專利名稱：一種核電壓力容器用鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及核電用鋼領域，具體涉及一種核電壓力容器用鋼及其制造方法，可滿足核電壓力容器結構件或襯件用，鋼板厚度在2. 5 16mm，具有晶粒細小的鐵素體+珠光體組織，其屈服強度大于265MPa，抗拉強度處于410_590MPa，延伸率超過22%，并擁有優良的低溫(-20°C )沖擊韌性和300°C瞬時拉伸性能及模擬焊后熱處理后穩定的機械性能。
背景技術：
近年來，電力能源結構的變化以及對能源需求的增長，促進了核電用鋼的發展。核電用材料重點有三大類，一是鋯合金體系，大量用于熱中子堆的燃料包殼上；二是鋼和鎳基合金體系，用于核電包殼、壓力容器、回路系統上；三是鋁合金系統，常用于研究試驗堆中。 核電包殼、壓力容器等用材主要集中在不銹鋼、耐熱鋼和鎳基合金上，其制造方法以鍛件、 管件、棒件為主。在核電發展初期，核反應堆構件用鋼主要是碳鋼，其化學成分簡單，表現出優良的工藝穩定性、低的輻射脆化敏感性和良好的焊接性。但是，隨著核反應堆構件向大型化發展，碳鋼不足之處越來越明顯，如強度低、高溫性能差，碳鋼逐漸被強度更高、性能更好的錳鑰系低合金高強度鋼所代替，隨著核殼體壁厚進一步增加，錳鑰系低合金高強度鋼的韌性不足顯露出來，因此，錳鑰鎳系鋼替代了錳鑰系鋼，熱處理工藝也從正火+回火改為淬火+ 回火，以進一步改善鋼的韌性及綜合機械性能。目前各國核電用鋼相關專利主要集中在低合金高強度鋼、耐熱鋼、不銹鋼上。低合金高強度鋼主要用于腐蝕環境較輕的構件上，耐熱鋼、不銹鋼主要用于腐蝕環境較重的構件上。為了確保核電構件的安全，所有核構件中如殼體、壓力容器、回路系統等用鋼必須保證中溫、高溫下的力學性能、抗應力腐蝕裂紋性、低的中子輻射脆化敏感性及優良的焊接性能等。為了達到上述性能要求，各國的發明專利成分體系都集中在加入大量Cr、Ni、Mo、V等貴金屬合金元素上，通過各合金元素在鋼中的作用及與熱處理工藝(正火+回火、淬火+回火熱處理等)相結合來獲得穩定組織、優良的機械性能、焊接性能、抗應力腐蝕性能及低的中子輻射脆化敏感性。鋼中合金元素含量增加雖然可以得到優良的機械性能和焊接性能，但是對于一般的核反應堆構件用鋼來說，如果應用合金元素較多的高強鋼、不銹鋼或耐熱鋼，不僅增加了材料的制造難度，而且也增加了產品的制造成本，因此其不具有較好的經濟效益和社會效益。在此前提下，控制合金元素含量，研發低成本且工藝簡單的核構件用鋼是社會經濟和鋼鐵工業發展的必然趨勢。

發明內容
本發明目的在于提供一種核電壓力容器用鋼及其制造方法，可以滿足核電壓力容器結構件或襯件用鋼板，鋼板厚度在2. 5 16mm，具有晶粒細小的鐵素體+珠光體組織， 屈服強度大于265MPa，抗拉強度處于410_590MPa，延伸率超過22 %，并擁有優良的低溫(-200C )沖擊韌性和300°C瞬時拉伸性能及模擬焊后熱處理后穩定的機械性能。為達到上述目的，本發明的技術方案是一種核電壓力容器用鋼，其成分重量百分比為C:0.05 0.20%、Si 0. 10 O. 40%,Mn 0. 75 I. 60%, P ( O. 012%, S ( O. 010%, Cr 0. 15 O. 60%, Nb 0. 010 O. 040%,Alt 0. 030 O. 050%,Ti 0. 008 O. 030%,N 0. 003 O. 012%,Ca 0. 0010 O. 0050%, Sn ( O. 003%, Sb ( O. 002%, As ( O. 003%，其余為 Fe 和不可避免的雜質；且 Alt/N 彡 2。優選的，本發明所述核電壓力容器用鋼，其化學成分重量百分比為C:0.08 O. 20%, Si 0. 10 O. 40%, Mn 0. 80 L 60%, P < O. 011%, S < O. 010%, Cr 0. 15 O. 60%, Nb 0. 013 O. 040%, Alt 0. 027 O. 060%, Ti 0. 008 O. 030%, N 0. 003 O. 010%, Ca 0. 0010 O. 0050%, Sn ( O. 003%, Sb ( O. 002%, As ( O. 003%，其余為 Fe
