CN113278896B

CN113278896B - 一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢及其制备方法

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Publication number: CN113278896B
Application number: CN202110037716.9A
Authority: CN
Inventors: 罗海文; 刘志鹏
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2041-01-12
Also published as: CN113278896A

Abstract

本发明提供一种Fe‑Mn‑Al‑C系高强度低密度钢及其制备方法。本发明提供的高强度低密度钢包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.0～2.0％，Mn20～40％，Al 10～14％，2％≤Ni+Cr≤15％，余量为Fe。该制备方法通过钢的冶炼、凝固铸造、热加工(锻/轧)等步骤后，在1100～1200℃的温度范围内，将钢板固溶处理10min～6h后冷却至室温制得高强度低密度钢。该发明通过对合金成分与加工工艺进行调控，最终获得组织均匀的奥氏体基高强度低密度钢，其屈服强度≥1000MPa且密度为6.0～6.6g/cm³。

Description

一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及工程用钢和消费电子类零部件用钢领域，特别是指一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢及其制备方法。

背景技术

随着节能环保要求的日益提高和经济效益的驱动，汽车轻量化已成为汽车行业的迫切需求和未来的发展趋势。目前，实现汽车轻量化主要有以下三种途径：一是采用轻量化原材料，如使用车用铝合金、车用镁合金、工程塑料、碳纤维复合材料等。虽然轻量化原材料的使用能够降低汽车的总体重量，但铝合金成形工艺复杂、焊接性能较差、碰撞吸收能较低；镁合金塑性差、热稳定性差、耐腐蚀性能差；工程塑料和碳纤维复合材料价格昂贵、产量较小，这些因素限制了轻量化原材料的研发和市场化应用。二是使用超高强度钢代替传统汽车用钢，降低钢板厚度以减轻汽车重量，如CP钢、DP钢、TRIP钢、TWIP钢、马氏体钢等。但超高强度钢也存在着一系列的问题：随着钢板强度的提高，其成形能力相应降低；超高强度钢板在成形过程中存在开裂和起皱的问题；超高强度钢板成形后容易发生回弹，且回弹难以检测和控制。三是开发出一种集高强度、高延伸率和低密度于一身的钢种。目前，这一钢种以Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢为代表。同时，在消费类电子产品领域，也对轻质、高强、廉价的金属有着越来越强的需求，在这一应用中，通常将金属先制备成粉体，然后通过注塑成型等粉末冶金工艺直接烧结成电子产品用零部件。

在已有的研究成果中，中国发明专利CN111235484A公开了一种高强高硬低密度钢及其制备方法和应用，包括如下成分：C 0.7～1.8％，Al 8～12％，Si 0.3～0.9％，Mn 25％～34％，Cr 0.3～1.2％，V 0.1～0.7％，Ti 0.1～0.8％，Mo 0.7～1.3％，余量为Fe和不可避免的杂质，经过熔炼、热锻、水韧处理、热轧、固溶处理、冷轧、时效处理、渗氮和退氮处理后该钢的屈服强度为870.21～1077.36MPa，抗拉强度为950.35～1127.7MPa，密度为6.63～7.19g/cm³。该申请方案通过优化钢的成分设计和后续的渗氮和退氮处理，得到了高强度的Fe-Mn-Al-C系低密度钢，但整体生产工艺较为复杂，且钢的密度降低有限。发明专利CN109735691A公开了一种1000MPa高碳高锰低密度钢及其制备方法，该高碳高锰低密度钢的化学成分及其重量百分比为：C 0.75～0.95％，Mn 14～19％，Al 7～9％，S 0～0.005％，P 0～0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质，经过冶炼、浇铸、热锻、空冷、热轧、水淬、冷轧、水淬后该钢的屈服强度达到了700MPa以上，抗拉强度为950～1100MPa，断后延伸率为50～60％。该发明通过冷轧和热处理工艺制备的低密度钢屈服强度仅有700MPa，且由于Al的添加量不高，难以有效降低密度。CN107674955B专利公布了一种强塑积大于50GPa·％的低密度钢的制备方法，成分为：C 0.98～1％，Mn 19.4～20％，Al 9.82～10％，P≤0.003％，S≤0.003％，经冶炼、铸造、热轧、固溶处理、冷轧、退火处理后该钢的强塑积大于50GPa·％。该方案通过对合金成分和加工工艺的调整得到了具有较高强度和良好塑性的Fe-Mn-Al-C系低密度钢，但该方案由于没有考虑添加Cr元素，钢的组织为奥氏体+铁素体+κ型碳化物三相，其中κ型碳化物的存在恶化了钢的塑性，同时该钢的密度依然较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢及其制备方法。通过对合金成分与加工工艺进行调控，在保证材料高强度、高延伸率的同时，大幅度降低材料的密度。

