專利名稱：一種核電站堆內構件用馬氏體不銹鋼的制作方法

　　技術領域：

　　本發明屬于核電用材技術領域，特別是涉及一種核反應堆堆內構件用馬氏體不銹鋼，主要適用于能源、冶金、機械、化工等領域。

　　背景技術：

　　不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽等溶液，或其他腐蝕介質中具有一定化學穩定性的鋼的總稱。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能是由于在鐵碳合金中加入了鉻所致。盡管其他元素，如銅、鋁、以及硅、鎳、鑰等也能提高鋼的耐腐蝕性能，但沒有鉻的存在這些元素的作用就受到限制。不銹鋼的種類很多，按照我國國家標準GB/T13304-1991《鋼分類》以及國際上通用的分類方法是按鋼的金相組織劃分，分為5類，即奧氏體型不銹鋼、奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼、鐵素體型不銹鋼、馬氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。此外，按照鋼中的合金元素又可分為鉻系不銹鋼、鉻鎳系不銹鋼、鉻鎳鑰系不銹鋼、鉻錳鎳(氮)系不銹鋼，以及低碳不銹鋼、超低碳不銹鋼和高純不銹鋼等。奧氏體不銹鋼的化學成分特性是以鉻、鎳為基礎添加鑰、鎢、鈮和鈦等元素。由于其組織為面心立方結構，因而在高溫下有高的強度和蠕變性能；雙相不銹鋼由奧氏體和鐵素體兩相組成，鉻和鎳是雙相不銹鋼中兩種重要的合金元素，鎳在α + Υ雙相不銹鋼中能擴大Y相區，當鋼中的鉻含量為5%時，鋼的屈服強度及達到最高值，當鎳含量為10%時，鋼的強度達到最大值；鐵素體型不銹鋼的化學成分特征是含11°/Γ30%的鉻，其中添加鈮和鈦。當鉻含量小于25%時鐵素體組織會抑制馬氏體組織的形成，因而隨鉻含量的增加其強度下降。鉻含量高于25%時由于合金的固溶強化作用，強度略有提高；沉淀硬化不銹鋼是一類具有超高強度的不銹鋼，按其組織形態可分為三類，沉淀硬化馬氏體不銹鋼，沉淀硬化半奧氏體不銹鋼，沉淀硬化奧氏體不銹鋼。也有的把第一類歸到馬氏體不銹鋼，第二類、第三類歸到奧氏體不銹鋼。馬氏體時效不銹鋼是固溶處理后，冷至室溫時總是以馬氏體組織存在，由固溶態再進行時效處理產生析了相而強化。奧氏體沉淀硬化不銹鋼，其組織為穩定奧氏體組織，熱處理是不能改變組織，為此，只能通過加入析出強化元素，通過時效處理而強化；馬氏體型不銹鋼與普通合金鋼一樣具有通過淬火實現硬化的特性，因此可通過選擇牌號及熱處理條件來得到較大范圍的不同的力學性能。馬氏體型不銹鋼可以分為馬氏體鉻系不銹鋼和馬氏體鉻鎳系不銹鋼。馬氏體鉻系不銹鋼在淬火-回火條件下，增加鉻含量可使鐵素體含量增加，會降低硬度和抗拉強度。由于鉻的添加可提高鐵碳合金的淬透性，因而在需要進行淬火的鋼中得到廣泛的應用。馬氏體型不銹鋼一般以13%Cr鋼為代表，該鋼焊接性能不好，焊前需要預熱，焊接熱影響區的組織通常又硬又脆，只有通過焊后熱處理使其韌性和塑性得到恢復。隨著人類社會的不斷發展，對能源的需求也越來越高。由于煤炭、石油等化石類原料不斷消耗以及使用這些原料造成的對環境的日益破壞，迫使人們不斷尋找清潔、綠色的能源。核電站是利用核分裂或核融合反應所釋放的的能量產生電能的發電廠。目前商業運轉中的核能發電廠都是利用核分裂反應而發電。根據反應堆的類型，核電站可以分為壓水堆核電站、沸水堆核電站、重水堆核電站和快中子增殖反應堆，目前世界上和國內應用最多的是壓水堆核電站。壓水型核電站反應堆的結構基本由以下幾個部分組成，反應堆堆芯、堆內構件、反應堆壓力容器和頂蓋以及控制棒驅動機構。其中的堆內構件在整個核電站的運行過程中起著很重要的作用，如起著支承和固定堆芯組件作用，并使驅動線對中，控制棒運動導向，同時又是冷卻劑通道，對流量進行合理分配，減少無效流量，為壓力容器提供熱屏蔽，減少中子Y射線照射，還能為堆內測量提供安裝和固定條件，為壓力容器用材輻照監督試驗提供存放試樣場所。堆內構件在結構上由堆芯下部支承構件和堆芯上部支承構件組成，堆芯下部支承構件又由吊籃、堆芯支承板、圍板和輻板組件、堆芯下柵格板、熱屏蔽、輻照樣品管以及二次支承組件組成。堆芯上部支承構件由導向筒支承板、堆芯上柵格板、控制棒導向筒、支承柱、熱電偶和壓緊彈簧組成。其中的壓緊彈簧位于吊籃法蘭和導向筒支撐板之間，是一個馬氏體不銹鋼的環形鍛件，它將下部和上部堆內構件壓緊在壓力容器支承臺上。壓緊彈簧可以補償法蘭的加工誤差并提供足夠壓緊力，同時也能補償堆內構件受壓變形及產生的熱膨脹量。當壓力容器頂蓋安裝后，壓緊彈簧被壓縮用以限制上部和下部堆芯支撐組裝件的軸向位移，因此壓緊彈簧是堆內構件中一個重要的部件。中國的核電發展經歷了從無到有，從低到高的發展歷程，通過自主創新與消化吸 收國外先進核電技術相結合，目前我國核電技術已經具備了接近世界先進水平的研發能力。中國已經具備了 30萬-60萬千瓦壓水堆核電站自主設計能力，基本具備了第二代百萬千瓦級核電站設計能力。中國自主創新的二代加壓水堆核電技術已經在國內開始建設開工，2006年中國引進了目前世界上最先進的美國第三代壓水堆核電站AP1000，該項目的引進，把我國的核電事業推向了一個新的高峰。無論是二代加的CPR1000還是三代的AP1000，堆內構件中都包括了壓緊彈簧這一重要部件，在二代加技術中壓緊彈簧采用馬氏體不銹鋼，在國內引進三代技術時，壓緊彈簧采用的材料仍為馬氏體不銹鋼。

