一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢及其制备方法，属于材料技术领域。以重量百分比计，该高强度奥氏体时效不锈钢的化学成分为：Cr:16.0～20.0％，Ni:23.0～27.0％，Si:0.5～6.0％，Mn:1.2～1.6％，Mo:1.2～1.4％，Ti:0.8～1.4％，Al:0.10～0.15％，C<0.01％，O<0.005％，N<0.005％，P<0.01％，S<0.01％，余量为铁。该奥氏体时效不锈钢的制备方法为：配料→纯净化冶炼→浇注成型→锻造和热轧→多级时效热处理。本发明专利技术通过在钢中添加一定含量的钛和铝，采用不同温度的多级时效热处理工艺促进不同尺寸Ni

【技术实现步骤摘要】
一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢及其制备方法
本专利技术涉及一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢及其制备方法，属于材料

技术介绍
核能作为一种安全、清洁、可靠和低碳的可以大规模替代化石燃料的能源，被越来越多的国家所接受。核能是环境友好型的能源，核能的发展一方面可以解决能源问题，但核电站产生的核废料却对环境产生不可避免的污染，核废料即乏燃料的后处理问题一直是核能发展国家所面临的世界性难题，也制约着核电的可持续发展。乏燃料的后处理是核燃料循环中最重要的一个环节，乏燃料溶解器是乏燃料后处理过程中的关键设备，相比较于早期成熟商用的乏燃料批式溶解器，转轮式连续式乏燃料溶解器由于其效率高、处理能力强等一系列优点而备受青睐，现已达到商业应用的水平，核能强国法国已成功建立了世界上唯一投入工业运行的连续式乏燃料溶解器。我国自2010年开始研究，计划于2021年完成科研样机的研制，为2025年建成年处理量可达800吨的大型商用核燃料后处理厂提供技术支撑。转轮式连续乏燃料溶解器结构可分为两部分：一部分是盛装浓硝酸的槽体，另一部分是对乏燃料短段进行操作的成套执行机构(大转轮等机构)。大转轮采用面齿轮的结构形式，与顶盖上的小齿轮构成面齿轮传动模式，带动大转轮转动。转轮式连续乏燃料溶解器的核心部件“大转轮”的服役工况极为苛刻，一方面乏燃料中有一定浓度的Cr6+等氧化性离子，这些氧化性离子会加剧浓硝酸的腐蚀，另一方面“大转轮”还要承受齿轮转动带来的连续磨损，所以不仅要求材料具有耐氧化性离子浓硝酸中的腐蚀性能，而且还要具有一定的硬度，目前商用的奥氏体不锈钢无法兼顾高强度和耐硝酸腐蚀性能。核电强国法国成功商用连续式乏燃料处理器“大转轮”所采用的奥氏体不锈钢使用寿命长达20年之久，而我国目前试验阶段“大转轮”材料使用寿命不到1个月，关键核心部件材料的性能差异悬殊。因此，迫切需要开展连续式乏燃料溶解器“大转轮”所用耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀高强度奥氏体不锈钢的研发。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢及其制备方法，第一采用多级时效热处理工艺，有效增加与基体共格生长不同尺寸FCC相—γ'相Ni3Ti的相含量，提高奥氏体基体的强度和硬度；第二在保证获得完全的奥氏体基体前提条件下，通过优化合金中的硅含量，在钢的表面生成一层具有保护性的硅酸盐氧化物，提高基体在氧化性离子浓硝酸介质中的耐腐蚀性能；第三采用超低碳纯净化冶炼技术，通过降低晶界上的易腐蚀碳化物的数量和钢中的夹杂物含量提高钢的耐腐蚀性能，解决了奥氏体不锈钢强度和腐蚀性能兼顾的技术难点，获得了具有高硬度、高强度和优异耐腐蚀性能的材料。本专利技术的技术方案是：一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢，以重量百分比计，其化学成分为：Cr:16.0～20.0％，Ni:23.0～27.0％，Si:0.5～6.0％，Mn:1.2～1.6％，Mo:1.2～1.4％，Ti:0.8～1.4％，Al:0.10～0.15％，C<0.01％，O<0.005％，N<0.005％，P<0.01％，S<0.01％，余量为铁。所述的耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢，其特征在于，优选的，Si：3.5～4.5％。所述的耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢的制备方法，包括如下步骤：(1)按比例将各化学成分混合，经过纯净化冶炼和浇注获得钢锭；(2)将获得的钢锭在奥氏体相区锻造；(3)锻造后的钢锭进行热轧：轧制温度为1150℃～1200℃，轧制每道次压下量控制为10％～15％，总压下量控制为60％～80％，热轧后空冷至室温；(4)热轧后进行热处理。