CN105499582A - 一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的是一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，解决了现有技术中由于硼的加入导致含硼不锈钢材料塑性差、成型困难的问题。本发明包括以下步骤：（1）制备含硼的不锈钢原材料；（2）将含硼的不锈钢原材料装在挤压筒中进行封装，在900℃-1200℃之间保温直至粉料完全热透，再挤压形成板坯；（3）将板坯轧制成成品。本发明具有工艺流程短，硼化物在制备过程中损失少，没有漫长的烧结过程，含硼化合物在不锈钢基体中分布均匀，材料的机械性能优良等优点。

Description

一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硼不锈钢的制备方法，具体涉及的是一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法。
背景技术
硼吸收中子后，只产生软γ光子（约0.5Mev）和很容易被吸收的α粒子，而没有大的剩余感生放射性。因而高硼含量的硼不锈钢是一种性能优良的屏蔽材料，具有良好的中子吸收和屏蔽射线的能力，被广泛使用在各种屏蔽系统中，如反应堆的堆芯屏蔽，乏燃料贮运系统的反应性控制等。
硼不锈钢是硼化物的均匀弥散在不锈钢基体中形成的一种合金。硼的加入会导致材料的机械性能、腐蚀性能、加工性能等的大幅劣化。所以如何保证在加入适当的硼后，材料的综合性能良好，这对材料的制备工艺提出了较高的要求，这也是我国一直没有硼不锈钢制造技术的原因。因而根据性能，高硼不锈钢可以分为A级和B级，A级不仅可以用作屏蔽吸收中子材料，还可兼作结构材料，是名副其实的结构-屏蔽一体化材料；而B级只能用作中子吸收材料，使用时一般需要结构材料作辅助。
目前，美国、日本、英国、奥地利、西班牙等国都具备生产硼不锈钢的技术。美国的CarpenterTechnologyCorporation、英国的BritishSteelCorporation、日本的NipponKokanK.K（NKK）和Toshiba以及奥地利的Bleche，都能生产硼不锈钢。但从硼不锈钢材料制造技术的发展来看，采用铸造加锻造的方法一般只能生产ASTMA887-89规定的B级BBS，而要生产A级BBS只能通过特有的粉末冶金（PM）工艺制备。因此，在具备硼不锈钢生产能力的国家中，目前只有美国能够采用粉末冶金法生产A级硼不锈钢。其他国家大多采用铸/锻法制备B级硼不锈钢。
粉末冶金法制备的硼化物通常呈圆形、细小有钉扎位错的作用，材料的宏观表现为有较强的抗拉强度，特别是较为优良的冲击性能。PM-BBS制备的难点在于烧结时不锈钢粉表面的氧化膜使得烧结的致密化作用不明显，通过添加适当的硼化合物能够产生活性烧结。例如：硼化物CrB在烧结过程中转化为Cr2B，并在Cr2B和基体之间发生共晶反应形成液相，液相烧结大大改善了压坯的致密度。采用该方法制备的BBS可达到全致密，致密化也是能改善粉末冶金硼不锈钢的拉伸性能和冲击性能的主要手段。FeB和NiB粉末在烧结中也起类似作用。但上述PM-BBS制备方法中，由于硼的加入导致了硼不锈钢材料塑性差、成型困难的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中由于硼的加入导致含硼不锈钢材料塑性差、成型困难的问题，本发明提供了成功制备工程尺寸的高硼含量的不锈钢板材的一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法。
为解决上述缺点，本发明的技术方案如下：
一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备含硼的不锈钢原材料；
（2）将含硼的不锈钢原材料装在挤压筒中进行封装，在900℃-1200℃之间保温直至粉料完全热透，再挤压形成板坯；
（3）将板坯轧制成成品。
现有PM-BBS制备过程是：通过添加适当的硼化合物能够产生活性烧结，如：硼化物CrB在烧结过程中转化为Cr2B，并在Cr2B和基体之间发生共晶反应形成液相，液相烧结大大改善了压坯的致密度。该成型方法是将基体液化，进而提高致密性，但该基体液化的方法导致了塑性差、成型困难的问题。同时该方法需要漫长的烧结过程，烧结过程中造成硼的损失。
本发明采用的是通过挤压筒挤压形成板坯，再通过轧制制成工程尺寸的成品的方法；该挤压筒挤压的方法有效提高含硼不锈钢材料的塑性，通过轧制后即可制成不同规格尺寸的成品。本发明的成型过程与PM-BBS制备方法相比更加简单、操作更加简便，同时避免了漫长烧结过程导致的硼的损失，且成型成品的尺寸规格便于控制。
且经过实验得知，通过本发明的方法获得的板材密度高、抗拉强度均达到500Mpa以上，其板材综合性能优良，符合A级硼不锈钢的要求。
