DE2655696B2

DE2655696B2 - Stahl

Info

Publication number: DE2655696B2
Application number: DE19762655696
Authority: DE
Inventors: Anatoly Aleksandrovitsch Astafiev; Jury Fedorovitsch Balandin; Vladimir Aleksandrovitsch Belov; July Georgievitsch Kiew Emelyanenko; Igor Vasilievitsch Gorynin; Viktor Aleksandrovitsch Ignatov; Kuzma Makeevitsch Ivanov; Aleksandr Sergeevitsch Loboda; Boris Izrailevitsch Medovar; Boria Evgenievitsch Paton; Nikolai Michailovitsch Pavlov; Andrei Efimovitsch Runov; Vladimir Pavlovitsch Savukov; Jury Vasilievitsch Sobolev; Valentin Vasilievitsch Sobolev; Nikolai Nikolaevitsch Zorev; Jury Ivanovitsch Zvezdin
Original assignee: CENTRALNYJ NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ INSTITUT TECHNOLOGII MASCHINOSTROENIJA MOSKAU; ISCHORSKIJ ZAVOD IMENI A A SCHDANOVA LENINGRAD
Current assignee: CENTRALNYJ NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ INSTITUT TECHNOLOGII MASCHINOSTROENIJA MOSKAU; ISCHORSKIJ ZAVOD IMENI A A SCHDANOVA LENINGRAD
Priority date: 1975-12-08
Filing date: 1976-12-08
Publication date: 1978-09-21
Also published as: IT1123042B; JPS52104414A; FR2334762A1; DE2655696A1; JPS5831389B2; DE2655696C3; CS186584B1; SE414321B; FR2334762B1; SE7613745L; SU532261A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Stähle, die in der Atomenergieindustrie beim Bau von Kernreaktoren und sonstigen Gefäßen mit einer Wandstärke von etwa mm, die unter Druck betrieben und einer Strahleneinwirkung ausgesetzt werden, Verwendung finden können.

Aus der US-PS 34 24 576 ist ein Stahl bekannt, der in Gew.-%

0,13 bis 0,65 Kohlenstoff,

0,1 bis 0,5 Silizium,

0,45 bis 1,2 Mangan,

bis 1,5 Chrom,

bis 2,0 Nicke',

0,05 bis 0,6 Molybdän,

0,01 bis 0,15 Vanadium oder Niob oder Tantal,

0,05 bis 0,35 Blei,

bis 0,04 Phosphor,

bis 0,05 Schwefel,

Rest Eisen

enthält.

Dieser Stahl kann beim Mittelleistungskernreaktorbau eingesetzt werden.

Dieser Stahl weist jedoch eine geringe Durchhärtbarkeit und eine unbedeutende Kerbschlagzähigkeit auf, weswegen er zur Herstellung von Großerzeugnissen mit einer großen Wanddicke nicht benutzt werden kann.

Aus dem UdSSR-Urheberschein Nr. 441 338 ist ein Stahl bekannt, der in Gew.-%

0,13 bis 0,18 Kohlenstoff,

0,17 bis 0,37 Silizium,

0,3 bis 0,55 Mangan,

1,0 bis 1,5 Chrom,

1,0 bis 1,6 Nickel,

0,51 bis 0,70 Molybdän,

0,01 bis 0,1 Vanadium,

nicht über 0,2 Kupfer,

0,002 bis 0,04 Zer,

Rest Eisen und Begleitstoffe

enthält.

Dieser Stahl besitzt hinreichend gute Schweißbarkeit, und Plastizität und kann daher beim Mittellleistungskernreakiorbau verwendet werden.

Dieser Stahl weist jedoch ungenügende Durchhärtbarkeit, Festigkeit und Spröde-Zäh-Übergangstemperatur auf, wenn er für Schweißstücke mit einer Wanddicke von etwa 650 mm verwendet wird. Das Fehlen eines Stahls, der eine erhöhte Durchhärtbarkeit, eine hinreichend tiefe Sprödigkeitsumwandlungstemperatur ίο und nur eine kleine Verschiebung der Sprödigkeitsumwandlungstemperatur nach der Bestrahlung aufweist, bereitet beim Bau der Kernreaktoren großer Leistung wesentliche Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Be-ϊ seitigung dieser Schwierigkeiten, einen Stahl mit einer solchen Zusammensetzung und einem solchen Verhältnis der Bestandteile zueinander zu schaffen, daß sie ihm im Vergleich zu den bekannten Stählen mit ähnlichem Verwendungszweck eine Erhöhung der Durchhärtbar-2« keit, eine hinreichend tiefe Sprödigkeitsumwandlungstemperatur und eine minimale Verschiebung der Sprödigkeitsumwandlungstemperatur durch Neutronenbestrahlung gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen 2^r> Stahl gelöst, der Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium, Kupfer und Eisen enthält, mit dem Kennzeichen, daß er Aluminium, Stickstoff und Arsen zusätzlich enthält und aus folgenden Gewichtsprozentanteilen der genannten Bestandteile besteht:

