CN116676533A - 一种Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu奥氏体钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Fe‑Mn‑Al‑C‑Mo‑Ni‑Cu奥氏体钢及其制备方法，涉及轻质钢技术领域。本发明的Fe‑Mn‑Al‑C‑Mo‑Ni‑Cu奥氏体钢化学成分按质量百分比计，包括：C 1.00～1.10％、Mn 27.00～28.00％、Al 7.00～7.50％、Mo 0.5～0.8％、Ni 5.00～5.50％、Cu 1.00～1.30％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明Fe‑Mn‑Al‑C系钢由奥氏体基体和弥散分布于基体中的金属间化合物组成，力学性能优异，同时具有制备工艺简单的特点，易于工业化推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及轻质钢技术领域，特别是涉及一种Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu奥氏体钢及其制备方法。
背景技术
众所周知，钢中添加Al元素会降低其密度，通过合理的成分及工艺设计，还可提高其性能。因此，Fe-Mn-Al-C钢较低的密度和优异的综合力学性能已成为学者们关注最多的节能减排结构材料之一，其在汽车领域的需求量仍持续增大。
在不同类型的Fe-Mn-Al-C轻质钢中，Fe-Mn-Al-C奥氏体钢具有较高的强度和塑性，综合力学性能良好，是目前最具前景的钢种。研究学者也通过不同的合金化及制备方法开发了一系列性能优异的Fe-Mn-Al-C奥氏体钢。专利号CN202110253521.8，名称为“一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法”中提出利用轧制+时效来提高Fe-Mn-Al-C钢的强度。专利号CN202211379706.4，名称为“一种30GPa％级别钒微合金化轻质钢、其制备及其成分设计方法”提出利用微合金化及冷轧+退火来提高Fe-Mn-Al-C轻质钢的强度。专利号CN202210463971.4，名称为“一种冲击韧性高的高强奥氏体轻质钢及其制造方法”也提出利用控温轧制及淬火固溶来获得冲击韧性高的奥氏体轻质钢，但在实际生产过程中，控温轧制对操作人员及设备的要求较高，因此生产难度较大。专利号CN202210463966.3，名称为“一种弥散强化的超高强高塑轻质钢及其制造方法”提出了添加Mo、Ni、La元素，通过调控κ碳化物析出、改善高温铁素体δ的及优化加工工艺，获得了低磁、高强、高韧的Fe-Mn-Al-C奥氏体+铁素体双相钢。虽然该专利也指出通过析出强化来提高Fe-Mn-Al-C钢的性能，但组织中存在的高温铁素体会造成塑韧性的严重降低，限制了Fe-Mn-Al-C钢的应用场合，因此希望能够调控并减少该相的比例。
由于Fe-Mn-Al-C奥氏体钢中存在大量合金元素C、Al和Mn，因此固溶强化起着非常重要的作用。而因奥氏体基体中析出相对变形过程中位错滑移和排列的影响，沉淀强化成为了Fe-Mn-Al-C奥氏体钢最主要的强化机制之一，目前，κ碳化物是学者们研究最多的沉淀强化相。κ碳化物对Fe-Mn-Al-C奥氏体钢力学性能的影响主要与其形态大小及分布位置有关，细小的晶粒内κ碳化物能够明显提高材料的强度和硬度，而粗大的晶粒间κ碳化物则会引起材料塑性和韧性的降低，κ碳化物的形态和分布主要与钢中合金元素及处理工艺有关。因此，为了实现沉淀强化，需要严格控制Fe-Mn-Al-C奥氏体钢中的合金元素含量及热处理工艺参数，这在一定程度上影响了Fe-Mn-Al-C奥氏体钢的研发与生产。
因此，开发性能好、生产工艺简单的Fe-Mn-Al-C系奥氏体钢成为了当前研究工作的重中之重。
发明内容
本发明的目的是提供一种Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu奥氏体钢及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，在简单制备工艺的基础上获得性能优异的Fe-Mn-Al-C奥氏体钢。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu奥氏体轻质钢，化学成分按质量百分比计包括：C 1.00～1.10％、Mn 27.00～28.00％、Al 7.00～7.50％、Mo 0.5-0.8％、Ni 5.00～5.50％、Cu 1.00～1.30％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供上述Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu奥氏体轻质钢的制备方法，包括以下步骤：
