扩散退火对热轧高硼不锈钢复合板界面组织的影响
摘 要: 采用复合浇铸+热塑性成形工艺制备出硼含量不同的热中子屏蔽材料不锈钢复合板。复合浇铸过程中芯层与覆层界面处的间隙通过大变形量的热轧变形完全可以实现冶金结合。研究表明:不锈钢复合板经1150 ℃，2、4、6h的扩散退火，扩散处理过程中硼原子在界面附近的扩散速率很低，扩散速率随着中间层硼含量的增加而变化程度不大。随着保温时间延长，硼原子的扩散距离也在增加，但其扩散速率是逐渐降低的。硼化物的半径随着保温时间延长而增加，但随时间不断延长，增长速率逐渐变慢，在保温过程中基本是稳定存在。因此，从高硼不锈钢复合板高温氧化及节约能源考虑，扩散退火时间控制在2h左右为宜。
不锈钢本身对γ射线有一定的屏蔽效果，加入硼元素后，不锈钢具有对中子和γ射线良好的综合屏蔽性能[1]。更为重要的是，辐照对不锈钢的性能影响较小，所以不锈钢不仅用于屏蔽材料，也可充当结构材料[2]。然而，加硼不锈钢的铸态组织中会结晶出硬而脆的硼化物fe2b，并呈网状结构，且这种硼化物的量随b量的增加而增加，这给不锈钢的热加工带来了相当的难度[3]。
20世纪80年代美国开始研究含硼不锈钢的生产制备技术，并且制定了相关标准astm a887[4]。日本对含硼不锈钢作过大量研究，试验了含1.0%～1.4%b的304不锈钢的热加工性能。轧制试生产的含1.1%和1.4%硼的304不锈钢经过1050℃固溶处理后，屈服强度分别为267和288mpa，比普通304钢(248mpa)高，延性较低。这些含硼奥氏体不锈钢中有大量细小的硼化物均匀弥散分布[5-6]。近几年来，奥地利的bhler bleche gmbh & co kg公司通过不断尝试，已经生产出304bn7级别的含硼不锈钢热轧厚板，可以满足iter(国际热核聚变实验堆)真空室内屏蔽结构的应用需要。目前，我国在含高硼不锈钢材料的制备、应用领域的研究工作鲜有报道。
本文采用“复合浇铸+热塑性成形+界面热处理”工艺制备高硼不锈钢复合材料，研究扩散退火对热轧复合材料界面结合情况、界面上硼原子的扩散行为以及硼化物的粗化过程的影响。
1 试验材料及制备
1.1 试验材料
试验所用覆层及芯层成分如表1所示。
1.2 高硼不锈钢复合坯料制备及成形
采用10kg真空熔炼炉在0.1kpa的真空条件下熔炼并浇铸出3种不同硼含量的高硼不锈钢芯料，将芯料置于浇铸模内，从铸模的上浇口中浇入作为覆层的普通不锈钢，使之包覆在芯料周围，制备出尺寸为120mm×100 mm×80mm，硼含量分别为2.0%～2. 5%、3.0%～3.5%、4.0%～4.5%的复合材料坯料。包覆浇铸后的坯料在1150℃下经过锻造及350型可逆热轧机上的热轧变形，轧制成最终厚度为3mm左右的不锈钢复合板。轧制变形时，最初2道次的压下量为20%～30%，使铸态组织充分破碎，随后压下量降低至15%左右，每4～5个道次回炉重新加热。
1.3 扩散退火工艺
热轧后的复合板在1150℃下，分别保温2、4、6h后缓慢冷却，研究硼原子的扩散行为和硼化物的聚集长大规律。采用光学显微镜和扫面电子显微镜(leo-1450型)对样品在铸造、热轧及热处理过程中的界面组织变化进行分析。
