一種低合金鋼的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低合金鋼，以質(zhì)量百分比計，其成分為：C：0.16～0.22%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.20～1.60%，P：0.008%以下，S：0.005%以下，Cr：0.15%以下，Ni：0.50～0.80%，Mo：0.43～0.57%，V：0.01%以下，Cu：0.08%以下，Al：0.04%以下，Co：0.03%以下，As：0.010%以下，Sn：0.010%以下，Sb：0.002%以下，B：0.0005%以下，H：0.8ppm以下，其余成分為Fe。本發(fā)明的優(yōu)點在于，輻照敏感性低，耐輻照脆化性能優(yōu)越，使用壽命長。
【專利說明】一種低合金鋼

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種輻照敏感性低的低合金鋼。本發(fā)明的低合金鋼適用于制造反應(yīng)堆 壓力容器。

【背景技術(shù)】
[0002] 反應(yīng)堆壓力容器是壓水堆核電廠的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要安全功能是：容納反應(yīng) 堆的堆芯部件、堆內(nèi)構(gòu)件及堆芯測量部件；支承反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)和其他堆頂結(jié)構(gòu)部 件；組成反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力邊界；構(gòu)筑核島堆芯放射性安全防護的第二道重要屏 障。由于其壽期內(nèi)不可更換，因而反應(yīng)堆壓力容器的可靠性是決定壓水堆核電廠壽命的關(guān) 鍵因素。隨著核工業(yè)的發(fā)展，提高核電廠的經(jīng)濟性是必然的發(fā)展趨勢，因此反應(yīng)堆壓力容器 壽命的延長和可靠性的增強是保證核電廠長壽期運行的關(guān)鍵。
[0003] 反應(yīng)堆壓力容器長時間在高劑量輻照環(huán)境下工作。因此，通常要求用于制造反應(yīng) 堆壓力容器的材料具備較低的輻照敏感性以及較低的初始無延性轉(zhuǎn)變溫度(初始RT mT)。
[0004] 當前，用于制造反應(yīng)堆壓力容器的材料主要為16MND5,但是其中的輻照敏感元素 的含量依然較高，且初始無延性轉(zhuǎn)變溫度(初始RT ndt)偏高，制約了反應(yīng)堆壓力容器的使用 壽命，其使用壽命一般為40年左右。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的即在于提供一種輻照敏感性低、耐輻照脆化性能優(yōu)越以及使用壽命 長的低合金鋼。
[0006] 為了達到上述目的，發(fā)明人針對16MND5,詳細研究了其中化學組織對低合金鋼輻 照敏感性和初始無延性轉(zhuǎn)變溫度的影響。結(jié)果，得到了如下新的見解： I. Mn和Ni能夠增加 γ相、細化晶粒、提高淬透性，改善鋼材的綜合性能。在熱環(huán)境 中Ni和S容易化合，在晶界上形成低熔點的NiS網(wǎng)狀組織而產(chǎn)生熱脆，當Ni含量高于0. 8% 時熱脆程度逐步增強，因此必須控制Ni含量上限。Cr和Mo能夠提高鋼的淬透性、降低無延 性轉(zhuǎn)變溫度。經(jīng)輻照后，固溶的Cr原子可以捕獲自由的C原子和N原子，減少間隙原子對 輻照的影響。Mo能降低回火脆性，明顯抑制輻照脆化，而且基體中的Mo有控制P、S等雜質(zhì) 原子偏聚的作用，但是Mo含量過高則導致基體中Mo含量的降低，因此Mo含量必須進行控 制。V能夠細化晶粒、提高鋼的強度、韌性，但是V是對輻照敏感性害的元素，不僅產(chǎn)生輻照 脆化，輻照時V的碳化物析出同樣會引起脆化。V含量增加容易引起焊接熱影響區(qū)脆化，增 加了鋼的熱裂紋敏感性。因此必須控制V含量上限。
