±20℃保温300s，最终空冷至室温。该专利温轧时道次间将钢板在750±20℃下保温5min后方进行轧制，反复加热工序较为繁琐，效率低下。

鉴于此，现有技术有待改进。

发明内容

针对上述现有技术中的至少一个问题，本发明的目的在于提供一种低密度温轧钢板及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供了一种低密度温轧钢板的制备方法，包括以下步骤：

(a)冶炼工序：按照低密度温轧钢板的化学成分进行冶炼并铸造成铸锭，所述低密度温轧钢板的化学成分按重量百分比计包括：C：0.25％～0.35％，Si：0.30％～0.60％，Mn：4.5％～5.8％，P≤0.018％，S≤0.008％，Als：2.5％～3.8％，余量为Fe及不可避免的杂质；

(b)锻造工序：将铸锭加热至1210℃～1250℃保温3～5小时后，将铸锭锻造成板坯，终锻温度≥850℃；

(c)热轧工序：将板坯加热至1230℃～1270℃保温3～7小时后，热轧至第一设定厚度规格的带钢，终轧温度为880℃～940℃，轧制后的带钢空冷至室温；

(d)温轧工序：将经过热轧的带钢加热至630℃～670℃后进行温轧，轧制成第二设定厚度规格的带钢，每道次压下率为12％～18％；

(e)热处理工序：将经过温轧的带钢加热至730℃～780℃保温10～20min后冷却至室温，得到低密度温轧钢板。

优选地，所述低密度温轧钢板的化学成分按重量百分比计包括：C：0.28％～0.32％，Si：0.40％～0.55％，Mn：4.8％～5.5％，P≤0.012％，S≤0.005％，Als：2.8％～3.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。

根据本发明的一些实施例，在步骤(c)中，在将板坯加热保温之后，并且在热轧之前，去除板坯表面的氧化铁皮。

根据本发明的一些实施例，在步骤(d)中，在温轧之前，对带钢进行酸洗。

根据本发明的一些实施例，第一设定厚度规格为4.0～7.0mm，第二设定厚度规格为0.8～2.0mm。

根据本发明的一些实施例，在步骤(b)中，以7～9℃/min的速率将铸锭加热至1210℃～1250℃。

根据本发明的一些实施例，在步骤(e)中，带钢空冷至室温。

根据本发明的第二方面，提供了一种低密度温轧钢板，其利用根据本发明第一方面所述的方法制备而成。

根据本发明的一些实施例，所述低密度温轧钢板的屈服强度为580～670MPa，抗拉强度为760～850MPa，伸长率A

根据本发明的一些实施例，所述低密度温轧钢板的组织由条带状的δ铁素体、针状α铁素体、板条状马氏体以及残余奥氏体构成，其中，条带状的δ铁素体占15％-20％，针状α铁素体占30％-35％，板条状马氏体占35％-40％，残余奥氏体占10％-15％。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对合金元素及其含量进行成分设计配合冶炼工序+锻造工序+热轧工序+温轧工序+热处理工序的工艺流程，制备出了低密度温轧钢板，其屈服强度达到580～670MPa，抗拉强度达到760～850MPa，伸长率A

本发明通过添加轻质元素Al从而降低钢材的密度，在保证强塑性的前提下降低材料密度，Al是典型的铁素体形成元素、扩大铁素体相区(δ-F、α-F)；本发明在温轧期间使带钢快速加热至两相区使部分马氏体转变为奥氏体，利于塑性变形，同时相对较低的加热温度抑制了再结晶，有利于进一步细化晶粒，为后续热处理提供了板形/厚度精度良好的原料，为开发高强度低密度的汽车用钢提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明提供的低密度温轧钢板的制备方法的流程图；

图2为采用本发明的方法制备得到的低密度温轧钢板的金相显微镜照片；

图3为采用本发明的方法制备得到的低密度温轧钢板的扫描电镜照片；

图4为采用本发明的方法制备得到的低密度温轧钢板的应力-应变曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据需要，本发明说明书中公开了本发明的具体实施例；然而，应当理解在此公开的实施例仅为可通过多种、可替代形式实施的本发明的示例。在下文的描述中，在构想的多个实施例中描述了多个操作参数和部件。这些具体的参数和部件在本说明书中仅作为示例而并不意味着限定。

