ТЕПЛОСТОЙКАЯ И РАДИАЦИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ
HEAT-RESISTANT AND RADIATION-RESISTANT STEEL

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сталям для основного оборудования атомных энергетических установок.
Известна радиационно-стойкая сталь 15Х2МФА для изготовления корпусов ядерных реакторов, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, молибден, никель, кобальт, медь, мышьяк, серу, фосфор, сурьму, олово и железо при следующих соотношениях компонентов, мас. %: углерод 0,13-0,18; кремний 0,17-0,37; марганец 0,30-0,60; хром 2,5-3,0; ванадий 0,25-0,35; молибден 0,60-0,80; никель ≈0,4; кобальт ≈0,025; медь ≈0,01; мышьяк ≈0,01; сера ≈0,015; фосфор ≈0,012; сурьма ≈0,005; олово ≈0,005; железо остальное.
(RU 2135623, C22C 38/52, опубликовано 27.08.1999)
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, кобальт, серу, фосфор, мышьяк, сурьму, олово, железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,13-0,18; кремний 0,17-0,37; марганец 0,30-0,60; хром 1,8-2,3; никель 1,0-1,3; молибден 0,5-0,7; ванадий 0,10-0,12; медь 0,005-0,06; кобальт 0,005-0,03; сера 0,0005-0,006; фосфор 0,0005-0,006; мышьяк 0,005-0,010; сурьма 0,0005-0,005; олово 0,0005-0,005; водород 0,0001-0,0002; железо - остальное. При этом суммарное содержание фосфора, сурьмы и олова определяется следующим соотношением (P+Sb+Sn)≤0,012%.
(RU 2441940, C22C 38/60, C22C 38/52, опубликовано 10.02.2012)
Известные стали обладают высокой стойкостью к радиационному охрупчиванию, однако, при характерных для реакторов перспективных проектов повышенных температурах эксплуатации (до 400°C) они не обладают требуемыми характеристиками по пределам текучести и прочности, а также не могут гарантированно обеспечить требуемый ресурс корпуса для реакторов перспективных проектов (до 120 лет).
Задачей изобретения и его техническим результатом является повышение служебных и технологических характеристик стали для корпуса реактора: предела текучести и предела прочности при температуре эксплуатации до 400°C, обеспечение гарантированно низких значений критической температуры хрупкости, повышение стойкости к охрупчиванию при термическом воздействии и нейтронном облучении.
Технический результат достигают тем, что теплостойкая и радиционно-стойкая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, кобальт, серу, фосфор, мышьяк, сурьму, олово, водород, алюминий, азот, кислород, висмут, свинец и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод
0,10-0,20
кремний
0,02-0,40
марганец
0,02-0,60
хром
2,0-2,5
никель
1,25-2,0
молибден
0,35-0,7
ванадий
0,10-0,15
медь
0,005-0,03
кобальт
0,001-0,03
сера
0,0005-0,003
фосфор
0,0005-0,004
мышьяк
0,001-0,004
сурьма
0,001-0,004
олово
0,001-0,004
водород
0,00001-0,00012
алюминий
0,015-0,035
азот
0,0001-0,008
кислород
0,0001-0,0030
висмут
0,001-0,004
свинец
0,001-0,004
железо
остальное
Технический результат также достигается тем, что сталь содержит суммарное содержание фосфора, сурьмы, олова, висмута и свинца, определяемое соотношением (P+Sb+Sn+Bi+Pb)≤0,008 мас. %; дополнительно содержит цирконий, ниобий и редкоземельные металлы, выбранные из группы, включающей иттрий, неодим и празеодим, при следующем соотношении компонентов, мас. %: ниобий 0,005-0,08; цирконий 0,005-0,04; иттрий, и/или неодим, и/или празеодим 0,005-0,12, причем суммарное содержание иттрия, неодима и празеодима составляет 0,005-0,12 мас. %.