[0007] 2. Co受中子輻照后生成放射性同位素6°Co,繼續(xù)衰變后生成6°Ni，并放射出對人 體嚴重危害的Y射線，因此必須嚴格控制Co含量。B的同位素 kiB具有很大的中子吸收截 面，鋼中含有B會導致輻照脆化明顯加劇，需要嚴格控制其含量。Si有穩(wěn)定輻照缺陷的作 用，隨著輻照溫度增高，會降低點缺陷的自愈能力，輻照效應(yīng)隨之增加。因此，Si含量過高 會導致低合金鋼的輻照敏感性提高，因此其含量不宜偏高。P和S不僅降低鋼的塑性，而且 有加速輻照脆化的傾向，必須嚴格控制，盡量降低其含量。
[0008] 3. Cu對輻照脆化影響很大，其原因是低合金鋼材料中殘余Cu含量遠大于300°C 時0. 002%的溶解度，同時輻照能使Cu的沉淀提高幾個數(shù)量級。沉淀出的自由Cu對中子串 級碰撞產(chǎn)生的微孔洞具有穩(wěn)定作用，而微孔洞又是輻照脆化的重要原因。輻照會加速產(chǎn)生 微小的含有Ni和Mn的富Cu沉淀，它們因阻礙位錯運動而引起材料的脆化和脆化。
[0009] Ni是擴大奧氏體相、細化晶粒、球化碳化物和保證綜合性能以及提高淬透性的有 效元素。但試驗表明Ni對材料輻照脆化的影響與Cu含量和快中子注量的高低密切相關(guān)。 Ni和Cu有相互促進的作用。當Cu含量較低時，Ni對輻照危害較小；當Cu含量較高時，Ni 對輻照危害較大。同樣當Ni含量較高時，Cu對輻照影響也愈大。二者相輔相成的現(xiàn)象同 Ni、Cu及空位形成更穩(wěn)定的Cu-Ni-空位復雜缺陷有關(guān)。Ni和Cu的合理成分匹配可以明顯 減小輻照效應(yīng)，即Ni含量不宜過高，Cu含量應(yīng)盡量低。
[0010] P對輻照脆化的影響與P在晶界的偏析有關(guān)。P原子擴散到晶界呈現(xiàn)P、Ni、Mn的 大量富集，引起偏析使晶界表面能降低，從而使初始無延性轉(zhuǎn)變溫度(初始RT ndt)升高，加大 材料的輻照脆化程度。同時P對輻照脆化的影響與Cu含量有關(guān)，當Cu較低時，聚集成幾個 納米大小的P原子群和磷化物沉淀比較多，因此表現(xiàn)出P對輻照很敏感；當Cu含量高時，P 被結(jié)合在富Cu沉淀中，產(chǎn)生銅磷化物，P的單獨影響隨著Cu增加而被降低了。
[0011] S易與Mn和Fe反應(yīng)生成低熔點的FeS和MnS，增加了低合金鋼材料的脆性并降低 最大沖擊功，從而使上平臺能量降低。
[0012] 基于上述分析，Cu與Ni和P的交互作用是影響低合金鋼的輻照性能的最不利因 素。Ni是鋼中的合金元素，當適當增加 Ni以提高鋼的韌性時，必須伴隨降低Cu含量，以免 輻照效應(yīng)增大；而Cu含量低時P的危害增大，因此同時應(yīng)降低P含量。
[0013] 本發(fā)明是基于上述見解完成的，其要旨在于下述低合金鋼。
[0014] 一種低合金鋼，以質(zhì)量百分比計，其成分為：C :0. 16?0. 22%，Si :0. 10?0. 30%， Mn :1. 20 ?1. 60%，P :0. 008% 以下，S :0. 005% 以下，Cr :0. 15% 以下，Ni :0. 50 ?0. 80%，Mo : 0· 43 ?0· 57%，V :0· 01% 以下，Cu :0· 08% 以下，Al :0· 04% 以下，Co :0· 03% 以下，As :0· 010% 以下，Sn :0· 010%以下，Sb :0· 002%以下，B :0· 0005%以下，H :0· 8ppm以下，其余成分為Fe。
[0015] 作為優(yōu)化，其中P的質(zhì)量百分比在0. 006%以下，Cu的質(zhì)量百分比在0. 05%以下，B 的質(zhì)量百分比在〇. 0003%以下。
[0016] 作為進一步的優(yōu)化，一種低合金鋼，以質(zhì)量百分比計，其成分為：C :0. 18%，Si : 0. 18%, Mn ：1, 36%, P ：0. 005%, S ：0. 002%, Cr ：0. 12%, Ni ：0. 75%, Mo ：0. 48%, V ：0. 004%, Cu ： 0. 02%, Al ：0. 007%, Co ：0. 02%, As ：0. 002%, Sn ：0. 002%, Sb ：0. 0007%, B ：0. 0002%, H ：0. 6ppm, 其余成分為Fe。
