本發(fā)明涉及低密度鋼及其粉末注射成形領(lǐng)域，特別涉及一種cr合金化低密度鋼、粉末、及復(fù)雜零件的制備方法。

背景技術(shù)：

1、低密度f(wàn)e-mn-al-c鋼由于較低的密度以及優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的耐蝕性、抗氧化性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在輕質(zhì)材料的應(yīng)用中越來(lái)越具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。低密度鋼基體可分為鐵素體、奧氏體以及鐵素體加奧氏體的雙相組織。鐵素體低密度鋼、奧氏體低密度鋼與雙相組織的低密度鋼相比，其強(qiáng)度和延伸率較差。而奧氏體基雙相鋼較鐵素體基雙相鋼具有更好的韌性，強(qiáng)塑積更高，最高可達(dá)80gpa.％。因此，目前對(duì)于低密度f(wàn)e-mn-al-c鋼的研究主要是以?shī)W氏體基雙相鋼為主。

2、高錳高鋁含量的奧氏體基雙相鋼由于具有較高的強(qiáng)度以及良好的塑性，有很高的應(yīng)用價(jià)值和研究潛力。奧氏體基雙相鋼鋼的主要元素為c、mn、al，也可添加其他微合金元素(如si、cr、ni、nb、v和mo等)以獲得一些特殊性能。研究表明，由于al本身較低的原子質(zhì)量，及其帶來(lái)的晶格參數(shù)的增加，每加入1％的al可使鋼的密度降低1.3％。在一定范圍內(nèi)增加al元素的含量，可促使奧氏體基雙相鋼上k型碳化物的形成，進(jìn)而提高鋼的強(qiáng)塑性。c和mn元素為奧氏體形成元素，可擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，提高奧氏體穩(wěn)定性。c的另一個(gè)作用是間隙固溶強(qiáng)化，每增加0.1wt％的c，鋼的屈服強(qiáng)度增加30～40mpa，但c含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致低密度鋼的成型性和焊接性惡化，一般奧氏體基雙相鋼的碳含量應(yīng)控制在1.5％以?xún)?nèi)。而mn含量過(guò)高時(shí)，容易在基體中形成β-mn的脆性相，不利于材料延伸率的提高。cr的添加能夠明顯提高奧氏體基雙相鋼鋼的高溫抗氧化和環(huán)境脆性，調(diào)控組織內(nèi)碳化物的析出。

3、目前，低密度鋼材料的密度普遍在6.5g/cm3～6.8g/cm3之間，減重效果有限。隨著產(chǎn)品輕量化需求的增加，在保證力學(xué)性能的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)減重效果更好的低密度鋼材料是科研工作者急需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種cr合金化低密度鋼，其在fe-mn-al-c合金的基礎(chǔ)上通過(guò)添加一定量的金屬cr，使得合金在燒結(jié)過(guò)程中能夠析出一定量的碳化物來(lái)提高燒結(jié)態(tài)的力學(xué)性能。使其密度≤6.4g/cm3，屈服強(qiáng)度≥900mpa，延伸率≥5％。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第一個(gè)目的的技術(shù)方案是：本發(fā)明中cr合金化低密度鋼，按重量百分比包括以下組分：13％≤mn≤43％，9％≤al≤15％，0.5％≤c≤1.5％，4％≤cr≤6％，余量為fe；

3、或者按重量百分比包括以下組分：13％≤mn≤43％，9％≤al≤15％，0.5％≤c≤1.5％，4％≤cr≤6％，余量為fe；

4、或者按重量百分比包括以下組分：3％≤mn≤43％，9％≤al≤15％，0.5％≤c≤1.5％，4％≤cr≤6％，不超過(guò)2％的微量元素，余量為fe；其中微量元素為cu、v、si、ti、zr、y、mo中的一種或者多種，并且添加微量元素的重量百分比滿(mǎn)足以下條件：0.1％≤cu≤1％，0.1％≤v≤1.5％，0.1％≤si≤1％，0.1％≤ti≤1％，0.1％≤zr≤1％，0.1％≤y≤1％，0.1％≤mo≤1％。

