一种高强韧性高硼不锈钢薄板及其制备方法与流程

本发明属于冶金材料技术领域，特别涉及一种高强韧性高硼不锈钢薄板及其制备方法。

背景技术：

核电站乏燃料储运用热中子吸收材料的服役环境较为恶劣，因此对其性能的要求也极为苛刻；对于储存乏燃料用的热中子吸收材料，其长期浸泡在含硼水溶液中，故需具备承受较大辐照剂量的能力及较强的耐腐蚀性；而对于乏燃料运输容器用的热中子吸收材料，其在正常使用或事故条件下可能会经受较高的温度及较大的冲击破坏，故其应具有较为优良的力学性能；自然硼有¹¹b和¹⁰b两种同位素，其中，¹⁰b同位素的热中子吸收截面为3837靶恩(barn)；此外，由于高硼不锈钢还具有较强的耐腐蚀能力，因此其较为广泛地应用于乏燃料的储运用材料的制备。

住友金属工业公司在sus304钢的基础上，分别添加0.6％和l.0％的b元素，制备出nar-304bni和nar-304bn3两种不锈钢的热轧带钢，之后采用埋弧焊接方法生产圆形焊管，后经冷拔方法制成方形焊管，就可满足核燃料贮存要求。

不锈钢中的硼含量越高，热中子吸收性能越好；但是，硼元素在钢中的固溶度较低，1000℃时，其在γ-fe中的固溶度仅为0.0018-0.0026wt％，若往钢液中添加过量的硼，使用常规模铸工艺所制备的高硼不锈钢，凝固过程钢中会有大量含有粗大、硬脆的硼化物的共晶组织在基体组织周围连续析出；在后续热加工变形过程中，高硼不锈钢工件容易发生边裂；而且，所制备的高硼不锈钢中难以获得细小弥散、分布不均的硼化物组织，导致成品板具有较高的强度，但是室温塑性、韧性较差，服役过程中抵抗变形和破坏的能力较差。

粉末冶金法是目前制备高硼不锈钢板的主要方法，其工艺主要是使用氩气保护气雾法制取不锈钢粉末后进行烧结成型，之后再进行热/冷加工等后续制备的工艺流程；但是，目前的粉末冶金法一般采用热等静压处理工艺进行烧结，这将使得整个工艺流程的周期较长，制备成本较为高昂。

中国专利cn102051531a提出了一种高硼含量奥氏体不锈钢及其制造方法，该不锈钢的特征主要为，硼含量为1.7～2.0wt％，成品板厚度为5.0mm，金相组织中的硼化物为粒状及棒状(大部分棒状硼化物的长轴方向的长度达10μm)，不锈钢的延伸率为9.0～12.0％；该专利采用真空感应炉+真空自耗炉或气体保护电渣炉工艺、电弧炉+aod熔炼工艺等“双联”工艺进行冶炼，通过添加ti及微量的稀土元素ce优化不锈钢的合金成分，还提出了将铸造及模铸过程的冷却速度控制在大于30℃/min的范围，以细化凝固组织。该方法所提出的热加工方式为“锻造+热轧”的两阶段热加工工艺，每火次锻造、热轧的压下率控制在80％以下。该方法不仅化学成分复杂，且冶炼-加工的工艺流程冗长复杂，导致生产效率较低。

技术实现要素：

针对现有高硼钢板的性能特征及制备技术存在的上述问题，本发明提供一种高强韧性高硼不锈钢薄板及其制备方法，通过调整成分及改进制备方法吗，在高硼不锈钢薄板中获得细小、弥散的硼化物颗粒，提高高硼不锈钢薄板的室温力学性能及中子屏蔽性能。

本发明的高强韧性高硼不锈钢薄板的化学成分按质量百分比为：b2.0～2.5％，c＜0.01％，cr16.0～18.0％，ni15.5～17.5％，mn1.0～2.0％，si0.5～1.0％，其余为fe和不可避免杂质，同时元素成分满足nieq＞1.1creq－7.0，其中nieq＝％ni+30×％c+0.5×％mn，creq＝％cr+1.5×％si，厚度1.0～4.0mm，抗拉强度为700～850mpa，室温延伸率为12.5～15.5％。