　　發明內容

　　本發明的目的在于提供一種核反應堆堆內構件用馬氏體不銹鋼，與同類型鋼種相比，其具有更高的純凈度、室溫強度、高溫強度。本發明的馬氏體不銹鋼采用真空感應爐冶煉，其化學成分組成重量百分比為C 0. 05 O. 18 %，Si :彡 O. 60 %，Mn :0· 20 O. 80 %，P :彡 O. 020 %，S :彡 O. 020 %，Cr :12. O 15. 0%，Mo 0. 3 I. 5%, Co :彡 O. 05%, B :彡 O. 005%，其中氧含量不大于 20ppm (即

　　< 0.002%)。余量為Fe和不可避免的雜質。本發明的關鍵在于通過對鋼中重要合金元素的合理優化以及氣體元素的合理控制，得到了夾雜物少、強度高的核電站堆內構件用馬氏體不銹鋼。鋼中常見的合金元素有C (碳)、Si (硅)、Mn (錳)、Cr (鉻)、Ni (鎳)、Mo (鑰)、W(鎢)、Co (鈷)、Cu (銅)、Nb (鈮)、A1 (鋁)、Ti (鈦)、B (硼)、N (氮)、RE (稀土)等，稀土元素通常由La (鑭)和Ce (鈰)組成。S (硫)P (磷)為鋼中雜質元素。碳是鋼中不可缺少的元素。碳在鋼中既擴大奧氏體相區，又是高強度碳化物的組成元素。其強化作用與溫度有關，隨著溫度的升高，由于碳化物聚集，強化作用下降。碳含量低，強度不足，碳含量過高，塑性不足并且焊接性能不好；硅是耐熱鋼中抗高溫腐蝕的有益元素，高溫下，在含硅的耐熱鋼表面會形成一層保護性好的SiO2膜。當鋼中含硅量達到1%時就有明顯的抗氧化效果，如Cr5Mo鋼中的硅含量從O. 2%增加到1%時，顯著低提高了該鋼個抗高溫氧化性能；錳能消除或減弱因硫所引起的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。錳同時又是碳化物形成元素，進入碳化物中取代一部分鐵原子。錳對鋼的高溫瞬時強度提高有益，但對高溫長時性能提高幫助不大；Cr是不銹鋼中重要的合金元素，鋼中含有超過12%的Cr就會使鋼具有良好的耐腐蝕性能。鋼中的Cr在氧化過程中會與氧發生反應，在鋼材的表面生成致密的Cr2O3薄膜，阻止氧與基體的進一步反應，起到了抗氧化與耐腐蝕的作用，因此不銹鋼中的Cr含量不宜太低，本發明中Cr含量為12. (Γ15. 0% ;鑰也是不銹鋼中重要的合金元素，和鉻一樣，鑰也是形成和穩定鐵素體并擴大鐵素體相區的元素，鑰形成鐵素體的能力與鉻相當。鑰在不銹鋼中可固溶于鐵素體、奧氏體和碳化物中，有固溶強化的作用。當鑰含量較低時，可以與鐵、碳形成復合碳化物，同時也能提高碳化物的穩定性，含量較高時可以形成鑰的特殊碳化物。此夕卜，鑰可以提高馬氏體不銹鋼的淬透性，起到提高鋼的強度。鑰與鉻、錳等一起存在時，可以降低或抑制其他雜質元素所引起的回火脆性。鈷也是不銹鋼中常用的元素，但在核電站一回路中，由于不銹鋼直接面臨著核燃料的輻射，而鈷收到輻照后會形成新的鈷同位素，并成為放射源，且半衰期很長，若對其含量不加以限制，必然會影響核電站的正常運行。硼元素在核電構件中產生的危害與鈷類似，·也必須加以限制。氧是鋼中有害元素，易與氧化物形成元素形成氧化物夾雜，影響鋼的純凈度。氧含量越低，生產成本越高，對設備的要求也越高。在滿足鋼材性能要求的前提下，確定一個合適的氧含量既是提高鋼材純凈度的要求，也是保證生產成本的要求。與現有技術相比，本發明的有益效果在于通過對馬氏體不銹鋼中各關鍵元素的合理優化與搭配，生產出的馬氏體不銹鋼具有高純凈度、高強度等特點。