图1为不同硼含量芯层的铸态显微组织。比较图1(a)、1(b)，可以发现，对于硼含量为2%～2.5%的不锈钢，大部分以共晶组织的形式凝固，剩余的金属则凝固生成α-fe相; 而对于硼含量为4%～4.5%的不锈钢，部分以共晶组织的形式凝固，剩余金属则凝固形成大块的、约呈平行四边形的金属间化合物。这些金属间化合物有可能是fe2b或者cr2b。因此，图1(a)、1(b)所对应的含硼不锈钢分别可以看做是硼的亚共晶和过共晶合金。
图2为含硼2%～2.5%高硼不锈钢浇铸后的复合坯料及热轧后的复合板界面组织。包覆浇铸时，由于芯层表面过冷度较大，使得覆层与芯层的界面处凝固速度过快，从而使界面处结合并不紧密，有些地方存在10μm左右的缝隙(见图2a)。室温下，由于硼原子几乎不溶于奥氏体中，浇铸后的复合坯料芯层的显微组织为长条状的fe2b相以及α-fe相的基体[7-8]。外层包覆的不锈钢组织为α-fe基体相。热轧变形后，复合界面完全被焊合(见图2b)，芯层中的硼化物相少量发生溶解，并且在轧制变形中发生破碎，以颗粒状弥散分布于基体中。
对热轧后芯层中的硼化物及复合板界面处进行了eds分析，结果如图3及表2所示。芯层中硼化物的b含量达到42.72%，原子分数达到79.23%，根据fe-b二元相图[8]，判断该物相的成分中含有fe2b相。芯层中的硼化物除含有较多的fe 外，还含有一定量的cr、ni。cr元素由于是易形成碳化物的元素，而且具备生成cr-b化合物的热力学条件，因此推断该相中cr的存在形式有两种: cr的碳化物和cr2b，综上可知芯层块状硼化物的主要成分为: cr的碳化物，fe2b和cr2b。界面处硼含量较低，但cr含量较高，说明界面处的组织仍主要是α-fe基体相，但界面附近存在有少量由芯层越过界面扩散到覆层而形成的二次硼化物。
3 扩散退火处理复合板界面组织变化
3.1 界面附近硼元素原子的扩散行为
图4为1150℃下，2、4、6h退火，高硼不锈钢/普通不锈钢复合板界面组织。从图4中可看到，高温下，由于界面两侧的整体硼含量差别较大，硼原子有将跨过界面向覆层扩散的趋势。此时，扩散的主要驱动力应该是界面两侧奥氏体基体中硼原子浓度差引起的自由能梯度。但是，复合板是经过热轧变形的，含硼不锈钢芯层中的一部分硼原子已经扩散到了界面的另一侧，因此，此时扩散的主要驱动力则是覆层普通不锈钢基体在界面附近和远离界面的区域硼原子的浓度差提供的。硼原子在基体中的溶解度非常低，而且覆层不锈钢中的硼化物含量也极低，这就导致了硼原子在覆层中的扩散速率随之降低[9]。
随着覆层中硼原子由界面向外扩散，芯层中的硼原子也得以继续向界面处扩散。这种扩散会引起基体中的硼含量降低，因此芯层中细小的硼化物可能会少量溶解到基体中，以保证扩散的稳定进行。根据铁-硼相图可知，扩散到覆层中的硼原子并不是全部溶于奥氏体基体中，而是随着扩散的进行，可能在界面附近析出成为细小的二次硼化物。而且，随着扩散的进行，硼原子在覆层金属中的扩散距离越来越大，这些二次硼化物在界面附近的分布距离也就不断增加。
随着扩散时间的延长，细小的析出硼化物区域明显增加，由上述扩散行为的分析可知，可以通过研究二次硼化物在覆层中的分布规律来分析此时硼原子在复合材料界面附近的扩散速率。
图4中二次硼化物从界面至覆层逐渐减少。图中覆层内硼化物的位置，可以认为是硼原子发生长距离扩散并且其浓度达到饱和的位置。由于硼原子在基体中的溶解度极低，因此这些二次硼化物在覆层的分布距离也可以近似认为是硼原子的扩散距离。由于轧制变形界面微观上不是完全平直，需对界面附近二次硼化物的分布距离进行多次测量并取其平均值。
