一种高强度高韧性Fe-Mn-Al-V-C奥氏体低密度钢及其制备方法

本发明涉及一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢及其制备方法，属于金属材料。

背景技术：

1、随着人们对装备效能需求的不断提升，fe-mn-al-c系奥氏体低密度因具有低密度和高强度的优势，越来越受到人们的关注。奥氏体低密度钢固溶态屈服强度偏低，一般通过时效处理等方法在基体中弥散析出(fe,mn)3alc型纳米级κ-碳化物沉淀来强化，但κ-碳化物的大量析出容易造成韧性的损失。如果要获得优异的韧性，就需要抑制κ-碳化物的弥散析出，但这牺牲了强度。由此可见，fe-mn-al-c系奥氏体低密度很难同时具有高强度和高韧性。

2、现有技术中，对于提升奥氏体低密度钢的强塑性匹配进行了较多的研究，而针对同时提高强度和韧性的研究和成果却鲜有报道。中国专利申请cn115572885a公开了一种高韧性的低密度钢制备方法，复合添加多种微合金元素v、nb、mo、ti，形成高数密度和体积分数的晶界mc型碳化物保证精轧和固溶处理条件下获得显著的细晶，虽然-40℃冲击功kv2≥80j，但其屈服强度较低(≥650mpa)，未能达到高强高韧匹配的效果。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢及其制备方法，通过在fe-mn-al-c钢基础上添加了一定量的v，通过合适的固溶和较高温度的时效处理，使得κ-碳化物的析出受到抑制，而纳米级vc颗粒在基体上可以弥散析出，起到较好的析出强化作用，并对载荷作用下的裂纹扩展具有一定的阻碍作用，同时提高了钢的强度和韧性。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢的制备方法，以所述钢的总质量为100％计，化学成分及其质量百分比为：c 1.0～1.6wt％，al 8～10wt％，mn 22～30wt％，v 0.1～1.0wt％，nb≤0.1wt％，其余为fe及不可避免的杂质；

4、方法步骤包括：

5、(1)固溶：将铸造和热轧后的钢板在950～1100℃，保温1～3h进行固溶处理，在水中冷却至室温，得到固溶处理后的钢板；

6、(2)时效：将固溶处理后的钢板进行时效处理，在温度为700～900℃下，保温0.5～3h，在水中冷却至室温，得到一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢。

7、优选的，c的质量分数为1.2～1.5wt％。

8、优选的，v的质量分数为0.5～0.8wt％。

9、优选的，以所述钢的总质量为100％计，化学成分及其质量百分比为：c1.2～1.5wt％，al 8～10wt％，mn 22～30wt％，v 0.5～0.8wt％，nb≤0.1wt％，其余为fe及不可避免的杂质。

10、优选的，步骤(1)中，铸造和热轧后的钢板通过以下方法制备得到：按化学成分质量百分比称量选取原料，将原料进行真空熔炼和重熔，然后，在温度为1200±50℃下保温2～15h进行均匀化处理，最后进行热轧，始轧温度为1100～1150℃，终轧温度≥950℃，冷却至室温，得到铸造和热轧后的钢板。

11、优选的，冶炼时，按化学成分质量百分比称量选取原料，进行真空熔炼：将原料装入炉中，抽真空至真空度<50pa时，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度<1pa，温度为1600～1700℃时保温0.5～2h进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入炉内，通氩气保护，压强为100～150pa，加热至完全熔化后保温2～5h，得到重熔后的钢锭。

12、优选的，步骤(1)中，固溶温度为1000～1050℃，保温时间为1～2h。

13、优选的，步骤(2)中，时效温度为750～850℃，保温时间为1～2h。

14、本发明所述的一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢，通过以上方法制备得到。

15、有益效果：

16、(1)本发明所述一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢，该钢屈服强度≥1150mpa，抗拉强度≥1350mpa，-40℃夏比冲击功kv2≥60j，密度为6.7～6.9g/cm3，满足车辆等交通运输工具的轻量化需求，符合节能减排的发展理念。

17、(2)本发明所述一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢及其制备方法，该方法在fe-mn-al-c钢基础上添加了一定量的v，通过在1000～1050℃进行固溶处理，使基体中碳化物完全固溶在基体中形成过饱和固溶体，固溶温度过低会导致固溶不完全，温度过高会使得晶粒尺寸长大，影响强塑性。固溶后进行时效处理，时效温度严格控制在700～900℃，温度低于700℃，会诱发κ-碳化物在基体中形核，影响韧性，温度高于900℃超过vc颗粒的析出温度相区，vc难以形核长大，只有在700～900℃时效才能使得纳米级vc颗粒在基体上弥散析出，起到较好的析出强化作用，并对载荷作用下的裂纹扩展具有一定的阻碍作用，同时提高了钢的强度和韧性。

