一种核级奥氏体不锈钢焊丝制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种核级奥氏体不锈钢焊材，该材料熔敷金属具有高的低温强度、低温韧性、低温无磁性和良好的抗中子辐照性能，其化学成分为：Cr：18.00～20.0，Ni：12.00～14.00，Mo：2.00～3.00，N：0.06～0.15，C：≤0.03，Mn：1.00～2.50，Si：≤1.00，Nb：0.01～0.10，Ta：0.01～0.10，Co：≤0.10，P：≤0.03，S：≤0.005，B≤0.0018，且使Val(Cr-Ni)值小于16，余量为铁和通常炼钢存在的杂质；该材料可用于制造锻件、板材、管等核级材料的焊接。
【专利说明】一种核级奥氏体不锈钢焊丝制造方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及核级用奥氏体不锈钢焊材，特别涉及到这样的一种奥氏体不锈钢合金成分，即兼有高的低温强度、低温韧性、低温无磁性和良好的抗中子辐照性能。
[0003]不锈钢合金，特别是耐蚀性镍-铬系列奥氏体不锈钢合金，由于其具有良好的耐蚀性、力学性能和奥氏体组织的稳定性，因此广泛用于核裂变反应堆部件的制备，如堆内构件、硼注箱、核乏料储运装置和核燃料水池。由于此类应用领域的使用环境都为高温高压环境，因此奥氏体不锈钢一般都要求具有良好的室温力学性能和350°C力学性能，此外还要求良好的抗中子辐照性能。
【背景技术】
[0004]目前采用的核反应堆主要通过核裂变反应来获得能量，在获得能源的同时，也存在核泄漏等潜在危险，此外用于裂变反应的铀资源储存量也非常有限，一定程度上会制约该类核电反应堆的大批量建设。随着人类技术的进步，通过海水中提炼氘和氚来进行裂变反应获得能源逐步进入研究领域，世界上也开始进行核裂变试探性研究和建设工业性堆型。在核裂变反应堆堆型中的磁体支撑结构属于一个关键部件，此部件应用在77k低温条件下，对材料的极限温度要求为4k。由于是支撑件，需要承压，还要求材料具有良好的低温强度，此外还要良好的抗中子辐照性能和无磁性能。其抗中子辐照性能的满足主要通过成分控制来保证，即通过控制铌钽含量来保证其良好的抗中子辐照环境下的应力腐蚀，通过控制中子吸收截面大的元素钴和硼来保证该材料组织的稳定性和材料的抗失效性。其无磁性能不仅要求材料在77k静态条件下具有无磁性，还要求在此温度下承载一定变形量后仍具有无磁性能。目前能够使用该类要求的只有316LN等钢种，该钢种也为这些年各大钢厂大力开发的钢种。
[0005]对于该类钢种的焊接用材料，焊后焊缝处既要满足母材的力学性能，还要满足使用环境的要求，即要求焊缝处兼有高的低温强度、低温韧性、低温无磁性和良好的抗中子辐照性能。目前已有多项专利涉及低温用奥氏体不锈钢，主要涉及到低温船用奥氏体不锈钢，如专利US4675156公开的合金成分为:碳≤0.05%，0.20%<氮〈0.70%，硅〈1.00%，锰≤25 %，13 %〈铬〈35 %，5 %〈镍〈25 %，余为铁，且(Cr+0.9Mn)≤20%,通过控制铝含量来控制夹杂物;专利特开昭60-9862公开的成分为:碳≤0.05%,0.20%〈氮〈0.50%，硅〈1.00%,锰< 4.0%，20%〈铬〈35%，8%〈镍〈25%，余为铁；这两个专利都是通过提供铬、锰含量来增加氮的固溶度而获得高的低温屈服强度和较好的低温冲击韧性，但在增加强度的同时也提高了其生产难度，如冶炼过程中夹杂物难于控制、热塑性较差，同时由于不含钥，其耐点蚀性能也较差。但针对焊接材料的研究并没有报到。
[0006]从对比专利分析中可以看出，对比专利都是通过提高锰、铬、氮和添加铌来提高合金的低温强度，但在提高强度的同时并没有对材料的磁性能和抗中子辐照性能进行控制。本专利通过控制和优化成分，一方面在保证焊材其低温韧性的同时，通过铌、钽和氮复合强化来提高其低温强度，另一方面，控制影响材料中子辐照性能的元素铌、钽、钴和硼含量，此外通过控制焊材奥氏体中的铁素体含量和增加奥氏体的组织稳定性来保证其低温无磁性倉泛。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种核及奥氏体不锈钢焊材，特别涉及到这样的一种奥氏体不锈钢合金成分，即兼有高的低温强度、低温韧性、低温无磁性和良好的抗中子辐照性倉泛。
