CN111607740A - 高强度低密度钢的制备方法及高强度低密度钢 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度低密度钢的制备方法及高强度低密度钢。该方法包括设计材料组成、混料、研磨、填粉、压烧五个步骤。通过向钢中添加一定量的Ni元素、SI元素、Ti元素、Mo元素和B元素，在合金成分与粉末冶金工艺的基础上，得到了具有高强度的低密度钢，在减轻钢材的重量的同时，也具有良好的强度和韧性。采用本发明的方法，可以控制低密度钢中的元素成分，避免其他杂质元素的干扰；粉末烧结法制备的原料利用率高，生产流程短；且钼、钛元素有效钉扎在晶界处，从而增加位错滑移难度，同时析出TiC等固溶体，提高了钢的强度。

Description

高强度低密度钢的制备方法及高强度低密度钢
技术领域
本发明涉及低密度合金钢领域，尤其涉及一种高强度低密度钢的制备方法及高强度低密度钢。
背景技术
当前社会，随着绿色发展，节能减排的提倡，人们在追求安全性的前提下对汽车的轻量化展开了研究，目前最有效的途径则是应用新材料、新工艺以及结构优化这三种途径。其中，低密度钢由于广泛应用于车身的制造，被人们越来越重视。Fe-Mn-Al-C系低密度钢在具备良好强塑性优点的同时，密度又较低，更加轻便。但钢中添加的Al元素含量较高时，会导致钢材的韧性急剧下降，难以满足汽车领域对钢材韧性的要求；钢中添加的C含量较高时，会使钢的脆性上升，难以满足汽车领域对于钢材强度的要求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种低密度高强度钢及其制备方法，通过向钢中添加一定量的Ni元素、SI元素、Ti元素、Mo元素和B元素，在合金成分与粉末冶金工艺的基础上，得到了具有高强度的低密度钢，在减轻钢材的重量的同时，也具有良好的强度和韧性。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
高强度低密度钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)设计材料组成：按照质量分数百分比计，所用材料包括Mn：18％～20％、Al：5％～7％、C：0.03％～0.04％、Ni：7％～8％、Si：1.0％～1.2％、Mo：1.0～1.5％、Ti：1.0％～1.2％，B：0.01％～0.1％，余量为Fe。
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉末；所述混合粉末的微观结构为近球形，纯度均在99.5％以上，其中铁粉的粒度在75-100μm，锰粉的粒度在60-80μm，铝粉的粒度在75-100μm，镍粉的粒度在60-80μm，硅粉的粒度在20-40μm，钛粉的粒度在20-30μm，钼粉的粒度在60-80μm，碳粉的粒度在20-30μm，硼粉的粒度在50-60μm。
(3)研磨：将步骤(2)中得到的混合粉末进行研磨，研磨时长为10-15小时，同时填充保护气氛；
(4)填粉：通过一套石墨模具来固定粉末成形，该模具的成分为石墨，无其他杂质，其包括上压头、下压头和具有测温孔的中空阴模，上压头和下压头的结构相同，均为柱状结构，石墨阴模为套筒状中空结构，石墨阴模的侧壁上开设有测温孔；将下压头先塞入阴模内孔中，放入石墨片，然后将步骤(3)中得到的混合粉末填充到阴模内部中的下压头上，同样放入石墨片，再将上压头从阴模上方塞入内孔中，通过上压头和下压头将混合金属粉末压紧；
(5)压烧：将步骤(4)中得到的待烧结模具置入放电等离子烧结系统的炉膛中，抽取炉内空气至真空状态；接着，调整压力系统，使压头对模具保持恒定压力；随后通入电流对金属粉末进行烧结，得到高强度低密度钢合金。
更进一步的，所述上压头和下压头均为直径60mm、高35mm的圆柱状结构，石墨阴模为外径90mm、内径60mm、高50mm的套筒状中空结构，石墨阴模在中间高度位置开设有直径4mm、深度5mm的测温孔，所述石墨片为直径60mm的石墨圆片。