Оптимальное содержание углерода 0,10-0,20 мас. %, хрома 2,0-2,5 мас. %, никеля 1,25-2,0 мас. % и ванадия 0,10-0,15 мас. % обеспечивает повышение прочностных и вязко-пластических свойств стали: предела текучести и предела прочности, а также увеличение бейнитной прокаливаемости изделия, например, заготовки элемента корпуса атомного реактора.
Ограничение индивидуального содержания фосфора 0,0005-0,004 мас. %, сурьмы 0,001-0,004 мас. %, олова 0,001-0,004 мас. %, висмута 0,001-0,004 мас. % и свинца 0,001-0,004 мас. %, а также их суммарного содержания ≤0,008 мас. % обеспечивает повышение комплекса вязко-пластических свойств, гарантирует низкие значения критической температуры хрупкости и снижает чувствительность стали к тепловому и радиационному охрупчиванию.
При этом содержание в стали кислорода 0,0001-0,0030 мас. %, азота 0,0001-0,008 мас. % и водорода 0,00001-0,00012 мас. % обеспечивает высокую стабильность вязко-пластических свойств и низкую чувствительность к флокенообразованию.
Введение добавок алюминия 0,015-0,035, а также иттрия 0,005-0,12 мас. %, и/или неодима 0,005-0,12 мас. %, и/или празеодима 0,005-0,12 мас. %, в сочетании с ниобием (0,005-0,08 мас. %) и цирконием (0,005-0,04 мас. %) обеспечивает возможность дополнительного глубокого рафинирования металла от газов и неметаллических включений, что дополнительно обеспечивает гарантированно низкие значения критической температуры хрупкости, повышение стойкости к охрупчиванию при термическом воздействии и нейтроном облучении. При этом суммарное содержание иттрия, неодима и празеодима в стали должно составлять 0,005-0,12 мас. %. Ниобий, кроме контроля границ зерен, в присутствии никеля заметно усиливает эффект дисперсионного твердения, что обеспечивает повышение прочностных характеристик и теплостойкости при сохранении вязко-пластических характеристик на высоком уровне.
Оптимальное содержание алюминия, ниобия, циркония и редкоземельных металлов иттрия, неодима и празеодима обеспечивает глобулярную морфологию, малый размер (≈1 мкм) и равномерное распределение остаточных неметаллических включений (преимущественно, комплексных оксисульфидов). За счет этого улучшается однородность материала, уменьшается анизотропия и количество внутренних дефектов, повышаются механические свойства стали. Снижению содержания неметаллических включений способствует также ограничение содержания серы (0,005-0,003 мас. %).
Были исследованы служебные характеристики стали, содержащей, мас. %: углерод 0,16; кремний 0,032; марганец 0,04; хром 2,2; никель 1,85; молибден 0,55; ванадий 0,12; медь 0,006; кобальт 0,02; сера 0,0008; фосфор 0,0006; мышьяк 0,002; сурьма 0,002; олово 0,002; водород 0,0001; алюминий 0,022; азот 0,0009; кислород 0,0001-0,0012; висмут 0,001; свинец 0,001; железо – остальное.
Установлено, что сталь по изобретению после соответствующей термической обработки обеспечивает требуемый уровень и стабильность важнейших физико-механических свойств, определяющих работоспособность материала при его использовании для изготовления корпуса атомного реактора.
Так, заявляемая сталь обеспечивает категорию прочности КП50-КП55 при температурах до 400°C и имеет критическую температуру хрупкости не выше минус 90°C. Проведенные эксперименты по тепловому охрупчиванию по режиму, эквивалентному 60 годам эксплуатации, показали, что предлагаемая сталь имеет меньший сдвиг критической температуры по сравнению с имеющейся сталью промышленной выплавки (25°C и 40°C, соответственно). Повышенные на 15-20% прочностные свойства стали по изобретению позволят изготавливать из нее корпуса реакторов перспективных проектов с рабочей температурой до 400°C, а высокий уровень вязкопластических свойств и низкая скорость их деградации позволят обеспечить ресурс корпуса реактора до 100-120 лет.