本发明提供了一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢，包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.0～2.0％，Mn 20～40％，Al 10～14％，2％≤Ni+Cr≤15％，余量为Fe。本发明在高强度低密度钢中添加了大量的Al元素以大幅度降低钢的密度，每添加1％的Al，钢的密度下降0.101g/cm³。同时，Al元素的添加能够提高钢的抗氧化能力；Mn元素能够扩大钢的奥氏体相区，稳定钢中的奥氏体组织，从而保证钢的塑性；C元素同样是奥氏体稳定元素，在稳定奥氏体的同时，C元素的添加能够提升钢的力学性能，C元素含量每增加0.1％，钢的屈服强度增加30～40MPa。同时，每添加1％的C，钢的密度下降0.41g/cm³，但是过高C含量会导致形成粗大碳化物，恶化塑性和韧性；Ni元素的添加能够促进钢中B2相的析出，位错绕过不可剪切的B2相留下位错环，即Orowan位错强化提高钢的强度；钢中含量过高的Al元素使得κ型碳化物大量析出，Cr元素的添加能够有效抑制钢中κ型碳化物的析出，有利于形成均匀的奥氏体基体，提高钢的强度。同时，Cr元素的添加能够进一步降低钢的密度，且提高钢的抗腐蚀能力。

优选的，包括C1.2～1.5％，Mn 25～35％，Al 10～12％，Ni 5～7％，Cr≤2％，余量为Fe。

优选的，包括C1.2～1.8％，Mn 30～40％，Al 12～14％，Cr 5～7％，Ni≤2％，余量为Fe。

钢中可另加以下一种或多种元素(质量百分含量)，进一步提高钢的性能：Mo 0.1～1.0％，Si 0.2～2.0％，Cu 0.5～2.5％，B 0.001～0.005％，Nb 0.05～0.5％，Ti 0.02～0.5％，V 0.02～0.35％，RE 0.001～0.005％，Ca 0.005～0.025％。其中添加Mo、B等可提高钢的淬透性和低温冲击韧性；添加Si等提高钢的强度和进一步降低钢的密度；添加Nb、Ti等能够有效细化固溶态组织晶粒，在提高钢的强度的同时，改善钢的韧性；添加Cu、V等可促进析出强化提高钢的强度。

本发明进一步提供了一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼：通过转炉、电炉或感应熔炼炉将高强度低密度钢的原料进行冶炼；

(2)凝固铸造：将步骤(1)中得到的钢液注入模具中凝固，可采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭；

(3)热加工(锻/轧)：将步骤(2)中得到的铸坯或铸锭加热保温1～20h，保温温度为1050～1250℃，然后通过热锻或者热轧至目标形状，需保证锻造比≥1.5或轧制总压缩比≥50％，最终热变形温度≥900℃，之后冷却至室温；

(4)固溶处理：将步骤(3)中得到的热加工态钢在1100～1200℃的温度范围内固溶处理10min～6h，然后冷却至室温。

进一步地，上述步骤(4)中制得的固溶处理态钢可进一步时效处理，进一步提高钢的强度，时效处理温度为400～600℃，时效处理时间为5min～3h。

进一步地，上述步骤(1)中冶炼完成的金属也可进一步加工为粉体，并通过注塑成型工艺制备成电子产品用零部件，包括以下步骤：

(1)制粉和烧结：将冶炼完成的金属在惰性气氛下气雾化制粉或通过等离子旋转电极等方法获得粉体，将所获粉体根据器件形状布粉、振实和成型后，在保护性气氛下加热至1100～1400℃的温度范围内烧结5min～5h；

(2)热处理工艺：在上述粉体固化成型和烧结完成后，将烧结件加热至1100～1200℃的温度范围内固溶处理10min～6h，然后冷却至室温。

进一步地，上述步骤(2)中制得的固溶处理态钢可进一步时效处理，进一步提高钢的强度，时效处理温度为450～550℃，时效处理时间为5min～3h。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

