本發(fā)明涉及高強(qiáng)鋼制備，具體涉及一種易成型彈用高強(qiáng)鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、發(fā)射殼體、彈體等回轉(zhuǎn)體部件是彈藥結(jié)構(gòu)中的重要零部件，其直接影響彈藥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與殺傷力；目前，發(fā)射殼體、彈體等回轉(zhuǎn)體部件主要通過高強(qiáng)鋼制成，高強(qiáng)鋼，即強(qiáng)度和韌性結(jié)合很高的鋼材，其具有較高的屈服強(qiáng)度（≥1370mpa）與抗拉強(qiáng)度（≥1620mpa），能夠承受較大的應(yīng)力而不會發(fā)生過度變形或斷裂。

2、目前，熱成型是制造彈藥結(jié)構(gòu)中回轉(zhuǎn)體部件的最傳統(tǒng)方式，即首先通過加熱方式，使得鋼材在奧氏體相區(qū)進(jìn)行保溫、組織充分奧氏體化，再通過分段沖壓的方式、使得材料按照既定的成型工藝，逐步變形成所需毛坯，然后通過粗加工和調(diào)質(zhì)處理、使得材料狀態(tài)最終滿足使用需求，最終精加工完成零部件的制造。然而，由于該方法加熱能耗高、材料氧化嚴(yán)重、成型壁厚差異大，致使制造回轉(zhuǎn)體部件的過程中材料利用率低、加工工序復(fù)雜、加工環(huán)境惡劣，從而大幅增加制造成本、降低制造效率。此外，冷成型是回轉(zhuǎn)體部件的另一種壓力加工方式，與熱成型方法相比，冷成型加工的外形、尺寸等更接近于彈體成品，能夠有效節(jié)省材料消耗、大幅減少機(jī)加工作量；然而，由于鋼材普遍具有加工硬化的特點，使得冷成型模具壽命短、中間過程還需要進(jìn)行退火，導(dǎo)致工序耗時長；采用強(qiáng)度較低的鋼材在一定程度上能夠減少模具的損耗、但成型完后的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度無法滿足使用需求（例如：10#、20#、s15a等低碳鋼雖然易成型、但成型后的強(qiáng)度不足，40cr、45mn、30crmnsia雖然成型后強(qiáng)度能夠滿足要求、但不易成型），從而一定程度上限制了高強(qiáng)度鋼在冷成型加工工藝上的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種易成型彈用高強(qiáng)鋼及其制備方法，該方法采用特定的材料確保成型前，材料強(qiáng)度低、塑性高，易于成型，形變過程中大幅提高材料的強(qiáng)度，從而有效解決材料成型過程中塑性與強(qiáng)度相矛盾的問題，有效提升加工效率、減少制備過程中的消耗。

2、本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種易成型彈用高強(qiáng)鋼，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計包括：c：0.05%～0.12%、mn：9.5%～15.0%、cr：2.0%～4.5%、ni：5.5%～8.0%、al：0%～0.3%、nb：0%～0.02%、w：0%～0.05%，其余成分為fe；其中，高強(qiáng)鋼中至少含有al、nb、w中的一種。

4、一種易成型彈用高強(qiáng)鋼的制備方法，包括：

5、步驟一、高強(qiáng)鋼原材料設(shè)計：按照質(zhì)量配比關(guān)系獲得包括c、mn、cr、ni、al、nb、w、fe的高強(qiáng)鋼原材料；

6、步驟二、熔煉：先將具有上述組分的原料采用真空熔煉制備出真空錠；再采用電渣重熔進(jìn)行純凈化熔煉，全程采用惰性氣體保護(hù)，脫錠后進(jìn)行罩冷處理，獲得鋼錠；

