专利名称：核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新材料技术领域的手孔封盖弹簧材料，特别是一种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料及其制备方法。具体涉及一种UNS N07718材料，主要用于压水堆核岛CPR1000蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料。
背景技术：
蒸汽发生器是压水堆核电站一回路和二回路的枢纽，是分割一回路和二回路的介质的屏障，是核电站关键设备之一。一台核电站需设置几台蒸汽发生器，内含数以万计的传热管，管板是传热管束的支撑基础，与传热管一起构成蒸汽发生器一、二次侧的分界，管板二次侧表面附近是传热管发生腐蚀事故的最集中区域之一。为了确保传热管运行绝对安全可靠，在筒体靠近管板处设置有若干个检查用手孔，用以检查传热管表面和管板二次侧表面。手孔封盖用于盖住和密封手孔，已有技术中采用法兰加密封垫结构，现有技术中采用弹簧作往复运动，以盖住和密封手孔，采用弹簧密封手孔，使其密封性能好、使用方便，同时提高自振频率，防止在运行中因振动而导致传热管束损坏。蒸汽发生器用手孔封盖弹簧是在高温、高压、强腐蚀环境下使用，对制造手孔封盖弹簧材料的耐高温强度、耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性提出了严格要求。目前我国用于制造手孔封盖弹簧的材料仍依赖进口，因此研发制造具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、 抗蠕变性及可加工性的手孔封盖弹簧材料，以替代进口，减少蒸汽发生器故障的发生，对有效提高核电站的经济性和安全可靠性具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料技术中的不足，提供一种 “核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料及其制备方法”。该封盖弹簧材料用于制造核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧，该材料价格低、组分设计合理、制造工艺简单，具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性能。其抗拉强度可达1340MPa，屈服强度可达1060 MPa，伸长率A为20%ο为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的一种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料，按重量百分比计算，所含成分如下
C 0. 003-0. 08% ； P ^ 0. 015% ； Ni 50-55% ； Al 0. 20-0. 80% ；
Si 0. 05-0. 35% ； S ^ 0. 015% ； Cu 0.005-0.10% Mo 2. 80-3. 30% ；
Mn
0. 05-0. 35% ；
Cr 17. 0-21. 0% Ti 0. 65-1. 15% ； Nb 4. 75-5. 50% ；
B ^ 0. 006% ；
余量为Fe及为不可避免的杂质。
弹簧材料中其原料所述Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Ti、Al、Mo、Nb、Fe、的纯度大于 98. 5%ο
—种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料的制备方法，所述制备方法，包括熔炼、锻造、热轧、正火、模具拉拔等步骤，具体步骤如下
1)按手孔封盖弹簧材料所含成分的重量百分比计算进行原料配制 C 0. 003-0. 08% ；Si 0. 05-0. 35% ；Mn 0. 05-0. 35% ；
P:彡 0.015%;S 彡 0.015%;Cr 17. 0-21. 0% ；
Ni 50-55% ；Cu 0.005-0. 10% ；Ti 0.65-1. 15% ；
Al 0. 20-0. 80% ；Mo 2. 80-3. 30% ；Nb 4. 75-5. 50% ；
B ^ 0. 006% ；
余量为Fe及为不可避免的杂质。2)将按前述配制的原料装入真空精炼炉中冶炼，精炼期温度控制在1500°C 1560°C，精炼时间30分钟；
3)电渣精炼，精炼期温度控制在1500°C 1560°C，熔炼电压45-50V， 熔炼电流2600-3000A ；
4)锻造，锻造温度1170°C-950°C，开锻温度1160°C；
5)热轧，热轧温度1170°C-950°C，开轧温度1150°C；
