CN114351043A - 一种用于第四代钠冷快堆的316kd奥氏体不锈钢及其制备与应用 - Google Patents
一种用于第四代钠冷快堆的316kd奥氏体不锈钢及其制备与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114351043A CN114351043A CN202111430524.0A CN202111430524A CN114351043A CN 114351043 A CN114351043 A CN 114351043A CN 202111430524 A CN202111430524 A CN 202111430524A CN 114351043 A CN114351043 A CN 114351043A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- less
- stainless steel
- equal
- austenitic stainless
- percent
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910000963 austenitic stainless steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 74
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 9
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims abstract description 32
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims abstract description 32
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 28
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 18
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 14
- 238000005242 forging Methods 0.000 claims description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 10
- 206010070834 Sensitisation Diseases 0.000 claims description 9
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims description 9
- 230000008313 sensitization Effects 0.000 claims description 9
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 8
- 238000009749 continuous casting Methods 0.000 claims description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 4
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004512 die casting Methods 0.000 claims description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 2
- 239000012224 working solution Substances 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 31
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 23
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 12
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000005088 metallography Methods 0.000 description 3
- 238000007431 microscopic evaluation Methods 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 3
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 2
- 238000009863 impact test Methods 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000001033 granulometry Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢及其制备与应用，属于核电用奥氏体不锈钢领域。该不锈钢化学成分(wt％)：C：0.04～0.05％；N：0.05～0.07％；Si≤0.6％；Mn：1.0～2.0％；Cr：17.0～18.0％；Ni：11.5～12.5％；Mo：2.5～2.7％；B：0.0005～0.0030％；Fe：余量。本发明通过C、N等关键元素的含量控制既保证了高强韧性和抗晶间腐蚀性能，又抑制了高温长时服役过程中的相析出；同时，通过奥氏体/铁素体稳定元素含量平衡、以及与之匹配的制备工艺，实现对高温铁素体和晶粒度的控制，满足了第四代钠冷快堆对材料性能的苛刻要求。