7、步驟三、鍛造：對步驟二中獲得的鋼錠進(jìn)行加熱鍛造，獲得坯料件；

8、步驟四、固溶處理：依次對鍛造后的坯料件進(jìn)行固溶與淬水處理；

9、步驟五、擠壓成型：依次進(jìn)行粗加工、等離子體轟擊、crn薄膜沉積、潤滑與冷擠壓成型；

10、步驟六、時效處理：對冷擠壓成型的毛坯進(jìn)行時效強(qiáng)化處理。

11、本發(fā)明通過低含量c元素的設(shè)計，能夠有效降低材料在擠壓前的硬度與硬化系數(shù)，從而保證成型前、材料能夠有效塑形，從而降低材料成型過程中對模具的損傷；同時，在成型初期，材料固溶后的組織為奧氏體，在固溶過程的中高溫作用下，鎳原子融入鋼材料中的奧氏體晶格結(jié)構(gòu)中、使得奧氏體的自由能降低，從而增加奧氏體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，隨著中高溫冷卻的進(jìn)行，這種穩(wěn)定性會持續(xù)發(fā)揮作用，確保成型初期材料塑性較高、利于材料成型。之后，隨著擠壓成型過程的擠壓力作用，利用錳原子取代鐵原子而引起的晶格畸變、從而阻礙位錯的移動（即阻礙材料進(jìn)行塑性變形），同時位錯相交割后、無法移動的位錯出現(xiàn)位錯塞積，進(jìn)一步增加晶格的畸變程度，從而有效提高鋼材的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度；利用cr與c、ni的共同作用調(diào)控奧氏體相區(qū)的大小，一是配合錳原子產(chǎn)生的形變誘導(dǎo)馬氏體相變，使得奧氏體向在形變較大處、部分轉(zhuǎn)變成形變馬氏體，二是通過鉻原子與鐵原子的尺寸差異、進(jìn)一步增加位錯阻力，進(jìn)而使得材料在擠壓成型的形變后體現(xiàn)出較高強(qiáng)度。通過al、nb、w的加入，在固溶過程中形成高穩(wěn)定性、高熔點的金屬間化合物及碳化物，從而在合金基體中進(jìn)行均勻分散，進(jìn)一步達(dá)到材料強(qiáng)化作用。

12、基于上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟二中脫錠后進(jìn)行罩冷處理的處理時間為24～30h。

13、基于上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述鍛造過程具體為：首先進(jìn)行開坯鍛造，開坯鍛造是將鋼錠在加熱溫度為1200～1300℃下、保溫15h以上，開鍛溫度為不小于1050℃，終鍛溫度不小于850℃，總鍛比不小于9；然后進(jìn)行精鍛，精鍛是將鍛件在加熱溫度為1080～1200℃下、保溫2h以上，開鍛溫度不小于1050℃，終鍛溫度不小于850℃。

14、基于上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述固溶處理的溫度為1000～1180℃，固溶處理的保溫時間為1～3h；淬水時間為2～5min，淬水后坯料件出水后的溫度為100～150℃。

15、基于上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述粗加工為：按照設(shè)計的冷擠壓成型凹模內(nèi)腔尺寸，采用車削加工，使毛坯加工成能夠放入凹模中的筒體；同時，確保筒體表面粗糙度不大于ra1.6mm。

16、基于上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述等離子轟擊具體為：采用真空等離子體設(shè)備，將完成粗加工的坯料件放入真空等離字體設(shè)備中，先通入氬氣，再接通電源，使得氬氣分子等離字體化、并通過離化后的ar+在電場作用下轟擊工件表面，從而去除坯料件表面的氧化皮、油脂等雜質(zhì)；等離子體轟擊的參數(shù)為：通入氬氣時、壓力降至3～5pa，偏壓為600～800v，脈沖頻率為50～60khz，占空比為60%～70%，轟擊時間為4～6min。

17、基于上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述crn薄膜沉積具體為：首先，在真空等離子體設(shè)備中，放入cr靶材、并通入氮?dú)?，采用磁控濺射工藝，在坯料件表面沉積厚度為1～3μm的crn薄膜層；磁控濺射工藝參數(shù)為：電壓100～120v，真空度為0.2～0.8pa，濺射時間為1～2h；然后，再次通入氬氣，利用電離產(chǎn)生的ar+對crn薄膜層表面進(jìn)行轟擊，獲得多孔crn薄膜層，等離子體轟擊的參數(shù)為：通入氬氣時、壓力升至3～5pa，偏壓為600～800v，脈沖頻率為50～60khz，占空比為60%～70%，轟擊時間為4～6min

