一种高锰高铝含量的高强度高塑性钢铁材料的制备方法

摘要

一种高锰高铝含量的高强度高塑性钢铁材料的制备方法，属于钢铁材料加工领域。一种高锰高铝含量的高强度高塑性钢铁材料其成分范围为：C％：0.6－1.2wt％，Mn％：18－33wt％，Al％：8－13wt％，S％＜0.008％，P％＜0.02％，余量为Fe或不可避免的杂质。制备步骤为：冶炼制备的材料板坯经热轧、冷轧，冷轧板厚度0.8－1.5mm，冷轧钢板在加热炉中在700－1300℃保温10－20分钟后，以10－50℃/s的速度冷却至室温。本发明可通过工艺控制得到不同级别的强度和塑性的配比，其性能为：540－1240MPa的屈服强度、780－1310MPa的抗拉强度以及10.0－76.0％延伸率。本发明制备的材料对迅速发展的汽车产业和军工行业具有重要的价值和极大的应用空间。

说明书

技术领域

本发明属钢铁材料制备领域，涉及一种高锰高铝含量的高强度、高塑性诱导塑性钢。

背景技术

Fe-Mn-Al-C系合金是在Fe-Mn-C基和Fe-Mn-Al基合金的基础上发展起来的，为高锰钢的发展提供了新的途径。由于Al的密度比较低，因此这种材料具有很高的强度质量比(strength-to-weigh ratio)。与同等强度级别的铁合金比较可以降低14-20％的重量，因此这种钢铁材料可以用于要求减重的高强度结构部件，尤其利于汽车的减重等方面。

Fe-Mn-Al-C系合金的研究主要集中在以下两个方向：Al和C含量相对较高的Fe-Mn-Al基合金的机械性能曾经被广泛的研究过。这些研究主要基于时效硬化的基础之上(文献1：J.W.Lee，T.F.Liu Materials，Phase transformations in anFe-8Al-30Mn-1.5Si-1.5C alloy)，Chemistry and Physics 69(2001)192-198.)。研究了在500-1000℃过时效处理，时效时间达1-30小时的组织变化。文献2(Je Doo，Kyung-Tae Park.，Microband-induced plasticity in a high Mn-Al-C lightsteel.Materials Science and Engineering A，496(2008)417-424.)研究了通过时效处理(1000℃保温1小时)最好的性能可以达到：屈服强度730Mpa，抗拉强度1000MPa，延伸率达到55％。

由以上分析可见现有的技术仅用时效处理得到单一性能的Fe-Mn-Al-C系合金性能，且时效处理温度高，时间长，不利于大规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种高锰高铝含量的高强度高塑性钢铁材料的制备方法，解决现有工艺中时效处理温度高，时间长，不利于大规模化生产的难题。

一种高锰高铝含量的高强度高塑性钢铁材料的制备方法，其成分范围为：C％：0.6-1.2wt％，Mn％：18-33wt％，Al％：8-13wt％，S％<0.008％，P％<0.02％，余量为Fe或不可避免的杂质。层错能控制在30-100mJ·mm²。其中锰含量的优选范围为20-28wt％；铝含量的优选范围为9-12wt％。

制备步骤为：

1.采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护，浇铸成板坯。

2.利用轧制技术，经热轧、冷轧，其中热轧的加热温度1200℃，保温3小时后，在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为2.5～3.5mm左右的热轧薄板，总变形量为80～90％，热轧温度1100-850℃，终轧温度控制不低于750℃。在430四辊冷轧机上冷轧，冷轧板厚度0.8-1.5mm，最优控制在0.8-1.2mm，冷轧压下率控制在30-80％，最优控制在50-70％。

