CN103451541A - 一种适用于核电站屏蔽泵转子的马氏体不锈钢 - Google Patents

Abstract

一种适用于核电站屏蔽泵转子的马氏体不锈钢，属于不锈钢技术领域。该不锈钢的化学成分重量百分数为：C：0.06%～0.13%，Mn：0.25%～0.80%，Si：≤0.5，Cr：11.5%～13.0%，Ni：≤0.50%，Mo：0.20～0.60%，N：0.02%～0.04%；余量为Fe及不可避免的杂质。本发明与ASTM403不锈钢经同样的热处理后，在强度不发生显著下降的前提下，本发明的马氏体不锈钢的伸长率、面缩率、冲击吸收功等塑韧性指标均有较大的提高；尤其是在磁场中的磁感应强度有显著的提升，这对于提高发电机组转子的疲劳性能、发电效率等具有良好的作用。

Description

一种适用于核电站屏蔽泵转子的马氏体不锈钢

技术领域

本发明属于不锈钢技术领域，特别是提供了一种适用于核电站屏蔽泵转子的马氏体不锈钢。

背景技术

核安全是核电产业健康快速发展的最重要基础。核电站的主要结构件基本上是由钢铁材料制造的。在压水堆核电站的一回路中，钢铁材料的用量达到80%以上。核电建设在选材决策上是趋于保守的，基本上选用相对成熟的有使用经验的钢铁材料技术。这里所说的钢铁材料技术至少应包含以下几层含义：

（1）材料的稳定的内控成分范围和生产方案；

（2）材料工业现场生产制造过程；

（3）材料服役过程性能演变评估。只有上述内容都成熟才可能说这个钢铁材料技术成熟了。钢铁材料技术是核电机组自主化设计和制造的前提，如果没有我国自己的钢铁材料技术，关键材料技术基本依靠进口解决，我国就难以实现百万千瓦核电机组技术自主化设计和制造。

冷却剂循环泵对保证堆芯热量的导出有重要作用，是核岛主回路中唯一转动的设备，属于核安全一级，被形象的称为反应堆的心脏。一旦出现问题，将影响冷却剂的流量，直接威胁核电站安全。我国的AP1000核电机组选用了单级屏蔽泵，主泵轴材料采用耐蚀不锈钢。

因此，有必要提供一种用于主泵轴的不锈钢材料，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是在ASTM403不锈钢的基础上，进行成分优化及性能改进，提出一种适用于核电站屏蔽泵转子的马氏体不锈钢，该材料经热处理后，抗拉强度≥540MPa、屈服强度R_P0.2≥345MPa、伸长率A≥22.0%、面缩率Z≥55.0%、冲击吸收功A_ku2≥78J，硬度≥HBW159，且满足下列磁性能要求：

表1转子磁性能要求

本发明所提出的高强度、高硬度不锈钢材料成分的设计基础是根据本发明的目的和在制备导弹弹射发射装置锁制钩时对所选材料的使用性能，并对现有技术中材料成分的设计不足所进行的研究工作。我们是通过对多组材料成分、性能的实验和系统分析研究后，针对材料中各元素的基本作用所进行成分的优化设计和合理调整。

因此，本发明的耐腐蚀、高强度、高硬度不锈的化学成分（Wt%）：C：0.06%～0.13%；Mn：0.25%～0.80%；Si：≤0.5；Cr：11.5%～13.0%；Ni：≤0.50%；Mo：0.20～0.60%；N：0.02%～0.04%，余量为Fe及不可避免的杂质。

本材料的研发成功为转子用钢特别是AP1000主泵轴转子用钢提供了一种高塑韧性、高导磁性能的新型不锈钢材料。

综上所述，本发明提出的马氏体不锈钢，性能满足AP1000核电机组转子用钢的设计要求，经热处理后，抗拉强度≥540MPa、屈服强度R_P0.2≥345MPa、伸长率A≥22.0%、面缩率Z≥55.0%、冲击吸收功A_ku2≥78J，硬度≥HBW159，且满足相关导磁性能要求。

具体实施方式

本发明耐腐蚀、高强度、高硬度不锈钢材料的设计原理及依据如下：

本发明不锈钢材料中加入适量的碳，会对提高是马氏体时效不锈钢的综合性能起到非常重要的作用。因为该不锈钢的强度和硬度随着碳的含量的增加而增加，为实现超高强度的设计目的，碳含量在允许的范围尽量高。但是碳含量增加带来耐蚀性和韧性的显著降低，以及焊接困难等不利的影响，无法满足耐环境腐蚀和高韧性的设计要求。影响耐蚀性和韧性的主要原因是碳在含铬低的钢中会形成渗碳体的化合物（Fe，Cr）₃C，在含铬高时会形成（Fe，Cr）₇C或（Cr、Fe）₂₃C₆，碳的含量越高，钢中被消耗的铬就会越多，由于铬形成化合物析出，钢中固溶体的铬含量被降低，而铬是对材料耐蚀性贡献很大的元素，这样会影响钢的耐蚀性，同时形成的碳化物会使钢的韧性降低。为了获得高强度、高硬度、耐腐蚀良好等综合性能，一般马氏体铬镍不锈钢的碳含量不超过0.2%。因此本发明不锈钢材料成分中碳含量定在0.06%～0.13%。