和不可避免的雜質；且Alt/N ^ 2。更優選的，本發明所述核電壓力容器用鋼，其化學成分重量百分比為C:0.08 O. 18%, Si 0. 10 O. 30 %, Mn 1. 00 I. 60%, P < O. 010%, S < O. 010%, Cr 020 060%, Nb 0013 0040%、Alt 0027 0060%、Ti 0012 O. 030%, N 彡 O. 008%, Ca
O.0010 O. 0050%, Sn ( O. 003%, Sb ( O. 002%, As ( O. 003%，其余為 Fe 和不可避免
的雜質；且Alt/N ^ 2。最優選的，本發明所述核電壓力容器用鋼，其化學成分重量百分比為C 0. 10 O. 18 %, Si 0. 10 O. 30 %, Mn 1. 00 I. 60 %, P < O. 009 %,
S< O. 005 %, Cr 0. 20 O. 60 %、Nb 0. 015 O. 040 %, Alt 0. 030 O. 050 %, Ti
O.012 O. 030%, N 彡 O. 006%, Ca 0. 0010 O. 0050%, Sn ( O. 003%, Sb ( O. 002%, As ( O. 003%，其余為Fe和不可避免的雜質；且Alt/N彡2。下面，對本發明所涉及的化學成分作詳細敘述。C :是鋼中最經濟、最基本的強化元素，通過固溶強化和析出強化對提高鋼的強度有明顯作用，但是提高C含量對鋼的延性、韌性和焊接性有負面影響，因此本發明C的控制范圍為O. 05 O. 20wt. %，是基于鋼的強韌性、冷卻能力與鋼板厚度的匹配。如果C含量過低，< O. 05wt. %，鋼板冷卻能力變差，相變后鐵素體量增多，鋼板的強度降低；反之，C含量高于O. 20wt. %時，鋼板冷卻能力增大，冷卻后珠光體量增多，強度提高但延伸率降低，同時焊接性也把變得較差。Si :硅在鋼中起脫氧作用，有一定的固溶強化效果，鋼中Si的下限為O. IOwt. %, 鋼中Si含量過高則使鋼出現脆性，為了保證韌性，Si的上限定為O. 40wt. %。Mn :錳在鋼中起固溶強化作用，能提高鋼板的強度和硬度，是鋼中補償因C含量降低而引起強度損失的最主要且經濟的強化元素。為避免在C含量較高的情況下用提高Mn 含量方法來保證強度而引起鋼的成分偏析及產生帶狀珠光體組織或如馬氏體等一些硬相組織，本發明采用高碳低錳或低碳高錳的成分設計，不僅保證了鋼的強度，而且也保證了鋼的韌性。Cr :鉻有固溶強化對鋼的無塑性轉變溫度無顯著影響的作用。鉻在奧氏體中溶解度很大，強化奧氏體但不降低韌性。鋼中添加一定量的鉻提高鋼的淬透性，提高強度和硬度。
Nb:是現代微合金鋼中最主要的元素之一，對晶粒細化的作用十分明顯。通過熱軋過程中NbC應變誘導析出阻礙形變奧氏體的回復、再結晶，經控制軋制和控制冷卻使精軋階段再結晶區或非再結晶區軋制在相變時轉變獲得細小的相變產物，以使鋼具有高強度和高韌性，適當的含量充分發揮控軋控冷的作用。Ti :是強的固N元素，利用0.02wt. %左右的Ti就可固定鋼中60ppm以下的N，通過預先喂Ca處理可以使TiN成核的場所分散分布，在板坯連鑄時可形成細小的高溫穩定的 TiN析出相。這種細小的TiN粒子可有效地阻礙板坯再加熱時的奧氏體晶粒長大，有助于提高Nb在奧氏體中的固溶度，同時對改善焊接熱影響區的沖擊韌性有明顯作用。Al :鋁是鋼中的主要脫氧元素。本發明中的鋁主要用來脫氧和細化晶粒。眾所周知，AlN質點是嚴格按化學比，S卩I : I的鋁、氮原子比析出的。當鋼中鋁、氮原子數之比為 I I時，相對應于質量分數之比為27 14，即Alt/N約為1.93。考慮到鋼中Al起到脫氧和細化晶粒的作用，保證Alt/N彡2，本發明鋼Alt含量必須控制在0. 030 0. 050wt. %。Sn、Sb、As、S、P :雜質元素,越低越好。通過低S(小于IOOppm)及Ca處理對硫化物進行夾雜物形態控制，可使鋼具有高的沖擊韌性。Sn、Sb、As、P也是鋼中的有害元素，嚴重損害鋼的塑性和韌性，從性能保證角度，要求Sn、Sb、As、P盡可能低，但是考慮到成本因素和滿足使用需求，P含量控制在0. 012wt. %以下，Sn ( 0. 003wt. %、Sb彡0. 002wt.
