CN104694832B - 一种核反应堆用马氏体不锈钢及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种核反应堆用马氏体不锈钢及制备方法，属于核电用钢技术领域。该不锈钢的化学成分按重量百分比为：马氏体不锈钢的化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.20％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：11.0～15.0％，Ni：1.8～3.5％，Mo：1.0～1.8％，W：0.3～2.0％，V：0.10～0.40％，Nb：0.10～0.50％，N：0.02～0.20％，Co：≤0.05％，Cu：≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。采用真空感应冶炼+电渣重熔双联冶炼工艺，将浇注后的钢锭切头和切尾，经过开坯、锻造后形成棒材毛坯。棒材毛坯加工成零件毛坯，进行热处理。由此方法制成的马氏体不锈钢工件，减小了淬火过程中产生的内应力，改善了工件的变形，避免了工件的开裂，显著提高了产品的合格率，制造的工件满足使用性能要求。

Description

一种核反应堆用马氏体不锈钢及制备方法

技术领域

本发明属于核电用钢技术领域，特别是涉及一种核反应堆用马氏体不锈钢及制备方法，主要适用于能源、冶金、机械、化工等领域。

背景技术

核电站又称核电厂，它指用铀、钚等作核燃料，将它在裂变反应中产生的能量转变为电能的发电厂。核电厂主要以反应堆的种类相区别，有压水堆核电厂、沸水堆核电厂、重水堆核电厂、石墨水冷堆核电厂、石墨气冷堆核电厂、高温气冷堆核电厂和快中子增殖堆核电厂等。核电站大体可分为两部分：一部分是利用核能产生蒸汽的核岛，包括反应堆装置和一回路系统；另一部分是利用蒸汽发电的常规岛，包括汽轮发电机系统。核燃料在反应堆内产生的裂变能，主要以热能的形式出现。它经过冷却剂的载带和转换，最终用蒸汽或气体驱动涡轮发电机组发电。核电厂所有带强放射性的关键设备都安装在反应堆安全壳厂房内，以便在失水事故或其他严重事故下限制放射性物质外溢。为了保证堆芯核燃料在任何情况下等到冷却而免于烧毁熔化，核电厂设置有多项安全系统。核电站除了关键设备——核反应堆外，还有许多与之配合的重要设备。以压水堆核电站为例，它们是主泵，稳压器，蒸汽发生器，安全壳，汽轮发电机和危急冷却系统等。它们在核电站中有各自的特殊功能。

不锈钢按照组织可以分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。马氏体不锈钢是不锈钢中比较重要的一类，因为要具有耐腐蚀的特性，钢中都要含有较高的Cr含量，通常在11％以上，而为了在淬火过程中获得马氏体，钢中还要加入奥氏体化元素，如C、Mn和Ni等，这样在高温下就可以得到全奥氏体组织，在随后的冷却过程中，才能形成C在奥氏体中的过饱和固溶体—马氏体，从而使钢获得较高的强度和良好的塑韧性。由于马氏体不锈钢具有耐蚀不锈的同时还具有强度高的特点，因而在工业领域中被广泛用来制造承力部件。在核电行业中，马氏体不锈钢也有着较广泛的应用，如核反应堆中的压紧弹簧，支承板，主泵中的主泵轴以及其他受力件。

热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的晶相组织结构，来改变其性能的一种金属热加工工艺。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬火介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆，为了及时消除脆性，一般需要及时回火。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。

马氏体不锈钢最常用的热处理工艺是淬火和回火，淬火工艺是获得高强度马氏体的必经途径。淬火介质可以是水、油、淬火油等，对于合金程度高的马氏体不锈钢，甚至空冷都可以获得马氏体组织。由于马氏体组织具有强度高，硬度高的特点，但塑性和韧性差，所以通常需要进行回火处理，对马氏体组织进行调整，获得理想的强韧性匹配。由于淬火工艺通常是在高温下急冷，马氏体相变产生的应力与热应力相互叠加，在工件内部产生很大的内应力，可以使工件变形，甚至是开裂，因此，良好的淬火工艺对于马氏体不锈钢来是至关重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核反应堆用马氏体不锈钢及制备方法，本发明可以降低工件的内应力，减少工件的变形，避免工件的开裂，提高工件的成品率；该方法具有操作简单，易于掌握等特点。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

