一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法

本发明涉及金属合金材料制造，具体是涉及一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法。

背景技术：

1、轻质高强钢在电子产品领域具有广阔的应用前景。随着人们对轻薄、高性能的电子产品需求不断增加，轻质高强钢作为一种优质材料，具有重要的应用潜力。在未来，随着科技进步和材料研发的不断推进，轻质高强钢有望在电子产品中得到更广泛的应用，尤其是在手机、平板电脑、笔记本电脑等便携式设备中，其优异的结构稳定性、轻量化设计、抗腐蚀性能和耐磨性，可以为电子产品提供更好的保护和性能表现。更重要的是，随着轻质高强钢的研究不断取得突破，尤其是超低密度轻质高强钢的研发，有望推动电子产品制造业迈向新的发展阶段。

2、现有技术的铁锰铝碳轻质高强钢具有以下问题需要解决：一是由于高铝导致铁锰铝碳轻质高强钢材料的塑性极差，断后伸长率较低，二是在屈服强度较大前提下，材料的密度较大，导致其性能不佳。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法。

2、一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、按照质量百分比为：c为0.4～2.2％、al为8～15％、mn为25～36％、ti为0.1～5％，nb为0.01～0.5％，余量为fe；取锰、铝、石墨、钛、铁及铌的原料，然后机械破碎、筛分备用；

4、s2、将原料进行超声清洗、干燥，然后将铁放入真空电弧熔炼炉中；

5、s3、将真空电弧熔炼炉的熔炼腔内的压力抽至0～20pa，再在熔炼腔内充入氩气进行熔炼，熔炼腔内压力保持在0.02～40kpa，控制真空电弧熔炼炉中的电极下端与铁的间距为50～70mm，将熔炼功率升至20～50kw，直至铁熔化；

6、s4、铁熔化形成熔体后，保持2～3min，加入锰、铝、石墨、钛及铌，进行熔炼，全部熔化后得到金属熔体，将金属熔体的温度在1620～1680℃中，静置5～10min；

7、s5、将所述金属熔体浇入铸锭模具中，静置后冷却得到钢锭；当钢锭温度降低至预设温度t℃时，恒温保持静置1～2h，然后在真空电弧熔炼炉内充入氩气至压力恢复至大气压，充入氩气的同时冷却降温至20～25℃后取出，即得到所述铁锰铝碳轻质高强钢。

8、说明：上述方法得到的材料属于超低密度轻质高强钢，其密度介于5.9～6.7g/cm3，比传统轻质高强钢更轻，可降低构件的重量。尽管其密度低，但其具有很高的强度和刚度，可以承受较大的拉力和压力，保证结构的安全；同时，通过上述组分和熔炼工艺处理，该材料还具有出色的韧性，受力时可以发生塑性变形而不易断裂，提高结构的安全性，此外，该材料还具备良好的抗腐蚀性能，在潮湿、腐蚀性环境中的使用寿命更长。总的来说，该材料具有高强韧、高耐蚀和超低密度的特性，成分简单可控，成本低廉，可以成为许多领域中替代传统钛材、钢材的理想选择。

9、进一步地，所述原料采用电解锰、铝板、石墨、纯钛、工业纯铁及工业铌。

10、说明：上述原料为常见的原材料。

11、进一步地，原料中锰、铝、钛铁及铌机械破碎并筛分后粒径为5～20mm，原料中石墨粒径为2～3mm。

12、说明：上述原料的粒径设定，能够使后续的熔融过程得到的微观结构更好，进而使得到的合金材料的各项力学性能较好。

13、进一步地，所述超声波清洗采用的清洗剂为质量浓度为95～99％的酒精。

14、说明：上述清洗剂为常见的清洗材料。

15、进一步地，步骤s4中，加入原料的顺序为电解锰、铝块、石墨、纯钛、工业铌或铝块、电解锰、石墨、纯钛、工业铌，加料的间隔时间为13～30s。

16、说明：通过上述添加顺序的可选择性，能够利用锰、铝对钢材料的扩大奥氏体区、时效现象等作用，进而使得到的钢材料强度、塑性、韧性等功能有所区别，可以拓宽钢材料的应用领域。

17、进一步地，步骤s5中铸锭模具为钢锭模或石墨模具。

18、进一步地，步骤s3与步骤s5中充入的氩气纯度为99.9～99.999％

19、进一步地，步骤s5中，充入氩气的速度为1～1.5l/min，降温速度为4～7℃/min。

20、说明：上述的参数设定可以减少钢锭的缩松区范围。

21、进一步地，步骤s5中，所述预设温度t通过预测公式确定，

22、所述预测公式为：t＝912-a×w(mn)+b×w(al)-c×w(c)+d×w(ti)，

23、其中，w(mn)为铁锰铝碳轻质高强钢中mn的质量百分比，w(al)为铁锰铝碳轻质高强钢中al的质量百分比，w(c)为铁锰铝碳轻质高强钢中c的质量百分比，w(ti)为铁锰铝碳轻质高强钢中ti的质量百分比；

