一种4.2K超低温用高强高韧奥氏体不锈钢及其制备方法

本发明属于不锈钢材料，涉及一种4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢及其制备方法。

背景技术：

1、在热核聚变实验堆（iter）及紧凑型聚变能实验装置（best）中，超导托卡马克磁体须在4.2k液氦温度下运行。tf线圈盒需承受较大的电磁力，cicc铠甲须承受周期性电磁应力冲击。因此，4.2k结构材料须同时满足：（1）极高的屈服强度（新一代装置要求≥1500mpa）；（2）优异的断裂韧性（kic≥150mpa·m1/2）；（3）极低的相对磁导率（≤1.01~1.02），以避免干扰磁场。

2、针对4.2k用高强奥氏体不锈钢，近年来已有一系列专利申请，核心技术路线分为以下几种：

3、（a）nb/v微合金化、高温固溶与长时时效：

4、如中国专利申请cn120719224a提出一种4.2k屈服强度1500mpa级核聚变超导铠甲结构用钢及其制造方法，其化学成分包含c 0.01~0.04%、mn 5.00~8.00%、cr 21~22.5%、ni10~13%、mo 2~3%、n 0.35~0.40%、nb 0.05~0.15%、v 0.10~0.30%，且nb/v＝1：1.8~2.2。该专利限定mx相必须在1140~1160℃高温固溶时充分回溶。

5、（b）nb/v微合金化、高氮设计：

6、如中国专利cn117286426b提供了一种适用于核聚变铠甲的高强奥氏体不锈钢棒材及其制造方法，其化学成分包含：c≤0.01%、n 0.26~0.40%、cr 20.5~22.5%、ni 14.0~14.96%、mo 1.8~2.2%、mn 5.0~6.0%、nb 0.04~0.16%、v 0.10~0.20%。

7、（c）聚变堆超导铠甲用钢板：

8、如中国专利申请cn121759815a提出一种聚变堆超导铠甲用奥氏体不锈钢板、制造及其焊接方法，其化学成分包含c 0.04~0.05%、mn 4.0~5.0%、cr 21.5~22.5%、ni 12.5~13.5%、mo 5.0~6.0%、n 0.15~0.25%、v 0.15~0.25%、nb 0.10~0.15%，并添加b 0.0015~0.0025%、al 3.5~4.5%、zr 0.10~0.20%。该钢室温屈服400~450mpa，4.2k屈服1350~1450mpa、抗拉1750~1850mpa。

9、综合上述专利与文献，现有技术存在以下局限：

10、（1）固溶温度偏高，要求mx相完全固溶。如cn120719224a等现有技术中明确教导固溶温度为1140~1160℃，且认为mx相在1131℃开始溶解，必须通过高温固溶使其充分回溶。

11、（2）nb/v比例设计偏离等比例。如cn120719224a等中限定nb/v＝1：1.8~2.2（即nb含量显著高于v），这样，形成cr1.75nb0.15v0.25n3化学式的mx相，在这种设计中，nb占主导，难以完全溶解，强化效果也不太理想。

12、（3）工艺复杂、能耗高、生产周期长。现有高强低温钢专利普遍需要高温固溶（1140~1160℃）。

13、（4）对纳米mx相的尺寸、数密度、与基体的共格关系缺乏控制，导致微观组织调控精度不够。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢及其制备方法，通过无时效的低温固溶水淬工艺，在固溶态原生保留纳米级 (nb,v,ta)(c,n) 复合碳氮化物析出相，从而实现 4.2k 超低温下高强高韧无磁性能等。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、在第一方面，本发明提供了一种4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢，包括以下重量百分比计的成分：c 0.01~0.04%，si 0.2~0.35%，mn 6.0~6.5%，cr 22.0~23.0%，ni14.5~15.5%，mo 2.0~2.2%，n 0.37~0.39%，v 0.17~0.20%，nb 0.14~0.16%，ta 0.002~0.004%，cu 0.15~0.20%，co 0.03~0.05%，b 0.0012~0.0016%，p≤0.02%，s≤0.02%，余量为fe，其中，v、nb的质量含量之比为0.9~1.3。

