Высокопрочная теплостойкая и радиационностойкая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочных теплостойких и радиационностойких сталей, используемых в качестве материала для основного оборудования атомных энергетических установок, роторов паровых турбин, корпусного оборудования для химической и нефтехимической промышленности. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,08-0,12, кремний 0,01-0,10, марганец 0,01-0,10, хром 1,0-1,85, никель 5,0-5,5, молибден 0,40-0,70, вольфрам 0,01-0,60, ванадий 0,10-0,20, азот 0,0001-0,0080, кислород 0,0001-0,0030, водород 0,00001-0,0001, медь 0,005-0,03, кобальт 0,001-0,03, сера 0,0005-0,003, фосфор 0,0005-0,003, мышьяк 0,001-0,004, сурьма 0,001-0,004, олово 0,001-0,004, висмут 0,001-0,004, свинец 0,001-0,004, алюминий 0,015-0,035, бор 0,001-0,003, при необходимости ниобий 0,005-0,07, цирконий 0,005-0,06 и редкоземельные элементы из группы, включающей иттрий, неодим, празеодим или их смесь 0,005-0,07 по отдельности или в сумме, остальное – железо. Суммарное содержание фосфора, сурьмы, олова, висмута и свинца составляет не более 0,007%, а суммарное содержание молибдена и вольфрама определяется соотношением 0,50%≤(Mo+W/2)≤0,80%. Сталь обладает требуемым уровнем прочностных свойств, прокаливаемостью, повышенной температурой эксплуатации, гарантированно низким значением критической температуры хрупкости и повышенной стойкостью к охрупчиванию при термическом и радиационном воздействии. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к составам сталей для основного оборудования атомных энергетических установок, роторов паровых турбин, корпусного оборудования для химической и нефтехимической промышленности и может быть использовано для корпусов водо-водяных энергетических реакторов со сверхкритическим давлением теплоносителя.

Известны стали, применяемые для указанной цели, например стали типа Fe-Cr-(Ni)-Mo-V (патенты №2139952, №2166559, №2397272, №2441939, №2448196, №2009261), Fe-Cr-W-V (RU 2135623 C1) и другие аналогичные стали, описанные в научно-технической и патентной литературе, однако они имеют недостаточный механические и вязко-пластические свойства.

Наиболее близкой по назначению и технической сущности является зарубежная сталь типа ASTM А508 Grade 4N, имеющая следующий состав

Углерод 0,10-0,20,

Кремний ≤0,12

Марганец ≤0,12

Хром 1,70-2,2

Никель 2,8-3,9

Молибден 0,35-0,60

Ванадий 0,01-0,06

Однако известная сталь не обеспечивает современного уровня требований в отношении прочностных свойств и теплостойкости, а именно, обеспечивает категорию прочности не выше КП55 при 350°С.

Задачей изобретения является - является создание стали, обладающей более высоким комплексом прочностных и вязко-пластических свойств по сравнению с известными сталями, повышенной температурой эксплуатации и высоким сопротивлением тепловому и радиационному охрупчиванию, что обеспечивает возможность применения ее для перспективных энергоустановок с повышенным ресурсом и надежностью, роторов турбин и корпусного оборудования для химии и нефтехимии.

Технический результат - повышение уровня прочностных свойств, увеличение прокаливаемости для стабильного получения высокого уровня свойств для заготовок сечением свыше 600 мм, повышение температуры эксплуатации до 500°С, при гарантированном обеспечение низких значений критической температуры хрупкости Т_к (не выше -100°С в исходном состоянии), повышение стойкости к охрупчиванию при термическом воздействии, стойкости к радиационному охрупчиванию и обеспечение благоприятной эволюции структуры по сему циклу горячего передела, что достигается оптимизацией содержания основных легирующих элементов, увеличением содержания никеля, повышением требований к чистоте по вредным элементам (сера, фосфор, "цветные" примеси), снижением минимально допустимых содержаний кремния и марганца, нормированием содержания кислорода, азота, бора и водорода и выбором определенного суммарного содержания фосфора, мышьяка сурьмы, олова, висмута и свинца при следующем соотношении компонентов, масс. %: (P+As+Sb+Sn+Bi+Pb≤0,007).

Данный технический результат достигается тем, что в предлагаемой стали изменены пределы содержания, никеля, хрома, ванадия, марганца и кремния, снижены допустимые пределы содержания вредных и примесных элементов: углерод 0,08-0,12%; кремний 0,01-0,10%; марганец 0,01-0,10%; хром 1,0-1,85%; никель 5,0-5,5%; молибден 0,40-0,70%; вольфрам 0,01-0,60%; ванадий 0,10-0,20%; азот 0,0001-0,0080%; кислород 0,0001-0,0030%; водород 0,00001-0,0001%; медь 0,005-0,03%; кобальт 0,001-0,03%; сера 0,0005-0,003%; фосфор 0,0005-0,003%; мышьяк 0,001-0,004%; сурьма 0,001-0,004%; олово 0,001-0,004%; висмут 0,001-0,004%; свинец 0,001-0,004%; алюминий 0,015-0,035%; бор 0,001-0,003%; железо - остальное, а так же введены вольфрам, ниобий, элементы 4 группы (цирконий) и редкоземельные металлы как по отдельности, так и вместе, предпочтительно из группы содержащий неодим, празеодим, иттрий.