24、当加入原料顺序为电解锰、铝块、石墨、纯钛、工业铌时，系数a的取值范围为35～50，系数b的取值范围为21～25，在所述铁锰铝碳轻质高强钢的w(ti)≥2w(c)时，系数c的取值范围为320～360，系数d的取值范围为300～350；在所述铁锰铝碳轻质高强钢的w(ti)＜2w(c)时，系数c的取值范围为150～200，系数d的取值范围为200～210；

25、当加入原料顺序为铝块、电解锰、石墨、纯钛、工业铌时，系数a的取值范围为55～72，系数b的取值范围为30～35，在所述铁锰铝碳轻质高强钢的w(ti)≥2w(c)时，系数c的取值范围为370～380，系数d的取值范围为270～290；在所述铁锰铝碳轻质高强钢的w(ti)＜w(c)时，系数c的取值范围为210～230，系数d的取值范围为215～220。

26、说明：上述温度的设定，能够根据原料的顺序不同，对临界点温度进行区别设定，既能使含钛的铁锰铝碳轻质高强钢保持以奥氏体为主、铁素体为辅的基体组织，同时还可析出少量亚微米级别的强化相—κ-碳化物、b2相，获得强度高且韧性好的一种材料。κ-碳化物、b2相充分发挥析出强化和弥散强化作用，既保留了铁锰铝碳轻质高强钢的韧性,又提高了铁锰铝碳轻质高强钢的强度及抗腐蚀性能。

27、本发明的有益效果是：

28、本发明通过原料组分配比能够进一步提升合金的强度、降低密度，提高其抗拉伸和抗压性能、改善轻质高强钢的耐磨性，使材料更加耐久，同时可以提高钢材的冲击韧性，增加其抗冲击能力，延长材料的使用寿命。通过原料的添加及其制备方法能够利用钛充当晶粒细化剂，有助于细化轻质高强钢的组织，提高强度、塑性和加工性能。综合来看，本发明方法可以降低合金密度、提升材料性能并拓展合金的应用领域。

技术特征：

1.一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，其特征在于，所述原料采用电解锰、铝板、石墨、纯钛、工业纯铁及工业铌。

3.如权利要求1所述的一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，其特征在于，原料中锰、铝、钛、铁及铌机械破碎并筛分后粒径为5～20mm，原料中石墨粒径为2～3mm。

4.如权利要求1所述的一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，其特征在于，所述超声波清洗采用的清洗剂为质量浓度为95～99％的酒精。

5.如权利要求1所述的一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，其特征在于，步骤s4中，加入原料的顺序为电解锰、铝块、石墨、纯钛、工业铌或铝块、电解锰、石墨、纯钛、工业铌，加料的间隔时间为13～30s。

6.如权利要求1所述的一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，其特征在于，步骤s5中铸锭模具为钢锭模或石墨模具。

7.如权利要求1所述的一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，其特征在于，步骤s3与步骤s5中充入的氩气纯度为99.9～99.999％。

8.如权利要求1所述的一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，其特征在于，步骤s5中，充入氩气的速度为1～1.5l/min，降温速度为4～7℃/min。

9.如权利要求1所述的一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，其特征在于，步骤s5中，所述预设温度t通过预测公式确定，

技术总结本发明公开了一种含钛的铁锰铝碳轻质高强钢的制备方法，该铁锰铝碳钢的化学元素成分及其质量百分比为：C 0.4～2.2％、Al 8～15％、Mn 25～36％、Ti 0.1～5％、Nb 0.01～0.5％，余量为Fe；该材料密度介于5.9～6.7g/cm<supgt;3</supgt;，比传统轻质高强钢更轻、密度低，钛、铌元素还可以充分发挥微合金强化作用，使得该材料具有较高的强度和优异的耐腐蚀性能，能够满足现代工业对材料强度和耐久性的要求；本发明的制备方法简单易行，可以实现大规模生产，提高生产效率、降低成本。此外，本发明材料的应用范围广泛，可以在汽车、航空航天、建筑等领域发挥重要作用，为相关行业的发展带来新的机遇和挑战；尤其对于5G电子产品的轻量化设计提供了新的解决方案，有助于推动5G设备迈向新的台阶。技术研发人员：刘世锋,黄睿,王岩,魏瑛康,王建勇,张亮亮,贾文鹏受保护的技术使用者：西安建筑科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2