专利名称：一种奥氏体不锈钢的制作方法
技术领域：
本发明奥氏体不锈钢，具体地说，涉及到一种可用于核聚变反应堆磁体支撑结构 的奥氏体不锈钢，其具有高的低温强度、低温韧性、低温无磁性和良好的抗中子辐照性能。
背景技术：
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7 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，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。抗中子辐照性能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。无磁性能则不仅要求材料 在7 静态条件下具有无磁性，还要求在该温度下承载一定变形量后仍具有无磁性能。奥氏体不锈钢由于其具有良好的耐蚀性和力学性能，已广泛用于核裂变反应堆高 温环境部件的制备，如堆内构件、硼注箱、核乏料储运装置和核燃料水池。然而，目前通用的 304L奥氏体不锈钢，由于其为亚稳定奥氏体组织，无法满足核反应堆磁体支撑结构的无磁 性能和低温性能要求，而316L奥氏体不锈钢虽为稳定奥氏体组织，但由于含有少量铁素体 组织导致其具有一定磁性，低碳含量则导致其强度不足。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US4675156和JP特开昭60-9862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，同时由于不含钼，其耐点蚀性能也较差；JP特开 平2-97649虽然通过热加工工艺调整获得了低温高强度奥氏体不锈钢，但铌含量较多，不 能保证材料的抗中子辐照性能，并且其成分并不能保证其无磁性能；US4568387通过提高 锰含量和氮含量来替代部分镍元素，但其为亚稳奥氏体不锈钢，无法满足无磁性的要求JP 特开昭62-222048虽然通过铌氮复合添加来提高低温强度，但无法保证良好的抗中子辐照 性能和无磁性能。由此可见，现有技术中所提供的奥氏体不锈钢还不能兼具高的低温强度、低温韧 性、低温无磁性和良好的抗中子辐照性能，因而无法满足核聚变反应堆磁体支撑结构的要 求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种奥氏体不锈钢，其具有高的低温强度、低温韧性、低温 无磁性和良好的抗中子辐照性能，可用于核聚变反应堆磁体支撑结构。3
本发明所提供的奥氏体不锈钢，其成分质量百分比为Cr :16. 00-22. 0，Ni 8. 00-12. 00，Mo 1. 00-3. 00,N :0.06-0. 25，C 0. 010-0. 040,Mn 1. 00-4. 00,Si:彡 1.00，Nb 0. 01-0. 10,Ta 0. 01-0. 10,Co 0. 030-0. 10,P ^ 0. 03,S:彡 0.005，B 0. 0005-0. 0018，余量为Fe和不可避免的杂质，并且Val(Cr_Ni)值小于 20. 5，所述Valfcr_Ni) = 3X (Cr+Mo)+4. 5XSi_2. 8XNi_l. 4XMn_84X (C+N)。优选地，Mo含量为2-3 %。优选地，Mn含量为1.5-3%。优选地，N含量为0. 15-0. 25%本发明的奥氏体不锈钢可采用常规的不锈钢生产方式，包括电炉+A0D(氩氧脱 碳炉)方式冶炼；采用底吹氮气增氮进行氮合金化；在950-1250°C温度范围内轧制；在 1030-1200°C范围内进行固溶热处理；然后酸洗。优选地，轧制温度在1000-1200°C。优选地，固溶热处理温度在1050-1150°C。本发明在保证奥氏体不锈钢低温韧性的同时，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。在本发明中，合金成分及其含量的具体说明如下。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，因此控制其含量为0. 010-0. 040%。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，因此控制其含量为8. 00-12. 00%。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，因此控制其含量为16. 00-22. 00%。钼钼为铁素体形成元素，奥氏体不锈钢中添加钼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，还可以稳定其奥氏体组织，避免产生形变马氏体，因此控制其含量为1. 00-3. 00 %。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，因此控制其含量为1. 00-4. 00%。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，因此控 制其含量为0. 06-0. 25%。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，因此控制其含量为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，因此控制其 含量为 0. 030-0. 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 此控制其含量为0. 0005-0. 0018%。硅炼钢过程中的脱氧剂，其存在不可避免，控制其含量不超过1. 00%。