CN101284306B - 高硼钢中子吸收材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
高硼钢中子吸收材料的制备方法，是将选好的原料如硼铁、纯铁、硼含量为0.1-3.0％，余量为铁，放在中频感应炉中预制成中间合金锭，再将该中间合金锭放入中频感应炉中，在氩气或氮气保护下，高于熔点150-250℃温度下熔化，倒入中间色包中，以氩气或氮气为雾化气体，在1.0-2.5Mpa下，利用导流管直径为3.2-5.0mm的雾化器将熔化的高硼钢雾化成液滴，液滴在飞行过程中快速凝固，沉积在旋转的沉积盘上，即得。本发明的高硼钢组织均匀细小，第二相硼化物尺寸2～7μm，且弥散分布。喷射沉积高硼钢组织中的硼化物呈弥散分布，有利于高硼钢获得良好的塑韧性，且所制备的高硼钢材料组织致密，且具有流程短、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射防护和反应堆控制材料制备方法，特别是涉及高硼钢中子吸收材料喷射沉积制备方法。
背景技术
硼是应用非常广泛的一种元素，钢中加入的微量硼，就能显著提高钢的淬透性。以硼为主要合金元素的合金钢一般称为高硼钢。基于硼元素优良的吸收热中子特性，高硼钢可被用作核辐射防护屏蔽材料、乏燃料贮存材料和反应堆控制材料等，其硼含量的范围通常在0.1wt％～3.0wt％，硼含量越高，吸收热中子能力越强。研究既有优良核特性，又有足够结构力学性能的高硼钢始终是人们追求的目标。
然而，硼在钢中的固溶度很低，硼在α-Fe和γ-Fe中的最大固溶度分别为0.0081wt％和0.02wt％，超过固溶度的硼通常将以硼相的形式沿晶界析出，使高硼钢的韧性降低，这种现象即所谓“硼脆”。硼脆的严重程度与硼相的存在状态(数量、形状、大小及分布)密切相关，尤其是硼相聚集在晶界，并呈连续分布时，使高硼钢的韧性严重恶化。一般情况下，高硼钢中的硼含量为0.5wt％～1.0wt％时，为亚共晶组织，硼相为Fe2B，共晶组织沿晶界连续分布；硼含量为1.0wt％～2.5wt％时，Fe2B量增加，呈典型的枝晶组织；硼含量为2.5wt％～4.0wt％时为共晶组织，硼化物为Fe2B或Fe3(C，B)；当硼含量超过4.0wt％时，为过共晶组织，初生相为Fe2B。冲击吸收功随硼含量增加而急剧下降，当硼含量为4.0wt％时，Ak值约为1.5J。
在传统铸造工艺下，高硼钢在凝固过程中很难避免晶粒粗大以及连续网状共晶硼化物的形成，造成高硼钢致命脆性。为克服这一困难，在铁基合金中加入大量的铬、镍和钼等元素，制备成含硼不锈钢(Tetsuo Katoh，MasakuniFujikura，Jiroh Ichikawa.Some properties of boron bearing 18Cr-9Ni stainless steelfor nuclear engineering[J].電氣制鋼，1978，49(2)：108-116)。因为在钢中加入铬、镍和钼等元素，可提高硼在铁基合金中的固溶度，部分的减少硼相的析出(Guo Changqing，Kelly P M.Boron solubility in Fe-Cr-B cast irons[J].MaterialsScience and Engineering A，2003，352A(1-2)：40-45)，降低硼相对韧性的不利影响；并且利用不锈钢基体较高的强韧性，部分弥补了高硼钢的脆性。因此，在高硼钢中，可用作中子吸收材料多为含硼不锈钢。然而，硼在不锈钢钢中固溶度的增加也十分有限，例如，硼含量为1.63wt％的铸造含硼不锈钢，(Fe，Cr)2B仍然沿奥氏体晶界呈连续网状分布；硼含量分别为2.13wt％和3.34wt％时，出现粗大的初生硼相。硼含量为1.63wt％的含硼不锈钢，冲击吸收功大约下降至普通SUS304不锈钢的1/40，“硼脆”仍十分严重。
也有采用粉末冶金方法制备高硼钢的报道(He J Y.Fracture Mechanism ofBorated Stainless Steel[J].Nuclear Technology，2000，130：218-225)，粉末冶金含硼304不锈钢的韧性比铸造含硼不锈钢的韧性有了很大改善，但粉术冶金工艺复杂，成本高。此外，也有人提出采用钐、铪、铕、钆等代替一部分硼等方法改善含硼不锈钢的韧性(鳥羽正男.中性子吸收合金[P]，日本国特許厅(JP)特開平10-226848，平成10年(1998)8月25日)，但该方法成本更高。