作为一种优选，所述步骤（2）中挤压应变速率为0.01-5s-1，挤压比在6-10之间。
进一步，所述步骤（1）中含硼的不锈钢原材料为含硼的不锈钢粉末，或含硼的不锈钢粉末经过压制后制成的坯料。两者的区别在于同样体积的挤压筒中加入的材料重量不同，含硼的不锈钢粉末的装料量少于坯料的装料量，但挤压出的板坯的密度差别不大。
更进一步，所述含硼的不锈钢粉末的制备工艺包括：
在不锈钢熔炼的过程中加入含硼化合物，共同熔炼后制成含硼的不锈钢粉末；或将不锈钢粉末与硼化物粉末进行机械混合，使硼化物在不锈钢粉末中混合均匀而制成含硼的不锈钢粉末。
熔炼得到的含硼的不锈钢粉末与机械混合得到的含硼的不锈钢粉末两种加入方式的区别在于：硼化物在不锈钢基体中的分布形态有区别，第一种加入方式中硼化物弥散分布在不锈钢基体相中，每个粉末颗粒中都含有硼化物；第二种加入方式中硼化物以粉末颗粒形式与不锈钢粉末形成机械混合物。但上述两种方式对挤压出的板坯的密度影响均不大。
根据文献调研发现硼元素的含量高于3%后，材料的脆性导致材料难以制备成型，不具有可加工性能。另外根据实际使用的情况，也基本没有硼含量高于3%的材料用于实际使用。所以在目前的技术水平下，硼含量大于3%的材料即难于加工也没有实际使用的例子，所以本方法也没有运用于制备硼含量大于3%的材料。因而，本发明特针对硼含量在3%以下的硼不锈钢材料的制备技术。
为了能有效提高轧制成品的密度，进而有效增加抗拉强度，所述步骤（3）中轧制温度在950℃-1200℃之间。
为了能得到预定尺寸的成品，且使制成成品的尺寸精确度更高，所述步骤（3）中轧制的过程如下：将板坯通过热轧形成板材后，再经过冷轧形成预定尺寸的成品。
为了能避免与空气中氧气接触，减少表面氧化膜的生成，所述步骤（2）中的封装为真空封装。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
1、本发明通过挤压筒挤压形成板坯，再将板坯轧制成成品的方法，有效克服了含硼不锈钢材料塑性差、成型困难的问题，使本发明方法的操作过程更加简单、易控制，并使成型成品的尺寸可控，同时能有效提高成品综合性能；
2、本发明制成的成品可应用于反应堆的堆芯屏蔽以及燃料贮运系统中，因而本发明的方法可为反应堆的堆芯屏蔽以及燃料贮运系统提供关键材料；
3、本发明的工艺流程短，硼化物在制备过程中损失少，没有漫长的烧结过程，含硼化合物在不锈钢基体中分布均匀；且通过挤压和轧制使材料致密度高，进而有效增加成品的密度，促使成品的机械性能优良。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备含硼的不锈钢原材料；
（2）将含硼的不锈钢原材料装在挤压筒中进行封装，在900℃-1200℃之间保温直至粉料完全热透，再挤压形成板坯；
（3）将板坯轧制成成品。
本实施例的具体操作步骤如下：
采用硼含量为0.5wt%的含硼不锈钢预制粉末，即在不锈钢熔炼的过程中加入含硼化合物，共同熔炼后制成含硼的不锈钢粉末，该含硼的不锈钢粉末的硼含量为0.5wt%。将上述含硼的不锈钢粉末装入直径为140mm的不锈钢挤压筒中真空封装，将挤压筒加热到900℃保温三个小时，通过挤压形成断面尺寸为20×30mm2的矩形材，将此矩形材在950℃情况下进行轧制，所述轧制的过程如下：将板坯通过热轧形成板材后，再经过冷轧形成预定尺寸的成品。轧制形成厚度为2mm的板材。
本实施例中挤压应变速率为0.01-5s-1，挤压比为8。
经过检测可知，板材的密度达到7.8g/cm2。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的工艺参数不同，具体设置如下：
采用硼含量为3wt%的含硼不锈钢预制粉末，将其装入直径为290mm的不锈钢挤压筒中真空封装，将挤压筒加热到1200℃保温三个小时，挤压为断面尺寸为70×50mm2的矩形材，将此矩形材在1200℃情况下进行轧制，轧制形成厚度为3mm的板材。
本实施例中挤压应变速率为0.01-5s-1，挤压比为6。
经过检测可知，板材的密度达到7.76g/cm2。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的工艺参数不同，具体设置如下：
采用硼含量为1.8wt%的含硼不锈钢混合粉末预压制坯料，坯料的具体制备过程为：将不锈钢粉末与硼化物粉末进行机械混合，使硼化物在不锈钢粉末中混合均匀而制成含硼的不锈钢粉末，该含硼的不锈钢粉末的硼含量为1.8wt%。然后将含硼的不锈钢粉末经过压制后即制成坯料。
将坯料装入直径为270mm的不锈钢挤压筒中真空封装，将挤压筒加热到1150℃保温2.5个小时，挤压为断面尺寸为40×45mm2的矩形材，将此矩形材在980℃情况下进行轧制，轧制形成厚度为2.5mm的板材。
本实施例中挤压应变速率为0.01-5s-1，挤压比为10。
