一种航天用奥氏体低密度钢及其热处理工艺的制作方法

本发明涉及低密度钢，特别是涉及一种fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢及其热处理工艺。

背景技术：

1、fe-mn-al低密度钢相比传统调质钢具有优秀的强韧性和更低的密度，通过改变al含量可以获得约8～20％的减重效果。在fe-mn-al低密度钢中，fe-mn-al奥氏体低密度钢具有最优异的力学性能，在具有高强度的同时还具有良好的低温韧性。目前fe-mn-al低密度钢主要应用于汽车行业，随着航天事业的发展，需要耐低温轻质材料以应对更低劣的低温环境，国内外逐渐开始探索fe-mn-al低密度钢在航天领域的应用。采用fe-mn-al低密度钢可以降低航天运动机构的重量，显著降低能耗。

2、c、al、mn对降低钢材密度均起到不同作用。每添加1wt.％的al，钢的密度下约1.3％；每添加1wt.％的c，钢的密度下降约5.2％；同时，钢中每添加1wt.％的mn含量也可使钢的密度下降约0.1％。本发明对c、al、mn主要轻量化元素进行合理化设计，同时添加mo、ti、nb等微合金元素在保证钢低密度的同时又能保持其高强度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢及其热处理工艺。以实现获得一种具有高强度且具有较高的低温韧性的fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案

3、本发明提供一种低温用fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低温用低密度钢化学成分按质量百分比计：c：1.00％～1.5％、mn：26.5％～30％、al：8.00％～11.00％、mo：0.4％～0.7％、ti：0.1％～0.30％、nb：0.1％～0.3％、p≤0.005，s≤0.003，n≤0.002，其余为fe和不可避免的杂质。

4、本发明还提供上述fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢制备方法，包括以下步骤。

5、配料：以纯铁、电解锰片、纯铝块、增碳剂、钼铁、海绵钛、铌铁为原料，按fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢所需进行配料；

6、熔炼：将配置好的纯铁、电解锰片、纯铝块、增碳剂、钼铁、海绵钛、铌铁加入真空感应熔炼炉中完成熔炼；

7、出钢:将钢液倒入模具中，空冷获得铸钢。

8、锻造：将铸钢加热后进行锻造，初锻温度为150～250℃，终锻温度为850～900℃。

9、热处理：利用箱式炉进行热处理。1100～1250℃固溶1～3h水冷后，450～700℃时效3～10h并空冷至室温。

10、作为本发明的进一步优选，配料中的增碳剂使用天然石墨或人工石墨。

11、作为本发明的进一步优选，锻造过程中最佳温度为900℃。

12、作为本发明的进一步优选，固溶处理的固溶温度为1200℃，固溶时间为2h。

13、作为本发明的进一步优选，时效处理的时效温度为500℃，时效时间为5h。

14、本发明fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢经固溶时效后得到弥散的ti、nb碳化物、κ碳化物和奥氏体基体组成。ti、nb碳化物、κ碳化物起到沉淀强化的作用。同时固溶在奥氏体基体的mo、ti、nb元素还会起到固溶强化的作用。

15、与传统合金结构钢相比，本发明具有以下优势：

16、1)本发明通过高al的合金设计，实现了显著的轻量化效果，相比传统结构钢密度降低约14.5～17.5％。同时al元素还可以提高其低温韧性。

17、2)本发明通过高mn的合金设计，提高了fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢奥氏体稳定性。同时高mn导致钢的层错能增大，变形方式由相变诱导塑性转变为孪晶诱导塑性。

18、3)本发明利用mo元素提高耐蚀性和微合金元素在钢中的溶解度。

19、4)本发明利用ti、nb的固溶强化提高强韧性，同时ti、nb会与c元素形成稳定的mc型碳化物，与基体中形成的κ碳化物共同钉扎晶界与位错。

20、5)本发明的fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢制备工艺简单，仅需要简单的固溶时效热处理工艺，即可得到高强度、高低温韧性的fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢。

技术特征：

1.一种航天用奥氏体低密度钢，是一种fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢，其他特征在于，化学成分按质量百分比计：c：1.00％～1.5％、mn：26.5％～30％、al：8.00％～11.00％、mo：0.4％～0.7％、ti：0.1％～0.30％、nb：0.1％～0.3％、p≤0.005、s≤0.003、n≤0.002，其余为fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种航天用奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为c：1.20％、mn：28.89％、al：9.03％、mo：0.48％、ti：0.19％、nb：0.15％、p≤0.005、s≤0.003、n≤0.002其余为fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种航天用奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为c：1.19％、mn：29.13％、al：9.12％、mo：0.51％、ti：0.19％、nb：0.16％、p≤0.005、s≤0.003、n≤0.002其余为fe和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的一种航天用奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为c：1.17％、mn：28.75％、al：10.79％、mo：0.48％、ti：0.18％、nb：0.14％、p≤0.005、s≤0.003、n≤0.002其余为fe和不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的一种航天用奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为c：1.42％、mn：28.89％、al：10.92％、mo：0.48％、ti：0.29％、nb：0.27％、p≤0.005、s≤0.003、n≤0.002其余为fe和不可避免的杂质。

6.根据权利要求1所述的一种航天用奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为c：1.05％、mn：28.89％、al：10.92％、mo：0.42％、ti：0.13％、nb：0.19％、p≤0.005、s≤0.003、n≤0.002其余为fe和不可避免的杂质。

7.根据权利要求1～6任一所述航天用奥氏体低密度钢进行的制备方法，其特征在于，按照设计的化学成分含量进行投料，熔炼，浇注成钢锭；将所述钢锭加热后锻造得到锻材；将锻材金相固溶处理和时效处理即可得到fe-mn-al-mo-ti-nb奥氏体低密度钢。

8.根据权利要求1～6任一所述航天用奥氏体低密度钢进行的制备方法，其特征在于，所述的加热温度为1100～1200℃，时间为3h。

9.根据权利要求1～6任一所述航天用奥氏体低密度钢进行的制备方法，其特征在于，初锻温度为150～250℃，终锻温度为850～900℃。

10.根据权利要求1～6任一所述航天用奥氏体低密度钢进行的制备方法，其特征在于，所述固溶温度为1100～1250℃，时间为1～3h；

技术总结
本发明公开了一种航天用奥氏体低密度钢及其热处理工艺，化学成分按质量百分比计：Mn：26.5％～30％、Al：8.00％～11.00％、C：1.00％～1.5％、Mo：0.4％～0.7％、Ti：0.1％～0.30％、Nb：0.1％～0.3％、P≤0.005，S≤0.003，N≤0.002，其余为Fe和不可避免的杂质。通过控制Fe‑Mn‑Al‑Mo‑Ti‑Nb奥氏体低密度钢中Mo、Ti、Nb等合金元素含量及其固溶时效热处理工艺，得到低温力学性能优异，且在低温下奥氏体具有高稳定性的Fe‑Mn‑Al‑Mo‑Ti‑Nb奥氏体低密度钢。本发明的低密度钢密度可达6.20～6.60g/cm<supgt;3</supgt;，与传统合金钢相比减重效果可达14.5～17.5％，抗拉强度可达800～1000MPa，延伸率可达50～65％，‑90℃冲击功可达80～90J。具有高强度和良好的低温韧性，在航天运动机构领域具有广泛的应用前景。

技术研发人员：刘钊,王玉,王亚飞,赵亮,张朝磊,闫建升
受保护的技术使用者：北京中技克美谐波传动股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21