可见，在传统铸造工艺下，即使是制备出了韧性相对较高的含硼不锈钢，也很难解决高硼钢脆性问题。在一般铸造工艺下，受冷却条件限制，高硼钢凝固组织必然粗大，而硼在钢中固溶度又极小，硼将以硼相的形式析出，并与Fe形成厚大的共晶组织，沿晶界呈网状连续分布，这是严重地危害材料塑韧性的根本原因，若能开发一种能够细化高硼钢凝固组织、改变钢中的硼相网状连续分布的制备技术，可从根本上解决目前高硼钢存在的脆性问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高硼钢中子吸收材料的制备方法，采用该方法制备的高硼钢组织特点表现为：组织均匀细小，硼化物弥散分布在高硼钢中。
采用的技术方案是：
高硼钢中子吸收材料制备方法，包括下述工艺步骤：
1、配料。合金配料所采用的原料为硼铁、纯铁，配料后合金成分为：硼(B)含量为0.1-3.0％，余量为Fe；或合金配料所采用的原料为硼铁、纯铁和其它含有C、Si、Mn、Cr、Ni合金元素中至少一种的合金料，配料后合金成分为：B含量为0.1-3.0％和含有C、Si、Mn、Cr、Ni合金元素中至少一种，余量为Fe≥50％。上述百分比为重量百分比。
2、将配制的原料采用中频感应炉预制高硼钢中间合金锭；
3、将高硼钢中间合金锭放入中频感应电炉1中，在氩气或氮气保护条件下，高于熔点150～250℃温度下升温熔化，倒入中间包3中，以氩气或氮气为雾化气体，于1.0～2.5MPa的雾化压力下，利用导流管直径为3.2～5.0mm的雾化器4，将熔化的高硼钢雾化成液滴，高硼钢液滴在飞行过程中快速凝固，沉积到旋转的沉积盘6上，制备成喷射沉积高硼钢锭坯5。
上述的高硼钢中子吸收材料喷射沉积制备方法中，在所述步骤2中，在非真空条件下，采用中频感应炉预制高硼钢中间合金锭。
上述的高硼钢中子吸收材料喷射沉积制备方法中，在所述步骤3中，雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘6的沉积距离为：400～700mm；沉积距离根据需要，通过沉积盘的升降进行调节。
本发明的方法关键在于采用了喷射沉积快速凝固技术，高硼钢中子吸收材料在高压气体作用下，于雾化器中被雾化成小液滴，以极快的冷却速率凝固，到达沉积盘时，形成半固态层，大量增加了高硼钢凝固形核的核心，限制凝固晶粒的长大，与常规铸造的高硼钢微观组织相比，成倍缩小了晶粒尺寸，显著增加晶界面积，使高硼钢中晶界处的硼化物细小均匀分布，解决了常规铸造的高硼钢严重微观偏析的问题，消除了高硼钢在一般凝固条件下厚大共晶硼化物连续网状的分布状态，为制备具有良好塑韧性的高硼钢中子吸收材料提供了一种新的途径。
本发明的优点：
(1)与常规铸造高硼钢中子吸收材料相比，本发明的高硼钢采用喷射沉积快速凝固方法制备，高硼钢组织均匀细小，第二相硼化物尺寸2～7μm，且弥散分布，消除了常规铸造高硼钢厚大硼化物共晶组织的连续网状分布状态。喷射沉积高硼钢组织中的硼化物呈弥散分布，有利于高硼钢获得良好的塑韧性。
(2)与粉末冶金方法制备高硼钢中子吸收材料相比，本发明采用喷射沉积方法，所制备的高硼钢材料组织致密，且具有流程短、成本低的优点。
附图说明
图1是本发明的制备方法中制备装置示意图。图1中标号1为中频感应炉；标号2为熔化的高硼钢中子吸收材料；标号3为中间包；标号4为雾化器；标号5为高硼钢中子吸收材料锭坯；标号6为沉积盘；标号7为真空系统。
图2是常规铸造硼含量为1.25wt％的高硼钢中子吸收材料微观组织。
图3是本发明喷射沉积硼含量为1.25wt％的高硼钢中子吸收材料微观组织。
具体实施方式
实施例一
高硼钢中子吸收材料制备方法，包括下述工艺步骤：
(1)将硼铁、工业纯铁，放入中频感应炉中，在非真空条件下升温熔化，浇铸成高硼钢中子吸收材料中间合金锭，中间合金锭成分为：B 0.46wt％，余量为铁；
(2)将上述中间合金锭放入中频感应炉中，在氩气保护条件下，高于合金熔点200℃温度重熔，以氩气为雾化气体，1.4MPa的雾化压力下，利用雾化器4，将熔化的高硼钢雾化成液滴，沉积到旋转的沉积盘6上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯5。雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘6的沉积距离为：550mm；雾化器导流管直径：4.0mm。
实施例二
高硼钢中子吸收材料制备方法，包括下述工艺步骤：
