CN114561517A - 一种低密度高塑韧性钢及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低密度高塑韧性钢及其制备方法和应用，属于奥氏体不锈钢技术领域。本发明复合添加Nb、Ti元素，通过生成(Nb,Ti)(C,N)抑制晶界碳化物的析出，合理调配Al、C、Si和Mn轻量化元素以及Cr、Cu和N强化元素，有效降低了钢的密度，同时保证试验钢具有较高强度，并兼顾塑韧性，使钢具有良好的综合力学性能，本发明提供的低密度高塑韧性钢基体组织为奥氏体，Mn、C元素极大地提高奥氏体组织稳定性并保证其低磁性。同时，由于Nb、Ti元素加入改善了晶界碳化物的析出情况，促进低密度高强奥氏体钢强度和塑韧性的配合。

Description

一种低密度高塑韧性钢及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及奥氏体不锈钢技术领域，尤其涉及一种低密度高塑韧性钢及其制备方法和应用。
背景技术
随着社会经济的快速发展，钢铁材料作为最重要的结构材料之一，能耗过高带来的生态环境污染问题也日益严重。其解决方案，一方面是采用清洁能源代替燃油动力，另一方面是通过交通运载装备减重从而减轻油耗与污染，因此，交通运载装备及结构件轻量化是节能环保的一个重要举措。为此，Fe-Mn-Al-C系低密度钢主要通过Al、C等轻量元素降低钢材密度，成本相较于铝、镁、钛等轻金属及其合金材料和复合材料等新型材料具有较大优势。当Al、C含量加入过多的时候，Fe-Mn-Al-C系低密度钢会产生一种κ碳化物析出相。它弥散分布时显著提高钢的屈服强度，分布于晶界时会对钢材塑韧性有不利影响。
中国发明专利CN104711494B公开的“低密度高塑性NiAl增强超高强度钢及制备方法”，该合金的化学组成成分重量百分比如下：0.5～1.5％C、15～25％Mn、7～10％Al、5～15％Ni、0～5％Cr、0～0.2％Nb，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。该低密度高强钢Ni的大量加入与Al生成了NiAl金属间化合物，降低了Al对密度的贡献，因此密度大，并且NiAl相具有较大的磁性，未控制析出形态的NiAl相和κ碳化物会影响其冲击韧性，其屈强比为0.89～0.95，延伸率仅为10％～20％，冲击功低。
中国发明专利CN 112899579A公开了一种耐腐蚀高强轻质钢及制备方法，其成分质量百分数：1.4～1.7％C、25～30％Mn、10～12％Al、3～5％Cr、0.05～0.1％Nb、≤0.03％S、≤0.03％P，余量为Fe及不可避免的杂质。虽然其Al含量较高、密度较低，但因C、Al过高而易形成δ相和沿晶κ脆性相，其塑性和冲击性能均不足。
因此，获得兼具轻质化、高强塑韧性和低磁性等多项性能一体化的钢铁材料，将具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低密度高塑韧性钢及其制备方法和应用，解决了现有奥氏体体钢低密度、高强度与低磁性能难以兼顾的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种低密度高塑韧性钢，以质量百分含量计，包括以下化学组分：Mn29～33％，Al 10.70～11.30％，C 1.15～1.19％，Si 0.01～0.20％，Cr 4.00～5.90％，Cu0.50～1.20％，Nb 0.01～0.30％，Ti 0.01～0.30％，N 0.05～0.10％，P≤0.012％，S≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质；同时，Mn、Al、C、Nb和Ti的质量百分比数值满足0.0098Al+0.208(C-(Nb+Ti)/5)+0.0054Mn-0.6＜0；且Al和C的质量百分比数值满足105Al+356C×C-700＞800。
本发明提供了上述技术方案所述低密度高塑韧性钢的制备方法，包括以下步骤：
将所述低密度高塑韧性钢对应的原料混合，依次进行冶炼和浇注，得到铸锭；
将所述铸锭进行控温轧制，得到轧件；
将所述轧件依次进行淬火处理、固溶处理和低温时效处理，得到低密度高塑韧性钢。