Description
技术领域
本发明涉及核电用奥氏体不锈钢技术领域，具体地说是一种用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢及其制备与应用。
背景技术
第四代核电反应堆代表了先进核能系统的发展趋势和技术前沿，可更好解决核能发展过程中的可持续性、安全性、可靠性、经济性、防扩散与物理防护等问题。我国核能发展的总体战略是热堆—快堆—聚变堆，第四代核电反应堆是核能发展战略的关键一步，我国非常重视第四代核电反应堆的研发。第四代核电反应堆的堆型众多，目前我国在钠冷快堆技术上具有一定的优势，钠冷快堆示范工程处于开工建设阶段，反应堆建设启动后，建造过程中存在着诸多的工程难题，结构材料的选择和制备是亟需解决的难题之一。目前，我国尚未建立第四代核电反应堆用关键材料的标准体系，而国外技术保密使得材料研发可借鉴的经验较少。
堆本体关键设备(包括反应堆容器和堆内部件)的安全性和可靠性是反应堆在服役过程中安全运行的基础。堆本体的服役工况极其苛刻，需承受高温(550℃以上)、液态金属/气体介质、交变载荷、以及辐照作用，并且在40年设计寿期内不可更换。奥氏体不锈钢由于具有良好的综合性能及组织稳定性，国际上普遍采用奥氏体不锈钢制造堆本体设备。我国第四代钠冷快堆选址在海边，堆本体用结构材料需兼顾强韧性、持久性能、疲劳性能、耐腐蚀性能、以及抗辐照肿胀性能，以满足安全性和可靠性要求。目前，国内外广泛使用的奥氏体不锈钢包括316L(N)、316、316H，都不能同时满足钠冷快堆对高温强度、疲劳性能、持久性能、耐腐蚀性能、抗辐照性能的要求。例如316L(N)的抗腐蚀性能很好，但高温强度较低；而316和316H具有较高的高温强度，但其耐腐蚀性能较差。为了适应钠冷快堆的建造需求，亟需研发具有良好高温强度、疲劳性能、持久性能、耐腐蚀性能、抗辐照性能的奥氏体不锈钢。
发明内容
为解决我国第四代钠冷快堆对奥氏体不锈钢的需求，本发明的目的在于提供一种用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢及其制备与应用，该奥氏体不锈钢具有良好的高温强度、疲劳性能、持久性能、耐腐蚀性能和抗辐照性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，其化学成分范围按重量百分比为：C：0.04～0.05％；N：0.05～0.07％；Si≤0.6％；Mn：1.0～2.0％；Cr：17.0～18.0％；Ni：11.5～12.5％；Mo：2.5～2.7％；余量为Fe及不可避免的杂质元素。
所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，(C+N)含量的质量百分比控制为≥0.1％。
所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，B的质量百分比控制为0.0005～0.0030％。
所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，不可避免的残余元素控制要求为(wt.％)：Sb≤0.002％；Pb≤0.001％；Se≤0.015％；Sn≤0.005％；As≤0.01％；S≤0.003％；P≤0.020％；H≤0.0005％；O≤0.003％。
所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢的制备方法：将原材料按照316KD奥氏体不锈钢的化学成分配比进行配料，熔炼浇注成铸锭后，依次进行均质化处理、热加工和固溶处理。具体步骤如下：
1)熔炼：采用连铸、电炉加炉外精炼或其它相当的冶炼方法制备合金铸坯。
2)均质化处理：将铸坯加热至1200±30℃，保温处理时间≥20h。
3)热加工：采用模铸坯开坯锻造+轧制、或者采用连铸坯轧制的工艺制备板材。开坯轧制温度为1100～1200℃，终轧温度≥950℃。
4)固溶处理：固溶温度1050～1100℃，保温40～60分钟，水淬。
所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢板材，按照GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》中的A法进行非金属夹杂物评级，非金属夹杂物等级要求控制为：
| A类 | B类 | C类 | D类 | 四类之和 | |
| 细系 | ≤1.0 | ≤1.0 | ≤1.0 | ≤1.0 | ≤2.0 |
| 粗系 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤1.0 |
所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢板材，按照GB/T 13305-2008《不锈钢中α-相面积含量金相测定法》进行铁素体含量测定，δ铁素体含量小于1％。