0,13 bis 0,18 Kohlenstoff,
0,17 bis 0,37 Silizium,
0,30 bis 0,60 Mangan,
1,7 bis 2,4 Chrom,
1,0 bis 1,5 Nickel,
0,5 bis 0,7 Molybdän,
0,05 bis 0,12 Vanadium,
0,01 bis 0,035 Aluminium,
0,005 bis 0,012 Stickstoff,
0,11 bis 0,20 Kupfer,
0,0035 bis 0,0055 Arsen,
Rest Eisen und Begeleitstoffe.

Der zusätzliche Gehalt an Aluminium von 0,01 bis 0,035 Gew.-% und an Stickstoff von 0,005 bis 0,012 Gew.-% im Stahl führt bei ihrer Wechselwirkung zur Bildung von Nitriden, die die Kornverfeinerung begünstigen, wodurch die Kerbschlagzähigkeit des Stahls, insbesondere bei Minustemperaturen und nach Verformungsalterung, erhöht sowie die Übergangstempel'atur des Stahls vom spröden in den zähen Zustand erniedrigt wird. Dadurch werden die Betriebssicherheit und die Lebensdauer der leistungsstarken Bauteile für die Kernenergieerzeugung erhöht.

Eine Vergrößerung des Aluminiumgehaltes über die genannte Menge hinaus führt zur Erhöhung des Verunreinigungsgrades des Stahles mit Tonerde sowie zur Lösung von metallischem Aluminium im Stahl, was, insbesondere bei Minustemperaturen, die Kerbschlagzähigkeit beeinträchtigt und die Spröde-Zäh-Übergangstemperatur erhöht.

Eine Verminderung des Aluminiumgehaltes unter 0,01 Gew.-% verringert den Beruhigungsgrad und die Entgasung des Stahls.

Eine Vergrößerung des Stickstoffgehaltes über die genannte Menge hinaus ist unerwünscht, weil sie zur Verunreinigung des Stahles mit Nitriden und zur Herabsetzung des Sprödbruchwiderstandes beiträgt während eine Verminderung des Stickstoffgehaltes

unter 0,005 Gew.-% unerwünscht ist, weil sie zur geringeren Bildung von hochdispersen Nitridphasen führt.

Der zusätzliche Arsengehalt von 0,0035 bis 0,0055 Gew.-% bei einem Kupfergehalt von 0,11 bis 0,20 Gew.-°/o gestattet es, den Stahl mit üblichen Einsatzstoffen nach bekannten technischen Verfahren zu erzeugen, wobei die Erreichung von hohen Fertigungsund Betriebseigenschaften des Metalls gewährleistet wird.

Eine Verminderung des Arsengehaltes unter die er- iu wähnte Menge bewirkt eine Erschwerung der Stahlschmelzprozesse, während sich eine Vergrößerung des Arsengehaltes über 0,0055 Gew.-% auf die Strahlungsfestigkeit und Reinheit des Stahls nachteilig auswirken kann.

Der Chromgehalt von 1,7 bis 2,4 Gew.-% im Stahl verbessert seine Durchhärtbarkeit und bietet die Möglichkeit, die Gleichmäßigkeit der Festigkeits- und Plastizitätswerte in Dicken von etwa 650 mm zu erreichen, die Kerbschlagzähigkeit zu erhöhen und die Spröde-Zäh-Übergangstemperatur zu erniedrigen.

