CN109321809B - 吸收辐射的纳米粉末不锈钢及其制造方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢及其制造方法和应用，属于不锈钢制造技术领域。一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法，包括：将混合的不锈钢粉与纳米含硼物质装入包套锭中进行热等径压处理。该制造方法操作简单，可控性强，易于工业化生产。一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢，由上述吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法制造而成。该不锈钢具有较好的吸收核辐射能力，可以应用于核反应堆的壳体、管道、具有辐射射线的医疗设备壳体等部件基材，从而阻隔或减少中子射线、伽马射线从辐射源的外泄。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢制造技术领域，且特别涉及一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢及其制造方法和应用。
背景技术
核辐射，或通常称之为放射性，存在于所有的物质之中，这是亿万年来存在的客观事实，是正常现象。人们在长期的实践和应用中发现，少量的辐射照射不会危及人类的健康，过量的放射性射线照射对人体会产生伤害，使人致病、致癌、致死。受照射时间越长，受到的辐射剂量就越大，危害也越大。随着科技的日益发达，人们对与辐射的认识越来越多，对于防辐射的要求也越来越高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢，该不锈钢具有较好的吸收核辐射能力，可以应用于核反应堆的壳体、管道、具有辐射射线的医疗设备壳体等部件基材，从而阻隔或减少中子射线、伽马射线从辐射源的外泄。
本发明的另一目的在于提供上述吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法，该制造方法操作简单，可控性强，易于工业化生产。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法，包括：将混合的不锈钢粉与纳米含硼物质装入包套锭中进行热等径压处理。
本发明提出一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢，由上述吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法制造而成。
本发明提出了上述吸收辐射的纳米粉末不锈钢在制备防辐射基材、管道以及核反应堆壳体中的应用。
本发明的有益效果包括：
本发明通过在不锈钢粉中添加纳米含硼物质，含硼纳米粉末具有吸收核辐射中子、γ-射线、α-射线的功能，均匀地混入不锈钢粉末中，使得所获得纳米粉末钢(不锈钢)具备吸收核辐射功能的材料，同时不会影响不锈钢的机械性能。纳米级含硼物质由于巨大的比表面积，吸收核辐射的功能更强。并且，发明人对不锈钢粉、纳米含硼物质的粒径进行了限定，对纳米含硼物质的含量以及热等径压的具体工艺参数进行限定，使得制得饿不锈钢的吸收辐射性能更强。制得的不锈钢具有较强的吸收核辐射性能，可以应用于医疗辐射防护、管道、核废料运输包装箱体等，还可以应用于核动力航母，核动力潜艇等小型核反应堆，在不增加额外的防护措施情况下，能够更加有效地阻止核辐射的外泄，具备更加广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的吸收辐射的纳米粉末不锈钢制造的流程示意图；
图2为本发明的热等径压工艺曲线如；
图3为本发明采用的圆柱形包套锭的结构示意图；
图4为本发明采用的四方体形包套锭的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢及其制造方法和应用进行具体说明。
