[发明专利]一种超高强度纳米晶20Mn2CrNbV结构钢及其制备方法

说明书

本发明涉及材料技术领域，具体为一种超高强度纳米晶20Mn2CrNbV结构钢及其制备方法。该结构钢的化学成分如下(重量％)：C:0.12～0.28；Cr:0.2～1.8；Mn:1.2～2.8；Nb:0.02～0.10；V:0.12～0.28；B:0.001～0.003；Si:0.01～0.2；Ce:0.01～0.03；余量为Fe。该结构钢的制备方法如下：(1)在820～900℃保温一段时间后，快速冷却至室温以获得纳米板条前驱体；(2)对纳米板条前驱体在温度为680～760℃，应变速率为0.5～2s^‑1的范围内进行热变形，总应变量大于等于70％，使纳米板条前驱体转变为纳米晶结构；(3)对纳米晶材料在200～250℃回火1～2h。本发明所制备的纳米晶结构钢具有超高的强度和良好的塑韧性，可广泛用于制备各类齿轮、连杆、航空发动机轴和飞机起落架等大型重要零件。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体为一种超高强度纳米晶20Mn2CrNbV 结构钢及其制备方法。

背景技术

结构钢是经济建设中使用最广、用量最大的金属材料，在现代工业生产中，它占据着极为重要的地位。随着科学技术的飞速发展，人们对传统结构钢材料的性能提出了越来越多的要求，即使通过各种强化手段，例如冷加工、热加工和热处理等方法，传统结构钢在很多方面的性能仍然难以满足它在实际生产中的需要。在这样的背景下，亟需开发具有更高性能的结构钢材料。

与传统的粗晶钢铁材料相比，纳米晶金属材料在室温条件下具有更高的强度与塑性；在高温而条件下，它还具有超塑性，这为材料的塑性加工成型带来了诸多便利条件。纳米晶金属材料的上述优势使其在实际应用中极具吸引力。因此，发展和制备纳米晶结构钢为传统钢铁材料的性能优化开辟了一个新途径。

目前，块体纳米晶金属材料的制备主要是通过大塑性变形(SPD)法来实现的。常见的大塑性变形法包括等通道转角挤压(ECAP)、累积复合轧制 (ARB)、多向锻造(MF)和高压扭转(HPT)等，这些方法均需要依靠大功率设备及昂贵的模具，所制备材料的尺寸也较小，无法满足规模化工业生产的需要。为此，本发明提供了一种纳米晶结构钢及其制备方法，通过常规热轧制变形即可实现纳米晶结构钢的制备，为传统结构钢材料的发展带来新的基础与机遇。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米晶结构钢，为实现上述目标，本发明的技术方案是：

一种超高强度纳米晶20Mn2CrNbV结构钢，按重量百分比计，该结构钢的化学成分如下：C:0.12～0.28；Cr:0.2～1.8；Mn:1.2～2.8；Nb:0.02～0.10； V:0.12～0.28；B:0.001～0.003；Ce:0.01～0.03；余量为Fe。进一步优选为： C:0.20～0.26；Cr:0.4～1.0；Nb:0.03～0.06；Mn:2.0～2.6；V:0.14～0.20；B: 0.001～0.003；Ce:0.01～0.03；Si:0.01～0.2；余量为Fe。

本发明所述的纳米晶结构钢的制备方法为：采用真空感应炉，获得原材料铸锭，铸锭修磨后经过900℃以上开坯锻造、精锻加工成坯。

对精锻加工所得坯料在820～900℃以上保温一段时间后，快速冷却至室温，获得纳米板条前驱体；对所得纳米板条前驱体进行热变形，获得纳米晶组织；对纳米晶组织进行回火处理，最终获得纳米晶结构钢。

作为优选的技术方案：

对坯料在820～900℃保温一段时间，保温时间t＝(2.5～3.5)D min，其中， D为试样的有效厚度，单位为毫米mm。

快速冷却的冷却速率在80～200℃/s之间。

所述纳米板条前驱体在温度为680～760℃，应变速率为0.5～2.0s^-1的范围内进行热变形，总应变量大于等于70％。优选为：热变形温度为690～720℃，应变速率为0.6～1.2s^-1，总应变量大于等于90％。