一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法

　　【技術領域】

　　[0001]本發明涉及一種硼不銹鋼的制備方法，具體涉及的是一種高硼含量的硼不銹鋼的 制備方法。

　　【背景技術】

　　[0002] 硼吸收中子后，只產生軟γ光子(約0.5Mev)和很容易被吸收的α粒子，而沒有大的 剩余感生放射性。因而高硼含量的硼不銹鋼是一種性能優良的屏蔽材料，具有良好的中子 吸收和屏蔽射線的能力，被廣泛使用在各種屏蔽系統中，如反應堆的堆芯屏蔽，乏燃料貯運 系統的反應性控制等。

　　[0003] 硼不銹鋼是硼化物的均勻彌散在不銹鋼基體中形成的一種合金。硼的加入會導致 材料的機械性能、腐蝕性能、加工性能等的大幅劣化。所以如何保證在加入適當的硼后，材 料的綜合性能良好，這對材料的制備工藝提出了較高的要求，這也是我國一直沒有硼不銹 鋼制造技術的原因。因而根據性能，高硼不銹鋼可以分為Α級和Β級，Α級不僅可以用作屏蔽 吸收中子材料，還可兼作結構材料，是名副其實的結構-屏蔽一體化材料;而B級只能用作中 子吸收材料，使用時一般需要結構材料作輔助。

　　[0004] 目前，美國、日本、英國、奧地利、西班牙等國都具備生產硼不銹鋼的技術。美國的 Carpenter Technology Corporation、英國的British Steel Corporation、日本的Nippon Kokan K. K(NKK)和Toshiba以及奧地利的B6h〗erBleche，都能生產硼不銹鋼。但從硼不銹 鋼材料制造技術的發展來看，采用鑄造加鍛造的方法一般只能生產ASTM A887-89規定的B 級BBS，而要生產A級BBS只能通過特有的粉末冶金(PM)工藝制備。因此，在具備硼不銹鋼生 產能力的國家中，目前只有美國能夠采用粉末冶金法生產A級硼不銹鋼。其他國家大多采用 鑄/鍛法制備B級硼不銹鋼。

　　[0005] 粉末冶金法制備的硼化物通常呈圓形、細小有釘扎位錯的作用，材料的宏觀表現 為有較強的抗拉強度，特別是較為優良的沖擊性能。PM-BBS制備的難點在于燒結時不銹鋼 粉表面的氧化膜使得燒結的致密化作用不明顯，通過添加適當的硼化合物能夠產生活性燒 結。例如：硼化物CrB在燒結過程中轉化為Cr 2B，并在Cr2B和基體之間發生共晶反應形成液 相，液相燒結大大改善了壓坯的致密度。采用該方法制備的BBS可達到全致密，致密化也是 能改善粉末冶金硼不銹鋼的拉伸性能和沖擊性能的主要手段。FeB和NiB粉末在燒結中也起 類似作用。但上述PM-BBS制備方法中，由于硼的加入導致了硼不銹鋼材料塑性差、成型困難 的問題。

　　【發明內容】

　　[0006] 本發明的目的在于解決現有技術中由于硼的加入導致含硼不銹鋼材料塑性差、成 型困難的問題，本發明提供了成功制備工程尺寸的高硼含量的不銹鋼板材的一種高硼含量 的硼不銹鋼的制備方法。

　　[0007] 為解決上述缺點，本發明的技術方案如下： 一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，包括以下步驟： (1) 制備含硼的不銹鋼原材料； (2) 將含硼的不銹鋼原材料裝在擠壓筒中進行封裝，在900°C-1200°C之間保溫直至粉 料完全熱透，再擠壓形成板坯； (3) 將板坯乳制成成品。

　　[0008] 現有PM-BBS制備過程是:通過添加適當的硼化合物能夠產生活性燒結，如:硼化物 CrB在燒結過程中轉化為Cr2B，并在Cr2B和基體之間發生共晶反應形成液相，液相燒結大大 改善了壓坯的致密度。該成型方法是將基體液化，進而提高致密性，但該基體液化的方法導 致了塑性差、成型困難的問題。同時該方法需要漫長的燒結過程，燒結過程中造成硼的損 失。