6)正火，正火温度950°C- 1080°C,空冷时间1. 5小时；
7)多道次进行拉拔一退火一拉拔，得到手孔封盖弹簧材料成品。步骤7)中所述的拉拔采用单车慢速进行。步骤7)中所述的退火，其退火温度为950°C -1080°C，退火保温1小时。步骤2)中所述的配制的原料装入真空精炼炉中冶炼，其装料顺序为碳C-铁 Fe-铬Cr-镍Ni-硅Si-锰Mn-铌Nb-钼Mo-铜Cu-铝Al -钛Ti-硼B，在出炉前5分钟内将混合稀土一次加入钢液中充分搅拌均勻。所述在出炉前5分钟内将混合稀土一次加入钢液中，其混合稀土为La、Ce混合稀土，按重量百分比计算，所加入的混合稀土所含成分为0. 01-1. 0%，该混合稀土中，所述La 所含成分为35%，Ce所含成分为65%。该发明制备方法主要技术特点是采用真空精炼炉冶炼，使得脱气充分，再经电渣精炼，使钢液洁净，混合稀土在真空冶炼过程中加入进一步提高封盖弹簧材料质量和力学性能，拉拔过程的中间退火，拉拔采用单车慢速进行，以减少磨擦时所产生的热量积聚，最终得到其拉强度可达1340MPa，屈服强度可达1060 MPa，伸长率A为20%的手孔封盖弹簧材料。本发明核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料所设计成分的原理如下
C 非常有效的硬化和固溶强化组元，稳定马氏体结构，保证强度。但常常作为裂纹源出现，如含量过高容易形成脆硬组织而引发延迟裂纹，其成分重量％限制在0. 003-0. 08% ； Mn 脱氧和脱硫作用，确保抗氧化性的重要元素，不足0. 01%不能得到充分脱氧，超过 1. 5%强度降低，其成分重量%限制在0. 05-0. 35% ；
Si 脱氧、提高屈服强度、耐高温腐蚀性，不足0. 01%，不能得到充分抗氧化性，超过 0. 90%韧性降低，其成分重量%限制在0. 05-0. 35% ；
Ni 提高材料韧性，对强度的提高也有贡献，其成分重量％限制在50-55%;
Cr 确保抗氧化性、耐高温腐蚀性、提高高温强度不可缺少的元素，含量过低，不能显现效果，含量过高，强度和韧性显著降低，其成分重量％限制在17. 0-21. 0% ；
Cu 在材料中提高对非氧化性酸的耐蚀性，其成分重量％限制在0. 005-0. 10% ； Al 作为脱氧剂而被添加，其成分重量％限制在0. 20-0. 80% ； Ti 在材料中提高抗腐蚀性能，其成分重量％限制在0. 65-1. 15% ； S、P:是材料中不可避免的有害杂质元素，其含量越低越好，其成分重量96，P ^ 0. 015%, S ^ 0. 015% ；
Mo 合金中加入钼可提高其高温强度、耐磨性和抗腐蚀性，其成分重量％限制在 2. 80-3. 30% ；
Nb 熔点高，可以提高合金的强度和塑性，细化晶粒提高合金的韧性和增加合金硬度，可以提高室温和高温抗拉强度、屈服强度和高温持久强度。其成分重量％限制在 4. 75-5. 50% ；
B 硼在高温时特别活泼，因此被用来作冶金除气剂、增加合金材料的高温强固性，由于硼具有低密度、高强度和高熔点的性质，合金中加入微量硼可以提高合金材料的高温强度， 其成分重量％限制在彡0. 006% ；
混合稀土 在生产过和中加入稀土，与Cr、Si的复合作用下具有良好的抗氧化性，稀土是强还原性元素，稀土与硫有很大的亲和力，在溶池中不仅具有脱氧作用，还具有明显脱硫改善硫化物夹杂的尺寸、形态和分布作用，减少材料中的夹杂物含量，可以改变夹杂物的组成、形态、分布和性质，抑制这些夹杂物在晶界中的偏析，从而改善了材料的各种性能，如韧性、焊接性，本发明中成分重量％限制在0. 01-1. 0%。采用本发明所设计制造的核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料与现有技术相比，具有如下优点
1.成分设计合理、成本低、使用安全可靠；
2.本封盖弹簧材料其抗拉强度可达1340MPa，屈服强度可达1060MPa，伸长率A为 20%，在IlOOtlC高温下长期工作具有较高强度与耐腐蚀能力，其高温应力强度稳定；
3.又因加入了微量的混合稀土和采用了特殊的制备工艺，确保材料具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性能；
4.本蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料可替代进口，确保核电站运行使用的安全可靠性，有效延长核电站蒸汽发生器的使用寿命，降低成本，显著提高经济效益。
图1是本发明力学性能检验结果及与UNS N07718技术要求比较附表。
具体实施例方式下面通过非限制性实施例，进一步阐述本发明，理解本发明。本发明核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料制备了五炉实施例，炉号为 105-5289,5290,5291,5292,5293,实施例1_5炉手孔封盖弹簧材料所含成分及含量按重量％计算，祥见如下
