一种超细片层双相高强韧低密度钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料设计及制备领域，具体涉及一种超细片层双相高强韧低密度钢及其制备方法。

背景技术

“质量越重、功率消耗越高、能量消耗也越大”是汽车的基本属性之一。汽车轻量化是实现汽车节能减排的重要技术路径，也是汽车产业可持续发展的必经之路。目前汽车用结构材料主要有钢、镁、铝以及纤维复合材料等，其中镁、铝以及纤维复合材料密度较小，有利于轻量化的实现，但是材料的强度低、价格昂贵，在实际应用中受到较大的限制。目前高强度钢仍然以其高性价比、驾轻就熟的应用技术、完善的工业体系和良好的应用环境受到国内外汽车企业青睐。但金属材料的密度与强韧性呈倒置关系，如何在降低材料密度的同时，获得良好的强韧性，是本领域关注的关键科学和技术问题。

CN109628850A专利公布了一种多用途全奥氏体低密度钢及制备方法。其密度为7.0-7.4g/cm

CN114480988A专利公布了一种多相复合高强高韧低密度钢及制备方法，该方案通过对合金成分和加工工艺的调整得到了密度≤6.6g/cm

本项目提出通过设计钢铁材料的合金成分，优化加工和热处理工艺，获得轻质化、高强韧汽车用新材料，为汽车的轻量化设计提供良好的材料基础，有利于推动汽车行业的低碳可持续发展。

发明内容

本发明提出一种超细片层双相高强韧低密度钢及其制备方法，以解决现有低密度钢材料往往屈服强度过高或者过低，同时低温冲击韧性也不高的问题。

为达上述目的，本发明提出技术方案如下：

一种超细片层双相高强韧低密度钢，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分按质量百分比计为：

C 0.4-1.2wt.％，Mn 14-35wt.％，Al 7-14wt.％，Ni 3-6wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

优选的，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分还包括：

V 0-3wt.％、Nb 0-3wt.％、Ti 0-3wt.％、Mo 0-3wt.％。

优选的，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分中，C的含量为0.4-0.8wt.％，Mn的含量为24-35％。

优选的，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分中，C的含量为0.8-1.2wt.％，Mn的含量为14-24％。

优选的，所述超细片层双相高强韧低密度钢的组织由超细片层B2带和奥氏体构成。

优选的，所述超细片层双相高强韧低密度钢的屈服强度为800-1500MPa，抗拉强度为1100-1600MPa，延伸率为15-50％，强塑积为20-50GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性为30-70J/cm

一种超细片层双相高强韧低密度钢制备方法，包括如下步骤：

步骤1，材料制备；按所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分配比称量纯度≥99.8％的Fe、Mn、C、Al、Ni作为合金原料，将所述合金原料放入电弧炉或感应炉中进行熔炼，得到钢水；

步骤2，凝固铸造；将所述钢水注入模具中凝固，浇铸成铸锭；

步骤3，锻造；将所述铸锭开坯后热锻，锻后冷却至室温；锻造比≥1.5；

步骤4，热轧；锻后进行多道次热轧，得到热轧样品，所述热轧样品退火后冷却至室温，得到热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢。

优选的，在一具体实施方式中，所述步骤S3中的保温温度为1000～1250℃，保温时间为1-6h，最终热变形温度≥900℃。

优选的，所述步骤4中的热轧温度为600-1200℃。

优选的，所述步骤4中的轧制轧下量为80-99％；

所述退火温度为500-1000℃，保温时间为0.05-12h。

本发明的有益之处在于：

本发明提出一种超细片层双相高强韧低密度钢，从成分方面，相较于传统低密度钢，C含量的可以大幅降低来提高材料的焊接性；Mn的添加起到稳定奥氏体的作用；大量Al的添加不仅起到降低钢材密度作用，还起到提高耐蚀性；Ni元素的加入可以促进具有一定塑性变形能力的NiAl型B2相形成，也可以大幅度提高耐蚀性。

