CN102392176A - 用于辐射屏蔽的碳化硼－球墨铸铁材料、结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料制造领域，特别是涉及用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料、用于辐射屏蔽的结构、及用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料的制备方法，由此能够形成既有优良核特性又有足够强度和韧性的高硼含量辐射屏蔽材料和辐射屏蔽结构。所述辐射屏蔽材料的制备方法包括以下步骤：将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中以形成含硼球墨铸铁液体；将所述含硼球墨铸铁液体凝固以形成具有球墨铸铁基体和B4C颗粒的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料。
Description
技术领域
本发明涉及材料制造领域，特别是涉及用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料、用于辐射屏蔽的结构、及用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料的制备方法。
背景技术
硼具有优越的屏蔽热中子及抑制俘获射线的核特性，而铁也是常用的辐射屏蔽材料。为了综合二者的优点，把硼加入到钢中得到高B含量钢。
不过，目前制造的这种硼钢具有以下问题：一是在熔炼过程中硼的烧损量较大(高达20～30％)；二是溶解在钢中的硼一般会和铁生成低熔点的FeB或者Fe2B，其偏聚在奥氏体晶界形成连续的网状而导致硼钢变脆。
因此，需要一种既有优良核特性又有足够强度和韧性的高硼含量辐射屏蔽材料。
发明内容
本发明的各实施例提供用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料、用于辐射屏蔽的结构、及用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料的制备方法，由此能够形成既有优良核特性又有足够强度和韧性的高硼含量的辐射屏蔽材料和辐射屏蔽结构。
根据本发明的一个方面，提供一种用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料的制备方法，其包括以下步骤：
将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中以形成含硼球墨铸铁液体；
将所述含硼球墨铸铁液体凝固以形成具有球墨铸铁基体和B4C颗粒的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料。
较佳地，在本发明的各实施例中，所述制备方法进一步包括：
在将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中之前，在所述含B4C颗粒的表面上形成完全包覆或部分包覆的保护层。
较佳地，在本发明的各实施例中，所述保护层是含镍保护层。
较佳地，在本发明的各实施例中，所述含镍保护层的厚度为10微米以上，优选地为10～50微米，更优选地为10～20微米。
较佳地，在本发明的各实施例中，
所述含B4C颗粒的粒度为0.05～0.50mm，优选地为0.10～0.40mm，更优选地为0.10～0.35mm；
和/或
所述含B4C颗粒的重量百分比为0.50～3.00％，优选地为0.60～3.00％，更优选地为0.70～2.80％。
较佳地，在本发明的各实施例中，在将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中时，所述液态的球墨铸铁的温度为1200～1400℃，优选地为1300～1400℃，更优选地为1320～1360℃。
根据本发明的另一方面，提供一种用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料，所述用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料利用如前所述的制备方法制成。
较佳地，在本发明的各实施例中，所述用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料中包含的硼的重量百分比为0.5-3.0％，优选地为1.0-2.0％，更优选地为1.5-2.0％。
较佳地，在本发明的各实施例中，所述球墨铸铁是QT500-7至QT700-2的球墨铸铁。
根据本发明的又一方面，提供一种用于辐射屏蔽的结构，其通过如前所述的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料构成。
通过本发明的实施例提供的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料、用于 辐射屏蔽的结构、及用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料的制备方法，能够形成既有优良核特性又有足够强度和韧性的高硼含量辐射屏蔽材料和辐射屏蔽结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1是根据本发明的实施例的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料制备方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
根据本发明的一个方面，提供一种用于辐射屏蔽的碳化硼(B4C)-球墨铸铁材料(辐射屏蔽材料)的制备方法，其包括以下步骤：