上述的高强韧性高硼不锈钢薄板的室温冲击韧性为220～250kj/m²。

本发明的高强韧性高硼不锈钢薄板的制备方法按照以下步骤进行：

1、冶炼钢水，其成分按质量百分比为：b2.0～2.5％，c＜0.01％，cr16.0～18.0％，ni15.5～17.5％，mn1.0～2.0％，si0.5～1.0％，其余为fe和不可避免杂质，同时元素成分满足nieq＞1.1creq－7.0，其中nieq＝％ni+30×％c+0.5×％mn，creq＝％cr+1.5×％si；

2、钢水进入中间包，然后流入由双辊连铸机的两个结晶辊和侧封板围成的空腔内，形成熔池，其中两个结晶辊反向旋转；熔池中的钢水经过两个结晶辊之间的辊缝凝固并导出，形成薄带；

3、将薄带空冷至900～1100℃，然后采用热轧机进行单道次热轧，压下率为15～40％，得到热轧薄板；

4、将热轧薄板水冷至温度600～700℃，然后卷取并空至常温获得热轧卷；

5、将热轧卷开卷后在保护气氛条件下进行退火处理，退火温度为1000～1100℃，保护气氛为氩气，保温时间为15～45min，保温后的冷却方式为空冷，至常温后获得退火薄板；将退火薄板平整处理后，制成高强韧性高硼不锈钢薄板。

上述方法中，热轧时的速率为0.1～2.0m/s。

上述方法中，平整处理时的压下率为0.5～1.2％。

上述方法中，铸带厚度1.6～6.0mm。

上述的％ni、％c、％mn、％cr和％si分别为ni、c、mn、cr和si元素的质量百分数。

与现有高硼不锈钢板相比，本发明所提供的高硼不锈钢薄板，实现了对硼化物的完全细微化和弥散化控制：成品薄板中的硼化物主要呈微米级的非球形颗粒状及亚微米级的球状，细小弥散的硼化物既能发挥第二相粒子的弥散强化作用，又能避免成品板的室温塑性及韧性的恶化。

与现有技术相比，本发明工艺有效改善了合金元素偏析的程度，薄带的凝固组织中的硼化物主要呈不连续的颗粒状，平均粒径小于5.0μm，基体组织为均匀、稳定的奥氏体组织；通过控制连铸后的热轧温度、热轧压下量，得到外形平整、无边裂的高硼不锈钢热轧板；经退火处理及平整处理后，最终得到高强韧性的高硼不锈钢薄板；此外，本发明工艺生产流程紧凑、制造工序少，能够显著降低生产成本。

在本发明中，对高硼不锈钢进行超低碳控制，避免铸带中形成结构复杂的碳硼化物；通过控制化学成分包括锰和硅等元素的含量，同时满足nieq＞1.1creq－7.0，保证高硼不锈钢薄板的基体组织为均匀、稳定的奥氏体组织，并改善成品板的强韧性，高硼不锈钢的；通过控制热轧压下率和热轧温度等条件，使高硼不锈钢中硼化物的进一步细化，分布更为均匀、弥散；通过控制退火条件，消除高硼不锈钢基体的奥氏体组织内的残余应力，同时保证高硼不锈钢室温组织更加均匀、稳定；退火过程的保护气氛防止高硼不锈钢薄板在退火处理过程中过度氧化。

附图说明

图1为本发明的高强韧性高硼不锈钢薄板及其制备方法的流程示意图；图中，1、钢包，2、中间包，3、双辊薄带连铸机的结晶辊，4、熔池，5、薄带，6、热轧机，7、水冷却系统，8、卷取机，9、热轧卷；