Изменение пределов содержания, основных легирующих элементов обеспечивает повышение прочностных и вязко-пластических свойств, улучшение теплостойкости увеличение прокаливаемости.

При содержании углерода ниже 0,08% не обеспечивается требуемый уровень прочностных свойств в больших сечениях, при увеличении его содержания выше 0,12%о ухудшаются вязко-пластические свойства и растет критическая температура хрупкости за счет увеличения содержания и роста размеров карбидов типа М₂₃С₆ и появления в структуре стали карбидов цементитного типа. Кроме того, увеличение содержания углерода повышает сдвиг критической температуры хрупкости под влиянием нейтронного облучения при повышенных температурах за счет интенсивного радиационно-индуцированного дисперсионного твердения, а так же увеличивает склонность стали к ликвации при отливке крупных слитков.

При содержании хрома ниже 1% не обеспечивается высокий уровень вязко-пластических свойств и низкая критическая температура хрупкости за счет появления в структуре стали карбидов цементитного типа, выделяющихся преимущественно по границам зерен. При содержании хрома выше 1,85% может увеличиваться склонность стали к тепловому охрупчиванию за счет повышения активности фосфора и цветных примесей, а так же увеличивается склонность к ликвации.

При содержании никеля ниже 5.0% не обеспечиваются требуемые прочностные свойства, требуемые значения критической температуры Тк и прокаливаемость в больших сечениях. При содержании никеля выше 5,5% значительно снижаются значения критических точек, что ограничивает температуру отпуска и теплостойкость стали, а так же не позволяет стабилизировать структуру стали в отношении радиационно-индуцированного дисперсионного твердения, что может вызвать значительное охрупчивание стали при нейтронном облучении в диапазоне 350-550°С.

При содержании молибдена ниже 0,5% не обеспечивается требуемый уровень прочностных свойств и могут снижаться вязко-пластические свойства и прокаливаемость. При содержании молибдена выше 0,70% в структуре стали могут появляться карбиды типа М₂С, что может улучшать прочностные характеристики и теплостойкость но несколько снижает вязкость стали.

Введение вольфрама в количестве 0,01-0,060% обеспечивает эффективное твердорастворное и дисперсионное упрочнение стали с выбранной системой легирования, сохранение мелкозернистой структуры, что обеспечивает высокий комплекс механических свойств и высокую теплостойкость. При этом достигается практически полное растворение карбидов вольфрама/молибдена при температуре аустенизации и их выделение при отпуске.

Содержание ванадия в пределах 0,10-0,20% обеспечивает эффективное дисперсионное упрочнение стали карбидами типа МС, что приводит к повышению прочностных свойств и теплостойкости, при этом карбиды ванадия практически полностью растворяются при температуре аустенизации.

При содержании ниобия в пределах 0,005-0,07% его карбиды частично растворяются при температуре аустенизации и выделяются при отпуске, обеспечивая эффективное дисперсионное твердение, а частично остаются нерастворенными, контролируя границы зерен и обеспечивая мелкозернистую структуру. В процессе горячей деформации карбиды ниобия позволяют эффективно контролировать границы зерен и субзерен. При меньшем содержании ниобия его влияние на свойства стали является незначительным, а при более высоком – могут ухудшаться вязко-пластические свойства за счет укрупнения карбидов типа Мс и появления в низкоуглеродистой стали фаз Лавеса. Таким образом, диапазон содержания ниобия в стали назначен в пределах 0,005-0,07%.

Снижение содержаний кремния и марганца до уровня их содержания в чистых шихтовых материалах (0,02-0,12%) обеспечивает снижение склонности стали к ликвации при разливке крупных слитков, а так же снижает чувствительность к радиационному и тепловому охрупчиванию в стали с относительно высоким содержанием никеля.

Содержание бора в диапазоне 0.001-0,003% в присутствии элементов 4 группы обеспечивает эффективное насыщение бором твердого раствора и подавление выделения доэвтектоидного феррита в процессе охлаждения а так же модифицирует карбиды типа М₂₃С₆, уменьшая их размеры и снижая склонность к коагуляции и коалесценции, при этом не образуется легкоплавких эвтектик, ухудшающих ковкость.