本发明实施例提供了一种吸收辐射的的制造方法，包括：将混合的不锈钢粉与纳米含硼物质装入包套锭中进行热等径压处理。
本发明采用不锈钢粉与纳米含硼物质为原料，含硼纳米粉末具有吸收核辐射中子、γ-射线、α-射线的功能，均匀地混入不锈钢粉末中，使得所获得纳米粉末钢(不锈钢)具备吸收核辐射功能的材料。纳米级含硼物质由于巨大的比表面积，吸收核辐射的功能更强。
进一步地，在本发明较优的实施例中，纳米含硼物质包括硼、碳化硼、氮化硼以及锰方硼石中的至少一种。
表1含硼物质的性能
由表1可知，单质硼、碳化硼、氮化硼的熔点很高，在常用热等径压温度1100℃～1200℃范围内不会熔化，能够制成含纳米硼的粉末不锈钢。当温度在1000℃以下的锻造条件时，锰方硼石也可以作为纳米含硼物质。
进一步地，在本发明较优的实施例中，纳米含硼物质的粒径为10～1000nm，不锈钢粉的粒度为25～80μm时，纳米含硼物质与不锈钢粉混合而成的纳米不锈钢粉制备得到的不锈钢具有较好的吸收辐射的能力。优选地，纳米含硼物质的粒径为100～500nm，不锈钢粉的粒度为30～60μm。
经过发明人的实验研究，当纳米含硼物质的质量百分比为0.1～20％时，其可以均匀分布，纳米含硼物质可以发挥出较好的吸收辐射作用，同时不会影响不锈钢的机械性能，经热等径压处理可以得到密度为100％的钢材。优选地，纳米含硼物质的质量百分比可以为0.5％、2％、4％、5％、6％、8％、11％、13％、14％、15％、18％、19％。
请参照图1，将纳米含硼物质和不锈钢粉混合均匀，在本实施例中，不锈钢粉与纳米含硼物质采用球磨设备混合，球磨混合时间为1～5h。优选地，球磨时间可以为1.5h、2h、2.5h、3h、4h。
将混合后的纳米不锈钢粉装入2～6吨的包套锭之中，顶部封焊。本发明实施例中采用的包套锭采用低碳钢板制成，如3-4毫米厚的20#(或更低含碳量的)普通碳结钢板。如图3和图4，包套锭优选圆柱体，或长扁矩形体。底部封焊后，封焊的质量应达到抽真空达到10-3Mpa后，放置大气条件下24小时真空度保持在10-2Mpa以下。
封焊后将包套锭中的空气抽出，然后将包套锭置入热等径压炉内，抽真空并置换一个大气压的氮气，进行热等径压处理，工艺曲线如图2和表2。
表2热等径压工艺
热等径压处理包括：以不大于250℃/h的升温速度升温至800～900℃，该阶段的升温时间一般为0.6～0.7h。同时将炉内压力提高至100～150Mpa；继续升温至1100～1200℃，在温度为1100～1200℃、压力为100～150Mpa的条件下保温1～10h，该阶段的升温时间一般为0.4～0.6h。优选地，升温速度可以为220℃/h、210℃/h、200℃/h、190℃/h、150℃/h。第一次的升温温度可以为820℃、850℃、870℃、890℃。炉内压力可以为110Mpa、120Mpa、130Mpa、140Mpa。第二次的升温温度可以为1120℃、1130℃、1150℃、1170℃。
以不大于150℃/h的冷却速度将炉内的温度降至800～900℃，该阶段的降温时间一般为1.6～2h，恒温20～60min后，以不大于200℃/h的冷却速度将炉内的温度降至200℃以下，在降温的过程中，炉内的压力缓慢降至常压，该阶段的降温时间一般为3～4h。优选地，第一次的降温速度可以为140℃/h、130℃/h、120℃/h、110℃/h、90℃/h。第一次的降温温度可以为820℃、850℃、870℃、890℃。第二次的降温速度可以为180℃/h、170℃/h、160℃/h、150℃/h、110℃/h。
取出经热等径压的密度100％的包套锭。重新加热至锻造轧制温度，进行锻造或轧制获得所需具有吸收核辐射的纳米粉末不锈钢各种型材。
