一种低密度Fe-Mn-Al-Ni-C钢板及制备方法与流程

本发明属于低密度钢，涉及一种低密度fe-mn-al-ni-c钢板及制备方法。

背景技术：

1、研究表明：汽车油耗与自重成线性关系，汽车自重每减少10％，油耗可降低6～8％，而每减少1l的油耗，将会少排放2.45kg的co2。所以，汽车轻量化能显著缓解日益短缺的能源状况，也能改善日益恶化的环境状况。

2、目前，实现汽车轻量化主要两种途径：一是采用轻质材料，如铝、镁合金、工程塑料或碳纤维复合材料等；二是采用薄规格高强度钢替代厚规格普通钢材。铝合金等轻质材料虽具有较好的减重潜力，但生产成本高、成型工艺难，目前仅应用于汽车变速器、发动机等零部件以及特种车辆的车身制造中。与此同时，低成本、高性能的高强度钢则表现出很强的优势，也具备可观的减重潜力，可满足车身轻量化的要求。

3、研究表明，通过向高强度钢中加入一定含量的铝元素，在合理的工艺控制下，可得到集低密度与高强度性能于一体的汽车用钢板。

4、含铝的高强汽车钢有高锰的fe-(25～30)mn-(2～4)al-(2～4)si体系的twip钢、fe-(18～28)mn-(9～12)al-(0.7～1.2)c体系的sip钢以及中锰的fe-8mn-5al、fe-11mn-4al-0.2c等钢种，其室温组织为单相奥氏体或奥氏体-铁素体双相组织，确保了钢板具有较高的强度、韧性和成型性。

5、由于高强度钢板卓越性能，未来在汽车上具有可观的使用量，世界各国也在积极进行相关研究，韩国浦项在此方面处于世界领先。我国的低密度高强度钢研究开展较晚，且仅有“铸态—钢板”的工艺研究，缺乏冶炼方面的详细报道，距离工业化任重道远。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种低密度fe-mn-al-ni-c钢板及制备方法，在传统的fe-mn-al-c体系中加入镍结合合理的工艺设计，提高了fe-mn-al-c钢板的基体组织稳定性，确保了低密度材料在室温和高温下的强度和韧性。

2、为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种低密度fe-mn-al-ni-c钢板，其化学成分及质量百分含量为：c:1.2～1.5％、mn:18～20％、al:8～10％、ni:8～10％、cr:0.3～0.5％、s≤0.006％、p≤0.010％，余量为fe和不可避免的杂质元素。

4、所述钢板为单相奥氏体组织，钢板厚度为2.5～5mm，密度为6.8～7.0g/cm3，强塑积≥55gpa·％，

5、上述低密度fe-mn-al-ni-c钢板的制备方法，包括真空熔炼、铸坯大压下、再结晶、轧制、退火工序；

6、(1)真空熔炼工序：按目标成分配料，将烘烤好的纯铁和电解镍板加入坩埚内，底部铺电解镍，上部放纯铁；二次料仓装入碳粉、金属铬、锰铝铁、铝粒等合金，抽真空，开始送电熔炼；熔清后，升温、精炼30～50min；之后关闭真空，充入氩气，然后加入碳粉、金属铬，待完全熔清后，再加入锰铝铁合金，直至完全熔化，最后加入铝粒，熔清后大搅，浇铸成锭；

7、(2)铸坯大压下工序：真空锭趁热脱模，在1180±20℃对铸坯进行单道次大压下轧制，轧后放入加热炉中缓冷至室温；

8、(3)再结晶工序：将初轧后的坯料装炉升温至1130±10℃，保温[(1～2)×坯料厚度(mm)]min，得到astm4～5级晶粒的坯料；

9、(4)轧制工序：坯料出炉，在1080±20℃进行多道次轧制，轧后水冷至室温；

10、(5)退火工序：将钢板于400±10℃保温10～15min，最后出炉空冷。

11、所述真空熔炼工序，将烘烤好的纯铁和电解镍板加入坩埚内，底部铺电解镍板，上部放纯铁；二次料仓装入碳粉、金属铬、锰铝铁、铝粒等合金，抽真空至5pa以下，开始送电熔炼；熔清后，升温至1600～1620℃，精炼30～50min；之后关闭真空，充入30000～50000pa氩气，然后加入碳粉、金属铬，待完全熔清后，再分批加入锰铝铁合金，直至完全熔化，最后加入铝粒，熔清后大搅15～25min，浇铸成锭。

