CN103317125A

CN103317125A - 通过控制凝固过程制备亚稳相工程材料的方法

Info

Publication number: CN103317125A
Application number: CN2013102527058A
Authority: CN
Inventors: 宋长江; 卢威; 杨洋; 谢柯; 赵仕超; 翟启杰
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-24
Also published as: CN103317125B

Abstract

本发明涉及一种通过控制凝固过程来制备亚稳相工程材料的方法，原材料是质量比为铁79.9%-98%，锰2.0%-18.0%，碳0%-2.1%的合金，各组分质量之和100%，实验包括以下步骤：将1-2mm粒径的铁锰碳块状原材料混合加入真空喷铸***中，经过感应电流加热到1400℃-1600℃，熔融成液体，冲氩气形成合适的压力差，将熔融液体喷入1-4mm尺寸腔体的铜模组合中以获得不同的冷却速度，形成厚度为1-4mm的薄板，经拉伸测试抗拉强度798.88MPa-923.60MPa，延伸率为16.82%-61.26%，强度积可达到56GPa%。该方法不需要进行热处理直接在凝固过程中析出的亚稳相和亚稳态组织，获得高性能的亚稳相工程材料，节省资源，防止能源的过多浪费，减轻环境污染。

Description

通过控制凝固过程制备亚稳相工程材料的方法

技术领域

本发明属于快速及亚快速凝固技术领域，涉及一种制备高性能亚稳相工程材料的方法。

背景技术

金属材料应用范围广大，其发展与人民生活、国民经济、国防建设密切相关，并具有举足轻重的地位，并且随着社会的发展需求量也愈来愈多，目前世界每年消耗的金属达到数十亿吨，在生产过程中，由于存在着能耗、排放和污染等问题与人类生存环境和可持续发展相违背的矛盾。因此，需要开发出更加先进的材料生产技术，在提高金属性能的同时减少能源的消耗和环境污染等，满足社会发展的需要。对金属工程材料而言，通过亚稳相（如马氏体、贝氏体等）的析出和亚稳相析出行为的控制是提高性能的重要方法，已经成为材料领域的重要研究方向和发展趋势。

为了获得亚稳相或者实现对亚稳相析出的调控，目前大多金属工程材料都是在固态条件下通过热处理或者形变工艺进行的，毫无疑问这些方法在提高金属材料性能方面取得了巨大的成就。但是这些亚稳相的形成和调控是在金属材料凝固后，经过再次的加热和轧制变形处理进行的，在提高材料性能的同时也增加了能源消耗和环境负荷，更重要的是在材料制备的初始凝固过程中可以控制获得的亚稳相及亚稳组织的方法以及这些亚稳相及亚稳组织在提高材料性能中的作用也被忽视了。

几乎所有的金属制品在其生产过程中都要经历一次或多次的凝固过程，如果通过控制凝固过程直接从液相获取亚稳相，既可以简化热处理工序，节约能源，减少污染并且提高生产效率，也有可能获得固态条件不能获得的亚稳相，从而大大提高材料性能。快速及亚快速凝固技术具有细化凝固组织、形成亚稳相或结构、扩大固溶极限和减少偏析等特点，因此通过控制快速及亚快速凝固过程控制亚稳相及亚稳组织的析出是开发亚稳新材料或者改善传统材料的重要技术选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过控制凝固过程制备高性能亚稳相工程材料，解决了现有技术中存在的问题。通过控制冷却速度和材料成分等凝固过程，直接从液相析出亚稳相，形成亚稳组织，直接获得高性能的工程材料。可以简化热处理工序，节约能源，减少污染并且提高生产效率，而且有可能获得固态条件不能获得的亚稳相，从而大大提高材料性能，成分容易控制，得到的材料性能优异。

本发明所采用的具体实施的技术方案是，材料质量比为铁79.9%-98%，锰2.0%-18.0%，碳0%-2.1%，各组分质量之和100%，放入真空喷铸***中，制作薄板，薄板厚度为1.0mm-4.0mm，对应不同的冷却速率，控制得到有利于力学性能的亚稳相及亚稳组织，该方法包括以下步骤：

