低密度、高强、高比模量钢铁材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种低密度、高强、高比模量钢铁材料及其制备方法，添加了7～15wt.%Al降低钢铁材料的密度，配制成分包含10.0～30.0 wt.%Mn、0.6～1.6 wt.%Ｃ、余量为铁的合金材料，通过控制凝固过程及后续时效热处理，固态下大量析出纳米碳化物，获得低密度、高强、高比模量的轻质钢钢材。其密度为5.8～7.22g/cm3，强度为600～1400MPa，延伸率为20～100%，经过200～800℃时效处理，沉淀析出5～50%体积分数的纳米尺寸碳化物，使其弹性模量升高至180～280GPa。本发明方法工艺流程简单，降低能耗，节约资源，减少污染并提高生产效率，制备的钢材性能优于传统工艺。
【专利说明】
低密度、高强、高比模量钢铁材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高强度钢及其制备方法，特别是一种轻质高强度钢及其制备方 法，应用于金属材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002] 为应对当前社会日益严重的环境问题以及能源危机，在汽车行业中，一方面要满 足对汽车安全以及舒适性要求的同时，实现轻量化是汽车节能、减排和汽车工业可持续发 展的必然趋势。减轻汽车自重是提高汽车的燃油经济性、节约能耗的重要措施之一。据实验 证明，汽车每减重10%，油耗可下降6%~8%，排放量可下降4%左右，而每减少1L的燃油消耗， 会少排放2.45Kg的C02，也可减少汽车尾气对环境的污染，目前世界各国的许多组织机构纷 纷开展汽车轻量化项目。
[0003] 实现汽车轻量化的一个重要途径就是使用高强度钢替代普通钢材，降低钢板厚度 从而减轻重量。然而，即使钢铁材料具有很高的强度也不能没有限度的去降低其厚度，而不 去考虑汽车结构刚度取决于材料的弹性模量、零件形状和尺寸等的因素。因此，研发具有高 比强度、高比刚度的材料是汽车轻量化道路上必须要克服的难题。高强塑性、高模量的低密 度钢因其在车辆的碰撞安全以及结构刚度上有更好的表现而倍受青睐。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种 低密度、高强、高比模量钢铁材料及其制备方法，通过控制合金成分并施加适当后续热处理 工艺增强纳米级碳化物析出量来制备低密度、高强、高比模量钢铁材料，包括制备工艺和后 续热处理工艺。制备工艺包括传统缓慢凝固+热处理工艺制备过饱和的低密度钢铁材料，还 包括使用快速及亚快速凝固技术直接制备过饱和低密度钢铁材料。再配合后续的时效热处 理工艺，扩大固溶极限增加低密度钢中纳米级碳化物的析出量，直接制备出具有高强塑性、 高比模量的低密度钢。所述的时效热处理工艺为时效温度为200_800°C，保温时间为1-20小 时，冷却方式为随炉冷却。上述方法工艺流程简单，降低能耗，节约资源，减少污染并提高生 产效率，并且获得的钢材其性能优于传统工艺。
[0005] 为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案： 一种低密度、高强、高比模量钢铁材料，为Fe-Mn-Al- C合金，其合金组分质量百分比含 量为:Μη为10.0~30.0 wt.%，Al为7.0~15.0 wt.%，C为0.6~1.6 wt·%，余量为铁，通过控 制凝固过程及后续时效热处理，Fe-Mn-Al-C合金在固态下析出纳米碳化物，制成低密度、 尚强、尚比t旲量的轻质钢铁材料。
[0006] 作为优选的技术方案，Fe-Mn-Al-C合金在固态下析出的纳米碳化物总量为Fe- Mn-Al- C 合金中的组成相含量的 5~50 vol. %。
[0007] 作为上述方案进一步优选的技术方案，其合金组分质量百分比含量为:Μη为12.0 ~30.0 wt.%，Al为9.0 wt.%，C 为0.8~1.2 wt·%，余量为Fe。
