CN107217204A - 一种Fe‑Mn‑Al系合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Fe‑Mn‑Al系合金的制备方法，属于轻质高强合金制备技术领域。本发明所述方法为将锰粉、铝粉和铁粉按质量分数为Al 12.0‑14.0%、Mn 18.0‑30.0%、其余为Fe的比例混合均匀；混合粉末进行压片，然后在惰性气体保护下进行熔炼，熔炼过程中不断对熔体进行搅拌，当合金熔体温度达到1520‑1550℃时，采用水冷铜模浇铸样品；得到的样品在惰性气体保护下，在1000℃保温2‑3小时，然后油冷淬火，经油冷淬火后的合金继续在惰性气体氛围下加热至550‑650℃进行回火处理，保温2‑4小时后随炉冷却至室温，得到Fe‑Mn‑Al轻质高强合金。本发明所述方法相对简单，可靠，制备的Fe‑Mn‑Al合金强度高、质量轻、抗氧化性能和抗腐蚀性能较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种Fe-Mn-Al系合金的制备方法，属于轻质高强合金制备技术领域。
背景技术
Fe-Mn-Al合金具有较高的强度、比重轻，同时有很好的耐腐蚀性能、高温抗氧化性能、高电阻、低电导率，及价格低廉等显著特点，是很有发展前途的高温结构材料。目前，作为高温结构材料的有序金属间化合物，国内外重点研究并取得重大进展的主要为Ni-Al系、Ti-Al系和Fe-Al系的A3B个AB型铝化物。Fe-Al系金属间化合物，由于不含战略元素，成本低，具有优异的抗氧化性、抗腐蚀性和较高的高温强度。单一的Fe-Al合金材料强度较低，脆性较大。在Fe-Al系金属间化合物的基础上添加Mn元素，将会生成DO3([Fe、Mn]3Al)、B2([Fe、Mn]Al)有序相，从而显著提高合金的强度和综合力学性能。
在Fe-Mn-Al合金制备方法中，熔铸法和粉末冶金法是比较常见的制备方法。传统的熔铸方法是将原料通过真空感应熔炼或真空电弧熔炼的方法进行熔炼，然后通过细化晶粒或相关热处理工艺来改善质量与性能，该法的原料一般为纯金属锭。缺点是液态金属间化合物的流动性较差，凝固时补缩困难，容易产生缩孔或缩松，产生微裂纹，使铸件性能降低。粉末冶金法是将金属粉末按照一定比例配比，通过真空球磨是粉末混合均匀，将粉末压制成胚料，然后在烧结设备中进行真空烧结。该法的原料一般为高纯金属粉末。该法的缺点是成本高，难以获得高的致密度，从而显著影响材料的强度、塑性和综合力学性能。另外，升温速率和烧结温度对材料组织和成分有较大影响，工艺较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Fe-Mn-Al系合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将锰粉、铝粉和铁粉按质量分数为Al 12.0-14.0% 、Mn 18.0-30.0%、其余为Fe的比例混合均匀；
（2）将步骤（1）得到的混合粉末进行压片，然后在氩气保护下进行熔炼，熔炼过程中不断对熔体进行搅拌，当合金熔体温度达到1520-1550℃时，采用水冷铜模浇铸样品；
（3）步骤（2）中得到的样品在氩气保护下，在1000℃保温2-3小时，然后油冷淬火，经油冷淬火后的合金继续在氩气氛围下加热至550-650℃进行回火处理，保温2-4小时后随炉冷却至室温，得到Fe-Mn-Al轻质高强合金。
优选的，本发明所述锰粉、铝粉和铁粉的纯度均≥99.99%，粒径为300~400目。
优选的，本发明所述锰粉、铝粉和铁粉进行球磨混合，球料比为10:1~15:1，球磨时间不少于4小时。
优选的，本发明所述水冷铜模浇铸的冷却速率为5 K s-1~10 K s-1。
本发明的有益效果是：
（1）本发明制备的Fe-Mn-Al轻质高强合金宏观硬度达到45HRC以上，抗拉强度达到949MPa以上，密度可以达到6.50 g/cm3。
（2）考虑到Al元素相对密度较低，降低了合金密度，本发明Al含量控制在12.0-14.0%；锰作为主要合金元素加入，一方面在基体中产生了明显的固溶强化，另一方面Al会与基体Fe-Al合金形成DO3([Fe、Mn]3Al)、B2([Fe、Mn]Al) 有序相，产生明显的固溶强化。
（3）本发明所述方法相对简单，可靠，制备的Fe-Mn-Al合金强度高、质量轻、抗氧化性能和抗腐蚀性能较好，因而在航空航天工业、汽车工业、航海器件和能源转换系统等方面有广泛的应用前景。
附图说明
图1是实施例1铸态的Fe-Mn-Al高强轻质合金的微观组织图；
图2是实施例1热处理后的Fe-Mn-Al高强轻质合金的微观组织图；
图3本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种Fe-Mn-Al系高强轻质合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）首先将纯度为99.99%，目数为300目的锰粉、铝粉和铁粉按照一定的质量百分比进行称量配料，其质量分数为：30%Mn、14.0%Al，其余为Fe；将粉末放到球磨罐中用行星式球磨机混料，球料比为12:1，球磨时间为4小时。
