一種高硼含量奧氏體不鏽鋼及其製造方法
2023-05-16 15:44:06 1
專利名稱：一種高硼含量奧氏體不鏽鋼及其製造方法
技術領域：
本發明涉及不鏽鋼製造工藝，特別涉及一種高硼含量奧氏體不鏽鋼及其製造方法。
背景技術：
隨著世界能源短缺問題的日益嚴重和環境問題的日益突出，核電等綠色能源得到 世界各國的日益重視和大力發展。高硼奧氏體不鏽鋼具有優良的中子吸收性能、使用壽命 長、性能穩定可靠和不需在役檢查等綜合成本和性能的優勢，逐漸取代硼塑料、鎘等中子吸 收材料成為乏燃料貯存格架、核廢燃料貯藏和運輸容器等領域首選中子吸收材料，得到了 廣泛的應用。為保證乏燃料保持次臨界狀態，目前核電站越來越傾向於採用高密度或極高貯存 密度的方式來貯存核燃料，這就要求含硼不鏽鋼的厚度越來越薄和硼含量越來越高。但是 硼在鋼中的固溶度很低，高硼不鏽鋼中會形成大量低熔點硼化物共晶，嚴重割裂基體並使 得晶界強度大大削弱，導致材料的塑性、韌性大幅度降低，從而顯著降低鋼的熱加工性，導 致鋼板邊裂嚴重，因此高硼奧氏體不鏽鋼製造難度高和製造成本上升。為解決高硼不鏽鋼製造難度大的問題，目前的解決方案主要是通過對高硼不鏽鋼 鑄坯或鍛坯的邊部進行加工處理，包括塗覆金屬、框架保護材、焊接塑性良好的異種金屬 等，確保熱加工過程中減少高硼鋼邊部溫降和約束其變形，達到減少或者避免高硼不鏽鋼 的邊裂和提高成材率的目的，但該類處理過程加工流程較長，有些需要特殊的工藝裝備，導 致工藝複雜和成本較高。日本專利JP4253506公開了一種高硼奧氏體不鏽鋼的熱軋方法，其採用的高硼 不鏽鋼原料成分為(質量分數)硼0.3-2. 0%，碳< 0.08%，矽< 2.0%，錳< 2.0%，鎳 8. 0-15. 0%，鉻16. 0-20. 0%，鉬彡3.0%，氮彡0. 15%，其餘為鐵和不可避免的雜質。該 專利的熱軋方法是通過採用在高硼鋼鑄錠或者鍛坯四周焊接框材進行熱加工，加熱溫度為 1100 1200°C，終軋溫度大於T = 53B+700°C，來達到減少或者避免高硼不鏽鋼熱軋邊裂的 目的，取得了一定效果，但該方法需要準備高精度坡口的框材並且焊接工作量大，而且軋制 過程中框材容易剝落，導致生產工藝複雜和生產效率低。日本專利JP9269398公開了一種用於熱軋高硼奧氏體不鏽鋼的熱加工方法，具體 方案為採用在含硼0. 6 2. 奧氏體不鏽鋼鋼坯側邊堆焊金屬層，控制該堆焊金屬層 的鐵素體含量為3 12vol. %、含硼量為0. 3wt. %以下和厚度3mm以上，最後在1100 1200°C保溫後熱軋，以減少熱軋邊裂，但該方法為保證足夠的堆焊層厚度，導致焊接工數多 而且容易產生焊接裂紋，當產生焊接裂紋時，將成為裂紋源而引發邊裂產生，所以很難完全 防止邊裂產生。中國專利CN1681955A公開了 一種含硼不鏽鋼材及其製造方法，該鋼板的特 徵為在含硼0.3 2.5wt. %的不鏽鋼板除加工面之外的至少兩面上用高效電子束 焊接保護材，焊接金屬的化學成分需滿足15彡Crea彡30,4彡Cre-Niea彡17，Crea =Cr+1. 5XSi+Mo-5XB, Nieq = Ν +30Χ (C+N) +0. 5XMn,由此進行熱加工可防止熱軋材產生 邊裂，但該方法需要專門焊接裝備且成本較高，並且實施例中未有硼含量超過1. 