根据本发明的第一方面，提供了一种低密度温轧钢板的制备方法。如图1所示，该方法包括以下步骤：

(a)冶炼工序：按照低密度温轧钢板的化学成分进行冶炼并铸造成铸锭，所述低密度温轧钢板的化学成分按重量百分比计包括：C：0.25％～0.35％，Si：0.30％～0.60％，Mn：4.5％～5.8％，P≤0.018％，S≤0.008％，Als：2.5％～3.8％，余量为Fe及不可避免的杂质；

(b)锻造工序：将铸锭加热至1210℃～1250℃保温3～5小时后，将铸锭锻造成板坯，终锻温度≥850℃；

(c)热轧工序：将板坯加热至1230℃～1270℃保温3～7小时后，热轧至第一设定厚度规格的带钢，终轧温度为880℃～940℃，轧制后的带钢空冷至室温；

(d)温轧工序：将经过热轧的带钢加热至630℃～670℃后进行温轧，轧制成第二设定厚度规格的带钢，每道次压下率为12％～18％；

(e)热处理工序：将经过温轧的带钢加热至730℃～780℃保温10～20min后冷却至室温，得到低密度温轧钢板。

优选地，低密度温轧钢板的化学成分按重量百分比计包括：C：0.28％～0.32％，Si：0.40％～0.55％，Mn：4.8％～5.5％，P≤0.012％，S≤0.005％，Als：2.8％～3.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。

合金元素在该低密度温轧钢板中的作用如下：

碳：C是钢中重要的奥氏体元素，能够稳定奥氏体组织，也能够促进降低密度。同时，C能够和钢中微合金元素作用生成纳米级碳化物，和Mn、Al元素共同作用生成κ-碳化物((Fe,Mn)

硅：Si能固溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度，其作用仅次于C、P，较Mn、Cr、Ti和Ni等元素强；Si还可以抑制铁素体中碳化物的析出，使固溶C原子充分向奥氏体中富集，从而提高其稳定性。过低的Si含量难以在室温获得残余奥氏体。然而，Si含量过高时，Si在加热炉中形成的表面氧化铁皮很难去除，增加了除磷难度；同时在退火过程中易向表面富集形成SiO

锰：Mn是奥氏体化元素，添加Mn元素可扩大奥氏体相区并提高奥氏体含量，提高钢的层错能，抑制马氏体相变，使其在形变过程中产生密集的孪晶，并有效提高钢的伸长率，但锰含量大幅增加后会使得成本上升，同时偏析严重。因此，在本发明中Mn含量为4.5％～5.8％，优选为4.8～5.5％。

铝：Al的密度为2.7g/cm

磷：钢中P一般固溶在铁素体中，有很强的固溶强化作用，但在板坯凝固过程中，磷(P)沿柱状晶界或等轴晶界偏析从而使板坯在高温下和室温下为脆性并可在板坯中引起裂纹。另外，在加工之后，P提高钢的延展性-脆性转变温度，并使钢对氢脆敏感。因此，将P含量以重量百分比计定在≤0.018％范围内，优选≤0.012％。

硫：S为钢中的杂质元素，易在晶界产生偏聚，且与钢中的Fe形成低熔点的FeS，降低钢材的韧性；此外，S还会形成夹杂物例如MnS，由此当钢材在热轧或冷轧时引起开裂。因此，将S含量以重量百分比计定在≤0.008％范围内，优选≤0.005％。

本发明中，通过对合金元素及其含量进行成分设计配合相应的工艺步骤，获得了集高强度、高延伸率和低密度于一身的钢板，特别是通过添加轻质元素Al从而降低钢材的密度，在保证强塑性的前提下降低材料密度；Al是典型的铁素体形成元素、扩大铁素体相区(δ-F、α-F)，为了获得良好强塑性需添加奥氏体形成元素(通常为C和Mn)，会提高带钢的淬透性。

