專利名稱：一種低活化核聚變用鋼及其制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料領域，涉及核電用鋼及其制備方法，提供了一種低活化核聚變用鋼及其制備方法。
背景技術：
能源是社會經濟發展的物質基礎，隨著社會的發展和人類文明的進步，人類對能源的需求也越來越大。傳統的煤炭和石油等化石能源，由于其形成周期很長以及儲量有限，已經滿足不了人類對能源不斷增長的需求。核能在經過半個多世紀的研究后，現在已經大規模的應用于發電，對緩解局部地區能源危機起到了一定的作用。目前的核反應堆都是裂變反應堆，雖然在技術上不存在太大的問題，但是重元素的裂變，將給人類留下較多的放射性廢物；而且裂變反應堆采用鈾等作為核燃料，由于鈾在自然界的儲量非常有限，在經過一段時間的開采后會枯竭，到那個時候同樣要面對能源危機的現實。核聚變反應堆是解決未來能源問題的一種非常有效的方法，但是，核聚變反應堆的內部環境對所使用材料的要求非常苛刻，必須具有耐高溫、抗輻照、耐腐蝕等性能，同時還要有較高的力學性能。
發明內容
本發明的目的是設計一種成本低、工藝簡單、具有高強度和塑性的低活化核聚變用鋼，并適用于大規模生產。一種低活化核聚變用鋼，化學成分質量百分比如下
C 0.05 0.1;Si 0. 2 0. 25 ;Mn 0. 4^0. 8 ；P<0. 008 ；S<0. 002 ；N 0. OTO. 04 ；Cr8. 5 9. 5 ；Ti 0. 01 0. 02 ；V 0. I 0. 3 ；Zr 0. 04 0. 06 ；ff I. I 2. 5 ;余量為 Fe 和微量雜質。生產低活化核聚變用鋼的制備方法，包括如下步驟
I)按上述成分冶煉，之后鍛打成80 X 80 X 80mm的方坯。2)鋼坯加熱至1100 1250°C之間，保溫I 2小時。3)奧氏體再結晶區軋制軋制溫度保證在950 1200°C之間，道次變形量>30%。4)奧氏體未再結晶區軋制軋制溫度保證在900 950°C之間，總變形量>40%。5)冷卻制度軋制完成后噴水冷卻至500 600°C的范圍內，冷卻速度在10
30 0C /s，之后空冷至室溫。6)熱處理制度將控軋控冷得到的鋼加熱到980°C保溫0.5 I小時，然后淬火至室溫，冷卻速度在20 30°C /s范圍內；之后將淬火鋼加熱到760°C回火，保溫I 2小時，
然后空冷至室溫。本發明的低活化核聚變用鋼的主要合金元素的作用機理如下
本發明中的C含量為0.05、. 1%，本身有固溶強化作用，另外主要是形成碳化物，以提高合金的高溫強度，同時提高合金的硬度。隨著鋼中碳含量增加，屈服強度和抗拉強度升高，但塑性和沖擊韌性降低，當碳含量超過0. 23%時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結構鋼，碳含量一般不超過0. 20%。為了使低活化核聚變用鋼獲得更好的焊接性能，需降低鋼中的碳含量。碳含量的降低所帶來的鋼的強度的下降，則需用其它方法來彌補。本發明的Mn含量為0. 4^0. 8%，由于本發明中的碳含量較低，所以通過提高錳含量來保證高強度，隨著錳含量的增加，強度增加。但錳含量又不能過高，因為錳含量太高會影響鋼的焊接性能。本 發明中的P〈0. 008%, S<0. 002%，含量極低，是因為P和S在鋼中都是影響性能的有害元素。P會導致鑄坯成分偏析，影響鋼板組織的均勻性4在鋼中以硫化物的形態存在，對鋼板的沖擊韌性是十分不利的，并造成各向異性和增大氫致開裂敏感性。為了保證低活化核聚變用鋼能具有較高的純凈度和均勻性，從而得到良好的高強韌性，必須降低P和S的含量。本發明的Cr含量為8. 5^9. 5%，鉻是中等碳化物形成元素，加熱時溶入奧氏體的Cr能提高鋼的淬透性。另外，鉻含量是強烈影響鋼的韌脆轉變溫度的主要因素，Cr含量為8. 5 9. 5%能獲得較低的DBTT溫度。本發明的V含量為0. ro. 3%，釩是強碳化物形成元素，形成的VC質點穩定性好，質點細小，不易長大，且彌散分布，對晶界起很強的釘扎作用，能有效提高鋼的熱強性，特別是在500°C以上的高溫，V能明顯提高合金的高溫強度。