本发明还提出一种超细片层双相高强韧低密度钢制备方法，可以通过简单的热锻、热轧或退火工艺得到B2和奥氏体呈层状分布的超细晶片层组织，可以在大幅度降低密度的情况下有效提升材料强韧性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种超细片层双相高强韧低密度钢制备方法流程示意图；

图2为本发明实施例1的热轧态超细片层双相高强韧低密度钢的SEM图；

图3为本发明实施例2的热轧态超细片层双相高强韧低密度钢的SEM图；

图4为本发明实施例3的热轧态超细片层双相高强韧低密度钢的SEM图；

图5为本发明实施例4的热轧态超细片层双相高强韧低密度钢的SEM图；

图6为本发明实施例5的退火态超细片层双相高强韧低密度钢的SEM图；

图7为本发明实施例6的退火态超细片层双相高强韧低密度钢的SEM图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

本发明提供一种超细片层双相高强韧低密度钢，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.4-1.2wt.％，Mn 14-35wt.％，Al 7-14wt.％，Ni 3-6wt.％，在此基础上还可添加V 0-3wt.％、Nb 0-3wt.％、Ti 0-3wt.％、Mo 0-3wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

在一具体实施方式中，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分还可以为：C0.4-0.8wt.％，Mn 24-35wt.％，Al 7-14wt.％，Ni 3-6wt.％，在此基础上还可添加V 0-3wt.％、Nb0-3wt.％、Ti 0-3wt.％、Mo 0-3wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

在一具体实施方式中，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分还可以为：C0.8-1.2wt.％，Mn 14-24wt.％，Al 7-14wt.％，Ni 3-6wt.％，在此基础上还可添加V 0-3wt.％、Nb0-3wt.％、Ti 0-3wt.％、Mo 0-3wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

在一具体实施方式中，所述超细片层双相高强韧低密度钢的组织由超细片层B2带和奥氏体构成。

在一具体实施方式中，所述的超细片层双相高强韧低密度钢，其特征在于，所述超细片层双相高强韧低密度钢的屈服强度为800-1500MPa，抗拉强度为1100-1600MPa，延伸率为15-50％，强塑积为20-50GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性为30-70J/cm

请参阅图1所示，本发明还提供一种超细片层双相高强韧低密度钢制备方法，包括常见的模铸和连铸，下面的制备方法以模铸为例，具体包括如下步骤：

步骤1，材料制备：按所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分配比称量纯度≥99.8％的Fe、Mn、C、Al、Ni作为合金原料，在此基础上还可添加V、Nb、Ti、Mo，将所述合金原料放入电弧炉或感应炉中进行熔炼；

步骤2，凝固铸造：将步骤1中得到的钢水注入模具中凝固，浇铸成铸锭；

步骤3，锻造：将步骤2中得到的铸坯或铸锭开坯后进行热锻，需保证锻造比≥1.5，锻后冷却至室温；

步骤4，热轧：锻后进行多道次热轧，之后热轧样品经水淬，油淬或者空冷冷却至室温，得到热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢；

进一步地，上述步骤4中热轧完成的样品进行退火，之后快速淬入水或油中冷却至室温，得到退火态的超细片层双相高强韧低密度钢。

在一具体实施方式中，所述步骤S3中的保温温度为1000～1250℃，保温时间为1-6h，最终热变形温度≥900℃。

在一具体实施方式中，所述步骤S4中的热轧温度为600-1200℃。

在一具体实施方式中，所述步骤S4中的轧制轧下量为80-99％。

在一具体实施方式中，所述退火温度为500-1000℃，保温时间为0.05-12h。

实施例1：

一种超细片层双相高强韧低密度钢，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.5wt.％，Mn 26wt.％，Al 11wt.％，Ni 5wt.％，V 0.03wt.％、Nb0.05wt.％、Ti0.1wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述超细片层双相高强韧低密度钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，材料制备：按所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分配比称量纯度≥99.8％的Fe、Mn、C、Al、Ni、V、Nb、Ti、Mo作为合金原料，将所述合金原料放入电弧熔炼炉中，在氩气保护下进行熔炼；

