本發(fā)明涉及一種Fe-Mn-Al-C系低密度鋼及其制備方法,屬于金屬材料類及冶金領(lǐng)域。
背景技術(shù):
:近年來,隨著我國經(jīng)濟和科技的進步,人民生活水平顯著提高,汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代人的生活必需品之一,融入到人們生活的各個方面。我國汽車保有量與日俱增,促使了汽車工業(yè)快速發(fā)展和汽車市場的空前繁榮,然而汽車尾氣排放的一氧化碳、一氧化氮、碳?xì)浠衔?、光化學(xué)煙霧等污染物導(dǎo)致大氣中PM2.5嚴(yán)超標(biāo),嚴(yán)重影響空氣環(huán)境質(zhì)量,霧霾問題日益嚴(yán)重并直接危害市民身體健康??茖W(xué)研究表明,一輛汽車的自重每減少10%,其燃油消耗可以減少6%至8%,尾氣排放可降低5%至6%;而每減少1L的燃油消耗,會少排放2.45Kg的二氧化碳,可以有力地減少汽車尾氣對環(huán)境的污染。為了應(yīng)對日益嚴(yán)重的能源危機和環(huán)境污染問題,汽車輕量化已經(jīng)是大勢所趨。經(jīng)科學(xué)研究表明,鋼材的密度僅需降低10%就可以保持甚至顯著提高其在汽車工業(yè)中應(yīng)用的優(yōu)越性和競爭力。從材料選擇的角度出發(fā),現(xiàn)代汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢主要是以輕量、節(jié)能、安全與耐蝕為主。汽車輕量化材料主要有兩類:一類是鋁合金、鈦合金、鎂合金、塑料、碳纖維等以鋁合金為主的輕質(zhì)材料,此類材料雖然具有很好的減重潛力,但其成本高、成型工藝復(fù)雜、焊接性能差、碰撞吸收能低及鋁元素自身特性等諸多因素限制了其研發(fā)與市場推廣,目前鋁合金主要是以鍛件或者鑄件的形式應(yīng)用于汽車發(fā)動機、變速器等汽車零部件以及豪華車和特種車輛的車身制造中;另一類汽車輕量化材料是輕質(zhì)鋼(又稱為低密度鋼),降低鋼的密度并且提高其比強度,可以有效實現(xiàn)汽車輕量化。此外輕質(zhì)鋼還具有高強度、高延展性和優(yōu)良抗腐蝕性能等優(yōu)點。在已有的研究成果中,CN103820735A公布了一種超高強度C-Al-Mn-Si系低密度鋼及其制備方法,該方法需要將鑄鋼經(jīng)過軋制或鍛造后獲得高抗拉強度,其成型工藝復(fù)雜,并且制造成本昂貴。CN104928569A公布了一種800MPa級高延展性的低密度鋼及其制造方法,該方法采用連續(xù)退火工藝制備了一種抗拉強度>800MPa,延伸率>25%的鋼板,但其密度降低效果較低,影響輕質(zhì)鋼的使用。CN104220609A公布了一種高強度無晶隙低密度鋼,該方法所制備的無晶隙鋼密度較高且抗拉強度較低。通過以上分析可見,需要發(fā)明一種生產(chǎn)工藝簡單、減重效果明顯且力學(xué)性能良好的輕質(zhì)鋼。Fe-Mn-Al-C系低密度鋼是通過向鋼中加入C、Al、Mn、Si等輕量化元素來降低鋼的密度。有研究表明,每添加1%的Al,鋼的密度下降0.101g/cm3,可減重約1.3%;每添加1%的C,鋼的密度下降0.41g/cm3,可減重約5.2%;同時,鋼中每添加1%的Mn含量也可使其密度下降0.0085g/cm3,取得0.1%的減重效果。本發(fā)明對C、Al、Mn、Si主要輕量化元素進行合理化設(shè)計,在保證鑄鋼低密度的同時又能保持其高強度。技術(shù)實現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的為針對上述已有技術(shù)存在的不足,提供一種良好低密度和高強度相配合的低密度鋼及其制造方法。