图2为本发明实施例1的薄带全厚度形貌及b-mn-si线扫描元素分布图；图中，上图为形貌图，下图为线扫描元素分布图；

图3为本发明实施例1的薄带全厚度形貌及cr-ni-fe线扫描元素分布图；图中，上图为形貌图，下图为线扫描元素分布图；

图4为本发明对比例1的薄带全厚度形貌及b-mn-si线扫描元素分布图；图中，上图为形貌图，下图为线扫描元素分布图；

图5为本发明对比例1的薄带全厚度形貌及cr-ni-fe线扫描元素分布图；图中，上图为形貌图，下图为线扫描元素分布图；

图6为本发明实施例2的薄带的显微组织图；

图7为本发明实施例2和对比例2的高强韧性高硼不锈钢薄板的显微组织图；图中(a)为实施例2，(b)为对比例2。

具体实施方式

本发明的工艺流程如图1所示。

本发明实施例中观测显微组织采用的设备为jeoljxa-8530f型电子探针；室温拉伸试样尺寸及其性能测定方法是依据于gb/t228-2002，所采用的设备为instron4206-006拉伸实验机；室温夏比v口冲击试样尺寸及其性能测定方法是依据于gb-t229-2007，所采用的设备为zbc2452-b摆锤式冲击试验机。

本发明实施例中的薄带的凝固组织中的硼化物主要呈不连续的颗粒状，平均粒径小于5.0μm，基体组织为均匀、稳定的奥氏体组织。

本发明实施例中的高强韧性高硼不锈钢薄板中，硼化物呈微米级的非球形颗粒状及亚微米级的球状，且粒径小于1.0μm的硼化物占总面积的60％以上，粒径大于2.5μm的硼化物不超过10％。

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

冶炼钢水，其成分按质量百分比为：b2.5％，c0.006％，cr17.9％，ni15.8％，mn1.5％，si0.8％，其余为fe和不可避免杂质，同时元素成分满足nieq＞1.1creq－7.0，其中nieq＝15.8+30×0.006+0.5×1.5＝16.73，creq＝17.9+1.5×0.8＝19.1；

钢水进入中间包，然后流入由双辊连铸机的两个结晶辊和侧封板围成的空腔内，形成熔池，其中两个结晶辊反向旋转；熔池中的钢水经过两个结晶辊之间的辊缝凝固并导出，形成薄带；薄带的形貌及各元素的分布如图2和图3所示；

将薄带空冷至1100℃，然后采用热轧机进行单道次热轧，压下率为38％，热轧时的速率为2.0m/s，得到热轧薄板；

将热轧薄板水冷至温度700℃，然后卷取并空至常温获得热轧卷；热轧卷无边裂；

将热轧卷开卷后在保护气氛条件下进行退火处理，退火温度1050℃，保护气氛为氩气，保温时间45min，保温后的冷却方式为空冷，至常温后获得退火薄板；将退火薄板平整处理后，制成高强韧性高硼不锈钢薄板；平整处理时的压下率为0.7％；

高强韧性高硼不锈钢薄板厚度1.0mm，抗拉强度为820mpa，室温延伸率为12.8％，室温冲击韧性为224kj/m²；硼化物主要呈微米级的非球形颗粒状及亚微米级的球状，粒径小于1.0μm的硼化物占总面积的62％，粒径大于2.5μm的硼化物为8.0％

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)钢水，其成分按质量百分比为：b2.1％，c0.004％，cr16.2％，ni17.4％，mn1.0％，si0.6％；其中nieq＝17.4+30×0.004+0.5×1.0＝18.02，creq＝16.2+1.5×0.6＝17.1；

(2)薄带空冷至900℃，然后采用热轧机进行单道次热轧，压下率为28％，热轧时的速率为1.0m/s；其中薄带的显微组织如图6所示；

(3)热轧薄板水冷至650℃后卷取；

(4)退火温度1000℃，退火保温时间30min，平整处理时的压下率为1.0％；

(5)高强韧性高硼不锈钢薄板厚度1.3mm，抗拉强度为760mpa，室温延伸率为15.2％，室温冲击韧性为246kj/m²；粒径小于1.0μm的硼化物占总面积的64％，粒径大于2.5μm的硼化物为7.5％，显微组织如图7(a)所示。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

(1)钢水，其成分按质量百分比为：b2.3％，c0.007％，cr17.5％，ni16.0％，mn1.3％，si1.0％；其中nieq＝16.0+30×0.007+0.5×1.3＝16.86，creq＝17.5+1.5×1.0＝18；