步骤2，凝固铸造：将步骤1中得到的钢水注入模具中凝固，浇铸成铸锭；

步骤3，锻造：将步骤2中得到的铸坯或铸锭开坯后进行热锻，锻造保温温度为1100℃，保温2h，需保证锻造比≥1.5，锻后冷却至室温；

步骤4，热轧：在700℃保温1h，进行多道次热轧，之后热轧样品经水淬冷却至室温，轧制总压下量为98％，得到热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢。

如图2所示，热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢的组织由超细片层B2带和奥氏体构成。

对本实施例所制备的超细片层双相高强韧低密度钢进行拉伸性能测试，拉伸性能见表1。由实施例1制备得到的高强轻质钢的屈服强度为1510MPa，抗拉强度为1591MPa，总延伸率为22％，强塑积为35GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性可达到32J/cm

实施例2：

一种超细片层双相高强韧低密度钢，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.6wt.％，Mn 35wt.％，Al 12wt.％，Ni 6wt.％，V 0.05wt.％、Nb0.05wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述的超细片层双相高强韧低密度钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，按所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分配比称量纯度≥99.8％的Fe、Mn、C、Al、Ni、V、Nb作为合金原料，将所述合金原料放入电弧熔炼炉中，在氩气保护下进行熔炼；

步骤2，凝固铸造：将步骤1中得到的钢水注入模具中凝固，浇铸成铸锭；

步骤3，锻造：将步骤2中得到的铸坯或铸锭开坯后进行热锻，锻造保温温度为1200℃，保温4h，需保证锻造比≥1.5，锻后冷却至室温；

步骤4，热轧：在800℃保温1h，进行多道次热轧，之后热轧样品经水淬冷却至室温,轧制总压下量为95％，得到热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢。

如图3所示，热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢的组织由超细片层B2带和奥氏体构成。

对本实施例所制备的超细片层双相高强韧低密度钢进行拉伸性能测试，拉伸性能见表1。由实施例2制备得到的高强轻质钢的屈服强度为1373MPa，抗拉强度为1443MPa，总延伸率为23％，强塑积为33.2GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性可达到38J/cm

实施例3：

一种超细片层双相高强韧低密度钢，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.9wt.％，Mn 20wt.％，Al 10wt.％，Ni 4wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述的超细片层双相高强韧低密度钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，按所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分配比称量纯度≥99.8％的Fe、Mn、C、Al、Ni作为合金原料，将所述合金原料放入电弧熔炼炉中，在氩气保护下进行熔炼；

步骤2，凝固铸造：将步骤1中得到的钢水注入模具中凝固，浇铸成铸锭；

步骤3，锻造：将步骤2中得到的铸坯或铸锭开坯后进行热锻，锻造保温温度为1050℃，保温3h，需保证锻造比≥1.5，锻后冷却至室温；

步骤4，热轧：在1100℃保温10min，进行多道次热轧，之后热轧样品经水淬冷却至室温,轧制总压下量为90％，得到热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢。

如图4所示，热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢的组织由超细片层B2带和奥氏体构成。

对本实施例所制备的超细片层双相高强韧低密度钢进行拉伸性能测试，拉伸性能见表1。由实施例3制备得到的高强轻质钢的屈服强度为1395MPa，抗拉强度为1444MPa，总延伸率为28％，强塑积为40.4GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性可达到40J/cm