本發(fā)明的新型Fe-Mn-Al-C系低密度鋼,通過添加較高含量的Si,有效降低了鋼的密度并且增加了鋼的硬度和強度,通過Si、Al、Mn輕量化元素的合理配合,最終使其抗拉強度>850MPa,密度<7.0g/cm3,適用于制造車輛、飛機等交通工具的大型結(jié)構(gòu)件以減輕其自重。本發(fā)采用合理的加料順序,在中頻感應(yīng)電爐在大氣條件下熔煉,較真空熔煉操作更加簡單、節(jié)約成本,符合國家節(jié)能減排的環(huán)保理念。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種高強度Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼,其化學(xué)質(zhì)量百分為:0.05~0.35%的C、2.0~10.0%的Si、5.0~25.0%的Mn、3.0~12.0%的Al、0.1~0.8%的Cr、0.1~0.5%的Mo、0.1~1.2%的Ni、0.01~0.8%的V、0.01~0.08%的Nb、0.6~1.0%的Ti、0.01~0.5%的Re、S≤0.01%、P≤0.02%,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì),并且還需同時滿足如下關(guān)系:11%≤Si+Al≤20%、2C≤Nb+V+Ti≤3C。所述的Re為Ce和La,其中,Ce元素占Re元素的質(zhì)量百分比為30~40%。所述的Re的質(zhì)量百分比含量優(yōu)選為0.2~0.3%。所述的高強度Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼的制備方法,包括以下步驟:1)配料:以高純生鐵棒、錳鐵塊、鉻鐵塊、硅鐵塊、鉬鐵塊、鈦鐵塊、釩鐵塊、鎳板、鈮鐵塊、純鋁錠、增碳劑、稀土為原料,按照所述的Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼所需進行配料;2)造型:采用水玻璃砂造型,用吹二氧化碳的方法硬化砂型,然后在砂型內(nèi)壁涂刷涂料,烘干,等待澆注;3)熔煉:常壓1500℃~1550℃下,在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)對物料進行熔煉,得到合金鋼液體;4)澆注:再次提高功率將溫度升到1600~1640℃后出鋼;脫氧、除渣后將合金溶液澆注到砂型中,空冷獲得鑄件;5)熱處理:鑄件的熱處理在熱處理爐內(nèi)進行,先進行正火處理,正火溫度為850~1200℃,保溫1~3小時,空冷;然后在4小時內(nèi)進行固溶處理,固溶溫度為800~1250℃,保溫20min~3.5小時,采用水作為淬火介質(zhì),淬火介質(zhì)溫度25~40℃;淬火后1小時內(nèi)進行時效處理,時效溫度為300~500℃,保溫1~8小時,空冷,最后得到高強度Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼。所述的增碳劑具體為人造石墨、天然石墨、焦炭或無煙煤。上述Fe-Mn-Al-C系低密度鋼的制備方法,所用的原材料和設(shè)備均通過公知的途徑獲得,所用的操作工藝是本
技術(shù)領(lǐng)域:
的技術(shù)人員所掌握的。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明方法的突出的實質(zhì)性特點如下:(1)本發(fā)明熱處理工藝簡單,無壓力加工,原材料來源廣泛,降低低密度高強鋼的生產(chǎn)成本。(2)本發(fā)明的低密度高強鋼的抗拉強度>820MPa,密度<7.0g/cm3,具有良好的強度和密度配合。(3)本發(fā)明的低碳低合金高強度鋼采用中頻感應(yīng)爐熔煉,在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用性很強,生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源,有利于環(huán)境的保護。