Bei einer Verminderung des Chromgehaltes unter 1,7 Gew.-% ist es nicht möglich, die erforderliche Kombination der mechanischen Stahleigenschaften, vor allem die Festigkeitswerte und die tiefe Sprödigkeits-Umwandlungstemperatur zu erreichen. Eine Vergrößerung des Chromgehaltes im Stahl über 2,4 Gew.-% ist unzweckmäßig, weil dabei die Bildung von komplizierten Karbiden möglich ist, was zur Herabsetzung der Kerbschlagzähigkeits- und Festigkeitswerte führt.

Der Chromgehalt bis 2,4 Gew.-% in Verbindung mit Nickel und Molybdän gestattet es, die Festigkeit des Stahls wesentlich zu erhöhen. In diesem Zusammenhang wurden neben Chrom auch 1,0 bis 1,5 Gew.-% Nickel und 0,5 bis 0,7 Gew.-% Molybdän eingeführt.

Der angegebene Kohlenstoffgehalt von 0,13 bis 0,18 Gew.-°/o gestattet es, einen hochfesten Stahl zu erzeugen, ohne daß die Sprödigkeitsum Wandlungstemperatur und die technischen Eigenschaften etwa 650 mm dicker Schmiedestücke verschlechtert werden. w

Der Siliziumgehalt im Stahl innerhalb der erwähnten Grenzen gewährleistet die notwendige vollständige Beruhigung und die Erzeugung eines porendichten Gußstücks.

Eine Vergrößerung des Siliziumgehaltes im Stahl « über 0,37 Gew.-% kann zur Verunreinigung mit nichtmetallischen Einschlüssen führen und die Kerbschlagzähigkeit beeinträchtigen.

Der Vanadiumgehalt von 0,05 bis 0,12 Gew.-% gewährleistet die Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges ^r> <> des Stahls, was zur Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit und zur Erniedrigung der Spröde-Zäh-Bruchtemperatur beiträgt.

Der Hauptbestandteil des Stahls ist Eisen, und neben den erwähnten Legierungselementen sind darin Begleitstoffe: bis 0,02 Gew.-% Schwefel und bis zu 0,02 Gew.-°/o Phosphor enthalten.

Der erfindungsgemäße Stahl kann beim Bau der mächtigen Körper von Kernreaktoren am wirksamsten eingesetzt werden. «)

Nachstehend wird die Erfindung anhand von ungefähren Stahlzusammensetzungen unter Hinweis auf die beigefügte Tabelle näher erläutert.

Der erfindungsgemäße Stahl wird in Lichtbogenoder Siemens-Martin-Öfen nach den bekannten t>s Schmelzverfahren gewonnen. Die Beruhigung des Stahls erfolgt mit in der metallurgischen Praxis üblich verwendbaren Beruhigungsmitteln.

	Kohlenstoff,
Beispiel 1	Silizium,
Ein Stahl enthält in Gew.-%:	Mangan,
0,18	Chrom,
0,26	Nickel,
0,45	Molybdän,
1,89	Vanadium,
1,33	Aluminium,
0,56	Stickstoff,
0,10	Kupfer,
0,02	Arsen,
0.008	Eisen und Begleitstoffe.
0,13
0,004
Rest

Diese Zusammensetzung gewährleistet die Erzeugung eines Stahls, der bei einer Betriebstemperatur von 350°C eine Festigkeit von nicht unter 63,0 kp/mm² und eine Streckgrenze von nicht unter 55,3 kp/mm² aufweist. Die Bruchdehnung und die Einschnürung des Stahls haben hohe Werte und betragen 16,4 bis 19,2% bzw. 71,0 bis 73,5%. Die Kerbschlagzähigkeit des Stahls erreicht hohe Werte während der Prüfungen bei Minustemperaturen und beträgt 113,0 bis 19,4 kpm/cm² bei -20⁰C.

	Kohlenstoff,
Beispiel 2	Silizium,
Ein Stahl enthält in Gew.-%:	Mangan,
0,16	Chrom,
0,21	Nickel,
0,35	Molybdän,
1,76	Vanadium,
1,37	Aluminium,
0,53	Stickstoff,
0,07	Kupfer,
0,03	Arsen,
0,006	Eisen und Begleitstoffe.
0,11
0,005
Rest

Der Stahl dieser Zusammensetzung weist gemäß Zugversuchen bei einer Temperatur von 350° C eine Festigkeit von nicht unter 60,0 kp/mm² und eine Streckgrenze von nicht unter 51,8 kp/mm² auf. Die Bruchdehnung des Stahls beträgt 16,0 bis 18,0% und die Einschnürung 70,4 bis 71,0%. Gemäß Prüfungen bei -20° C beträgt die Kerbschlagzähigkeit des Stahls an Charpy-Spitzkerbproben 19,8 bis 22,0 kpm/cm² und bei -50° C 12,2 bis 19,0 kpm/cm².

