本發(fā)明涉及的是一種金屬材料及其制備方法，具體地說是一種中錳鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：

面對(duì)當(dāng)前日益嚴(yán)峻的資源、能源與環(huán)境問題，汽車行業(yè)發(fā)展趨向于輕量化、燃油經(jīng)濟(jì)性、減少排放和提高安全性。因此，這就要求汽車用鋼在減少板厚的同時(shí)提高強(qiáng)塑性，具有優(yōu)良的綜合性能。超高強(qiáng)度可以保證在減少板厚的同時(shí)依然擁有較高的強(qiáng)度，而良好塑性則保證了汽車用鋼良好成型性能和安全性能。目前，傳統(tǒng)的汽車用鋼為IF鋼、DP鋼、QP鋼和TRIP鋼等，這些鋼強(qiáng)塑積較低，無法得到塑性和較高強(qiáng)度的良好匹配。而TWIP鋼和奧氏體不銹鋼雖然其強(qiáng)塑積達(dá)到50～70GPa％,但是其合金元素含量較高，成本較高，且其冶煉工藝性能較差，控制難度也較大。

公開號(hào)為CN 104694816 A的專利文件中介紹了一種強(qiáng)塑積大于30GPa％的高Al中錳鋼的制備方法。其添加大量的Al元素并控制熱機(jī)械工藝來獲得鐵素體和奧氏體的雙相高Al中錳鋼，雖然其強(qiáng)塑積大于30GPa％，但其強(qiáng)度卻低于1000MPa級(jí)，且增加的生產(chǎn)成本。

公開號(hào)為CN 104651734 A的專利文件中介紹了1000MPa級(jí)高強(qiáng)度高塑性含鋁中錳鋼及其制備方法。其強(qiáng)度僅僅達(dá)到1000MPa,但其強(qiáng)塑積卻低于30GPa％，且其生產(chǎn)成本復(fù)雜難以控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)度高于1400MPa級(jí)且強(qiáng)塑積高于30GPa％的含銅納米相強(qiáng)化中錳鋼。本發(fā)明的目的還在于提供一種含銅納米相強(qiáng)化中錳鋼的制備方法。

本發(fā)明的含銅納米相強(qiáng)化中錳鋼的化學(xué)成分和質(zhì)量百分比含量為：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％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)元素。

本發(fā)明的含銅納米相強(qiáng)化中錳鋼的優(yōu)選化學(xué)成分和質(zhì)量百分比含量為：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％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)元素。

本發(fā)明的含銅納米相強(qiáng)化中錳鋼的制備方法為：

(1)在超高真空氬氣保護(hù)電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，吸鑄成棒材，鑄件在充滿循環(huán)水的銅模中快速冷卻得到鑄態(tài)合金鑄坯；

(2)鑄坯在900℃～1050℃溫度下加熱0.5-1.0小時(shí)后，進(jìn)行多道次軋制，每道次的開軋溫度為1000℃～1050℃、終軋溫度為850℃～950℃，每道次軋下量為5％-20％，每道次間在900℃退火5～15分鐘，最終厚度為2～3mm；

(3)固溶處理：固溶處理溫度為900～1000℃，固溶時(shí)間為0.5～2小時(shí)，冷卻方式為水冷；

(4)時(shí)效處理：固溶處理后時(shí)效處理的溫度為500～600℃，時(shí)效時(shí)間為5～300min。

本發(fā)明的含銅納米相強(qiáng)化中錳鋼的制備方法還可以包括：

1、所述熔煉進(jìn)行5～8次，且熔煉過程中添加磁攪拌；所述吸鑄成棒材是吸鑄成直徑為10～20mm的圓柱棒材。

2、所述進(jìn)行多道次軋制是進(jìn)行5～10道次。

本發(fā)明通過在鐵素體中形成合理數(shù)量和尺寸配比的納米相來強(qiáng)化合金，并且形成殘余奧氏體來提供良好塑性。創(chuàng)新性開發(fā)了強(qiáng)度高于1400MPa級(jí)且強(qiáng)塑積高于30GPa％的中錳鋼。