所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢板材，按照GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，晶粒度要求为4.0～6.0级。
本发明的设计思想如下：
为满足第四代钠冷快堆对高温强度、疲劳性能、持久性能、耐腐蚀性能和抗辐照性能的苛刻要求。本发明主要基于以下的合金设计思想：
1)成分控制思想
C：C是强奥氏体形成元素，能够稳定并扩大奥氏体区，形成奥氏体的能力约是镍的30倍。通过C的间隙固溶强化作用，能明显提高奥氏体不锈钢的强度，随着C含量的增加，奥氏体不锈钢的强度会不断提高。因此，材料需要保证足够的C含量，其下限含量控制为0.04％。但是，随C含量的增加，C和Cr容易形成Cr23C6型碳化物，造成局部的Cr贫化，使抗晶间腐蚀能力明显下降。同时，Cr23C6型碳化物高温下易发生长大，进而转变为脆性相，导致高温强度、持久性能和疲劳性能的下降。因此，C的上限含量控制为0.05％。
N：N也是强奥氏体形成元素，采用N来替代部分的C，可减少碳化物的析出，提高抗晶间腐蚀性能。同时N会降低Cr在奥氏体基体中的扩散速率而阻碍Cr23C6粗化，有利在长时间服役后留下细小碳化物，提高材料的性能稳定性。随N含量的增加，氮化物的析出倾向增加，同时会影响材料的可焊性。因此，N含量应控制为0.05～0.07％。
Cr：Cr是奥氏体不锈钢高温强度和抗腐蚀性能的主要来源。Cr元素可促进材料表面保护性氧化膜的形成，提高了材料的抗腐蚀性能。但是，Cr是强的铁素体形成元素，可扩大铁素体相区，过高的Cr含量会促进高温δ铁素体的形成，降低材料的强韧性。因此，Cr含量控制为17.0～18.0％。
Ni：Ni是奥氏体形成元素，可保证获得完全奥氏体组织。随着Ni含量的增加，明显降低σ相的形成倾向，同时降低马氏体转变温度，抑制γ→M相变，从而减弱了冷加工硬化作用。因此，材料需要保证足够的Ni含量，其下限含量控制为11.5％。从成本角度考虑，材料中的Ni含量应控制在较低的含量。因此，Ni的上限含量控制为12.5％。
Mo：Mo可明显提高奥氏体不锈钢的高温强度，为保证材料的高温强度，其下限含量控制为2.5％。但是，钼是铁素体形成元素，可扩大铁素体相区，并且高温长时服役后，会促进脆性相(包括σ、χ等相)的形成，Mo的上限含量控制为2.7％。
Mn：Mn是奥氏体化稳定元素，根据铁素体稳定化元素的元素含量进行调整，以保证材料中不含δ铁素体。
B:高温服役过程中，B易于在晶界处发生非平衡偏聚，可优先占据晶界处的空位，推迟析出相的形核。同时B与空位的相互作用，也可以降低溶质原子的扩散速率，降低析出相的熟化。但是过高的B含量会促进硼化物的形成，损伤材料的力学性能和焊接性能。因此，B含量控制为0.0005～0.0030％。
S、P等杂质元素：为提高奥氏体不锈钢的冷热加工性能、性能稳定性、以及抗辐照性能等，在考虑国内企业生产水平的基础上，予以严格控制。
2)微观组织控制思想
铁素体含量控制：奥氏体不锈钢中存在的δ铁素体会降低材料的高温强度和冲击韧性，并且δ铁素体在高温长时服役过程中会分解成脆性相，脆性相是裂纹萌生位置，会显著降低持久强度。因此，δ铁素体含量应予以严格控制。
晶粒度控制：从抗辐照性能、疲劳性能以及强韧性匹配来看，晶粒尺寸越小越好，但高温持久蠕变机制以晶界滑移为主，考虑持久蠕变性能，晶粒尺寸不宜过小。因此，晶粒尺寸应控制在合适范围内。
本发明的优点及有益效果：
1、本发明用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢是在现有奥氏体不锈钢的基础上提出新的合金设计方案，可同时满足第四代钠冷快堆对高温强度、疲劳性能、持久性能、耐腐蚀性能和抗辐照性能的苛刻要求。
2、本发明的应用在于，可制备成系列厚度的板材、棒材和锻件，用于第四代钠冷快堆堆容器和堆内构件的制造。
3、本发明用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢的室温力学性能满足：屈服强度Rp0.2≥230MPa，抗拉强度Rm≥540MPa，延伸率A≥50％，冲击韧性KV2≥350J。
4、本发明用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢的高温力学性能满足：450℃满足屈服强度Rp0.2≥130MPa，抗拉强度Rm≥439MPa；550℃满足屈服强度Rp0.2≥120MPa，抗拉强度Rm≥396MPa；650℃满足屈服强度Rp0.2≥110MPa，抗拉强度Rm≥345MPa；
5、本发明用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢的疲劳性能满足：550℃、应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命>1200周次。
6、本发明用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢的持久性能满足：550℃、305MPa下的持久寿命>3000h。
7、本发明用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，按照GB/T 4334-2008中的E法进行晶间腐蚀评价，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格。