(4)本發(fā)明的Fe-Mn-Al-C系低密度鋼可應(yīng)用在汽車、航空航天、建筑等重要領(lǐng)域,具有良好的應(yīng)用前景,并且符合國家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略。(5)本發(fā)明的Fe-Mn-Al-C系低密度鋼基體組織為奧氏體,同時含有少量的鐵素體和碳化物。在拉伸變形過程中,發(fā)生形變誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變,增加鋼的加工硬化率,在獲得高強度的同時使鋼具有高的塑韌性。(6)本發(fā)明的Fe-Mn-Al-C系低密度鋼具有良好的抗腐蝕性能,使其能夠更廣泛使用。附圖說明下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1為本發(fā)明熱處理工藝曲線示意圖。圖2為本發(fā)明實施例1固溶處理后的Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼的典型顯微組織200倍金相照片;圖3為本發(fā)明實施例1固溶處理后的Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼的典型顯微組織500倍金相照片。具體實施方式下面用具體實施方式對本發(fā)明(的技術(shù)方案)做進一步說明,以下實施例均在本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施,給出了詳細(xì)的實施方案和具體的操作過程,但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例一第一步,配料按目標(biāo)成分C:0.32%、Si:3.05%、Mn:15.00%、Al:8.10%、Cr:0.33%、Ni:0.25%、Mo:0.25%、Nb:0.03%、V:0.12%、Ti:0.83%、La:0.14%、Ce:0.07%、S≤0.01%、P≤0.02%的質(zhì)量百分比及表1爐料材質(zhì)單、表2各元素收得率計算各物料的質(zhì)量。高純鐵、硅鐵、錳鐵、鋁錠等大塊爐料采用100Kg電子稱稱量,增碳劑、鈮鐵、釩鐵、鈦鐵、稀土等量少的爐料采用200g電子稱稱量,各爐料稱量前用砂輪打磨,去掉其表面氧化皮,每爐配料75Kg。表1元素MnCrSiMoTiVNiNbAlRe增碳劑收得率95-10095-9895-9895-10050-6595-9810095-10090-9530-4095-98表2第二步:造型采用水玻璃砂造型,每個砂型可澆注25Kg。將砂子干混2~3分鐘,加水玻璃濕混5~10分鐘后造型,然后通入二氧化碳將其硬化。造型用原材料如表3所示,水玻璃砂配比如表4所示。材料名稱性能參數(shù)天然石英砂SiO2含量>92%,含泥量≤2%,粒度40/70目水玻璃模數(shù)M=2.0~2.5表3材料名稱天然石英砂水水玻璃1006.5表4第三步:熔煉所采用的中頻感應(yīng)電爐為鎂砂堿性爐襯,最大可熔煉質(zhì)量為100Kg,在大氣條件下熔煉。將高純鐵、鎳板、鉻鐵、增碳劑(為人造石墨,其顆粒度為0~5mm,水分≤0.3,揮發(fā)分≤1.0,灰分≤1.0)作為隨爐料一起加入;鉬鐵、錳鐵在稀薄渣情況下加入;鈮鐵在出鋼前20~30min內(nèi)加入;釩鐵、硅鐵在出鋼前l(fā)0~20min加入;稀土、鈦鐵在出鋼前5~15min加入;鋁錠在出鋼前8~15min扒出適量的還原渣并補造新渣后加入。在熔料的過程中間隔20min進行一次搗料。當(dāng)鋼水熔煉4/5,溫度達1500℃~1550℃時扒出爐渣,取樣送化驗后立即造新渣。根據(jù)化驗報告單,補加合金元素。鋼水全部熔化后將功率提高,在溶劑覆蓋的狀態(tài)下精煉3~5分鐘。