(1)将硼铁、金属锰、工业纯铁，放入中频感应炉中，在真空条件下升温熔化，浇铸成高硼钢中子吸收材料中间合金锭；该中间合金锭成分为：B：0.85wt％，Mn：1.54wt％，余量为铁。
(2)将上述中间合金锭放入中频感应炉中，在氮气保护条件下，高于合金熔点180℃温度重熔，以氮气为雾化气体，1.7MPa的雾化压力下，利用雾化器4，将熔化的高硼钢雾化成液滴，沉积到旋转的沉积盘6上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯5。雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘6的沉积距离为：530mm；雾化器导流管直径：3.5mm。
实施例三
高硼钢中子吸收材料制备方法，包括下述工艺步骤：
(1)将硼铁、电解镍、工业纯铁，放入中频感应炉中，在非真空条件下升温熔化，浇铸成高硼钢中子吸收材料中间合金锭；该中间合金锭成分为：B：2.46wt％，Ni：3wt％，余量为Fe。
(2)将上述中间合金锭放入中频感应炉中，在氩气保护条件下，高于合金熔点200℃温度重熔，以氩气为雾化气体，2.0MPa的雾化压力下，利用雾化器4，将熔化的高硼钢雾化成液滴，沉积到旋转的沉积盘6上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯5。雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘6的沉积距离为：520mm；雾化器导流管直径：4.0mm。
实施例四
高硼钢中子吸收材料制备方法，包括下述工艺步骤：
(1)将硼铁、工业纯铁、金属锰，放入中频感应炉中，在非真空条件下升温熔化，浇铸成高硼钢中子吸收材料中间合金锭；该合金锭成分为：B：1.25wt％，Mn：1.6wt％，余量为Fe。
(2)将上述中间合金锭放入中频感应炉中，在氩气保护条件下，高于合金熔点173℃温度重熔，以氩气为雾化气体，2.5MPa的雾化压力下，利用雾化器4，将熔化的高硼钢雾化成液滴，沉积到旋转的沉积盘6上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯5。雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘6的沉积距离为：580mm；雾化器导流管直径：4.0mm。
实施例五
高硼钢中子吸收材料制备方法，包括下述工艺步骤：
(1)将硼铁、工业纯铁、金属锰、电解镍，放入中频感应炉中，在非真空条件下升温熔化，浇铸成高硼钢中子吸收材料中间合金锭；高硼钢成分为：B：1.03wt％，Mn：1.6wt％，Ni：0.8wt％，余量为Fe。
(2)将上述中间合金锭放入中频感应炉中，在氮气体保护条件下，高于合金熔点190℃温度重熔，氩气2.0MPa的雾化压力下，利用雾化器4，将熔化的高硼钢雾化成液滴，沉积到旋转的沉积盘6上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯5。雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘6的沉积距离为：550mm；雾化器导流管直径：4.5mm。
Claims (8)
1.高硼钢中子吸收材料制备方法，包括配料，制备高硼钢选用的原料为硼铁、纯铁，配料后高硼钢中子吸收材料成分按重量百分比计，硼含量为0.1-3.0％，余量为铁；或制备高硼钢的原料选用硼铁、纯铁和含有C、Si、Mn、Cr、Ni合金元素中至少一种的合金料，配料后高硼钢中子吸收材料成分按重量百分比计，B含量为0.1-3.0％和含有C、Si、Mn、Cr、Ni合金元素中至少一种，余量为Fe≥50％，其特征在于：将选好的原料加入中频感应炉中预制成高硼钢中子吸收材料中间合金锭；再将制备好的高硼钢中间合金锭放入中频感应炉(1)中，在氩气或氮气保护条件下，高于熔点150～250℃温度下升温熔化，倒入中间包(3)中，以氩气或氮气为雾化气体，于1.0～2.5MPa的雾化压力下，利用导流管直径为3.2～5.0mm的雾化器，将熔化的高硼钢雾化成液滴，高硼钢液滴在飞行过程中快速凝固，沉积到旋转的沉积盘(6)上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯(5)。
2.根据权利要求1所述的高硼钢中子吸收材料制备方法，其特征在于所述的高硼钢中间合金锭是在非真空条件下制备成的。
