一种降低Fe-12Mn-8.5Al-0.8C低密度钢芯部缩孔缩松的工艺的制作方法

一种降低fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢芯部缩孔缩松的工艺
技术领域
1.本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种降低fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢芯部缩孔缩松的工艺。


背景技术：

2.我国汽车保有量逐年俱增，汽车尾气排放的一氧化碳、一氧化氮、碳氢化合物等污染物导致大气中的pm2.5超标，严重影响空气环境质量。研究表明，一辆汽车的自重每减少10％，其燃油消耗可以减少1％至8％，尾气排放可降低5％至1％；而每减少1l的燃油消耗，会少排放2.45kg的二氧化碳。由于节能环保的需要，汽车轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。有研究表明，钢材的密度仅需降低10％就可以保持甚至显著提高钢材在汽车工业中应用的优越性和竞争力。
3.从材料选择角度出发，目前汽车轻量化途径主要有两条：一是使用轻质材料，例如使用低密度的铝及铝合金、镁及镁合金、工程塑料等，但此类轻质材料由于自身强度很低，严重限制了在汽车受力及承重部件中的应用。二是使用超高强度钢替代传统钢材，降低钢板厚度以减轻车身重量，但高强钢板成形后容易产生回弹，回弹量远大于传统低碳钢板，而且材料特性描述较为复杂很难得到控制。上世纪30年代ton和korter首次提出了低密度钢的概念，他们在铁中加入相对分子质量较低的锰和铝元素组成fe-mn-al系低密度钢，并做出了淬火后的相图。1958年ham和cairns开发出了成本低廉的fe-34mn-10al-0.71c奥氏体低密度钢，其抗拉强度达到了750mpa。cr-ni系不锈钢需要加入大量铬和镍等金属，而当时世界上95.1％的铬在南非和津巴布韦这两个国家，铬成为了极稀缺元素，铬、镍元素的加入造成不锈钢生产成本很高。新开发出的奥氏体低密度钢具有优良耐腐蚀性和抗氧化性，低密度钢不仅有成本上的优势，同时还有密度低的发展潜力，ham等人提出使用廉价fe-mn-al系低密度钢替代价格昂贵的cr-ni不锈钢，这成为上世纪50年代汽车工业及钢铁工业领域热门课题。进入20世纪90年代以来，环境污染问题备受人们的关注，各个领域对于节能、轻量化的要求越来越高。实现轻量化一种有发展潜力的研发思路是：开发出一种集低密度与高强韧兼备的钢种—低密度钢(low-density steel)，因此低密度钢又成为各国热门研究的课题。有学者指出，把一定量铝、锰、硅和碳等轻量化元素加入钢中，在合金成分及热处理工艺优化的基础上，可以得到一种低密度和高强韧兼备的新型钢种，这样就可以在不牺牲汽车结构件强度与刚度的前提下有效减轻汽车自身重量。据相关研究可知，在fe-mn-al-c系低密度钢中，当al含量为2.5％-1.0％时，钢的密度小于7.5g/cm3，减重为4.5％；当al含量为1.0％-10.0％时，钢的密度可小于7.2g/cm3，减重可大于8.3％；当al含量为10.0％-15.0％时，钢的密度可小于1.5g/cm3，减重可达到17.2％。
4.专利文献cn104928519a公布了一种800mpa级高延展性的低密度钢及其制造方法，该方法通过采用冶炼、铸造、热轧、酸洗、冷轧及连续退火工艺制备了一种抗拉强度＞800mpa，断后延伸率＞25％的钢板，但方法是通过轧制变形的手段改善低密度钢的综合力学性能，并且该方法制备的低密度钢工艺复杂，使低密度的生产成本增加，影响低密度钢在
轻量化中的使用。专利文献cn104174109a公开了一种低密度fe-mn-al-c系冷轧汽车用钢板及制备方法，该方法需要经过锻造、热轧等工艺来提高钢板的性能，其制备工艺复杂，在轻量化应用中会严重受到限制。
5.现有fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢在冶金过程中由于合金元素含量较高，铸锭易出现成分偏析及芯部缩孔、缩松等冶金缺陷，严重影响该材料的综合力学性能。


技术实现要素：

