高硼不銹鋼構(gòu)成的結(jié)構(gòu)屏蔽一體化板材的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硼不銹鋼的制備方法，具體涉及的是高硼不銹鋼構(gòu)成的結(jié)構(gòu)屏蔽一體化板材的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硼吸收中子后，只產(chǎn)生軟γ光子(約0.5Mev)和很容易被吸收的α粒子，而沒(méi)有大的剩余感生放射性。因此，硼添加到不銹鋼中制備的硼不銹鋼可以作為中子吸收材料，安裝在核反應(yīng)堆周圍可以吸收從堆芯中泄露出的中子，以保障在其周圍作業(yè)操作人員的安全;在核燃料的貯存及運(yùn)輸中，硼不銹鋼作為中子吸收材料可以確保核燃料深度處于次臨界安全閾度下，保證核燃料貯存或運(yùn)輸?shù)陌踩?br>[0003]根據(jù)性能，高硼不銹鋼可以分為Α級(jí)和Β級(jí)，Α級(jí)不僅可以用作屏蔽吸收中子材料，還可兼作結(jié)構(gòu)材料，是名副其實(shí)的結(jié)構(gòu)-屏蔽一體化材料;而B級(jí)只能用作中子吸收材料，使用時(shí)一般需要結(jié)構(gòu)材料作輔助。
[0004]目前，高硼不銹鋼的制備主要也分為兩種方法，熔鑄/鍛壓法以及粉末冶金法。生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，熔鑄/鍛壓法只能生產(chǎn)出B級(jí)高硼不銹鋼，而粉末冶金法可以生產(chǎn)出A級(jí)硼不銹鋼，該粉末冶金法的工藝流程一般為:將氬氣霧化粉裝入鋼包套中進(jìn)行了熱等靜壓處理，之后進(jìn)行熱/冷加工(專利JP06207207、JPH0347946、JP2002022891(A)等)。該工藝路線中使用了熱等靜壓機(jī)，造成了整個(gè)制造成本的提高。且在粉末冶金法的制備工藝中，由于硼的加入導(dǎo)致了硼不銹鋼材料塑性差、成型困難的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決目前粉末冶金制備高硼不銹鋼的制造成本較高的問(wèn)題，本發(fā)明提供了制造成本低且有效生產(chǎn)出A級(jí)硼不銹鋼的一種利用該高硼不銹鋼材料構(gòu)成結(jié)構(gòu)屏蔽一體化板材的制備方法。
[0006]為降低目前粉末冶金制備高硼不銹鋼的制造成本，可以考慮采用常規(guī)的壓制成型/燒結(jié)路線，但常規(guī)的壓制成型/燒結(jié)路線只能生產(chǎn)ASTM A887-89規(guī)定的B級(jí)BBS，其不能滿足需求，因而需要通過(guò)工藝技術(shù)的改進(jìn)提高高硼不銹鋼的力學(xué)性能。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
高硼不銹鋼構(gòu)成的結(jié)構(gòu)屏蔽一體化板材的制備方法，包括以下步驟:
(1)壓制成型:將高硼不銹鋼合金粉末裝入組合模具中通過(guò)冷等靜壓技術(shù)生成預(yù)制生坯；
(2)燒結(jié):將預(yù)制生坯放入燒結(jié)爐中，在真空或H2氛圍下，經(jīng)加熱、升溫、保溫后燒結(jié)成燒結(jié)坯；
(3)鍛壓:將燒結(jié)坯放入碳鋼鏡框中，再將帶鏡框的燒結(jié)坯放入高溫爐中，經(jīng)加熱、升溫、保溫后鍛制成厚板；
(4)熱乳:將厚板再次放入高溫爐中，經(jīng)加熱、升溫、保溫后，熱乳形成所需厚度的薄板； (5)型材加工:去除薄板上的碳鋼鏡框，然后通過(guò)固溶處理和校直后獲得板材成品。