[0008] -种制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，包括如下步骤： 1) 以铁、锰、铝、碳为原材料制备四元合金铸锭，其合金原料配比采用的质量百分比为： 锰为10.0-30.0 wt.%，铝为7.0-15.0 wt.%，碳为0.6-1.6 wt.%，余量为纯铁;合金原料颗 粒直径优选为1 -2mm; 2) 将在所述步骤1)中制备的合金铸锭切取所需尺寸后放入坩埚中，通过加热工艺，将 合金铸锭熔融成合金熔体； 3) 通过控制凝固过程，将在所述步骤2)中制备的熔融的合金熔体注入铜模中，制备厚 度为0.5-10mm的成分均匀且过饱和的合金薄板;或者利用在所述步骤2)中制备的熔融的合 金熔体，采用铸造、乳制工艺，制备厚度为〇. 5-10mm的成分均匀且过饱和的合金薄板;在进 行合金熔体凝固成形时，优选采用快速凝固方法直接制备成分均匀且过饱和的合金薄板； 或者优选采用亚快速凝固方法直接制备成分均匀且过饱和的合金薄板，再或者优选采用慢 速凝固方法并进行后续热处理工艺制备成分均匀且过饱和的合金薄板;在采用快速凝固方 法或亚快速凝固方法时，优选采用喷铸、吸铸或离心浇铸方法直接制备成分均匀且过饱和 的合金薄板;在采用慢速凝固方法并进行后续热处理工艺时，优选采用均质化工艺、乳制工 艺并辅助固溶热处理工艺制备成分均匀且过饱和的合金薄板； 4) 将在所述步骤3)制备的合金薄板放入热处理炉内加热，在200-800 °C下，进行l_20h 的后续时效处理，通过时效热处理，Fe-Mn-Al- C合金在固态下析出纳米碳化物，然后进行 冷却，冷却方式采用随炉冷却，制成低密度、高强、高比模量的轻质钢铁材料。进行时效热处 理时，优选将时效温度控制在400-600°C。优选控制Fe-Mn-Al-C合金在固态下析出的纳米 碳化物总量为Fe-Mn-Al - C合金中的组成相含量的5~50 vo 1. %。
[0009] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 1. 本发明基于Fe-Mn-Al-C低密度钢铁材料可大量析出碳化物的特点，通过亚快速或者 快速凝固技术直接制备或者使用传统的慢速凝固技术+热处理工艺制备成分均匀和过饱 和固溶的低密度钢铁材料，再经后续时效热处理后，从固相中大量析出纳米级尺寸的碳化 物，从而增加纳米级碳化物的析出数量，利用纳米级碳化物提高低密度钢的弹性模量，能制 备出具有高强塑性、高比模量的低密度钢材； 2. 本发明制备的低密度、高强、高比模量钢铁材料中大量析出纳米级碳化物，使制备 的Fe-Mn-Al-C低密度钢铁材料的密度为5.8~7.22g/cm3，强度为600MPa~1400MPa，延伸率 为20~100%，弹性模量为180~280GPa，大大优于普通钢材的铸态性能； 3. 本发明制备得到的低密度、高比模量钢无需液态添加增强颗粒，只需适当时效处理 工艺就可使模量提高，其优点在于工艺简单、节省资源、降低能耗。
【附图说明】
[0010]图1为本发明实施例一制备的Fe20Mn9A10.8C铸态及时效处理后的模量数据图。
[0011] 图2为本发明实施例一制备的Fe20Mn9A10.8C中纳米级碳化物的高分辨图片。
[0012] 图3为本发明实施例二制备的Fel2Mn9A11.2C铸态及时效处理后的模量数据图。
【具体实施方式】
[0013] 本发明的优选实施例详述如下： 实施例一： 在本实施例中，一种低密度、高强、高比模量钢铁材料，为Fe-Mn-Al- C合金，其合金组 分质量百分比含量为:铁为70.2 wt.%，Mn为20.0 wt.%，Al为9.0 wt.%，C为0.8 wt·%，通过 控制凝固过程及后续时效热处理，Fe-Mn-Al-C合金在固态下析出纳米碳化物，制成低密 度、尚强、尚比t旲量的轻质钢铁材料。
[0014] 在本实施例中，一种制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，包括如下步骤： 1) 按照质量比铁为70.2%，锰为20.0%，铝为9.0%，碳为0.8%的质量配比进行配料，采用 合金原料总质量为l〇〇g，合金原料颗粒直径1-2_，混合均匀后，使用真空熔炼炉进行熔炼， 熔炼为类圆锥形或棒状铸锭的原始铸锭； 2) 将约100g的所述步骤1)中制备的原始铸锭切取成合适大小的合金块，取用总质量为 l〇g的合金块，使用真空喷铸设备喷铸成薄板形铸件，过程为:将合金块放入石英玻璃管内， 将内部有小合金块的石英管套入感应线圈内，上方旋入氩气接口，关闭腔门；然后使用机械 栗抽取低真空;真空度达到5.OXloVa时，关闭机械栗，开启分子栗抽取高真空，真空度为5 Xl(T3Pa时关闭分子栗，冲入氩气;然后重复抽取低真空、高真空步骤，洗气完毕后，充入氩 气;然后对腔体充入氩气至-〇. 