[0017] 作為進一步的優(yōu)化，一種低合金鋼，以質(zhì)量百分比計，其成分為：C :0. 17%，Si : 0. 19%, Mn ：1, 40%, P ：0. 005%, S ：0. 002%, Cr ：0. 12%, Ni ：0. 71%, Mo ：0. 48%, V ：0. 01%, Cu ： 0. 02%, Al ：0. 01%, Co ：0. 02%, As ：0. 002%, Sn ：0. 002%, Sb ：0. 0007%, B ：0. 0002%, H ：0. 8ppm, 其余成分為Fe。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果在于： 本發(fā)明的低合金鋼，在反應(yīng)堆堆芯輻照照射的情況下，也能實現(xiàn)以往的低合金鋼（如 16MND5)難以達到的低輻照敏感性和低初始無延性轉(zhuǎn)變溫度(初始RTndt),抗輻照脆化能力 強。因此，將本發(fā)明用于反應(yīng)堆壓力容器，可以有效提高反應(yīng)堆壓力容器的使用壽命，使反 應(yīng)堆壓力容器的使用壽命達到60年以上。

【具體實施方式】
[0019] 下面將詳細說明本發(fā)明低合金鋼的化學組成限定成上述范圍的理由。另外，在以 下說明中，只要沒有特別限定，"％"表示"質(zhì)量百分比"。
[0020] C :0· 16 ?0· 22% C是實現(xiàn)強度要求的主要元素，含量高于0. 16%時才能保證材料具備足夠的強度。
[0021] 同時，由于C屬于間隙型原子，增大C含量將使韌性下降、無延性轉(zhuǎn)變溫度升高， 同時C含量高對低合金鋼的焊接也有不利影響，因此在保證強度的前提下，C含量應(yīng)低于 0· 22%。
[0022] Si :0· 10 ?0· 30% Si具有強化基體的作用，同時因為Si是冶煉時從生鐵原料中帶入的，因此控制其含量 高于0. 10%是合理的。
[0023] 另一方面，Si含量高于0. 30%，則會對輻照有害，因為Si有穩(wěn)定輻照缺陷的作用， 在高溫輻照的情況下，會阻礙點缺陷及其衍生輻照缺陷的恢復能力，其含量不宜偏高。因 此，使Si含量為0· 10?0· 30%。
[0024] Mn :1· 20 ?1. 60% Mn能夠增加 γ相、細化晶粒、提高淬透性，改善鋼材的綜合性能。如Mn含量低于 1. 20%，Mn改善鋼材綜合性能的作用不明顯。
[0025] Mn在提高淬透性和強化基體的同時會促成P和其它雜質(zhì)原子在原奧氏體晶界內(nèi) 產(chǎn)生偏聚,如果Mn含量高于1. 60%，會降低晶界內(nèi)聚力，增加回火脆性。
[0026] Ni :0· 50 ?0· 80% Ni能夠增加 Y相、細化晶粒、提高淬透性，改善鋼材的綜合性能。如果Ni的含量低于 0. 50%，Ni改善鋼材綜合性能的作用不明顯。
[0027] 另一方面，在熱環(huán)境中Ni和S容易化合，在晶界上形成低熔點的NiS網(wǎng)狀組織而 產(chǎn)生熱脆，當Ni含量高于0. 8%時熱脆程度逐步增強。因此，使Ni含量為0. 50?0. 80%。
[0028] Cu :0· 08% 以下 Ni是擴大奧氏體相、細化晶粒、球化碳化物和保證綜合性能以及提高淬透性的有效元 素。但試驗表明Ni對材料輻照脆化的影響與Cu含量和快中子注量的高低密切相關(guān)。Ni和 Cu有相互促進的作用。當Cu含量較低時，Ni對輻照危害較小；當Cu含量較高時，Ni對輻 照危害較大。同樣當Ni含量較高時，Cu對輻照影響也愈大。二者相輔相成的現(xiàn)象與Ni、Cu 及空位形成更穩(wěn)定的Cu-Ni-空位復雜缺陷有關(guān)。Ni和Cu的合理成分匹配可以明顯減小輻 照效應(yīng)，即Ni含量不宜過高，Cu含量應(yīng)盡量低。因此，Cu含量在0. 08%以下，Ni的含量在 0. 50?0. 80%，可以在保證低合金鋼綜合性能的基礎(chǔ)上，將輻照效應(yīng)降低最低。