将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中以形成含硼球墨铸铁液体(例如，如图1中的步骤110所示)；
将所述含硼球墨铸铁液体凝固以形成具有球墨铸铁基体和B4C颗粒的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料(例如，如图1中的步骤120所示)。
根据本发明的实施例提供的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料的制备方法，制备出B4C-球墨铸铁的复合材料作为辐射屏蔽材料，通过将含B4C颗粒加入(例如以随流方式加入)液态球墨铸铁(铁水)中并在此后进行凝固， 能够得到以高强韧球墨铸铁为基体的嵌有未溶解的高硬度B4C颗粒(B4C具有很高的含硼量，为73％)的复合材料，从而使得结果得到的复合材料一方面保持了球墨铸铁基体的强度和韧性，另一方面还由于包含高硬度B4C颗粒而具有很高的耐磨性。重要的是，根据本发明的实施例的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料的制备方法制备出的复合材料可以包含高达2-3％的硼含量(重量百分比)，从而能够作为辐射屏蔽材料而有效实现辐射屏蔽作用(例如良好的中子屏蔽作用)，此外，由于B4C材料还具有较高的强度、韧性、和耐磨性，因而使包含B4C颗粒的结果得到的复合材料具有更佳的整体性能。
在一个实施例中，在浇注液态球墨铸铁(铁水)的同时，加入(例如随流加入)含B4C颗粒(即，将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中)，使含B4C颗粒可在浇注系统中就与液态球墨铸铁混合均匀。
较佳地，在本发明的各实施例中，所述制备方法进一步包括：
在将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中之前，在所述含B4C颗粒的表面上形成完全包覆或部分包覆的保护层。
较佳地，在本发明的各实施例中，所述保护层是含镍保护层。利用镍形成保护层，可在含B4C颗粒的表面(全部或部分)形成晶体保护结构，这种形成含镍保护层的方式工艺成熟，因而成本相对较低且质量稳定可靠。通过这样的含镍保护层，可有效防止含B4C颗粒在高温的液态球墨铸铁中过度溶解或发生不希望出现的化学反应，从而能够在最终得到的复合材料(辐射屏蔽材料)内保留足够量的B4C颗粒颗粒。
应理解，含B4C颗粒是否具有保护层(例如含镍保护层)是可选的特征，也就是说，根据本发明实施例的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料制备方法制备出的作为辐射屏蔽材料的复合材料既可以通过纯B4C颗粒和球墨铸铁基体材料制成，也可以通过具有保护层(例如含镍保护层)的包覆B4C颗粒(例如镍包B4C颗粒)和球墨铸铁基体材料制成。
较佳地，在本发明的各实施例中，所述含镍保护层的厚度为10微米以上， 优选地为10～50微米，更优选地为10～20微米。
采用保护层(例如含镍保护层)在含B4C颗粒的表面上进行完全包覆或者部分包覆，能够有效避免或减缓含B4C颗粒的溶解或与铁基体的反应。在采用含镍保护层的情况下，可采用化学镀镍的方法在含B4C颗粒的表面上包覆一层厚度不小于10微米的金属镍。
较佳地，在本发明的各实施例中，
所述含B4C颗粒的粒度为0.05～0.50mm，优选地为0.10～0.40mm，更优选地为0.10～0.35mm；
和/或
所述含B4C颗粒的重量百分比为0.50～3.00％，优选地为0.60～3.00％，更优选地为0.70～2.80％。
含B4C颗粒的粒度不宜过大，因为这样可能会影响最终的复合材料(辐射屏蔽材料)中的B4C颗粒颗粒的分布均匀性，从而不利于实现辐射屏蔽作用。另一方面，含B4C颗粒的粒度也不宜过小，因为这样可能会导致含B4C颗粒在处理过程中由于部分溶解而变得过小，从而在最终的复合材料(辐射屏蔽材料)中难以实现有效的辐射屏蔽作用。
较佳地，在本发明的各实施例中，在将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中时，所述液态的球墨铸铁的温度为1200～1400℃，优选地为1300～1400℃，更优选地为1320～1360℃。由于在本发明的实施例中提供的辐射屏蔽材料制备方法中采用球墨铸铁作为基体材料，因而与现有技术中采用钢材料作为基体的方案相比能够大幅度地降低浇注温度，一方面降低了制造成本，另一方面减少了由于高温所致的含B4C颗粒的过度溶解或化学反应。
根据本发明的另一方面，提供一种用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料，所述用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料利用如前所述的制备方法制成。
较佳地，在本发明的各实施例中，所述用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁 材料中包含的硼的重量百分比为0.5-3.0％，优选地为1.0-2.0％，更优选地为1.5-2.0％。
较佳地，在本发明的各实施例中，所述球墨铸铁是QT500-7至QT700-2的球墨铸铁。其中，应理解QT500-7至QT700-2是球墨铸铁的国标号。
根据本发明的又一方面，提供一种辐射屏蔽结构，其通过如前所述的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料构成。
在本发明提供的第一实施例中，可采用B4C颗粒和球墨铸铁制备复合材料作为辐射屏蔽材料，其中：
1、准备含B4C颗粒：粒度为0.1～0.35mm的纯B4C颗粒。