6.为克服现有方法的不足，本发明提供一种降低fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢芯部缩孔缩松并提高其力学性能的工艺。本发明所使用的fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢具有良好的强度与塑性，使其应用范围更加广泛。该工艺通过高温均匀化处理、两次快锻墩拔及去应力退火等步骤有效降低了fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢的冶金缺陷，提升了材料的综合力学性能，使fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢在汽车轻量化应用中起到了更加重要的作用。
7.本发明采用的技术方案如下:一种降低fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢芯部缩孔缩松的工艺，所述工艺包括以下步骤：
8.a、真空感应炉冶炼：
9.将合金原料除稀土元素成分外按照成分配比装入真空感应炉坩埚，对真空感应炉坩埚抽真空；随后通电将合金原料完全熔化，在钢液精炼阶段将稀土元素成分加入到钢液中，在出钢前对fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢的成分进行检测并微调，经成分检测合格后即可浇铸出钢，并获得一定直径的铸锭；
10.b、高温均匀化处理：
11.以真空感应炉熔炼获得一定直径的铸锭为基锭，进行高温均匀化处理并保温；
12.c、两次墩粗拔长：
13.将完成高温均匀化处理的铸锭在预定温度下保温预定时间，待铸锭温度均匀后出炉；利用压力机将整支铸锭进行第一次墩粗，第一次墩粗完成后立即进行第一次拔长；
14.将完成第一次墩粗拔长的铸锭回炉在相同预定温度下保温的预定时间，待铸锭温度均匀后出炉进行第二次墩拔，利用压力机整支铸锭进行第二次墩粗，第二次墩粗完成后立即进行第二次拔长，然后滚圆至一定直径规格的铸锭；第二次墩粗拔长完成后缓冷至室温；
15.d、去应力退火处理：
16.将两次墩粗拔长后的铸锭进行去应力退火处理。
17.进一步地，出钢浇铸温度为150011100℃；浇铸成直径为200mm1250 mm的铸锭；真空感应炉坩埚抽真空至100 1300pa。
18.进一步地，出钢浇铸温度为1550℃，浇铸成直径为230mm的铸锭；真空感应炉坩埚抽真空至100pa。
19.进一步地，高温均匀化处理温度为1200 11300℃，保温时间为10 115h。
20.进一步地，高温均匀化处理温度为1250℃，保温时间为15h。
21.进一步地，高温均匀化处理后的铸锭进行冷却，之后扒皮精修成直径2001230mm的铸锭。
22.进一步地，高温均匀化处理后的铸锭进行冷却，之后扒皮精修成直径200mm的铸
锭。
23.进一步地，将完成均匀化处理的铸锭在1100 11150℃保温1 12h；将完成第一次墩粗拔长的铸锭回炉在1100 11150℃保温1 12h。
24.进一步地，第一次墩粗拔长和第二次墩粗拔长过程中，墩粗压下率控制在20％150％，拔长压下率控制在10％120％，并控制铸锭温度≥1050℃。
25.进一步地，墩粗完成后立即进行拔长，然后滚圆至180 1200mm直径规格的铸锭。
26.进一步地，去应力退火处理在蓄热式步进加热炉中进行，蓄热式步进加热炉的加热温度设置为500 1550℃，保温时间为3 15h。
27.进一步地，将两次墩粗拔长后的铸锭进行去应力退火处理，两次墩粗拔长后的铸锭表面温度和心部温度均控制在
±
5℃以内。
28.本发明具有以下有益效果:本发明设计的工艺对fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢高温均匀化处理、墩拔及去应力退火处理的工艺参数进行了严格的控制，最终使fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢的抗拉强度≥800mpa，屈服强度≥500mpa，断后伸长率≥30％，使fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢具备良好的综合力学性能；同时，该工艺处理后的铸锭芯部没有目视可见的缩孔、缩松、气泡、裂纹或夹杂等缺陷，组织均匀，质量良好。
29.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1示出了本发明实施例fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢经高温均匀化处理、二次墩拔及去应力退火处理后的低倍组织图；