步骤(b)中，铸锭加热温度典型但非限制性地例如为1210℃、1220℃、1230℃、1240℃或1250℃，铸锭保温时间典型但非限制性地例如为3小时、4小时或5小时，终锻温度典型但非限制性地例如为850℃、860℃、870℃、880℃、890℃或900℃。

优选地，步骤(b)中，将铸锭缓慢加热至1230℃保温4小时后，将铸锭锻造成板坯，终锻温度≥850℃。此处，缓慢加热的原因是使得带钢各微区的成分和组织更加均匀，缓慢加热是指以7～9℃/min的速率进行加热。

步骤(c)中，板坯加热温度典型但非限制性地例如为1230℃、1240℃、1250℃、1260℃或1270℃，板坯保温时间典型但非限制性地例如为3小时、4小时、5小时、6小时或7小时，终轧温度典型但非限制性地例如为880℃、890℃、900℃、910℃、920℃、930℃或940℃。

在一些实施例中，在步骤(c)中，在将板坯加热并保温之后，并且在热轧之前，利用除鳞设备去除板坯表面的氧化铁皮。

优选地，在一些实施例中，步骤(c)中，将板坯经过加热到1250±20℃保温4小时，去除氧化铁皮经7道轧制至4.0～7.0mm，精轧其终轧温度为880～940℃，经轧制后的带钢空冷至室温。

步骤(d)中，温轧温度典型但非限制性地例如为630℃、640℃、650℃、660℃或670℃，每道次下压率典型但非限制性地例如为12％、13％、14％、15％、16％、17％或18％。

在一些实施例中，在步骤(d)中，在温轧之前，对带钢进行酸洗。

优选地，在一些实施例中，步骤(d)中，将热轧卷经过酸洗后，利用四辊冷/温轧机将带钢温轧至0.8～2.0mm，利用夹持端将带钢加热至650℃后进行温轧，每道次压下率为12～18％，通过加热至两相区，部分马氏体转变为奥氏体，确保了带钢边部质量。同时，温轧温度偏向逆转变温度的下限，既保证了轧制的顺利进行，又抑制了再结晶，细化了晶粒。铁素体基低密度钢(中锰钢等)在空冷条件下便生成马氏体，直接冷轧则会出现边裂甚至断带等风险，通常在冷轧前会进行中间退火(逆相变退火)。在冷轧过程中奥氏体受到塑性变形的影响会再次转变为马氏体，导致铁素体基低密度钢(中锰钢等)的道次压下率较低、工序繁复。部分研究人员会采用将带钢加热至两相区后温轧，且每道次轧制前进行一次中间退火，不利于生产的顺行。本发明提供了一种温轧方式，其利用带钢夹持端进行电加热，使带钢快速加热至两相区，使部分马氏体转变为奥氏体，利于塑性变形，同时相对较低的加热温度抑制了再结晶，有利于进一步细化晶粒，为后续热处理提供了板形/厚度精度良好的原料，为开发高强度低密度的汽车用钢提供技术支撑。

步骤(e)中，带钢加热温度典型但非限制性地例如为730℃、740℃、750℃、760℃、770℃或780℃，带钢保温时间典型但非限制性地例如为10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min或20min。

在一些实施例中，在步骤(e)中，将带钢加热至730～780℃保温10～20min后在空气中缓慢冷却至室温，以便于获得良好的组织性能。

根据本发明的第二方面，提供了一种低密度温轧钢板，其利用根据本发明的第一方面所述的方法制备而成。

低密度温轧钢板的屈服强度为580～670MPa，抗拉强度为760～850MPa，伸长率A

低密度温轧钢板的组织由条带状δ铁素体、针状α铁素体、板条状马氏体以及残余奥氏体构成，其中，条带状δ铁素体占15％-20％，针状α铁素体占30％-35％，板条状马氏体占35％-40％，残余奥氏体占10％-15％。