本发明的马氏体不锈钢采用真空感应炉冶炼，再经过电渣重熔，形成钢锭。

其化学成分组成重量百分比为：C：0.05～0.20％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：11.0～15.0％，Ni：1.8～3.5％，Mo：1.0～1.8％，W：0.3～2.0％，V：0.10～0.40％，Nb：0.10～0.50％，N：0.02～0.20％，Co：≤0.05％，Cu：≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。

浇注后的钢锭首先切头和切尾，去除尾部杂质较多的部位和头部与垫铁互融的部分，头部切除整个钢锭重量的5％，尾部切除整个钢锭重量的8％，再进行表面打磨，清理表面，避免锻造时出现裂纹。然后经过锻造开坯，破碎钢锭的铸态组织，形成棒材毛坯。随后将棒材毛坯锻造成不同规格的棒材，然后经过退火处理，再将棒材加工成零件毛坯，进行热处理。毛坯首先进行淬火处理，淬火温度为1120℃～1140℃，(保温1～3小时)保温时间根据零件有效厚度确定。保温结束后，将工件空冷至800℃～820℃，然后再将工件放入淬火油中进行油冷，待油冷到室温后将工件拿出进行回火处理，回火温度为570℃～590℃，保温2～4个小时，空冷。

本发明的关键在于：首先通过采用真空感应冶炼+电渣重熔工艺冶炼，真空感应冶炼时，当真空度达到0.2～0.3Pa，送电，熔化期真空度不得低于0.3Pa，熔化时间为2～3小时，精炼时间为30～60分钟，精炼期真空度不得低于0.5Pa。电渣重熔时，参考电流为5500～6000A，电压为48～54V，结晶器直径为300mm，获得高纯净度的钢锭。其次采用合适的淬火工艺，避免在高温区直接快冷，减小了马氏体相变应力和热应力，在不影响获得马氏体组织的前提下，即在保证材料具有良好强度的前提下，减小了工件的变形，避免了开裂，提高了工件的合格率。

核电站用钢对材料的纯净度要求较高，尤其是对S、P、Co、Cu、O、N、H等杂质元素和气体元素，其中的杂质元素在长期的中子辐照过程中会导致材料脆化，严重降低材料的使用性能。而气体元素，尤其是O，是形成非金属夹杂物的主要元素，O含量的增加会增加非金属夹杂物的数量，降低材料的疲劳性能。采用真空感应冶炼可以有效降低钢中杂质元素以及气体元素含量，提高钢材的冶金质量。采用电渣重熔技术可以获得结晶状态理想的钢锭，有利于提高锻造过程的成材率和改善钢的塑韧性；马氏体是将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、增强的一种淬火态组织。马氏体的形成必然要经过淬火，影响马氏体形态和性能的通常是淬火温度和冷却速度两个因素。淬火温度通常在钢材的临界点温度以上，这是为了获得完全的奥氏体组织。冷却过程通常要求快速冷却，这样固溶在奥氏体中的碳来不及析出，就形成了碳在奥氏体中的过饱和固溶体，也就马氏体。由于马氏体形成过程中有体积膨胀效应，造成晶格畸变，在材料内部造成相变应力，这种应力是无法消除的，它伴随着马氏体相变存在。同时，由于淬火过程是从高温状态直接快速冷却，由于温度的巨变在材料内部也产生相当大的热应力。马氏体相变应力和热应力组合在一起，有可能超过材料的屈服强度，甚至超过材料的抗拉强度，因而导致材料出现变形，甚至是开裂。淬火过程中产生热应力最大的区间应该是从淬火炉中刚刚拿出来的那一段较短时间，因为钢材在高温下温降比在较低温度下的温降要快得多，产生的热应力也相应要大很多。因此，在高温段采用空冷，减缓工件冷却速度，可以有效减少工件的热应力。同时保证工件在快冷前的温度仍然在临界点附近，这样在后面的快冷过程中仍然可以得到马氏体组织，对工件的性能影响不大。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