2wt%焊接 試驗，不能確保高硼含量熱軋材不產生邊裂。日本專利JP6192792公開了一種高耐蝕性的含硼不鏽鋼，其化學成分為(質量分 數)C 彡 0. 02%，Si 彡 0. 5%，Mn 彡 2%, Ni 10-22%, Cr 18-26%, B ^ 3. 0%, Mg ^ 0. 1 %, Al ^ 0. 5 %, GdO. 05-1. 0 %,0. 1-5% 的 Ti、Zr 和 Nb 其中之一或複合添加，Cd ^ 1 %, Sm^ 和EuS 其中之一或複合添加，0. 1-5%的Mo、W和V其中之一或複合添加，其餘 為鐵和不可避免的雜質。該專利利用增加其他中子吸收元素如GcUSm和Eu來降低B含量， 從而提高了材料的耐蝕性和熱加工性能，但該方法化學成分複雜，增加了冶煉難度，而且許 多元素屬於稀有元素，導致原料成本昂貴。日本專利JP11158583公開了一種含硼不鏽鋼及其熱軋板製造方法，其公開的化 學成分為0. 03%,Si 0. 1-1. 0%,Μη 0. 2-2. 0%, P ^ 0. 05%, S ^ 0. 01 %, Ni 7-15%, Cr 18-25%, B 0. 9-2. 5%, Mo 0. 1-1. 0%, Al 0. 3-0. 8%, N ^ 0. 04%, Ca 0-0. 01%，稀土 0-0. 01%，其餘為鐵和不可避免的雜質。通過控制單道次壓下量來減少熱加工邊裂，Rc = {T(°C )/10}-20XB(% )-35, Re、T和B分別為允許壓下量、熱軋溫度和硼含量。但該方法 添加了較高的鉻和鉬，增加了原料成本，而且含較高的鋁，影響材料的表面質量。
發明內容
本發明的目的是提供一種高硼奧氏體不鏽鋼及其製造方法，生產的高硼不鏽鋼熱 軋產品具有良好的力學性能和中子吸收性能，而且，無須特殊的工藝裝備，生產工藝簡單有 效、生產效率高。
為達到上述目的，本發明的技術方案是，一種高硼含量奧氏體不鏽鋼，其化學成分重量百分比為C :0. 01 0.05%，B 1. 7 2. 0%, Si 彡 1. 0%, Mn ^ 2. 0%, P ^ 0. 035%, S 彡 0. 030%, Ni :12. 5 15. 0%, Cr 18. 5 21. 0%, Mo 彡 0. 5%, N 彡 0. 05%, Ti 彡 0. 15%, 0 彡 0. 0060%, Ce 彡 0. 15%, 其餘為Fe和不可避免的雜質。優選地，C為 0. 01 0. 03wt%。本發明高硼含量奧氏體不鏽鋼的製造方法，包括以下步驟採用真空感應爐-真空自耗爐工藝、或真空感應爐-氣體保護電渣爐工藝或電弧 爐-AOD熔煉工藝冶煉不鏽鋼，模鑄扁錠，並且採取較快的冷卻速度冷卻，使其冷卻速度大 於 30 0C /min ；熱加工採用多火次鍛造和熱軋通過鍛造過程可以破碎鑄態組織，從而進一步提 高材料的熱塑性，鍛造加工溫度範圍為900 1250°C，每火次鍛造的壓下量控制在80%以 下；鍛坯加熱後進一步進行熱軋，熱軋加工溫度範圍為900 1250°C，每火次熱軋壓下量控 制在80%以下；多火次鍛造、熱軋的次數可根據鑄造扁錠的初始厚度與需要的成品厚度之 間的比值確定，通過上述熱加工工藝參數的控制，可以大幅減少或者避免高硼鋼熱軋板的 邊裂；固溶處理溫度為1000 1150°C，固溶處理時間t (單位min) = Q 3)Xh，h為 板厚(單位mm)，然後酸洗得到中子吸收性能優異的奧氏體不鏽鋼板。