18、(3)本发明的成分设计依据如下：

19、c的主要作用是参与mc(m＝v、nb)碳化物析出强化，提高钢的强度。c还是重要的固溶强化元素，可促进奥氏体形成，同时有利于降低密度。随c含量增加，钢的强度可得到提升，但过高的c含量会导致钢材的塑韧性、焊接性能显著下降，冷脆性和时效敏感性增大。因此，本发明的c含量为1.0～1.6wt％，更优选为1.2％～1.5％。

20、mn是奥氏体稳定元素，mn的主要作用是促进基体奥氏体化。奥氏体组织可使钢保持较高的加工硬化率，改善塑性；但mn含量较高时，会导致脆性β-mn相形成使工件在快速加热和冷却过程中的开裂倾向增大，过低时，会出现铁素体相，降低延展性，因此，本发明的mn含量为22％～30％。

21、al的密度为2.7g/cm3，是降低钢的密度的主要元素，al含量过低会达不到降低钢材密度提高比强度的目的，但过高的al含量会促进铁素体形成，降低钢的塑性和韧性。所以，本发明的al含量为8％～10％。

22、nb能与c原子结合形成稳定的mc型碳化物在冶炼和铸造期间在晶界处形核钉扎晶界细化晶粒，并有效地降低κ-碳化物的析出驱动力，从而抑制其析出与长大。但nb含量过高时会导致mc型碳化物粗化，并在晶界处形成夹杂，降低材料的塑韧性。因此本发明的nb含量为≤0.1％。

23、v的加入会促进晶粒内vc纳米颗粒的析出，但是v含量过高会导致vc颗粒粗化，大大降低强化效果并恶化塑韧性，v含量过低产生的vc型碳化物不能在基体中弥散析出，强化效果不显著，因此本发明的v含量为0.1～1.0wt％，更优选为0.5％～0.8％。

技术特征：

1.一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢的制备方法，其特征在于：以所述钢的总质量为100％计，化学成分及其质量百分比为：c 1.0～1.6wt％，al 8～10wt％，mn22～30wt％，v 0.1～1.0wt％，nb≤0.1wt％，其余为fe及不可避免的杂质；

2.如权利要求1所述的一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢的制备方法，其特征在于：c的质量分数为1.2～1.5wt％。

3.如权利要求1所述的一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢的制备方法，其特征在于：v的质量分数为0.5～0.8wt％。

4.如权利要求1所述的一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢的制备方法，其特征在于：以所述钢的总质量为100％计，化学成分及其质量百分比为：c 1.2～1.5wt％，al 8～10wt％，mn 22～30wt％，v 0.5～0.8wt％，nb≤0.1wt％，其余为fe及不可避免的杂质。

5.如权利要求1所述的一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，铸造和热轧后的钢板通过以下方法制备得到：按化学成分质量百分比称量选取原料，将原料进行真空熔炼和重熔，然后，在温度为1200±50℃下保温2～15h进行均匀化处理，最后进行热轧，始轧温度为1100～1150℃，终轧温度≥950℃，冷却至室温，得到铸造和热轧后的钢板。

6.如权利要求5所述的一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢的制备方法，其特征在于：冶炼时，按化学成分质量百分比称量选取原料，进行真空熔炼：将原料装入炉中，抽真空至真空度<50pa时，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，在真空度<1pa，温度为1600～1700℃时保温0.5～2h进行精炼，充分脱氧后在氩气保护下进行合金化，然后浇注并在真空下冷却得到钢锭；再进行重熔：将钢锭放入炉内，通氩气保护，压强为100～150pa，加热至完全熔化后保温2～5h，得到重熔后的钢锭。

7.如权利要求1所述的一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，固溶温度为1000～1050℃，保温时间为1～2h。

8.如权利要求1所述的一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，时效温度为750～850℃，保温时间为1～2h。

9.如权利要求1所述的一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，固溶温度为1000～1050℃，保温时间为1～2h；步骤(2)中，时效温度为750～850℃，保温时间为1～2h。

10.一种高强度高韧性fe-mn-al-v-c奥氏体低密度钢，其特征在于：通过权利要求1～9任意一项所述方法制备得到。

技术总结
本发明涉及一种高强度高韧性奥氏体低密度钢及其制备方法，属于金属材料技术领域。所述钢的化学成分质量百分比为：C 1.0～1.6wt％，Al 8～10wt％，Mn 22～30wt％，V 0.1～1.0wt％，Nb≤0.1wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。该方法在Fe‑Mn‑Al‑C钢基础上添加了一定量的V，通过合适的固溶和较高温度的时效处理，使得κ‑碳化物的析出受到抑制，而纳米级VC颗粒在基体上可以弥散析出，起到较好的析出强化作用，并对载荷作用下的裂纹扩展具有一定的阻碍作用，同时提高了钢的强度和韧性。所述钢的屈服强度≥1150MPa，抗拉强度≥1350MPa，‑40℃夏比冲击功KV2≥60J，密度为6.6～6.9g/cm3。

技术研发人员：程兴旺,邱旭扬帆,王迎春,熊志平,曾凯伦
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27