一种低合金钢的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种低合金钢，以质量百分比计，其成分为：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，其余成分为Fe。本发明的优点在于，辐照敏感性低，耐辐照脆化性能优越，使用寿命长。
【专利说明】一种低合金钢
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种辐照敏感性低的低合金钢。本发明的低合金钢适用于制造反应堆 压力容器。
【背景技术】
[0002] 反应堆压力容器是压水堆核电厂的关键设备之一，其主要安全功能是：容纳反应 堆的堆芯部件、堆内构件及堆芯测量部件；支承反应堆控制棒驱动机构和其他堆顶结构部 件；组成反应堆冷却剂系统的压力边界；构筑核岛堆芯放射性安全防护的第二道重要屏 障。由于其寿期内不可更换，因而反应堆压力容器的可靠性是决定压水堆核电厂寿命的关 键因素。随着核工业的发展，提高核电厂的经济性是必然的发展趋势，因此反应堆压力容器 寿命的延长和可靠性的增强是保证核电厂长寿期运行的关键。
[0003] 反应堆压力容器长时间在高剂量辐照环境下工作。因此，通常要求用于制造反应 堆压力容器的材料具备较低的辐照敏感性以及较低的初始无延性转变温度(初始RT mT)。
[0004] 当前，用于制造反应堆压力容器的材料主要为16MND5,但是其中的辐照敏感元素 的含量依然较高，且初始无延性转变温度(初始RT ndt)偏高，制约了反应堆压力容器的使用 寿命，其使用寿命一般为40年左右。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的即在于提供一种辐照敏感性低、耐辐照脆化性能优越以及使用寿命 长的低合金钢。
[0006] 为了达到上述目的，发明人针对16MND5,详细研究了其中化学组织对低合金钢辐 照敏感性和初始无延性转变温度的影响。结果，得到了如下新的见解： I. Mn和Ni能够增加 γ相、细化晶粒、提高淬透性，改善钢材的综合性能。在热环境 中Ni和S容易化合，在晶界上形成低熔点的NiS网状组织而产生热脆，当Ni含量高于0. 8% 时热脆程度逐步增强，因此必须控制Ni含量上限。Cr和Mo能够提高钢的淬透性、降低无延 性转变温度。经辐照后，固溶的Cr原子可以捕获自由的C原子和N原子，减少间隙原子对 辐照的影响。Mo能降低回火脆性，明显抑制辐照脆化，而且基体中的Mo有控制P、S等杂质 原子偏聚的作用，但是Mo含量过高则导致基体中Mo含量的降低，因此Mo含量必须进行控 制。V能够细化晶粒、提高钢的强度、韧性，但是V是对辐照敏感性害的元素，不仅产生辐照 脆化，辐照时V的碳化物析出同样会引起脆化。V含量增加容易引起焊接热影响区脆化，增 加了钢的热裂纹敏感性。因此必须控制V含量上限。
[0007] 2. Co受中子辐照后生成放射性同位素6°Co,继续衰变后生成6°Ni，并放射出对人 体严重危害的Y射线，因此必须严格控制Co含量。B的同位素 kiB具有很大的中子吸收截 面，钢中含有B会导致辐照脆化明显加剧，需要严格控制其含量。Si有稳定辐照缺陷的作 用，随着辐照温度增高，会降低点缺陷的自愈能力，辐照效应随之增加。因此，Si含量过高 会导致低合金钢的辐照敏感性提高，因此其含量不宜偏高。P和S不仅降低钢的塑性，而且 有加速辐照脆化的倾向，必须严格控制，尽量降低其含量。
[0008] 3. Cu对辐照脆化影响很大，其原因是低合金钢材料中残余Cu含量远大于300°C 时0. 002%的溶解度，同时辐照能使Cu的沉淀提高几个数量级。沉淀出的自由Cu对中子串 级碰撞产生的微孔洞具有稳定作用，而微孔洞又是辐照脆化的重要原因。辐照会加速产生 微小的含有Ni和Mn的富Cu沉淀，它们因阻碍位错运动而引起材料的脆化和脆化。