　　具體實施例方式下面結合一個典型實施例對本發明作進一步說明。本實施例中，采用的馬氏體不銹鋼的具體成分以及對比材料SUS403不銹鋼的成分如表I所示。新型馬氏體不銹鋼具體的工藝流程為選用精料，采用真空感應爐冶煉，冶煉的鋼錠經過開坯后形成鋼坯，開坯后的鋼坯經過表面打磨，去除角裂以及表面缺陷，裝爐加熱。鋼坯開鍛溫度112(T116(TC，終鍛溫度不小于900°C，鍛后緩冷。鍛造后的棒材用于成分分析、夾雜物評定、熱處理后的室溫及高溫力學性能檢測等。本發明實施例與對比材料SUS403不銹鋼的非金屬夾雜物對比見表2，由于本發明鋼中氧含量較低，鋼中非金屬夾雜物尤其是氧化物級別低于SUS403，表明本發明鋼具有較高的純凈度，夾雜物水平較低。本發明實施例與對比材料室溫拉伸性能對比見表3，從中可見，在相同熱處理制度下，本發明的室溫拉伸強度要高于對比材料。本發明實施例與對比材料高溫拉伸性能見表4，從中可以看出，在相同熱處理制度下在350°C下本發明的高溫拉伸強度要高于對比材料。本發明實施例其他熱處理制度下的室溫性能見表5，從中可見本發明實施例具有較高的室溫力學性能。表I本發明實施例化學成分及對比材料成分(wt%)

　　權利要求

　　1.一種核電站堆內構件用馬氏體不銹鋼，屬于核電站用材技術領域。其化學成分組成重量百分比為C 0. 05 O. 18%，Si :彡 O. 60%，Mn :0· 20 O. 80%，P :彡 O. 020%，S :(O. 020%,Cr 12. O ~ 15. 0%,Mo :0. 3 I. 5%,Co S O. 05%,B S O. 005%，其中氧含量不大于20ppm ;余量為Fe和不可避免的雜質。

　　全文摘要

　　一種核電站堆內構件用馬氏體不銹鋼，屬于核電站用材技術領域。其化學成分組成重量百分比為C0.05~0.18％，Si≤0.60％，Mn0.20～0.80％，P≤0.020％，S≤0.020％，Cr12.0～15.0％，Mo0.3~1.5%，Co≤0.05%，B≤0.005%，其中氧含量不大于20ppm。余量為Fe和不可避免的雜質。優點在于，夾雜物少、室溫和高溫強度高。

　　文檔編號C22C38/22GK102925815SQ201210429700

　　公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月31日 優先權日2012年10月31日

　　發明者王立民, 劉正東, 楊鋼, 包漢生, 李密 申請人:鋼鐵研究總院