12、所述铸坯大压下工序，单道次压下量25～30％。

13、所述再结晶工序，初轧坯料先升温至680±10℃，保温1～2h，再升温至1130±10℃保温。

14、所述轧制工序，进行11～13道次轧制，终轧道次压下量10～15％，其余单道次压下量20～35％。

15、所述真空熔炼工序，锰铝铁合金中的质量占比锰、铝、铁依次为80％、10％、10％。

16、本发明锰铝铁合金的制备工艺是：先在真空感应炉内装入纯铁，抽真空，给电熔化；停止真空泵，充入氩气，依次加入铝、电解锰，熔清后浇铸成锭；室温下将锰铝铁铸锭切割成适当尺寸。

17、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

18、(1)本发明工艺流程简单，成分命中率高。针对铝、锰的难合金化问题，给出了采用锰铝铁合金块料进行合金化的工艺。锰铝铁合金块料密度大大高于铝的密度，能有效解决了传统工艺铝合金化后漂浮于钢液面的分层问题；其次是锰铝铁合金的加入，避免了单独加入锰后由于锰蒸气压高而形成的锰蒸汽挥发问题，可谓一举两得。

19、(2)传统的fe-mn-al铸锭，由于铝、锰等含量较高，铸坯中心在凝固末端产生严重的偏析，也会由于凝固收缩而形成疏松，采用铸坯大压下可解决这一问题。本发明在1180±20℃对铸坯进行单道次大压下轧制，不仅可改善凝固末端偏析程度，还可将铸坯中心未凝端压实，有效提高铸坯质量。

20、(3)相比传统的低密度fe-mn-al-c钢板，本发明添加了8～10％的镍，使得奥氏体组织更加稳定，也提高了钢板室温下的强度和韧性，同时在300～500℃下钢板也能保持的组织稳定性，不仅满足常规车辆的使用要求，也可满足消防车、特种车辆等车体用钢的使用要求。

技术特征：

1.一种低密度fe-mn-al-ni-c钢板，其特征在于，所述钢板化学成分及质量百分含量为：c:1.2～1.5%、mn:18～20%、al:8～10%、ni:8～10%、cr:0.3～0.5%、s≤0.006%、p≤0.010%，余量为fe和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的低密度fe-mn-al-ni-c钢板，其特征在于，所述钢板为单相奥氏体组织，钢板厚度为2.5～5mm，密度为6.8～7.0g/cm3，强塑积≥55gpa·%。

3.根据权利要求1或2所述的低密度fe-mn-al-ni-c钢板的制备方法，其特征在于，包括真空熔炼、铸坯大压下、再结晶、轧制、退火工序；

4.根据权利要求3所述的低密度fe-mn-al-ni-c钢板的制备方法，其特征在于：所述真空熔炼工序，将烘烤好的纯铁和电解镍板加入坩埚内，底部铺电解镍板，上部放纯铁；二次料仓装入碳粉、金属铬、锰铝铁、铝粒等合金，抽真空至5pa以下，开始送电熔炼；熔清后，升温至1600～1620℃，精炼30～50min；之后关闭真空，充入30000～50000pa氩气，然后加入碳粉、金属铬，待完全熔清后，再分批加入锰铝铁合金，直至完全熔化，最后加入铝粒，熔清后大搅15～25min，浇铸成锭。

5.根据权利要求4所述的低密度fe-mn-al-ni-c钢板的制备方法，其特征在于：所述铸坯大压下工序，单道次压下量25～30%。

6.根据权利要求5所述的低密度fe-mn-al-ni-c钢板的制备方法，其特征在于：所述再结晶工序，初轧坯料先升温至680±10℃，保温1～2h，再升温至1130±10℃保温。

7.根据权利要求6所述的低密度fe-mn-al-ni-c钢板的制备方法，其特征在于：所述轧制工序，进行11～13道次轧制，终轧道次压下量10～15%，其余单道次压下量20～35%。

8.根据权利要求4-7任一项所述的低密度fe-mn-al-ni-c钢板的制备方法，其特征在于：所述真空熔炼工序，锰铝铁合金中的质量占比锰、铝、铁依次为80%、10%、10%。

技术总结
一种低密度Fe‑Mn‑Al‑Ni‑C钢板及制备方法，属于低密度钢技术领域。其化学成分及质量含量为C:1.2～1.5%、Mn:18～20%、Al:8～10%、Ni:8～10%、Cr:0.3～0.5%、S≤0.006%、P≤0.010%，余量为铁和不可避免的杂质。其制备方法包括①真空熔炼至成分合格后浇铸成锭；②脱模后在1180±20℃单道次大压下轧制，轧后缓冷；③升温至1130±10℃再结晶，得到ASTM4～5级晶粒；④1080±20℃轧制，水冷至室温；⑤400±10℃保温10～15min，空冷。本发明钢板室温下为单相奥氏体组织，密度低，在300℃仍具有优异的力学性能。

技术研发人员：张福利,郭瑞华,齐紫阳,张大伟,王博祥,石玉龙,潘文生,师利锋,赵燕青,李生建
受保护的技术使用者：河钢股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12