5、作為進(jìn)一步的具體方案，按重量百分比包括以下組分：13％≤mn≤43％，9％≤al≤15％，0.5％≤c≤1.5％，cr：5％，余量為fe；

6、或者按重量百分比包括以下組分：13％≤mn≤43％，9％≤al≤15％，0.5％≤c≤1.5％，cr：5％，cu：0.5％，b：0.1％余量為fe；

7、或者按重量百分比包括以下組分：mn：30wt％，al：11wt％，c：1.2wt％，4％≤cr≤6％，0.1％≤cu≤1％，0.1％≤v≤1.5％，0.1％≤si≤0.5％，0.1％≤ti≤0.5％，余量為fe；

8、或者按重量百分比包括以下組分：mn：30wt％，al：11wt％，c：1.2wt％，4％≤cr≤6％，0.1％≤zr≤0.5％，0.1％≤y≤0.5％，0.1％≤mo≤1％，0.1％≤ti≤0.5％，余量為fe。

9、作為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，按重量百分比包括以下組分：mn：30wt％，al：11wt％，c：1.2wt％，cr：5wt％，cu：0.3％，v：0.1％，si：0.1％，ti：0.5％，余量為fe；

10、或者按重量百分比包括以下組分：mn：30wt％，al：11wt％，c：1.2wt％，cr：6wt％，zr：0.1％，y：0.1％，mo：0.3％，ti：0.5％，余量為fe。

11、其中，mn與c元素為奧氏體穩(wěn)定元素，主要目的是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，得到奧氏體基的組織。al由于低的密度，除了減重的目的外，al還是鐵素體穩(wěn)定元素，能夠促進(jìn)析出一定量的鐵素體相，使得最終組織為奧氏體基雙相組織。cr能夠與c元素反應(yīng)生成相應(yīng)的碳化物，這些碳化物具有空間障礙效應(yīng)和熱穩(wěn)定性，能夠防止更多的c析出并穩(wěn)定殘留的c在晶粒界附近，從而提高材料的抗氧化性和環(huán)境脆性。

12、本發(fā)明通過(guò)分析不同組分對(duì)低密度鋼固態(tài)相變的影響，并明確了組分對(duì)低密度鋼性能影響的機(jī)理，具體分析過(guò)程如下：

13、mn是奧氏體穩(wěn)定元素，mn的加入可以提高奧氏體的含量和穩(wěn)定性，同時(shí)擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，還可使奧氏體能在較低溫度下形成，加快奧氏體晶粒的生長(zhǎng)速率，從而使δ-鐵素體破碎分布，達(dá)到提高塑性的目的。研究表明，mn含量低于13％時(shí)，在高溫下會(huì)有鐵素體單相區(qū)，而mn含量在43％時(shí)，奧氏體單相區(qū)最大。

14、al作為一種輕量化元素，可以大幅降低材料的密度，根據(jù)粗略計(jì)算，每12wt％的al加入可以使鋼的密度降低17％。其中原子質(zhì)量的減輕貢獻(xiàn)7％，導(dǎo)致的晶格膨脹效果占10％。另外，al作為一種鐵素體穩(wěn)定元素，增加al含量能夠提高鐵素體的穩(wěn)定性并抑制奧氏體單相區(qū)的形成，從而能提高奧氏體層錯(cuò)能、抑制γ→ε的轉(zhuǎn)變。al含量的增加會(huì)使奧氏體晶粒尺寸減小、鐵素體逐漸出現(xiàn)并增加，從而影響力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高，而斷后伸長(zhǎng)率和應(yīng)變硬化能力降低。而隨著al含量的增加，高溫下的bcc_a2相會(huì)通過(guò)有序化轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊嗟腷cc_b2相保留到室溫，硬脆的bcc_b2相對(duì)合金的力學(xué)性能是不利的。因此，為避免合金在固態(tài)相變中bcc_b2相的出現(xiàn)，al元素的含量應(yīng)低于15％。

