一种高硼不锈钢合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高硼不锈钢合金及其制备方法，属于中子吸收材料领域。该合金的成分质量百分比为：B：0.2‑3%，Cr：12‑26%，Ni：1.5‑23%，C：0.02‑0.6%，Mn：1‑11%，Mo：0‑7%，Si：≤3%，P≤0.2%，S≤0.030，其余为铁。制备方法包括：水雾化喷雾制粉、粉末轧制、烧结。优点在于制备的高硼不锈钢组织均匀、工艺流程短、节约能源、厚度由压型阶段避免了后续坯料热轧，材料室温抗拉强度大于400MPa、屈服强度大于200MPa、延伸率大于3%，本发明专利技术所制备的高硼不锈钢适用于核辐射防护屏蔽材料、乏燃料贮存材料和反应堆控制材料等，具有良好的经济效益和社会效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于中子吸收材料领域，涉及一种高硼不锈钢合金及其制备方法。
技术介绍
核电厂燃料贮存格架、燃料运输、转运、中子屏蔽等领域需要中子吸收材料，以避免中子向外辐射。常用的中子吸收材料有铅硼聚乙烯、含硼聚丙烯、镉板、碳化硼、铝基碳化硼和硼钢等，硼钢随着具有足够结构力学性能，和良好中子吸收能力。硼原子序数为5，原子量为10.811，有两种稳定的同位素：硼10和硼11，天然丰度分别为19.78%和80.22%；硼10对中子的吸收截面是天然丰度硼的5倍还多，是石墨的20多倍，是作为中子防护材料混凝土的500多倍。含硼不锈钢作为中子吸收材料，在核电、现代工业、军事装备及高端医疗等方面有着广泛的应用。硼在钢中的作用非常复杂，在钢中的溶解度极小，与各种晶体缺陷（如晶界、位错和空位等）有强烈的相互作用；它与钢中的其它元素如氧、氮、碳等能形成各种类型的夹杂物和析出相。因而，在不同状态的钢中，由于其经历冶炼、加工、热处理的状态不同，硼的分布及作用就不同。及时同样含硼量的钢中，由于硼分布状态的变化，实际对钢淬透性、韧性等起作用的硼量会完全不同。钢中加入微量的硼，能提高钢的淬透性。以硼为主要合金元素的合金钢一般称为高硼钢，其硼重量含量一般在0.2%-3%，硼含量越高，吸收热中子能力越强。一般硼在α-Fe和γ-Fe的最大溶解度分别为0.0081%和0.02%，超过固溶度的硼通常以硼相的形式沿晶界析出，呈网状沉淀分布，使钢的韧性下降，这种现象称为“硼脆”。钢中的硼含量越多，这种沉淀相的量就越多，沉淀相的数量、形状、大小和分布与钢的性能密切相关；如果分布在晶界，并呈连续分布时，使高硼钢的韧性严重恶化。一般情况下，高硼钢中的硼含量在0.5-1%时，为亚共晶组织，硼相为Fe2B，共晶组织沿晶界连续分布；硼含量为1.0-2.5%时Fe2B量增加，呈典型的枝晶组织；硼含量为2.5-4.0%时为共晶组织，硼化物为Fe2B或Fe2（C,B）。传统的铸造工艺下，高硼钢在凝固过程中很难避免晶粒组大以及连续网状共晶硼化物的形成。高硼不锈钢，含有铬、镍和钼等元素，可以提高硼在铁基合金中的固溶度，部分减少硼相的析出，然而硼在不锈钢中固溶度的增加也十分有限，也会出现粗大的硼相。粉末轧制工艺是高效粉末成型工艺，其原理为具有一定流动性和成形性的粉末在两辊或四辊轧机一定压力下，粉末之间发生搭接等现象，通过轧辊后得到具有一定强度的坯料。粉末轧制的优点是可以得到板状的压坯，这种坯料宽度受到轧辊辊长的限制，厚度一般在5mm以下，长度理论上可以无限长；得到了压坯烧结后，得到致密或是多孔的板状材料，避免了热轧，节约了大量的能源。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高硼不锈钢合金及其制备方法，该方法采用水雾化-粉末轧制-烧结制备，优点在于制备的高硼不锈钢组织均匀、工艺流程短、节约能源、厚度由压型阶段避免了后续坯料热轧，同时避免了传统铸造高硼不锈钢的在晶界偏聚，适合批量化生产。为了达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高硼不锈钢合金制备方法，依次包括如下步骤：（1）不锈钢粉末的制备：将硼铁、铬铁、镍铁、锰铁等铁合金及纯铁按照要求配比进行水雾化，并过筛，得到60目-200目筛下的组织均匀的合金粉末；保证元素尤其是硼元素均匀分布在粉末颗粒没有偏析等现象；成本较低，粉末成形性好；（2）粉末轧制步骤：将水雾化所得的合金在粉末轧机上，然后在轧制成形，得到厚度0.5-5mm后的粉末板材；粉末厚度可调，能连续生产；（3）烧结：将上粉末轧制的板状坯料在还原性气氛下进行烧结，得到板状材料，成本较低，硼及其他元素不易出现偏析。采用这样的高硼不锈钢合金制备方法，工艺流程短，能耗低。优选的是，所述高硼不锈钢合金包括硼、镍、铬、锰、钼、硅、磷和硫元素，均以铁合金的形式加入。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢合金中硼含量比例为0.2~3%。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢合金还包括Cr：12-26%，Ni：1.5-23%，C：0.02-0.6%，Mn：1-11%，Mo：0-7%，Si：≤3%，P≤0.2%，S≤0.030，其余为铁。