ТЕПЛОСТОЙКАЯ И РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ Российский патент 2022 года по МПК C22C38/54 C22C38/60 

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к составам сталей для основного оборудования атомных энергетических установок и может быть использовано для корпусов во до-водяных энергетических реакторов.

Известны стали, применяемые для указанной цели, например стали типа Fe-Cr-(Ni)-Mo-V (патенты №2139952, №2166559, №2397272, №2441939, №2448196, №2009261), Fe-Cr-W-V (например RU 2135623 С1) и другие аналогичные стали, описанные в научно-технической и патентной литературе, однако они имеют недостаточный механические и вязко-пластические свойства.

Наиболее близкой к рассматриваемой стали является сталь, имеющая следующий состав (% масс.):

углерод 0,10-0,20% кремний 0,02-0,40% марганец 0,02-0,60% хром 2,0-2,5% никель 1,25-2,0% молибден 0,35-0,7% ванадий 0,10-0,15% азот 0,0001-0,0080% кислород 0,0001-0,0030% водород 0,00001-0,00012% медь 0,005-0,03% кобальт 0,001-0,03% сера 0,0005-0,003% фосфор 0,0005-0,004% мышьяк 0,001-0,004% сурьма 0,001-0,004% олово 0,001-0,004% висмут 0,001-0,004% свинец 0,001-0,004% алюминий 0,015-0,035% железо остальное

(RU 0002634867, опубликовано 07.11.2017)

Известная сталь имеет высокие характеристики прочности и теплостойкости, однако обеспечивает максимальную температуру эксплуатации 350°С.

С целью повышения температуры эксплуатации до 400°С при улучшении прочностных и вязко-пластических характеристик были внесены следующие изменения: изменены пределы содержания углерода, хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, ванадия; в качестве компонента системы легирования введен бор; для микролегирования и модифицирования с использованием циркония, ниобия и редкоземельных металлов изменены пределы содержания элементов (Nb, Zr, РЗМ) и расширен список используемых РЗМ (введены лантан и церий).

Задачей изобретения является создание теплостойкой и радиационно-стойкой стали с улучшенными прочностными характеристиками, повышенной температурой эксплуатации, высокими вязко-пластическими свойствами, высоким сопротивлением тепловому и радиационному охрупчиванию, для обеспечения повышения эксплуатационной надежности, безопасности и ресурса работы корпусов реакторов атомных энергетических установок АЭУ, роторов турбин и корпусного оборудования для химической и нефтехимической промышленности.

Технический результат - повышение уровня прочностных свойств, увеличение прокаливаемости для стабильного получения высокого уровня свойств для заготовок сечением свыше 600 мм, повышение температуры эксплуатации до 400°С, при гарантированном обеспечение низких значений критической температуры хрупкости Т_к (не выше -60°С в исходном состоянии), повышение стойкости к охрупчиванию при термическом воздействии, стойкости к радиационному охрупчиванию и обеспечение благоприятной эволюции структуры по всему циклу горячего передела, что достигается оптимизацией содержания основных легирующих элементов, повышением требований к чистоте по вредным элементам (сера, фосфор, "цветные" примеси), снижением минимально допустимых содержаний кремния и марганца, нормированием содержания кислорода, азота, бора и водорода и выбором определенного суммарного содержания фосфора, мышьяка сурьмы, олова, висмута и свинца при следующем соотношении компонентов, масс. %: (P+As+Sb+Sn+Bi+Pb≤0,008).

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой стали изменены пределы содержания углерода, хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, ванадия; в качестве компонента системы легирования введен бор, а для микролегирования и модифицирования изменены пределы содержания элементов (Nb, Zr, РЗМ) и расширен список используемых РЗМ (введены лантан и церий): углерод 0,12-0,15%; кремний 0,18-0,25%; марганец 0,25-0,40%; хром 2,2-2,3%; никель 1,4-1,5%; молибден 0,50-0,7%; ванадий 0,11-0,12%; азот 0,0001-0,0080%; кислород 0,0001-0,0030%; водород 0,00001-0,00012%; медь 0,005-0,03%; кобальт 0,001-0,03%; сера 0,0005-0,003%; фосфор 0,0005-0,004%; мышьяк 0,001-0,004%; сурьма 0,001-0,004%; олово 0,001-0,004%; висмут 0,001-0,004%; свинец 0,001-0,004%; алюминий 0,015-0,035%; бор 0,001-0,003%; железо - остальное.

Изменение пределов содержания, основных легирующих элементов обеспечивает повышение прочностных и вязко-пластических свойств, улучшение теплостойкости увеличение прокаливаемости.

Содержание ванадия в пределах 0,11-0,12% обеспечивает эффективное дисперсионное упрочнение стали карбидами типа МС что приводит к повышению прочностных свойств и теплостойкости.

При содержании ниобия в пределах 0,005-0,1%) его карбиды частично растворяются при температуре аустенизации и выделяются при отпуске, обеспечивая эффективное дисперсионное твердение, а частично остаются нерастворенными, контролируя границы зерен и обеспечивая мелкозернистую структуру. В процессе горячей деформации карбиды ниобия позволяют эффективно контролировать границы зерен и субзерен.

Содержание кремния и марганца оптимизировано с точки зрения баланса прочностных, вязко-пластических свойств, прокаливаемости и свариваемости.

Содержание бора в диапазоне 0,001-0,003%) в присутствии элементов 4 группы (цирконий, и др.) обеспечивает эффективное насыщение бором твердого раствора и подавление выделения доэвтектоидного феррита в процессе охлаждения а так же модифицирует карбиды типа М₂₃С₆ и М₆С₃, уменьшая их размеры и снижая склонность к коагуляции и коалесценции, при этом не образуется легкоплавких эвтектик, ухудшающих ковкость.