3.根据权利要求1或2所述的高硼钢中子吸收材料制备方法，其特征在于雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘(6)的沉积距离为：400～700mm；沉积距离根据需要，通过沉积盘的升降进行调节。
4.根据权利要求1所述的高硼钢中子吸收材料制备方法，其特征在于包括下述工艺步骤：
1)将硼铁、工业纯铁，放入中频感应炉中，在非真空条件下升温熔化，浇铸成中间合金锭，高硼钢中间合金锭成分为：B 0.46wt％，余量为铁；
2)将上述中间合金锭放入中频感应炉中，在氩气保护条件下，高于合金熔点200℃温度重熔，以氩气为雾化气体，1.4MPa的雾化压力下，利用雾化器(4)，将熔化的高硼钢雾化成液滴，沉积到旋转的沉积盘(6)上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯(5)；雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘(6)的沉积距离为：550mm；雾化器导流管直径：4.0mm。
5.根据权利要求1所述的高硼钢中子吸收材料制备方法，其特征在于包括下述工艺步骤：
1)将硼铁、金属锰、工业纯铁，放入中频感应炉中，在真空条件下升温熔化，浇铸成高硼钢中子吸收材料中间合金锭；该中间合金锭成分为：B：0.85wt％，Mn：1.54wt％，余量为铁；
2)将上述中间合金锭放入中频感应炉中，在氮气保护条件下，高于合金熔点180℃温度重熔，以氮气为雾化气体，1.7MPa的雾化压力下，利用雾化器(4)，将熔化的高硼钢雾化成液滴，沉积到旋转的沉积盘(6)上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯(5)；雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘(6)的沉积距离为：530mm；雾化器导流管直径：3.5mm。
6.根据权利要求1所述的高硼钢中子吸收材料制备方法，其特征在于包括下述工艺步骤：
1)将硼铁、电解镍、工业纯铁，放入中频感应炉中，在非真空条件下升温熔化，浇铸成高硼钢中子吸收材料中间合金锭；该中间合金锭成分为：B：2.46wt％，Ni：3wt％，余量为Fe；
(2)将上述中间合金锭放入中频感应炉中，在氩气保护条件下，高于合金熔点200℃温度重熔，以氩气为雾化气体，2.0MPa的雾化压力下，利用雾化器
(4)，将熔化的高硼钢雾化成液滴，沉积到旋转的沉积盘(6)上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯(5)；雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘(6)的沉积距离为：520mm；雾化器导流管直径：4.0mm。
7.根据权利要求1所述的高硼钢中子吸收材料制备方法，其特征在于包括下述工艺步骤：
1)将硼铁、工业纯铁、金属锰，放入中频感应炉中，在非真空条件下升温熔化，浇铸成高硼钢中子吸收材料中间合金锭；该合金锭成分为：B：1.25wt％，Mn：1.60wt％，余量为Fe；
2)将上述中间合金锭放入中频感应炉中，在氩气保护条件下，高于合金熔点173℃温度重熔，以氩气为雾化气体，2.5MPa的雾化压力下，利用雾化器(4)，将熔化的高硼钢雾化成液滴，沉积到旋转的沉积盘(6)上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯(5)；雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘(6)的沉积距离为：580mm；雾化器导流管直径：4.0mm。
8.根据权利要求1所述的高硼钢中子吸收材料制备方法，其特征在于包括下述工艺步骤：
1)将硼铁、工业纯铁、金属锰、电解镍，放入中频感应炉中，在非真空条件下升温熔化，浇铸成高硼钢中子吸收材料中间合金锭；高硼钢成分为：B：1.03wt％，Mn：1.6wt％，Ni：0.8wt％，余量为Fe；
2)将上述中间合金锭放入中频感应炉中，在氩气气体保护条件下，高于合金熔点190℃温度重熔，氩气2.0MPa的雾化压力下，利用雾化器(4)，将熔化的高硼钢雾化成液滴，沉积到旋转的沉积盘(6)上，制备成高硼钢中子吸收材料锭坯(5)；雾化的高硼钢液滴从雾化器到沉积盘(6)的沉积距离为：550mm；雾化器导流管直径：4.5mm。
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