扩散退火对热轧高硼不锈钢复合板界面组织的影响

　　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BHLER 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。

　　2 铸态及热轧态复合板显微组织

　　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。