本发明实施例提供了由上述吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法制得的不锈钢。该吸收核辐射的纳米粉末不锈钢具有较强的吸收核辐射性能，可以应用于医疗辐射防护、管道、核废料运输包装箱体等，还可以应用于核动力航母，核动力潜艇等小型核反应堆，在不增加额外的防护措施情况下，能够更加有效地阻止核辐射的外泄，具备更加广泛的应用前景。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法，包括：
将粒度25μm的不锈钢粉与粒径为10nm的纳米含硼物质采用球磨设备在室温下充分混合1h，其中，纳米含硼物质的质量百分比为0.1％。
将混合后的纳米不锈钢粉装入包套锭之中，将内径为2毫米的无缝管通过预先钻好的小孔插入混合粉体内，并将上盖以及无缝管与筒壁之间缝隙进行封焊。通过无缝管将包套锭内残留的空气抽出，真空度需达10-3Mpa。用压力钳将无缝管密封。
将装有纳米钢粉的包套锭置入热等径压炉内，抽真空并置换一个大气压的氮气。以不大于250℃/h的升温速度升温至800℃，同时将炉内压力提高至100Mpa；继续升温至1100℃，在温度为1100℃、压力为100Mpa的条件下保温1h；
以不大于150℃/h的冷却速度将炉内的温度降至800℃，恒温30min后，以不大于200℃/h的冷却速度将炉内的温度降至200℃以下，在降温的过程中，炉内的压力缓慢降至常压。
取出经热等径压的密度100％的包套锭。重新加热至1150℃进行开坯锻造，制成150X500XL的扁坯。将150X500XL的扁坯加热，轧制成预先规定的热轧板带4X500XL。
实施例2
本实施例提供了一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法，包括：
将粒度80μm的不锈钢粉与粒径为1000nm的纳米含硼物质采用球磨设备在室温下充分混合5h，其中，纳米含硼物质的质量百分比为20％。
将混合后的纳米不锈钢粉装入包套锭之中，将内径为3毫米的无缝管通过预先钻好的小孔插入混合粉体内，并将上盖以及无缝管与筒壁之间缝隙进行封焊。通过无缝管将包套锭内残留的空气抽出，真空度需达10-3Mpa。用压力钳将无缝管密封。
将装有纳米钢粉的包套锭置入热等径压炉内，抽真空并置换一个大气压的氮气。以不大于250℃/h的升温速度升温至900℃，同时将炉内压力提高至150Mpa；继续升温至1200℃，在温度为1200℃、压力为150Mpa的条件下保温10h；
以不大于150℃/h的冷却速度将炉内的温度降至900℃，恒温45min后，以不大于200℃/h的冷却速度将炉内的温度降至200℃以下，在降温的过程中，炉内的压力缓慢降至常压。
取出经热等径压的密度100％的包套锭。重新加热至1150℃进行开坯锻造，制成150X500XL的扁坯。将150X500XL的扁坯加热，轧制成预先规定的热轧板带4X500XL。
实施例3
本实施例提供了一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法，包括：
将粒度50μm的不锈钢粉与粒径为500nm的纳米含硼物质采用球磨设备在室温下充分混合1.5h，其中，纳米含硼物质的质量百分比为10％。
将混合后的纳米不锈钢粉装入包套锭之中，将内径为3毫米的无缝管通过预先钻好的小孔插入混合粉体内，并将上盖以及无缝管与筒壁之间缝隙进行封焊。通过无缝管将包套锭内残留的空气抽出，真空度需达10-3Mpa。用压力钳将无缝管密封。
将装有纳米钢粉的包套锭置入热等径压炉内，抽真空并置换一个大气压的氮气。以不大于250℃/h的升温速度升温至850℃，同时将炉内压力提高至125Mpa；继续升温至1150℃，在温度为1150℃、压力为125Mpa的条件下保温5h；
以不大于150℃/h的冷却速度将炉内的温度降至850℃，恒温40min后，以不大于200℃/h的冷却速度将炉内的温度降至200℃以下，在降温的过程中，炉内的压力缓慢降至常压。
取出经热等径压的密度100％的包套锭。重新加热至1150℃进行开坯锻造，制成150X500XL的扁坯。将150X500XL的扁坯加热，轧制成预先规定的热轧板带4X500XL。
