本發(fā)明涉及一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼及其制備方法。屬于金屬材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著節(jié)能減排綠色理念的日漸推廣，減輕汽車自重已成為當(dāng)今市場發(fā)展的主題。使用高強(qiáng)度鋼替代普通鋼材，可提高鋼的比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度比)，從而可在保證力學(xué)性能的同時減少所需鋼板的厚度，實現(xiàn)車身減重。另一種有效提高鋼材比強(qiáng)度的方法是，在維持高強(qiáng)度的同時通過添加輕質(zhì)合金元素Al，降低鋼材的密度。這一途徑可更進(jìn)一步提高鋼材的比強(qiáng)度，因此開發(fā)兼具高強(qiáng)度和低密度的鋼材是實現(xiàn)輕量化的迫切所需。低密度鋼的主要設(shè)計思路是，通過添加Al元素降低鋼的密度，再通過添加Mn，C等其他合金元素進(jìn)行成分優(yōu)化，結(jié)合合理的制備工藝，得到低密度的高強(qiáng)鋼。目前主要采用的成分體系為Fe-Mn-Al-C系，抗拉強(qiáng)度只能達(dá)到1200MPa，密度可達(dá)6.8g/cm3。進(jìn)一步提高強(qiáng)度是Fe-Mn-Al-C系低密度鋼面臨的一個主要問題。一種解決途徑是添加其他合金元素，利用固溶強(qiáng)化或析出強(qiáng)化提高強(qiáng)度。現(xiàn)有的一種低密度高塑性NiAl增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼，主要是依靠添加Ni元素形成NiAl來提高鋼的抗拉強(qiáng)度，使其抗拉強(qiáng)度達(dá)1350MPa以上，但Ni的密度為8.9g/cm3，高于鋼的密度(7.8g/cm3)，并不利于降低鋼材的密度。因此，需要提供一種在具備超高強(qiáng)度的同時，也能進(jìn)一步降低密度的Fe-Mn-Al-C系鋼。技術(shù)實現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼，該超高強(qiáng)度鋼在有效降低密度的同時，可顯著提高抗拉強(qiáng)度，并保持良好的塑性，可滿足汽車結(jié)構(gòu)件的制造需求。本發(fā)明的目的之二在于提供一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的制備方法。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，現(xiàn)提供以下技術(shù)方案：一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為：C0.5-1.5wt％，Mn15-30wt％，Al5-10wt％，Ti5-20wt％，Cr≤5wt％，Nb≤0.2wt％，Si≤2wt％，B≤0.6wt％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。一種本發(fā)明所述低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按本發(fā)明所述超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，進(jìn)行真空熔煉：將原料裝入爐中，抽真空至真空度<50Pa時，加熱使原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度<1Pa，溫度為1600-1700℃時保溫30分鐘-2小時進(jìn)行精煉，充分脫氧后在氬氣保護(hù)下進(jìn)行合金化，然后澆注并在真空下冷卻得到鋼錠；再進(jìn)行重熔：將鋼錠放入爐內(nèi)，通氬氣保護(hù)，壓強(qiáng)為100-150Pa，加熱至完全熔化后保溫2-5小時，冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度不高于600℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1160-1220℃時，保溫8-20小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進(jìn)行鍛造，始鍛溫度為1100-1180℃，終鍛溫度為900-1000℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯。(4)熱處理：將鍛坯進(jìn)行固溶處理：在溫度為1050-1200℃下，保溫1-3小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進(jìn)行時效處理：在溫度為450-650℃下，保溫3-10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼。優(yōu)選的，真空熔煉采用真空感應(yīng)爐。優(yōu)選的，重熔時選用真空自耗重熔或電渣重熔的方法。有益效果(1)本發(fā)明所述一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼，該鋼種密度為6.5-6.9g/cm3，抗拉強(qiáng)度達(dá)1350MPa以上，延伸率在10％以上，可滿足汽車結(jié)構(gòu)件的制造需求。(2)本發(fā)明所述一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的制備方法，該方法通過添加Ti元素，形成Ti3Al，與κ-碳化物一同產(chǎn)生析出強(qiáng)化，來提高鋼的抗拉強(qiáng)度，同時由于Ti的密度僅為4.5g/cm3，明顯低于鋼(7.8g/cm3)，故添加Ti還可有效降低鋼的密度。本發(fā)明的成分設(shè)計依據(jù)如下：C：C的主要作用是與Mn和Al元素形成κ-碳化物((Fe，Mn)3AlC)，形成析出強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度。C還是重要的固溶強(qiáng)化元素，可促進(jìn)奧氏體形成，同時有利于降低密度。隨Al含量增加，會逐漸形成鐵素體，此時若C含量較低，會使奧氏體的含量與穩(wěn)定性較低，導(dǎo)致延伸率較低。隨C含量增加，鋼的強(qiáng)度和延伸率都可得到提升，但過高的C含量會導(dǎo)致形成粗大的κ-碳化物，尤其是分布在晶界處的κ-碳化物，將顯著降低延伸率。因此，本發(fā)明的C含量為0.5-1.5％。Mn：Mn是奧氏體穩(wěn)定元素，Mn的主要作用是促進(jìn)基體奧氏體化。奧氏體組織可使鋼保持較高的加工硬化率，改善塑性；還可以提高鋼的加工硬化性能，提高強(qiáng)度，故添加Mn有利于獲得良好的強(qiáng)塑性配合。但Mn含量較高時，隨Mn含量增加，工件在快速加熱和冷卻過程中的開裂傾向增大。因此，本發(fā)明的Mn含量為15-30％。Al：Al的密度為2.7g/cm3，是降低鋼的密度的主要元素。Al的另一主要作用是與Ti結(jié)合形成Ti3Al相，同時也作為κ-碳化物的組成元素促進(jìn)κ-碳化物的形成。Al含量過低會導(dǎo)致無法形成足夠的Ti3Al和κ-碳化物，但過高的Al含量會導(dǎo)致B2和DO3型有序相出現(xiàn)，降低鋼的塑性。此外，Al是鐵素體形成元素，隨其含量增加，基體中逐漸形成鐵素體組織，抑制奧氏體形成，使鋼的強(qiáng)度增加而塑性降低。Al含量過高還會導(dǎo)致κ-碳化物及Ti3Al粗化，明顯降低延伸率。所以，本發(fā)明的Al含量為5-10％。Ti：Ti的添加主要是與Al形成Ti3Al相，與κ-碳化物共同產(chǎn)生析出強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度。