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢合金中包括B：2.1%，Cr：19%，Ni：14%，C：0.08%，Mn：2%，Si：0.75，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢合金中包括B：0.25%，Cr：15%，Ni：12%，C：0.20%，Mn：1.5%，Si：2.5%，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢合金中包括B：0.6%，Cr：15%，Ni：12%，C：0.20%，Mn：1.5%，Si：2.5%，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢合金中包括B：1.5%，Cr：18%，Ni：15%，C：0.04%，Mn：1.0%，Mo：6%，Si：1.0%，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。上述任一方案优选的是，将硼铁、铬铁、镍铁、锰铁及纯铁按照要求配比进行水雾化时，熔化温度高出熔点100-300℃，保护气体为氮气，喷雾压力为5-40MPa。示例性地，熔化温度高出熔点100℃、150℃、200℃、250℃，喷雾压力30MPa、25MPa、20MPa、10MPa。上述任一方案优选的是，所述粉末轧制成形步骤中，轧制速度为1-20m/min，轧制压力为50-200MPa。示例性地，得到的粒度分别为-150目、-120目、-100目、-80目的粉末，在3m/min、5m/min、10m/min、15m/min轧制速度，轧制压力为60MPa、80MPa、100MPa、150MPa。上述任一方案优选的是，烧结温度为1100-1400℃摄氏度。示例性地热轧温度为1150℃、1200℃、1250℃、1350℃。上述任一方案优选的是，所述还原性气氛下为氨分解气氛，成本低。本专利技术提供过一种高硼不锈钢合金，其采用本专利技术第一方面的高硼不锈钢合金制备方法制备得到。本专利技术与现有技术方案相比具有以下有益效果：（1）本专利技术所述一种高硼不锈钢及其制备方法，采用水雾化制备粉末原料，保证元素尤其是硼元素均匀分布在粉末颗粒没有偏析等现象；成本较低，粉末成形性好。（2）本专利技术采用粉末轧制成形工艺，工序简单，材质均匀，且避免后续大量的烧坯变形，节约能源；并且烧结后硼元素在晶粒内部分布均匀不易在晶界偏聚。综上所述，采用本专利技术制备的高硼不锈钢具有相对材质均匀、综合力学性能良好、耗能低、成本低廉、良好的r射线及中子吸收性能等特点，可应用于核电厂燃料贮存格架、燃料运输、转运、中子屏蔽等领域，具有广泛的应用前景。附图说明图1是按照本专利技术的高硼不锈钢合金制备方法的一优选实施例流程图。图2是按照本专利技术的高硼不锈钢合金的一优选实施例的微观组织。具体实施方式为了更加清楚准确地理解本专利技术的
技术实现思路
，下面结合附图及具体实施例进一步进行说明。实施例1该实施例提供的高硼不锈钢合金成份为B：2.1%，Cr：19%，Ni：14%，C：0.08%，Mn：2%，Si：0.75，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。这些元素均以铁合金形式加入。如图1所示，本实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高硼不锈钢合金制备方法，依次包括如下步骤：（1）不锈钢粉末的制备：将硼铁、铬铁、镍铁、锰铁及纯铁按照要求配比进行水雾化，并过筛，得到60目‑200目筛下的组织均匀的合金粉末；（2）粉末轧制步骤：将水雾化所得的合金在粉末轧机上，然后在一定轧制速度和压力下成形，得到厚度0.5‑5mm后的粉末板材；（3）烧结：将上粉末轧制的板状坯料在还原性气氛下进行烧结，得到板状材料。

【技术特征摘要】
1.一种高硼不锈钢合金制备方法，依次包括如下步骤：（1）不锈钢粉末的制备：将硼铁、铬铁、镍铁、锰铁及纯铁按照要求配比进行水雾化，并过筛，得到60目-200目筛下的组织均匀的合金粉末；（2）粉末轧制步骤：将水雾化所得的合金在粉末轧机上，然后在一定轧制速度和压力下成形，得到厚度0.5-5mm后的粉末板材；（3）烧结：将上粉末轧制的板状坯料在还原性气氛下进行烧结，得到板状材料。2.如权利要求1所述的高硼不锈钢合金制备方法，其特征于：所述高硼不锈钢合金包括硼、镍、铬、锰、钼、硅、磷和硫元素，以铁合金的形式加入。3.如权利要求2所述的高硼不锈钢合金制备方法，其特征于：所述高硼不锈钢合金中硼含量比例0.2-3%。4.如权利要求3所述的高硼不锈钢合金制备方法，其特征于：所述高硼不锈钢合金还含有Cr：12-26%，Ni：1.5-23%，C：0.02-0.6%，Mn：1-11%，Mo：0-7%，Si：≤3%，P≤0.2%，S≤0.030，其余为铁。5.如权利要求4所述的高硼不锈钢合金制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铁军，裴燕斌，刘桂荣，
申请(专利权)人：安泰核原新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13