更进一步的，研磨时球料比为10：1，球磨速度为200-300r/min，正反交互球磨。
更进一步的，在研磨过程中加入无水乙醇。
更进一步的，所述石墨模具与石墨圆片的成分相同，均不含有其他杂质。
更进一步的，烧结前将烧结炉内部封闭并抽真空至真空度小于1.0×10-1Pa，设定的机械压力为50MPa，烧结温度为1000℃～1100℃，优选温度为1050℃，升温降温速率为90-130℃/min。
更进一步的，烧结温度为1050℃。
一种高强度低密度钢，根据上述的制备方法制备而成，其化学成分按质量百分比为：Mn：18％～20％、Al：5％～7％、C：0.03％～0.04％、Ni：7％～8％、Si：1.0％～1.2％、Mo：1.0～1.5％、Ti：1.0％～1.2％，B：0.01％～0.1％，余量为Fe，没有其他杂质元素。
更进一步的，所述高强度低密度钢的密度低于7.03g/cm3，减重率大于8.5％。
更进一步的，所述高强度低密度高韧度钢的屈服强度大于600MPa，抗拉强度大于900MPa，洛氏硬度大于65.3。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
采用本发明的方法，可以控制低密度钢中的元素成分，避免其他杂质元素的干扰；粉末烧结法制备的原料利用率高，生产流程短；且钼、钛元素有效钉扎在晶界处，从而增加位错滑移难度，同时析出TiC等固溶体，提高了钢的强度。
附图说明
图1是发明的烧结工艺流程图；
图2是发明的烧结工艺曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的高强度低密度钢的制备方法如图1所示，具体制备步骤如下：
(1)设计材料组成：按照质量分数百分比计，所用材料包括Mn：18％～20％、Al：5％～7％、C：0.03％～0.04％、Ni：7％～8％、Si：1.0％～1.2％、Mo：1.0～1.5％、Ti：1.0％～1.2％，B：0.01％～0.1％，余量为Fe；
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉末；所述混合粉末的微观结构为近球形，纯度均在99.5％以上，其中铁粉的粒度在75-100μm，锰粉的粒度在60-80μm，铝粉的粒度在75-100μm，镍粉的粒度在60-80μm，硅粉的粒度在20-40μm，钛粉的粒度在20-30μm，钼粉的粒度在60-80μm，碳粉的粒度在20-30μm，硼粉的粒度在50-60μm；
(3)研磨：在机械研磨装置中将步骤(2)中得到的混合粉末进行机械研磨，研磨时长为10-15小时，同时为了防止空气中的杂质，填充氩气作为研磨时的保护气氛，在研磨过程中加入少许无水乙醇防止粉末粘壁；机械研磨工艺可以使两种粉末分散均匀，有利于后续烧结，同时使用氩气保护，避免球磨时粉末混入其他杂质；研磨时球料比为10：1，球磨速度为200-300r/min，正反交互球磨；
(4)填粉：在本发明中，通过一套石墨模具来固定粉末成形，该模具包括上压头、下压头和具有测温孔的中空阴模，上压头和下压头的结构相同，均为直径60mm，高35mm的圆柱状结构，石墨阴模为外径90mm，内径60mm，高50mm的套筒状中空结构，石墨阴模在中间高度位置有一直径4mm，深度5mm的测温孔。将下压头先塞入阴模内孔中一部分，放入1到2片直径30mm的石墨圆片来防止烧结过程压头被破坏，然后将步骤(3)中得到的混合粉末填充到阴模内部中的下压头上，同样放入1-2片直径60mm的石墨圆片，再将上压头从阴模上方塞入内孔中，通过上压头和下压头将混合金属粉末压紧；石墨模具为本发明针对SPS烧结特别制作的，其主体成分为石墨，并无其他杂质；石墨圆片成分为石墨并无其他杂质，添加石墨圆片，主要是促进烧结，以及防止烧结合金与压头发生粘接现象；