[0029] 另外，對于用于堆芯區(qū)的本發(fā)明，Cu的含量優(yōu)選為0. 05%以下。
[0030] P :0· 008% 以下 P對輻照脆化的影響與P在晶界的偏析有關(guān)。P原子擴散到晶界呈現(xiàn)P、Ni、Mn的大量 富集，引起偏析使晶界表面能降低，從而使初始RTndt升高，加大材料的輻照脆化程度。同時 P對輻照脆化的影響與Cu含量有關(guān)，當Cu較低時，聚集成幾個納米大小的P原子群和磷化 物沉淀比較多，因此表現(xiàn)出P對輻照很敏感；當Cu含量高時，P被結(jié)合在富Cu沉淀中，產(chǎn)生 銅磷化物，P的單獨影響隨著Cu增加而被降低了。
[0031] 基于上述分析，Cu與Ni和P的交互作用是影響低合金鋼的輻照性能的最不利因 素。Ni是鋼中的合金元素，當適當增加 Ni以提高鋼的韌性時，必須伴隨降低Cu含量，以免輻 照效應(yīng)增大；而Cu含量低時P的危害增大，因此同時應(yīng)降低P含量。因此，Cu含量在0.08% 以下的情況下，P含量為〇. 008%以下，可以盡量降低低合金鋼的輻照敏感性。同時，過度降 低P含量會導致成本大幅上升，這也是將P含量限定〇. 008%以下的另一個原因。
[0032] 另外，對于用于堆芯區(qū)的本發(fā)明，P的含量優(yōu)選為0. 006%以下。
[0033] S :0· 005% 以下 S易與Mn和Fe反應(yīng)生成低熔點的FeS和MnS，增加了低合金鋼材料的脆性并降低最大 沖擊功，從而使反映材料韌性的上平臺能量值(平臺能量值：沖擊吸收能量-溫度曲線中， 上平臺區(qū)對應(yīng)的吸收能量)降低。S的含量應(yīng)該是越少越好，考慮到過度降低S含量會導致 成本大幅上升，因此S含量為0. 005%以下。
[0034] Cr :0· 15% 以下 Cr能夠提高鋼的淬透性、降低塑性轉(zhuǎn)變溫度。經(jīng)輻照后，固溶的Cr原子可以捕獲自由 的C原子和N原子，減少間隙原子對輻照的影響。
[0035] Cr與Mn和Mo都可以形成合金滲碳體增加基體強度，從該合金成分角度分析，對 于Cr含量的控制應(yīng)綜合考慮Mn和Mo含量的影響；并且Cr對焊接性和堆焊層下裂紋敏感 性有不利影響，因此必須控制其含量為〇. 15%以下。
[0036] Mo :0· 43 ?0· 57% Mo能降低回火脆性，明顯抑制輻照脆化，而且基體中的Mo有控制P、S等雜質(zhì)原子偏聚 的作用，但是Mo含量過高反而會導致基體中Mo含量的降低，因此Mo含量控制在0. 43? 0. 57%。既可以起到抑制輻照脆化的作用，也可以起到控制P、S等雜質(zhì)原子偏聚的作用。
[0037] V :0· 01% 以下 V能夠細化晶粒、提高鋼的強度、韌性，但是V是對輻照有害的元素，不僅產(chǎn)生輻照脆 化，輻照時V的碳化物析出同樣會引起脆化。V含量增加容易引起焊接熱影響區(qū)脆化，增加 了鋼的熱裂紋敏感性。出于提高本發(fā)明耐輻照脆化性能的目的，因此要求V含量在0. 01% 以下。
[0038] Co :0· 03% 以下 Co受中子輻照后生成放射性核素6°Co,繼續(xù)衰變后生成6°Ni，并放射出對人體嚴重危害 的Y射線。如果Co含量大于0.03%，產(chǎn)生的γ射線劑量過大，限定Co含量為0.03%以下。
[0039] B :0· 0005% 以下 B的同位素 kiB具有很大的中子吸收截面，鋼中含有B會導致輻照脆化明顯加劇。因此， 綜合考慮成本的耐輻照脆化性能，將B的含量限定在0. 0005%以下。
[0040] 另外，對于用于堆芯區(qū)的本發(fā)明，B的含量優(yōu)選為0. 0003%以下。
[0041] Al :0.04% 以下 As :0. 010% 以下 Sn :0. 010% 以下 Sb :0. 002% 以下 H :0· 8ppm 以下 Al、As、Sn和Sb元素盡管在鋼中含量很少，但對輻照性能尤其是高溫輻照性能影響較 大，因此為了降低輻照對材料性能的影響，盡量嚴格控制上述殘余元素的含量。