上述方案中，有别于现有Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢，在钢的成分中添加了10～14％的Al以大幅度降低钢的密度，而为了获得奥氏体基体组织，根据Al含量提高的程度还需要同时提高Mn和C含量，而C含量的提高也进一步降低了密度，但是C含量过高会产生粗大的脆性κ型碳化物,反而会降低钢的塑性。添加Ni可促进钢中B2相析出以提高强度。经过充分热加工变形后，在1100～1200℃的温度范围内固溶处理10min～6h，可有效改善低密度钢的强度和延伸率，最终获得屈服强度≥1000MPa且密度为6.0～6.6g/cm³的高强度低密度钢。

附图说明

图1为实施例3获得的高强度低密度钢的金相组织照片。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

本实施例的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，该高强度低密度钢包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.21％，Mn 25.03％，Al 11.93％，Ni 6.95％，余量为Fe。具体的制备方法如下：

(1)冶炼：通过感应熔炼炉将高强度低密度钢的原料进行冶炼；

(2)凝固铸造：将步骤(1)中得到的钢液注入模具中，采用模铸生产铸锭；

(3)热加工(锻/轧)：将步骤(2)中得到的铸锭开坯后加热保温1h，保温温度为1050℃。保温结束后采用锻造机对铸锭进行锻造，锻造比为2，锻造完成后空冷至室温，锻造温度始终保持在1000～1100℃的温度区间内，锻坯形状为板状；将板状锻坯重新加热保温1h，保温温度为1050℃。保温结束后采用热轧机组进行热轧，热轧开始温度为1050℃，热轧终止温度为900℃，共轧制7道次，每道次压下量约为30％，最终轧制到厚度约为4mm，轧制压缩比为92％，轧制完成后空冷至室温；

(4)固溶处理：将步骤(3)中得到的热轧板在1100℃固溶处理1h后立即水冷至室温。通过标准拉伸试验检测该钢的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。同时，通过阿基米德排水法测量钢的密度，检测结果如表2所示。

实施例2

本实施例的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，该高强度低密度钢包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.49％，Mn 34.88％，Al 10.12％，Ni 5.03％，Cr1.87％，Si 1.47％，余量为Fe，具体的制备方法如下：

(1)冶炼：通过转炉将高强度低密度钢的原料进行冶炼；

(2)凝固铸造：将步骤(1)中得到的钢液注入模具中，采用连铸生产铸坯；

(3)热锻：将步骤(2)中得到的铸坯开坯后加热保温5h，保温温度为1200℃。保温结束后采用锻造机对铸坯进行锻造，锻造比为3，锻造完成后空冷至室温，锻造温度始终保持在1000～1100℃的温度区间内，锻坯形状为棒状；

(4)固溶处理：将步骤(3)中得到的锻棒在1200℃固溶处理5h后立即水冷至室温；

(5)时效处理：将步骤(4)中制得的固溶处理态钢在400℃固溶处理3h后空冷至室温。通过标准拉伸试验检测该钢的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。同时，通过阿基米德排水法测量钢的密度，检测结果如表2所示。

实施例3

本实施例的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，该高强度低密度钢包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.52％，Mn 30.23％，Al 12.19％，Cr 5.07％，余量为Fe，具体的制备方法如下：

(1)冶炼：通过电炉将高强度低密度钢的原料进行冶炼；

(3)热加工(锻/轧)：将步骤(2)中得到的铸锭开坯后加热保温8h，保温温度为1150℃。保温结束后采用锻造机对铸锭进行锻造，锻造比为2.4，锻造完成后空冷至室温，锻造温度始终保持在1000～1100℃的温度区间内，锻坯形状为板状；将板状锻坯重新加热保温8h，保温温度为1150℃。保温结束后采用热轧机组进行热轧，热轧开始温度为1100℃，热轧终止温度为1000℃，共轧制2道次，每道次压下量约为30％，最终轧制到厚度约为20mm，轧制压缩比为51％，轧制完成后空冷至室温；

(4)固溶处理：将步骤(3)中得到的热轧板在1150℃固溶处理8h后立即水冷至室温。由图1可知，制备得到的高强度低密度钢的组织为γ相(奥氏体)和DO3相(铁素体有序转变产物)，无微米级κ型碳化物生成。通过标准拉伸试验检测该钢的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。同时，通过阿基米德排水法测量钢的密度，检测结果如表2所示。