As ^ 0. 003wt. %。本發明的核電壓カ容器用鋼板的制造方法，其包括如下步驟I)冶煉、鑄造按上述成分冶煉并鑄造成板坯；2)軋制板坯加熱溫度1100 1250°C，使奧氏體組織均勻化；第一階段軋制溫度950 1020°C，壓下率大于80%，第二階段軋制溫度780 900°C，壓下率大于60% ；3)冷卻、卷取冷卻速度4. 0 15°C /s，卷取溫度590 680°C ；通過上述控軋控冷エ藝，獲得核電壓カ容器用鋼板的顯微組織為細小鐵素體+珠光體組織。在本發明鋼的制造方法中，鋼坯加熱到1100_1250°C使奧氏體組織均勻化，使鋼中鉻的碳化物充分溶解，鈦、 鈮的碳氮化物由于溶解溫度高只有部分溶解，以阻止原始奧氏體晶粒的長大。同時控制加熱溫度下限是為了考慮軋制時板坯的溫降，保證在規定溫度完成軋制。第一階段軋制在奧氏體再結晶區溫度范圍內，采用多個道次軋制鋼坯，壓下率大于80%，軋制溫度控制在950 1020°C，通過奧氏體反復再結晶細化奧氏體晶粒。第一階段軋制完成后中間坯可待溫或直接進行第二階段軋制，待溫可采用空冷或噴水冷卻，第二階段軋制在奧氏體未再結晶溫度范圍內，軋制控制溫度在780 900°C，采用多個道次連續軋制，壓下率大于60%，未再結晶奧氏體晶內存在大量的形變帶，鋼板(卷)平均冷速要求 4. 0 15°C /s，鋼板終止溫度(或者卷取溫度)為590 680°C。變形奧氏體經加速冷卻可轉變成細小的鐵素體、珠光體組織，依靠析出強化和細晶強化保證鋼的強度性能、塑性、 韌性及高溫瞬時拉伸性能。
下面結合表I、表2的對比說明本發明與現有專利的不同之處。從鋼的成分體系角度分析美國專利US5292384A介紹一種Cr_W_V系貝氏體/鐵素體高強高韌鋼，鋼中Cr含量超過2. 5wt. % ,不含Ni,且V、Nb作為合金元素加入。中國專利CN200610085908. 2介紹一種適應于聚變堆的結構鋼材料，為低活化馬氏體鋼，基體為Fe元素，其中含有Cr、W、V、Ta、Mn、C等合金元素成分，適合在聚變反應堆環境下使用，抗強中子輻照。該鋼采用以W、Ta、V和Mn取代一般鋼中的Mo、Nb和Ni等元素， 以保證其具有低活化特性，并且通過優化組分，提高了鋼的主要性能。日本專利JP02077561A是一種低碳低合金鋼板，用于核反應堆，鋼中主加合金元素為 Mn、Cr、Mo 和 Ni，鋼中 Si、P 含量都很低，為 SiO. 03 O. 05wt. %,P ^ O. 005wt. %,目的是控制鋼受到中子輻照損傷而發生脆化。日本專利JP62054065A也是一種用于核電站的低合金鋼，成分上C、Mn含量比較低，上限分別為O. 14wt. % (和0· 8wt. % Mn，Si含量比較高，達到O. 45-0. 90wt. % Si，添加 Mo、Ni合金的同時還加了 Cr和Cu。日本專利JP 2093045A、JP63053243A、JP1008255A屬于同一類鋼，此類專利都是在低碳錳鋼成分基礎上用Ni、Mo合金化，主要用于核反應堆壓力容器。從工藝控制參數角度分析上述發明專利鋼都必須經過正火+回火或淬火+回火處理及去應力退火處理來保證鋼的各項性能指標。從鋼種成本角度分析上述發明專利由于主添加Ni、Mo, V、W等貴重合金元素，增加了鋼的制造成本。碳當量(Ceq)及冷裂紋指數(Pem)是鋼焊接性和焊接裂紋敏感性的判定指標， Ceq、Pcm越低,鋼的焊接性能越好、焊接時裂紋敏感性越低。本發明成分、Ceq、Pcm與其它核電鋼成分、Ceq、Pcm對比見表I, Ceq、Pcm數值根據成分中限計算獲得。從表I可知，本發明鋼的Ceq值為0.41，Pcm值為O. 22，對比其它發明專利， JP1008255A、JP63053243A、JP 02093045A、JP62054065A、JP02077561A 及 US5292384A 涉及的鋼的 Ceq 在 O. 53 O. 81 之間、Pcm 在 O. 23 O. 39 之間，CN200610085908. 2 鋼的 Ceq 達到了 2. OUPcm為O. 59。說明本發明鋼具有較好的焊接性能和低的焊接裂紋敏感性。上述分析可知，本發明無論從化學成分設計上還是從制造工藝上都不同于其它發明專利。
權利要求
1.ー種核電壓カ容器用鋼，其成分重量百分比為c 0. 05 0. 20%、Si :0. 10 0.40%, Mn :0. 75 I. 60%, P く 0. 012%, S く 0. 010%, Cr :0. 15 0. 60%, Nb :0. 010 0.040%,Alt :0. 030 0. 050%,Ti :0. 008 0. 030%,N 0. 003 0. 012%,Ca :0. 0010 .0.0050%, Sn彡0. 003%, Sb彡0. 002%,As :彡0. 003%，其余為Fe和不可避免的雜質；且Alt/N 彡 2。