(5)压烧：将步骤(4)中得到的待烧结模具置入放电等离子烧结系统的炉膛中，抽取炉内空气至真空状态，从而一方面防止烧结时钼粉在烧结过程中被氧化，另一方面能够促进烧结过程产生的气体的排除，促进烧结致密化过程的进行。接着，调整压力系统，使压头对模具保持恒定压力，促进粉末成形，随后通入电流对金属粉末进行烧结，烧结工艺曲线如图2所示，得到高强度低密度钢合金。烧结前将烧结炉内部封闭并抽真空至真空度小于1.0×10-1Pa，设定的机械压力为50MPa，烧结温度为1000℃～1100℃，优选温度为1050℃，升温降温速率为90-130℃/min。上述的烧结工艺中，较小的真空度可以避免空气中元素，特别是氧元素对烧结的影响，且较大的烧结压力与较低的烧结的温度可以保证较高的烧结性能。
实施例1
本实施例的高强度低密度钢，其化学成分及其质量百分比为：Mn：18％、Al：5％、C：0.03％、Ni：7％、Si：1.0％、Mo：1.0％、Ti：1.0％，B：0.01％，Fe：66.96％；
一、预处理将各种成分的粉末按照质量分数比例配料。在行星球磨机中按球料比10∶1混合，研磨12h，研磨时加入少许无水乙醇防止粉末粘壁；
二、制模取石墨模具，填充1-2片直径60mm石墨圆片，将处理好的合金粉末自下而上放入石墨阴模中，填充1-2片直径60mm石墨圆片，然后用上压头和下压头压紧，防止粉末泄漏；
三、压烧将待烧结的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至不高于10-1Pa，然后通入直流脉冲电流，对合金粉末进行烧结粘接，烧结工艺为：上压头和下压头对铁基以及金属粉末的轴向压力为50MPa；升温速率为：从室温区至700℃为120℃/min，700℃至烧结温度为100℃/min；保温时间为3min；降温速率为：从烧结温度降至400℃的区间的降温速率为100℃/min，从400℃降至室温区间随炉冷却；待冷却后均成功制得高强度低密度钢，低密度钢的硬度较佳。
实施例2
本实施例的高强度低密度钢，其化学成分及其质量百分比为：Mn：19％、Al：6％、C：0.035％、Ni：7.5％、Si：1.1％、Mo：1.25％、Ti：1.1％，B：0.05％，Fe：64.01％；
一、预处理将各种成分的粉末按照质量分数比例配料。在行星球磨机中按球料比10∶1混合，研磨12h，研磨时加入少许无水乙醇防止粉末粘壁；
二、制模取石墨模具，填充1-2片直径60mm石墨圆片，将处理好的合金粉末自下而上放入石墨阴模中，填充1-2片直径60mm石墨圆片，然后用上压头和下压头压紧，防止粉末泄漏；
三、压烧将待烧结的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至不高于10-1Pa，然后通入直流脉冲电流，对合金粉末进行烧结粘接，烧结工艺为：上压头和下压头对铁基以及金属粉末的轴向压力为50MPa；升温速率为：从室温区至700℃为120℃/min，700℃至烧结温度为100℃/min；保温时间为3min；降温速率为：从烧结温度降至400℃的区间的降温速率为100℃/min，从400℃降至室温区间随炉冷却；待冷却后均成功制得高强度低密度钢，低密度钢的硬度较佳。
实施例3
本实施例的高强度低密度钢，其化学成分及其质量百分比为：Mn：20％、Al：7％、C：0.04％、Ni：8％、Si：1.2％、Mo：1.5％、Ti：1.2％，B：0.1％，Fe：60.96％；
一、预处理将各种成分的粉末按照质量分数比例配料。在行星球磨机中按球料比10∶1混合，研磨12h，研磨时加入少许无水乙醇防止粉末粘壁；
二、制模取石墨模具，填充1-2片直径60mm石墨圆片，将处理好的合金粉末自下而上放入石墨阴模中，填充1-2片直径60mm石墨圆片，然后用上压头和下压头压紧，防止粉末泄漏；
三、压烧将待烧结的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至不高于10-1Pa，然后通入直流脉冲电流，对合金粉末进行烧结粘接，烧结工艺为：上压头和下压头对铁基以及金属粉末的轴向压力为50MPa；升温速率为：从室温区至700℃为120℃/min，700℃至烧结温度为100℃/min；保温时间为3min；降温速率为：从烧结温度降至400℃的区间的降温速率为100℃/min，从400℃降至室温区间随炉冷却；待冷却后均成功制得高强度低密度钢，低密度钢的硬度较佳。