4、进一步的，nb、v、ta三个组分的重量百分比之和与n的重量百分比含量的比值为0.6~1.0。

5、更进一步的，nb、v、ta三个组分的重量百分比之和与n的重量百分比含量的比值为0.7~0.9。

6、进一步的，v、nb的质量含量之比为1.0~1.3。

7、在第二方面，本发明提供了一种4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢的制备方法，将钢锭坯料进行真空感应熔炼与电渣重熔，得到设计重量百分比组分组成的铸锭，随后开锻，再进行固溶处理，水淬，即完成。

8、进一步的，真空感应熔炼的工艺条件为：先高真空熔化、再充氮增压控氮，其中，控制精炼温度约为1500~1560℃，时间约为30-60min，出钢浇注保持氮分压快浇防析氮；

9、电渣重熔的工艺条件为：在氮气保护下采用控氮渣以恒定熔速进行定向熔凝，电压电流按填充比调节，末期阶梯降电流补缩。

10、进一步的，开锻过程具体为：于1180~1220℃ 开锻，900~940℃终锻，控制锻造次数保证最终锻造比≥4:1。

11、进一步的，固溶处理的温度为1030~1060℃，保温时间为0.5~2h。更进一步的，固溶处理的温度为1040℃。

12、进一步的，水淬过程在室温水中进行。

13、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

14、（1）仅需一步固溶水淬，完全省去了现有常规工艺所必需的长时时效工序，生产周期可从10天以上缩短至1天以内，能耗降低80%以上，工业化成本显著下降。

15、（2）首次发现并利用1040℃这一临界固溶窗口，在此温度下，由于n与v的极强结合能力，(nb，v)(c，n)纳米析出相在固溶保温阶段即在奥氏体高温状态下原生形成（尺寸5~25nm）。淬火冷却过程中，这些高温形成的纳米析出相被直接保留，而基体中剩余的过饱和n不足以驱动新的析出反应，这样，通过高温预析出结合冷却冻结的机制，使材料在固溶态（无时效）下即具备优异的强韧性基础。

16、（3）nb/v采用等比例协同强化，使nb和v在奥氏体中的析出行为协同优化，强化(nb,v)(c,n)双元素复合纳米析出相的形成。

17、（4）严格控制c含量（≤0.04%）并使用nb/v替代ti进行微合金化，避免了tin等大尺寸夹杂物和马氏体的形成，确保了材料在加工和使用过程中的非磁性（μ-r≤1.01），满足iter对结构材料相对磁导率的严格要求。

1.一种4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢，其特征在于，包括以下重量百分比计的成分：c 0.01~0.04%，si 0.2~0.35%，mn 6.0~6.5%，cr 22.0~23.0%，ni 14.5~15.5%，mo 2.0~2.2%，n 0.37~0.39%，v 0.17~0.20%，nb 0.14~0.16%，ta 0.002~0.004%，cu 0.15~0.20%，co 0.03~0.05%，b 0.0012~0.0016%，p≤0.02%，s≤0.02%，余量为fe，其中，v、nb的质量含量之比为0.9~1.3。

2.根据权利要求1所述的一种4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢，其特征在于，nb、v、ta三个组分的重量百分比之和与n的重量百分比含量的比值为0.6~1.0。

3.根据权利要求2所述的一种4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢，其特征在于，nb、v、ta三个组分的重量百分比之和与n的重量百分比含量的比值为0.7~0.9。

4.根据权利要求1所述的一种4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢，其特征在于，v、nb的质量含量之比为1.0~1.3。

5.如权利要求1-4任一项所述的4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，将高纯原料经真空感应熔炼制备胚料，然后进行电渣重熔，得到设计重量百分比组分组成的铸锭，随后开锻，再进行固溶处理，水淬，即完成。

6.根据权利要求5所述的4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，真空感应熔炼的工艺条件为：先高真空熔化、再充氮增压控氮，其中，控制精炼温度为1500~1560℃，时间为30-60min，出钢浇注保持氮分压快浇防析氮；

7.根据权利要求5所述的4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，开锻过程具体为：于1180~1220℃ 开锻，900~940℃终锻，控制锻造次数保证最终锻造比≥4:1。

8.根据权利要求5所述的4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，固溶处理的温度为1030~1060℃，保温时间为0.5~2h。

9.根据权利要求8所述的4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，固溶处理的温度为1040℃。

10.根据权利要求5所述的4.2k超低温用高强高韧奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，水淬过程在室温水中进行，冷速控制为15~40℃/s。