本发明专利技术公开了一种低密度、高强、高比模量钢铁材料及其制备方法，添加了7～15wt.%Al降低钢铁材料的密度，配制成分包含10.0～30.0 wt.%Mn、0.6～1.6 wt.%Ｃ、余量为铁的合金材料，通过控制凝固过程及后续时效热处理，固态下大量析出纳米碳化物，获得低密度、高强、高比模量的轻质钢钢材。其密度为5.8～7.22g/cm3，强度为600～1400MPa，延伸率为20～100%，经过200～800℃时效处理，沉淀析出5～50%体积分数的纳米尺寸碳化物，使其弹性模量升高至180～280GPa。本发明专利技术方法工艺流程简单，降低能耗，节约资源，减少污染并提高生产效率，制备的钢材性能优于传统工艺。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高强度钢及其制备方法，特别是一种轻质高强度钢及其制备方法，应用于金属材料制备
技术介绍
为应对当前社会日益严重的环境问题以及能源危机，在汽车行业中，一方面要满足对汽车安全以及舒适性要求的同时，实现轻量化是汽车节能、减排和汽车工业可持续发展的必然趋势。减轻汽车自重是提高汽车的燃油经济性、节约能耗的重要措施之一。据实验证明，汽车每减重10%，油耗可下降6%～8%，排放量可下降4%左右,而每减少1L的燃油消耗，会少排放2.45Kg的CO2，也可减少汽车尾气对环境的污染，目前世界各国的许多组织机构纷纷开展汽车轻量化项目。实现汽车轻量化的一个重要途径就是使用高强度钢替代普通钢材，降低钢板厚度从而减轻重量。然而，即使钢铁材料具有很高的强度也不能没有限度的去降低其厚度，而不去考虑汽车结构刚度取决于材料的弹性模量、零件形状和尺寸等的因素。因此，研发具有高比强度、高比刚度的材料是汽车轻量化道路上必须要克服的难题。高强塑性、高模量的低密度钢因其在车辆的碰撞安全以及结构刚度上有更好的表现而倍受青睐。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种低密度、高强、高比模量钢铁材料及其制备方法，通过控制合金成分并施加适当后续热处理工艺增强纳米级碳化物析出量来制备低密度、高强、高比模量钢铁材料，包括制备工艺和后续热处理工艺。制备工艺包括传统缓慢凝固+热处理工艺制备过饱和的低密度钢铁材料，还包括使用快速及亚快速凝固技术直接制备过饱和低密度钢铁材料。再配合后续的时效热处理工艺，扩大固溶极限增加低密度钢中纳米级碳化物的析出量，直接制备出具有高强塑性、高比模量的低密度钢。所述的时效热处理工艺为时效温度为200-800℃，保温时间为1-20小时，冷却方式为随炉冷却。上述方法工艺流程简单，降低能耗，节约资源，减少污染并提高生产效率，并且获得的钢材其性能优于传统工艺。为达到上述专利技术创造目的，采用下述技术方案：一种低密度、高强、高比模量钢铁材料，为Fe-Mn-Al-Ｃ合金，其合金组分质量百分比含量为：Mn为10.0～30.0 wt.%，Al为7.0～15.0 wt.%，Ｃ为0.6～1.6wt.%，余量为铁，通过控制凝固过程及后续时效热处理，Fe-Mn-Al-Ｃ合金在固态下析出纳米碳化物，制成低密度、高强、高比模量的轻质钢铁材料。作为优选的技术方案，Fe-Mn-Al-Ｃ合金在固态下析出的纳米碳化物总量为Fe-Mn-Al-Ｃ合金中的组成相含量的5～50 vol.%。作为上述方案进一步优选的技术方案，其合金组分质量百分比含量为：Mn为12.0～30.0 wt.%，Al为9.0 wt.%，Ｃ为0.8～1.2wt.%，余量为Fe。一种制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，包括如下步骤：1）以铁、锰、铝、碳为原材料制备四元合金铸锭，其合金原料配比采用的质量百分比为：锰为10.0-30.0 wt.%，铝 为7.0-15.0 wt.% ，碳为0.6-1.6 wt.%，余量为纯铁；合金原料颗粒直径优选为1-2mm；2）将在所述步骤1）中制备的合金铸锭切取所需尺寸后放入坩埚中，通过加热工艺，将合金铸锭熔融成合金熔体；3）通过控制凝固过程，将在所述步骤2）中制备的熔融的合金熔体注入铜模中，制备厚度为0.5-10mm的成分均匀且过饱和的合金薄板；或者利用在所述步骤2）中制备的熔融的合金熔体，采用铸造、轧制工艺，制备厚度为0.5-10mm的成分均匀且过饱和的合金薄板；在进行合金熔体凝固成形时，优选采用快速凝固方法直接制备成分均匀且过饱和的合金薄板；或者优选采用亚快速凝固方法直接制备成分均匀且过饱和的合金薄板，再或者优选采用慢速凝固方法并进行后续热处理工艺制备成分均匀且过饱和的合金薄板；在采用快速凝固方法或亚快速凝固方法时，优选采用喷铸、吸铸或离心浇铸方法直接制备成分均匀且过饱和的合金薄板；在采用慢速凝固方法并进行后续热处理工艺时，优选采用均质化工艺、轧制工艺并辅助固溶热处理工艺制备成分均匀且过饱和的合金薄板；4）将在所述步骤3）制备的合金薄板放入热处理炉内加热，在200-800℃下，进行1-20h的后续时效处理，通过时效热处理，Fe-Mn-Al-Ｃ合金在固态下析出纳米碳化物，然后进行冷却，冷却方式采用随炉冷却，制成低密度、高强、高比模量的轻质钢铁材料。进行时效热处理时，优选将时效温度控制在400-600℃。优选控制Fe-Mn-Al-Ｃ合金在固态下析出的纳米碳化物总量为Fe-Mn-Al-Ｃ合金中的组成相含量的5～50 vol.%。