[發明專利]一種4.2K溫度下適用的高錳型高韌鋼的制備方法

有效

• 申請號: 202111244686.5
• 申請日: 2021-10-26
• 公開（公告）號: CN113957353B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 陳俊;劉振宇;任家寬;王鵬杰;陳其源;李爽
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C22C38/04
• 分類號: C22C38/04;C22C38/02;C22C38/06;C22C38/16;C22C38/12;C22C38/38;C22C38/20;C22C38/24;C22C38/26;C21D8/02;C21D1/18
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本發明的一種4.2K溫度下適用的高錳型高韌鋼及其制備方法，屬于鋼鐵材料技術領域。高韌鋼化學成分按重量百分比為：C：0.40～0.68％，Si：0.18～0.54％，Mn：17.8～24.6％，Al：0～5.1％，Cr：0～5.4％，Cu:0～0.52％，V：0～0.27％，Nb：0～0.24％，P≤0.030％，S≤0.020％，余量為Fe和不可避免雜質；制法為：鑄錠經冶煉鑄造與均質化處理后，經軋制冷卻與熱處理，制得高錳型高韌鋼。相對于傳統極低溫領域奧氏體不銹鋼，該鋼極低溫沖擊韌性優越，并采用廉價Mn元素穩定奧氏體，代替Ni、Cr、Mo等貴重金屬，獲得單相奧氏體組織，極大降低合金成本，在核聚變反應堆的超導磁體、液氫/液氧火箭發動機低溫推進劑存儲等領域具有廣闊應用前景。

技術領域

本發明屬于鋼鐵材料技術領域，具體涉及一種4.2K溫度下適用的高錳型高韌鋼及其制備方法。

背景技術

隨著我國航天事業的發展，重型運載火箭動力系統的開發與研制已成為我國發展載人登月和大規模空間探測與應用的必然選擇，這也對研發大推力液氫/液氧火箭發動機提出了迫切需求；另一方面，在飛行器執行遠距離的飛行任務時，液氫/液氧低溫推進劑被認為是入軌及變軌最經濟、效率最高的化學推進劑之一。然而，與傳統的常規推進劑相比，低溫推進劑具有沸點低的特點，液氫沸點為20.4K，液氧沸點為90K，需要在耐極低溫的材料中存儲；此外，太空中又存在復雜熱環境的干擾，這對低溫推進劑的存儲材料提出了極為苛刻的要求。

同時，在清潔能源領域，可控核聚變的主要燃料為氫的同位素，可從海水中獲取，具有儲量豐富、效率高的特點，有望成為解決人類能源匱乏的有效途徑。然而，核聚變裝置—超導托卡馬克(俗稱“人造太陽”)在工作時會產生巨大的電流，為降低電流發熱對核聚變系統的不良影響，低溫超導技術成為發展可控核聚變的必然選擇。這需要將超導托克馬克裝置的中央超導磁體置于4.2K的環境下以實現超導特性，極端的服役環境和核聚變裝置的安全性對包裹超導磁體的結構材料提出了近乎苛刻的要求，需要具備無磁、高韌性等優良性能。

長期以來，應用于這種極端溫度下(4.2K)的結構材料通常使用304型、316L型不銹鋼、 JK2LB、鈦基合金和鋁基合金等，但是這類材料需要添加大量的Ni、Cr等貴重金屬得到穩定的極低溫性能，因此成本高昂；同時，這類材料對焊接熱裂紋敏感性較高，易析出脆性σ相。因此，亟需開發極低溫領域使用的新型低溫鋼，掌握新型低溫鋼關鍵制備技術，為我國航天低溫推進劑的存儲、核聚變堆超導磁體等極低溫環境提供關鍵原材料和工藝支撐，助力于我國航天、能源事業發展。

發明內容

針對現有極低溫(4.2K)用材料成本過高、性能不足的問題，本發明提供了一種應用于4.2K 溫度的高錳型高韌鋼的設計及其制備方法。該高錳型高韌鋼采用Fe-Mn-C-Al/Cr/Cu系的成分設計，通過添加一定含量的Al或Cr、Cu元素調節鋼材的層錯能，增強奧氏體穩定性，提高極低溫下的沖擊韌性。同時，結合控制冷卻與控制軋制工藝和后續熱處理工藝獲得組織均勻的等軸狀單相奧氏體組織，滿足極低溫環境下對結構材料的高韌性的要求。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種4.2K溫度下適用的高錳型高韌鋼，其化學成分按重量百分比為：C 0.40～0.68％，Si 0.18～0.54％，Mn 17.8～24.6％，Al 0～5.1％，Cr 0～5.4％，Cu 0～0.52％，V0～0.27％，Nb 0～0.24％， P≤0.030％，S≤0.020％，余量為Fe和不可避免的雜質。

所述的高錳型高韌鋼厚度為11～35mm，組織為100％奧氏體晶粒，具體為等軸奧氏體晶粒，4.2K溫度下的夏比V型缺口沖擊吸收功為135.5～206.5J。

所述的4.2K溫度下適用的高錳型高韌鋼的制備方法，具體步驟如下：

步驟1，鑄造：

按照4.2K溫度下適用的高錳型高韌鋼的成分配比進行冶煉，將獲得的鋼水澆注到鐵/銅模中，得到方形薄鑄錠；