對鋼水進行預(yù)脫氧,預(yù)脫氧用Al量為鋼水的0.05~0.08%。第四步:澆注待爐料全部熔化且通過光譜分析成分合格,將爐溫升到1600~1640℃后出鋼,將澆包抬到熔煉爐前,將鋁線作為脫氧劑加入澆包內(nèi),對準(zhǔn)爐咀接滿澆包4/5鋼水后投入除渣劑。將鋼水抬到澆注臺,在1~3min內(nèi)扒出除渣劑和鋼渣,對準(zhǔn)砂型澆口,包咀與澆口的距離垂直保持在100~150mm之間依次澆注到事先制好的砂型中,令其自然空冷至室溫。第五步:熱處理正火處理:對得到的鑄態(tài)低密度鋼進行正火處理,待爐溫升到1100℃后將鑄件放入,保溫1小時后取出,空冷至室溫。鑄件在正火后4小時內(nèi)固溶處理:待爐溫升至900℃后將鑄件放入,保溫1.5小時后取出,迅速投入水槽中,慢慢攪動,使鑄件快速冷卻,水溫35℃。最后在350℃熱處理爐中時效保溫2.5小時,空冷至室溫,得到組成如表5中實施例1所示的高強度Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼。圖2,3為本實施例得到的高強度Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼的典型組織的照片。如圖2,3所示,鑄鋼的基體組織為均勻等軸奧氏體,含有少量的鐵素體并且晶界及晶內(nèi)析出有點狀分布的碳化物。固溶處理水淬會使碳化物以細(xì)小的顆粒從過飽和的奧氏體基體中彌散析出,彌散分布的碳化物有助于提高奧氏體的強度。細(xì)小均勻的奧氏體基體組織,在形變時有助于防止裂紋的生成和擴展,增強了鋼的塑性和韌性。取上面得到的高強度Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼,經(jīng)打磨拋光后在4%的硝酸酒精中腐蝕,其表面經(jīng)過180s后才能見其表面腐蝕痕跡。相同條件下,取低碳低合金高強度鋼,在20~30s其表面就能被腐蝕。由此說明,本發(fā)明的高強度Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼具有耐腐蝕的性能,在一些條件下可代替Cr、Ni不銹鋼使用。實施例二按目標(biāo)成分C:0.35%、Si:2.05%、Mn:11.10%、Al:9.15%、Cr:0.30%、Ni:0.25%、Mo:0.20%、Nb:0.05%、V:0.10%、Ti:0.88%、La:0.14%、Ce:0.08%、S≤0.01%、P≤0.02%的質(zhì)量百分比及表1爐料材質(zhì)單,表2各元素收得率計算各物料的質(zhì)量。配料、造型、熔煉、澆注方法如實施例一所示,不同之處為:鑄件在1100℃正火保溫1小時,空冷至室溫,然后在900℃固溶保溫20分鐘,水冷至室溫。最后在350℃時效2小時,空冷至室溫,得到組成如表5中實施例2成分低密度鑄鋼。實施例三按目標(biāo)成分C:0.35%、Si:5.05%、Mn:13.10%、Al:9.12%、Cr:0.30%、Ni:0.23%、Mo:0.25%、Nb:0.05%、V:0.13%、Ti:0.88%、La:0.17%、Ce:0.09%、S≤0.01%、P≤0.02%的質(zhì)量百分比及表1爐料材質(zhì)單,表2各元素收得率計算各物料的質(zhì)量。配料、造型、熔煉、澆注方法如實施例一所示,不同之處為:鑄件在1100℃正火保溫1小時,空冷至室溫,然后在900℃固溶保溫30分鐘,水冷至室溫。最后在450℃時效3小時,空冷至室溫,得到組成如表5中實施例3成分低密度鑄鋼。實施例四按目標(biāo)成分C:0.34%、Si:8.15%、Mn:15.05%、Al:12.00%、Cr:0.35%、Ni:0.25%、Mo:0.23%、Nb:0.01%、V:0.15%、Ti:0.85%、La:0.12%、Ce:0.08%、S≤0.01%、P≤0.02%的質(zhì)量百分比及表1爐料材質(zhì)單,表2各元素收得率計算各物料的質(zhì)量。