15、在fe-mn-al-c鋼中，碳化物主要是以c元素和al元素共同反應(yīng)的k型碳化物為主，c元素不僅可促進(jìn)奧氏體形成還可通過(guò)固溶處理穩(wěn)定奧氏體相區(qū)保證其力學(xué)性能，c含量的增加有利于提高鋼的塑性、韌性及屈服強(qiáng)度。c含量在輕質(zhì)鋼中占比一般不超過(guò)1.5％。當(dāng)c含量增加過(guò)多時(shí)，鋼中碳化物會(huì)隨之增多，而其與奧氏體固溶時(shí)會(huì)使鋼的內(nèi)部產(chǎn)生空洞，影響鋼的性能。

16、cr的添加能夠明顯提高奧氏體雙相鋼鋼的高溫抗氧化和環(huán)境脆性，調(diào)控組織內(nèi)碳化物的析出，有利于改善低密度鋼材料的燒結(jié)塑形。在fe-mn-al-c鋼中，添加微量的合金元素有望進(jìn)一步改善其力學(xué)性能和機(jī)械性能。其中，v，ti元素通過(guò)與c形成mc型碳化物有望進(jìn)一步改善低密度鋼的力學(xué)性能；cu由于其良好的延展性，添加后有望改善其室溫塑形；si的加入有望進(jìn)一步改善其耐磨性；mn的加入有望進(jìn)一步改善其耐蝕性；稀土元素y的加入能夠與其中的o元素生成相應(yīng)的氧化物，通過(guò)抑制晶粒尺寸的長(zhǎng)大改善其力學(xué)性能。

17、本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種用于粉末注射成形工藝的cr合金化低密度鋼的粉末。

18、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第二個(gè)目的的技術(shù)方案是：本發(fā)明中cr合金化低密度鋼的粉末，包括根據(jù)上述的cr合金化低密度鋼的組分比例，經(jīng)冶煉合金化后，再粉末化形成用于粉末注射成形的粉末。

19、本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種cr合金化低密度鋼的復(fù)雜零件的制備方法，其基于粉末注射成形工藝，通過(guò)采用上述的低密度鋼，以及固溶-時(shí)效熱處理工藝，讓制備獲得低密度鋼復(fù)雜零件的密度更低，而強(qiáng)度更好。

20、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第三個(gè)目的的技術(shù)方案是：本發(fā)明中cr合金化低密度鋼的復(fù)雜零件的制備方法，包括以下步驟：

21、s1、根據(jù)上述的cr合金化低密度鋼的組分比例進(jìn)行冶煉，并制備成粉末；

22、s2、將粉末與高分子粘結(jié)劑進(jìn)行混煉，制備注射成形低密度鋼喂料；

23、s3、利用低密度鋼喂料，通過(guò)注射成形制備形成低密度鋼復(fù)雜零部件生坯；

24、s4、將低密度鋼復(fù)雜零部件生坯進(jìn)行脫脂獲得脫脂坯；

25、s5、將脫脂坯進(jìn)行燒結(jié)，獲得低密度鋼復(fù)雜零部件燒結(jié)坯。

26、進(jìn)一步，上述步驟s1中所制備的粉末粒徑范圍1～25μm，其中中位粒徑d50為8～10μm。

27、進(jìn)一步，上述步驟s2中所制備的低密度鋼喂料中，粘結(jié)劑的體積比為35％～45％，粘結(jié)劑的成分為：75％～80％的聚甲醛、5％～10％的聚乙烯、5％～10％的聚丙烯、3％～5％的潤(rùn)滑劑以及1％～3％的抗氧劑。

28、進(jìn)一步，上述步驟s4中所述的燒結(jié)溫度t，滿(mǎn)足以下條件：0.5tl≤t≤0.95tl，其中tl為金屬或合金的理論熔點(diǎn)溫度，燒結(jié)保溫時(shí)間為3～6h。

29、本發(fā)明具有積極的效果：本發(fā)明通過(guò)添加高錳高鋁制備的低密度鋼的燒結(jié)密度≤6.4g/cm3，屈服強(qiáng)度≥900mpa，延伸率≥5％。與現(xiàn)有低密度鋼材料相比，在力學(xué)性能差異不大的基礎(chǔ)上，材料密度進(jìn)一步降低了5％左右。