（2）将步骤（1）得到的混和粉末取出，在压片机下进行压片，其中压力为10MPa，得到φ15×3的金属片，放到真空电弧熔炼炉的铜坩埚中，在氩气保护气氛下进行熔炼，同时连续的通过电磁搅拌对熔体进行处理，使熔体完全均匀化，同时细化析出相和基体组织，当合金熔体温度达到1550℃时，采用水冷铜模浇铸样品，水冷铜模浇铸的冷却速率为5 K s-1。
（3）将步骤（2）浇铸得到的样品在氩气氛围下，在1000℃保温3小时，然后油冷淬火，经油冷淬火后的合金继续在氩气氛围下加热至550℃进行回火处理，保温4小时后随炉冷却至室温，得到Fe-Mn-Al轻质高强合金。
本实施例制备得到的Fe-Mn-Al合金的DO3([Fe、Mn]3Al)、B2([Fe、Mn]Al)有序相分布于晶界间如图1所示，固溶热处理后其有序相固溶到晶粒内如图2所示。
实施例2
一种Fe-Mn-Al系高强轻质合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）首先将纯度为99.99%，目数为300目的锰粉、铝粉和高纯铁粉按照一定的质量百分比进行称量配料，其质量分数为：24.0%Mn、13.0%Al，其余为Fe；将粉末放到球磨罐中用行星式球磨机混料，球料比为10:1，球磨时间为4小时。
（2）将步骤（1）得到的混和粉末取出，在压片机下进行压片，其中压力为10MPa，得到φ15×3的金属片，放到真空电弧熔炼炉的铜坩埚中，在氩气保护气氛下进行熔炼，同时连续的通过电磁搅拌对熔体进行处理，使熔体完全均匀化，同时细化析出相和基体组织，当合金熔体温度达到1530℃时，采用水冷铜模浇铸样品，水冷铜模浇铸的冷却速率为7 K s-1。
（3）、将步骤（2）浇铸得到的样品在氩气氛围下，在1000℃保温2.5小时，然后油冷淬火，经油冷淬火后的合金继续在氩气氛围下加热至600℃进行回火处理，保温3小时后随炉冷却至室温，得到Fe-Mn-Al轻质高强合金。
实施例3
一种Fe-Mn-Al系高强轻质合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）首先将纯度为99.99%，目数为300目的锰粉、铝粉和高纯铁粉按照一定的质量百分比进行称量配料，其质量分数为：18%Mn、12%Al，其余为Fe；将粉末放到球磨罐中用行星式球磨机混料，球料比为15:1，球磨时间为4小时。
（2）将步骤（1）得到的混和粉末取出，在压片机下进行压片，其中压力为10MPa，得到φ15×3的金属片，放到真空电弧熔炼炉的铜坩埚中，在氩气保护气氛下进行熔炼，同时连续的通过电磁搅拌对熔体进行处理，使熔体完全均匀化，同时细化析出相和基体组织，当合金熔体温度达到1520℃时，采用水冷铜模浇铸样品，水冷铜模浇铸的冷却速率为10 K s-1。
（3）将步骤（2）浇铸得到的样品在氩气氛围下，在1000℃保温2小时，然后油冷淬火，经油冷淬火后的合金继续在氩气氛围下加热至650℃进行回火处理，保温2小时后随炉冷却至室温，得到Fe-Mn-Al轻质高强合金。
表1本发明实施例1~3制备得到的Fe-Mn-Al合金的性能
上面结合了实施例对本发明进行了说明，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的案意识和原理下做的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的目的，只要不背离本发明Fe-Mn-Al合金的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。
Claims (4)
1.一种Fe-Mn-Al系合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将锰粉、铝粉和铁粉按质量分数为Al 12.0-14.0% 、Mn 18.0-30.0%、其余为Fe的比例混合均匀；
（2）将步骤（1）得到的混合粉末进行压片，然后在氩气保护下进行熔炼，熔炼过程中不断对熔体进行搅拌，当合金熔体温度达到1520-1550℃时，采用水冷铜模浇铸样品；
（3）步骤（2）中得到的样品在氩气保护下，在1000℃保温2-3小时，然后油冷淬火，经油冷淬火后的合金继续在氩气氛围下加热至550-650℃进行回火处理，保温2-4小时后随炉冷却至室温，得到Fe-Mn-Al轻质高强合金。
2.根据权利要求1所述Fe-Mn-Al系合金的制备方法，其特征在于：锰粉、铝粉和铁粉的纯度均≥99.99%，粒径为300~400目。
3.根据权利要求1所述Fe-Mn-Al系合金的制备方法，其特征在于：锰粉、铝粉和铁粉进行球磨混合，球料比为10:1~15:1，球磨时间不少于4小时。
4.根据权利要求1所述Fe-Mn-Al系合金的制备方法，其特征在于：水冷铜模浇铸的冷却速率为5 K s-1~10 K s-1。
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