实施例4：

一种超细片层双相高强韧低密度钢，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.6wt.％，Mn 30wt.％，Al 12wt.％，Ni 5wt.％，V 0.15wt.％、Nb0.05wt.％、Ti1wt.％、Mo 1wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述的超细片层双相高强韧低密度钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，按所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分配比称量纯度≥99.8％的Fe、Mn、C、Al、Ni、V、Nb、Ti、Mo作为合金原料，将所述合金原料放入电弧熔炼炉中，在氩气保护下进行熔炼；

步骤2，凝固铸造：将步骤1中得到的钢水注入模具中凝固，浇铸成铸锭；

步骤3，锻造：将步骤2中得到的铸坯或铸锭开坯后进行热锻，锻造保温温度为1050℃，保温4h，需保证锻造比≥1.5，锻后冷却至室温；

步骤4，热轧：在800℃保温1h，进行多道次热轧，之后热轧样品经水淬冷却至室温,轧制总压下量为90％，得到热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢。

如图5所示，热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢的组织由超细片层B2带和奥氏体构成。

对本实施例所制备的超细片层双相高强韧低密度钢进行拉伸性能测试，拉伸性能见表1。由实施例4制备得到的高强轻质钢的屈服强度为1456MPa，抗拉强度为1500MPa，总延伸率为15.4％，强塑积为23.1GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性可达到30J/cm

实施例5：

一种超细片层双相高强韧低密度钢，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分按质量百分比计为：C 1.0wt.％，Mn 18wt.％，Al 10wt.％，Ni 5wt.％，Nb 0.03wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述的超细片层双相高强韧低密度钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，按所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分配比称量纯度≥99.8％的Fe、Mn、C、Al、Ni、Nb作为合金原料，将所述合金原料放入电弧熔炼炉中，在氩气保护下进行熔炼；

步骤2，凝固铸造：将步骤1中得到的钢水注入模具中凝固，浇铸成铸锭；

步骤3，锻造：将步骤2中得到的铸坯或铸锭开坯后进行热锻，锻造保温温度为1050℃，保温1h，需保证锻造比≥1.5，锻后冷却至室温；

步骤4，热轧：在700℃保温1h，进行多道次热轧，之后热轧样品经水淬冷却至室温,轧制总压下量为95％，得到热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢。

进一步地，上述步骤4中热轧完成的样品进行退火，退火温度为800℃，退火时间为30min，之后快速淬入水中冷却至室温，得到退火态的超细片层双相高强韧低密度钢。

如图6所示，热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢的组织由超细片层B2带和奥氏体构成。

对本实施例所制备的超细片层双相高强韧低密度钢进行拉伸性能测试，拉伸性能见表1。由实施例1制备得到的高强轻质钢的屈服强度为1088MPa，抗拉强度为1296MPa，总延伸率为42.4％，强塑积为55GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性可达到60J/cm

实施例6：

一种超细片层双相高强韧低密度钢，所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.5wt.％，Mn 26wt.％，Al 11wt.％，Ni 5wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述的超细片层双相高强韧低密度钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，按所述超细片层双相高强韧低密度钢的化学成分配比称量纯度≥99.8％的Fe、Mn、C、Al、Ni作为合金原料，将所述合金原料放入电弧熔炼炉中，在氩气保护下进行熔炼；

步骤2，凝固铸造：将步骤1中得到的钢水注入模具中凝固，浇铸成铸锭；

步骤3，锻造：将步骤2中得到的铸坯或铸锭开坯后进行热锻，锻造保温温度为1100℃，保温1h，需保证锻造比≥1.5，锻后冷却至室温；

步骤4，热轧：在700℃保温1h，进行多道次热轧，之后热轧样品经水淬冷却至室温,轧制总压下量为98％，得到热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢。

进一步地，上述步骤4中热轧完成的样品进行退火，退火温度为800℃，退火时间为15min，之后快速淬入水中冷却至室温，得到退火态的超细片层双相高强韧低密度钢。

如图7所示，热轧态的超细片层双相高强韧低密度钢的组织由超细片层B2带和奥氏体构成。

对本实施例所制备的超细片层双相高强韧低密度钢进行拉伸性能测试，拉伸性能见表1。由实施例6制备得到的高强轻质钢的屈服强度为1058MPa，抗拉强度为1286MPa，总延伸率为43％，强塑积为55GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性可达到63J/cm