Ti還具有密度低的特點，可與Al一同降低鋼的密度。Ti易與C，N元素結(jié)合，故需加入足量的Ti才能得到Ti3Al相。Ti與C，N結(jié)合形成的TiC，TiN能夠細(xì)化奧氏體晶粒，也具有析出強(qiáng)化作用。本發(fā)明中，Ti含量為5-20％。具體實施方式結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。拉伸試驗設(shè)備：型號為INSTRON5985的電子萬能材料試驗機(jī)(美國英斯特朗)；實施例中拉伸強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T228-2002；抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和延伸率均由拉伸試驗所得的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線按GB/T228-2002測得。真空感應(yīng)爐為錦州中真電爐有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZG-0.05真空感應(yīng)爐；電渣爐為上海凱越自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的0.5噸氣氛保護(hù)電渣爐。根據(jù)本發(fā)明一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分范圍，制備39公斤的合金錠7爐。表1為本發(fā)明實施例制得的所述超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比(wt％)。表1實施例爐號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續(xù)表1實施例爐號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余量實施例1一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中1#爐所對應(yīng)的所述超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進(jìn)行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進(jìn)行精煉，充分脫氧后在氬氣保護(hù)下進(jìn)行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進(jìn)行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護(hù)，壓強(qiáng)為100Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至84kW，保持該功率5小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1160℃時，保溫20小時，隨爐冷卻至室溫，均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進(jìn)行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，在空氣中冷卻至室溫，鍛造得到鍛坯，鍛坯為尺寸：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯，然后將拉伸試樣毛坯進(jìn)行固溶處理：在溫度為1050℃下，保溫3小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進(jìn)行時效處理：在溫度為450℃下，保溫10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例2一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中2#爐所對應(yīng)的所述超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進(jìn)行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進(jìn)行精煉，充分脫氧后在氬氣保護(hù)下進(jìn)行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進(jìn)行重熔：將的鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護(hù)，壓強(qiáng)為120Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至87.5kW時鋼錠完全熔化，保持該功率2小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為580℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1220℃時，保溫8小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進(jìn)行鍛造，始鍛溫度為1180℃，終鍛溫度為1000℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯，鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進(jìn)行固溶處理：溫度為1200℃下，保溫1小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進(jìn)行時效處理：在溫度為650℃下，保溫3小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例3一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中3#爐所對應(yīng)的所述超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進(jìn)行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1650℃時保溫1.5小時進(jìn)行精煉，充分脫氧后在氬氣保護(hù)下進(jìn)行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進(jìn)行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護(hù)，壓強(qiáng)為150Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至86kW時鋼錠完全熔化，保持該功率3小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1190℃時，保溫15小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進(jìn)行鍛造，始鍛溫度為1140℃，終鍛溫度為950℃，在空氣中冷卻至室溫得到鍛坯，鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進(jìn)行固溶處理：在溫度為1070℃下，保溫2小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進(jìn)行時效處理：在溫度為550℃下，保溫7小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例4一