　　[0009] 本發明采用的是通過擠壓筒擠壓形成板坯，再通過乳制制成工程尺寸的成品的方 法;該擠壓筒擠壓的方法有效提高含硼不銹鋼材料的塑性，通過乳制后即可制成不同規格 尺寸的成品。本發明的成型過程與PM-BBS制備方法相比更加簡單、操作更加簡便，同時避免 了漫長燒結過程導致的硼的損失，且成型成品的尺寸規格便于控制。

　　[0010] 且經過實驗得知，通過本發明的方法獲得的板材密度高、抗拉強度均達到500Mpa 以上，其板材綜合性能優良，符合A級硼不銹鋼的要求。

　　[0011] 作為一種優選，所述步驟(2)中擠壓應變速率為0.01-5 s4,擠壓比在6-10之間。

　　[0012] 進一步，所述步驟(1)中含硼的不銹鋼原材料為含硼的不銹鋼粉末，或含硼的不銹 鋼粉末經過壓制后制成的坯料。兩者的區別在于同樣體積的擠壓筒中加入的材料重量不 同，含硼的不銹鋼粉末的裝料量少于坯料的裝料量，但擠壓出的板坯的密度差別不大。

　　[0013] 更進一步，所述含硼的不銹鋼粉末的制備工藝包括： 在不銹鋼熔煉的過程中加入含硼化合物，共同熔煉后制成含硼的不銹鋼粉末;或將不 銹鋼粉末與硼化物粉末進行機械混合，使硼化物在不銹鋼粉末中混合均勻而制成含硼的不 銹鋼粉末。

　　[0014] 熔煉得到的含硼的不銹鋼粉末與機械混合得到的含硼的不銹鋼粉末兩種加入方 式的區別在于:硼化物在不銹鋼基體中的分布形態有區別，第一種加入方式中硼化物彌散 分布在不銹鋼基體相中，每個粉末顆粒中都含有硼化物;第二種加入方式中硼化物以粉末 顆粒形式與不銹鋼粉末形成機械混合物。但上述兩種方式對擠壓出的板坯的密度影響均不 大。

　　[0015] 根據文獻調研發現硼元素的含量高于3%后，材料的脆性導致材料難以制備成型， 不具有可加工性能。另外根據實際使用的情況，也基本沒有硼含量高于3%的材料用于實際 使用。所以在目前的技術水平下，硼含量大于3%的材料即難于加工也沒有實際使用的例 子，所以本方法也沒有運用于制備硼含量大于3%的材料。因而，本發明特針對硼含量在3% 以下的硼不銹鋼材料的制備技術。

　　[0016] 為了能有效提高乳制成品的密度，進而有效增加抗拉強度，所述步驟(3)中乳制溫 度在950°C_1200°C之間。

　　[0017] 為了能得到預定尺寸的成品，且使制成成品的尺寸精確度更高，所述步驟(3)中乳 制的過程如下:將板坯通過熱乳形成板材后，再經過冷乳形成預定尺寸的成品。

　　[0018] 為了能避免與空氣中氧氣接觸，減少表面氧化膜的生成，所述步驟(2)中的封裝為 真空封裝。

　　[0019] 本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果： 1、 本發明通過擠壓筒擠壓形成板坯，再將板坯乳制成成品的方法，有效克服了含硼不 銹鋼材料塑性差、成型困難的問題，使本發明方法的操作過程更加簡單、易控制，并使成型 成品的尺寸可控，同時能有效提尚成品綜合性能； 2、 本發明制成的成品可應用于反應堆的堆芯屏蔽以及燃料貯運系統中，因而本發明的 方法可為反應堆的堆芯屏蔽以及燃料貯運系統提供關鍵材料； 3、 本發明的工藝流程短，硼化物在制備過程中損失少，沒有漫長的燒結過程，含硼化合 物在不銹鋼基體中分布均勻；且通過擠壓和乳制使材料致密度高，進而有效增加成品的密 度，促使成品的機械性能優良。

　　【具體實施方式】

　　[0020] 下面結合實施例，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。 [0021 ] 實施例1 一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，包括以下步驟： (1) 制備含硼的不銹鋼原材料； (2) 將含硼的不銹鋼原材料裝在擠壓筒中進行封裝，在900°C-1200°C之間保溫直至粉 料完全熱透，再擠壓形成板坯； (3) 將板坯乳制成成品。

　　[0022]本實施例的具體操作步驟如下： 采用硼含量為〇. 5wt%的含硼不銹鋼預制粉末，即在不銹鋼熔煉的過程中加入含硼化合 物，共同熔煉后制成含硼的不銹鋼粉末，該含硼的不銹鋼粉末的