[0008]本發(fā)明的方法克服了粉末冶金法中需進(jìn)行熱等靜壓處理的問(wèn)題，本發(fā)明采用冷等靜壓處理工藝，進(jìn)而有效降低生產(chǎn)成本。且本發(fā)明通過(guò)冷等靜壓+燒結(jié)工藝+鏡框鍛制工藝的結(jié)合，有效得到硼化物細(xì)小且在奧氏體中分布均勻性好的板材成品，經(jīng)檢測(cè)該板材成品的密度可達(dá)到97?99%T.D，其屏蔽性能和力學(xué)性能優(yōu)良。本發(fā)明制備的高硼不銹鋼板材綜合性能符合A級(jí)硼不銹鋼要求，其綜合力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)熔鑄法制備的高硼不銹鋼，因而可以用作結(jié)構(gòu)-屏蔽一體化材料。
[0009]作為一種優(yōu)選，所述步驟(1)中采用的高硼不銹鋼合金粉末為單一的含硼不銹鋼預(yù)合金粉末，即按化學(xué)成分配制的爐料經(jīng)熔煉后，形成一爐熔融液再霧化成的粉末，該高硼不銹鋼合金粉末的化學(xué)成分要求如下:
C:0.01?0.08%，B:0.5?1.5%，Si < 1.0% ,Μη < 2.0% ,Ρ < 0.035% ,S < 0.030% ,Ni:12.0?15.0%，0:18.0?20.0%^<0.10%，0<0.005%，其余為？6和不可避免的雜質(zhì)；該高硼不銹鋼合金粉末的粒度為10?80μπι。
[0010]本實(shí)施例中壓制成型、燒結(jié)、鍛壓、熱乳、型材加工各步驟中的工藝參數(shù)可以選擇常規(guī)所用的工藝參數(shù)，但為了達(dá)到最好地效果，本發(fā)明優(yōu)選地，所述步驟(1)中冷等靜壓技術(shù)的壓力為180?220MPa。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟(2)中燒結(jié)爐加熱溫度為1160?1225°C，升溫速率1?3°C/min，保溫時(shí)間為30?120min。
[0012]優(yōu)選地，所述步驟(3)中的鍛壓采用多火次鍛制工藝，單火次中最大鍛制壓下量不超過(guò)70 %。
[0013]進(jìn)一步，所述步驟(3)中高溫爐加熱溫度為1050?1150°C，升溫速率5?10°C/min，保溫時(shí)間為60?90min ；終鍛溫度為950°C。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟(4)中的熱乳采用多火次熱乳工藝，單火次最大熱乳壓下量不超過(guò) 40 %。
[0015]進(jìn)一步，所述步驟(4)中高溫爐的加熱溫度為1000?1150°C，升溫速率5?10°C/min，保溫時(shí)間為40?60min。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟(5 )中的固溶溫度為1050?1150°C，設(shè)固溶時(shí)間為t，板厚為h，t的單位為min，h的單位為mm;貝ljt = (2?4)min/mmXh。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
1、本發(fā)明通過(guò)冷等靜壓的方式替代粉末冶金法中的熱等靜壓的方式，工藝路線中使用了熱等靜壓機(jī)的成本投入，進(jìn)而有效降低目前粉末冶金制備中高硼不銹鋼的制造成本；
2、本發(fā)明采用冷等靜壓的方式與燒結(jié)工藝和鏡框鍛制相結(jié)合，有效克服了含硼不銹鋼材料塑性差、成型困難的問(wèn)題，使本發(fā)明形成的板材成品的尺寸、厚度可控，操作性更強(qiáng)；
3、本發(fā)明制備出的高硼不銹鋼板材中，該硼化物細(xì)小且在奧氏體基體中分布均勻;且本發(fā)明制備的高硼不銹鋼板材綜合力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)熔鑄法制備的高硼不銹鋼，可用作結(jié)構(gòu)-屏蔽一體化材料，效果十分顯著；
4、本發(fā)明制備方法所需的工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低，板材力學(xué)性能優(yōu)異，硼化物細(xì)小且分布均勻性好，滿足核輻射防護(hù)、核電站乏燃料貯運(yùn)臨界控制等對(duì)結(jié)構(gòu)-屏蔽一體化材料的設(shè)計(jì)使用要求。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為實(shí)施例1制成的板材的顯微組織圖。
