МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ
LOW-ACTIVATED FIRE-RESISTANT RADIATION-RESISTANT STEEL

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сталей, используемых в ядерной энергетике, в частности, для изготовления деталей активных зон атомных реакторов на быстрых нейтронах и оборудования термоядерных реакторов.
Известна малоактивируемая радиационно стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, медь, молибден, кобальт, вольфрам, иттрий, ниобий, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод - 0,13-0,18; кремний - 0,20-0,35; марганец - 0,30-0,60; хром - 2,0-3,5; никель - 0,01-0,05; ванадий - 0,10-0,35; медь - 0,01-0,10; молибден - 0,01-0,05; кобальт - 0,01-0,05; вольфрам -1,0-2,0; иттрий - 0,05-0,15; ниобий - 0,01-0,05; алюминий - 0,01-0,10; железо - остальное.
При этом суммарное содержание никеля, кобальта, молибдена, ниобия и меди в известной стали составляет не более 0,2 мас.%, а отношение (V+0,3W)/C изменяется в пределах от 3 до 6. Сталь отличается низким уровнем наведенной активности, но не является жаропрочной при температуре, превышающей 500°C.
(RU №2135623, МКИ 6 C22C 38/52, опубликовано 27.08.1999]
Известна малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, титан, бор, церий и/или иттрий, цирконий, тантал, азот и железо при следующем соотношении, мас.%: углерод - 0,10-0,21; кремний - 0,10-0,80; марганец - 0,50-2,00; хром - 10,00-13,50; вольфрам - 0,80-2,50; ванадий - 0,05-0,40; титан - 0,03-0,30; бор - 0,001-0,008; церий и/или иттрий в сумме - 0,001-0,10; цирконий - 0,05-0,20; тантал - 0,05-0,20; азот - 0,02-0,15; железо - остальное.
При этом отношение суммарного содержания ванадия, титана, циркония и тантала к суммарному содержанию углерода и азота составляет от 2 до 9.
Однако жаропрочность этой стали 650°C недостаточна при температурах в активной зоне реакторов нового поколения 650-710°C.
(RU №2211878, C22C 38/32, опубликовано 10.09.2003)
Задачей изобретения и техническим результатом является создание стали, обладающей жаропрочностью до температуры 710°C при сохранении низкого уровня наведенной радиоактивности и быстрого ее спада.
Технический результат достигается тем, что малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам и/или молибден, ванадий, никель, ниобий и/или тантал, бор, церий и/или нитрид циркония, алюминий, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,16-0,25
Кремний
0,30-1,30
Марганец
0,50-2,00
Хром
10,0-13,50
Вольфрам и (или)
0,50-2,50
Молибден
0,60-0,90
Ванадий
0,20-0,40
Никель
0,50-0,80
Ниобий и (или)
0,20-0,40
Тантал
0,01-0,30
Бор
0,001-0,008
Церий и (или)
0,001-0,020
Нитрид циркония
0,05-0,20
Алюминий
0,005-0,02
Железо и примеси
остальное
Технический результат также достигается, если сталь также содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, мас.%: титан 0,03-0,30, азот 0,08-0,17, кальций 0,005-0,02, цирконий 0,05-0,20; суммарное содержание примесей легкоплавких металлов - свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка, не превышает 0,05 мас.%, а содержание неизбежных примесей серы, фосфора и кислорода не превышает, мас.%: сера≤0,008; фосфор≤0,008 и кислород≤0,005.
Легирование титаном, цирконием, азотом и кальцием в составе стали обеспечивает уменьшение активируемости под действием нейтронного облучения и увеличивает скорость спада наведенной активности стали.
Ограничение содержания свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка увеличивает сопротивление стали низкотемпературному радиационному охрупчиванию (НТРО) в условиях нейтронного облучения.
2
23
6
2
2
Высокий уровень жаропрочности обеспечивается за счет образования стабильной мартенситно-ферритной структуры с наличием упрочняющих твердый раствор элементов внедрения (С, N, В) и элементов замещения (W и (или) Mo, V, Nb и/или Ta, Cr, Ni), упрочняющих карбидных (MeC, МеС, MeC и др.), нитридных (MeN, MeN) и карбонитридных (MeCN) фаз, а также частиц фазы Лавеса типа Fe(W,Mo).
Высокое сопротивление низкотемпературному радиационному охрупчиванию (НТРО) обеспечивается за счет ограниченного содержания в структуре стали δ-феррита, предпочтительного выделения в структуре стали карбидов, нитридов и карбонитридов V, Ti, Nb и/или Ta и Zr по сравнению с аналогичными соединениями хрома, дополнительное ограничение содержания в стали легкоплавких элементов (меди, свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка), а также серы, фосфора и кислорода в еще большей степени способствует увеличению сопротивления стали НТРО.
Создание малоактивируемой жаропрочной радиационно стойкой стали осуществляют путем введения в структуру стали мелкодисперсных частиц нитрида циркония, равномерно распределенных в объеме стали. При этом сохраняется комплексное легирование стали элементами с быстрым спадом наведенной радиационной активности и создается определенное соотношение между γ°-стабилизирующими элементами (С, N, Mn, Ni) и α-стабилизирующими элементами (Cr, Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Mo, Nb и др.).
Введение в состав стали мелкодисперсных нитридов циркония позволяет образовать большое количество центров кристаллизации, равномерно распределенных в объеме металла.