[0009] Ni是扩大奥氏体相、细化晶粒、球化碳化物和保证综合性能以及提高淬透性的有 效元素。但试验表明Ni对材料辐照脆化的影响与Cu含量和快中子注量的高低密切相关。 Ni和Cu有相互促进的作用。当Cu含量较低时，Ni对辐照危害较小；当Cu含量较高时，Ni 对辐照危害较大。同样当Ni含量较高时，Cu对辐照影响也愈大。二者相辅相成的现象同 Ni、Cu及空位形成更稳定的Cu-Ni-空位复杂缺陷有关。Ni和Cu的合理成分匹配可以明显 减小辐照效应，即Ni含量不宜过高，Cu含量应尽量低。
[0010] P对辐照脆化的影响与P在晶界的偏析有关。P原子扩散到晶界呈现P、Ni、Mn的 大量富集，引起偏析使晶界表面能降低，从而使初始无延性转变温度(初始RT ndt)升高，加大 材料的辐照脆化程度。同时P对辐照脆化的影响与Cu含量有关，当Cu较低时，聚集成几个 纳米大小的P原子群和磷化物沉淀比较多，因此表现出P对辐照很敏感；当Cu含量高时，P 被结合在富Cu沉淀中，产生铜磷化物，P的单独影响随着Cu增加而被降低了。
[0011] S易与Mn和Fe反应生成低熔点的FeS和MnS，增加了低合金钢材料的脆性并降低 最大冲击功，从而使上平台能量降低。
[0012] 基于上述分析，Cu与Ni和P的交互作用是影响低合金钢的辐照性能的最不利因 素。Ni是钢中的合金元素，当适当增加 Ni以提高钢的韧性时，必须伴随降低Cu含量，以免 辐照效应增大；而Cu含量低时P的危害增大，因此同时应降低P含量。
[0013] 本发明是基于上述见解完成的，其要旨在于下述低合金钢。
[0014] 一种低合金钢，以质量百分比计，其成分为：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，其余成分为Fe。
[0015] 作为优化，其中P的质量百分比在0. 006%以下，Cu的质量百分比在0. 05%以下，B 的质量百分比在〇. 0003%以下。
[0016] 作为进一步的优化，一种低合金钢，以质量百分比计，其成分为：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, 其余成分为Fe。
[0017] 作为进一步的优化，一种低合金钢，以质量百分比计，其成分为：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, 其余成分为Fe。
[0018] 本发明的优点和有益效果在于： 本发明的低合金钢，在反应堆堆芯辐照照射的情况下，也能实现以往的低合金钢（如 16MND5)难以达到的低辐照敏感性和低初始无延性转变温度(初始RTndt),抗辐照脆化能力 强。因此，将本发明用于反应堆压力容器，可以有效提高反应堆压力容器的使用寿命，使反 应堆压力容器的使用寿命达到60年以上。
【具体实施方式】
[0019] 下面将详细说明本发明低合金钢的化学组成限定成上述范围的理由。另外，在以 下说明中，只要没有特别限定，"％"表示"质量百分比"。
[0020] C :0· 16 ?0· 22% C是实现强度要求的主要元素，含量高于0. 16%时才能保证材料具备足够的强度。
[0021] 同时，由于C属于间隙型原子，增大C含量将使韧性下降、无延性转变温度升高， 同时C含量高对低合金钢的焊接也有不利影响，因此在保证强度的前提下，C含量应低于 0· 22%。
[0022] Si :0· 10 ?0· 30% Si具有强化基体的作用，同时因为Si是冶炼时从生铁原料中带入的，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%，则会对辐照有害，因为Si有稳定辐照缺陷的作用， 在高温辐照的情况下，会阻碍点缺陷及其衍生辐照缺陷的恢复能力，其含量不宜偏高。因 此，使Si含量为0· 10?0· 30%。