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中4#爐所對應(yīng)的所述超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進(jìn)行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進(jìn)行精煉，充分脫氧后在氬氣保護(hù)下進(jìn)行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進(jìn)行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護(hù)，壓強(qiáng)為150Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至87kW時鋼錠完全熔化，保持該功率4小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1160℃時，保溫20小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進(jìn)行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯，所述鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進(jìn)行固溶處理：在溫度為1050℃下，保溫3小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進(jìn)行時效處理：在溫度為450℃下，保溫10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例5一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中5#爐所對應(yīng)的所述超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進(jìn)行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進(jìn)行精煉，充分脫氧后在氬氣保護(hù)下進(jìn)行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進(jìn)行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護(hù)，壓強(qiáng)為150Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至87kW時鋼錠完全熔化，保持該功率4小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1160℃時，保溫20小時，隨爐冷卻至室溫，得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進(jìn)行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯，所述鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進(jìn)行固溶處理：在溫度為1050℃下，保溫3小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進(jìn)行時效處理：在溫度為450℃下，保溫10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例6一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中6#爐所對應(yīng)的所述超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進(jìn)行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進(jìn)行精煉，充分脫氧后在氬氣保護(hù)下進(jìn)行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進(jìn)行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護(hù)，壓強(qiáng)為100Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至85kW時鋼錠完全熔化，保持該功率5小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1160℃時，保溫20小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進(jìn)行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯，所述鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進(jìn)行固溶處理：在溫度為1050℃下，保溫3小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進(jìn)行時效處理：在溫度為450℃下，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的拉伸試樣毛坯。實施例7一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的制備方法，具體包括以下步驟：(1)冶煉：按表1中7#爐所對應(yīng)的所述超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱量選取原料，首先進(jìn)行真空熔煉：將原料裝入真空感應(yīng)爐中，抽真空至真空度＜50Pa時，送電加熱，逐漸增加輸入功率，至原料完全熔化且熔池表面無氣泡溢出后，在真空度為＜1Pa，溫度為1700℃時保溫30分鐘進(jìn)行精煉，充分脫氧后在氬氣做保護(hù)氣下進(jìn)行合金化，然后澆注并在真空下冷卻，得到鋼錠；再進(jìn)行重熔：將鋼錠放入電渣爐內(nèi)，通氬氣保護(hù)，壓強(qiáng)為100Pa，送電加熱，逐漸增加輸入功率至84kW時鋼錠完全熔化，保持該功率5小時，使鋼錠完全熔化，最后冷卻得到重熔后的鋼錠。(2)均勻化處理：在溫度為550℃時將重熔后的鋼錠裝入爐內(nèi)，在溫度為1160℃時，保溫20小時，隨爐冷卻至室溫得到均勻化處理后的鋼錠。(3)鍛造：將均勻化處理后的鋼錠進(jìn)行鍛造，始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，在空氣中冷卻至室溫，得到鍛坯，所述鍛坯為尺寸為：的試棒。(4)熱處理：將所述試棒首先送試樣段加工得到拉伸試樣毛坯。然后將拉伸試樣毛坯進(jìn)行固溶處理：在溫度為1050℃下，保溫3小時，在淬火油中冷卻至室溫；再進(jìn)行時效處理：在溫度為450℃下，保溫10小時，在空氣中冷卻至室溫，得到一種低密度Ti3Al增強(qiáng)超高強(qiáng)度鋼的拉伸試樣毛坯。將實施例1～7中制得的所述拉伸試樣毛坯經(jīng)磨削加工成橫截面直徑d為5mm，原始標(biāo)距L0為25mm的標(biāo)準(zhǔn)比例拉伸試樣，進(jìn)行力學(xué)性能測試如表2所示，其中σb表示拉伸強(qiáng)度，σ0.2表示屈服強(qiáng)度，A表示延伸率。表2實施例爐號σb/MPaσ0.2/MPaA/％密度/(g/cm3)11#13501200196.822#13701215186.533#14101270136.744#14001280176.955#14551320166.666#14401300166.777#14801320156.5當(dāng)前第1頁1 2 3