[发明专利]高强度、高延展性以及高耐腐蚀性铁锰铝碳合金的成份设计及其处理方法

说明书

技术领域

本发明为一种铁-锰-铝-碳(Fe-Mn-Al-C)合金的成份设计及其处理方法，特别是指依照本发明所设计及制成的铁锰铝碳合金，同时能兼具有高强度、高延展性以及高耐腐蚀性等材料特性。 

背景技术

奥氏体型铁-锰-铝-碳(Fe-Mn-Al-C)四元合金，因具高强度以及高延展性的特性，深具应用潜力而引发广泛的研究。在此铁-锰-铝-碳合金系统中，锰和碳是稳定面心立方(Face-Centered Cubic,FCC)奥氏体相(austenite或γ-phase)的元素，而铝则是稳定体心立方(Body-Centered Cubic,BCC)铁氧体相(ferrite或α-phase)的元素。因此，将锰、铝和碳元素含量适当调配可使铁-锰-铝-碳的合金在室温具有完全奥氏体相结构。由先前的技艺知，成份在Fe-(26-34)wt.%Mn-(6-11)wt.%Al-(0.54-1.3)wt.%C范围的合金，在经980-1200℃固溶化热处理(solution heat-treatment，SHT)后淬火至室温水或冰水中，其显微结构为单一的奥氏体相，无任何的沉淀物(precipitate)。依合金成份含量不同，此铁锰铝碳四元合金在SHT后淬火的状态(as-quenched condition)下，其最高拉伸强度(ultimate tensile strength，UTS)介于814～993MPa之间，而屈服强度(yield strength，YS)介于423～552MPa，而伸长率(elongation，El)则介于72-50%之间。此一结果显示，虽然适当地调配铁、锰、铝和碳的组成含量，合金在淬火状态下可以具有单一奥氏体相结构，因而具有非常优异的延展性，但机械强度则偏低，故尚不能达到同时兼具有高强度和高延展性的目标。 

为了增进铁-锰-铝-碳合金的机械强度，将淬火后的铁-锰-铝-碳合金于450-650℃温度间进行时效(aging)处理，结果发现有十分致密细微的(Fe,Mn)₃AlC_x碳化物(又称κ′-碳化物)在奥氏体基地中共格(coherent)沉淀(precipitate)，κ′-碳化物具有有序面心立方(ordered FCC)L′1₂结构。因十分致密细微的κ′-碳化物在基地中沉淀而大幅提升材料的机械强度。由先前广泛研究知，κ′-碳化物的沉淀是铁-锰-铝-碳合金强化 最主要的原因。但富碳和铝的κ′-碳化物((Fe,Mn)₃AlC_x)于淬火后在含过饱和碳的奥氏体基地中沉淀时，涉及大量碳原子与相关合金元素的扩散过程，因此需要较长的时效处理时间，或较高的时效处理温度。由先前众多研究结果知，在550℃进行15～16小时的时效处理将可达到较佳的强度和延展性组合。其主要原因乃在此处理条件下奥氏体基地中的κ′-碳化物含量大幅增加，且尚无沉淀物在晶界中产生的故。依先前技艺研究可汇整而知，依合金成份的不同，经SHT处理淬火后的铁-锰-铝-碳合金，在550℃时效处理15～16小时后，可达到的UTS、YS和El分别介于1130～1220MPa、890～1080MPa和39～31.5%之间。惟若在450℃进行时效处理，欲达上述机械强度，时效时间需长达500小时以上；而在500℃进行时效处理则需时50～100小时。 

先前的技艺亦尝试延长在550-650℃时效处理的时间，但却发现除了在奥氏体基地中沉淀的致密细微的κ′-碳化物会持续成长之外，在晶界上亦会发生：γ→γ₀+κ反应(其中γ₀为碳缺乏(C-depleted)的γ相)『注：κ-碳化物与κ′-碳化物一样，均为具有有序面心立方L′1₂结构的(Fe,Mn)₃AlC_x碳化物，于奥氏体晶界上沉淀，较为粗大。一般将于基地内沉淀细微的(Fe,Mn)₃AlC_x碳化物称为κ′-碳化物，而于晶界上以较粗大颗粒沉淀的碳化物称为κ-碳化物，以示区别。』，γ→α+κ反应，γ→κ+β-Mn反应或γ→α+κ+β-Mn反应。因此，延长时效时间，将促成大颗粒沉淀物在晶界上沉淀，而导致合金的延展性大幅降低。 

下列参考文献(1)～(20)对于上述这些性质均有详细的描述。