[0024] Mn :1· 20 ?1. 60% Mn能够增加 γ相、细化晶粒、提高淬透性，改善钢材的综合性能。如Mn含量低于 1. 20%，Mn改善钢材综合性能的作用不明显。
[0025] Mn在提高淬透性和强化基体的同时会促成P和其它杂质原子在原奥氏体晶界内 产生偏聚,如果Mn含量高于1. 60%，会降低晶界内聚力，增加回火脆性。
[0026] Ni :0· 50 ?0· 80% Ni能够增加 Y相、细化晶粒、提高淬透性，改善钢材的综合性能。如果Ni的含量低于 0. 50%，Ni改善钢材综合性能的作用不明显。
[0027] 另一方面，在热环境中Ni和S容易化合，在晶界上形成低熔点的NiS网状组织而 产生热脆，当Ni含量高于0. 8%时热脆程度逐步增强。因此，使Ni含量为0. 50?0. 80%。
[0028] Cu :0· 08% 以下 Ni是扩大奥氏体相、细化晶粒、球化碳化物和保证综合性能以及提高淬透性的有效元 素。但试验表明Ni对材料辐照脆化的影响与Cu含量和快中子注量的高低密切相关。Ni和 Cu有相互促进的作用。当Cu含量较低时，Ni对辐照危害较小；当Cu含量较高时，Ni对辐 照危害较大。同样当Ni含量较高时，Cu对辐照影响也愈大。二者相辅相成的现象与Ni、Cu 及空位形成更稳定的Cu-Ni-空位复杂缺陷有关。Ni和Cu的合理成分匹配可以明显减小辐 照效应，即Ni含量不宜过高，Cu含量应尽量低。因此，Cu含量在0. 08%以下，Ni的含量在 0. 50?0. 80%，可以在保证低合金钢综合性能的基础上，将辐照效应降低最低。
[0029] 另外，对于用于堆芯区的本发明，Cu的含量优选为0. 05%以下。
[0030] P :0· 008% 以下 P对辐照脆化的影响与P在晶界的偏析有关。P原子扩散到晶界呈现P、Ni、Mn的大量 富集，引起偏析使晶界表面能降低，从而使初始RTndt升高，加大材料的辐照脆化程度。同时 P对辐照脆化的影响与Cu含量有关，当Cu较低时，聚集成几个纳米大小的P原子群和磷化 物沉淀比较多，因此表现出P对辐照很敏感；当Cu含量高时，P被结合在富Cu沉淀中，产生 铜磷化物，P的单独影响随着Cu增加而被降低了。
[0031] 基于上述分析，Cu与Ni和P的交互作用是影响低合金钢的辐照性能的最不利因 素。Ni是钢中的合金元素，当适当增加 Ni以提高钢的韧性时，必须伴随降低Cu含量，以免辐 照效应增大；而Cu含量低时P的危害增大，因此同时应降低P含量。因此，Cu含量在0.08% 以下的情况下，P含量为〇. 008%以下，可以尽量降低低合金钢的辐照敏感性。同时，过度降 低P含量会导致成本大幅上升，这也是将P含量限定〇. 008%以下的另一个原因。
[0032] 另外，对于用于堆芯区的本发明，P的含量优选为0. 006%以下。
[0033] S :0· 005% 以下 S易与Mn和Fe反应生成低熔点的FeS和MnS，增加了低合金钢材料的脆性并降低最大 冲击功，从而使反映材料韧性的上平台能量值(平台能量值：冲击吸收能量-温度曲线中， 上平台区对应的吸收能量)降低。S的含量应该是越少越好，考虑到过度降低S含量会导致 成本大幅上升，因此S含量为0. 005%以下。
[0034] Cr :0· 15% 以下 Cr能够提高钢的淬透性、降低塑性转变温度。经辐照后，固溶的Cr原子可以捕获自由 的C原子和N原子，减少间隙原子对辐照的影响。
[0035] Cr与Mn和Mo都可以形成合金渗碳体增加基体强度，从该合金成分角度分析，对 于Cr含量的控制应综合考虑Mn和Mo含量的影响；并且Cr对焊接性和堆焊层下裂纹敏感 性有不利影响，因此必须控制其含量为〇. 15%以下。
