CN1051807C - 奥氏体不锈钢合金 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种铬-镍奥氏体不锈钢的合金成份，其包括C含量和(Nb+Ta)的组合含量具有特殊的比例关系。

Description

奥氏体不锈钢合金
本发明涉及在高剂量辐照环境中(例如在核裂变反应堆内使用的奥氏体不锈钢成份。本发明特别涉及到这样的一种奥氏体不锈钢合金成份，即兼有高的耐辐照腐蚀性和降低长时间辐照而引起的放射性。
不锈钢合金，特别是那些高铬一镍型的不锈钢合金，由于具有十分优良的耐腐蚀性和耐其他浸蚀环境的性能，通常被用于核反应堆中的零件。例如，核燃料、中子吸收控制装置和中子源容器常常被包覆或装入304型不锈钢或类似合金成份的壳体。包括上述在内的许多这类零件位于核反应堆裂变燃料的中心部分和周围，例如高温高剂量辐照下的浸蚀环境最为恶劣的。
一般认为，固溶处理或轧制退火的不锈钢基本上可以免除晶界应力腐蚀裂纹，其他的变质源和破坏源，由于暴露在高剂量辐照以后出现的晶界应力腐蚀裂纹使不锈钢降级和受到破坏。例如，在水冷却核裂变反应堆的裂度燃料的中心和周围部分使用中所一般遇到的情形。虽然不锈钢金属已处于所谓的固溶或轧制退火状态，即给予典型的1850°至2020°F范围内的加热处理，尔后快速冷却，作为使碳化物固溶和阻止碳化物在晶界成核和析出的手段，但是仍旧产生了与上述辐照有关的晶界应力腐蚀裂纹破坏。
因此，可以推论出，由集中激发(concentrated field)或延长暴露或其两者所引起的高剂量辐照是产生不锈钢降级的一个很重要的原因，因为该辐照连同其它可能的因素一起加速了其中夹杂物的偏析。为此，对没有经固溶处理或轧制退火去敏化的，或经过辐照的不锈钢作了减轻其晶界应力腐蚀的研究，其中包括研制稳定化的合金。例如，研制了含有多种合金元素的合金，这些合金元素是用来形成稳定的碳化物的。如此稳定的碳化物会阻碍退火温度(至少1900°F)下的固溶化，因此碳被固定下来，防止了以后在高温下暴露时碳化铬的形成。在所提到的合金元素中，包括钛、铌和钽。在市场销售的348型牌号不锈钢是这类不锈钢合金的一个实例。在金属手册(Metal Handbook)第九版，1980年，第3卷，第5页中列出的348型不锈钢的合金成份(重量％)如下：C       Mn       Si       Cr      Ni       P       S      Cu      Nb+Ta0.08     2.00     1.00     17.0-   9.0-    0.045    0.03    0.2     10×％C最多     最多     最多     19.0    13.0    最多     最多    最多    最少
本发明包括一种不锈钢合金成份，该成份的合金元素具有特殊的比率，用于暴露在辐照下。该奥氏体不锈钢合金成份提供了抗辐照的降级效应的能力，并且降低了长时期辐照所引起的放射性。
本发明的主要目的是提供一种奥氏体不锈钢合金成份，所述的成份对由于长期高剂量辐照暴露引起的有害作用具有有效的抵抗能力。
本发明另一个目的是提供一种奥氏体不锈钢合金成份，当该成份受到长期高剂量辐照时基本上保持其完整的物理化学性能。
本发明又一个目的是提供一种奥氏体不锈钢合金成份，该成份具有有效的耐辐照所引起的晶界应力腐蚀裂纹性能。
本发明还有一个目的是提供一种奥氏体不锈钢的合金成分，该成份可使长时期施加的放射性减少到最低限度，这种放射性是由于在使用时暴露在高剂量辐照下所形成的。
本发明的最后一个目的是提供一种奥氏体不锈钢的合金成份，该成份在其受辐照后显示出少量的辐射发射物，因此清洗辐射发射物的费用较低。
本发明尤其着重于铬-镍奥氏体不锈钢会遇到的对辐照降级敏感的可能缺陷，所述的不锈钢包括304型和相当高的铬-镍合金，例如列于C.L.Mante1l编缉的1985年版工程材料手册(Engineering Materials Handbook)5-12页和5-13页的表5-4中的一些合金。这些合金包括若干奥氏体不锈钢，其成份为(重量％)：18-20Cr、9-11Ni、≤2Mn、其余是Fe和容易产生的杂质。
本发明包括改进的304型奥氏体不锈钢、添加的合金元素具有精确比率的特殊的合金成份，以及某些成份有一定界限的标准奥氏体不锈钢合金。
因此，本发明的合金成份包括铁基、铬、镍和锰，其成份如下(重量％)：18-20Cr、9-11Ni、1.5-2Mn，其余为Fe和容易产生的杂质。除了基本的合金成份和必要的条件外，合金中的C含量被限制在0.0 2-0.04％(重量)。并且Nb+Ta的组合总量≥14×C(重量％)，而其总量最多为整个合金的0.65％(重量)，而Nb含量最多约为0.25％(重量)。因此Ta含量的变化可以达到整个合金的0.4％(重量)。
本发明的合金成份除了C含量和(Nb+Ta)的组合含量有一定的比例外，包括若干容易产生的成份和本发明合金的其他成份(重量％)为：Fe                     剩余部分Cr                     18.0-20.0Ni                     9.0-1 1.0Mn                     1.5-2.0P                      0.005(最多)S                      0.004(最多)Si                     0.03(最多)Ni                     0.0 3(最多)Al                     0.0 3(最多)Ca                     0.01(最多)B                      0.003(最多)Co                     0.05(最多)
连同其他特性一起，上述的特殊奥氏体不锈钢合金成份提供了高等级的耐高剂量辐照和(或)长期辐照暴露的应力腐蚀裂纹性能，并且没有招致长时期产生的放射性。因此，本发明的合金成份特别适用于制造各种在核裂变反应堆内和周围使用的零件，将保持零件的完整性，并且无论在辐照环境的长时期使用下，能有效地运行。然而，本发明的合金成份还将辐照产生的长期放射性减少到最低限度，从而降低了使用结束后的处理零件的安全性要求和费用要求，并且大大地缩短了零件的处理周期。
如下为本发明最佳的奥氏体不锈钢合金成分的实例。合金成份                      重量％C                           0.033Cr                          19.49Ni                          9.34Ta                          0.40Nb                          0.02S                           0.003P                           0.001N                           0.003Si                          0.03Fe                          剩余部分
          物理性能屈服强度，KSI                 40.0-47.0延伸率，％                    48-52晶粒度(ASTM)                  9.5级硬度RB