现有技术对于马氏体不锈钢的淬火工艺通常采用水冷、油冷的方式进行，但从高温下采用这两种淬火介质产生的热应力比较大，热应力与相变应力的叠加有可能使工件变形，甚至开裂，废品率较高。本发明通过在高温阶段采用空冷，减缓降温速度，降低工件的热应力，将温度降到临界点附件，再进行快速冷却，获得马氏体组织的同时减小了工件的变形，避免开裂，提高了产品的合格率。

具体实施方式

下面结合一个典型实施例对本发明作进一步说明。

本实施例中，采用1吨真空感应炉冶炼，先后冶炼了6炉，每支钢锭重约1吨。真空感应冶炼时，当真空度达到0.2～0.3Pa，送电，熔化期真空度不得低于0.3Pa，熔化时间为2～3小时，精炼时间为30～60分钟，精炼期真空度不得低于0.5Pa。钢锭经过打磨，表面处理，作为电极进行电渣重熔，电渣重熔时，参考电流为5500～6000A，电压为48～54V，结晶器直径为300mm，形成电渣锭。冶炼的6炉马氏体不锈钢的具体成分如表1所示。

将浇注后的6支电渣锭进行切头和切尾，去除尾部杂质较多的部位和头部与垫铁互融的部分，再进行表面打磨，清理表面，避免锻造时出现裂纹。然后经过锻造开坯，破碎钢锭的铸态组织，形成棒材毛坯，电渣锭的开坯在2000吨快锻机上进行。随后将棒材毛坯锻造成不同规格的棒材，棒材锻造在吨位为5吨的空气锤上进行。然后将棒材经过退火处理，再将退火后的棒材加工成零件毛坯，进行热处理。毛坯首先进行淬火处理，淬火温度为1120℃～1140℃，保温1～3个小时，保温时间根据零件有效厚度确定。保温结束后，用红外线测温仪测量工件温度，待工件温度达到800℃～820℃时，将工件放入淬火油中进行油冷，待冷到室温后将工件拿出进行回火处理，回火温度为570℃～590℃，保温2～4个小时，空冷。

本实施例中的6炉钢采用的本发明的分段热处理工艺和直接进行油冷得到的工件合格率情况见表2，从表2中可以看出，采用本发明中的的热处理工艺，工件的成品率大大提高，有缺陷工件的数量明显减少；本实施例中的6炉钢经过直接油冷以及本发明中的分段冷却工艺得到的工件的力学性能见表3，从表3所示，采用本发明中的热处理工艺获得的力学性能虽然稍低于采用水冷和油冷工艺的，但仍然满足技术条件要求，不影响其使用。

表1本发明实施例化学成分(wt％)

表2本发明实施例合格品率对照表

表3本发明实施例力学性能

Claims (1)

1.一种核反应堆用马氏体不锈钢的制造方法，其特征在于：

采用真空感应冶炼+电渣重熔双联冶炼工艺；真空感应冶炼时，当真空度达到0.2～0.3Pa，送电，熔化期真空度不得低于0.3Pa，熔化时间为2～3小时，精炼时间为30～60分钟，精炼期真空度不得低于0.5Pa；电渣重熔时，电流为5500～6000A，电压为48～54V，结晶器直径为300mm；浇注后的钢锭切头和切尾，头部切除整个钢锭重量的5％，尾部切除整个钢锭重量的8％；经过开坯、锻造后形成棒材毛坯；经过退火处理，再将棒材毛坯加工成零件毛坯，进行热处理；其热处理工艺控制的参数如下：

淬火温度为1120℃～1140℃，保温1～3个小时，结束后，将工件空冷至800℃～820℃，然后再将工件放入淬火油中进行油冷，待油冷到室温后将工件拿出进行回火处理，回火温度为570℃～590℃，保温2～4个小时，空冷；

所述的马氏体不锈钢的化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.20％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：11.0～15.0％，Ni：1.8～3.5％，Mo：1.0～1.8％，W：0.3～2.0％，V：0.10～0.40％，Nb：0.10～0.50％，N：0.02～0.20％，Co：≤0.05％，Cu：≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。