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1.本专利技术基于Fe-Mn-Al-C低密度钢铁材料可大量析出碳化物的特点，通过亚快速或者快速凝固技术直接制备或者使用传统的慢速凝固技术＋热处理工艺制备成分均匀和过饱和固溶的低密度钢铁材料，再经后续时效热处理后，从固相中大量析出纳米级尺寸的碳化物，从而增加纳米级碳化物的析出数量，利用纳米级碳化物提高低密度钢的弹性模量，能制备出具有高强塑性、高比模量的低密度钢材；2. 本专利技术制备的低密度、高强、高比模量钢铁材料中大量析出纳米级碳化物，使制备的Fe-Mn-Al-C低密度钢铁材料的密度为5.8～7.22g/cm3，强度为600MPa～1400MPa，延伸率为20～100%，弹性模量为180～280GPa，大大优于普通钢材的铸态性能；3. 本专利技术制备得到的低密度、高比模量钢无需液态添加增强颗粒，只需适当时效处理工艺就可使模量提高，其优点在于工艺简单、节省资源、降低能耗。附图说明图1为本专利技术实施例一制备的Fe20Mn9Al0.8C铸态及时效处理后的模量数据图。图2为本专利技术实施例一制备的Fe20Mn9Al0.8C中纳米级碳化物的高分辨图片。图3为本专利技术实施例二制备的Fe12Mn9Al1.2C铸态及时效处理后的模量数据图。具体实施方式本专利技术的优选实施例详述如下：实施例一：在本实施例中，一种低密度、高强、高比模量钢铁材料，为Fe-Mn-Al-Ｃ合金，其合金组分质量百分比含量为：铁为70.2 wt.%，Mn为20.0 wt.%，Al为9.0wt.%，Ｃ为0.8 wt.%，通过控制凝固过程及后续时效热处理，Fe-Mn-Al-Ｃ合金在固态下析出纳米碳化物，制成低密度、高强、高比模量的轻质钢铁材料。在本实施例中，一种制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，包括如下步骤：1）按照质量比铁为70.2%，锰为20.0%，铝为9.0%，碳为0.8%的质量配比进行配料，采用合金原料总质量为100g，合金原料颗粒直径1-2mm，混合均匀后，使用真空熔炼炉进行熔炼，熔炼为类圆锥形或棒状铸锭的原始铸锭；2）将约100g的所述步骤1）中制备的原始铸锭切取成合适大小的合金块，取用总质量为10g的合金块，使用真空喷铸设备喷铸成薄板形铸件，过程为：将合金块放入石英玻璃管内，将内部有小合金块的石英管套入感应线圈内，上方旋入氩气接口，关闭腔门；然后使用机械泵抽取低真空；真空度达到5.0×100Pa时，关闭机械泵，开启分子泵抽取高真空，真空度为5×10-3Pa时关闭分子泵，冲入氩气；然后重复抽取低真空、高真空步骤，洗气完毕后，充入氩气；然后对腔体充入氩气至-本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种低密度、高强、高比模量钢铁材料，其特征在于，为Fe‑Mn‑Al‑Ｃ合金，其合金组分质量百分比含量为：Mn为10.0～30.0 wt.%，Al为7.0～15.0 wt.%，Ｃ为0.6～1.6 wt.%，余量为铁，通过控制凝固过程及后续时效热处理，Fe‑Mn‑Al‑Ｃ合金在固态下析出纳米碳化物，制成低密度、高强、高比模量的轻质钢铁材料。
【技术特征摘要】
1.一种低密度、高强、高比模量钢铁材料，其特征在于，为Fe-Mn-Al-Ｃ合金，其合金组分质量百分比含量为：Mn为10.0～30.0 wt.%，Al为7.0～15.0 wt.%，Ｃ为0.6～1.6 wt.%，余量为铁，通过控制凝固过程及后续时效热处理，Fe-Mn-Al-Ｃ合金在固态下析出纳米碳化物，制成低密度、高强、高比模量的轻质钢铁材料。2.根据权利要求1所述低密度、高强、高比模量钢铁材料，其特征在于：Fe-Mn-Al-Ｃ合金在固态下析出的纳米碳化物总量为Fe-Mn-Al-Ｃ合金中组成相含量的5～50 vol.%。3.根据权利要求1或2所述低密度、高强、高比模量钢铁材料，其特征在于：其合金组分质量百分比含量为：Mn为12.0～30.0 wt.%，Al为9.0 wt.%，Ｃ为0.8～1.2 wt.%，余量为Fe。4.一种制备低密度、高强、高比模量钢铁材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：1）以铁、锰、铝、碳为原材料制备四元合金铸锭，其合金原料配比采用的质量百分比为：锰为10.0-30.0 wt.%，铝 为7.0-15.0 wt.% ，碳为0.6-1.6 wt.%，余量为纯铁；2）将在所述步骤1）中制备的合金铸锭切取所需尺寸后放入坩埚中，通过加热工艺，将合金铸锭熔融成合金熔体；3）通过控制凝固过程，将在所述步骤2）中制备的熔融的合金熔体注入铜模中，制备厚度为0.5-10mm的成分均匀且过饱和的合金薄板；或者利用在所述步骤2）中制备的熔融的合金熔体，采用铸造、轧制工艺，制备厚度为0.5-10mm的成分均匀且过饱和的合金薄板；4）将在所述步骤3）制备的合金薄板放...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋长江，段练，何维，张云虎，翟启杰，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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