锰元素在马氏体不锈钢中的作用除了可以脱氧外，还可以稳定奥氏体，改善钢的热塑性。在铬镍系不锈钢中，锰元素的含量一般不超过2%，正常生产中多控制在1.5%左右。因此本发明不锈钢材料成分中锰含量定在0.25%～0.80%。

铬是本发明耐蚀超高强不锈钢的重要元素，对提高该钢的耐蚀性有重要作用。随着钢中的铬含量的增加，耐大气腐蚀性能提高，引起耐蚀性突变的铬含量约12%。同时随着钢中的铬的含量提高，其抗氧化能力明显提高。一般在马氏体时效不锈钢中铬含量在12%左右，还可以提高淬透性，使C曲线明显向右移，从而降低了淬火的临界冷却速度，使钢在室温就可以得到马氏体组织。因此本发明不锈钢材料化学成分中铬含量为Cr11.50%～13.0%。

镍是本发明耐蚀超高强不锈钢的重要元素之一，在钢的基体中可以形成起强化作用的金属间相，特别是η-Ni₃Ti相和β-NiAl相。同时镍可以提高不锈钢的塑性，这与镍降低晶体点阵阻止位错移动的性质有关，并且与它降低位错与间隙原子的交互作用能量的性质有关。另外，镍可以使钢中的碳的含量更低，从而提高铬的含量，显著降低δ-铁素体的含量。在马氏体时效不锈钢中要求无（或极少）δ铁素体以确保强韧性，因为δ-铁素体的存在会影响钢的强韧性，并使之纵、横向的塑性不均匀，因此在所有的合金元素中镍的效果最好。钢中每1%的镍就可使其基体的马氏体转变温度降低50℃，从而导致不锈钢丧失淬火能力，其室温组织中的残余奥氏体过多，直接影响不锈钢的强韧性。因此本发明超高强度不锈钢中镍的含量为≤0.50%。

钼元素在本发明钢中的主要作用是改善耐蚀性、增加回火稳定性和强化二次硬化效应，同时增加钢的强度和保持韧性。在材料中加入适量的钼可以形成细小的密排立方M₂X相，增加了二次硬化效应。但是钼降低钢的马氏体开始转变温度和马氏体转变结束温度。随着钼含量增加，钢中的奥氏体数量增加，钢的韧性增加，但强度下降。因此本发明不锈钢中钼含量为0.20～0.40%。

氮元素不仅可以抑制13%Cr马氏体不锈钢中的晶粒长大，而且可以用氮强化钢以及改进钢的耐蚀性能。在奥氏体中溶解的氮可以降低与奥氏体平衡的碳化物（M₂₃C₆及M₇C₃）中的Cr含量，使含13%Cr的马氏体钢更耐点蚀；同时适量的氮可以抑制奥氏体晶粒的长大。此外，由于Ni当量较高，相当于C或Ni的30倍，较少量的氮元素就可以强烈阻止δ-铁素体的生成，使组织基体多数为马氏体。因此本发明不锈钢中的氮含量为0.02%～0.04%。

在本发明耐蚀超高强度不锈钢的成分中还包括磷、硫等杂质元素以及铅、锡、砷、锑、铋、汞等低熔点元素，由于核级材料对杂质元素有较高的要求，上述元素含量越少越好。

本发明用于制备AP1000屏蔽泵转子的马氏体不锈钢材料的制造方法是首先按本发明设计成分进行冶炼，在精选高纯度金属炉料的前提下，采用真空感应炉+电渣重熔工艺，然后将钢锭进行均匀化处理锻造等热加工，再经过特定热处理及机加工等方法制备所需产品。

采用本发明的马氏体不锈钢材料与原有ASTM403材料相比较，具有高韧性、高导磁率（伸长率A达到26.8%、面缩率Z达到74.7%、冲击吸收功A_k达到242J，导磁率B1181=1.122\B3931=1.438\B15748=1.667）、且耐腐蚀性能良好等几大特点。

具体实施方式

本发明的实施，是根据AP1000屏蔽泵转子服役的的设计要求而进行的对比实验，对比方式是采用本发明设计的马氏体不锈钢材料与现有ASTM403不锈钢材料进行化学成分和性能比较。两种材料的制备均采用精料真空+电渣冶炼工艺，经均匀化处理锻造等热加工、热处理后进行性能比较。

表2化学成分wt%比较

表3力学性能比较

表4导磁性能比较

表2为本发明马氏体不锈钢材料与ASTM403化学成分比较，表3为本发明马氏体不锈钢材料与ASTM403力学性能比较，表4为本发明马氏体不锈钢材料与ASTM403导磁性能比较。

从以上表2～表4可以看出，本发明钢种与现有高强度钢、沉淀硬化不锈钢相比韧性更好，导磁性能更高，具有显著的优势。本发明钢种的性能完全满足AP1000屏蔽泵转子的设计要求。

以上所述仅为本发明其中的较佳实例而已，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆为本发明范围所涵盖。

Claims (1)

1.一种适用于核电站屏蔽泵转子的马氏体不锈钢，其特征在于，化学成分重量百分数为：C：0.06%～0.13%，Mn：0.25%～0.80%，Si：≤0.5，Cr：11.5%～13.0%，Ni：≤0.50%，Mo：0.20～0.60%，N：0.02%～0.04%；余量为Fe及不可避免的杂质。