本發(fā)明通過在中錳鋼中添加0.5～4％Cu元素，配合Mn、Ni和Al元素，形成殘余奧氏體的同時(shí)也引入了納米級(jí)別的析出相。這些納米相形成了由富含Cu元素為核心并被B2-有序結(jié)構(gòu)Ni(Al,Mn)相包圍的層級(jí)結(jié)構(gòu)，與基體相形成共格關(guān)系，形狀為球形且其尺寸為1～10nm。納米相分布于鐵素體當(dāng)中，而殘余奧氏體中不存在納米相。變形過程中，在鐵素體中的位錯(cuò)通過切過納米相進(jìn)行向前滑移，進(jìn)而可以在一定程度上阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。切過有序沉淀納米相會(huì)產(chǎn)生反相疇界，使得系統(tǒng)能量升高，則生成有序強(qiáng)化；由于沉淀相與基體相彈性模量存在差異，使得位錯(cuò)切過納米相后自身能量發(fā)生變化而產(chǎn)生模量；位錯(cuò)切過納米相相后會(huì)生成新的界面，從而引起了化學(xué)強(qiáng)化。當(dāng)位錯(cuò)切過納米相會(huì)使得沉淀相產(chǎn)生錯(cuò)配，引起應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)相互作用從而產(chǎn)生共格強(qiáng)化。引起的這四種強(qiáng)化機(jī)制，會(huì)有效提高中錳鋼的強(qiáng)度。而無納米相的殘余奧氏體，在變形過程中會(huì)提高材料塑性。這樣使得這種含銅納米相強(qiáng)化中錳鋼既擁有了較高的強(qiáng)度也有著良好塑性，因此其強(qiáng)塑積可達(dá)到30GPa％以上。

本發(fā)明鋼強(qiáng)塑積高，工藝可控性強(qiáng)，符合第三代汽車用鋼設(shè)計(jì)要求，且容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1(a)為實(shí)施例固溶1小時(shí)的金相照片。

圖1(b)為實(shí)施例時(shí)效0.5小時(shí)的金相照片。

圖2(a)為小角中子散射測(cè)試各個(gè)時(shí)效時(shí)間納米相擬合曲線圖。

圖2(b)為小角中子散射測(cè)試各個(gè)時(shí)效時(shí)間納米相尺寸和數(shù)量密度變化圖。

圖3為實(shí)施例固溶和時(shí)效各個(gè)時(shí)間段鐵素體和殘余奧氏體硬度變化曲線。

圖4為實(shí)施例固溶1小時(shí)和時(shí)效0.5小時(shí)的力學(xué)性能曲線對(duì)比。

具體實(shí)施方式

下面舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。

該實(shí)施例的化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為：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。

該實(shí)施例的制造工藝如下：

(1)熔煉：按照本發(fā)明合金元素設(shè)計(jì)成分及重量百分比進(jìn)行稱重配料后，在超高真空氬氣保護(hù)電弧熔煉爐中進(jìn)行，6次熔煉并添加磁攪拌混合均勻，吸鑄成尺寸為20mm的棒材，鑄件在充滿循環(huán)水的銅模中快速冷卻得到鑄態(tài)合金。進(jìn)入下一步待用；

(2)鋼錠加熱溫度為900℃，加熱時(shí)間為0.5小時(shí)，進(jìn)行8道次軋制，每道次開軋溫度為1000℃、終軋溫度為850℃，每道次軋下量為5％，每道次間在900℃退火5分鐘；

(3)熱處理為固溶處理和時(shí)效處理，固溶溫度為900℃，保溫時(shí)間1小時(shí)，時(shí)效溫度為500℃，保溫時(shí)間為0.5小時(shí)。

經(jīng)過固溶處理1小時(shí)后的含銅納米相強(qiáng)化中錳鋼，顯微結(jié)構(gòu)為多邊形鐵素體和少量殘余奧氏體(見圖1(a))。時(shí)效處理0.5h后的含銅納米相強(qiáng)化中錳鋼，顯微結(jié)構(gòu)為條狀鐵素體和條狀殘余奧氏體(見圖1(b))。圖2(a)為小角中子散射測(cè)試中錳鋼時(shí)效各個(gè)時(shí)間擬合曲線，圖2(b)為擬合后得到的納米相尺寸和數(shù)量密度隨時(shí)效時(shí)間的變化曲線。隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，納米相顆粒尺寸逐漸增加，到達(dá)50小時(shí)尺寸最大為5.8nm，數(shù)量密度卻逐漸下降。這表明納米相的形成以及隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸長(zhǎng)大和粗化的現(xiàn)象。對(duì)比時(shí)效0.5小時(shí)與固溶1小時(shí)的顯微結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)時(shí)效過程不僅僅形成了納米相，而且殘余奧氏體的含量也在逐漸增加。從圖3硬度變化曲線可以看出，鐵素體硬度隨時(shí)效逐漸發(fā)生變化，而殘余奧氏體幾乎不變。這表明納米相形成于鐵素體中，而殘余奧氏體中無納米相。固溶1小時(shí)和時(shí)效0.5小時(shí)的力學(xué)性能見圖3，可以看出固溶1小時(shí)其抗拉強(qiáng)度為1050MPa,斷后延伸率為25％。而時(shí)效0.5小時(shí)后其抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1440MPa,斷后延伸率為28％，強(qiáng)塑積為40GPa％。因此，擁有納米相的鐵素體與無納米相的殘余奧氏體相結(jié)合，既提高中錳鋼的強(qiáng)度也保證了良好塑性。