[0042] H含量過高會導致氫脆，使鋼的強度和韌性降低，并是產(chǎn)生白點的主要原因，同時 H含量過高對材料的輻照性能也有不利影響。
[0043] 實施例： 本發(fā)明的制備工藝流程如下： 采用電爐粗煉鋼水，然后在真空爐中繼續(xù)精煉鋼水，下一步采用真空澆注工藝，控制 各個組分的加入量，減少有害元素和雜質(zhì)的含量。澆注的鋼錠在大型鍛壓機上進行鍛造， 鍛造過程中控制終鍛溫度不低于850°C，經(jīng)多火次鍛造，鍛件的總鍛比不小于3。為了改善 鍛件內(nèi)部組織及晶粒度，進一步降低H含量，鍛件在鍛造后經(jīng)歷900°C -980°C的正火處理， 600°C-700°C的回火處理。為了獲得高性能的鍛件在性能熱處理前，將鍛坯盡量加工至接近 完工外形。此后鍛件經(jīng)歷850°C _925°C的淬火處理，和635°C _665°C的回火處理。若無損 檢驗和性能試驗等各項結(jié)果均滿足要求的情況下，鍛件進行最終的精加工，至此材料完成 制造。
[0044] 本發(fā)明的實施例（No 1~Νο3)中各個組分的含量如表1所示。表1中，各個組分的 含量為質(zhì)量百分比。
[0045] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種低合金鋼，其特征在于，以質(zhì)量百分比計，其成分為：c :0. 16?0.22%，Si : 0. 10 ?0. 30%，Mn :1. 20 ?1. 60%，P :0. 008% 以下，S :0. 005% 以下，Cr :0. 15% 以下，Ni : 0· 50 ?0· 80%，M〇 :0· 43 ?0· 57%，V :0· 01% 以下，Cu :0· 08% 以下，A1 :0· 04% 以下，Co :0· 03% 以下，As :0· 010% 以下，Sn :0· 010% 以下，Sb :0· 002% 以下，B :0· 0005% 以下，Η :0· 8ppm 以下， 其余成分為Fe。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低合金鋼，其特征在于；P的質(zhì)量百分比在0. 006%以下， Cu的質(zhì)量百分比在0. 05%以下，B的質(zhì)量百分比在0. 0003%以下。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低合金鋼，其特征在于，以質(zhì)量百分比計，其成分為： C ：0. 18%, Si ：0. 18%, Μη ：1. 36%, Ρ ：0. 005%, S ：0. 002%, Cr ：0. 12%, Ni ：0. 75%, Mo ：0. 48%, V ：0. 004%, Cu ：0. 02%, A1 ：0. 007%, Co ：0. 02%, As ：0. 002%, Sn ：0. 002%, Sb ：0. 0007%, B ： 0· 0002%，H :0· 6ppm，其余成分為 Fe。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低合金鋼，其特征在于，以質(zhì)量百分比計，其成分為：C : 0. 17%, Si ：0. 19%, Μη ：1. 40%, Ρ ：0. 005%, S ：0. 002%, Cr ：0. 12%, Ni ：0. 71%, Mo ：0. 48%, V ： 0. 01%, Cu ：0. 02%, A1 ：0. 01%, Co ：0. 02%, As ：0. 002%, Sn ：0. 002%, Sb ：0. 0007%, B ：0. 0002%, H :0· 8ppm，其余成分為Fe。
【文檔編號】C22C38/60GK104294181SQ201310295217
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月15日
【發(fā)明者】邱天, 馬姝麗, 羅英, 余志偉, 楊敏, 鐘元章, 周高斌, 李長香, 謝國福, 曾鵬 申請人:中國核動力研究設(shè)計院