下面通过具体的实施例对本发明进行具体的说明。

实施例

以下提供了七组低密度温轧钢板，其化学成分如表1所示。

表1低密度温轧钢板化学成分(wt.％)

上述低密度温轧钢板的制备方法，具体工艺如下：

A、冶炼工序：经过冶炼工艺，制备如表1所示化学成分的低密度钢板坯；

B、锻造热轧工序：将铸锭加热至1230℃保温4小时后锻造成板坯，后将板坯经过加热、热轧和空冷后获得热轧卷，具体热轧工艺参数如表2所示。

表2低密度温轧钢板锻造热轧主要工艺参数

C、温轧工序：将热轧卷酸洗后，利用四辊冷/温轧机将带钢温轧至1.0～2.5mm，温轧温度为650℃，其带钢温轧板厚度及冷轧压下率见表3所示。

表3低密度温轧钢板冷轧原料、成品及压下率

D、热处理工序：将带钢加热至730～780℃保温10～30min后缓慢冷却至室温，具体工艺参数如表4所示。

表4低密度温轧钢板主要工艺参数

对比例

按照文献CN 108998734 A、CN 108396244 A、CN 115323275 B公开的工艺制备了相应的产品作为对比例。

CN 108998734 A的制备工艺为：(1)热轧：将板坯进行组织均匀化处理，加热至1170～1230℃，等温2～2.5h；开轧温度1080～1160℃，终轧温度900～950℃，每道次压下率为30％，累积压下率≥95％，热轧后待温至680～740℃进行卷取；(2)中间退火：退火温度为720～780℃，退火时间为0.5～2h；(3)冷轧：每道次压下量0.1～0.2mm，累积总压下率为75～90％，得到厚度为0.5～1.2mm的冷轧钢板。(4)两相区退火：将冷轧钢板，提温加热至820～850℃，等温时间为20～40s，随后冷却至室温。(案例中只有性能无组织比例)

CN 108396244 A的制备工艺为：(1)锻造：将铸锭加热至1170～1230℃，保温2～4h；然后在950～1050℃锻造成形获得钢坯；(2)热轧：将钢坯加热至1180～1250℃，保温1～5h；将保温后的钢坯，进行多道次热轧，开轧温度1120～1160℃，终轧温度在≥950℃，总累计压下率为80～90％，水冷至室温，制得热轧板；(3)固溶处理：将热轧板，在990～1010℃保温1～2h，直接水淬火至室温；(4)冷轧：将固溶处理后的板材，进行多道次冷轧，总累计压下率为70～80％，制得冷轧板；(5)热处理：将冷轧板在980～1020℃，保温5～15min，水淬至室温，制得冷轧中锰高铝低密度钢。(案例中无明确组织比例)

CN 115323275 B的制备工艺为：(1)热轧：将铸锭加热至1200±20℃保温2～4h进行均匀化处理后，以1200±20℃的起始温度开始进行7道次轧制，终轧温度控制在850±50℃，总变形量为92.5％，将所得的热轧板空冷至室温。(2)温轧：首先在750±20℃下保温30min，然后进行8道次轧至1.5mm，每道次的压下量为10～20％，道次间将钢板在750±20℃下保温5min，将温轧钢板空冷至室温。(3)贝氏体等温处理：首先在800±50℃下保温120s，然后快速淬火至400±20℃保温300s，最终空冷至室温。实验钢的微观组织由铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成，各相体积分数占比依次为36±1％、45±1％和20±1％

性能表征

经本发明的工艺制备的低密度温轧钢板(对应于实施例1)其微观组织如图2至图3所示，应力-应变曲线见图4所示。从图2和图3中可以看出：本发明制备的低密度温轧钢板显微组织为条带状δ铁素体、针状α铁素体、板条状马氏体以及残余奥氏体，组织均匀。

按照GB/T228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》测试上述低密度温轧钢板性能，具体见表5所示。

表5低密度温轧钢板力学性能

如表5所示，通过本发明的工艺制备的低密度温轧钢板相比于现有技术，在保证较高的屈服强度、抗拉强度的基础上，还具有优异的延伸率和密度。