　　硼含量為〇.5wt%。將上述含 硼的不銹鋼粉末裝入直徑為140_的不銹鋼擠壓筒中真空封裝，將擠壓筒加熱到900°C保溫 三個小時，通過擠壓形成斷面尺寸為20X30mm 2的矩形材，將此矩形材在950°C情況下進行 乳制，所述乳制的過程如下：將板坯通過熱乳形成板材后，再經過冷乳形成預定尺寸的成 品。乳制形成厚度為2mm的板材。

　　[0023] 本實施例中擠壓應變速率為0.01-5 s'擠壓比為8。

　　[0024]經過檢測可知，板材的密度達到7 · 8g/cm2。

　　[0025] 實施例2 本實施例與實施例1的區別在于，本實施例的工藝參數不同，具體設置如下： 采用硼含量為3wt%的含硼不銹鋼預制粉末，將其裝入直徑為290mm的不銹鋼擠壓筒中 真空封裝，將擠壓筒加熱到1200°C保溫三個小時，擠壓為斷面尺寸為70X50mm2的矩形材， 將此矩形材在1200°C情況下進行乳制，乳制形成厚度為3mm的板材。

　　[0026] 本實施例中擠壓應變速率為0.01-5 s'擠壓比為6。

　　[0027]經過檢測可知，板材的密度達到7.76g/cm2。

　　[0028] 實施例3 本實施例與實施例1的區別在于，本實施例的工藝參數不同，具體設置如下： 采用硼含量為1.8wt%的含硼不銹鋼混合粉末預壓制坯料，坯料的具體制備過程為:將 不銹鋼粉末與硼化物粉末進行機械混合，使硼化物在不銹鋼粉末中混合均勻而制成含硼的 不銹鋼粉末，該含硼的不銹鋼粉末的硼含量為1.8wt%。然后將含硼的不銹鋼粉末經過壓制 后即制成坯料。

　　[0029] 將坯料裝入直徑為270mm的不銹鋼擠壓筒中真空封裝，將擠壓筒加熱到1150°C保 溫2.5個小時，擠壓為斷面尺寸為40 X45mm2的矩形材，將此矩形材在980°C情況下進行乳 制，乳制形成厚度為2.5mm的板材。

　　[0030] 本實施例中擠壓應變速率為0.01-5 s'擠壓比為10。

　　[0031 ]經過檢測可知，板材的密度達到7.78g/cm2。

　　[0032] 實施例4 本實施例與實施例3的區別在于，本實施例的工藝參數不同，具體設置如下： 采用硼含量為1 .〇wt%的含硼不銹鋼預制粉末，將其直接裝入直徑為200mm的不銹鋼擠 壓筒中真空封裝，將擠壓筒加熱到l〇〇〇°C保溫2.5個小時，擠壓為斷面尺寸為30 X 40mm2的 矩形材，將此矩形材在ll〇〇°C情況下進行乳制，乳制為厚度為2.5mm的板材。

　　[0033] 本實施例中擠壓應變速率為0.01-5 s'擠壓比為8。

　　[0034]經過檢測可知，板材的密度達到7 · 79g/cm2。

　　[0035] 實施例5 本實施例與實施例1的區別在于，本實施例的工藝參數不同，具體設置如下： 采用硼含量為〇.5wt%的含硼不銹鋼預制粉末，即在不銹鋼熔煉過程中加入含硼化合 物，共同熔煉后制成含硼的不銹鋼粉末，該含硼的不銹鋼粉末的硼含量為〇.5wt%。將上述含 硼的不銹鋼粉末裝入直徑為140_的不銹鋼擠壓筒中真空封裝，將擠壓筒加熱到850°C保溫 三個小時，通過擠壓形成斷面尺寸為20X30mm 2的矩形材，但矩形出現開裂，將此矩形材在 950°C情況下進行乳制，乳制形成厚度為2_的板材，由于乳制溫度過低，坯料的開裂不能完 全愈合。

　　[0036] 本實施例中擠壓應變速率為0.01-5 s'擠壓比為8。

　　[0037] 經過檢測可知，板材的密度達到7.2g/cm2，而且擠壓后材料出現開裂，乳制過程也 不能完全修復材料裂紋，擠壓和乳制過程中溫度太低，不能得到完整的材料，材料也不夠致 I_L| 〇