附图说明
图1为本发明的13mm厚316KD板材、以及13mm厚系列奥氏体不锈钢(316L、316H、316)板材的铁素体分布照片；其中：(a)为316KD板材；(b)为316L板材；(c)为316H板材；(d)为316板材。
图2为本发明的13mm厚316KD板材、以及13mm厚系列奥氏体不锈钢(316L、316H、316)板材的晶粒度照片；其中：(a)为316KD板材；(b)为316L板材；(c)为316H板材；(d)为316板材。
图3为本发明的13mm厚316KD板材、以及13mm厚系列奥氏体不锈钢(316L、316H、316)板材的拉伸强度随温度的变化；其中：(a)为屈服强度；(b)为抗拉强度。
图4为本发明的13mm厚316KD板材、以及13mm厚系列奥氏体不锈钢(316L、316H、316)板材在敏化态(650℃敏化处理2h)下，晶间腐蚀后的弯曲样品表面形貌照片；其中：(a)为316KD板材；(b)为316L板材；(c)为316H板材；(d)为316板材。
图5为本发明的40mm厚316KD板材的金相组织照片。
图6为未经均质化处理的40mm厚316KD板材的金相组织照片。
图7为本发明的40mm厚316KD板材在敏化态(650℃敏化处理2h)下，晶间腐蚀后的弯曲样品表面形貌照片。
图8为未经均质化处理的40mm厚316KD板材在敏化态(650℃敏化处理2h)下，晶间腐蚀后的弯曲样品表面形貌照片。
具体实施方式
实施例1：
本实施例为制备规格为13mm厚的316KD奥氏体不锈钢板材：
本实施例提供用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，制备13mm厚板材的化学成分如表1所示。具体的生产工艺步骤如下：
1)熔炼：按照合金成分配比称取原材料，将配制的原料装入50Kg坩埚中，在真空感应炉中熔炼，并浇铸成铸锭，待铸锭完全凝固后，开模取出。
2)均质化处理：将铸坯加热至1220℃，保温处理时间为24h。
3)开坯锻造：将铸锭加热至1150℃，保温2h，迅速放置在锤锻机上锻造成板坯，然后空冷至室温，终锻温度在950℃以上，锻造后的板坯厚度为40mm。
4)轧制：将锻造后的板材加热至1150℃，保温2h，在二辊热轧机上轧制成板材，然后空冷至室温，终轧温度在950℃以上，热轧板材的厚度为13mm。
5)固溶处理：将轧制后的板材在1080℃保温50分钟，水淬。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》中的A法进行非金属夹杂物评级，非金属夹杂物等级评级结果如表2所示。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 13305-2008《不锈钢中α-相面积含量金相测定法》进行铁素体含量测定，高温铁素体含量小于1％(见图1(a))。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，晶粒度为5.0级(见图2(a))。
取经固溶处理的板材，在室温、450℃、550℃和650℃下进行拉伸性能测试，室温延伸率为58.0％，屈服强度和抗拉强度如图3所示。
取经固溶处理的板材，在室温进行夏比V型缺口冲击测试，结果如表3所示。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 4334-2008中的E法进行晶间腐蚀评价，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格(见图4a)。
取经固溶处理的板材，进行550℃下的疲劳性能测试，应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命为1664次，结果如表4所示。
取经固溶处理的板材，进行550℃下的持久性能，550℃/305MPa下的持久寿命为3662h，结果如表4所示。
试验结果表明，制备的规格为13mm厚的316KD奥氏体不锈钢板材，存在0.5级的细系B类非金属夹杂物和0.5级的细系D类非金属夹杂物；板材的铁素体含量小于1％；晶粒度为5.0级；板材的室温屈服强度Rp0.2≥230MPa，抗拉强度Rm≥540MPa，延伸率A≥50％；室温冲击韧性KV2≥350J；板材在450℃下的屈服强度Rp0.2≥130MPa，抗拉强度Rm≥439MPa；550℃下的屈服强度Rp0.2≥120MPa，抗拉强度Rm≥396MPa；650℃下的屈服强度Rp0.2≥110MPa，抗拉强度Rm≥345MPa；650℃敏化处理2h后，样品的晶间腐蚀性能合格；550℃、应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命>1200次；550℃/305MPa下的持久寿命>3000h。
对比例1：
本例为制备规格为13mm厚的316L奥氏体不锈钢板材。
与实施例1不同之处在于：对比例1制备的316L奥氏体不锈钢板材的化学成分如表1所示，C含量为0.019％，未在本发明对化学成分的权力要求范围内，未添加B元素，其余元素的含量在本发明权力要求范围内。对比例1经过与实施例1相同的生产工艺步骤，包括熔炼、均质化处理、开坯锻造、轧制和固溶处理。取经过固溶处理的板材，进行非金属夹杂物(表2)、铁素体含量(图1(b))、晶粒度(图2(b))、拉伸性能(图3)、冲击韧性(表3)、晶间腐蚀性能(图4(b))、疲劳性能(表4)、以及持久性能(表4)的评价。