配料、造型、熔煉、澆注方法如實施例一所示,不同之處為:鑄件在1100℃正火保溫1小時,空冷至室溫,然在900℃固溶保溫50分鐘,水冷至室溫。最后在320℃時效2.5小時,空冷至室溫,得到組成如表5中實施例4成分低密度鑄鋼。實施例五按目標(biāo)成分C:0.35%、Si:8.00%、Mn:13.15%、Al:6.10%、Cr:0.35%、Ni:0.20%、Mo:0.25%、Nb:0.05%、V:0.12%、Ti:0.80%、La:0.15%、Ce:0.08、S≤0.01%、P≤0.02%的質(zhì)量百分比及表1爐料材質(zhì)單,表2各元素收得率計算各物料的質(zhì)量。配料、造型、熔煉、澆注方法如實施例一所示,不同之處為:鑄件在1100℃正火保溫1小時,空冷至室溫,然在900℃固溶保溫80分鐘,水冷至室溫。最后在350℃時效2.5小時,空冷至室溫,得到組成如表5中實施例5成分低密度鑄鋼。實施例六按目標(biāo)成分C:0.35%、Si:2.05%、Mn:15.15%、Al:9.25%、Cr:0.25%、Ni:0.26%、Mo:0.25%、Nb:0.06%、V:0.08%、Ti:0.85%、La:0.18%、Ce:0.10%、S≤0.01%、P≤0.02%的質(zhì)量百分比及表1爐料材質(zhì)單,表2各元素收得率計算各物料的質(zhì)量。配料、造型、熔煉、澆注方法如實施例一所示,不同之處為:鑄件在1100℃正火保溫1小時,空冷至室溫,然在900℃固溶保溫120分鐘,水冷至室溫。最后在300℃時效1.5小時,空冷至室溫,得到組成如表5中實施例6成分低密度鑄鋼。表5為以上各實施例中熔煉最終所得的Fe-Mn-Al-C系低密度鑄鋼的化學(xué)成分重量百分比(其余為Fe和雜質(zhì))表5通過萬能拉伸試驗機參考GB/T228.1-2010國家標(biāo)準(zhǔn)做成直徑為5mm的拉伸試棒,測定各實施例試樣的力學(xué)性能;利用洛氏硬度計參考GB/T230.2-2012國家標(biāo)準(zhǔn)測定各實施例試樣的硬度;利用精密天平測定各實施例試樣的密度。其硬度、抗拉強度、密度如表6所示。表6從表6可以看出,本發(fā)明研發(fā)的Fe-Mn-Al-C系低密度鋼密度最低可降低到6.19g/cm3,相比一般鑄鋼密度降低了20.64%,且抗拉強度達到937MPa,具有較好的強度和密度的匹配。經(jīng)過大量的分析和實驗,本發(fā)明得到了合理配比、性能優(yōu)異的Fe-Mn-Al-C系低密度鋼。所述組成的意義如下:本發(fā)明C含量設(shè)計為0.05~0.35%。鋼中含C量增加,屈服點和抗拉強度升高,但塑性和沖擊性能降低,采用C≤0.35%,可以保證鋼的塑韌性。C是重要的固溶強化元素,促進奧氏體生成。C在鋼中與Mn和Al元素形成碳化物(Fe,Mn)3AlC或(Fe,Mn)3C,能夠改變鋼的組成相。本發(fā)明Al的含量設(shè)計為2~12%。固溶Al原子會引起Fe基體點陣擴張,每添加1%的Al,鋼的密度下降0.101g/cm3,可減重約1.3%。添加合金元素Al能降低鋼的平均摩爾質(zhì)量和增加鋼的摩爾體積,從而降低鋼的密度。室溫下,Al在純Fe中有較高固溶度(9%),在C和Mn等其他元素存在時,其固溶度可進一步增加。Al往往成為輕質(zhì)鋼的主要合金元素。本發(fā)明Al與Si元素的合理配合,使鑄鋼的密度有效降低20.64%。本發(fā)明Mn的含量設(shè)計為5~25%。Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑,一般鋼中含錳0.30~0.