表3为不同硼含量的复合材料界面附近二次硼化物的分布距离，其中的数值是在每个不同位置测量10次后取平均值得到的。
结合图4、表3可以看出，随着芯层硼含量的升高，同样保温时间下二次硼化物的分布距离增加，但这种变化的程度并不大。这是由于，一方面，随着硼含量的增加，芯层中细小的共晶硼化物以及二次硼化物的数量是明显增加的。这些硼化物可能随着硼原子的扩散，部分溶解到基体中，因此有利于扩散的进行。另一方面，过共晶硼化物在保温过程中基本不会出现局部向基体中溶解的过程。在硼原子从界面向覆层的扩散过程中，基本上不受到中间层组织中的过共晶硼化物的影响。所以，硼原子的扩散速率随着中间层硼含量的增加而变化的程度不大。
对二次硼化物的分布研究还发现，随着保温时间的延长，硼原子的扩散速率是逐渐降低的。因为，随着时间的增加，硼原子的扩散距离也在增加，而硼在基体中的溶解度是基本不变的，因此硼原子在覆层基体中的浓度梯度就会随着扩散距离的增加而减小，从而降低了扩散的驱动力，使扩散速率降低。
热轧变形可以使共晶硼化物发生破碎、细化形成细小棒状颗粒，但过共晶硼化物的体积形状变化不大[10]。细小棒状颗粒在保温过程中可能发生球化或者聚集长大。采用imagetool软件对不同保温时间下硼化物尺寸进行 100 次以上的测量统计得到其平均值，绘于图5中。该图中的硼化物尺寸分别对应2%～2.5%含硼不锈钢中的共晶硼化物、3%～3.5% 和4%～4.5%含硼不锈钢中的过共晶块状硼化物。从图中可以看出，共晶硼化物的尺寸只是略有增加，而过共晶硼化物的尺寸增加得较为明显。
根据经典的硼化物粗化理论[11]可知，硼化物的尺寸与保温时间存在下述关系:
式中r0—初始时间硼化物的半径(将其看成球状);
rt—t时刻硼化物的半径(将其看成球状);
k—表示硼化物体积增加速率的系数;
t—时间。
式(1)中两侧取的皆是硼化物半径三次方的平均值，说明是描述硼化物平均体积变化的。将图5中纵坐标取三次方，得到曲线斜率可求出式(1)中的k值:含硼2%～2.5%:k=0.79; 含硼3%～3.5%:k=17.9; 含硼4%～4.5%:k=46.1。
由于过共晶硼化物的体积一般远大于共晶硼化物，所以含硼量高的不锈钢计算得到的k更大。虽然硼化物的半径是随着保温时间的延长而增加的，但随着时间的不断延长，增长的速率是逐渐变慢的。这说明，上述硼化物经过初步的粗化以后，在保温过程中基本是稳定存在的。
4 结论
复合浇铸过程中芯层与覆层界面处的间隙通过大变形量的热轧变形完全可以实现冶金结合。扩散处理过程中硼原子在界面附近的扩散速率很低并且随着中间层硼含量的增加变化的程度不大。随着保温时间的延长，硼原子的扩散距离也在增加，但其扩散速率是逐渐降低的。虽然硼化物在保温过程中的粗化行为近似满足
的规律，但硼化物经过初步的粗化以后，在保温过程中基本是稳定存在的。尽管含硼不锈钢复合板屏蔽热中子的性能随着含硼量的增加而提高，但过高的硼含量使组织中出现难以通过热轧变形而破碎的大块状过共晶组织。因此，从高硼不锈钢复合板力学性能及防氧化考虑，硼含量控制在3%以内，扩散退火时间控制在2h左右为宜。
参 考 文 献
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收稿日期:2012-01-08; 修订日期:2012-08-15