18、基于上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述潤滑具體為：采用氯化石蠟、二硫化鉬、硬脂酸、肥皂粉組成的潤滑劑，它們的質(zhì)量百分比為30%～40%、10%～20%、25%～35%、7%～18%；將crn薄膜沉積后的坯料件與潤滑劑放置在40～60℃的溫水中，浸泡10～20min。

19、基于上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述冷擠壓成型具體為：首先，將擠壓磨具安裝在冷擠壓設(shè)備上，并將潤滑后的坯料放入擠壓磨具的型腔中；然后進(jìn)行擠凸、即采用擠壓模具將坯料擠壓出一個凹形，便于后續(xù)定心找正；最后，進(jìn)行擠壓成型，擠壓壓力為2000mpa～3500mpa。

20、相對于傳統(tǒng)的毛坯冷擠壓成型前的磷化處理工藝，由于本發(fā)明的高強(qiáng)鋼中含有ni、mn合金，導(dǎo)致高強(qiáng)鋼表面難以形成有效的磷化膜（ni、mn的存在可能改變金屬表面的活性位點分布，而磷化膜的形成依賴于金屬表面的活性點作為晶核生長中心，而合金元素的富集可能覆蓋或鈍化這些活性點，導(dǎo)致磷酸鹽沉淀難以成核；且ni元素的化學(xué)惰性以及mn元素的氧化特性的共同作用也會進(jìn)一步造成高強(qiáng)鋼表面難以磷化成膜）；因此，本發(fā)明通過真空等離子體轟擊+磁控濺射的方法形成多孔的crn薄膜層。同時，本發(fā)明通過坯料件中cr元素的相互作用力、對磁控濺射過程中的鉻元素進(jìn)行牽引，進(jìn)而利用磁控濺射在坯料件的表面生成致密、均勻且結(jié)合強(qiáng)度高的crn薄膜，避免冷擠壓過程中crn薄膜出現(xiàn)局部脫落、剝離等問題。

21、利用磁控濺射以及ar+轟擊產(chǎn)生的多孔crn薄膜層，一是形成防護(hù)屏障、避免擠壓過程中產(chǎn)生氧化反應(yīng)，減少氧化皮的生成；二是減少坯料因擠壓成型過程中頻繁摩擦出現(xiàn)的材料磨損、劃傷、裂紋等問題，保證產(chǎn)品的使用壽命以及加工精度；三是提高坯料件在擠壓成型過程中的熱穩(wěn)定性，防止由于熱損傷導(dǎo)致的強(qiáng)度、韌性等下降；四是通過多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行潤滑劑的儲存，提升潤滑效果、進(jìn)一步降低擠壓過程中頻繁摩擦帶來的損耗，減少成型缺陷、確保高強(qiáng)鋼的性能穩(wěn)定。

22、基于上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述時效處理的溫度為420～500℃，時間為1～12h。

23、以下是本發(fā)明方案所具備的技術(shù)效果：

24、本發(fā)明通過低c元素含量、配合其他特定元素成分，依次經(jīng)過熔煉、鍛造、固溶處理、擠壓成型及時效處理等制備工藝，獲得材料抗拉強(qiáng)度在1000mpa以上的高強(qiáng)鋼；本發(fā)明制備工藝有效減少高強(qiáng)鋼的加工工序、大幅降低成本、減少了能源消耗。此外，采用本發(fā)明特定成分的坯料件制備高強(qiáng)鋼，在材料成型前、材料具備強(qiáng)度低且塑性高的特點，便于材料成型，在制備成型過程中（即材料形變過程中）、材料強(qiáng)度大幅提高，進(jìn)而滿足高強(qiáng)鋼的使用需求，且整個擠壓成型過程中、無需進(jìn)行退火處理，不僅縮短工藝流程、節(jié)省工藝時間，還有效減少退火高溫的能源消耗及不可控因素的影響，確保加工過程的穩(wěn)定性。