试验结果表明，制备的规格为13mm厚的316L奥氏体不锈钢板材，板材中出现条带状分布的铁素体，含量～3％(图1(b))，未满足本发明的设计要求；板材在450℃下的抗拉强度Rm为430MPa，未满足本发明的设计要求；550℃下的屈服强度Rp0.2为118MPa，抗拉强度Rm为391MPa，未满足本发明的设计要求；650℃下的屈服强度Rp0.2为108MPa，抗拉强度Rm为340MPa，未满足本发明的设计要求；550℃、应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命为832次，未满足本发明的设计要求；550℃、305MPa下的持久寿命为2390h，未满足本发明的设计要求。
对比例2：
本例为制备规格为13mm厚的316H奥氏体不锈钢板材。
与实施例1不同之处在于，对比例2制备的316H奥氏体不锈钢板材的化学成分如表1所示，C含量为0.078％，未在本发明对化学成分的权力要求范围内，未添加B元素，其余元素的含量在本发明权力要求范围内。对比例2经过与实施例1相同的生产工艺步骤，包括熔炼、均质化处理、开坯锻造、轧制和固溶处理。取经过固溶处理的板材，进行非金属夹杂物(表2)、铁素体含量(图1(c))、晶粒度(图2(c))、拉伸性能(图3)、冲击韧性(表3)、晶间腐蚀性能(图4(c))、疲劳性能(表4)、以及持久性能(表4)的评价。
试验结果表明，制备的规格为13mm厚的316H奥氏体不锈钢板材，板材的非金属夹杂物、铁素体含量、晶粒度均满足本发明的设计要求；板材的室温拉伸性能、高温拉伸性能、冲击韧性、550℃疲劳性能、550℃持久性能也满足本发明的设计要求。但是，650℃敏化处理2h后，样品存在明显的因晶间腐蚀而产生的裂纹(图4(c))，晶间腐蚀性能不满足本发明的设计要求。
对比例3：
本例为制备规格为13mm厚的316奥氏体不锈钢板材。
与实施例1不同之处在于，对比例3制备的316L奥氏体不锈钢板材的化学成分如表1所示，N含量为0.022％，未在本发明对化学成分的权力要求范围内，未添加B元素，其余元素的含量在本发明权力要求范围内。对比例3经过与实施例1相同的生产工艺步骤，包括熔炼、均质化处理、开坯锻造、轧制和固溶处理。取经过固溶处理的板材，进行非金属夹杂物(表2)、铁素体含量(图1(d))、晶粒度(图2(d))、拉伸性能(图3)、冲击韧性(表3)、晶间腐蚀性能(图4(d))、疲劳性能(表4)、以及持久性能(表4)的评价。
试验结果表明，制备的规格为13mm厚的316奥氏体不锈钢板材，板材中出现条带状分布的铁素体，含量～2.5％(图1(d))，未满足本发明的设计要求；板材在450℃下的抗拉强度Rm为438MPa，未满足本发明的设计要求；550℃下的屈服强度Rp0.2为117MPa，抗拉强度Rm为385MPa，未满足本发明的设计要求；650℃下的屈服强度Rp0.2为106MPa，抗拉强度Rm为335MPa，未满足本发明的设计要求；550℃、应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命为786次，未满足本发明的设计要求；550℃、305MPa下的持久寿命为2080h，未满足本发明的设计要求。
表1 13mm厚奥氏体不锈钢板材的化学成分(wt.％)
其余元素：Sb≤0.002％；Pb≤0.001％；Se≤0.015％；Sn≤0.005％；As≤0.01％；H≤0.0005％；O≤0.003％。
表2 13mm厚奥氏体不锈钢板材的非金属夹杂物
表3 13mm厚奥氏体不锈钢板材的室温冲击韧性
| 合金 | 冲击韧性(KV<sub>2</sub>,J) |
| 实施例1(316KD) | 394 |
| 对比例1(316L) | 368 |
| 对比例2(316H) | 405 |
| 对比例3(316) | 367 |
表4 13mm厚奥氏体不锈钢板材的疲劳性能和持久性能
实施例2：
本实施例为制备规格为40mm厚的316KD奥氏体不锈钢板材。
本实施例提供用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，制备40mm厚板材的化学成分为(重量比)，C：0.042％，N：0.065％，Ni：12.3％，Cr：17.39％，Mn：1.57％，Mo：2.63％，Si：0.38％，B：0.0010％，P：0.018％，S：0.0010％，Sb<0.002％，Pb<0.001％，Se<0.001％，Sn<0.005％，As<0.002％。具体的生产工艺步骤如下：
1)熔炼：按照合金成分配比称取原材料，采用电炉进行熔炼后浇铸成铸锭，然后进行电渣重熔，制备成电渣锭。
2)均质化处理：将电渣锭加热至1230℃，保温处理时间24h。
3)开坯锻造：将铸锭加热至1150℃，保温2h，迅速放置在锤锻机上锻造成板坯，然后空冷至室温，终锻温度在950℃以上，锻造后的板坯厚度为180mm。
4)轧制：将锻造后的板材加热至1150℃，保温2h，在二辊热轧机上轧制成板材，然后空冷至室温，终轧温度在950℃以上，热轧板材的厚度为40mm。
5)固溶处理：将轧制后的板材在1060℃保温50分钟，水淬。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》中的A法进行非金属夹杂物评级，非金属夹杂物等级评级结果如表5所示。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 13305-2008《不锈钢中α-相面积含量金相测定法》进行铁素体含量测定，铁素体含量小于1％(见图5)。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，晶粒度要求为5.0级(见图5)。
