一种Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质高强合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种Fe

【技术实现步骤摘要】
一种Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质高强合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种多主元轻质高强合金及其制备方法，属于金属材料及其制备领域。

技术介绍

[0002]钢铁材料具有良好的力学性能，高成形性和可再循环能力，同时成本低廉，这些特点使其在汽车、建筑、石化、军工等领域有着广泛的应用。随着工业技术的不断发展，对材料的要求日益严格，发展高性能新材料势在必行。其中最常见的思路就是在传统材料的基础上改良，从而进一步提升材料的综合性能。从传统意义来看，先进钢的高强度特性一直是试图通过提高钢的强度来实现的，这时往往并不重视钢铁材料的密度。而降低材料密度，以使工业设备减重是实现节能减排的重要思路。以汽车工业为例，减少汽车重量能有效地降低油耗，有利于可持续性发展。钢铁材料只需降低10％的密度就能够显著提高在工业领域应用中的优越性与竞争力。传统钢铁材料密度虽然高于镁合金与铝合金等结构材料，但成本低廉。所以，开发集低密度与高强度性能于一身的铁基合金具有研究意义。
[0003]既能提高强度又降低密度的方法是在Fe-Mn-C基合金体系中添加轻质元素，比如铝元素，以此构成Fe-Mn-Al-C低密度钢这一体系。目前能够工程化应用的Fe-Mn-Al-C基低密度钢成分设计还是以Fe为主组元，Mn和Al降低密度的元素使用。Al和Mn含量分别控制在20at％和30at％以下，Fe含量作为主组元一般均在50％左右。该合金系的密度可降低至7g/cm3，比传统合金钢密度降低10％左右。如何进一步降低合金的密度，以进一步达到降低构件的目的，尚需采用新的合金成分设计方法。
[0004]近年来，采用多主元成分设计思路发展新型材料引起了人们越来越多关注。高熵合金和中熵合金就是这一思路的典型例证。高熵和中熵合金的特征是按照形成固溶体的构型熵来划分，高熵合金的构型熵，ΔS
mix
>1.6R(R为气体常数)，中熵合金的构型熵为1.1R<ΔS
mix
<1.6R。高熵和中熵合金在组元数一般是大于等于5和3。高熵、中熵合金等多主元合金，因其表现出优异性能，而得到广泛研究。例如，FeCoCrNiMn系高熵合金在低温下具有很好的力学性能，AlCoCrCuFeNi系高熵合金可以获得较高的强度和耐腐蚀性，NbMoTaW系高熵合金具有优异的耐高温性能。尽管高熵、中熵合金已经得到普遍关注，但是能够获得工程化应用的合金的数量还较少，特别是能够实现高强度高塑性与低密度匹配的合金更少。目前采用多主元思路设计高强度低密度Fe-Mn-Al-C-M(M＝Ti,V,Cr,N,Si)中熵合金还没有见到报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于采用多主元合金成分设计思路，解决现有低密度Fe-Mn-C钢合金仍然存在的密度偏高的问题，提出合金进一步强化的思路和方法，同时为了有利于合金的工程化应用，不采用贵金属元素，提供一种低成本轻质高强多主元Fe-Mn-Al-C-M合金及其制备方法。该合金的成分特征总体上有三个方面：一是Fe、Mn和Al的含量接近，是一种多
主元合金，而不同于以往以Fe为主组元的传统低密度钢；二是通过进一步Mn、Al和C的含量，使合金的密度大幅度降低，合金的密度最低可达6.28g/cm3，比普通合金钢的密度降低了约20％；三是通过Ti,V,Cr,N,Si元素加入，进一步提高合金的强度。在合金成分确定以后，配合合适的熔炼和热处理工艺。因此，本专利技术解决的关键技术是新型轻质高强的合金成分设计与制备方法。
[0006]本专利技术是通过如下技术方案实现的：
[0007]一种Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金，其特征在于合金化学成分按原子百分比为：Fe34.0～38.0％，Mn31～37％，Al21.0～23.0％；C3.5～5.0％，M0.25～10；M为Cr、Ti、V、Si、N中的一种或几种，且Cr0～6％；Ti0～1.5％,V0～1.5％，N0～1.7％，Si0～2％。
[0008]进一步地，合金化学成分按原子百分比优选范围为：Fe34.0～36.5％，Mn31～34.5％，Al22.5％；
[0009]C4.3％，Cr2～6％。
[0010]进一步地，合金化学成分按原子百分比优选范围为：Fe34.0～37.5％，Mn34.5～36.3％，Al22.5％；C4.3％，Ti0.25～1％。
[0011]进一步地，合金化学成分按原子百分比优选范围为：Fe34.0～37.0％，Mn34～36％，Al22.5％；C4.5％，Ti0.75％，V0.1～1％。
