一种低密度低温钢及制备方法

本发明涉及低温钢制备，具体涉及一种低密度低温钢及制备方法。

背景技术：

1、随着科技的进步和工业的发展，低温钢在航空航天、深海探测、低温存储等领域的应用越来越广泛。传统低温钢中含有较多的合金元素，通常包括fe、al、ni、cr、mn、c等，使得其成分变得复杂。这不仅增加了制造难度，还提高了生产成本。由于低温钢的合金元素多，且复杂成分，其制造质量很容易受到工艺操作的影响。例如，熔炼温度、精炼剂的种类和加入量、热处理工艺等，都会对其性能产生明显的影响。这要求制造过程中需要严格控制各个工艺环节，进而增加了生产的难度。

2、此外，在航空航天、深海探测等领域中，为了保证力学性能，低温钢密度通常较大，以常用的镍基低温钢为例，其密度在8.2g/cm3。然而，该密度下虽然能够达到一定的力学性能要求，但是却增加了重量，无法满足航空航天、深海探测等领域对轻量化材料的需求。

3、因此，有必要提供一种成分简单、密度低、且低温性能好的低密度低温钢。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中传统低温钢存在密度大、屈服强度低的问题，本发明提供了一种低密度低温钢及其制备方法。

2、本发明中，al是实现密度降低的主要元素，每添加1％的al，低温钢的密度降低1.3％，从而通过控制al的添加量来降低低温钢的密度。此外，精准控制al的含量还能够提高低温钢的低温性能，使其在-10℃～-196℃的低温下，仍然具有优异的韧性和抗脆断性能。本发明不仅能够满足特定领域对轻量化材料的需求，还能够降低生产成本和提高生产效率。

3、为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下。

4、本发明第一方面提供了一种低密度低温钢，所述低密度低温钢，以质量百分数计，是由以下原料制备的：

5、mn 20％～30％，c 0.5％～1.5％，al 5％～12％，余量为fe，合计100％。

6、本发明通过精确控制低密度低温钢中al的含量，能够细化晶粒、提高强度和硬度，有效提高了低密度低温钢的低温性能。如果al的含量过高会导致焊接性能和加工硬化能力的降低，因此需要对al的含量进行精准调控。本发明中的低密度低温钢在-10℃～-196℃的低温下，具有优异的韧性和抗脆断性能。

7、在另一个优选实施例中，所述低密度低温钢的密度为6.5g/cm3～7.02g/cm3。

8、在另一个优选实施例中，所述低密度低温钢在-150℃下的屈服强度为1135.2mpa～1173.9mpa。

9、在另一个优选实施例中，所述低密度低温钢是在1100℃～1200℃下进行一次热处理，再在900℃～1000℃下进行二次热处理得到。

10、在热处理过程中，热处理温度过高时，钢中的晶粒会迅速长大，导致钢的力学性能下降，特别是塑性和韧性会显著降低。同时也使材料的微观结构变得不均匀，从而影响其整体性能。过高的温度还可能导致钢中发生不利的组织转变，如高温铁素体转变等。因此，在制备过程中，需要对热处理的温度进行控制。

11、本发明第二方面提供了一种低密度低温钢的制备方法，所述低密度低温钢为本发明第一方面提供的低密度低温钢，包括以下步骤：

12、将原料混合后，得到混合粉，将混合粉在保护气氛下进行球磨，得到纳米复合粉体浆液；

13、将纳米复合粉体浆液进行熔炼，以使各元素混合均匀，将熔炼后的纳米复合粉体浆液进行浇注，得到钢锭；

14、将钢锭进行热轧后，在1100℃～1200℃下进行一次热处理，再在900℃～1000℃下进行二次热处理，得到低密度低温钢。

15、在另一个优选实施例中，所述热处理的具体过程如下：

16、将热轧后的钢锭先加热至1100℃～1200℃，保温1～2h，以7℃/min的速度冷却至室温后，再加热至900℃～1000℃，保温1～2h，然后水冷至室温。

17、保温时间过长同样会造成晶粒长大，从而导致钢的力学性能下降，特别是塑性和韧性。保温时间过短的钢在力学性能上可能由于组织不均匀和存在缺陷表现出较大的波动和不稳定性。过快的冷却速度会使钢在冷却过程中产生较大的组织应力，这些应力可能会导致钢在后续使用过程中出现变形或开裂等问题。过快的冷却速度还可能促进脆性相的形成，如b2、do3等有序相。这些脆性相会显著降低钢的塑性和韧性。