经过检测可知，板材的密度达到7.78g/cm2。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于，本实施例的工艺参数不同，具体设置如下：
采用硼含量为1.0wt%的含硼不锈钢预制粉末，将其直接装入直径为200mm的不锈钢挤压筒中真空封装，将挤压筒加热到1000℃保温2.5个小时，挤压为断面尺寸为30×40mm2的矩形材，将此矩形材在1100℃情况下进行轧制，轧制为厚度为2.5mm的板材。
本实施例中挤压应变速率为0.01-5s-1，挤压比为8。
经过检测可知，板材的密度达到7.79g/cm2。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的工艺参数不同，具体设置如下：
采用硼含量为0.5wt%的含硼不锈钢预制粉末，即在不锈钢熔炼过程中加入含硼化合物，共同熔炼后制成含硼的不锈钢粉末，该含硼的不锈钢粉末的硼含量为0.5wt%。将上述含硼的不锈钢粉末装入直径为140mm的不锈钢挤压筒中真空封装，将挤压筒加热到850℃保温三个小时，通过挤压形成断面尺寸为20×30mm2的矩形材，但矩形出现开裂，将此矩形材在950℃情况下进行轧制，轧制形成厚度为2mm的板材，由于轧制温度过低，坯料的开裂不能完全愈合。
本实施例中挤压应变速率为0.01-5s-1，挤压比为8。
经过检测可知，板材的密度达到7.2g/cm2，而且挤压后材料出现开裂，轧制过程也不能完全修复材料裂纹，挤压和轧制过程中温度太低，不能得到完整的材料，材料也不够致密。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的工艺参数不同，具体设置如下：
采用硼含量为0.5wt%的含硼不锈钢预制粉末，即在不锈钢熔炼过程中加入含硼化合物，共同熔炼后制成含硼的不锈钢粉末，该含硼的不锈钢粉末的硼含量为0.5wt%。将上述含硼的不锈钢粉末装入直径为140mm的不锈钢挤压筒中真空封装，将挤压筒加热到1250℃保温三个小时，通过挤压形成断面尺寸为20×30mm2的矩形材，将此矩形材在950℃情况下进行轧制，轧制形成厚度为2mm的板材，轧制过程容易开裂。
本实施例中挤压应变速率为0.01-5s-1，挤压比为8。
经过检测可知，板材的密度达到7.75g/cm2，挤压后材料完整，但轧制过程容易产生裂纹。由于挤压温度太高，硼化物聚集生长在晶粒边界，导致材料的力学加工性能变差。
综上可知，本发明的方法适用于硼含量为3.0wt%以下含硼不锈钢的制备，其制备出的板材综合性能优良，本发明方法制备出的板材综合性能符合A级硼不锈钢的要求。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备含硼的不锈钢原材料；
（2）将含硼的不锈钢原材料装在挤压筒中进行封装，在900℃-1200℃之间保温直至粉料完全热透，再挤压形成板坯；
（3）将板坯轧制成成品。
2.根据权利要求1所述的一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中挤压应变速率为0.01-5s-1，挤压比在6-10之间。
3.根据权利要求1所述的一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中含硼的不锈钢原材料为含硼的不锈钢粉末，或含硼的不锈钢粉末经过压制后制成的坯料。
4.根据权利要求3所述的一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，其特征在于：所述含硼的不锈钢粉末的制备工艺包括：
在不锈钢熔炼的过程中加入含硼化合物，共同熔炼后制成含硼的不锈钢粉末；或将不锈钢粉末与硼化物粉末进行机械混合，使硼化物在不锈钢粉末中混合均匀而制成含硼的不锈钢粉末。
5.根据权利要求4所述的一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中含硼的不锈钢原材料的硼含量在3%以下。
6.根据权利要求1所述的一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的轧制温度在950℃-1200℃之间。
7.根据权利要求6所述的一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中轧制的过程如下：将板坯通过热轧形成板材后，再经过冷轧形成预定尺寸的成品。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种高硼含量的硼不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的封装为真空封装。
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