对比例1
本对比例提供了一种纳米粉末不锈钢的制造方法，包括：
将粒度50μm的不锈钢粉装入包套锭之中，将内径为2毫米的无缝管通过预先钻好的小孔插入混合粉体内，并将上盖以及无缝管与筒壁之间缝隙进行封焊。通过无缝管将包套锭内残留的空气抽出，真空度需达10-3Mpa。用压力钳将无缝管密封。
将装有纳米钢粉的包套锭置入热等径压炉内，抽真空并置换一个大气压的氮气。以不大于250℃/h的升温速度升温至800℃，同时将炉内压力提高至100Mpa；继续升温至1100℃，在温度为1100℃、压力为100Mpa的条件下保温1h；
以不大于150℃/h的冷却速度将炉内的温度降至800℃，恒温30min后，以不大于200℃/h的冷却速度将炉内的温度降至200℃以下，在降温的过程中，炉内的压力缓慢降至常压。
取出经热等径压的密度100％的包套锭。重新加热至1150℃进行开坯锻造，制成150X500XL的扁坯。将150X500XL的扁坯加热，轧制成预先规定的热轧板带4X500XL。
对比例2
本对比例提供了一种纳米粉末不锈钢的制造方法，包括：
将粒度80μm的不锈钢粉与粒径为80μm的含硼物质采用球磨设备在室温下充分混合1h，其中，纳米含硼物质的质量百分比为0.1％。
将混合后的纳米不锈钢粉装入包套锭之中，将内径为2毫米的无缝管通过预先钻好的小孔插入混合粉体内，并将上盖以及无缝管与筒壁之间缝隙进行封焊。通过无缝管将包套锭内残留的空气抽出，真空度需达10-3Mpa。用压力钳将无缝管密封。
将装有纳米钢粉的包套锭置入热等径压炉内，抽真空并置换一个大气压的氮气。以不大于250℃/h的升温速度升温至800℃，同时将炉内压力提高至100Mpa；继续升温至1100℃，在温度为1100℃、压力为100Mpa的条件下保温1h；
以不大于150℃/h的冷却速度将炉内的温度降至800℃，恒温30min后，以不大于200℃/h的冷却速度将炉内的温度降至200℃以下，在降温的过程中，炉内的压力缓慢降至常压。
取出经热等径压的密度100％的包套锭。重新加热至1150℃进行开坯锻造，制成150X500XL的扁坯。将150X500XL的扁坯加热，轧制成预先规定的热轧板带4X500XL。
试验例
分别对实施例1～3、对比例1～2制备的吸收辐射的纳米粉末不锈钢进行辐射性能测试，由测试结果可知，相比于对比例，实施例制得的不锈钢的辐射吸收能力较好。吸收辐射能力可达到50％。说明本发明提供的制造方法较为科学合理，可以制得具有良好的吸收辐射能力的不锈钢。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法，其特征在于，包括：
将粒度25μm的不锈钢粉与粒径为10nm的纳米含硼物质采用球磨设备在室温下充分混合1h，其中，纳米含硼物质的质量百分比为0.1％；
混合的不锈钢粉与纳米含硼物质装入包套锭并置入热等径压炉内，抽真空并置换一个大气压的氮气；以不大于250℃/h的升温速度升温至800℃，同时将炉内压力提高至100MPa；继续升温至1100℃，在温度为1100℃、压力为100MP a的条件下保温1h；以不大于150℃/h的冷却速度将炉内的温度降至800℃，恒温30min后，以不大于200℃/h的冷却速度将炉内的温度降至200℃以下，在降温的过程中，炉内的压力缓慢降至常压。
2.据权利要求1所述的吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法，其特征在于，所述纳米含硼物质包括硼、碳化硼、氮化硼以及锰方硼石中的至少一种。
3.一种吸收辐射的纳米粉末不锈钢，其特征在于，由如权利要求1或2所述的吸收辐射的纳米粉末不锈钢的制造方法制造而成。
4.如权利要求3所述的吸收辐射的纳米粉末不锈钢在制备防辐射基材、管道以及核反应堆壳体中的应用。
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