取经固溶处理的板材，在室温、450℃、550℃和650℃下进行拉伸性能测试，结果如表6所示。
取经固溶处理的板材，在室温进行夏比V型缺口冲击测试，室温冲击吸收功为402J。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 4334-2008中的E法进行晶间腐蚀评价，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格(见图7)。
取经固溶处理的板材，进行550℃下的疲劳性能测试，应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命为1910次，结果如表7所示。
取经固溶处理的板材，进行550℃下的持久性能，550℃/305MPa下的持久寿命为4300h，结果如表7所示。
试验结果表明，制备的规格为40mm厚的316KD奥氏体不锈钢板材，存在0.5级的细系A类非金属夹杂物、0.5级的细系B类非金属夹杂物、0.5级的细系D类非金属夹杂物和0.5级的粗系D类非金属夹杂物；板材的铁素体含量小于1％；晶粒度为4.5级；板材的室温屈服强度Rp0.2≥230MPa，抗拉强度Rm≥540MPa，延伸率A≥50％；室温冲击韧性KV2≥350J；板材在450℃下的屈服强度Rp0.2≥130MPa，抗拉强度Rm≥439MPa；550℃下的屈服强度Rp0.2≥120MPa，抗拉强度Rm≥396MPa；650℃下的屈服强度Rp0.2≥110MPa，抗拉强度Rm≥345MPa；650℃敏化处理2h后，样品的晶间腐蚀性能合格；550℃、应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命>1200次；550℃/305MPa下的持久寿命>3000h。
实施例3：
本实施例为制备规格为40mm厚的316KD奥氏体不锈钢板材。
本实例板材的化学成分与实施例2相同，经过与实施例2相同的熔炼、开坯锻造、轧制和固溶处理，与实施例2不同之处在于，未进行均质化处理。取经过固溶处理的板材，进行非金属夹杂物(表5)、铁素体含量(图6)、晶粒度(图6)、拉伸性能(表6)、冲击韧性、晶间腐蚀性能(图8)、疲劳性能(表7)、以及持久性能(表7)的评价。
试验结果表明，制备的规格为40mm厚的316KD奥氏体不锈钢板材，板材的铁素体含量～5％(图6)，未满足本发明的设计要求；室温冲击韧性KV2为310J，未满足本发明的设计要求；550℃、应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命为510次，，未满足本发明的设计要求；550℃/305MPa下的持久寿命为1530h，未满足本发明的设计要求。
表5 40mm厚316KD奥氏体不锈钢板材的非金属夹杂物
表6 40mm厚316KD奥氏体不锈钢板材的拉伸性能
表7 40mm厚奥氏体不锈钢板材的疲劳性能和持久性能
实施例结果表明，本发明在现有奥氏体不锈钢的基础上，基于化学成分和微观组织控制，以及合适的制备工艺，使得本发明的316KD奥氏体不锈钢满足了第四代钠冷快堆对高温强度、疲劳性能、持久性能、耐腐蚀性能和抗辐照性能的苛刻要求，可应用于我国第四代钠冷快堆的自主化建设。
Claims (10)
1.一种用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，化学成分范围为：C：0.04～0.05％；N：0.05～0.07％；Si≤0.6％；Mn：1.0～2.0％；Cr：17.0～18.0％；Ni：11.5～12.5％；Mo：2.5～2.7％；余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.按照权利要求1所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，(C+N)含量控制为≥0.1％。
3.按照权利要求1所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，其特征在于：该不锈钢中还含有B元素，按重量百分比计，B含量控制为0.0005～0.0030％。
4.按照权利要求1所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，不可避免的残余元素控制要求为：Sb≤0.002％；Pb≤0.001％；Se≤0.015％；Sn≤0.005％；As≤0.01％；S≤0.003％；P≤0.020％；H≤0.0005％；O≤0.003％。
5.按照权利要求1所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，其特征在于：该不锈钢的非金属夹杂物等级满足如下要求：
细系：A类≤1.0级，B类≤1.0级，C类≤1.0级，D类≤1.0级，四类之和≤2.0级；粗系：A类≤0.5级，B类≤0.5级，C类≤0.5级，D类≤0.5级，四类之和≤1.0级。
6.按照权利要求1所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，其特征在于：该不锈钢中高温铁素体含量小于1％，晶粒度为4.0～6.0级。
