一种含铜纳米相强化中锰钢及其制备方法技术

本发明专利技术提供的是一种含铜纳米相强化中锰钢及其制备方法。化学成分和质量百分比含量为：Mn：6～14％、Cu：0.5～4％、Ni：2～8％、Al：0.1～1.5％、Mo：1.0～1.5％、Nb：0.04～0.1％、Ti：0.03～0.1％、W：0.8～1.5％、C：0.02‑0.08％、Si：0.4～1.0％，余量为铁和不可避免的杂质元素。本发明专利技术通过在铁素体中形成合理数量和尺寸配比的纳米相来强化合金，并且形成残余奥氏体来提供良好塑性。创新性开发了强度高于1400MPa级且强塑积高于30GPa％的中锰钢。本发明专利技术钢强塑积高，工艺可控性强，符合第三代汽车用钢设计要求，且容易实现工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种含铜纳米相强化中锰钢及其制备方法
本专利技术涉及的是一种金属材料及其制备方法，具体地说是一种中锰钢及其制备方法。
技术介绍
面对当前日益严峻的资源、能源与环境问题，汽车行业发展趋向于轻量化、燃油经济性、减少排放和提高安全性。因此，这就要求汽车用钢在减少板厚的同时提高强塑性，具有优良的综合性能。超高强度可以保证在减少板厚的同时依然拥有较高的强度，而良好塑性则保证了汽车用钢良好成型性能和安全性能。目前，传统的汽车用钢为IF钢、DP钢、QP钢和TRIP钢等，这些钢强塑积较低，无法得到塑性和较高强度的良好匹配。而TWIP钢和奥氏体不锈钢虽然其强塑积达到50～70GPa％,但是其合金元素含量较高，成本较高，且其冶炼工艺性能较差，控制难度也较大。公开号为CN104694816A的专利文件中介绍了一种强塑积大于30GPa％的高Al中锰钢的制备方法。其添加大量的Al元素并控制热机械工艺来获得铁素体和奥氏体的双相高Al中锰钢，虽然其强塑积大于30GPa％，但其强度却低于1000MPa级，且增加的生产成本。公开号为CN104651734A的专利文件中介绍了1000MPa级高强度高塑性含铝中锰钢及其制备方法。其强度仅仅达到1000MPa,但其强塑积却低于30GPa％，且其生产成本复杂难以控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种强度高于1400MPa级且强塑积高于30GPa％的含铜纳米相强化中锰钢。本专利技术的目的还在于提供一种含铜纳米相强化中锰钢的制备方法。本专利技术的含铜纳米相强化中锰钢的化学成分和质量百分比含量为：Mn：6～14％、Cu：0.5～4％、Ni：2～8％、Al：0.1～1.5％、Mo：1.0～1.5％、Nb：0.04～0.1％、Ti：0.03～0.1％、W：0.8～1.5％、C：0.02-0.08％、Si：0.4～1.0％，余量为铁和不可避免的杂质元素。本专利技术的含铜纳米相强化中锰钢的优选化学成分和质量百分比含量为：Mn：8～10％、Cu：1～3％、Ni：3～5％、Al：0.8～1.2％、Mo：1.5％、Nb：0.04～0.08％、Ti：0.08～0.1％、W：1.0～1.5％、C：0.02-0.08％、Si：0.4～1.0％，余量为铁和不可避免的杂质元素。本专利技术的含铜纳米相强化中锰钢的制备方法为：(1)在超高真空氩气保护电弧熔炼炉中进行熔炼，吸铸成棒材，铸件在充满循环水的铜模中快速冷却得到铸态合金铸坯；(2)铸坯在900℃～1050℃温度下加热0.5-1.0小时后，进行多道次轧制，每道次的开轧温度为1000℃～1050℃、终轧温度为850℃～950℃，每道次轧下量为5％-20％，每道次间在900℃退火5～15分钟，最终厚度为2～3mm；(3)固溶处理：固溶处理温度为900～1000℃，固溶时间为0.5～2小时，冷却方式为水冷；(4)时效处理：固溶处理后时效处理的温度为500～600℃，时效时间为5～300min。本专利技术的含铜纳米相强化中锰钢的制备方法还可以包括：1、所述熔炼进行5～8次，且熔炼过程中添加磁搅拌；所述吸铸成棒材是吸铸成直径为10～20mm的圆柱棒材。2、所述进行多道次轧制是进行5～10道次。本专利技术通过在铁素体中形成合理数量和尺寸配比的纳米相来强化合金，并且形成残余奥氏体来提供良好塑性。创新性开发了强度高于1400MPa级且强塑积高于30GPa％的中锰钢。本专利技术通过在中锰钢中添加0.5～4％Cu元素，配合Mn、Ni和Al元素，形成残余奥氏体的同时也引入了纳米级别的析出相。这些纳米相形成了由富含Cu元素为核心并被B2-有序结构Ni(Al,Mn)相包围的层级结构，与基体相形成共格关系，形状为球形且其尺寸为1～10nm。纳米相分布于铁素体当中，而残余奥氏体中不存在纳米相。变形过程中，在铁素体中的位错通过切过纳米相进行向前滑移，进而可以在一定程度上阻碍位错运动。