第一炉 105-5289 :C :0. 02%, Si :0. 15%, Mn :0. 15%, P :0. 012%, S :0. 008%,
Cr :18%, Ni 52%, Al :0. 50%, Ti :0. 80%, Cu :0. 07%, Mo :2. 9，Nb :4. 90，B :0. 003%,混合稀土 0. 15%, Fe 20. 3%。第二炉:105-5290:C :0. 025%, Si :0. 10%, Mn :0. 20%, P :0. 010%, S :0. 007%, Cr
18.5%, Ni 52. 5%, Al :0. 60%, Ti :0. 90%, Cu :0. 08%, Mo :2. 92，Nb :4. 95，B :0. 004%,混合稀土 0. 20%，Fe :19. 0%。第三炉:105-5291:C :0. 030%, Si :0. 20%, Mn :0. 25%, P :0. 011%, S :0. 006%, Cr 19%, Ni 53%, Al :0. 65%, Ti :0. 90%, Cu :0. 05%, Mo :3. 0，Nb :5. 0，B :0. 005%,混合稀土 0. 70%, Fe :16. 8%。第四炉105-5292:C :0. 035%, Si :0. 17%, Mn :0. 18%, P :0. 01%, S :0. 005%, Cr
19.5%, Ni 53. 5%, Al 0. 70%, Ti 1. 00%, Cu 0. 06%, Mo 3. 1，Nb 5. 1，B 0. 002%,混合稀土 0. 18%，Fe :16. 4%。第五炉105-5293:C :0. 040%, Si :0. 25%, Mn :0. 23%, P :0. 013%, S :0. 008%, Cr 18. 3%, Ni 54%, Al :0. 75%, Ti :0. 95%, Cu :0. 09%, Mo :3. 0，Nb :5. 2，B :0. 003%,混合稀土 0.8%， Fe 16. 3%o上述五炉实施例其制备方法为
1).选用纯铁，按照本发明五炉实施例设计成分配料；
2).真空精炼炉冶炼，按其装料顺序进行装料碳C-铁Fe-铬Cr-镍Ni-硅Si-锰 Mn-铌Nb-钼Mo-铜Cu-铝Al -钛Ti-硼B，在出炉前5分钟内将混合稀土一次加入钢液中充分搅拌均勻，冶炼温度控制在1500 1560 ,精炼时间30分钟；
3).电渣精炼，精炼期温度控制在1500 1560 ,熔炼电压45-50V， 熔炼电流^00-3000A ；
4).锻造，锻造温度1170° C-950°C，开锻温度1160° C ；
5).热轧，热轧温度1060^-900 ,开轧温度1060
6).正火，正火温度720°C -780 ，空冷时间1. 5小时；
7).多道次(拉拔-退火-拉拔)中间退火其退火温度为950 -1080°C，退火保温1 小时。。拉拔采用单车慢速(速度10米/分钟)进行，根据用户需求，拉拔道次为 Φ 14-12. 5-12-11. 5-11. 0-10. 2。以上实施例所设计、制备的核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料已经有关部门对其成分、综合力学性能进行了检测、试验，检测报告如下
一.江苏省不锈钢制品质量监督检验中心力学性能
样品名称UNS Ν07718 ((本发明)
规格型号UNS N07718 (本发明)元棒，Φ 10mm，1根*300mm。样品状态符合检验要求；
CMT5305 (0. 5级)微机控制电子万能试验机； 检验依据GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》。检验结果见附表
二.对手孔封盖弹簧试制件测试，评定结果根据手孔封盖弹簧试制件测试及评定情况分析，上述手孔封盖弹簧材料UNS N07718 (本发明)满足蒸汽发生器用手孔封盖弹簧的各项技术要求，产品的制造工艺稳定。 通过以上的实施例及力学性能检测，本发明所设计制备的核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料具有成分设计合理、成本低、制造工艺稳定，具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、 抗蠕变性及可加工性能，满足核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧的各项使用技术指标要求，确保使用安全可靠。对提高生产效率，有效延长核电站蒸汽发生器的使用寿命，降低生产成本具有十分重要的经济意义。
权利要求