Claims (3)

1.一种暴露在辐照下工作的不锈钢合金组合物，该组合物具有耐辐照引起的应力侵蚀断裂性和降低的长时间辐照所引起的放射性，由低碳含量奥氏体不锈钢合金组合物组成，包括(重量％)：18-20Cr、9-11Ni、1.5-2Mn、0.02-0.04C、Nb+Ta≥14C、Nb+Ta的总含量≥0.28、Nb最多为0.25、Ta最多为0.4、其余成份包括Fe和次要的杂质。
2.一种暴露在辐照下工作的不锈钢合金组合物，该组合物具有耐辐照引起的应力侵蚀断裂性和降低的长时间辐照所引起的放射性，由低碳含量奥氏体不锈钢合金组合物组成，包括(重量％)：18-20Cr、9-11Ni、1.5-2Mn、0.02-0.04C、Nb+Ta≥14C、Nb+Ta的总含量≥0.28、Nb≤0.25、Ta≤0.4、P≤0.005、S≤0.004、Si≤0.03、N≤0.03、Al≤0.03、Ca≤0.01、B≤0.003、Co≤0.05、其余的合金成份包括Fe和次要的杂质。
3.根据权利要求2的不锈钢组合物，其中合金组合物中Nb和Ta的总含量最多为0.65％(重量)，Nb的含量最多为0.25％(重量)。
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