实施例4

本实施例的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，该高强度低密度钢包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.75％，Mn 30.28％，Al 13.12％，Cr 6.97％，Ni1.07％，Nb 0.14％，V 0.05％，余量为Fe，具体的制备方法如下：

(3)热锻：将步骤(2)中得到的铸锭开坯后加热保温12h，保温温度为1250℃。保温结束后采用锻造机对铸锭进行锻造，锻造比为3.5，锻造完成后空冷至室温，锻造温度始终保持在1000～1100℃的温度区间内，锻坯形状为棒状；

(4)固溶处理：将步骤(3)中得到的锻棒在1250℃固溶处理12h后立即水冷至室温；

(5)时效处理：将步骤(4)中制得的固溶处理态钢在450℃时效处理30min后空冷至室温。通过标准拉伸试验检测该钢的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。同时，通过阿基米德排水法测量钢的密度，检测结果如表2所示。

实施例5

本实施例的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，该高强度低密度钢包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.78％，Mn 39.76％，Al 13.85％，Cr 6.99％，Ni0.53％，余量为Fe具体的制备方法如下：

(1)冶炼：通过电炉将高强度低密度钢的原料进行冶炼；

(3)热加工(锻/轧)：将步骤(2)中得到的铸锭开坯后加热保温20h，保温温度为1200℃。保温结束后采用锻造机对铸锭进行锻造，锻造比为2.1，锻造完成后空冷至室温，锻造温度始终保持在1000～1100℃的温度区间内，锻坯形状为板状；将板状锻坯重新加热保温20h，保温温度为1200℃。保温结束后采用热轧机组进行热轧，热轧开始温度为1150℃，热轧终止温度为1000℃，共轧制5道次，每道次压下量约为30％，最终轧制到厚度约为8mm，轧制压缩比为83％，轧制完成后空冷至室温；

(4)固溶处理：将步骤(3)中得到的锻棒在1200℃固溶处理20h后立即水冷至室温；

(5)时效处理：将步骤(4)中制得的固溶处理态钢在600℃时效处理5min后空冷至室温。通过标准拉伸试验检测该钢的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。同时，通过阿基米德排水法测量钢的密度，检测结果如表2所示。

实施例6

本实施例的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，该高强度低密度钢包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.33％，Mn 27.06％，Al 11.79％，Ni 6.03％，Cu0.71％，余量为Fe。具体的制备方法如下：

(2)制粉和烧结：将步骤(1)中冶炼得到的金属液在高纯氩气中雾化制粉，获得粉体颗粒平均尺寸为20μm，将所获粉体布粉、振实和成型后，在氨气气氛下加热至1100℃烧结5h后冷却至室温；

(3)热处理工艺：将步骤(2)中得到的烧结件在1200℃固溶处理10min后水冷至室温。通过标准拉伸试验检测该钢的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。同时，通过阿基米德排水法测量钢的密度，检测结果如表2所示。

实施例7

本实施例的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，该高强度低密度钢包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.62％，Mn 34.77％，Al 13.23％，Cr 6.05％，Ni1.56％，Ti 0.33％,Ga 0.017％，余量为Fe，具体的制备方法如下：

(1)冶炼：通过转炉将高强度低密度钢的原料进行冶炼；

(2)制粉和烧结：将步骤(1)中冶炼得到的金属液通过等离子旋转电极法获得粉体，粉体颗粒平均尺寸为15μm，将所获粉体布粉、振实和成型后，在氩气气氛下加热至1400℃烧结5min后冷却至室温；

(3)热处理工艺：将步骤(2)中得到的烧结件在1100℃固溶处理5h后空冷至室温，然后在450℃时效处理3h后空冷至室温。通过标准拉伸试验检测该钢的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。同时，通过阿基米德排水法测量钢的密度，检测结果如表2所示。

实施例8

本实施例的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，该高强度低密度钢包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.72％，Mn 30.18％，Al 13.22％，Cr 5.96％，Ni1.97％，Si 0.52％，Nb 0.33％，余量为Fe，具体的制备方法如下：