1 一种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料，其特征在于，按重量百分比计算，所含成分如下C 0. 003-0. 08% ； P 彡 0. 015% ； Ni 50-55% ； Al 0. 20-0. 80% ；Si 0. 05-0. 35% ； S ^ 0. 015% ； Cu 0. 005-0. 10% Mo 2. 80-3. 30% ；Mn0. 05-0. 35% ；Cr 17. 0-21. 0% Ti 0. 65-1. 15% ； Nb 4. 75-5. 50% ；B ^ 0. 006% ；余量为Fe及为不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料，其特征在于， 弹簧材料中其原料所述Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Ti、Al、Mo、Nb、Fe、的纯度大于98. 5%。
3.—种如权利要求1所述的一种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料的制备方法， 其特征在于，所述制备方法，包括熔炼、锻造、热轧、正火、模具拉拔等步骤，具体步骤如下1)按手孔封盖弹簧材料所含成分的重量百分比计算进行原料配制C 0. 003-0. 08% ； P 彡 0. 015% ； Ni 50-55% ； Al 0. 20-0. 80% ；Si 0. 05-0. 35% ； S ^ 0. 015% ； Cu 0. 005-0. 10% Mo 2. 80-3. 30% ；Mn0. 05-0. 35% ；Cr 17. 0-21. 0% Ti 0. 65-1. 15% ； Nb 4. 75-5. 50% ；B ^ 0. 006% ；余量为Fe及为不可避免的杂质；2)将按前述配制的原料装入真空精炼炉中冶炼，精炼期温度控制在1500 1560°C， 精炼时间30分钟；3)电渣精炼，精炼期温度控制在1500 1560 ,熔炼电压45-50V，熔炼电流^00-3000A ；4)锻造，锻造温度1170°C-950°C，开锻温度1160 ；5)热轧，热轧温度117(^-950 ,开轧温度1150 ；6)正火，正火温度950°C- 1080 ，空冷时间1. 5小时；7)多道次进行拉拔一退火一拉拔，得到手孔封盖弹簧材料成品。
4.根据权利要求3所述的一种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料的制备方法，其特征在于，步骤7)中所述的拉拔采用单车慢速进行。
5.根据权利要求3所述的一种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料的制备方法，其特征在于，步骤7)中所述的退火，其退火温度为950 -IOSOtlC,退火保温1小时。
6.根据权利要求3所述的一种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料的制备方法， 其特征在于，步骤2)中所述的配制的原料装入真空精炼炉中冶炼，其装料顺序为碳C-铁 Fe-铬Cr-镍Ni-硅Si-锰Mn-铌Nb-钼Mo-铜Cu-铝Al -钛Ti-硼B，在出炉前5分钟内将混合稀土一次加入钢液中充分搅拌均勻。
7.根据权利要求6所述的一种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料的制备方法，所述在出炉前5分钟内将混合稀土一次加入钢液中，其混合稀土为La、Ce混合稀土，按重量百分比计算，所加入的混合稀土所含成分为0. 01-1. 0%，该混合稀土中，所述La所含成分为 35%, Ce所含成分为65%。
全文摘要
本发明公开了一种核电站蒸汽发生器用手孔封盖弹簧材料及其制备方法，按重量百分比计算，所含成分如下C0.003-0.08%；Si0.05-0.35%；Mn0.05-0.35%；P≤0.015%；S≤0.015%；Cr17.0-21.0%；Ni50-55%；Cu0.005-0.10%；Ti0.65-1.15%；Al0.20-0.80%；Mo2.80-3.30%；Nb4.75-5.50%；B≤0.006%；余量为Fe及为不可避免的杂质。所述制备方法，包括熔炼、锻造、热轧、正火、模具拉拔等步骤。该弹簧材料具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性能。其抗拉强度可达1340MPa，屈服强度可达1060MPa，伸长率A为20%。
文档编号C22C19/05GK102181752SQ20111010037
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者华大凤, 王树平 申请人:江苏新华合金电器有限公司