A. 按质量比取铁79.9%-98%，锰2.0%-18.0%，碳0%-2.1%，总共质量100%，最大质量不超过10g，颗粒直径约1-2mm左右，混合均匀放入石英管内。

B. 石英管内的金属在感应电流作用下熔化成液体，温度到1400℃-1600℃，感应线圈通入循环水冷却，熔化到合适粘度。

C. 通过石英管头部管道冲氩气，调节到合适的压力差，把熔化掉的金属液体注入铜模。

D. 铜模放在真空腔体的支撑台上，分为两半，通过不同的模具组合获得不同厚度的合金薄板。

E. 合金薄板厚度1.0-4.0mm，从而获得不同冷却速度。

F. 使用TEM分析薄板的组织相，通过拉伸测试检测力学性能。得到抗拉强度798.88MPa-923.60MPa，延伸率为16.82%-61.26%，强度积可达到56GPa%的1-4mm厚度的薄板。

该方法是材料在快速及亚快速凝固下直接得到α’-马氏体和ε-马氏体等亚稳相和亚稳组织，来获得超高性能的亚稳相材料，无需后续热处理。

本发明成功制备了高性能亚稳相工程材料，该方法操作简单，不需要后续热轧热处理等，可直接获得提高材料性能的亚稳相及亚稳组织，节省资源的利用，减少能源的浪费。

附图说明

图1为Fe-11Mn-0.1C，2.0mm薄板拉伸应力应变曲线。

图2为 Fe-18Mn-0.5C，2.0mm薄板拉伸应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

实施例一

具体步骤如下：

A．按质量取铁88.9%，锰11.0%，碳0.1%，总质量10g，颗粒直径1-2mm，混合均匀放入真空喷铸***的石英管中。

B．石英管内的金属在感应电流作用下熔化成液体，温度到1500℃，感应线圈通入循环水冷却，熔化到合适粘度。

C．通过石英管头部管道冲氩气，调节到合适的压力差，把熔化掉的金属液体注入铜模。

D．铜模放在真空腔体的支撑台上，分为两半，选择距离2.0mm距离的铜模组合。

E．得到2.0mm厚度冷却速度的薄板。

F．用TEM分析薄板的结构，组织中含有α-马氏体和ε -马氏体，拉伸性能如图1所示。

实施例二

具体步骤如下：

A．按质量取铁81.5%，锰18.0%，碳0.5%，总质量10g，颗粒直径约1-2mm，混合均匀放入真空喷铸***的石英管中

B．石英管内的金属在感应电流作用下熔化成液体，温度到1500℃，感应线圈通入循环水冷却，熔化到合适粘度

C．通过石英管头部管道冲氩气，调节到合适的压力差，把熔化掉的金属液体注入铜模

D．模放在真空腔体的支撑台上，分为两半，选择距离2.0mm距离的铜模组合

E．得到2.0mm厚度冷却速度的薄板

F．用TEM分析薄板的结构组织，显微组织为ε-马氏体，并且马氏体中间有少量层错，如图2所示为合金拉伸的力学性能。

Claims

1.通过控制凝固过程来制备亚稳相工程材料的方法，特征在于在材料凝固过程中控制冷却速度、温度梯度、材料的形状体积、加热温度和拉速影响因素，控制材料凝固所得到的亚稳相及组织，该方法包括以下操作步骤：

A.以铁锰碳为原材料制备三元合金，质量比为铁79.9%-98%，锰2.0%-18.0%，碳0%-2.1%，各组分质量之和100%；

B.将原材料以颗粒状加入真空喷铸***的石英管中，颗粒大小为1-2mm，总质量为10g；

C.使用感应电流加热至1400℃-1600℃，熔融至合适粘度；

D.通过石英管头部管道冲氩气，调节到合适的压力差，把熔化掉的金属液体注入铜模，腔体尺寸为1-4mm，从而获得不同的冷却速率；

E.得到抗拉强度798.88MPa-923.60MPa，延伸率为16.82%-61.26%，强度积可达到56GPa%的1-4mm厚度的薄板。

2.根据权利要求1所述的通过控制凝固过程来制备亚稳相工程材料的方法，其特征在于材料在快速及亚快速凝固下直接得到α’-马氏体和ε-马氏体等亚稳相和亚稳组织，来获得超高性能的亚稳相材料，无需后续热处理。