一種核反應(yīng)堆用馬氏體不銹鋼及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于核電用鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種核反應(yīng)堆用馬氏體不銹鋼及制備 方法，主要適用于能源、冶金、機(jī)械、化工等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 核電站又稱核電廠，它指用鈾、钚等作核燃料，將它在裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變 為電能的發(fā)電廠。核電廠主要以反應(yīng)堆的種類相區(qū)別，有壓水堆核電廠、沸水堆核電廠、重 水堆核電廠、石墨水冷堆核電廠、石墨氣冷堆核電廠、高溫氣冷堆核電廠和快中子增殖堆核 電廠等。核電站大體可分為兩部分：一部分是利用核能產(chǎn)生蒸汽的核島，包括反應(yīng)堆裝置和 一回路系統(tǒng)；另一部分是利用蒸汽發(fā)電的常規(guī)島，包括汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。核燃料在反應(yīng)堆內(nèi) 產(chǎn)生的裂變能，主要以熱能的形式出現(xiàn)。它經(jīng)過冷卻劑的載帶和轉(zhuǎn)換，最終用蒸汽或氣體驅(qū) 動渦輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。核電廠所有帶強(qiáng)放射性的關(guān)鍵設(shè)備都安裝在反應(yīng)堆安全殼廠房內(nèi)， 以便在失水事故或其他嚴(yán)重事故下限制放射性物質(zhì)外溢。為了保證堆芯核燃料在任何情況 下等到冷卻而免于燒毀熔化，核電廠設(shè)置有多項安全系統(tǒng)。核電站除了關(guān)鍵設(shè)備一核反 應(yīng)堆外，還有許多與之配合的重要設(shè)備。以壓水堆核電站為例，它們是主泵，穩(wěn)壓器，蒸汽發(fā) 生器，安全殼，汽輪發(fā)電機(jī)和危急冷卻系統(tǒng)等。它們在核電站中有各自的特殊功能。
[0003] 不銹鋼按照組織可以分為鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼和沉淀硬 化型不銹鋼。馬氏體不銹鋼是不銹鋼中比較重要的一類，因為要具有耐腐蝕的特性，鋼中都 要含有較高的Cr含量，通常在11%以上，而為了在淬火過程中獲得馬氏體，鋼中還要加入 奧氏體化元素，如C、Mn和Ni等，這樣在高溫下就可以得到全奧氏體組織，在隨后的冷卻過 程中，才能形成C在奧氏體中的過飽和固溶體一馬氏體，從而使鋼獲得較高的強(qiáng)度和良好 的塑韌性。由于馬氏體不銹鋼具有耐蝕不銹的同時還具有強(qiáng)度高的特點，因而在工業(yè)領(lǐng)域 中被廣泛用來制造承力部件。在核電行業(yè)中，馬氏體不銹鋼也有著較廣泛的應(yīng)用，如核反應(yīng) 堆中的壓緊彈簧，支承板，主泵中的主泵軸以及其他受力件。
[0004] 熱處理是將金屬材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi) 部的晶相組織結(jié)構(gòu)，來改變其性能的一種金屬熱加工工藝。為使金屬工件具有所需要的力 學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不 可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控 制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以 通過熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。鋼鐵整體熱處理大致有 退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺 寸采用不同的保溫時間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)， 獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。正火是將工件加熱到適 宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料 的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。淬火是將工件加熱保溫 后，在水、油或其它無機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬火介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變 脆，為了及時消除脆性，一般需要及時回火。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于 室溫而低于650°C的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長時間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。
[0005]馬氏體不銹鋼最常用的熱處理工藝是淬火和回火，淬火工藝是獲得高強(qiáng)度馬氏體 的必經(jīng)途徑。淬火介質(zhì)可以是水、油、淬火油等，對于合金程度高的馬氏體不銹鋼，甚至空冷 都可以獲得馬氏體組織。由于馬氏體組織具有強(qiáng)度高，硬度高的特點，但塑性和韌性差，所 以通常需要進(jìn)行回火處理，對馬氏體組織進(jìn)行調(diào)整，獲得理想的強(qiáng)韌性匹配。由于淬火工藝 通常是在高溫下急冷，馬氏體相變產(chǎn)生的應(yīng)力與熱應(yīng)力相互疊加，在工件內(nèi)部產(chǎn)生很大的 內(nèi)應(yīng)力，可以使工件變形，甚至是開裂，因此，良好的淬火工藝對于馬氏體不銹鋼來是至關(guān) 重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種核反應(yīng)堆用馬氏體不銹鋼及制備方法，本發(fā)明可以降 低工件的內(nèi)應(yīng)力，減少工件的變形，避免工件的開裂，提高工件的成品率；該方法具有操作 簡單，易于掌握等特點。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明的馬氏體不銹鋼采用真空感應(yīng)爐冶煉，再經(jīng)過電渣重熔，形成鋼錠。
[0009]其化學(xué)成分組成重量百分比為：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%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0010] 澆注后的鋼錠首先切頭和切尾，去除尾部雜質(zhì)較多的部位和頭部與墊鐵互融的部 分，頭部切除整個鋼錠重量的5%，尾部切除整個鋼錠重量的8%，再進(jìn)行表面打磨，清理表 面，避免鍛造時出現(xiàn)裂紋。然后經(jīng)過鍛造開坯，破碎鋼錠的鑄態(tài)組織，形成棒材毛坯。隨后 將棒材毛坯鍛造成不同規(guī)格的棒材，然后經(jīng)過退火處理，再將棒材加工成零件毛坯，進(jìn)行熱 處理。毛坯首先進(jìn)行淬火處理，淬火溫度為1120°C~1140°C，（保溫1~3小時）保溫時間 根據(jù)零件有效厚度確定。保溫結(jié)束后，將工件空冷至800°C~820°C，然后再將工件放入淬 火油中進(jìn)行油冷，待油冷到室溫后將工件拿出進(jìn)行回火處理，回火溫度為570°C~590°C， 保溫2~4個小時，空冷。
[0011] 本發(fā)明的關(guān)鍵在于：首先通過采用真空感應(yīng)冶煉+電渣重熔工藝冶煉，真空感應(yīng) 冶煉時，當(dāng)真空度達(dá)到0. 2~0. 3Pa，送電，熔化期真空度不得低于0. 3Pa，熔化時間為2~ 3小時，精煉時間為30~60分鐘，精煉期真空度不得低于0. 5Pa。電渣重熔時，參考電流 為5500~6000A，電壓為48~54V，結(jié)晶器直徑為300mm，獲得高純凈度的鋼錠。其次采用 合適的淬火工藝，避免在高溫區(qū)直接快冷，減小了馬氏體相變應(yīng)力和熱應(yīng)力，在不影響獲得 馬氏體組織的前提下，即在保證材料具有良好強(qiáng)度的前提下，減小了工件的變形，避免了開 裂，提高了工件的合格率。
[0012] 核電站用鋼對材料的純凈度要求較高，尤其是對S、P、C〇、Cu、0、N、H等雜質(zhì)元素和 氣體元素，其中的雜質(zhì)元素在長期的中子輻照過程中會導(dǎo)致材料脆化，嚴(yán)重降低材料的使 用性能。而氣體元素，尤其是〇,是形成非金屬夾雜物的主要元素，〇含量的增加會增加非金 屬夾雜物的數(shù)量，降低材料的疲勞性能。采用真空感應(yīng)冶煉可以有效降低鋼中雜質(zhì)元素以 及氣體元素含量，提高鋼