在本發明奧氏體不鏽鋼的化學成分中碳是強奧氏體形成元素，能提高鋼的強度。不宜過多，超過0.05%時會降低耐蝕 性和熱加工性能變差，並優先在0. 01 0. 03%。硼是起中子吸收作用的主要元素，當含量較低時，中子吸收效果不理想，但加入 量過多時，硼化物析出量過多將導致鋼的韌性極差，因此硼含量控制在1. 7 2. 0%為宜。矽是作為脫氧劑加入的，當含量較低時，對鋼的機械性能沒有大的影響，但加入 過多，則會使加工和韌性劣化，因此矽的加入控制在1.0%以下為好。錳是弱奧氏體元素，起到穩定奧氏體的作用，可以抑制不鏽鋼中硫的有害作用， 提高熱塑性，但超過2. 0%時會增大金屬間化合物形成的傾向，還會降低耐蝕性，應控制在 2. 0%以下。磷、硫是鋼中的雜質元素，出於熱塑性和耐蝕性的考慮，這兩個元素含量越少越 好，應控制在P彡0. 04%、S彡0. 03 %。鎳作為強烈的形成和擴大奧氏體區的元素，為了保證奧氏體組織的穩定性和提 高熱加工性能，將鎳下限控制在12.5%，但鎳的價格較高，應控制在15.0%以下。鉻改善耐蝕性的重要元素，能提高不鏽鋼在氧化性酸中耐蝕性，提高其在氯化物 溶液中的耐應力腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕能力。低於18.0%時，耐蝕性較差，但過 高增大鐵素體及金屬間化合物析出傾向，最好控制在18. 0 21. 0%。鉬可改善合金耐蝕性，但考慮價格因素不宜多加，最好控制在0. 5%以下。氮是強奧氏體形成元素，提高鋼的淬硬性及強度，還可節約鎳，但在高硼鋼中加 入量過多會使熱加工性能變差，應控制在0. 05%以下。鈦Ti很容易與N結合形成TiN，所以通常作為穩定化元素添加以固定鋼中的N， TiN可作為非自發核心促進形核，使凝固組織細化，但是過量的Ti會增加冶煉難度，降低材 料的表面質量和使用性能，因此控制在0. 15%以下。鈰添加微量稀土元素Ce，有利於淨化晶界、去除有害夾雜和細化凝固組織，使硼 化物尺寸變小，可改善鋼的熱塑性，但不能過多，應控制在0. 15%以下，否則反而會降低鋼 的韌性。為降低高硼奧氏體不鏽鋼熱加工邊裂敏感性，本發明採取化學成分和鑄態組織控 制的方法，以獲得偏析程度較低、細化的鑄態顯微組織，以及改善夾雜物和細小硼化物，從 源頭來提高高硼奧氏體不鏽鋼的的熱加工性能。具體地，本發明通過控制氧含量和添加微量的稀土元素，可以純淨鋼質、去除有害 夾雜、改善夾雜物形態和細化凝固組織，從而使硼化物尺寸變小和改善鋼的熱塑性；另外添 加微量Ti可以穩定化N，形成的TiN可作為非自發核心促進形核，也可以使凝固組織細化； 而且模鑄扁錠採取較快的冷卻速度冷卻，使其冷卻速度大於30°C /min，也進一步細化凝固 組織和改善硼化物尺寸分布。總之，本發明通過化學成分和鑄態組織的控制，獲得了細化的鑄態顯微組織，並且 硼化物偏析程度低、心部和邊部硼化物尺寸均細小彌散，從而提高了該鋼的熱塑性，為熱加 工過程減少或者避免邊裂、以及提高材料的各項性能奠定了良好的基礎。