[0009]针对上述目的，本发明的技术方案是在保证其低温韧性的同时，通过铌钽和氮复合强化来提高其低温强度，通过控制影响材料的抗中子辐照性能的元素铌、钽、钴和硼来保证其良好的抗中子辐照性能，通过控制奥氏体中的高温铁素体含量和增加奥氏体元素的稳定性来保证其低温无磁性能，根据上述原理，从而提出了一种核级奥氏体不锈钢焊材的化学成分(重量百分比)，如下所示:
铬 18.00 ~20.00 镍 12.00 ~14.00 钥 2.00 ~3.00 氮 0.06 ~0.15 碳(0.03 猛 1.00 ~2.50 硅 <1.00
银 0.01 ~0.10 钽 0.01 ~0.10 钴(0.10 磷(0.03 硫(0.005 硼(0.0018
且使Val(&_Ni)值小于16，其中Val(&_Ni)采用下式计算:
Val(Cr_Ni)=3*(Cr+Mo)+4.5*Si_2.8*Ni_l.4*Mn_84* (C+N)；
余量为铁和通常炼钢存在的杂质；
确定上述化学成分的理由如下:
碳:碳元素通过固溶强化可以增加合金的低温强度，但碳含量过高，碳化物会在奥氏体晶界析出而导致晶界腐蚀性能和低温性能降低，因此将碳含量最大优选为0.03% ；
镍:镍为强的奥氏体形成元素，增加镍含量有助于提高奥氏体组织的稳定性，但镍含量过高，会降低碳元素的固溶度，导致钢的晶间腐蚀性能降低，此外高的镍含量不利于材料低温强度的提高，因此优选为12~13%。
[0010]铬:铬为铁素体形成元素，可明显增加合金的耐腐蚀性能，提高奥氏体不锈钢中的氮溶解度，获得高低温强度。但铬含量过高，会导致奥氏体中铁素体含量增加，导致材料具有磁性，且会增加有害相析出，因此优选为18.0O?20.00% ；
钥:钥为铁素体形成元素，奥氏体不锈钢中添加钥可以提高奥氏体不锈钢的耐点蚀性能，通过固溶强化可以提高其低温强度，此外添加到18-8系列奥氏体不锈钢中，可以稳定其奥氏体组织，避免产生形变马氏体，因此优选为2.00?3.00%ο
[0011]锰:增加锰含量可以提高奥氏体不锈钢中氮元素的固溶度，但锰含量过高，会导致奥氏体不锈钢在低温下变形产生马氏体，超过5%的锰含量甚至会导致材料从室温冷却到_196°C过程中产生马氏体相变，因此将锰含量优选为I?2.50% ；
氮:氮作为强奥氏体形成元素，可以明显提高奥氏体不锈钢的低温强度，在提高强度的同时也不会明显降低其韧性；此外氮与铌、钽相互作用，可以更明显的改善材料强度；但氮含量过高，会导致大量的氮化物析出，又会降低材料的低温韧性和耐腐蚀性能，因此优选为
0.06 ?0.15% ；
铌、钽:两种元素通过固溶强化都可明显提高奥氏体不锈钢中的低温强度，通过与碳结合可避免其晶间腐蚀，但含量过高会导致辐照条件下所引起的耐应力腐蚀性能下降和低温冲击韧性下降，因此两者都优选为0.01?0.10% ；
钴:钴由于其中子吸收截面大，易导致材料在中子辐照条件下的失效，因此将其控制为小于0.10% ；
硼:添加适量硼可以提高奥氏体不锈钢的晶界强度，有利于提高材料的低温强度和韧性，但硼为中子吸收截面大的元素，添加过多会导致材料在中子辐照条件下的失效，因此将其控制为小于0.0018% ；
硅:炼钢过程中的脱氧剂，其含量不可避免；
硫、磷:合金冶炼过程中的杂质元素，但过多磷含量会导致其低温韧性的降低，因此控制为小于0.03% ;硫会增加奥氏体不锈钢的热裂性，尤其是低铁素体含量的奥氏体不锈钢，因此将其控制为小于0.005% ；
合理确定镍当量形成元素N1、Mn、N、C和铬当量形成元素Cr、S1、Mo的含量,使Valterti)值小于16，以保证其低温条件下的无磁性，Val(Cr_Ni)值越小，表明该奥氏体不锈钢镍当量越高，即奥氏体组织在形变的过程中越稳定。当Val(&_Ni)值越大时，该类奥氏体不锈钢就会存在较多量铁素体含量，材料在低温下不具备无磁性和组织稳定性，奥氏体不锈钢组织的不稳定性会导致材料变形后出现形变马氏体，也会产生磁性。
[0012]具体的，本发明是根据铌钽和氮复合强化来提高奥氏体不锈钢的低温强度，在提高强度的同时，兼顾了其低温韧性，同时通过控制铌、钽、硼和钴含量来保证其良好的抗中子辐照性能，通过合理确定镍当量形成元素N1、Mn、N、C和铬当量形成元素Cr、S1、Mo的含量，控制奥氏体不锈钢中的高温铁素体含量来保证其低温和低温下变形后仍具有无磁性倉泛。