2、准备球墨铸铁铁水：按照QT500-7～QT700-2的球墨铸铁的化学成分要求配制炉料并熔化为铁水(例如，在感应电炉中熔化为铁水)，铁水出炉时进行球化(例如可用普通稀土镁硅铁进行球化)，然后进行孕育(例如用75Si-Fe进行孕育)。
3、浇注：在适合温度下(例如1320～1360℃)浇注铸件，即，将含B4C颗粒(无包覆的纯B4C颗粒)随流加入液态球墨铸铁(铁水)中，含B4C颗粒的加入量为0.70～2.8wt％(重量百分比)。
4、凝固：将包含有液态球墨铸铁(铁水)和含B4C颗粒的所述含硼球墨铸铁液体凝固，以形成具有球墨铸铁基体和B4C颗粒的复合材料，作为辐射屏蔽材料。
在本发明提供的第二实施例中，可采用全包覆的镍包B4C颗粒和球墨铸铁制备复合材料作为辐射屏蔽材料，其中：
1、准备含B4C颗粒：其为全包覆的镍包B4C颗粒，粒度为0.1～0.35mm。应理解，根据需要，镍包B4C颗粒也可为部分包覆的镍包B4C颗粒。
2、准备球墨铸铁铁水：按照QT500-7～QT700-2的球墨铸铁的化学成分要求配制炉料并熔化为铁水(例如，在感应电炉中熔化为铁水)，铁水出炉时进行球化(例如可用普通稀土镁硅铁进行球化)，然后进行孕育(例如用75Si-Fe 进行孕育)。
3、浇注：在适合温度下(例如1320～1360℃)浇注铸件，即，将含B4C颗粒(全包覆的镍包B4C颗粒)随流加入液态球墨铸铁(铁水)中，含B4C颗粒的加入量为0.70～2.8wt％(重量百分比)。
4、凝固：将包含有液态球墨铸铁(铁水)和含B4C颗粒的所述含硼球墨铸铁液体凝固，以形成具有球墨铸铁基体和B4C颗粒的复合材料，作为辐射屏蔽材料。
通过本发明的实施例提供的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料的制备方法、用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料和辐射屏蔽结构，能够形成既有优良核特性又有足够强度和韧性的高硼含量辐射屏蔽材料和辐射屏蔽结构。
本发明的各实施例中提供的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料制备方法主要具有以下优点：
(1)含B4C颗粒在液态球墨铸铁(铁水)中很少或者不会熔化或溶解，从而能够有效避免现有技术工艺中存在的硼氧化烧损的缺点，硼收得率高(可达90％以上)；
(2)工艺可靠、硼含量高且稳定，结果得到的复合材料中硼含量的重量百分比可达0.5～2.0％，因而作为辐射屏蔽材料能够有效进行辐射屏蔽；
(3)结果得到的复合材料的力学性能高：冲击韧性不低于25J/cm2，抗拉强度不低于400MPa，而且具有优异的耐摩擦磨损性能；
(4)与普通的球墨铸铁件的制造工艺相比，通过本发明的实施例的制备方法制备具有球墨铸铁基体和B4C颗粒的复合材料作为辐射屏蔽材料，不必增加设备和改变工艺参数，而可直接利用现有技术的制造球墨铸铁件的设备和工艺参数，因而制造成本很低。
本发明提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合，通过这种组合得到的技术方案，也在本发明的范围内。
显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中以形成含硼球墨铸铁液体；
将所述含硼球墨铸铁液体凝固以形成具有球墨铸铁基体和B4C颗粒的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，进一步包括：
在将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中之前，在所述含B4C颗粒的表面上形成完全包覆或部分包覆的保护层。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述保护层是含镍保护层。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述含镍保护层的厚度为10微米以上，优选地为10～50微米，更优选地为10～20微米。
5.如权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，
所述含B4C颗粒的粒度为0.05～0.50mm，优选地为0.10～0.40mm，更优选地为0.10～0.35mm；
和/或
所述含B4C颗粒的重量百分比为0.50～3.00％，优选地为0.60～3.00％，更优选地为0.70～2.80％。
6.如权利要求1至5中任一项所述的制备方法，其特征在于，在将含B4C颗粒加入到液态的球墨铸铁中时，所述液态的球墨铸铁的温度为1200～1400℃，优选地为1300～1400℃，更优选地为1320～1360℃。
7.一种用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料，其特征在于，所述用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料利用如权利要求1-6中任一项所述的制备方法制成。
8.如权利要求7所述的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料，其特征在于，所述辐射屏蔽材料中包含的硼的重量百分比为0.5-3.0％，优选地为1.0-2.0％，更优选地为1.5-2.0％。
9.如权利要求7或8所述的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料，其特征在于，所述球墨铸铁是QT500-7至QT700-2的球墨铸铁。
10.一种用于辐射屏蔽的结构，其特征在于，其通过如权利要求7至9中任一项所述的用于辐射屏蔽的碳化硼-球墨铸铁材料构成。
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