熱加工過程採用了先鍛造後熱軋的方法，鍛造、熱軋過程中確保適當的每火次變 形量和熱加工溫度範圍在熱塑性較高溫度區間，減少或避免熱加工過程中邊裂的產生。具體地，熱加工首先採用鍛造，鍛造變形量小而且可以多方向變形，改善了高硼鋼的變形條 件，鍛造過程中確保每火次熱加工溫度範圍均在900 1250°C之內；溫度過高，高硼鋼會出 現共晶相熔化，溫度過低，將導致變形抗力顯著增大，均不利於熱加上進行。由於高硼鋼大 量硼化物的存在，熱加工過程中容易應力集中導致裂紋萌生和擴展，因此每火次熱加工壓 下量控制在80%以下，總之，通過鍛造過程可以細化鑄態組織，從而進一步提高材料的熱塑 性，確保最終熱軋減少或避免邊裂；熱軋過程中也確保每火次熱加工溫度範圍均在900 1250°C之內、壓下量控制在80%以下；通過熱加工過程的控制，使得高硼鋼邊裂明顯減輕 或者完全避免邊裂。最後在1000 1150°C溫度範圍內進行固溶處理和酸洗後得到熱軋產 品，其中固溶處理時間t (單位min) = Q 3)Xh，h為板厚(單位mm)。本發明獲得的高硼奧氏體不鏽鋼具有良好的中子吸收性能和力學性能，可應用於 乏燃料貯存格架、核廢燃料貯藏和運輸容器以及屏蔽材料等領域。本發明的有益效果與現有其他專利相比，本發明不需要對高硼不鏽鋼鑄坯或鍛坯的邊部進行加工處 理，無須特殊的工藝裝備，因此採用的生產工藝簡單有效、生產效率高，且生產的高硼不鏽 鋼熱軋產品具有良好的力學性能和中子吸收性能。本發明通過化學成分控制和鑄態組織控制，以獲得偏析程度較低的鑄態顯微組織 和細小的硼化物，提高該鋼的熱加工性能，在隨後的鍛造、熱軋過程中確保適當的每火次變 形量和熱加工溫度範圍在熱塑性較高溫度區間，減少或避免熱加工過程中邊裂的產生，最 後進行固溶處理和酸洗得到高硼奧氏體不鏽鋼熱軋板，該類不鏽鋼具有良好的中子吸收性 能。
圖1是本發明實施例固溶處理態典型金相照片。
具體實施例方式以下通過實施例詳細的解釋本發明的特點。根據本發明所述的高硼奧氏體不鏽鋼實施例的化學成分見表1。
實施例1 6採用真空感應爐-真空自耗爐工藝、或真空感應爐-氣體保護電渣爐 工藝或電弧爐一 AOD熔煉工藝冶煉，模鑄扁錠的冷卻速度大於30°C /min，在900 1250°C 溫度範圍內進行鍛造和熱軋至5mm厚，每火次熱加工壓下量控制在80 %以下，在1000 1150°C溫度範圍內固溶處理lOmin，最後酸洗後得到熱軋成品，熱軋邊裂程度低，而且該成 品具有均勻分布的硼化物、良好的力學性能和中子吸收性能。 圖1是本發明實施例固溶處理態典型金相照片。可以看出，本發明實施例不鏽 鋼成品態硼化物細小而且分布均勻，這對提高材料的塑性和保證良好的中子吸收性能是 十分有利的。對5mm厚實施例熱軋板進行了力學性能和點蝕電位檢測(國家標準GB/T 17897-1999)，測試結果見表2。可以看出，實施例不鏽鋼的延伸率較高，有利於材料的後續 加工，而點蝕電位均高於80mv，具備較好的耐腐蝕能力。由於高硼鋼中起中子吸收作用的主 要靠BlO同位素，因此測定了 BlO同位素的含量，結果如表2所示。由此可見，實施例具有 良好的中子吸收性能。