32.图2示出了本发明对比例制备的低密度铸钢经熔炼、浇铸及热处理后的低倍组织图。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明涉及一种降低fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢芯部缩孔缩松的工艺，所述工艺包括以下步骤：
35.a、真空感应炉冶炼：
36.将合金原料除稀土元素成分外按照成分配比装入真空感应炉坩埚，对真空感应炉坩埚抽真空；随后通电将合金原料完全熔化，在钢液精炼阶段将稀土元素成分加入到钢液
中，在出钢前对fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢的成分进行检测并微调，经成分检测合格后即可出钢浇铸，并获得一定直径的铸锭；
37.b、高温均匀化处理：
38.以真空感应炉熔炼获得一定直径的铸锭为基锭，进行高温均匀化处理并保温；
39.c、两次墩粗拔长：
40.将完成高温均匀化处理的铸锭在预定温度下保温预定时间，待铸锭温度均匀后出炉；利用压力机将整支铸锭进行第一次墩粗，第一次墩粗完成后立即进行第一次拔长；
41.将完成第一次墩粗拔长的铸锭回炉在相同预定温度下保温的预定时间，待铸锭温度均匀后出炉进行第二次墩拔，利用压力机整支铸锭进行第二次墩粗，第二次墩粗完成后立即进行第二次拔长，然后滚圆至一定直径规格的铸锭；第二次墩粗拔长完成后缓冷至室温；
42.d、去应力退火处理：
43.将两次墩粗拔长后的铸锭进行去应力退火处理。
44.上述工艺中，通过使用真空感应炉对合金原料进行熔化、精炼，在真空条件下，没有空气和炉渣污染，金属不易挥发氧化，能够精准地控制和调整fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢的化学成分。同时真空冶炼也创造了良好的去气的条件，同时熔池中存在一定的电磁搅拌，可以促进钢水成分和温度均匀，使钢中的夹杂物上浮，从而得到高品质的fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢铸锭。在此过程中，出钢浇铸温度过低容易发生水口堵塞，浇铸中断；铸锭表面容易产生结疱、夹渣、裂纹等缺陷；非金属夹杂不易上浮，影响铸坯内在质量。出钢浇铸温度过高的危害：耐火材料侵蚀加快，易导致铸流失控，降低浇铸安全性；增加非金属夹杂，影响板坯内在质量；铸坯柱状晶发达；中心偏析加重，易产生中心线裂纹。
45.上述工艺中，高温均匀化处理是将fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢铸锭加热至低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除枝晶偏析及化学成分不均匀现象的热处理工艺。由于工业生产条件下冷却速度较快，fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢铸锭冷凝后的组织处于不同程度的非平衡状态，主要表现为产生枝晶偏析，由于偏析的存在，造成铸锭各部分的成分相差较大，从而使相变过程产生差异，它将导致大型铸锭组织与性能极不均匀。同时产生很大的组织应力，偏析形成的带状组织将导致低密度钢的机械性能严重恶化。均匀化处理的目的就是消除铸锭在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，并可以使粗大的初生相溶入到基体中，使fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢成分和组织均匀化，提高材料的强韧性。当高温均匀化处理温度低于1200℃达不到消除枝晶偏析及均匀化学成分的效果；当高温均匀化处理温度高于1300℃将加速晶粒粗大，降低材料的力学性能。
46.上述工艺中，两次快锻墩拔可以增加铸锭心部等效应变，增加缩孔、缩松焊合率，降低中心缩孔缩松对铸锭质量的影响。
47.上述工艺中，去应力退火处理可以消除铸锭在锻造过程中的残留应力，提高铸锭尺寸稳定性，防止工件变形和开裂，细化晶粒并消除过热缺陷。
48.下面将通过具体实施例详细阐述上述工艺。
49.实施例
50.一种降低fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢芯部缩孔缩松的工艺，该工艺包括以下步骤：