[0019]圖2為實(shí)施例2制成的板材的顯微組織圖。
[0020]圖3為實(shí)施例3制成的板材的顯微組織圖。
[0021 ]圖4為實(shí)施例4中燒結(jié)坯和板材的顯微組織圖。
[0022]圖5為實(shí)施例5制成的板材的顯微組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0024]實(shí)施例1
高硼不銹鋼構(gòu)成的結(jié)構(gòu)屏蔽一體化板材的制備方法，包括以下步驟:
(1)壓制成型:將化學(xué)成分為(::0.03%，8:0.5%，51:0.75%，]\111:1.2%，？:0.015%，5:0.010%，N1:13.5%，Cr:18.9%，Ν:0.050%，0:0.001%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，粒度ΙΟμπι的高硼不銹鋼合金粉末裝入橡膠模鋼模組合模具中，在180MPa的壓力下，采用冷等靜壓的方式壓制成預(yù)制生坯，保壓時(shí)間5min;
(2)燒結(jié):將預(yù)制生坯放入燒結(jié)爐中，在真空氛圍下，加熱至1225°C，升溫速率為3°C/min，保溫時(shí)間30min后冷卻得到燒結(jié)還；
(3)鍛壓:將燒結(jié)坯放入碳鋼鏡框中，再將帶鏡框的燒結(jié)坯放入高溫爐中，加熱至1150°C、升溫速率10°C/min、保溫90min后自由鍛制成厚板。采用多火次鍛制，終鍛溫度950°C，單火次最大鍛制壓下量不超過(guò)70%。
[0025](4)熱乳:將鍛制后的厚板再次放入高溫爐中，加熱至1150°C，升溫速率10°C/min，保溫60min后熱乳成所需厚度的板材。采用多火次熱乳，單火次最大熱乳壓下量不超過(guò)40%。
[0026](5)型材加工:將熱乳板去鏡框后進(jìn)行1050°C的固溶處理，固溶時(shí)間t = 30min再經(jīng)校直，得到硼化物在奧氏體中均勻分布，密度為98 % T.D、Akv2 = 78J的成品板材，該板材顯微組織圖如圖1所示。
[0027]實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于，本實(shí)施例的工藝參數(shù)不同，具體設(shè)置如下:
(1)壓制成型:將化學(xué)成分為(::0.026%，8:1.0%，5丨:0.65%，]\111:1.3%，？:0.018%，5:0.010%，N1:14.0%，Cr:18.5%，Ν:0.030%，0:0.001%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，粒度40μπι的高硼不銹鋼合金粉末裝入橡膠模鋼模組合模具中，在200MPa的壓力下，采用冷等靜壓的方式壓制成預(yù)制生坯，保壓時(shí)間5min;
(2)燒結(jié):將預(yù)制生坯放入燒結(jié)爐中，在真空氛圍下，加熱至1200°C，升溫速率為3°C/min，保溫時(shí)間120min后冷卻得到燒結(jié)還；
(3)鍛壓:將燒結(jié)坯放入碳鋼鏡框中，再將帶鏡框的燒結(jié)坯放入高溫爐中，加熱至1100°C、升溫速率10°C/min、保溫90min后自由鍛制成厚板。采用多火次鍛制，終鍛溫度950°C，單火次最大鍛制壓下量不超過(guò)70%。
[0028](4)熱乳:將鍛制后的厚板再次放入高溫爐中，加熱至1000°C，升溫速率10°C/min，保溫60min后熱乳成所需厚度的板材。采用多火次熱乳，單火次最大熱乳壓下量不超過(guò)40%。
[0029](5)型材加工:將熱乳板去鏡框后進(jìn)行1150°C的固溶處理，固溶時(shí)間t = 25min再經(jīng)校直，得到硼化物在奧氏體中均勻分布，密度為98 % T.D、Akv2 = 62J的成品板材