7.按照权利要求1所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，其特征在于：该不锈钢的性能如下：
室温力学性能满足：屈服强度Rp0.2≥230MPa，抗拉强度Rm≥540MPa，延伸率A≥50％，冲击韧性KV2≥350J；
高温力学性能满足：450℃满足屈服强度Rp0.2≥130MPa，抗拉强度Rm≥439MPa；550℃满足屈服强度Rp0.2≥120MPa，抗拉强度Rm≥396MPa；650℃满足屈服强度Rp0.2≥110MPa，抗拉强度Rm≥345MPa；
疲劳性能满足：550℃、应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命>1200周次；
持久性能满足：550℃、305MPa下的持久寿命>3000h。
8.按照权利要求1所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢，其特征在于：按照GB/T 4334-2008中的E法进行该不锈钢晶间腐蚀评价，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格。
9.按照权利要求1所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：该方法首先按照316KD奥氏体不锈钢的化学成分配比进行配料，熔炼浇注成铸锭后，依次进行均质化处理、热加工和固溶处理；具体包括如下步骤：
1)熔炼：采用连铸、电炉加炉外精炼或其它相当的冶炼方法制备铸坯；
2)均质化处理：将铸坯加热至1200±30℃，保温处理时间≥20h；
3)热加工：采用模铸坯开坯锻造和轧制，或者连铸坯轧制制备板材；开坯轧制温度为1100～1200℃，终轧温度≥950℃；
4)固溶处理：处理温度1050～1100℃，保温时间40～60分钟，水淬。
10.按照权利要求1所述的用于第四代钠冷快堆的316KD奥氏体不锈钢的应用，其特征在于：将所述奥氏体不锈钢制备成板材，也可制备成棒材或锻件。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111430524.0A CN114351043A (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 一种用于第四代钠冷快堆的316kd奥氏体不锈钢及其制备与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111430524.0A CN114351043A (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 一种用于第四代钠冷快堆的316kd奥氏体不锈钢及其制备与应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114351043A true CN114351043A (zh) | 2022-04-15 |
Family
ID=81097256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111430524.0A Pending CN114351043A (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 一种用于第四代钠冷快堆的316kd奥氏体不锈钢及其制备与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114351043A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09256112A (ja) * | 1996-03-22 | 1997-09-30 | Hitachi Ltd | 析出強化型オーステナイト系ステンレス単結晶鋼およびその用途 |
| WO2008136354A1 (ja) * | 2007-04-27 | 2008-11-13 | Japan Atomic Energy Agency | 耐粒界腐食性および耐応力腐食割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法 |
| CN112322971A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-02-05 | 江苏银环精密钢管有限公司 | 一种钠冷快堆堆内构件用奥氏体不锈钢无缝管及制造方法 |
| CN113564461A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-10-29 | 鞍钢股份有限公司 | 快中子反应堆用奥氏体不锈钢钢板及其制造方法 |
-
2021
- 2021-11-29 CN CN202111430524.0A patent/CN114351043A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09256112A (ja) * | 1996-03-22 | 1997-09-30 | Hitachi Ltd | 析出強化型オーステナイト系ステンレス単結晶鋼およびその用途 |