對比例生產路徑如下對比例1 其成分為普通304L成分，生產工藝與本發明所述內容相同，結果表明， 由於只含微量硼，因此其力學性能和耐蝕性能優異，但其中子吸收性能差。對比例2 其主要成分與實施例1類似，但未添加Ti、Ce,其氧含量較高為 0. 008%，生產工藝與本發明所述內容相同。結果表明，其顯微組織中夾雜物較多、硼化物尺 寸較大，導致熱軋邊裂程度增大和成品延伸率較差。對比例3 其成分同實施例2成分，但其熱軋工藝與本發明內容不同終軋溫度 85%，其他工藝同本發明所述內容。結果表明由於熱軋終 軋溫度控制較低和每次總壓下量過大，導致高硼不鏽鋼熱加工邊裂嚴重，使得成材率較低。本發明高硼奧氏體不鏽鋼具有優異的中子吸收性能，隨著世界核電等綠色能源的 發展，高硼奧氏體不鏽鋼的應用前景必將更加廣闊，可應用於乏燃料貯存格架、核廢燃料貯 藏和運輸容器以及屏蔽材料等領域。權利要求
1.一種高硼含量奧氏體不鏽鋼，其化學成分重量百分比為C :0. 01 0.05%，B: 1. 7 2. 0%，Si 彡 1. 0%，Mn 彡 2. 0%，P 彡 0. 035%, S 彡 0. 030%, Ni :12. 5 15. 0%, Cr 18. 5 21. 0%, Mo 彡 0. 5%, N 彡 0. 05%, Ti 彡 0. 15%, 0 彡 0. 0060%, Ce 彡 0. 15%, 其餘為Fe和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的高硼含量奧氏體不鏽鋼，其特徵是，優選地，C為0.01 0. 03wt%o
3.如權利要求1或2所述的高硼含量奧氏體不鏽鋼的製造方法，包括以下步驟1)按權利要求1或2所述的成分，採用真空感應爐-真空自耗爐工藝、或真空感應 爐-氣體保護電渣爐工藝或電弧爐-AOD熔煉工藝冶煉不鏽鋼；2)鑄造，模鑄，並且採取較快的冷卻速度冷卻，冷卻速度大於30°C/min ；3)熱加工，採用多火次鍛造和熱軋，鍛造加工溫度為900 1250°C，每火次鍛造的壓下 量控制在80 %以下；鍛坯加熱後進一步進行熱軋，熱軋加工溫度範圍為900 1250°C，每火 次熱軋壓下量控制在80%以下；4)熱處理、酸洗，在1000 1150°C溫度範圍內進行固溶處理、酸洗後得到熱軋產品，其 中固溶處理時間t (單位min) = O 3) Xh，h為板厚(單位mm)。
全文摘要
一種高硼含量奧氏體不鏽鋼，其化學成分重量百分比為C≤0.05％，B1.7～2.0％，Si≤1.0％，Mn≤2.0％，P≤0.035％，S≤0.030％，Ni12.5～15.0％，Cr18.5～21.0％，Mo≤0.5％，N≤0.05％，Ti≤0.15％，O≤0.0060％，Ce≤0.15％，其餘為Fe和不可避免的雜質組成。採用真空感應爐-真空自耗爐工藝、或真空感應爐-氣體保護電渣爐工藝或電弧爐-AOD熔煉工藝冶煉不鏽鋼，模鑄，冷卻速度大於30℃/min；熱加工採用鍛造和熱軋；及熱處理酸洗後得到熱軋產品。生產的高硼不鏽鋼熱軋產品具有良好的力學性能和中子吸收性能，而且，無須特殊的工藝裝備，生產工藝簡單有效、生產效率高。
文檔編號C22C38/58GK102051531SQ200910197769
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者餘式昌, 馬永柱 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司