优选的，所述浇注的温度为1380～1500℃；所述浇注后，将所得铸件进行冷却，所述冷却的冷速为5～8℃/h。
优选的，进行所述控温轧制前，将所述铸锭以25～35℃/h的升温速度加热至1150～1190℃保温4h以上；所述控温轧制的条件包括：开轧温度为1120～1140℃，以6～20mm的道次压下量进行轧制，终轧温度≥1000℃。
优选的，所述淬火处理的条件包括：冷速≥25℃/s，入水温度≥980℃，终冷温度≤100℃。
优选的，所述固溶处理的温度为940～1100℃，保温时间为1～5h；完成所述固溶处理后，将所得固溶件水冷至室温，所述水冷的速度为15～50℃/s。
优选的，所述低温时效处理的温度为450～550℃，保温时间为3～6h。
优选的，得到所述铸锭后，还包括：将所述铸锭以20～25℃/h的升温速度加热至1110～1150℃，进行保温；所述保温的时间≥10h，进行锻造成形；所述锻造成形包括依次进行的整形、展宽、拔长和整形；终锻温度≥970℃。
优选的，所述锻造成形的过程中，当锻件发生温降至950℃时，回炉升温至1110～1150℃，进行保温，所述保温的时间≥1h。
本发明提供了上述技术方案所述低密度高塑韧性钢或上述技术方案所述制备方法制备得到的低密度高塑韧性钢在高强韧性或无磁***通运载装备中的应用。
本发明提供了一种低密度高塑韧性钢，本发明复合添加Nb、Ti元素，通过生成(Nb,Ti)(C,N)抑制晶界碳化物的析出，合理调配Al、C、Si和Mn轻量化元素以及Cr、Cu和N强化元素，有效降低了钢的密度，同时保证试验钢具有较高强度，并兼顾塑韧性，使钢具有良好的综合力学性能，本发明提供的低密度高塑韧性钢基体组织为奥氏体，Mn、C元素极大地提高奥氏体组织稳定性并保证其低磁性。同时，由于Nb、Ti元素加入改善了晶界碳化物的析出情况，促进低密度高强奥氏体钢强度和塑韧性的配合。本发明所得钢的密度ρ≤6.55g/cm3，相对磁导率μr≤1.150，屈服强度ReL≥830MPa，抗拉强度Rm≥980MPa，延伸率A5≥40％，-40℃KV2≥60J。
本发明提供了所述低密度高塑韧性钢的制备方法，本发明采用冶炼铸锭、控温轧制、在线淬火，离线固溶和低温时效处理；能够生成(Nb,Ti)(C,N)抑制晶界碳化物析出，并调控加工工艺获得组织均匀的高强高韧新型低磁轻质奥氏体钢。
进一步的，本发明的低密度奥氏体钢经过冶炼铸锭、锻造成形、控温轧制、直接淬火和离线固溶后，通过较长时间低温时效处理，改善奥氏体晶粒大小及形态、抑制晶界κ碳化物析出等，保证综合力学性能，适宜应用在对断裂要求高的军民两用结构钢等重要领域，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例2制备的低密度高塑韧性钢的冲击断口SEM图；
图2为实施例5制备的低密度高塑韧性钢的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种低密度高塑韧性钢，以质量百分含量计，包括以下化学组分：Mn29～33％，Al 10.70～11.30％，C 1.15～1.19％，Si 0.01～0.20％，Cr 4.00～5.90％，Cu0.50～1.20％，Nb 0.01～0.30％，Ti 0.01～0.30％，N 0.05～0.10％，P≤0.012％，S≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质；同时，Mn、Al、C、Nb和Ti的质量百分比数值满足0.0098Al+0.208(C-(Nb+Ti)/5)+0.0054Mn-0.6＜0；且Al和C的质量百分比数值满足105Al+356C×C-700＞800。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
以质量百分含量计，本发明提供的低密度高塑韧性钢包括Mn 29～33％，优选为30～32％，进一步优选为31％。Mn是奥氏体稳定化元素，能够扩大奥氏体相区、缩小铁素体相区、抑制κ脆性相。同时Mn起到固溶强化的作用，相应提高钢的加工硬化率。较高的Mn含量有利于获得单相奥氏体组织，从而改善钢的塑韧性。本发明钢将Mn含量限定为29～33％，避免锰含量增加，导致钢的晶粒粗大化，且热导率急剧下降、线胀系数上升，导致工作加热或冷却时形成较大内应力，显著增大开裂倾向、恶化热加工性。