| WO2008136354A1 (ja) * | 2007-04-27 | 2008-11-13 | Japan Atomic Energy Agency | 耐粒界腐食性および耐応力腐食割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法 |
| CN112322971A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-02-05 | 江苏银环精密钢管有限公司 | 一种钠冷快堆堆内构件用奥氏体不锈钢无缝管及制造方法 |
| CN113564461A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-10-29 | 鞍钢股份有限公司 | 快中子反应堆用奥氏体不锈钢钢板及其制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104328353B (zh) | 一种稀土型0Cr17Ni4Cu4Nb马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法 | |
| CN107760990B (zh) | 核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法 | |
| JP5756935B2 (ja) | 耐粒界腐食性および耐応力腐食割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼およびその製造方法 | |
| CN108315599A (zh) | 一种高钴镍基高温合金及其制备方法 | |
| CN109355558B (zh) | 奥氏体不锈钢及其制备方法、应用 | |
| CN103160745B (zh) | 一种核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢及其制造方法 | |
| CN109136652B (zh) | 核电关键设备用镍基合金大截面棒材及其制造方法 | |
| CN105821250A (zh) | 一种高强度镍基高温合金及其制造方法 | |
| EP2514848B1 (en) | Low alloy steel for geothermal power generation turbine rotor, and low alloy material for geothermal power generation turbine rotor and method for manufacturing the same | |
| CN104694832B (zh) | 一种核反应堆用马氏体不锈钢及制备方法 | |
| CN109136653A (zh) | 用于核电设备的镍基合金及其热轧板的制造方法 | |
| CN109112423A (zh) | 一种优良低温韧性特厚合金钢板及其制备方法 | |
| CN111826583B (zh) | 一种高耐蚀硼不锈钢材料及制备方法和应用 | |
| CN110565010A (zh) | 一种高放废物玻璃固化体产品容器用奥氏体耐热钢 | |
| CN114622133B (zh) | 一种超超临界汽轮机转子锻件用耐热钢及其制备方法 | |
| Klueh | Heat treatment behavior and tensile properties of Cr− W steels | |
| CN115637393A (zh) | 一种链篦机链节用奥氏体耐热钢及其制备方法 | |
| CN113528952A (zh) | 一种耐液态铅或铅铋腐蚀高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢及其制备方法 | |
| EP0770696B1 (en) | High strength and high toughness heat resisting steel and its manufacturing method | |
| CN110484836B (zh) | 一种铪锆钛钼增强奥氏体不锈钢及其制备方法 | |
| CN113737090B (zh) | 一种高强韧合金结构钢及其制备方法 | |
| CN112410517B (zh) | 一种消除奥氏体不锈钢中δ铁素体的方法 | |
| CN111647790B (zh) | 一种高强高韧铁镍铬基耐热合金制备方法及其应用 | |
| KR20140132604A (ko) | 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법 | |
| US9598750B2 (en) | High Cr ferritic/martensitic steels having an improved creep resistance for in-core component materials in nuclear reactor, and preparation method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220415 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |