一种细化低活化铁素体马氏体钢组织的方法

摘要

本发明为一种细化低活化铁素体马氏体钢组织的方法。该方法包括如下步骤：将Al2O3粉末和铁粉混合后烧结，得到中间合金；(2)按照基材的组成备料，将各组分以及中间合金预先放入真空感应电炉的坩埚中，当真空度小于10Pa时开始加热，直至全部熔化；再加入金属钇；然后熔炼，得到钢锭；槽轧后，淬火处理，再进行高温回火处理，得到组织细化的低活化铁素体马氏体钢。本发明操作简便，成本较低且适用于大规模生产细化RAFM钢组织，克服RAFM钢在经过淬火回火等热处理工艺后M23C6型析出相的聚集粗化现象，提高RAFM钢的性能提。

权利要求

1.一种细化低活化铁素体马氏体钢组织的方法，其特征为该方法包括如下步骤：（1）将Al2O3粉末和铁粉混合，之后对混合粉在1430℃～1520℃下烧结70～180分钟，得到中间合金；

其中，质量比为，Al2O3粉末：铁粉=1：1～9 ；

（2）按照基材的组成备料，将各组分以及中间合金预先放入真空感应电炉中，当真空度小于10 Pa时开始加热，直至全部熔化；

其中，中间合金的质量是最终产品质量的2% 10%；

~

所述的基材为含碳量0.2% 1.2%的钢或纯铁；

~

（3）在温度达到1600 1700 ℃时保温10 20分钟，~ ~

（4）充入氩气到1 kPa，加入最终产品质量1.5 3.5%的金属钇；

~

（5）将合金液的温度提升至比步骤（3）的温度高100℃，搅拌熔炼5 10 min，浇注至模~具，炉内冷却，得到钢锭；

（6）将钢锭加热到1100 1250 ℃下保温20 30min处理，然后用槽轧机进行轧制处理，轧~ ~制变形量为40 70 %；

~

（7）轧制完成之后，对试样进行980 ℃ 1050℃保温20 30 min的淬火处理，再进行1 2h~ ~ ~高温回火处理，高温回火温度650℃～800℃，得到组织细化的低活化铁素体马氏体钢；

步骤（1）中，Al2O3粉末的粒径范围为0.1μm～10μm；铁粉的粒径为30μm～500μm。

说明书

一种细化低活化铁素体马氏体钢组织的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种细化低活化铁素体马氏体钢(RAFM)组织的方法，属于特种材料制备技术领域，具体地说是在RAFM钢熔炼后期添加Al的氧化物和金属Y，再通过适当的淬火和高温回火工艺细化了RAFM钢的马氏体板条组织和纳米析出相。

背景技术

[0002] 低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的热物理和机械性能，被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选候选包层结构材料。但现有的RAFM钢的高温力学性能不足，难以满足新一代裂变反应堆和未来聚变反应堆的使用要求，迫切需要组织优化来提升高温力学性能。

[0003] RAFM钢的主要强化方式为第二相弥散强化，主要强化相是M23C6相和MX相。然而，RAFM钢在超过550℃的环境长期服役时，M23C6型碳化物会发生明显粗化，这会恶化基体组织，加速失效断裂，使其性能下降。RAFM钢的淬火回火后基体组织以板条状马氏体为主，粗大的板条状马氏体也会导致钢的塑韧性降低。因此，通过细化RAFM钢中的马氏体组织和析出相成为改善RAFM钢的高温性能的重要途径。

[0004] 专利CN201710919045.2(中国)提供了一种正火方法来细化RAFM钢的组织。该方法对传统热处理工艺进行改进从而细化了原奥氏体晶粒和析出相，CN201510184625.2(中国)采用旋转锻压变形和退火处理的组合工艺细化了RAFM钢的晶粒和碳化物。上述工艺仅涉及对传统热处理工艺和热加工工艺进行改善，并未涉及外加第二相氧化物颗粒。专利CN105296729A(中国)提出利用动态再结晶和循环热处理的工艺来制备细晶结构钢，细化效果显著，但是其制备过程较为繁琐，需要重复进行淬火处理。

[0005] 专利CN201410407312.4(中国)、CN201410334753.6(中国)、CN102828097A(中国)、US9039960B2(美国)、US2015252458A1(美国)、JP2002146481A(日本)采用机械合金化与热成型相结合的工艺来引入氧化物颗粒。氧化物在机械合金化过程中固溶进入合金粉基体，并在热成型时重新析出，从而实现氧化物的细小弥散分布。然而，热机械合金化法工艺周期长、生产效率低、制备成本较高，大规模工业化生产存在一定的难度。

发明内容

[0006] 本发明的目的是针对当前技术中，机械合金化法和粉体热等静压/热挤压工艺引入氧化物颗粒工艺繁琐、成本高、无法进行大规模工业化生产等问题，提供一种细化低活化铁素体马氏体钢组织的方法。该方法熔炼过程中加入Al2O3和稀土Y，并且在经过锻造和轧制后，进行了淬火和高温回火。本发明操作简便，成本较低且适用于大规模生产细化RAFM钢组织，克服RAFM钢在经过淬火回火等热处理工艺后M23C6型析出相的聚集粗化现象，为提高RAFM钢的性能提供理论支撑。

[0007] 本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

[0008] 一种细化低活化铁素体马氏体钢组织的方法，该方法包括如下步骤：

[0009] (1)将Al2O3粉末和铁粉混合，之后对混合粉在1430℃～1520℃下烧结70～180分钟，得到中间合金；

[0010] 其中，质量比为，Al203粉末：铁粉＝1：1～9；Al2O3粉末的粒径范围为0.1μm～10μm；铁粉的粒径为30μm～500μm；

[0011] (2)按照基材的组成备料，将各组分以及中间合金预先放入真空感应电炉中，当真空度小于10Pa时开始加热，直至全部熔化；

[0012] 其中，中间合金的质量是最终产品质量的2％～10％；

[0013] 所述的基材为含碳量0.2％～1.2％的钢或纯铁；

[0014] (3)在温度达到液相线以上100℃(1600～1700℃)时保温10～20分钟，[0015] (4)充入氩气到1kPa，加入最终产品质量1.5～3.5％的金属钇；

[0016] (5)将合金液的温度提升至比步骤(3)的温度高100℃(1700～1800℃)搅拌5～10min，浇注至模具，炉内冷却，得到钢锭；

[0017] (6)将钢锭加热到1100～1250℃下保温20～30min处理，然后用槽轧机进行轧制处理，轧制变形量为40～70％；

[0018] (7)轧制完成之后，对试样进行980℃～1050℃保温20～30min的淬火处理，再进行1～2h高温回火处理，高温回火温度650℃～800℃，得到组织细化的低活化铁素体马氏体钢。

[0019] 利用真空感应电炉熔炼技术，通过在铸造过程中复合加入Al2O3和稀土Y的氧化物，再经过锻造、轧制与淬火回火的热处理工艺从而获得组织细化成分均匀的RAFM钢，并减小其M23C6型析出相的尺寸。

[0020] 本发明的实质性特点为：

[0021] 当前技术中，氧化物弥散强化钢一般都是用机械合金化来制备，但机械合金化无法制备大型部件，而且成本较高。

[0022] 而本发明由于是用铸造法来制备，解决了大型化的问题；并且与其他铸造法相比加入的物料(如粉末冶金)不同，是通过中间合金的形式在钢中引入氧化物(熔炼后期加入的物料)，利用中间合金的密度和基体相近的特性，来解决氧化物高熔点不易熔入、与钢基体密度差异大易偏析等问题；在铸造结束后又经过了锻造、热轧的热加工工艺以及淬火和高温回火的热处理工艺。使组织进一步细化。

[0023] 本发明的有益效果：

[0024] 1、相比传统机械合金化法或动态再结晶法，本发明操作更加便捷简单，原料储藏丰富成本低，且适用于大规模生产。

[0025] 2、Al2O3和稀土Y的复合加入，能够有效的细化回火马氏体板条束，MX型析出物和M23C6型碳化物尺寸也会减小。

[0026] 3、配合淬火回火工艺来改善组织，使组织进一步细化，延伸率从18.7％到24.9％。

附图说明

[0027] 图1为实施例1中经热处理后RAFM钢的TEM照片，其中，图1(a)为未添加氧化物的照片；图1(b)为添加氧化物的照片；

[0028] 图2为实施例1中RAFM钢经热处理后的M23C6析出相SEM照片，其中，图2(a)为未添加氧化物的照片，图2(b)为添加氧化物的照片；

具体实施方式

[0029] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0030] 其中，本案例使用的实验钢为9Cr2W0.5Mn0.15Si0.05V0.05Ta0.05N钢，通过复合添加Al2O3和稀土Y进而在钢中引入Y和Al的氧化物。

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明

[0032] 实施例1

[0033] (1)首先制备以Al2O3为主的铁基中间合金，该中间合金由Al2O3粉末和铁粉制成(Al203粉末与铁粉比例1：9，首先对氧化物组分进行研磨至粒度为0.1μm～10μm，然后将其与铁粉(30μm～500μm)混合，之后对混合粉进行烧结(烧结温度1520℃，时间180分钟)，制得该中间合金；

[0034] (2)对原料和模具进行烘烤直至干燥；

[0035] (3)按照9Cr2W0.5Mn0.15Si0.05V0.05Ta0.05N钢的组成备料，将77.1％纯铁、9％铬、2％钨、0.05％钽，0.05％钒(均为质量百分比)及最终产品质量10％的含有Al2O3的中间合金预先放入真空感应电炉的坩埚中，当真空度小于10Pa时开始加热，直至全部熔化，[0036] (4)继续加热，在温度达到液相线以上100℃(1600℃)时保温15分钟，[0037] (5)充入氩气到1kPa，然后依次加入钢的剩余组分0.9％碳，0.15％硅，0.5％锰，0.05％钛等元素，最后加入最终产品质量0.2％的金属钇；

[0038] (6)大功率加热至1700℃搅拌5min，调整温度浇注至模具，炉内冷却，最终获得φ100mm×800mm的圆柱形钢锭。

[0039] (7)之后沿浇注方向从中心处取30mm×30mm×100mm的轧制试样，先将试样进行1150℃保温0.5h处理，然后用φ350mm×850mm二辊槽轧机进行轧制处理，轧制成15.8mm×
15.8mm的试样，变形量约为70％。

[0040] (8)轧制完成之后，对试样进行980℃保温0.5h的淬火处理，再进行1.5h高温回火处理，高温回火温度750℃，得到组织细化的RAFM钢。

[0041] 对比例1(未添加Al2O3和稀土Y)

[0042] (1)对原料和模具进行烘烤直至干燥；

[0043] (2)按照9Cr2W0.5Mn0.15Si0.05V0.05Ta0.05N钢的组成备料，将87.3％纯铁、9％铬、2％钨、0.05％钽，0.05％钒(均为质量百分比)预先放入真空感应电炉的坩埚中，当真空度小于10Pa时开始加热，直至全部熔化，

[0044] (3)继续加热，在温度达到液相线以上100℃(1600℃)时保温15分钟，[0045] (4)充入氩气到1kPa，然后依次加入钢的剩余组分0.9％碳，0.15％硅，0.5％锰，0.05％钛等元素；

[0046] (5)大功率加热至1700℃搅拌5min，调整温度浇注至模具，炉内冷却，最终获得φ100mm×800mm的圆柱形钢锭。

[0047] (6)之后沿浇注方向从中心处取30mm×30mm×100mm的轧制试样，先将试样进行1150℃保温0.5h处理，然后用φ350mm×850mm二辊槽轧机进行轧制处理，轧制成15.8mm×
15.8mm的试样，变形量约为70％。

[0048] (7)轧制完成之后，对试样进行980℃保温0.5h的淬火处理，再进行1.5h高温回火处理，高温回火温度750℃，得到RAFM钢。

[0049] 图1为试样经过980℃0.5h淬火和750℃高温回火1.5h热处理后的透射照片，它们表现出相同的组织，均为典型的回火马氏体。从形貌上看，经过淬火和高温回火热处理后，未添加氧化物的RAFM钢回火马氏体板块粗大，在板块内分布着黑色点状析出相；而添加氧化物的RAFM钢(复合添加Al2O3和稀土Y)的马氏体板块则要细化很多，添加氧化物后马氏体板条的平均宽度由421.4nm细化至323.9nm，并且在马氏体板块内同样观察到细小的黑色析出相。通过—进行室温拉伸试验—按照国家标准GB/T228‑2002中棒材拉伸样制样标准制备室温拉伸试样，标距25mm，总长80mm，利用万能试验机AGS‑X‑50KN进行室温拉伸，拉伸速度1mm/min，对添加氧化物(复合添加Al2O3和稀土Y)和未添加氧化物的RAFM钢拉伸试样分别进行三次拉伸实验，对三次实验前后两组试样分别进行测量并取平均值——可以得出，延伸率从18.7％到24.9％，说明马氏体板条细化，M23C6和MX析出相细化，使得塑韧性提升，从而延伸率提高。

[0050] 图2为经过淬火和高温回火1.5h热处理后RAFM钢的M23C6析出相SEM照片，可以看出在复合加入Y和以Al2O3为主的氧化物后，M23C6在尺寸和数量上都有所下降，说明其聚集粗化现象有所减轻。

[0051] 实施例2

[0052] 其他步骤同实施例1，不同之处为其中的淬火温度由980℃改为1050℃；得到的产品组织细化不如实施例1明显，但仍然有所细化，属于可行实施例。

[0053] 实施例3

[0054] 其他步骤同实施例1，不同之处为其中的回火温度由750℃改为650℃；得到的产品相比实施例1，强度硬度略微提升，塑性韧性略微下降。

[0055] 实施例4

[0056] 其他步骤同实施例1，不同之处为其中的钇的添加量由2％改为7％；得到的产品塑韧性降低幅度较大，原因是Y含量太多生成的富Y、O的大尺寸块状夹杂物就多，在拉伸的时候容易成为裂纹源。

[0057] 实施例5

[0058] 其他步骤同实施例1，不同之处为其中中间合金氧化物组分与基粉组分比例由1:9改为1:7，中间合金加入量由10％改为8％，纯铁加入量由77.1％改为79.1％，产品性能与实施例1相近。

[0059] 本领域技术人员在考虑说明书及实践本发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述的实施方法，可以在不脱离其范围进行各种微合金元素种类、含量及作用位置的改变。

[0060] 本发明未尽事宜为公知技术。