〇5MPa，再使石英管内充入氩气至-0.0IMPa，启动加热线圈， 将合金块加热至约1600°C，确保合金块熔化充分，得到合金熔体； 3) 待合金块熔化充分后，按下喷铸按钮，将在所述步骤2)中制备的熔融的合金熔体从 石英玻璃管中注入铜模中，在亚快速凝固条件下，待铜模冷却后，打开腔盖并起开铜模得到 厚度为2mm的制备的成分均匀且过饱和的合金薄板； 4) 将在所述步骤3)制备的合金薄板使用管式真空加热炉进行热处理，过程为将薄板放 置于坩埚上，将坩埚置于管式真空加热炉内，通入冷却水;开启机械栗，抽取低真空，当真空 度为5 X lOYa时关闭机械栗;开启分子栗抽取高真空，当真空度为5 X l(T3Pa时，高真空抽取 完毕，保持分子栗一直运行直至实验结束。设置时效热处理制度分别为加热至400°C或600 °C并保温3h，后随炉冷却，待炉体冷却后，打开腔体并取出样品，制成低密度、高强、高比模 量的轻质钢铁材料。
[0015] 实验测试分析： 参见图1和图2,使用型号为RFDA MF SYSTEM21的高温弹性模量及内耗测试设备测量铸 态及时效后室温下的弹性模量;使用MTS万能拉伸机对样品进行拉伸测试;使用密度仪对样 品测取密度，数据如表1。
[0016] 表1. Fe20Mn9A10.8C合金的力学性能
从图2可知，本实施例制备的Fe20Mn9A10.8C大量析出纳米级碳化物。本实施例采用感 应熔炼、铸造处理技术，制备成分均匀和过饱和的低密度、高强钢坯和钢锭，热后通过时效 热处理时，从固态析出纳米级碳化物，从而获得低密度、高强、高比模量的低密度钢。本实施 例通过凝固过程控制或固溶处理然后进行后续时效处理，固态下析出纳米尺寸碳化物，制 备低密度、高强、高比模量的轻质钢铁材料。本实施例制备得到的低密度、高比模量钢无需 液态添加增强颗粒，只需适当时效处理工艺就可使模量提高，其优点在于工艺简单、节省资 源、降低能耗。
[0017] 实施例二： 本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于： 在本实施例中，一种制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，包括如下步骤： 1) 按照质量比铁为77.8%，锰为12.0%，铝为9.0%，碳为1.2%的质量配比进行配料，采用 合金原料总质量为l〇〇g，合金原料颗粒直径1-2_，混合均匀后，使用真空熔炼炉进行熔炼， 熔炼为类圆锥形原始铸锭； 2) 将约100g的所述步骤1)中制备的熔炼均匀的圆锥形原始铸锭放入离心浇铸系统中 的石英管内，其中石英管上下连通，检查各个组件安装完毕，将腔盖闭合;然后通入冷却水， 对腔体进行洗气步骤，开启机械栗抽取真空度为SXloVa的低真空;在低真空抽取完毕后， 关闭机械栗、开启分子栗抽取高真空，待真空度为5Xl(T3Pa时关闭分子栗，充入氩气至腔体 压力表为刻度时停止;然后重复抽取低真空、高真空步骤;在洗气步骤完成后，腔体内充 入氩气，至表盘刻度为"0. 〇7MPa"时停止，开启转动盘，调节转速至900r/min，待达到指定转 速后，按加热按钮使感应线圈对铸锭进行加热;然后在感应电流的作用下，将铸锭加热至约 1600°C，使其熔融成金属液； 3) 待合金块熔化充分后，确认其流动性良好后，抽取抽拉底板，将在所述步骤2)中制备 的熔融的合金熔体在重力作用下流入导流漏斗，在离心作用使熔融的金属液注入铜模;待 铜模冷却后停止转动盘转动，打开腔盖，起开铜模获得厚度为2.5mm的成分均匀且过饱和的 合金薄板形铸件； 4) 将在所述步骤3)制备的合金薄板使用管式真空加热炉进行热处理，过程为将薄板放 置于坩埚上，将坩埚置于管式真空加热炉内，通入冷却水;开启机械栗，抽取低真空，当真空 度为5 X lOVa时关闭机械栗;开启分子栗抽取高真空，当真空度为5 X l(T3Pa时，高真空抽取 完毕，保持分子栗一直运行直至实验结束。设置时效热处理制度分别为加热至400°C或600 °C并保温3h，后随炉冷却，待炉体冷却后，打开腔体并取出样品，制成低密度、高强、高比模 量的轻质钢铁材料。
[0018] 实验测试分析： 参见图3,使用型号为RFDA MF SYSTEM21的高温弹性模量及内耗测试设备、MTS万能拉 伸试验机、密度仪对铸态及时效后样品进行测试，数据如表2。
[0019] 表2. Fel2Mn9A11.2C合金的力学性能___