以质量百分含量计，本发明提供的低密度高塑韧性钢包括Al 10.70～11.30％，优选为10.9～11.2％。Al显著降低钢的密度，每添加1％的Al使密度降低0.101g/cm3，密度ρ≤6.5g/cm3需要添加11.4％以上的Al，同时Al显著提高钢的耐腐蚀性能和强度。本发明将Al含量限定为11.40～11.90％，避免过多铁素体形成元素Al含量导致缩小奥氏体区间、促进δ、κ脆性相，降低塑韧性。
以质量百分含量计，本发明提供的低密度高塑韧性钢包括C1.15～1.19％，优选为1.16～1.18％。C是非常显著的奥氏体稳定化和固溶强化元素，提高C含量，可以调控奥氏体双相钢的组织并提高强度。本发明将C含量限定为1.09～1.14％％，避免过多的C与Mn、Al形成沿晶κ脆性相，从而不利于钢的塑韧性。
以质量百分含量计，本发明提供的低密度高塑韧性钢包括Si 0.01～0.20％，优选为0.05～0.15％，更优选为0.1％。Si是有效的脱氧元素和固溶强化元素，提高Si含量，可减少钢中氧化物夹杂、相应减轻点蚀，同时提高强度。本发明将Si含量限定为0.70～1.00％，避免过多的Si降低碳在奥氏体中的溶解度，使δ相和κ碳化物数量增多，冲击韧性相应下降。
以质量百分含量计，本发明提供的低密度高塑韧性钢包括Cr4.00～5.90％，优选为4.5～5.8％，进一步优选为4.9～5.3％。Cr：固溶处理时大部分Cr溶入奥氏体，提高钢稳定性，并在冷却时抑制沿晶κ碳化物，增加Cr含量可同时提高塑韧性。本发明将Cr含量限定为2.00～3.90％％，避免过多的Cr增加沿晶析出的网状碳化物，而降低冲击韧性与塑韧性。
以质量百分含量计，本发明提供的低密度高塑韧性钢包括Cu 0.50～1.20％，优选为0.6～1.1％。Cu具有类似于Ni的提高耐蚀性效果，本发明将Cu含量限定为0.50～1.20％，避免过多的Cu和Al形成CuAl的B2相，降低钢的塑韧性。
以质量百分含量计，本发明提供的低密度高塑韧性钢包括Nb 0.01～0.30％，优选为0.2％。Nb是强碳化物形成元素，高温下易形成细小的Nb(C,N)，可有效钉扎晶界而细化晶粒，抑制κ碳化物析出，从而有利于提高塑韧性。本发明将Nb的含量限定为0.01～0.30％，避免过多的Nb增加沿晶析出的网状碳化物，反而降低冲击韧性与塑韧性。
以质量百分含量计，本发明提供的低密度高塑韧性钢包括Ti 0.01～0.30％，优选为0.2％。Ti与C有极强的亲和力，强碳化物形成元素，具有细化强化，析出强化含量过高降低C在奥氏体中的扩散速率，降低奥氏体中C含量，导致机体稳定性下降。因此，本发明设定Ti的质量百分比含量为0.01～0.30％。
以质量百分含量计，本发明提供的低密度高塑韧性钢包括N 0.05～0.10％，优选为0.06～0.09％，进一步优选为0.07％。N是γ形成元素，加锰对于形成奥氏体并不非常有效，但是添加锰可以使更多的氮溶解到不锈钢中，而氮正是一种非常强的奥氏体形成元素。N元素间隙固溶强化和稳定奥氏体组织的作用比碳要大得多，所以既大大提高了钢的强度，又保持了很好的塑韧性。本发明设定N的质量百分比含量为0.05～0.10％，避免N元素过多生成AlN夹杂物，不利于性能提升。
以质量百分含量计，本发明提供的低密度高塑韧性钢包括P≤0.012％，S≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质。P是所述钢中的有害元素，因所述钢的高碳含量降低了P在奥氏体中的溶解度，易沿晶析出薄膜状磷化物，引起工件热裂，并降低钢的塑韧性。因此，本发明将P的含量控制为≤0.012％。S易形成MnS夹杂物，增加热脆性，降低塑韧性，本发明钢将S的含量控制为≤0.003％。
本发明提供了上述技术方案所述低密度高塑韧性钢的制备方法，包括以下步骤：
将所述低密度高塑韧性钢对应的原料混合，依次进行冶炼和浇注，得到铸锭；
将所述铸锭进行控温轧制，得到轧件；
将所述轧件依次进行淬火处理、固溶处理和低温时效处理，得到低密度高塑韧性钢。
本发明将所述低密度高塑韧性钢对应的原料混合，依次进行冶炼和浇注，得到铸锭。本发明对所述原料的具体种类没有特殊的限定，根据本领域熟知的原料选择即可；在本发明的实施例中，具体为金属锰(纯度≥95.0％)、铝豆(含量≥99.0％)、增碳剂(C含量98.5％～99.0％)和工业纯铁(纯度为99.99％)。