实例1、实例2、实例3的相关参数如下表所示。
屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 硬度/HRC 室温摩擦系数
实例1 606 921 65.3 0.456
实例2 621 915 65.5 0.475
实例3 623 932 65.8 0.463
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高强度低密度钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)设计材料组成：按照质量分数百分比计，所用材料包括其化学成分按质量百分比为：Mn：18％～20％、Al：5％～7％、C：0.03％～0.04％、Ni：7％～8％、Si：1.0％～1.2％、Mo：1.0～1.5％、Ti：1.0％～1.2％，B：0.01％～0.1％，余量为Fe，没有其他杂质元素；
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉末；所述混合粉末的微观结构为近球形，纯度均在99.5％以上，其中铁粉的粒度在75-100μm，锰粉的粒度在60-80μm，铝粉的粒度在75-100μm，镍粉的粒度在60-80μm，硅粉的粒度在20-40μm，钛粉的粒度在20-30μm，钼粉的粒度在60-80μm，碳粉的粒度在20-30μm，硼粉的粒度在50-60μm；
(3)研磨：将步骤(2)中得到的混合粉末进行研磨，研磨时长为10-15小时，同时填充保护气氛；
(4)填粉：通过一套石墨模具来固定粉末成形，该模具的成分为石墨，无其他杂质，其包括上压头、下压头和具有测温孔的中空阴模，上压头和下压头的结构相同，均为柱状结构，石墨阴模为套筒状中空结构，石墨阴模的侧壁上开设有测温孔；将下压头先塞入阴模内孔中，放入石墨片，然后将步骤(3)中得到的混合粉末填充到阴模内部中的下压头上，同样放入石墨片，再将上压头从阴模上方塞入内孔中，通过上压头和下压头将混合金属粉末压紧；
(5)压烧：将步骤(4)中得到的待烧结模具置入放电等离子烧结系统的炉膛中，抽取炉内空气至真空状态；接着，调整压力系统，使压头对模具保持恒定压力；随后通入电流对金属粉末进行烧结，得到高强度低密度钢。
2.根据权利要求1所述的高强度低密度钢的制备方法，其特征在于，所述上压头和下压头均为直径30mm、高35mm的圆柱状结构，石墨阴模为外径60mm、内径30mm、高50mm的套筒状中空结构，石墨阴模在中间高度位置开设有直径4mm、深度5mm的测温孔，所述石墨片为直径30mm的石墨圆片。
3.根据权利要求1所述的高强度低密度钢的制备方法，其特征在于，研磨时球料比为10：1，球磨速度为200-300r/min，正反交互球磨。
4.根据权利要求1所述的高强度低密度钢的制备方法，其特征在于，在研磨过程中加入无水乙醇。
5.根据权利要求1所述的高强度低密度钢的制备方法，其特征在于，所述石墨模具与石墨圆片的成分相同，均不含有其他杂质。
6.根据权利要求1所述的高强度低密度钢的制备方法，其特征在于，烧结前将烧结炉内部封闭并抽真空至真空度小于1.0×10-1Pa，设定的机械压力为50MPa，烧结温度为1000℃～1100℃，优选温度为1050℃，升温降温速率为90-130℃/min。
7.根据权利要求1所述的高强度低密度钢的制备方法，其特征在于，烧结温度为1050℃。
8.一种高强度低密度钢，其特征在于，根据权利要求1-7中任意一项所述的制备方法制备而成。
9.根据权利要求8所述的高强度低密度钢，其特征在于，密度低于7.03g/cm3，减重率大于8.5％。
10.根据权利要求8所述的高强度低密度钢，其特征在于，屈服强度大于600MPa，抗拉强度大于900MPa，洛氏硬度大于65.3。
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