' 上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据_ 本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的 改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要 不背离本发明低密度、高强、高比模量钢铁材料及其制备方法的技术原理和发明构思，都属 于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种低密度、高强、高比模量钢铁材料，其特征在于，为Fe-Mn-Al- C合金，其合金组 分质量百分比含量为:Mn为10.0~30.0 wt.%，Al为7.0~15.0 wt.%，C为0.6~1.6 wt·%， 余量为铁，通过控制凝固过程及后续时效热处理，Fe-Mn-Al-C合金在固态下析出纳米碳化 物，制成低密度、高强、高比模量的轻质钢铁材料。2. 根据权利要求1所述低密度、高强、高比模量钢铁材料，其特征在于:Fe-Mn-Al- C合 金在固态下析出的纳米碳化物总量为Fe-Mn-Al-C合金中组成相含量的5~50 vol.%。3. 根据权利要求1或2所述低密度、高强、高比模量钢铁材料，其特征在于:其合金组分 质量百分比含量为:Μη为12.0~30.0 wt.%，Al为9.0 wt.%，C为0.8~1.2 wt·%，余量为Fe。4. 一种制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 以铁、锰、铝、碳为原材料制备四元合金铸锭，其合金原料配比采用的质量百分比为： 锰为 10.0-30.0 wt·%，铝为7.0-15.0 wt·%，碳为0.6-1.6 wt·%，余量为纯铁； 2) 将在所述步骤1)中制备的合金铸锭切取所需尺寸后放入坩埚中，通过加热工艺，将 合金铸锭熔融成合金熔体； 3) 通过控制凝固过程，将在所述步骤2)中制备的熔融的合金熔体注入铜模中，制备厚 度为0.5-10mm的成分均匀且过饱和的合金薄板;或者利用在所述步骤2)中制备的熔融的合 金熔体，采用铸造、乳制工艺，制备厚度为〇.5-10_的成分均匀且过饱和的合金薄板； 4) 将在所述步骤3)制备的合金薄板放入热处理炉内加热，在200-800°C下，进行l_20h 的后续时效处理，通过时效热处理，Fe-Mn-Al - C合金在固态下析出纳米碳化物，然后进行 冷却，冷却方式采用随炉冷却，制成低密度、高强、高比模量的轻质钢铁材料。5. 根据权利要求4所述制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，其特征在于:在所 述步骤3)中，在进行合金熔体凝固成形时，采用快速凝固方法直接制备成分均匀且过饱和 的合金薄板;或者采用亚快速凝固方法直接制备成分均匀且过饱和的合金薄板，再或者采 用慢速凝固方法并进行后续热处理工艺制备成分均匀且过饱和的合金薄板。6. 根据权利要求4所述制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，其特征在于:在所 述步骤3)中，在进行合金熔体凝固成形时，在采用快速凝固方法或亚快速凝固方法时，采用 喷铸、吸铸或离心浇铸方法直接制备成分均匀且过饱和的合金薄板。7. 根据权利要求4所述制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，其特征在于:在所 述步骤3)中，在进行合金熔体凝固成形时，在采用慢速凝固方法并进行后续热处理工艺时， 采用均质化工艺、乳制工艺并辅助固溶热处理工艺制备成分均匀且过饱和的合金薄板。8. 根据权利要求4~7中任意一项所述制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，其 特征在于:在所述步骤4)中，进行时效热处理时，时效温度控制在400-600°C。9. 根据权利要求4~7中任意一项所述制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，其 特征在于:在所述步骤4)中，进行时效热处理时，控制Fe-Mn-Al-C合金在固态下析出的纳 米碳化物总量为Fe-Mn-Al- C合金中组成相含量的5~50 vol. %。
【文档编号】C22C38/04GK105838995SQ201610278257
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】宋长江, 段练, 何维, 张云虎, 翟启杰
【申请人】上海大学