В целом выбранная система легирования обеспечивает оптимальные для получения требуемого комплекса свойств температуры закалки и отпуска, а так же обеспечивает высокую (свыше 2500 мм) прокаливаемость, при этом в зависимости от сечения формируется мартенситная или бейнито-мартенситная структура, оптимальные для достижения высокого комплекса прочностных и вязко-пластических свойств.

Для обеспечения оптимального комплекса прочностных и вязко-пластических свойств, теплостойкости и стойкости к тепловому охрупчиванию введены следующие соотношения для молибдена и вольфрама: (Mo+W/2)=0,5-0,8.

Ограничение индивидуального и суммарного количества вредных элементов обеспечивает повышение комплекса вязко-пластических свойств, гарантирует обеспечение низких значений критической температуры хрупкости Тк и снижает чувствительность стали к тепловому и радиационному охрупчиванию.

Нормирование содержания кислорода, азота и водорода обеспечивает высокую стабильность свойств, снижение чувствительности к флокенообразованию, стабилизирует эффект микролегирования и модифицирования стали.

Введение добавок таких сильных раскислителей и модификаторов, как Zr, Y, Nd, Pr, создает возможность дополнительного глубокого рафинирования металла от газов и неметаллических включений. При этом остаточные неметаллические включения (преимущественно, комплексные оксисульфиды) имеют малый размер (~1 мкм), благоприятную глобулярную морфологию и равномерное распределение. За счет этого улучшается однородность материала, уменьшается анизотропия и количество внутренних дефектов, повышаются механические свойства стали.

Введение оптимальных количеств Zr обеспечивает получение мелкозернистой структуры, а введение редкоземельных металлов, предпочтительно Y, Nd, Pr повышает стойкость стали к радиационному и тепловому охрупчиванию, как за счет снижения мобильности фосфора и других вредных примесей, так и за счет специфического взаимодействия элементов с большим атомным радиусом с радиационными дефектами. Введение ниобия, наряду с ранее перечисленными элементами обеспечивает получение мелкозернистой структуры уже в процессе горячей деформации и дальнейшую благоприятную эволюцию зеренной структуры стали при ТО.

Снижению содержания неметаллических включений способствует также ограничение содержания серы до уровня, стабильно обеспечиваемого современными металлургическими процессами.

Примеси As, Sb, Sn, Bi, Pb, Cu, S и P оказывают отрицательное влияние на сопротивление стали хрупким разрушениям, кроме того As, Sb, Sn, Bi, Cu и P увеличивают чувствительность стали к радиационному и тепловому охрупчиванию и поэтому ограничивается их индивидуальное и суммарное содержание согласно достигнутым уровням, стабильно обеспечиваемым на современных металлургических предприятиях.

Так, заявляемая сталь обеспечивает категорию прочности КП70 и более при температуре до 500°С и имеет критическую температуру Тк не выше минус 100°С. Высокие прочностные характеристики предлагаемой стали в сечениях до 2500 мм позволят изготавливать из нее корпуса реакторов перспективных проектов с рабочей температурой до 400°С и выше, крупногабаритные ротора паровых турбин и корпусное оборудование для химической и нефтехимической промышленности. При этом высокий уровень вязко-пластических свойств и низкая скорость их деградации позволяют обеспечить ресурс корпуса реактора до 100-120 лет.

Сталь имеет мелкозернистую структуру с характерным размером зерна ≈3 мкм (балл 13-14).

1. Высокопрочная теплостойкая и радиационностойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, кобальт, серу, фосфор, мышьяк, сурьму, олово, висмут, свинец, кислород, азот, водород, при необходимости ниобий, цирконий и редкоземельные элементы, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вольфрам и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,08-0,12,

кремний 0,01-0,10,

марганец 0,01-0,10,

хром 1,0-1,85,

никель 5,0-5,5,

молибден 0,40-0,70,

вольфрам 0,01-0,60,

ванадий 0,10-0,20,

азот 0,0001-0,0080,

кислород 0,0001-0,0030,

водород 0,00001-0,0001,

медь 0,005-0,03,

кобальт 0,001-0,03,

сера 0,0005-0,003,

фосфор 0,0005-0,003,

мышьяк 0,001-0,004,

сурьма 0,001-0,004,

олово 0,001-0,004,

висмут 0,001-0,004,

свинец 0,001-0,004,

алюминий 0,015-0,035,

бор 0,001-0,003,

при необходимости ниобий 0,005-0,07, цирконий 0,005-0,06 и редкоземельные элементы из группы, включающей иттрий, неодим, празеодим или их смесь 0,005-0,07 по отдельности или в сумме,

остальное – железо.

2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что суммарное содержание фосфора, сурьмы, олова, висмута и свинца определяется следующим соотношением (P+As+Sb+Sn+Bi+Pb)≤0,007%.

3. Сталь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что суммарное содержание молибдена и вольфрама определяется соотношением 0,50%≤(Mo+W/2)≤0,80%.