В процессе затвердевания стали химически стойкие частицы нитрида циркония, находясь в расплаве, обладают повышенной устойчивостью к диссоциации и будут являться центрами кристаллизации аустенитных зерен, что существенно измельчает первичное аустенитное зерно, увеличивает площадь границ аустенитных зерен, что существенно уменьшает количество карбидов и нитридов ванадия и ниобия, выпадающих по границам аустенитных зерен, и увеличивает их дисперсность. Это обеспечивает увеличение прочностных свойств и одновременно показателей пластичности и вязкости, а также образует выделения, которые увеличивают прочность при повышенных температурах. Нитрид циркония также играет роль дополнительного зародыша фаз, выделяемых при ползучести, благодаря чему образуется более мелкодисперсное распределение фаз и повышается жаропрочность стали.
Содержанием алюминия в количестве 0,005-0,02 мас.% благоприятно изменяет форму неметаллических включений, очищает и упрочняет границы зерен, повышает их пластичность, ударную вязкость и жаропрочность, что приводит к повышению служебных и технологических свойств стали.
Выплавку стали по изобретению проводили в 150-кг индукционной печи, с разливкой металла на слитки (5 плавок), из которых после ковки изготавливались образцы для определения механических свойств и жаропрочности.
В качестве известной стали был выбран металл (сталь ЭП823 - плавка 6) промышленного способа производства, термически обработанный по типовому режиму: нормализация от 1050°C, отпуск при 720°C в течение 3 ч.(Табл.1).
Испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах пятикратной длины с диаметром расчетной части 6 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84 при комнатной температуре и по ГОСТ 9651-84 при повышенных температурах (табл.2). В качестве критерия жаропрочности использовались испытания на длительную прочность, которые проводились по ГОСТ 10145-62 (табл.3).
В таблице 2 приведены механические свойства сталей в зависимости от температуры испытаний, полученные после термообработки: нормализация от 1050°C, отпуск при температуре 730°C, охлаждение на воздухе.
Результаты испытаний на длительную прочность (табл.3) показали, что предлагаемая сталь является более жаропрочной при 650 и 710°C, чем сталь-прототип.
Так как основы заявляемой стали и стали-прототипа близки, то полученные ранее данные расчета кинетики спада наведенной активности (мощности дозы - излучения) в сталях после предполагаемого облучения в термоядерном реакторе ДЕМО в течение 10 лет и последующей выдержки до 500 лет свидетельствуют о сохранении заявляемой сталью низкой наведенной активности стали-прототипа (в особенности для составов стали, где вместо молибдена введен вольфрам, а вместо ниобия введен тантал, а также цирконий и титан, эти элементы, являясь малоактивируемыми, не увеличивают наведенную активность заявляемой стали), особенно заметной после выдержки свыше 10 лет. После выдержки в течение 50 лет с заявляемой сталью можно работать без специальной защиты и отправлять ее на переплав для повторного использования.
Таким образом, предложенная сталь может быть использована в ядерной энергетике для изготовления элементов активных зон атомных реакторов, например оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах типа БН. Использование стали обеспечит высокий народно-хозяйственный эффект за счет повышения свойств жаропрочности и сопротивления низкотемпературному радиационному охрупчиванию.
Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные опробования в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и рекомендована к промышленному опробованию.
Таблица 1
Химический состав предлагаемой и известной стали
Содержание компонентов, мас.%
Номер плавки
1
2
3
4
5
6
Углерод
0,16
0,20
0,25
0,18
0,20
0,16
Кремний
0,30
1,10
1,00
1,20
0,40
1,18
Марганец
0,50
1,20
2,00
2,00
0,80
0,60
Хром
10,00
12,50
13,50
13,00
12,00
10,90
Никель
0,50
0,70
0,50
0,50
0,80
0,80
Молибден
0,60
0,90
-
0,85
0,90
0,76
Вольфрам
0,50
1,80
2,00
1,50
-
0,69
Ниобий
0,20
0,25
-
0.40
0,30
0,33
Тантал
-
0,01
0,15
0,10
0,25
-
Ванадий
0,20
0,25
0,10
0,35
0,25
0,30
Бор
0,001
0,003
0,007
0,006
0,008
0,006
Кальций
0,005
0,005
0,01
0,020
0,02
-
Церий
0,001
0,015
0,005
0,020
0,02
0,10
Алюминий
0,005
0,015
0,008
0,008
0,02
0,02
Нитрид циркония
-
0,20
0,10
0,015
0,40
-
Титан
-
0,035
0,03
-
-
-
Азот
-
0,08
0,15
-
0,17
0,04
Сера
0,008
0,006
0,008
0,008
0,008
0,008
Фосфор
0,008
0,015
0,009
0,008
0,009
0,01
кислород
0,006
0,004
0,005
0,003
0,005
0,006
∑Pb ,Bi, Sb, As, Sn
0,004
0,003
0,004
0,005
0,006
0,006
Железо
Остальное
Остальное
Остальное
Остальное
Остальное
Остальное
Таблица 2
Механические свойства предлагаемой и известной сталей
Состав стали
T исп., °C
σ<sub>0,2, Н/мм</sub> <sup>2</sup>
σ b, Н/мм<sup>2</sup>
δ, %
1
20
850
950
15
650
500
550
20
710
360
380
25
2
20
870
970
14
650
510
560
20
710
365
395
24
3
20
865
1150
15
650
520
570
20
710
350
375
25
4
20
850
950
15
650
500
550
20
710
360
380
25
5
20
870
970
14
650
510
560
20
710
365
395
24
Известная
20
700
820
16
650
320
420
18
710
280
295
25
Таблица 3
Пределы длительной прочности стали в зависимости от температуры испытания
Состав стали
T исп., °C
Длительная прочность, Н/мм<sup>2</sup>, за время 10<sup>5</sup> ч
1
650
120
710
105
2
650
123
710
104
3
650
135
710
110
4
650
130
710
123
5
650
125
710
105
6
650
108
710
85