一种核反应堆用马氏体不锈钢及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于核电用钢技术领域，特别是涉及一种核反应堆用马氏体不锈钢及制备 方法，主要适用于能源、冶金、机械、化工等领域。
【背景技术】
[0002] 核电站又称核电厂，它指用铀、钚等作核燃料，将它在裂变反应中产生的能量转变 为电能的发电厂。核电厂主要以反应堆的种类相区别，有压水堆核电厂、沸水堆核电厂、重 水堆核电厂、石墨水冷堆核电厂、石墨气冷堆核电厂、高温气冷堆核电厂和快中子增殖堆核 电厂等。核电站大体可分为两部分：一部分是利用核能产生蒸汽的核岛，包括反应堆装置和 一回路系统；另一部分是利用蒸汽发电的常规岛，包括汽轮发电机系统。核燃料在反应堆内 产生的裂变能，主要以热能的形式出现。它经过冷却剂的载带和转换，最终用蒸汽或气体驱 动涡轮发电机组发电。核电厂所有带强放射性的关键设备都安装在反应堆安全壳厂房内， 以便在失水事故或其他严重事故下限制放射性物质外溢。为了保证堆芯核燃料在任何情况 下等到冷却而免于烧毁熔化，核电厂设置有多项安全系统。核电站除了关键设备一核反 应堆外，还有许多与之配合的重要设备。以压水堆核电站为例，它们是主泵，稳压器，蒸汽发 生器，安全壳，汽轮发电机和危急冷却系统等。它们在核电站中有各自的特殊功能。
[0003] 不锈钢按照组织可以分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬 化型不锈钢。马氏体不锈钢是不锈钢中比较重要的一类，因为要具有耐腐蚀的特性，钢中都 要含有较高的Cr含量，通常在11%以上，而为了在淬火过程中获得马氏体，钢中还要加入 奥氏体化元素，如C、Mn和Ni等，这样在高温下就可以得到全奥氏体组织，在随后的冷却过 程中，才能形成C在奥氏体中的过饱和固溶体一马氏体，从而使钢获得较高的强度和良好 的塑韧性。由于马氏体不锈钢具有耐蚀不锈的同时还具有强度高的特点，因而在工业领域 中被广泛用来制造承力部件。在核电行业中，马氏体不锈钢也有着较广泛的应用，如核反应 堆中的压紧弹簧，支承板，主泵中的主泵轴以及其他受力件。
[0004] 热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内 部的晶相组织结构，来改变其性能的一种金属热加工工艺。为使金属工件具有所需要的力 学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不 可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控 制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以 通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。钢铁整体热处理大致有 退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺 寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态， 获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适 宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料 的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。淬火是将工件加热保温 后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬火介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变 脆，为了及时消除脆性，一般需要及时回火。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于 室温而低于650°C的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。
[0005]马氏体不锈钢最常用的热处理工艺是淬火和回火，淬火工艺是获得高强度马氏体 的必经途径。淬火介质可以是水、油、淬火油等，对于合金程度高的马氏体不锈钢，甚至空冷 都可以获得马氏体组织。由于马氏体组织具有强度高，硬度高的特点，但塑性和韧性差，所 以通常需要进行回火处理，对马氏体组织进行调整，获得理想的强韧性匹配。由于淬火工艺 通常是在高温下急冷，马氏体相变产生的应力与热应力相互叠加，在工件内部产生很大的 内应力，可以使工件变形，甚至是开裂，因此，良好的淬火工艺对于马氏体不锈钢来是至关 重要的。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种核反应堆用马氏体不锈钢及制备方法，本发明可以降 低工件的内应力，减少工件的变形，避免工件的开裂，提高工件的成品率；该方法具有操作 简单，易于掌握等特点。
[0007]为了达到上述目的，本发明是这样实现的：
[0008] 本发明的马氏体不锈钢采用真空感应炉冶炼，再经过电渣重熔，形成钢锭。
[0009]其化学成分组成重量百分比为：C :0? 05~0? 20%，Si :彡0? 5%，Mn:彡0? 5%， P :彡 0? 020%，S :彡 0? 020%，Cr :11. 0 ~15. 0%，Ni :1. 8 ~3. 5%，Mo :1. 0 ~1. 8%，W : 0? 3 ~2. 0%，V :0? 10 ~0? 40%，Nb :0? 10 ~0? 50%，N :0? 02 ~0? 20%，C〇 :彡 0? 05%，Cu : < 0. 02%，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0010] 浇注后的钢锭首先切头和切尾，去除尾部杂质较多的部位和头部与垫铁互融的部 分，头部切除整个钢锭重量的5%，尾部切除整个钢锭重量的8%，再进行表面打磨，清理表 面，避免锻造时出现裂纹。然后经过锻造开坯，破碎钢锭的铸态组织，形成棒材毛坯。随后 将棒材毛坯锻造成不同规格的棒材，然后经过退火处理，再将棒材加工成零件毛坯，进行热 处理。毛坯首先进行淬火处理，淬火温度为1120°C~1140°C，（保温1~3小时）保温时间 根据零件有效厚度确定。保温结束后，将工件空冷至800°C~820°C，然后再将工件放入淬 火油中进行油冷，待油冷到室温后将工件拿出进行回火处理，回火温度为570°C~590°C， 保温2~4个小时，空冷。
[0011] 本发明的关键在于：首先通过采用真空感应冶炼+电渣重熔工艺冶炼，真空感应 冶炼时，当真空度达到0. 2~0. 3Pa，送电，熔化期真空度不得低于0. 3Pa，熔化时间为2~ 3小时，精炼时间为30~60分钟，精炼期真空度不得低于0. 5Pa。电渣重熔时，参考电流 为5500~6000A，电压为48~54V，结晶器直径为300mm，获得高纯净度的钢锭。其次采用 合适的淬火工艺，避免在高温区直接快冷，减小了马氏体相变应力和热应力，在不影响获得 马氏体组织的前提下，即在保证材料具有良好强度的前提下，减小了工件的变形，避免了开 裂，提高了工件的合格率。
[0012] 核电站用钢对材料的纯净度要求较高，尤其是对S、P、C〇、Cu、0、N、H等杂质元素和 气体元素，其中的杂质元素在长期的中子辐照过程中会导致材料脆化，严重降低材料的使 用性能。而气体元素，尤其是〇,是形成非金属夹杂物的主要元素，〇含量的增加会增加非金 属夹杂物的数量，降低材料的疲劳性能。采用真空感应冶炼可以有效降低钢中杂质元素以 及气体元素含量，提高钢