2.如權利要求I所述的核電壓カ容器用鋼，其特征是，所述鋼的化學成分重量百分比為C 0. 08 0. 20%,Si :0. 10 0. 40%,Mn :0. 80 I. .60%,P < 0. 011%,S < 0. 010%, Cr :0. 15 0. 60%,Nb :0. 013 0. 040%,Alt :0. 027 0. 060%,Ti :0. 008 0. 030%,N .0.003 0. 010%, Ca :0. 0010 0. 0050%, Sn く 0. 003%, Sb く 0. 002%, As く 0. 003%, 其余為Fe和不可避免的雜質；且Alt/N ^ 2。
3.如權利要求I所述的核電壓カ容器用鋼，其特征是，所述鋼的化學成分重量百分比為C 0. 08 0. 18%,Si :0. 10 0. 30%,Mn :1. 00 I. .60%,P < 0. 010%,S < 0. 010%, Cr :0. 20 0. 60%, Nb :0. 013 0. 040%, Alt :0. 027 0. 060%, Ti :0. 012 0. 030%, N 彡 0. 008%, Ca :0. 0010 0. 0050%, Sn く 0. 003、Sb く 0. 002%, As く 0. 003%，其余為 Fe和不可避免的雜質；且Alt/N彡2。
4.如權利要求I所述的核電壓カ容器用鋼，其特征是，所述鋼的化學成分重量百分比為C 0. 10 0. 18%,Si :0. 10 0. 30%,Mn :1. 00 I. .60%,P < 0. 009%,S < 0. 005%, Cr :0. 20 0. 60%, Nb :0. 015 0. 040%, Alt :0. 030 0. 050%, Ti :0. 012 0. 030%, N 彡 0. 006%, Ca :0. 0010 0. 0050%, Sn く 0. 003、Sb く 0. 002%, As く 0. 003%，其余為 Fe和不可避免的雜質；且Alt/N彡2。
5.如權利要求I 4中任何一項所述的核電壓カ容器用鋼，其特征是，控制 Ceq ^ 0. 60%, Ceq = C+Mn/6+ (Cr+M0+V)/5+ (Cu+Ni)/15
6.如權利要求I 4中任何一項所述的核電壓カ容器用鋼的制造方法，其包括如下步驟.1)冶煉、鑄造按上述成分冶煉并鑄造成板坯；.2)軋制板坯加熱溫度1100 1250°C，第一階段軋制溫度950 1020°C，壓下率大于80% ;第 ニ階段軋制溫度780 900°C，壓下率大于60% ；.3)冷卻、卷取冷卻速度4. 0 15°C /s，卷取溫度590 680°C ；通過上述控軋控冷エ藝，獲得核電壓カ容器用鋼板的顯微組織為細小鐵素體+珠光體組織。
7.如權利要求6所述的核電壓カ容器用鋼的制造方法，其特征是，所述的鋼中，控制 Ceq 彡 0. 60%, Ceq = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+ (Cu+Ni)/15
全文摘要
一種核電壓力容器用鋼及其制造方法，包括如下步驟1)冶煉、鑄造板坯，鋼的成分重量百分比為C 0.05～0.20％，Si 0.10～0.40％，Mn0.75～1.6％，Cr 0.15～0.6％，Nb 0.010～0.04％，Ti 0.008～0.03％，Alt0.030～0.050％，Ca 0.0010～0.0050％，N 0.003～0.012％，S≤0.010％，P≤0.012％，Sn≤0.003wt.％、Sb≤0.002％、As≤0.003％，其余為Fe和不可避免雜質，且Alt/N≥2；2)熱軋，板坯加熱溫度1100～1250℃，第一階段軋制溫度950～1020℃，壓下率≥80％，第二階段軋制溫度780～900℃，壓下率≥60％；3)冷卻、卷取，冷卻速度4.0～15℃/s，卷取溫度590～680℃，通過控軋控冷工藝，獲得核電壓力容器用鋼板的顯微組織為細小鐵素體+珠光體組織。
文檔編號C22C38/28GK102605296SQ20121006430
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者于同文, 華蔚, 柏明卓, 邢聞 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司