18、因此，本发明通过控制加热温度、保温时间和冷却速率从而使femnalc钢微观结构优化，使得到的低密度低温钢，以奥氏体为基体相，且组织均匀，能够有效消除偏析，进而使低密度低温钢保持良好的低温韧性和其他力学性能。此外，还会析出铁素体，从而进一步提高了基体的强度以及低温性能的提升。

19、在另一个优选实施例中，所述混合粉球磨前，还包括将混合粉与乙醇混合；所述乙醇的质量百分数为70％～80％；

20、所述乙醇与所述混合粉的质量比为1～1.5:8.5～9。其中，乙醇在后续制备过程中，全部蒸发完。

21、在另一个优选实施例中，所述球磨的时间为9h～10h。

22、在另一个优选实施例中，所述熔炼的温度为1600℃～1700℃，时间为2h～3h。

23、在另一个优选实施例中，所述热轧的具体过程为：

24、将钢锭加热至1150℃～1250℃，保温2h～3h；在960℃～1120℃下热轧，然后水冷至室温。

25、在另一个优选实施例中，所述保护气氛为氩气。

26、在另一个优选实施例中，所述球磨的介质为硬脂酸。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、(1)本发明通过精准控制al的含量，不仅能够有效降低低温钢的密度，相比于传统低温钢8.2g/cm3的密度，本发明中低温钢的密度可降至6.5g/cm3，这主要是由于al是实现密度降低的主要元素，每添加1％的al，低温钢的密度降低1.3％，从而通过控制al的添加量来降低低温钢的密度。此外，精准控制al的含量还能够提高低温钢的低温性能，使其在-10℃～-196℃的低温下，仍然具有优异的韧性和抗脆断性能。本发明中的低密度低温钢在航空航天、深海探测、低温存储等领域具有更广泛的应用前景，尤其是在需要轻量化材料的领域，如汽车制造、船舶建造等。

29、(2)本发明通过对热处理工艺参数的控制，不仅确保了低温钢在低温环境下仍能保持良好的韧性和其他力学性能，实现femnalc钢微观结构优化，使得到的低密度低温钢，以奥氏体为基体相，且组织均匀，能够有效消除偏析，进而使低密度低温钢保持良好的低温韧性和其他力学性能。同时制备方法简单易行，生产效率高，有利于降低生产成本。由于合金元素种类的减少和含量的降低，也使得原材料的采购成本得到控制，进一步提高了经济效益。

技术特征：

1.一种低密度低温钢，其特征在于，所述低密度低温钢，以质量百分数计，是由以下原料制备的：

2.根据权利要求1所述的低密度低温钢，其特征在于，所述低密度低温钢的密度为6.5g/cm3～7.02g/cm3。

3.根据权利要求1所述的低密度低温钢，其特征在于，所述低密度低温钢在-150℃下的屈服强度为1135.2mpa～1173.9mpa。

4.根据权利要求1所述的低密度低温钢，其特征在于，所述低密度低温钢是在1100℃～1200℃下进行一次热处理，再在900℃～1000℃下进行二次热处理得到。

5.一种权利要求1～4任一项所述的低密度低温钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的具体过程如下：

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述混合粉球磨前，还包括将混合粉与乙醇混合；

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的时间为9h～10h。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1600℃～1700℃，时间为2h～3h。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述热轧的具体过程为：

技术总结本发明提供了一种低密度低温钢及其制备方法，涉及低密度钢制备技术领域，所述低密度低温钢，以质量百分数计，是由以下原料制备的：Mn 20％～30％，C 0.5％～1.5％，Al 5％～12％，余量为Fe，合计100％。本发明通过精确控制低密度低温钢中Al的含量，不仅有效降低低温钢的密度，同时能够细化晶粒、提高强度和硬度，使低密度低温钢的低温性能得到了显著提高。技术研发人员：王岩,段诗媛,刘世锋,魏瑛康,王建勇,张亮亮,贾文鹏受保护的技术使用者：西安建筑科技大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4