В целом выбранная система легирования обеспечивает оптимальные для получения требуемого комплекса свойств температуры закалки и отпуска, а так же обеспечивает высокую (свыше 600 мм) бейнитную прокаливаемость, при этом в структуре стали практически отсутствует доэвтектоидный феррит и верхний бейнит, снижающие прочностные и вязко-пластические свойства стали.

Ограничение индивидуального и суммарного количества вредных элементов обеспечивает повышение комплекса вязко-пластических свойств, гарантирует обеспечение низких значений критической температуры хрупкости Тк и снижает чувствительность стали к тепловому и радиационному охрупчиванию.

Нормирование содержания кислорода, азота и водорода обеспечивает высокую стабильность свойств, снижение чувствительности к флокенообразованию, стабилизирует эффект микролегирования и модифицирования стали.

Введение добавок таких сильных раскислителей и модификаторов, как Nb, Zr, Y, Nd, Pr, La, Се создает возможность дополнительного глубокого рафинирования металла от газов и неметаллических включений. При этом остаточные неметаллические включения (преимущественно, комплексные оксисульфиды) имеют малый размер (≈1-2 мкм), благоприятную глобулярную морфологию и равномерное распределение. За счет этого улучшается однородность материала, уменьшается анизотропия и количество внутренних дефектов, повышаются механические свойства стали. При содержании Nb, Zr и редкоземельных металлов менее 0,015% эффект раскисления и модифицирования стали нестабилен, при содержании их более 0,05% для Zr, 0,07% для РЗМ и 0,1% для Nb, соответственно проявляется отрицательное влияние этих элементов из-за усиления структурной и химической неоднородности металла. Введение оптимальных количеств Zr обеспечивает получение мелкозернистой структуры, а введение редкоземельных металлов, повышает стойкость стали к радиационному и тепловому охрупчиванию, как за счет снижения мобильности фосфора и других вредных примесей, так и за счет специфического взаимодействия элементов с большим атомным радиусом с радиационными дефектами. Введение ниобия, наряду с ранее перечисленными элементами обеспечивает получение мелкозернистой структуры уже в процессе горячей деформации и дальнейшую благоприятную эволюцию зеренной структуры стали при ТО. Снижению содержания неметаллических включений способствует также ограничение содержания серы до уровня, стабильно обеспечиваемого современными металлургическими процессами.

Предлагаемая сталь после соответствующей термической обработки обеспечивает требуемый уровень и стабильность важнейших физико-механических свойств, определяющих работоспособность материала.

Так, заявляемая сталь обеспечивает категорию прочности КП55 и более при температуре до 400°С и имеет критическую температуру Тк не выше минус 60°С. Высокие прочностные характеристики предлагаемой стали в сечениях до 600 мм позволят изготавливать из нее корпуса реакторов перспективных проектов с рабочей температурой до 400°С и выше, и корпусное оборудование для химической и нефтехимической промышленности. При этом высокий уровень вязко-пластических свойств и низкая скорость их деградации позволяют обеспечить ресурс корпуса реактора до 100-120 лет.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам теплостойких и радиационностойких сталей для основного оборудования атомных энергетических установок. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,12-0,15, кремний 0,18-0,25, марганец 0,25-0,40, хром 2,2-2,3, никель 1,4-1,5, молибден 0,50-0,70, ванадий 0,11-0,12, азот 0,0001-0,0080, кислород 0,0001-0,0030, водород 0,00001-0,00012, медь 0,005-0,03, кобальт 0,001-0,03, сера 0,0005-0,003, фосфор 0,0005-0,004, мышьяк 0,001-0,004, сурьма 0,001-0,004, олово 0,001-0,004, висмут 0,001-0,004, свинец 0,001-0,004, алюминий 0,015-0,035, бор 0,001-0,003, при необходимости ниобий 0,005-0,1, цирконий 0,005-0,05 и редкоземельные элементы, выбранные из группы, включающей иттрий, неодим, празеодим, лантан, церий или их смесь по отдельности или в сумме 0,005-0,07, остальное – железо. Сталь обладает высокими прочностными характеристиками, повышенной максимальной температурой эксплуатации, высокими вязко-пластическими свойствами, высоким сопротивлением тепловому и радиационному охрупчиванию. 1 з.п. ф-лы.

1. Теплостойкая и радиационностойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, кобальт, серу, фосфор, мышьяк, сурьму, олово, висмут, свинец, кислород, азот, водород, алюминий, при необходимости ниобий, цирконий и редкоземельные элементы, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,12-0,15 кремний 0,18-0,25 марганец 0,25-0,40 хром 2,2-2,3 никель 1,4-1,5 молибден 0,50-0,70 ванадий 0,11-0,12 азот 0,0001-0,0080 кислород 0,0001-0,0030 водород 0,00001-0,00012 медь 0,005-0,03 кобальт 0,001-0,03 сера 0,0005-0,003 фосфор 0,0005-0,004 мышьяк 0,001-0,004 сурьма 0,001-0,004 олово 0,001-0,004 висмут 0,001-0,004 свинец 0,001-0,004 алюминий 0,015-0,035 бор 0,001-0,003 при необходимости ниобий 0,005-0,1 цирконий 0,005-0,05 и редкоземельные элементы, выбранные из группы, включающей иттрий, неодим, празеодим, лантан, церий или их смесь по отдельности или в сумме 0,005-0,07 железо остальное

2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что суммарное содержание фосфора, сурьмы, олова, висмута и свинца определяется следующим соотношением (P+As+Sb+Sn+Bi+Pb)≤0,008%.