按照钢材组成成分设计要求投料、熔炼，浇筑成钢锭；将所述钢锭加热后锻造，得到锻材；对所述锻材进行固溶处理和时效处理，得到所述Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu奥氏体轻质钢。
作为本发明的进一步优选，所述加热的温度为1150℃，时间为3h。
作为本发明的进一步优选，所述锻造的终锻温度不低于850℃，优选为950℃。
作为本发明的进一步优选，所述固溶处理的温度为1050℃，时间为1h。
作为本发明的进一步优选，所述时效处理的温度为500～600℃，时间为5～20h。
作为本发明的进一步优选，所述固溶处理完成后，水冷至室温，之后进行所述时效处理；所述时效处理完成后，空冷至室温。
作为本发明的进一步优选，所述锻材为圆棒状。更优选的直径为40mm。
本发明经时效处理后的Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢组织由奥氏体基体和弥散分布于基体中的金属间化合物组成。所述金属间化合物的尺寸为0.5～7μm。
本发明公开了以下技术效果：
本发明Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu钢经时效后的组织由奥氏体基体和弥散分布于基体中的金属间化合物组成，生成的金属间化合物能够在Fe-Mn-Al-C钢中产生沉淀强化，同时抑制奥氏体晶粒的长大，产生细晶强化，从而提高Fe-Mn-Al-C钢的力学性能。
本发明具有制备工艺简单的特点，易于工业化推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢的SEM组织图；
图2为本发明实施例1制备的Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢析出相的TEM图像；其中(a)为析出相的TEM图，(b)为析出相的衍射斑点；
图3为本发明实施例2制备的Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢的SEM组织图；
图4为本发明实施例3制备的Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢的SEM组织图；
图5为本发明实施例4制备的Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢的SEM组织图；
图6为本发明实施例5制备的Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢的SEM组织图；
图7为本发明实施例6制备的Fe-Mn-Al-C轻质钢的SEM组织图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。本发明以下实施例中，钢锭一端直径为100mm，另一端直径为150mm，高400mm。
实施例1
使用真空感应电炉熔炼并浇注得到铸锭，铸锭的化学成分(wt.％)为：C 1.02、Mn27.61、Al 7.36、Mo 0.67、Ni 5.00、Cu 1.25，其余为Fe和不可避免的杂质。将铸锭加热至1150℃保温3h后锻造，终锻温度为950℃，最终锻造成直径约40mm的圆棒。将锻棒放入1050℃的热处理炉中保温1h后水冷至室温，然后在550℃保温5h后空冷至室温。
对时效后的钢材进行微观组织的观察及力学性能的测定，结果如图1-2及表1所示。
实施例1得到的钢材基体组织为单相奥氏体，平均晶粒尺寸为61.0±23.9μm，组织中存在尺寸为0.5～5μm的AlNi3析出相。
表1Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢的力学性能
实施例2
使用真空感应电炉熔炼并浇注得到铸锭，铸锭的化学成分(wt.％)为：C 1.02、Mn27.61、Al 7.36、Mo 0.67、Ni 5.00、Cu 1.25，其余为Fe和不可避免的杂质。将铸锭加热至1150℃保温3h后锻造，终锻温度为950℃，最终锻造成直径约40mm的圆棒。将锻棒放入1050℃的热处理炉中保温1h后水冷至室温，然后在550℃保温10h后空冷至室温。
对时效后的钢材进行微观组织的观察及力学性能的测定，结果如图3及表2所示。
实施例2得到的钢材基体组织为单相奥氏体，平均晶粒尺寸为53.3±22.2μm，组织中AlNi3析出相的尺寸在1～3μm。
表2Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢的力学性能
实施例3
使用真空感应电炉熔炼并浇注得到铸锭的化学成分(wt.％)为：C 1.02、Mn27.61、Al 7.36、Mo 0.67、Ni 5.00、Cu 1.25，其余为Fe和不可避免的杂质。将铸锭加热至1150℃保温3h后锻造，终锻温度为950℃，最终锻造成直径约40mm的圆棒。将锻棒放入1050℃的热处理炉中保温1h后水冷至室温，然后在550℃保温20h后空冷至室温。