本發明的Zr含量為0. 04、. 06%，鋯是強碳化物形成元素，它在鋼中的作用與鈮、鈦、釩相似。加入少量的鋯元素有脫氣和凈化晶粒作用，有利于改善鋼的性能。本發明的W含量為I. r2. 5%，鎢推遲珠光體轉變，能有效地提高鋼的淬透性。鎢能有效地抑制鋼中有害雜質的偏聚，是消除或減輕鋼高溫回火脆性的有效元素；鎢是強碳化物形成元素，降低鋼中C的活度，且其碳化物穩定不易長大，所以能細化晶粒，提高鋼的回火穩定性。鎢元素能提高固溶體原子間的結合力，所以能提高鋼的熱強性。本發明的低活化核聚變用鋼不僅強度和塑性滿足設計要求，而且由于采用低活化材料的設計理念，鋼中合金元素在中子輻照后轉變的感生放射性核素半衰期較短，方便反應堆構件的維修、核廢料的處理以及回收再用。本發明中未加入微合金Nb和Mo，這是因為雖然鈮能產生顯著的晶粒細化及強化作用，并可改善低溫韌性，鑰可以提高淬透性和熱強性，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力，但是鈮和鑰在中子輻照后生成的感生放射性核素的半衰期為幾萬年和幾千年，所以本發明的低活化核聚變用鋼中未加入該兩種合金。本發明的應用效果(1)本發明作為低活化核聚變用鋼，該鋼被廣泛推薦作為未來聚變堆的包層結構材料。(2)成分采用了低碳、低磷和低硫控制，鋼板中磷的含量確保在
0.008%以下，硫的含量確保在0. 002%以下，從而得到潔凈的低活化核聚變用鋼，鋼板的性能均勻穩定。(3)本發明通過成分設計和工藝優化兩種途徑，開發出了一種低活化核聚變用鋼，室溫力學性能滿足屈服強度>460MPa，抗拉強度>600MPa，延伸率>16%，斷面收縮率>70% ；6000C的高溫力學性能滿足屈服強度>250MPa，抗拉強度>300MPa，延伸率>16%，斷面收縮率>75%，滿足了低活化核聚變用鋼的設計要求。
具體實施例方式實施例的化學成分(wt%)如表I。表I實施例的化學成分(wt%)
權利要求
1.一種低活化核聚變用鋼，其特征是化學成分質量百分比如下C 0. 05 0. I ；Si 0. 2 0. 25 ；Mn 0. 4 0. 8 ；P<0. 008 ；S<0. 002 ；N 0. OTO. 04 ；Cr 8. 5 9. 5 ；Ti 0. 01 0. 02 ；V 0. I 0. 3 ；Zr 0. 04 0. 06 ；ff I. I 2. 5 ;余量為 Fe 和微量雜質。
2.如權利要求I所述的一種低活化核聚變用鋼的制備方法，其特征是包括如下步驟 按權利要求I所述成分冶煉，之后鍛打成80 X 80 X 80mm的方坯； 鋼坯加熱至1100 1250°C之間，保溫I 2小時； 奧氏體再結晶區軋制軋制溫度保證在950 1200°C之間，道次變形量>30% ； 奧氏體未再結晶區軋制軋制溫度保證在900 950°C之間，總變形量>40% ； 冷卻制度軋制完成后噴水冷卻至500 600°C的范圍內，冷卻速度在10 30°C /s,之后空冷至室溫； 熱處理制度將控軋控冷得到的鋼加熱到980°C保溫0. 5 I小時，然后淬火至室溫，冷卻速度在20 30°C /s范圍內；之后將淬火鋼加熱到760°C回火，保溫I 2小時，然后空冷至室溫。
全文摘要
本發明屬于金屬材料領域，涉及核電用鋼及其制備方法，提供了一種低活化核聚變用鋼及其制備方法。該種低活化核聚變用鋼的成分質量百分比為C0.05~0.1，Si0.2~0.25，Mn0.4~0.8，P<0.008，S<0.002，N0.01~0.04，Cr8.5~9.5，Ti0.01~0.02，V0.1~0.3，Zr0.04~0.06，W1.1~2.5，余量為Fe和微量雜質。本發明的核聚變用鋼通過添加適量的合金元素，不僅強度和塑性滿足設計要求，而且由于采用低活化材料的設計理念，鋼中合金元素在中子輻照后轉變的感生放射性核素半衰期較短，方便反應堆構件的維修、核廢料的處理以及回收再利用。
文檔編號C21D8/00GK102628142SQ20121013415
公開日2012年8月8日 申請日期2012年5月3日 優先權日2012年5月3日
發明者唐荻, 李爍, 武會賓, 王一德 申請人:北京科技大學