在本发明中，所述冶炼优选采用真空感应炉冶炼或电弧炉-精炼炉-真空脱气炉三联法冶炼，所述精炼炉进行精炼的时间优选≥30min，所述真空脱气炉进行真空脱气的时间优选为10～30min。
本发明对所述冶炼的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。在本发明的实施例中，将相应配比所需原料置入真空感应熔炼炉的镁砂坩埚中，降低炉内真空度至(1.7～2)×10-2Pa，更优选为(1.8～1.9)×10-2Pa，完全熔解高纯铁后充入高纯氩气作为保护气体至(3～3.2)×104Pa，更优选为3.1×104Pa，所述熔炼的过程中进行搅拌，冶炼得到钢液。
在本发明中，所述浇注的温度优选为1380～1500℃，更优选为1420～1446℃，进一步优选为1430～1441℃；本发明优选在模铸的同时进行惰性气体保护浇注。浇注完成后，本发明优选静置1h后冷却至室温，脱模，得到铸锭；所述冷却的冷速优选为5～8℃/h，更优选为6～7℃/h。本发明对所述浇注所用模具没有特殊的限定，本领域熟知的对应模具均可。
得到铸锭后，本发明将所述铸锭切除冒口后直接进行控温轧制，或者将所述铸锭锻造成形后，再进行控温轧制。
当本发明将所述铸锭锻造成形后，再进行控温轧制时，先将所述铸锭以20～25℃/h的升温速度加热至1110～1150℃，保温后，进行锻造成形；所述保温的时间优选≥10h，更优选为14～16h；本发明进行保温直至铸锭充分均匀化，再进行锻造成形。
在本发明中，所述锻造成形优选包括依次进行的整形、展宽、拔长和整形；始锻温度优选为1080～1110℃；终锻温度优选≥970℃，更优选为976～983℃；所述锻造成形的过程中，当锻件发生温降至950～965℃时，回炉升温至1110～1150℃，更优选为1120～1140℃，进行保温直至锻成适合于轧制的板状坯料，所述保温的时间≥1h。本发明对所述适合于轧制的板状坯料的判断标准没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程判定即可。
锻造成形结束后，本发明优选将所得板坯缓冷至室温，将所得锻造坯料切除冒口后，进行控温轧制。本发明对所述缓冷至室温的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述控温轧制的过程优选包括：以25～35℃/h的升温速度加热至1150～1190℃保温4h以上，使试件完全均匀后出炉，进行轧制，开轧温度优选为1120～1140℃，以6～20mm的道次压下量进行轧制，终轧温度优选≥1000℃。在本发明中，所述升温速度更优选为29～33℃/h，更优选为30℃/h；加热温度优选为1160～1180℃，更优选为1170℃，开轧温度优选为1120～1130℃；道次压下量优选为10～18mm，进一步优选为12～16mm，终轧温度优选为1020～1044℃，更优选为1030～1040℃。
得到轧件后，本发明将所述轧件依次进行淬火处理、固溶处理和低温时效处理，得到低密度高塑韧性钢。
在本发明中，所述淬火处理的方式优选为在线淬火处理；本发明优选将所述轧件直接送入层流水或水槽，进行淬火处理；所述淬火处理的条件优选包括：冷速≥25℃/s，更优选为26～30℃/s，入水温度≥980℃，优选为984～992℃，更优选为985～990℃，终冷温度≤100℃，更优选为44～～68℃，进一步优选为50～53℃。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选为940～1100℃，更优选为1050～1000℃，保温时间优选为1～5h，更优选为2～4h，进一步优选为2.5～3h；完成所述固溶处理后，将所得固溶件水冷至室温，所述水冷的速度优选为15～50℃/s，更优选为23～42℃，进一步优选为25℃。
在本发明中，所述低温时效处理的温度优选为450～550℃，更优选为480～500℃，保温时间优选为3～6h，更优选为4～5h。完成所述低温时效处理后，本发明优选将所得钢空冷至室温，得到低密度高塑韧性钢。
本发明提供了上述技术方案所述低密度高塑韧性钢或上述技术方案所述制备方法制备得到的低密度高塑韧性钢在高强韧性或无磁***通运载装备中的应用。本发明对所述应用的方法没有特殊的限定，按照本领域熟知的方法应用即可。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1～5