51.a、将合金原料除稀土元素成分(ce)外按照表1所示的成分配比装入真空感应炉坩埚，抽真空至100pa；随后通电将合金原料完全熔化，在钢液精炼阶段将稀土元素成分加入到钢液中，在出钢前对fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢的成分进行检测并微调，经成分检测合格后即可出钢，出钢浇铸温度为1550℃，浇铸成直径为230mm的铸锭，该铸锭的主要成分及其含量见表1。
52.表1fe－12mn－8.5al－0.8c低密度钢成分含量表(质量百分数/％)
53.元素mnalconhpscefe含量12.08.50.80.0020.0030.00010.0080.0020.002余量
54.b、以真空感应炉熔炼获得的直径为230mm的铸锭为基锭进行高温均匀化处理，高温均匀化处理温度为1250℃，保温时间为15h；之后将高温均匀化处理完成的铸锭进行冷却，然后扒皮精修成直径200mm的铸锭；
55.c、将完成高温均匀化处理的铸锭在1150℃保温2h，待铸锭温度均匀后出炉进行第一次墩拔。利用10t压力机将整支铸锭进行第一次墩粗，第一次墩粗完成后立即进行第一次拔长，第一次墩粗压下率在20％150％之间，第一次拔长压下率在10％120％之间，在第一次墩粗及第一次拔长过程中保证铸锭温度≥1050℃；
56.将完成第一次墩拔完的铸锭回炉在1150℃保温1h，待铸锭温度均匀后出炉进行第二次墩拔。利用10t压力机整支铸锭进行第二次墩粗，第二次墩粗完成后立即进行第二次拔长，第二次墩粗压下率在20％150％之间，第二次拔长压下率在10％120％之间，然后滚圆至直径为200mm规格的锭子，在第二次墩粗拔长的过程中保证铸锭温度≥1050℃，第二次墩拔完缓冷至室温；
57.d、将两次墩粗拔长后的锭子进行去应力退火处理，去应力退火在蓄热式步进加热炉中进行，蓄热式步进加热炉温度应当控制好，温度误差小，加热温度设置为500℃，锭子表面温度和心部温度均控制在
±
5℃以内，保温时间为3h。
58.图1为上述实施例fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢经高温均匀化处理、二次墩拔及去应力退火处理后的低倍组织图，由图1可以看出，铸锭芯部没有目视可见的缩孔、缩松、气泡、裂纹或夹杂等缺陷，组织均匀，质量良好。
59.经测试，上述实施例fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢的抗拉强度为812mpa，屈服强度为198mpa，断后伸长率为37％。
60.本发明通过试验对fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢高温均匀化处理、墩拔及去应力退火处理的工艺参数进行了严格的控制，最终使fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢的抗拉强度≥800mpa，屈服强度≥500mpa，断后伸长率≥30％，使fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢具备良好的综合力学性能。
61.对比例
62.a、配料：以高纯生铁棒、电解锰、硅铁块、钛铁块、钒铁块、铌铁块、纯铝粒、增碳剂为原料，按照所述的fe-mn-al-c系低密度铸钢所需进行配料；
63.b、造型：采用水玻璃砂造型，用吹二氧化碳的方法硬化砂型，然后在砂型内壁涂刷涂料，烘干后等待浇注备用；
64.c、熔炼：在常压、温度为1500～1100℃下，在中频感应电炉内对配料进行熔炼，得到合金钢液体；
65.d、浇注：再次提高中频感应电炉的功率，将温度升到1550～1150℃后出钢；脱氧、除渣后将合金钢液体浇注到砂型中，空冷获得铸件；
66.e、热处理：铸件的热处理在马弗炉内进行，先进行固溶处理，固溶温度为700～1300℃，保温10min～5h；采用水作为淬火介质，淬火介质初始温度10～50℃；淬火后5h内进行时效处理，时效温度为300～100℃，保温1～10h，空冷，最后得到低密度铸钢。
67.图2示出了本发明对比例制备的低密度铸钢经熔炼、浇铸及热处理后的低倍组织图；从图2中可以看出，对比例的制备方法得到的低密度铸钢存在缩孔、缩松缺陷。
68.经测试，上述对比例制备的低密度铸钢最终其抗拉强度为735mpa，屈服强度103mpa，断后伸长率35.31％，均低于通过本发明的工艺方法制备得到的fe-12mn-8.5al-0.8c低密度钢的抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率。
69.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。