(2)制粉和烧结：将步骤(1)中冶炼得到的金属液在高纯氩气中雾化制粉，获得粉体颗粒平均尺寸为10μm，将所获粉体布粉、振实和成型后，在氨气气氛下加热至1200℃烧结3h后冷却至室温；

(3)热处理工艺：将步骤(2)中得到的烧结件在1150℃固溶处理3h后空冷至室温，然后在550℃时效处理5min后空冷至室温。通过标准拉伸试验检测该钢的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。同时，通过阿基米德排水法测量钢的密度，检测结果如表2所示。

上述实施例的成分总结于表1

表1实施例1～8所制备高强低密度钢的成分

表2实施例1～8所制备高强低密度钢的力学性能与密度

由表2的结果可知本发明提供的高强度低密度钢具有较低密度(6.0～6.6g/cm³)的同时，屈服强度(≥1030MPa)、抗拉强度(≥1055MPa)和断后延伸率(≥7.5％)都保持在了较高的水平。Ni、Cr的加入以及固溶处理使得钢的组织为均匀的奥氏体基体加一定含量的其它相(DO3相、B2相、铁素体、κ型碳化物中的一种或几种)，这种组织有效的提高了钢的综合力学性能。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢，其特征在于低密度钢包括以下质量百分含量的元素组分：C 1.0~2.0%，Mn25.03~40%，Al 10.12~14%，2%≤Ni+Cr≤15%，余量为Fe；

低密度钢的制备方法包括冶炼、凝固铸造、热加工锻/轧和固溶处理；

低密度钢的组织为均匀的奥氏体基体加一定含量的其它相，为DO3相、B2相、铁素体、κ型碳化物中的一种或几种；

低密度钢的性能为：密度6.0~6.57g/cm³，屈服强度≥1030MPa，抗拉强度≥1055MPa，断后延伸率≥7.5%。

2.根据权利要求1所述的高强度低密度钢，其特征在于，低密度钢元素组分：C 1.2~1.5%，Mn 25~35%，Al 10~12%，Ni5~7%，Cr≤2%，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的高强度低密度钢，其特征在于，低密度钢元素组分：C 1.2~1.8%，Mn 30~40%，Al 12~14%，Cr 5~7%，Ni≤2%，余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢，其特征在于：钢中另加以下一种或多种元素（质量百分含量），进一步提高钢的性能：Mo 0.1~1.0%，Si 0.2~2.0%，Cu0.5~2.5%，B 0.001~0.005%，Nb 0.05~0.5%，Ti 0.02~0.5%，V 0.02~0.35%，RE 0.001~0.005%，Ca 0.005~0.025%。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）冶炼：通过转炉、电炉或感应熔炼炉按照目标成分冶炼高强度低密度钢；

（2）凝固铸造：将步骤（1）中得到的钢液注入模具中凝固，可采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭；

（3）热加工锻/轧：将步骤（2）中得到的铸坯或铸锭开坯后加热保温1~20h，保温温度为1050~1250℃，然后通过热锻或者热轧至目标形状，需保证锻造比≥ 1.5或轧制总压缩比≥50%，最终热变形温度≥900℃，之后冷却至室温；

（4）固溶处理：将步骤（3）中得到的热加工态钢在1100~1200℃的温度范围内固溶处理10min~6h，然后冷却至室温。

6.根据权利要求5所述的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，其特征在于：步骤（4）制得的固溶处理态钢进一步时效处理，进一步提高钢的强度，时效处理温度为400~600℃，时效处理时间为5min~3h。

7.根据权利要求5所述的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中冶炼完成的金属也进一步加工为粉体，并通过注塑成型工艺制备成电子产品用零部件，包括以下步骤：

（1）制粉和烧结：将冶炼完成的金属在惰性气氛下气雾化制粉或通过等离子旋转电极的方法获得粉体，将所获粉体根据器件形状布粉、振实和成型后，在保护性气氛下加热至1100~1400℃的温度范围内烧结5min~5h；

（2）热处理工艺：在上述粉体固化成型和烧结完成后，将烧结件加热至1100~1200℃的温度范围内固溶处理10min~6h，然后冷却至室温。

8.根据权利要求7所述的一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢的制备方法，其特征在于：步骤（2）制得的固溶处理态钢进一步时效处理，进一步提高钢的强度，时效处理温度为400~600℃，时效处理时间为5min~3h。