选取金属锰(纯度≥95.0％)、铝豆(含量≥99.0％)、增碳剂(C含量98.5％～99.0％)和工业纯铁(纯度为99.99％)为原料，按下表1成分进行配料冶炼试验钢作为实施例1～5。
实施例1～5的成分设计中，为保证密度指标，Mn、Al、C的重量百分比数值皆满足8.15-0.101Al-0.41C-0.0085Mn＜6.61；为控制κ碳化物，Al、C、V、Nb、Mn的重量百分比数值皆满足0.0098Al+0.208(C-(Nb+V)/5)+0.0054Mn-0.6＜0。
表1实施例1～5和对比例1～3的成分
成分 Mn Al C Si Cr Cu Nb Ti N P S Fe
实施例1 30 10.9 1.18 0.1 4.5 0.1 0.2 0.3 0.07 0.010 0.002 余量
实施例2 29 11.2 1.15 0.05 4 1 0.1 0.1 0.06 0.007 0.002 余量
实施例3 32 10.7 1.17 0.1 4.9 0.6 0.2 0.3 0.06 0.012 0.001 余量
实施例4 31 10.9 1.16 0.15 5.3 1.1 0.1 0.2 0.07 0.011 0.001 余量
实施例5 31 11 1.15 0.19 5.8 1.1 0.3 0.2 0.09 0.008 0.003 余量
对比例1 30 10 1 0.1 4 0.1 0.2 0.010 0.002 余量
对比例2 28 10 0.9 4 0.008 0.002 余量
对比例3 32 8 1 0.15 3 0.2 0.1 0.07 0.010 0.001 余量
实施例1
根据表1中实施例1成分将相应配比所需原料置入真空感应熔炼炉的镁砂坩埚中，降低炉内真空度至2×10-2Pa，在完全熔解高纯铁后充入高纯氩气作为保护气体至3×104Pa，所述熔炼的过程中进行搅拌，冶炼得到钢液。将得到的钢液注入铸铁模具中，钢水浇注温度在1420℃，在模铸的同时进行惰性气体保护浇注，浇注后1h出炉冷却，以8℃/h冷至室温，脱模，得到钢铸锭；
控温轧制：将所述钢铸锭以升温速率33℃/h加热到1180℃并保温，保温时间为4h，随后进行多道次轧制变形，热轧的开轧温度为1120℃，道次压下量为18mm，热轧的终轧温度为1040℃；
轧后试件直接入层流水冷，入水温度为990℃，冷速为26℃/s，冷至53℃，得到热轧态低密度钢奥氏体钢板；
固溶：将得到的低密度钢热轧钢板在1100℃下保温2h后水冷至室温，水冷速度为23℃/s，得到固溶态低密度奥氏体钢；
时效工艺：将得到的低密度钢热轧钢板在450℃下保温5h后空冷至室温，得到低温时效态低密度奥氏体钢。
实施例2
根据表1实施例2成分将相应配比所需原料置入真空感应熔炼炉的镁砂坩埚中，降低炉内真空度至1.9×10-2Pa，在完全熔解高纯铁后充入高纯氩气作为保护气体至3.1×104Pa，所述熔炼的过程中进行搅拌，冶炼得到钢液。将得到的钢液注入铸铁模具中，钢水浇注温度在1441℃，在模铸的同时进行惰性气体保护浇注，浇注后1h出炉冷却，以5℃/h冷至室温，脱模得到低密度钢铸锭。
控温轧制：将得到的低密度钢锻坯以升温速率30℃/h加热到1170℃并保温，保温时间为4h，随后进行多道次轧制变形，热轧的开轧温度为1130℃，道次压下量为16mm，热轧的终轧温度为1020℃。
轧后直接入层流水冷，入水温度为980℃，冷速为25℃/s，冷至68℃，得到热轧态低密度钢奥氏体钢板。
固溶工艺：将得到的低密度钢热轧钢板在1050℃下保温4h后水冷至室温，水冷速度要求在25℃/s，得到固溶态低密度奥氏体钢。
时效工艺：将得到的低密度钢热轧钢板在500℃下保温4h后空冷至室温，得到低温时效态低密度奥氏体钢。
实施例3
根据表1实施例3成分将相应配比所需原料置入真空感应熔炼炉的镁砂坩埚中，降低炉内真空度至1.8×10-2Pa，在完全熔解高纯铁后充入高纯氩气作为保护气体至3×104Pa，所述熔炼的过程中进行搅拌，冶炼得到钢液。将得到的钢液注入铸铁模具中，钢水浇注温度在1430℃，在模铸的同时进行惰性气体保护浇注，浇注后1h出炉冷却，以7℃/h冷至室温，脱模得到低密度钢铸锭。