	Kohlenstoff,
Beispiel 3	Silizium,
Ein Stahl enthält in Gew.-%:	Mangan,
0,16	Chrom,
0,22	Nickel,
0,38	Molybdän,
2,30	Vanadium,
1,32	Aluminium,
0,57	Stickstoff,
0,10	Kupfer,
0,01
0,005
0,16

0,0055 Arsen,

Rest Eisen und Begleitstoffe.

Die Festigkeit des Stahls dieser Zusammensetzung variiert bei einer Prüftemperatur von 350°C zwischen

59,9 und 60,5 kp/mm², und die Streckgrenze variiert von 51,8 bis 53,6 kp/mm². Die Bruchdehnung des Stahls beträgt 15,2 bis 16,4% und die Einschnürung 72,0 bis 75,0%. Die Kerbschlagzähigkeit des Stahls beträgt gemäß Prüfungen bei +2O⁰C 23,7 bis 26 2 kpm/cm² und bei -20⁰C 12,4 bis 16,8 kpm/cm².

Die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls sind in der beigefügten Tabelle im Vergleich mit einem bekannten Stahl zusammengefaßt.

Zur Gegenüberstellung der mechanischen Eigenschaften bei gleichem Vergütungsverhalten und gleicher Dicke der Schmiedestücke (330 mm) wurde folgende chemische Zusammensetzung des Stahls gewählt.

	Kohlenstoff,	Eisen und Begleitstoffe.
Beispiel 4	Silizium,
Der Stahl enthält in Gew.-%:	Mangan,
0,17	Chrom,
0,26	Nickel,
0,45	Molybdän,
1,74	Vanadium,
1,35	Aluminium,
0,57	Stickstoff,
0,10	Kupfer,
0,02	0,0038 Arsen,
0,007	Rest
0,12

Im Vergleich mit dem bekannten Stahl hat der erfindungsgemäße Stahl unter gleichen Prüfbedingungen bei praktisch gleichen Plastizitätswerten erhöhte Festigkeitswerte: Bei einer Temperatur von +20⁰C hat der erfindungsgemäße Stahl eine Festigkeit von 69,2 bis 71,0 kp/mm², während die des bekannten Stahls 65,5 bis 67,9 kp/mm² beträgt. Die Streckgrenze des erfindungsgemäßen Stahls beträgt 57,7 bis 62,2 kp/mm², während die des bekannten Stahls 49,3 bis 54,6 kp/mm² beträgt. Die Kerbschlagzähigkeit des erfindungsgemäßen Stahls beträgt gemäß Prüfungen an Charpy-Spitzkerbproben bei +20⁰C 26,3 bis 27,5 kpm/crn², während die des bekannten Stahls 16,7 bis 18,0 kpm/crn·¹ beträgt. Bei -20⁰C beträgt sie entsprechend 20,0 bis 23,4 kpm/cm² bei dem erfindungsgemäßen und 2,4 bis 11,6 kpm/cm² bei dem bekannten Stahl. Bei einer Prüftemperatur von - 100° C besitzt der erfindungsgemäße Stahl eine Kerbschlagzähigkeit von 9 kpm/cm².

Der erfindungsgemäße Stahl hat hohe Kerbschlagzähigkeitswerte nach thermischer und Verformungsalterung und eine geringe Empfindlichkeit gegen Spannungskonzentration.

Die hohe Schweißeignung des Stahls ist durch die Kerbschlagzähigkeit des Stahls in der Schweißnahtzone gegeben, die ohne Anlassen bei einer Temperatur von

ι > —20°C 8 bis 9 kpm/cm² beträgt. Der erfindungsgemäße Stahl bietet mit völliger Sicherheit die Rißfreiheit in der Schweißnahtzone von Großelementen bei einer Schweißvorwärmung von nur 150 bis 200⁰C.