3.热处理工艺：将0.8-1.5mm厚的冷轧钢板在加热炉中在设定温度(700-1300℃)保温10-20分钟后，以10-50℃/s的速度冷却至室温。

本发明材料微观结构热处理后变形前是奥氏体基体中存在有退火孪晶和析出的(Fe，Mn)₃AlC_x碳化物，其晶粒尺寸为2-40μm，退火孪晶生长并贯穿于晶粒内部；经变形后，在外力作用下形成形变孪晶，同时在变形过程中滑移带诱导塑性，这些变形机制共同作用使本发明的钢铁材料具有高强度高塑性。

本材料通过工艺控制得到不同级别的强度和塑性的配比，可得到540-1240MPa的屈服强度和780-1310MPa的抗拉强度以及10.0-76.0％延伸率。

本发明具有如下优点：

1.具有优良的性质。本发明利用成熟的轧制技术和热处理工艺制备出具有退火孪晶和析出的(Fe，Mn)₃AlC_x碳化物，其晶粒尺寸为2-40μm，具有独特的微观结构。本发明材料具有很高的强度质量比，与同等强度级别的铁合金比较可以降低14-20％的重量

2.应用前景好。由于本发明中这种钢铁材料特殊的化学成分经过简单的热处理后使得材料具有高强度的同时具有高塑性。因此，这种高强度高塑性的钢铁材料对高速发展的汽车行业及军工用品方面和需要的发展具有重要价值

3.制备方法简单。本发明利用传统的炼钢技术、轧制工艺和热处理技术，只需控制热处理温度和时间及冷却速度即可获得。

4成本低。本发明的钢铁材料不需要添加贵重的合金元素，只需常用的价格较低的锰、铝元素即可获得本钢铁材料。

附图说明

图1热处理后的金相组织

图2EBSD表示的退火孪晶(红色线条为退火孪晶)

图3基体中存在的(Fe，Mn)₃AlC_x碳化物

图4变形后的滑移带

具体实施方式

下面附图和实施例详述本发明

实施例1

1.利用传统的真空冶炼和热轧、冷轧工艺制备出钢板

冶炼工艺：采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护。其成分为

C％：0.96wt％，Mn％：26.7wt％，Al％：10.9wt％，S％<0.008％，P％<0.02％，余量为Fe或不可避免的杂质。层错能控制在85mJ·mm²。

轧制工艺：利用轧制技术，经热轧、冷轧，其中热轧的加热温度1200℃，保温3小时后，在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为2.5～3.5mm左右的热轧薄板，总变形量为80～90％，其开轧和终轧温度分别为1100℃和850℃。在430四辊冷轧机上冷轧，冷轧至1.0mm厚的薄板，进行热处理。

2.热处理工艺：将1.0mm厚的冷轧钢板在加热炉中在设定温度1100℃，保温15分钟后，以20℃/s的速度冷却至室温。

光学显微组织观察其室温组织为奥氏体基体的退火孪晶，退火后的组织有边界平直的退火孪晶出现(图1和图2所示)，在晶粒内部和晶界存在有(Fe，Mn)₃AlC_x碳化物(图3所示)，钢铁材料的晶粒大小20-40μm。图4为变形后存在滑移带。得到性能为：抗拉强度为880MPa，屈服强度为580MPa，延伸率为76.5％。

实施例2

与实施例1不同之处在于将热处理温度控制在750℃保温20分钟后，以10℃/s的速度冷却至室温。得到的性能为：抗拉强度为1310MPa，屈服强度为1240MPa，延伸率为10.5％。

实施例3

与实施例1不同之处在于将热处理温度控制在1300℃保温10分钟后，以30℃/s的速度冷却至室温。得到的性能为：抗拉强度为815MPa，屈服强度为550MPa，延伸率为51.0％。

实施例4

与实施例1不同之处在于钢铁材料的成分为：

C％：0.6wt％，Mn％：18wt％，Al％：8wt％，S％<0.008％，P％<0.02％，余量为Fe或不可避免的杂质。层错能是35mJ·mm²。

轧制工艺同实施例1的过程，热处理温度900℃保温15分钟后，以30℃/s的速度冷却至室温。得到的性能为：抗拉强度为880MPa，屈服强度为450MPa，延伸率为65.0％。