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”,較一般鋼不但有足夠的韌性,且有較高的強度和硬度;Mn具有資源豐富、效能多樣的特點,獲得了廣泛的應(yīng)用;在高碳高錳耐磨鋼中,Mn含量可達10~14%,經(jīng)固溶處理后有良好的韌性,當(dāng)受到?jīng)_擊變形時,表面層將因變形而強化,具有高的耐磨性;Mn固溶于奧氏體中,擴大奧氏體區(qū),(α+γ)區(qū)下移,當(dāng)Mn含量超過12%時,鋼在室溫時形成單一奧氏體組織。本發(fā)明Mn含量的設(shè)計保證鋼得到奧氏體基體組織的同時提高了其強度和硬度。本發(fā)明Si的含量設(shè)計為2~10%。Si能顯著提高鋼的彈性極限,屈服點和抗拉強度,廣泛應(yīng)用于彈簧鋼。硅能溶于奧氏體中,提高鋼的硬度和強度,其作用僅次于磷,較錳、鎳、鉻、鎢、鉬和釩等元素強。合理的Si含量,可以保證鋼的強度同時,有效降低其密度。本發(fā)明Cr的含量設(shè)計為0.1~0.8%。Cr在鋼中的主要作用是提高淬透性,能夠使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能;Cr能提高鋼的強度和硬度,當(dāng)有其他合金元素加入時,效果較顯著。本發(fā)明Ni的含量設(shè)計為0.1~1.2%。Ni既能提高鋼的強度又能保持良好的塑性和韌性。據(jù)統(tǒng)計,每增加1%的Ni可提高強度約29.41Pa。但由于Ni是較稀缺的資源,所以應(yīng)盡量減少Ni的添加量。本發(fā)明Mo的含量設(shè)計為0.1~0.5%。Mo能使鋼的晶粒細(xì)化,提高淬透性和熱強性能。Mo與Cr、Mn并存時可以降低或抑制因其他元素所導(dǎo)致的回火脆性,Mo元素含量過高會增加生產(chǎn)成本,所以應(yīng)盡量減少Mo的添加量。本發(fā)明Nb的含量設(shè)計為0.01~0.08%。Nb可以在不影響鋼的塑性或韌性的情況下提高其強度。Nb有細(xì)化晶粒的作用,并且能提高鋼的沖擊韌性并降低其脆性轉(zhuǎn)變溫度。Nb資源在我國較為豐富,但在世界范圍內(nèi)儲量很少,且有其他重要用途,合金成分設(shè)計應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟合理的原則,盡量減少Nb元素的含量。本發(fā)明V的含量設(shè)計為0.01~0.80%。V是鋼的優(yōu)良脫氧劑,可提高鋼的強度和韌性。V和C、N、O有極強的親合力,與之形成相應(yīng)的穩(wěn)定化合物。V在鋼中主要以碳化物的形態(tài)存在,其主要作用是細(xì)化鋼的組織和晶粒。本發(fā)明Re的含量設(shè)計為0.01~0.50%。稀土元素能提高鋼的塑韌性,特別是在鑄鋼中尤為顯著;稀土元素也可以提高鋼的抗氧化性和耐蝕性,其抗氧化性效果超過Si、Al、Ti等元素;稀土元素能改善鋼的流動性,減少非金屬夾雜,使鋼組織致密、純凈;稀土元素在鐵中的溶解度很低,不超過0.5%;稀土元素價格昂貴會增加生產(chǎn)成本,應(yīng)盡量減少稀土元素的含量。本發(fā)明Si+Al的含量設(shè)計為11~20%。雖然加入Si、Al元素可以有效降低鋼的密度達到輕質(zhì)的效果,但并不是含量越多越好,Si+Al含量一定要在合理范圍內(nèi)。Al是鐵素體強穩(wěn)定化元素,Si在鋼中溶于鐵素體內(nèi)會增加鋼的強度和硬度。添加Al元素使鋼產(chǎn)生鐵素體相,Si的添加增強了鐵素體的力學(xué)性能,兩者相輔相成得到了性能優(yōu)良的輕質(zhì)鑄鋼。本發(fā)明Nb、V、Ti的總含量設(shè)計為2C≤Nb+V+Ti≤3C。V與C形成VC,當(dāng)固溶溫度高于AC3且保溫較長時間時,VC轉(zhuǎn)入固溶體使鋼的硬度提高。Nb與C形成NbC、Nb2C,Ti與C形成TiC,這些分散的碳化物質(zhì)點可細(xì)化晶粒,提高鋼的塑韌性。Nb、V、Ti總含量和C含量合理配合,顯著增強了鋼的力學(xué)性能。本發(fā)明未盡事宜為公知技術(shù)。當(dāng)前第1頁1 2 3