控温轧制：将得到的低密度钢锻坯以升温速率35℃/h加热到1190℃并保温，保温时间为4h，随后进行多道次轧制变形，热轧的开轧温度为1120℃，道次压下量为10mm，热轧的终轧温度为1029℃。
轧后直接入层流水冷，入水温度为985℃，冷速为30℃/s，冷至44℃，得到热轧态低密度钢奥氏体钢板。
固溶工艺：将得到的低密度钢热轧钢板在1100℃下保温1h后水冷至室温，水冷速度要求在15℃/s，得到固溶态低密度奥氏体钢。
时效工艺：将得到的低密度钢热轧钢板在550℃下保温3h后空冷至室温，得到低温时效态低密度奥氏体钢。
实施例4
根据表1实施例4成分将相应配比所需原料置入真空感应熔炼炉的镁砂坩埚中，降低炉内真空度至2×10-2Pa，在完全熔解高纯铁后充入高纯氩气作为保护气体至3.1×104Pa，所述熔炼的过程中进行搅拌，冶炼得到钢液。将得到的钢液注入铸铁模具中，钢水浇注温度在1444℃，在模铸的同时进行惰性气体保护浇注，浇注后1h出炉冷却，以8℃/h冷至室温，脱模得到低密度钢铸锭；
锻造成形工艺：将得到的低密度钢铸锭以22℃/h的升温速度加热到1150℃并保温，保温时间为14h，按整形、展宽、拔长和整形的工序进行锻造成形，始锻温度为1110℃，当锻件发生温降至965℃时，回炉升温至1140℃，保温1h再出炉继续锻造，终锻温度为983℃，锻后直接冷却至室温得到低密度钢锻坯；
控温轧制：将得到的低密度钢锻坯以升温速率25℃/h加热到1160℃并保温，保温时间为4h，随后进行多道次轧制变形，热轧的开轧温度为1130℃，道次压下量为6mm，热轧的终轧温度为1044℃。
轧后直接入层流水冷，入水温度为992℃，冷速为26℃/s，冷至50℃，得到热轧态低密度钢奥氏体钢板。
固溶：将得到的低密度钢热轧钢板在940℃下保温5h后水冷至室温，水冷速度要求在50℃/s，得到固溶态低密度奥氏体钢。
时效：将得到的低密度钢热轧钢板在450℃下保温6h后空冷至室温，得到低温时效态低密度奥氏体钢。
实施例5
根据表1实施例5成分将相应配比所需原料置入真空感应熔炼炉的镁砂坩埚中，降低炉内真空度至1.7×10-2Pa，在完全熔解高纯铁后充入高纯氩气作为保护气体至3.2×104Pa，所述熔炼的过程中进行搅拌，冶炼得到钢液。将得到的钢液注入铸铁模具中，钢水浇注温度在1446℃，在模铸的同时进行惰性气体保护浇注，浇注后1h出炉冷却，以6℃/h冷至室温，脱模得到低密度钢铸锭。
锻造成形：将得到的低密度钢铸锭以25℃/h的升温速度加热至加热到1110℃并保温，保温时间为16h，按整形、展宽、拔长和整形的工序进行锻造成形，始锻温度为1080℃，当锻件发生温降至959℃时，回炉升温至1120℃，保温1h再出炉继续锻造，终锻温度为976℃，锻后直接冷却至室温得到低密度钢锻坯。
控温轧制：将得到的低密度钢锻坯以升温速率29℃/h加热到1150℃并保温，保温时间为4h，随后进行多道次轧制变形，热轧的开轧温度为1140℃，道次压下量为20mm，热轧的终轧温度为1030℃。
轧后直接入层流水冷，入水温度为984℃，冷速为27℃/s，冷至60℃，得到热轧态低密度钢奥氏体钢板。
固溶：将得到的低密度钢热轧钢板在1000℃下保温2.5h后水冷至室温，水冷速度要求在42℃/s，得到固溶态低密度奥氏体钢。
时效：将得到的低密度钢热轧钢板在480℃下保温4h后空冷至室温，得到低温时效态低密度奥氏体钢。
对比例1
根据表1对比例1成分将相应配比所需原料置入真空感应熔炼炉的镁砂坩埚中，降低炉内真空度至2×10-2Pa，在完全熔解高纯铁后充入高纯氩气作为保护气体至3×104Pa，所述熔炼的过程中进行搅拌，冶炼得到钢液。
将得到的钢液注入铸铁模具中，钢水浇注温度在1483℃，在模铸的同时进行惰性气体保护浇注，浇注完成后1h脱模，以7℃/h的冷速缓冷至室温得到低密度钢铸锭；
将得到的低密度钢铸锭进行重熔，电渣选用合适的渣系，设定电渣融速9kg/min，熔炼过程中采用氩气作为保护气，电渣锭脱模后以5℃/h的冷速缓冷至室温得到低密度钢电渣锭；
将得到的低密度电渣锭以36℃/h的升温速度缓慢加热到1150℃并保温，保温时间为14h，始锻温度为1100℃，终锻温度为983℃，低于此温度时回炉升温至1160℃，加热时间为1.5h，直到锻成适合于轧制的板状坯料，锻后直接冷却至室温得到低密度钢锻坯；