(2)薄带空冷至1050℃，然后采用热轧机进行单道次热轧，压下率为20％，热轧时的速率为0.5m/s；

(3)热轧薄板水冷至650℃后卷取；

(4)退火温度1100℃，退火保温时间15min，平整处理时的压下率为1.0％；

(5)高强韧性高硼不锈钢薄板厚度2.4mm，抗拉强度为800mpa，室温延伸率为14.5％，室温冲击韧性为232kj/m²；粒径小于1.0μm的硼化物占总面积的63.2％，粒径大于2.5μm的硼化物为9.0％。

实施例4

方法同实施例1，不同点在于：

(1)钢水，其成分按质量百分比为：b2.4％，c0.006％，cr18.0％，ni15.5％，mn2.0％，si0.5％；其中nieq＝15.5+30×0.006+0.5×2.0＝16.68，creq＝18.0+1.5×0.5＝18.75；

(2)薄带空冷至1000℃，然后采用热轧机进行单道次热轧，压下率为15％，热轧时的速率为0.1m/s；

(3)热轧薄板水冷至600℃后卷取；

(4)退火温度1080℃，退火保温时间30min，平整处理时的压下率为1.2％；

(5)高强韧性高硼不锈钢薄板厚度4.0mm，抗拉强度为705mpa，室温延伸率为13.8％，室温冲击韧性为228kj/m²；粒径小于1.0μm的硼化物占总面积的62.1％，粒径大于2.5μm的硼化物为7.0％

对比例1

方法同实施例1，不同点在于：

形成7.2mm厚铸带，由于铸带较厚，凝固过程中，铸带中发现明显的凝固缺陷，且铸带中心区域的合金元素发生较为显著的偏析，铸带全厚形貌及线扫描元素分布情况如图4和图5所示；

铸带空冷至1085℃，热轧机进行压下量为41.7％的一道次热轧，热轧速率为0.12m/s，然后在685℃时进行卷取，得到厚度为4.2mm，宽度为210mm的轧板卷；由于铸带凝固过程中偏析较为显著，且单道次的压下量过大，高硼不锈钢铸带热轧时发生边裂；成品板心部的硼化物主要呈棒状，其室温延伸率仅为7.2％，冲击韧性仅为128kj/m²。

对比例2

方法同实施例2，不同点在于：

铸带空冷至1050℃，经热轧机6进行压下量为14.2％的一道次热轧，热轧速率为0.12m/s，然后在690℃时进行卷取，得到厚度为1.56mm，宽度为210mm的轧板卷，热轧卷外形平整、无边裂；进行退火处理时的温度为1100℃，保温30min，最终得到的成品板由于其热轧压下量较小，显微组织如图7(b)所示，其硼化物未能充分破碎，粒径小于1.0μm的硼化物仅占总量的39.3％，心部的硼化物主要呈棒状；成品板的室温延伸率仅为6.0％，冲击韧性仅为107kj/m²。

对比例3

方法同实施例3，不同点在于：

钢水成分按质量百分比为cr19.2％，c0.007％，ni14.0％，mn0.7％，b2.4％，si1.4％，其余为fe和不可避免的杂质元素，其镍当量nieq为14.56，铬当量creq为21.3；

经热轧、退火处理后，水淬冷却得到的高硼不锈钢薄板，其基体组织中马氏体的含量为12.5％，最终室温延伸率为9.6％，冲击韧性为142kj/m²。

对比例4

方法同实施例4，不同点在于：

钢水成分按质量百分比为cr17.2％，c0.021％，ni15.5％，mn1.4％，b2.35％，si0.8％，其余为fe和不可避免杂质；即提高碳的含量；

所得到的高硼不锈钢铸带的凝固组织中存在块状的m23(c,b)6及m7(c,b)3型碳硼化物，块状硼化物的平均粒径为12μm的；经热轧、退火处理后，粒径小于1.0μm的硼化物仅占总量的46.3％，且m23(c,b)6及m7(c,b)3型碳硼化物仍粗大的呈块状；成品板的室温延伸率仅为10.4％，冲击韧性为155kj/m²。