硫、磷合金冶炼过程中的杂质元素，过多磷含量会导致其低温韧性的降低，因此 控制为不超过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，因此将其控制为不超过0. 005 %。为确保奥氏体不锈钢在低温条件下的无磁性，本发明还需合理控制镍当量形成元 素Ni、Mn、N、C和铬当量形成元素Cr、Si、Mo的含量，使Val(&_Ni)值小于20. 5。Valfcrfi)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Valfcrfi) 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。本发明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Ni、Mn、N、C和铬当量形成元素Cr、Si、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能。根据本发明 的奥氏体不锈钢可用于制造核聚变反应堆磁体支撑结构，例如用于制造板、带、棒、管和线 材等。
具体实施例方式实施例1奥氏体不锈钢成分见表1，采用电炉+AOD熔炼，浇铸成连铸坯，热轧成30mm厚板， 在1080°C温度下退火酸洗后得到奥氏体不锈钢板材。该板材具有较高的低温强度、韧性，无 磁性能，还具有良好的抗中子辐照性能，详见表2。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。7 温度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。7 和4k温度下的性能 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定。下同。实施例2奥氏体不锈钢成分见表1，采用电炉+AOD熔炼，浇铸成连铸坯，热轧成8mm卷板，在 1080°C温度下退火酸洗后得到奥氏体不锈钢热轧卷板。该板材具有较高的低温强度、韧性， 无磁性能，还具有良好的抗中子辐照性能，详见表2。实施例3奥氏体不锈钢成分见表1，采用电炉+AOD熔炼，浇铸成连铸坯，热轧、冷轧成Imm卷 板，在1080°C温度下退火酸洗后得到奥氏体不锈钢冷轧卷板。该板材具有较高的低温强度、 韧性，无磁性能，还具有良好的抗中子辐照性能，详见表2。实施例4
奥氏体不锈钢成分见表1，采用电炉+AOD熔炼，浇铸成模铸坯，开坯后热轧成80mm 厚板，在1080°C温度下退火酸洗后得到奥氏体不锈钢热轧厚板。该厚板具有较高的低温强 度、韧性，无磁性能，还具有良好的抗中子辐照性能，详见表2。对比例对比例1为常规304钢种，对比例2为常规316L钢种，对比例3的奥氏体不锈钢 成分和本发明相同，但Valfcrfi)值不在本发明控制范围内。从性能列表中可以看出，对比例 的性能并不能满足制造核聚变磁体支撑件的要求。
权利要求
1.一种奥氏体不锈钢，其成分质量百分比为 Cr 16. 00-22. 0，Ni 8. 00-12. 00，Mo 1. 00-3. 00，N 0. 06-0. 25，C 0. 010-0. 040，Mn 1. 00-4. 00，Si 彡 1. 00，Nb 0. 01-0. 10，Ta 0. 01-0. 10，Co 0. 030-0. 10，P 彡 0. 03，S 彡 0. 005，B 0. 0005-0. 0018，余量为Fe和不可避免的杂质，并且Valfcr,)值小于 20. 5，所述 Valfcr_Ni) = 3X (Cr+Mo) +4. 5XSi-2. 8ΧΝ -1. 4XMn_84X (C+N)。
2.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其中Mo含量为2-3%。
3.如权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，其中Mn含量为1.5-3%。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的奥氏体不锈钢，其中N含量为0.15-0. 25%。
5.制备如权利要求1-4中任何一项所述的奥氏体不锈钢的方法，包括电炉和氩氧 脱碳炉方式冶炼；采用底吹氮气增氮进行氮合金化；在950-1250°C温度范围内轧制；在 1030-1200°C范围内进行固溶热处理；然后酸洗。
6.如权利要求5所述的方法，其中轧制温度在1000-1200°C。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中固溶热处理温度在1050-1150°C。
全文摘要
本发明涉及一种奥氏体不锈钢，其具有高的低温强度、低温韧性、低温无磁性和良好的抗中子辐照性能，可用于核聚变反应堆磁体支撑结构，其成分质量百分比为Cr16.00-22.0、Ni8.00-12.00、Mo1.00-3.00、N0.06-0.25、C0.010-0.040、Mn1.00-4.00、Si≤1.00、Nb0.01-0.10、Ta0.01-0.10、Co0.030-0.10、P≤0.03、S≤0.005、B0.0005-0.0018、余量为Fe和不可避免的杂质，并且Val(Cr-Ni)值小于20.5，所述Val(Cr-Ni)＝3×(Cr+Mo)+4.5×Si-2.8×Ni-1.4×Mn-84×(C+N)。
文档编号C22C38/54GK102041457SQ200910197419
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月20日 优先权日2009年10月20日
发明者淮凯文, 翟瑞银, 邵世杰, 雷锐戈 申请人:宝山钢铁股份有限公司