将得到的低密度钢锻坯以42℃/h的升温速度缓慢加热到1160℃并保温，保温时间为5h，随后进行多道次轧制变形，热轧的开轧温度为1120℃，并控制轧制变形的道次压下量为12,mm，热轧的终轧温度986℃，轧后直接水冷至室温，冷速27℃/s，终冷温度70℃，得到热轧态低密度奥氏体钢板；
将得到的低密度钢热轧钢板在1050℃下保温1h后水冷至室温，水冷速度要求在15℃/s，得到固溶态低密度奥氏体钢；
对比例2
根据表1对比例2成分将相应配比所需原料置入真空感应熔炼炉的镁砂坩埚中，降低炉内真空度至1.9×10-2Pa，在完全熔解高纯铁后充入高纯氩气作为保护气体至3×104Pa，所述熔炼的过程中进行搅拌，冶炼得到钢液。
将得到的钢液注入铸铁模具中，钢水浇注温度在1400℃，在模铸的同时进行惰性气体保护浇注，浇注完成后1h脱模，以7℃/h的冷速缓冷至室温得到低密度钢铸锭；
将得到的低密度钢铸锭进行重熔，电渣选用合适的渣系，设定电渣融速6kg/min，熔炼过程中采用氩气作为保护气，电渣锭脱模后以5℃/h的冷速缓冷至室温得到低密度钢电渣锭；
将得到的低密度电渣锭以39℃/h的升温速度缓慢加热到1140℃并保温，保温时间为11h，始锻温度为1100℃，终锻温度为984℃，低于此温度时回炉升温至1140℃，加热时间为1.5h，直到锻成适合于轧制的板状坯料，锻后直接冷却至室温得到低密度钢锻坯；
将得到的低密度钢锻坯以43℃/h的升温速度缓慢加热到1170℃并保温，保温时间为4h，随后进行多道次轧制变形，热轧的开轧温度为1130℃，并控制轧制变形的道次压下量为10mm，热轧的终轧温度982℃，轧后直接水冷至室温，冷速32℃/s，终冷温度77℃，得到热轧态低密度奥氏体钢板；
将得到的低密度钢热轧钢板在950℃下保温3h后水冷至室温，水冷速度要求在20℃/s，得到固溶态低密度奥氏体钢；
对比例3
根据表1实施例成分将相应配比所需原料置入真空感应熔炼炉的镁砂坩埚中，降低炉内真空度至1.8×10-2Pa，在完全熔解高纯铁后充入高纯氩气作为保护气体至3×104Pa，所述熔炼的过程中进行搅拌，冶炼得到钢液。
将得到的钢液注入铸铁模具中，钢水浇注温度在1420℃，在模铸的同时进行惰性气体保护浇注，浇注完成后1h脱模，以5℃/h的冷速缓冷至室温得到低密度钢铸锭；
将得到的低密度钢铸锭进行重熔，电渣选用合适的渣系，设定电渣融速9kg/min，熔炼过程中采用氩气作为保护气，电渣锭脱模后以7℃/h的冷速缓冷至室温得到低密度钢电渣锭；
将得到的低密度电渣锭以37℃/h的升温速度缓慢加热到1140℃并保温，保温时间为12h，始锻温度为1100℃，终锻温度为986℃，低于此温度时回炉升温至1140℃，加热时间不少于1.5h，直到锻成适合于轧制的板状坯料，锻后直接冷却至室温得到低密度钢锻坯；
将得到的低密度钢锻坯以40℃/h的升温速度缓慢加热到1150℃并保温，保温时间为5h，随后进行多道次轧制变形，热轧的开轧温度为1120℃，并控制轧制变形的道次压下量为17mm，热轧的终轧温度985℃，轧后直接水冷至室温，冷速30℃/s，终冷温度40℃，得到热轧态低密度奥氏体钢板；
将得到的低密度钢热轧钢板在1100℃下保温2h后水冷至室温，水冷速度要求在20℃/s，得到固溶态低密度奥氏体钢。
表征及性能测试
1)图1为实施例2制备的低密度高塑韧性钢的冲击断口SEM图；由图1可知，钢材以密集的等轴韧窝组成，此种形貌可有效阻碍裂纹萌生和拓展，说明材料断裂韧性较好。
图2为实施例5制备的低密度高塑韧性钢的SEM图，由图2可知，单相奥氏体基体上均匀弥散的分布着(Ti,Nb)(C,N)，且晶界上没有沿晶的κ碳化物或其他脆性相，既有细晶强化、析出强化的效果，又具有较高的塑韧性。
2)分别从实施例1～5和对比例1～3制备的合金板上加工出标准拉伸试样，获得其力学性能相关数据如表2所示；从合金板上加工出标准冲击试样，进行-40℃低温冲击试验；从合金板上利用线切割取密度测试试样，利用阿基米德原理测定其密度值；其中，拉伸试验标准按照GBT 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》执行。GBT 229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行-40℃冲击试验。GB/T 3850-2015《致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法》测定密度。GB/T 3658-2008《软磁材料交流磁性能测量方法》测定磁性。