[0036] Mo :0· 43 ?0· 57% Mo能降低回火脆性，明显抑制辐照脆化，而且基体中的Mo有控制P、S等杂质原子偏聚 的作用，但是Mo含量过高反而会导致基体中Mo含量的降低，因此Mo含量控制在0. 43? 0. 57%。既可以起到抑制辐照脆化的作用，也可以起到控制P、S等杂质原子偏聚的作用。
[0037] V :0· 01% 以下 V能够细化晶粒、提高钢的强度、韧性，但是V是对辐照有害的元素，不仅产生辐照脆 化，辐照时V的碳化物析出同样会引起脆化。V含量增加容易引起焊接热影响区脆化，增加 了钢的热裂纹敏感性。出于提高本发明耐辐照脆化性能的目的，因此要求V含量在0. 01% 以下。
[0038] Co :0· 03% 以下 Co受中子辐照后生成放射性核素6°Co,继续衰变后生成6°Ni，并放射出对人体严重危害 的Y射线。如果Co含量大于0.03%，产生的γ射线剂量过大，限定Co含量为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，钢中含有B会导致辐照脆化明显加剧。因此， 综合考虑成本的耐辐照脆化性能，将B的含量限定在0. 0005%以下。
[0040] 另外，对于用于堆芯区的本发明，B的含量优选为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元素尽管在钢中含量很少，但对辐照性能尤其是高温辐照性能影响较 大，因此为了降低辐照对材料性能的影响，尽量严格控制上述残余元素的含量。
[0042] H含量过高会导致氢脆，使钢的强度和韧性降低，并是产生白点的主要原因，同时 H含量过高对材料的辐照性能也有不利影响。
[0043] 实施例： 本发明的制备工艺流程如下： 采用电炉粗炼钢水，然后在真空炉中继续精炼钢水，下一步采用真空浇注工艺，控制 各个组分的加入量，减少有害元素和杂质的含量。浇注的钢锭在大型锻压机上进行锻造， 锻造过程中控制终锻温度不低于850°C，经多火次锻造，锻件的总锻比不小于3。为了改善 锻件内部组织及晶粒度，进一步降低H含量，锻件在锻造后经历900°C -980°C的正火处理， 600°C-700°C的回火处理。为了获得高性能的锻件在性能热处理前，将锻坯尽量加工至接近 完工外形。此后锻件经历850°C _925°C的淬火处理，和635°C _665°C的回火处理。若无损 检验和性能试验等各项结果均满足要求的情况下，锻件进行最终的精加工，至此材料完成 制造。
[0044] 本发明的实施例（No 1~Νο3)中各个组分的含量如表1所示。表1中，各个组分的 含量为质量百分比。
[0045] 表 1
【权利要求】
1. 一种低合金钢，其特征在于，以质量百分比计，其成分为：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， 其余成分为Fe。
2. 根据权利要求1所述的一种低合金钢，其特征在于；P的质量百分比在0. 006%以下， Cu的质量百分比在0. 05%以下，B的质量百分比在0. 0003%以下。
3. 根据权利要求1所述的一种低合金钢，其特征在于，以质量百分比计，其成分为： 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，其余成分为 Fe。
4. 根据权利要求1所述的一种低合金钢，其特征在于，以质量百分比计，其成分为：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，其余成分为Fe。
【文档编号】C22C38/60GK104294181SQ201310295217
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年7月15日 优先权日:2013年7月15日
【发明者】邱天, 马姝丽, 罗英, 余志伟, 杨敏, 钟元章, 周高斌, 李长香, 谢国福, 曾鹏 申请人:中国核动力研究设计院