　　[0038] 實施例6 本實施例與實施例1的區別在于，本實施例的工藝參數不同，具體設置如下： 采用硼含量為〇.5wt%的含硼不銹鋼預制粉末，即在不銹鋼熔煉過程中加入含硼化合 物，共同熔煉后制成含硼的不銹鋼粉末，該含硼的不銹鋼粉末的硼含量為〇.5wt%。將上述含 硼的不銹鋼粉末裝入直徑為140mm的不銹鋼擠壓筒中真空封裝，將擠壓筒加熱到1250°C保 溫三個小時，通過擠壓形成斷面尺寸為20X30mm 2的矩形材，將此矩形材在950°C情況下進 行乳制，乳制形成厚度為2mm的板材，乳制過程容易開裂。

　　[0039] 本實施例中擠壓應變速率為0.01-5 s'擠壓比為8。

　　[0040]經過檢測可知，板材的密度達到7.75g/cm2,擠壓后材料完整，但乳制過程容易產 生裂紋。由于擠壓溫度太高，硼化物聚集生長在晶粒邊界，導致材料的力學加工性能變差。 [0041]綜上可知，本發明的方法適用于硼含量為3.Owt%以下含硼不銹鋼的制備，其制備 出的板材綜合性能優良，本發明方法制備出的板材綜合性能符合A級硼不銹鋼的要求。 [0042]上述實施例僅為本發明的優選實施例，并非對本發明保護范圍的限制，但凡采用 本發明的設計原理，以及在此基礎上進行非創造性勞動而作出的變化，均應屬于本發明的 保護范圍之內。

　　【主權項】

　　1. 一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 制備含硼的不銹鋼原材料； (2) 將含硼的不銹鋼原材料裝在擠壓筒中進行封裝，在900°C-1200°C之間保溫直至粉 料完全熱透，再擠壓形成板坯； (3) 將板坯乳制成成品。2. 根據權利要求1所述的一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，其特征在于:所述步 驟(2)中擠壓應變速率為0.01-5 ，擠壓比在6-10之間。3. 根據權利要求1所述的一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，其特征在于:所述步驟 (1)中含硼的不銹鋼原材料為含硼的不銹鋼粉末，或含硼的不銹鋼粉末經過壓制后制成的 坯料。4. 根據權利要求3所述的一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，其特征在于:所述含硼 的不銹鋼粉末的制備工藝包括： 在不銹鋼熔煉的過程中加入含硼化合物，共同熔煉后制成含硼的不銹鋼粉末;或將不 銹鋼粉末與硼化物粉末進行機械混合，使硼化物在不銹鋼粉末中混合均勻而制成含硼的不 銹鋼粉末。5. 根據權利要求4所述的一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，其特征在于:所述步驟 (1)中含硼的不銹鋼原材料的硼含量在3%以下。6. 根據權利要求1所述的一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，其特征在于:所述步驟 (3)中的乳制溫度在950°C_1200°C之間。7. 根據權利要求6所述的一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，其特征在于:所述步驟 (3)中乳制的過程如下:將板坯通過熱乳形成板材后，再經過冷乳形成預定尺寸的成品。8. 根據權利要求1-7任一項所述的一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，其特征在于： 所述步驟(2)中的封裝為真空封裝。

　　【專利摘要】本發明公開的是一種高硼含量的硼不銹鋼的制備方法，解決了現有技術中由于硼的加入導致含硼不銹鋼材料塑性差、成型困難的問題。本發明包括以下步驟：（1）制備含硼的不銹鋼原材料；（2）將含硼的不銹鋼原材料裝在擠壓筒中進行封裝，在900℃-1200℃之間保溫直至粉料完全熱透，再擠壓形成板坯；（3）將板坯軋制成成品。本發明具有工藝流程短，硼化物在制備過程中損失少，沒有漫長的燒結過程，含硼化合物在不銹鋼基體中分布均勻，材料的機械性能優良等優點。

　　【IPC分類】C22C33/02, B22F3/20, B22F3/18

　　【公開號】CN105499582

　　【申請號】CN201510894075

　　【發明人】劉曉珍, 付道貴, 王美玲, 甘斌, 簡敏, 李剛, 孫長龍, 王貫春

　　【申請人】中國核動力研究設計院

　　【公開日】2016年4月20日

　　【申請日】2015年12月8日