表2实施例1～5和对比例1～3制备的钢产品的性能数据
Figure BDA0003613074210000141
由实施例1～5及对比例1～3综合分析可得，由于对比例1缺少电渣重熔工艺、对比例2缺少电渣重熔和锻造工艺、对比例3中Al元素含量较低等差异，使得对比例出现晶粒尺寸不均匀性较大、晶界有较多析出相、晶粒中夹杂物较多等问题，其综合力学性能及密度不及本申请实施例1～5所制备的钢产品。且对比例2中C元素较低，生成铁素体磁性相，且未添加Ti、Nb等合金元素，无法用低磁相(Nb,Ti)(C,N)调控铁素体形态，导致磁性升高。对比例2、3中Al、C轻质元素含量低，材料密度也较高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低密度高塑韧性钢，其特征在于，以质量百分含量计，包括以下化学组分：Mn 29～33％，Al 10.70～11.30％，C 1.15～1.19％，Si 0.01～0.20％，Cr 4.00～5.90％，Cu0.50～1.20％，Nb 0.01～0.30％，Ti 0.01～0.30％，N 0.05～0.10％，P≤0.012％，S≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质；同时，Mn、Al、C、Nb和Ti的质量百分比数值满足0.0098Al+0.208(C-(Nb+Ti)/5)+0.0054Mn-0.6＜0；且Al和C的质量百分比数值满足105Al+356C×C-700＞800。
2.权利要求1所述低密度高塑韧性钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述低密度高塑韧性钢对应的原料混合，依次进行冶炼和浇注，得到铸锭；
将所述铸锭进行控温轧制，得到轧件；
将所述轧件依次进行淬火处理、固溶处理和低温时效处理，得到低密度高塑韧性钢。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述浇注的温度为1380～1500℃；所述浇注后，将所得铸件进行冷却，所述冷却的冷速为5～8℃/h。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，进行所述控温轧制前，将所述铸锭以25～35℃/h的升温速度加热至1150～1190℃保温4h以上；所述控温轧制的条件包括：开轧温度为1120～1140℃，以6～20mm的道次压下量进行轧制，终轧温度≥1000℃。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述淬火处理的条件包括：冷速≥25℃/s，入水温度≥980℃，终冷温度≤100℃。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为940～1100℃，保温时间为1～5h；完成所述固溶处理后，将所得固溶件水冷至室温，所述水冷的速度为15～50℃/s。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述低温时效处理的温度为450～550℃，保温时间为3～6h。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，得到所述铸锭后，还包括：将所述铸锭以20～25℃/h的升温速度加热至1110～1150℃，进行保温；所述保温的时间≥10h，进行锻造成形；所述锻造成形包括依次进行的整形、展宽、拔长和整形；终锻温度≥970℃。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述锻造成形的过程中，当锻件发生温降至950℃时，回炉升温至1110～1150℃，进行保温，所述保温的时间≥1h。
10.权利要求1所述低密度高塑韧性钢或权利要求2～9任一项所述制备方法制备得到的低密度高塑韧性钢在高强韧性或无磁***通运载装备中的应用。
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