Конструкционная свариваемая сталь

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к конструкционной стали для изготовления корпусов контейнеров для хранения и транспортировки отработанного ядерного топлива. Цель изобретения состоит в повышении хладостойкости. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас. углерод 0,07 0,13; марганец 0,39 0,80; кремний 0,15 0,41; никель 2,20 - 2,95; молибден 0,05 0,16; ниобий 0,005 0,02; кальций 0,002 - 0,005; азот 0,002 0,011; алюминий 0,005 0,04; железо остальное. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к конструкционным сталям для изготовления корпусов контейнеров для хранения и транспортировки отработанного ядерного топлива.

Для изготовления корпусов рассматриваемого типа в мировой практике широко применяется сталь SA350LF5 (Annual book of ASTM Standards. Iron and Stееl Products, section 1, volume 01.01. ASTM, 1987), имеющая в своем составе, мас. углерод 0,30 марганец 1,35 кремний 0,20-0,35 никель 1,0-2,0 Эта сталь при температуре 59,4^оС обеспечивает уровень ударной вязкости при испытании стандартных образцов сечением 10х10 мм с острым надрезом 20 Дж/см². Такой сравнительно невысокий гарантированный уровень ударной вязкости при минусовых температурах является существенным недостатком указанной стали и свидетельствует о ее недостаточной хладостойкости.

Цель изобретения повышение хладостойкости, выражающееся в заметном повышении величины ударной вязкости при минусовых температурах.

Цель достигается тем, что в стали произвели дополнительное легирование молибденом, ниобием, алюминием, азотом, кальцием, ограничили содержание углерода до 0,13% и содержание примесей серы и фосфора до 0,010% каждого, повысили содержание никеля при следующем соотношении компонентов, мас. углерод 0,07-0,13 марганец 0,39-0,80 кремний 0,15-0,41 никель 2,20 2,95 молибден 0,05-0,16 ниобий 0,005-0,02 кальций 0,002-0,005 азот 0,002-0,011 алюминий 0,005-0,04 железо Остальное содержание примесей должно составлять: серы и фосфора не более 0,010% каждого.

Соотношение указанных легирующих элементов выбрано таким образом, чтобы заявляемая сталь после соответствующей термической обработки обеспечивала высокий уровень сопротивления хрупким разрушением, что определяет высокую надежность изготавливаемого оборудования. Влияние кальция состоит в благоприятном воздействии в направлении измельчения структуры при первичной кристаллизации стали. Введение кальция облегчает также удаление кислорода, отрицательно влияющего на сопротивление стали хрупким разрушениям.

При содержании кальция менее 0,002 его влияние мало известно, при содержании более 0,005 увеличивается количество неметаллических включений.

Азот вводят в сталь в связи с ограничением содержания углерода с целью компенсации его влияния как аустенитообразующего элемента для обеспечения необходимой устойчивости аустенита в интервале температур его минимальной устойчивости. Его оптимальное содержание в стали рассматриваемого типа находится в пределах 0,002-0,011% Легирование стали молибденом имеет целью предотвращение развития отпускной хрупкости, что особенно существенно, имея в виду многократные послесварочные отпуска, которым должны подвергаться сварные конструкции из предлагаемой стали. При содержании молибдена менее 0,05% его влияние резко ослабевает. Содержание молибдена более 0,16% нежелательно, ввиду возможного чрезмерного увеличения твердости зоны термического влияния при сварке и ухудшении свариваемости. Алюминий и ниобий вводятся в предлагаемую сталь в указанных количествах с целью измельчения первичного зерна аустенита и торможения роста зерна при нагреве. Введение этих элементов в сталь в количестве, меньше указанных, мало эффективно. При введении в сталь алюминия сверх указанного верхнего предела его содержания в стали присутствует избыточное количество неметаллических включений, которые отрицательно сказываются на характеристиках всех механических свойств. Превышение указанного выше верхнего предела содержания ниобия приводит к связыванию большого количества углерода и снижению прокаливаемости стали.

Примеры конкретного выполнения. Стали известного и предлагаемого состава выплавлялись в индукционной высокочастотной электропечи ИСТ-16 с разливкой в изложницы емкостью 50 и 100 кг и в электродуговой печи ДС-5МТ с разливкой в изложницы емкостью 7,5 т. При выплавке использовались следующие материалы: ЖР70 90; 45% и 75% ферросилиций, феррониобий, силикокальций, металлический марганец, кусковой и порошковый алюминий, металлический никель и ферромолибден.

Из слитков развесом 50 и 100 кг путем ковки на молоте изготавливались пластины толщиной 60 мм, из слитков развесом 7,5 т путем ковки на прессе плиты толщиной 185 и 195 мм. Температурный интервал ковки 1200-850^оС. Предварительная термическая обработка включала нормализацию от температуры 880-890^оС с охлаждением на воздухе и отпуск при 620-630^оС. Окончательная термическая обработка состояла из закалки в воде от температуры 910-920^оС и отпуска при температурах 620-650^оС. На исследуемом металле методом дуговой сварки электродами ЦЛ-63 были выполнены сварные пробы, которые в соответствии с нормативной документацией для материалов АЭС подвергались послесварочным технологическим отпускам при 600-610^оС общей продолжительностью 29,5 ч. Механические испытания образцов как из известной, так и из предлагаемой сталей были проведены на одном оборудовании по идентичным методикам. Определение ударной вязкости производилось на стандартных образцах типа 11 ГОСТ 9454-78 с острым V-образным надрезом. Испытания производились при температурах +20, -30, -40, -50, -60, -70^оС (см. таблицу).

Результаты испытаний подтвердили целесообразность и рациональность введения в сталь указанных выше легирующих элементов при указанных пределах их содержания. Выход за указанные пределы содержания этих элементов снижает эффективность их использования и отрицательно сказывается на характеристиках ударной вязкости при низких температурах.

Формула изобретения

КОНСТРУКЦИОННАЯ СВАРИВАЕМАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, марганец, кремний, никель, молибден, ниобий, алюминий, азот, кальций, железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

Углерод 0,07 0,13 Марганец 0,39 0,80 Кремний 0,15 0,41 Никель 2,20 2,95 Молибден 0,05 0,16 Ниобий 0,005 0,02 Кальций 0,002 0,005 Азот 0,002 0,011 Алюминий 0,005 0,04
Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1