Der erfindungsgemäße Stahl weist außerdem eine geringere Verschiebung der Sprödigkeitsumwandlungstemperatur durch Bestrahlung von 260 bis 320° C mit einem Neutronenfluß von 1,3 χ 10²⁰ n/cm² und einer Energie E von über 0,5 MeV beträgt die Erhöhung der Sprödigkeitsumwandlungstemperatur 70 bis 80⁰C.

2> Der Stahl wurde industriell geprüft und in Form von Schmiedestücken, Walzgut und Schweißverbindungen, die durch automatische UP-Schweißung, Handlichtbogen- und Elektroschlacke-Schweißung ausgeführt wurden, vollständig auf seine Eigenschaften untersucht.

j» Der erfindungsgemäße Stahl und seine Schweißverbindungen haben hohe zyklusbeständige Festigkeitswerte in allen Prüfzuständen, stabile Eigenschaften der Warmfestigkeit und der Sprödbruchfestigkeit.

Die durchgeführte Komplexuntersuchung aller Be-

jj triebseigenschaften des Stahls kennzeichnet ihn als einen Werkstoff von hoher Fertigungsgerechtheit, der im Kernenergiemaschinenbau beim Bau von leistungsstarken Kernreaktoren und sonstigen Gefäßen, die unter Druck betrieben und einer Strahleneinwirkung

4(i ausgesetzt werden, Verwendung finden kann.

Tabelle

Mechanische Eigenschaften der Erzeugnisse aus dem erfindungsgemäßen und einem bekannten Stahl

Stahl Beispiel Nr. Prüftemperatur Festigkeit Streckgrenze Bruchdehnung Einschnürung

⁰C kp/mm² kp/mm* % %

Der	Beispiel 1	20	73,3	62,8	22,0	74,6
erfindungs			74,6	64,4	23,4	78,7
gemäße		350	63,0	55,3	16,4	71,0
Stahl			63,5	55,6	19,2	73,5
	Beispiel 2	20	70,6	61,0	21,0	74,7
			72,6	63,0	24,0	75,6
		350	60,0	51,8	16,0	70,4
			61,2	53,6	18,0	71,0
	Beispiel 3	20	70,2	59,8	20,0	75,4
			70,7	61,0	20,3	75,4
		350	59,5	52,0	15,2	72,0
			60,5	53,0	16,4	75,0
Ein bekannter	Beispiel 4	20	69,2	57,7	24,0	77,0
Stahl			71,0	62,2	25,0	79,3
		350	57,8	48,8	17,0	74,6
			61,3	53,0	19,2	76,2
		20	65,6	49,3	20,0	76,6
			67,9	54,6	20,3	77,8
		350	56,3	41,7	19,0	74,2
			57.1	47.0	19.3	75,8

	Tabelle (Fortsetzung)	Beispiel Nr.	26 55	-	'C -5	696	-35	8	-80	-100
7	Stahl			—	16,4 19,4		14,7 19,6		-	-
	Beispiel 1	Kerbschlagzähigkeit, kpm/cm²	—	19,8 22,0		11,8 21,4		—	—
Der erfindungs- gemäße Stahl	Beispiel 2	Prüftemperatur, + 20 0	21,6 25,0	—		—	-50	—	—
	Beispiel 3	2ο!ϊ	LM 23,0	—	(Charpy-Spitzkerbproben)	—	J₁S 19,6	Ϊ04	3,1 9,0
	Beispiel 4	20,2 24,0	—	-20	—	12,2 19,0	-	-
Ein bekannter Stahl		23,7 26,2	13,0 19,6	—
		26,3 27,5	9,4 21,0	15,8 23,0
	16,7 18,0	12,4 16,8	—
	20,0 23,4
	2,4 11,6

Claims

Patentanspruch:

Stahl, der Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium, Kupfer und Eisen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß er Aluminium, Stickstoff Kid Arsen zusätzlich enthält und aus

0,13 bis 0,18% Kohlenstoff,
0,17 bis 0,37% Silizium,
OßO bis 0,60% Mangan,
1,7 bis 2,4% Chrom,
1,0 bis l,5o/o Nickel,
0,5 bis 0,7% Molybdän,
0,05 bis 0,12% Vanadium,
0,01 bis 0,035% Aluminium,
0,005 bis 0,012% Stickstoff,
0,11 bis 0,20% Kupfer,
0,0035 bis 0,0055% Arsen,
Rest Eisen und Begleitstoffe

besteht.