切过有序沉淀纳米相会产生反相畴界，使得系统能量升高，则生成有序强化；由于沉淀相与基体相弹性模量存在差异，使得位错切过纳米相后自身能量发生变化而产生模量；位错切过纳米相相后会生成新的界面，从而引起了化学强化。当位错切过纳米相会使得沉淀相产生错配，引起应力场与位错相互作用从而产生共格强化。引起的这四种强化机制，会有效提高中锰钢的强度。而无纳米相的残余奥氏体，在变形过程中会提高材料塑性。这样使得这种含铜纳米相强化中锰钢既拥有了较高的强度也有着良好塑性，因此其强塑积可达到30GPa％以上。本专利技术钢强塑积高，工艺可控性强，符合第三代汽车用钢设计要求，且容易实现工业化生产。附图说明图1(a)为实施例固溶1小时的金相照片。图1(b)为实施例时效0.5小时的金相照片。图2(a)为小角中子散射测试各个时效时间纳米相拟合曲线图。图2(b)为小角中子散射测试各个时效时间纳米相尺寸和数量密度变化图。图3为实施例固溶和时效各个时间段铁素体和残余奥氏体硬度变化曲线。图4为实施例固溶1小时和时效0.5小时的力学性能曲线对比。具体实施方式下面举例对本专利技术做更详细的描述。该实施例的化学成分(质量百分比)为：Mn：9％Cu：2.5％Ni：4％Al：1％Mo：1.5％Nb：0.05％Ti：0.1％W：1.5％C：0.08％Si：0.5％Fe：余量。该实施例的制造工艺如下：(1)熔炼：按照本专利技术合金元素设计成分及重量百分比进行称重配料后，在超高真空氩气保护电弧熔炼炉中进行，6次熔炼并添加磁搅拌混合均匀，吸铸成尺寸为20mm的棒材，铸件在充满循环水的铜模中快速冷却得到铸态合金。进入下一步待用；(2)钢锭加热温度为900℃，加热时间为0.5小时，进行8道次轧制，每道次开轧温度为1000℃、终轧温度为850℃，每道次轧下量为5％，每道次间在900℃退火5分钟；(3)热处理为固溶处理和时效处理，固溶温度为900℃，保温时间1小时，时效温度为500℃，保温时间为0.5小时。经过固溶处理1小时后的含铜纳米相强化中锰钢，显微结构为多边形铁素体和少量残余奥氏体(见图1(a))。时效处理0.5h后的含铜纳米相强化中锰钢，显微结构为条状铁素体和条状残余奥氏体(见图1(b))。图2(a)为小角中子散射测试中锰钢时效各个时间拟合曲线，图2(b)为拟合后得到的纳米相尺寸和数量密度随时效时间的变化曲线。随时效时间的延长，纳米相颗粒尺寸逐渐增加，到达50小时尺寸最大为5.8nm，数量密度却逐渐下降。这表明纳米相的形成以及随着时间延长逐渐长大和粗化的现象。对比时效0.5小时与固溶1小时的显微结构，可以发现时效过程不仅仅形成了纳米相，而且残余奥氏体的含量也在逐渐增加。从图3硬度变化曲线可以看出，铁素体硬度随时效逐渐发生变化，而残余奥氏体几乎不变。这表明纳米相形成于铁素体中，而残余奥氏体中无纳米相。固溶1小时和时效0.5小时的力学性能见图3，可以看出固溶1小时其抗拉强度为1050MPa,断后延伸率为25％。而时效0.5小时后其抗拉强度达到了1440MPa,断后延伸率为28％，强塑积为40GPa％。因此，拥有纳米相的铁素体与无纳米相的残余奥氏体相结合，既提高中锰钢的强度也保证了良好塑性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含铜纳米相强化中锰钢，其特征是化学成分和质量百分比含量为：Mn：6～14％、Cu：0.5～4％、Ni：2～8％、Al：0.1～1.5％、Mo：1.0～1.5％、Nb：0.04～0.1％、Ti：0.03～0.1％、W：0.8～1.5％、C：0.02‑0.08％、Si：0.4～1.0％，余量为铁和不可避免的杂质元素。

【技术特征摘要】
1.一种含铜纳米相强化中锰钢，其特征是化学成分和质量百分比含量为：Mn：6～14％、Cu：0.5～4％、Ni：2～8％、Al：0.1～1.5％、Mo：1.0～1.5％、Nb：0.04～0.1％、Ti：0.03～0.1％、W：0.8～1.5％、C：0.02-0.08％、Si：0.4～1.0％，余量为铁和不可避免的杂质元素。2.根据权利要求1所述的含铜纳米相强化中锰钢，其特征是化学成分和质量百分比含量为：Mn：8～10％、Cu：1～3％、Ni：3～5％、Al：0.8～1.2％、Mo：1.5％、Nb：0.04～0.08％、Ti：0.08～0.1％、W：1.0～1.5％、C：0.02-0.08％、Si：0.4～1.0％，余量为铁和不可避免的杂质元素。3.一种权利要求1所述的含铜纳米相强化中锰钢的制备方法，其特征是：(1)在超高真空氩气保护电弧熔炼炉中进行熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：张中武，许松松，李俊澎，邱明星，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23