表1各实施例获得超细片层双相高强韧低密度钢的力学性能数据

上述方案中，与现有技术中的高强低密度钢相比：

从成分方面，相较于传统低密度钢，C含量的可以大幅降低来提高材料的焊接性；Mn的添加起到稳定奥氏体的作用；大量Al的添加不仅起到降低钢材密度作用，还起到提高耐蚀性；Ni元素的加入可以促进具有一定塑性变形能力的NiAl型B2相形成，也可以大幅度提高耐蚀性。从热加工工艺方面，可以通过简单的热锻、热轧或退火工艺制备得到B2和奥氏体呈层状分布的超细晶片层组织，可以在大幅度降低密度的情况下有效提升材料强韧性。

本发明的超细片层双相高强韧低密度钢的屈服强度为800-1500MPa，抗拉强度为1100-1600MPa，延伸率为15-50％，强塑积为20-50GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性为30-70J/cm

本发明的成品钢材的制备工艺简单、经济，能够实现大规模工业化生产。该超细片层双相高强韧低密度钢的研发为汽车的轻量化设计提供良好的材料基础，有利于推动汽车行业的低碳可持续发展，对于我国智能汽车关键零部件产业的发展和相关技术超前布局具有重要的支撑作用。

上述方案中，与现有技术中的高强低密度钢相比：从成分方面，本发明中成品钢材相较于传统低密度钢，C含量的大幅降低可改善材料的焊接性；Mn可以稳定奥氏体；大量Al的添加不仅可大幅度降低钢铁材料密度，还可提高耐蚀性；Ni的加入可促进具有一定塑性变形能力的NiAl型B2相形成，也可大幅度提高耐蚀性。从热加工工艺方面，可以通过简单的热锻、热轧或退火工艺得到B2和奥氏体呈层状分布的超细晶片层组织，可以在大幅度降低密度的情况下有效提升材料强韧性。

本发明的超细片层双相高强韧低密度钢的屈服强度为800-1500MPa，抗拉强度为1100-1600MPa，延伸率为15-50％，强塑积为20-50GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性为30-70J/cm

本发明的成品钢材的制备工艺简单、经济，能够实现大规模工业化生产。该超细片层双相高强韧低密度钢的研发为汽车的轻量化设计提供良好的材料基础，有利于推动汽车行业的低碳可持续发展，对于我国智能汽车关键零部件产业的发展和相关技术超前布局具有重要的支撑作用。

上述方案中，与现有技术中的高强低密度钢相比：从成分方面，相较于传统低密度钢，C含量的可以大幅降低来提高材料的焊接性；Mn的添加起到稳定奥氏体的作用；大量Al的添加不仅起到降低钢材密度作用，还起到提高耐蚀性；Ni元素的加入可以促进具有一定塑性变形能力的NiAl型B2相形成，也可以大幅度提高耐蚀性。从热加工工艺方面，可以通过简单的热锻、热轧或退火工艺得到B2和奥氏体呈层状分布的超细晶片层组织，可以在大幅度降低密度的情况下有效提升材料强韧性。

本发明的超细片层双相高强韧低密度钢的屈服强度为800-1500MPa，抗拉强度为1100-1600MPa，延伸率为15-50％，强塑积为20-50GPa％，-40℃V缺口低温冲击韧性为30-70J/cm

本发明的成品钢材的制备工艺简单、经济，能够实现大规模工业化生产。该超细片层双相高强韧低密度钢的研发为汽车的轻量化设计提供良好的材料基础，有利于推动汽车行业的低碳可持续发展，对于我国智能汽车关键零部件产业的发展和相关技术超前布局具有重要的支撑作用。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。