[0013]根据上述理由提出了本发明的核级奥氏体不锈钢焊材，本发明除了具有优异的低温强度和韧性外，还具有良好的抗中子辐照性能和无磁性能，可应用于锻件、板、带等产品的焊接。
[0014]本发明采用常规的不锈钢生产方式，即中频感应炉+真空炉方式冶炼，在950-1250°C温度范围内锻造和轧制，在1050-1110°C范围内进行固溶热处理，酸洗、冷轧或拉拔、光亮退火后得到相应产品。【具体实施方式】
[0015]说明:
奥氏体不锈钢的磁性能主要通过测量其磁导率来衡量，当磁导率低于1.01时就表示该材料具有无磁性能；而当磁导率高于此值时就表示该材料具有一定的磁性，达不到无磁性能要求。77K下材料变形后仍具有无磁性能是通过在低温下进行2%的预变性后再测量其磁性能来衡量的。77K和4K性能是通过将材料在该温度下浸泡4小时后取出，然后立即在室温下测量。
[0016]实施例1
根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，列于表2，采用中频炉+真空感应炉熔炼，浇铸成连扁锭，扒皮后热轧成5mm，在1080°C温度下退火酸洗后，冷轧至1.5mm然后光亮退火，该板材具有较高的低温强度、韧性，无磁性能，通过控制铌、钽、钴和硼元素保证了其良好的抗中子辐照性能。所有性能列于表3。
[0017]实施例2
根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，列于表2，采用中频炉+真空感应炉熔炼，浇铸成圆锭，锻造热轧成5mm线材,酸洗后经过多道次拉拔后在1080°C光亮退火成Imm丝材,该板材具有较高的低温强度、韧性，无磁性能，通过控制铌、钽、钴和硼元素保证了其良好的抗中子辐照性能。所有性能列于表3。
[0018]实施例3
根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，列于表2，采用中频炉+真空感应炉熔炼，浇铸成连扁锭，扒皮后热轧成6mm，在1080°C温度下退火酸洗后，冷轧至2.0mm然后光亮退火，该板材具有较高的低温强度、韧性，无磁性能，通过控制铌、钽、钴和硼元素保证了其良好的抗中子辐照性能。所有性能列于表3。
[0019]实施例4
根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，列于表2，采用中频炉+真空感应炉熔炼，浇铸成圆锭，锻造热轧成5mm线材,酸洗后经过多道次拉拔后在1080°C光亮退火成1.3mm丝材，该厚板具有较高的低温强度、韧性，无磁性能，通过控制铌、钽、钴和硼元素保证了其良好的抗中子辐照性能。所有性能列于表3。
[0020]对比例:
对比例I为常规308L焊材，从性能列表中可以看出，对比例的性能并不能保证其用于制作核聚变磁体支撑件。
[0021]
表1、不同专利之间成分对比，余量为铁(Wt.%)
【权利要求】
1.一种核级奥氏体不锈钢焊材，该材料熔敷金属具有高的低温强度、低温韧性、低温无磁性和良好的抗中子辐照性能，其化学成分为:Cr:18.0O~20.0, N1:12.00~14.00，Mo:2.00 ~3.00,N:0.06 ~0.15, C 0.03,Mn:1.00 ~2.50，S1≤ 1.00, Nb:0.01 ~0.10，Ta:0.01 ~0.10，Co S 0.10，P S 0.03，S:≤ 0.005，B ≤ 0.0018，且使 Val (Cr-Ni)值小于16，余量为铁和通常炼钢存在的杂质。
2.如权利要求1所述的核级奥氏体不锈钢焊材，其特征在于包含0.06~0.15%的氮。
3.如权利要求1所述的核级奥氏体不锈钢焊材，其特征在于含有0.00.10%的Nb和0.01 ~0.10%Ta。
4.如权利要求1所述的核 级奥氏体不锈钢焊材，其特征在于Val(Cr-Ni)值小于16。
【文档编号】B23K35/24GK103480975SQ201310178968
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年5月15日 优先权日:2013年5月15日
【发明者】淮凯文 申请人:丹阳市华龙特钢有限公司