对时效后的钢材进行微观组织的观察及力学性能的测定，结果如图4及表3所示。
实施例3得到的钢材基体组织为单相奥氏体，平均晶粒尺寸为61.9±27.2μm，组织中Al Ni3析出相的尺寸在1～7μm。
表3Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢的力学性能
实施例4
使用真空感应电炉熔炼并浇注得到铸锭，铸锭的化学成分(wt.％)为：C 1.05、Mn27.88、Al 7.33、Mo 0.65、Ni 5.31、Cu 1.25，其余为Fe和不可避免的杂质。将铸锭加热至1150℃保温3h后锻造，终锻温度为950℃，最终锻造成直径约40mm的圆棒。将锻棒放入1050℃的热处理炉中保温1h后水冷至室温，然后在500℃保温10h后空冷至室温。
对时效后的钢材进行微观组织的观察及力学性能的测定，结果如图5及表4所示。
实施例4得到的钢材基体组织为单相奥氏体，平均晶粒尺寸为60.2±19.9μm，组织中AlNi3析出相的尺寸在0.7～5μm。
表4Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢的力学性能
实施例5
使用真空感应电炉熔炼并浇注得到铸锭，铸锭的化学成分(wt.％)为：C 1.05、Mn27.88、Al 7.33、Mo 0.65、Ni 5.31、Cu 1.25，其余为Fe和不可避免的杂质。将铸锭加热至1150℃保温3h后锻造，终锻温度为950℃，最终锻造成直径约40mm的圆棒。将锻棒放入1050℃的热处理炉中保温1h后水冷至室温，然后在600℃保温5h后空冷至室温。
对时效后的钢材进行微观组织的观察及力学性能的测定，结果如图6及表5所示。
实施例5得到的钢材基体组织为单相奥氏体，平均晶粒尺寸为63.7±22.9μm，组织中AlNi3析出相的尺寸在1～7μm。
表5Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu轻质钢的力学性能
实施例6
使用真空感应电炉熔炼并浇注得到铸锭，铸锭的化学成分(wt.％)为：C 1.08、Mn27.25、Al 7.44，其余为Fe和不可避免的杂质。将铸锭加热至1150℃保温3h后锻造，终锻温度为950℃，最终锻造成直径约40mm的圆棒。将锻棒放入1050℃的热处理炉中保温1h后水冷至室温，然后在500℃保温5h后空冷至室温。
对时效后的钢材进行微观组织的观察及力学性能的测定，结果如图7及表6所示。
实施例6得到的钢材基体组织为单相奥氏体，平均晶粒尺寸为124.8±62.4μm，组织中未存在析出相。
表6Fe-Mn-Al-C轻质钢的力学性能
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu奥氏体轻质钢，其特征在于，化学成分按质量百分比计包括：C 1.00～1.10％、Mn 27.00～28.00％、Al 7.00～7.50％、Mo 0.5-0.8％、Ni 5.00～5.50％、Cu1.00～1.30％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu奥氏体轻质钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照钢材组成成分设计要求投料、熔炼，浇铸成钢锭；将所述钢锭加热后锻造，得到锻材；对所述锻材进行固溶处理和时效处理，得到所述Fe-Mn-Al-C-Mo-Ni-Cu奥氏体轻质钢。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述加热的温度为1150℃，时间为3h。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述锻造的终锻温度不低于850℃。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为1050℃，时间为1h。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度为500～600℃，时间为5～20h。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理完成后，水冷至室温，之后进行所述时效处理；所述时效处理完成后，空冷至室温。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述锻材为圆棒状。
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2023
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Patent Citations (6)
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