[0012]进一步地，合金化学成分按原子百分比优选范围为：Fe34.0～37.0％，Mn31～35％，Al22.5％；C3.7％，Cr4％，N0.3～1.7％。
[0013]进一步地，合金化学成分按原子百分比优选范围为：Fe34.0～37.0％，Mn31～35％，Al21.9％；C4.1％，Cr3.1％，N1.7％，Si0.2％。
[0014]如上所述Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金的制备方法，包括以下步骤：
[0015]1)将纯度为99.9％以上的冶金原料Fe、Mn、Al、Cr、Ti、V、C、Si和氮化铬铁,采用机械打磨或酸洗去除原料金属的表面氧化皮，供配置合金使用；
[0016]2)按摩尔比转化为质量比精确称量配比，Mn原料另增加5％质量以补偿熔炼损耗，然后用无水乙醇超声波震荡清洗原料；
[0017]3)将合金进行熔炼，把熔化的合金熔体吸铸或浇铸到模具中，获得多主元轻质合金板状或棒状材料；
[0018]4)将多主元轻质合金板状或棒状样品，进行均匀化和固溶处理。
[0019]进一步地，Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金的熔炼为真空非自耗电弧炉熔炼，真空度数值低于5
×
10-2
MPa，充入氩气至炉内气压达到0.05MPa；熔炼电流为100～250A，电弧保持时间为1～3min，翻转重复熔炼至少4次以上，以使合金锭成分均匀。
[0020]进一步地，Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金的熔炼还可采用感应熔炼，感应加热频率为中频或高频，熔炼环境为大气，熔化温度为1450℃至1550℃。
[0021]进一步地，Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金的制备方法，其特征在于所述的均匀化热处理工艺为：保温温度为1100～1200℃，保温时间1～4h。
[0022]进一步地，Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金的制备方法，其特征在于所述的固溶热处理工艺为：加热温度为1000～1100℃，保温0.5～4h，然后水淬
[0023]本专利技术合金在成分设计时综合考虑了添加元素对合金的密度、力学性能、热加工性能以及成本的影响，具体考虑因素如下：
[0024]Mn：在钢中是形成γ相的主要元素，Mn与Fe形成的γ相区随着Mn的提高而增大，在1000℃下，Mn在γ相的固溶度可达到70at％。从降低密本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金，其特征在于合金化学成分按原子百分比为：Fe34.0～38.0％，Mn31～37％，Al21.0～23.0％，C3.5～5.0％，M0.25～10％，M为Cr、Ti、V、Si、N中的一种或几种，且Cr0～10％；Ti0～1.5％,V0～1.5％，Si0～2％，N0～1.7％。2.如权利要求1所述一种Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金，其特征在于合金化学成分按原子百分比优选范围为：Fe34.0～36.5％，Mn31～34.5％，Al22.5％；C4.3％，Cr2～6％。3.如权利要求1所述一种Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金，其特征在于合金化学成分按原子百分比优选范围为：Fe34.0～37.5％，Mn34.5～36.3％，Al22.5％；C4.5％，Ti0.25～1％。4.如权利要求1所述一种Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金，其特征在于合金化学成分按原子百分比优选范围为：Fe34.0～37.0％，Mn34～36％，Al22.5％；C4.5％，Ti0.75％，V0.1～1％。5.如权利要求1所述一种Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金，其特征在于合金化学成分按原子百分比优选范围为：Fe34.0～37.0％，Mn31～35％，Al22.5％；C3.7％，Cr4％，N0.3～0.9％。6.如权利要求1所述一种Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质合金，其特征在于合金化学成分按原子百分比优选范围为：Fe34.0～37.0％，Mn31～35％，Al21.9％；C4.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠希东，白瑞，刘旭莉，吉铮，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：