所述的耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢的制备方法，步骤(2)中，锻造工艺为：初锻造温度1150℃～1200℃，锻造比大于8，锻后空冷至室温。所述的耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢的制备方法，步骤(4)中，热处理工艺为：首先在980℃±20℃保温60min±10min后进行水淬至室温，在735℃±10℃保温16h±1h后空冷至室温，然后在695℃±10℃保温16h±1h后空冷至室温，最后在650℃±10℃保温16h±1h后空冷至室温。所述的耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢的制备方法，热处理后的耐氧化性离子浓硝酸腐蚀高强度奥氏体不锈钢，HRC硬度达到30以上，在95℃含有7g/LCr6+和1.7g/LV氧化性离子6mol/L的硝酸环境中的腐蚀速率小于0.30mm/year。本专利技术的设计思想有三点，如下所述：1)不同尺寸和数量析出相析出对应的多级时效热处理制度：通过在奥氏体钢中加入了质量分数为0.8～1.4％的Ti，采用时效热处理制度，促进基体中析出与其共格的γ'相Ni3Ti，大幅度提高材料基体的硬度和强度。由于γ'相的尺寸与时效处理温度和时间息息相关，通过正交试验确定了本专利技术钢的最佳时效热处理制度：即在735℃±10℃保温16h±1h后空冷至室温，随后在695℃±10℃保温16h±1h后空冷至室温，最后在650℃±10℃保温16h±1h后空冷至室温，采用该热处理制度，促进不同尺寸和数量的γ'相在基体中呈均匀弥散分布，本专利技术钢的HRC硬度达到30以上。2)本专利技术钢中Si含量的优化：本专利技术钢中添加一定含量的Si可以形成硅酸盐覆盖在材料表面，抑制硝酸腐蚀的进一步发生，有效的提高本专利技术钢的耐硝酸腐蚀性能，但是由于Si和Ti均是强烈的铁素体相形成元素，尤其是硅，因此在保证本专利技术钢基体强度所需的Ti含量一定的前提下，优化本专利技术钢中的Si含量至关重要。一方面本专利技术钢中的Si含量较低，耐腐蚀性能不能得到保证，另外一方面如果本专利技术钢中的Si含量较高，易导致高温铁素体相的生成，恶化其力学和腐蚀等综合性能，通过实验获得了本专利技术钢中Si含量的最优范围：3.5～4.5wt％。3)超低碳纯净化冶炼技术：钢中添加一定C，易于钢中的Cr在晶界上形成碳化物，这样不仅降低钢中固溶的Cr含量，在晶界形成局部微电池，大大降低材料的耐腐蚀性能。本专利技术提出超低碳纯净化的成分设计思想，减少热处理过程中晶界上Cr的碳化物析出，提高晶界的耐腐蚀性能，此外采用纯净化冶炼技术，严格控制钢中P、S和O等有害元素的含量，降低钢中晶界上易导致点蚀发生的夹杂物等有害相的含量，进一步提高材料的耐腐蚀性能。本专利技术的优点及有益效果是：本专利技术通过在奥氏体不锈钢中添加一定含量的Ti元素和采用多级时效热处理工艺，实现本专利技术钢中γ'相的均匀弥散分布，促进不同尺寸Ni3Ti析出相的沉淀析出，保证了本专利技术钢的奥氏体基体强度。另一方面在保证单一奥氏体组织的前提下，通过优化本专利技术钢中的Si含量，保证在本专利技术钢表面形成具有连续致密的保护性硅酸盐氧化膜，提高其在氧化性离子浓硝酸中的耐腐蚀性能，获得材料强度和耐腐蚀性能的最佳搭配。最后采用低碳纯净化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢，其特征在于，以重量百分比计，其化学成分为：Cr:16.0～20.0％，Ni:23.0～27.0％，Si:0.5～6.0％，Mn:1.2～1.6％，Mo:1.2～1.4％，Ti:0.8～1.4％，Al:0.10～0.15％，C<0.01％，O<0.005％，N<0.005％，P<0.01％，S<0.01％，余量为铁。/n

【技术特征摘要】
1.一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢，其特征在于，以重量百分比计，其化学成分为：Cr:16.0～20.0％，Ni:23.0～27.0％，Si:0.5～6.0％，Mn:1.2～1.6％，Mo:1.2～1.4％，Ti:0.8～1.4％，Al:0.10～0.15％，C<0.01％，O<0.005％，N<0.005％，P<0.01％，S<0.01％，余量为铁。


2.根据权利要求1所述的耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢，其特征在于，其特征在于，优选的，Si：3.5～4.5％。


3.一种权利要求1～2任一所述的耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按比例将各化学成分混合，经过纯净化冶炼和浇注获得钢锭；
(2)将获得的钢锭在奥氏体相区锻造；
(3)锻造后的钢锭进行热轧：轧制温度为1150℃～1200℃，轧制每道次压下量控制为10％～15％，总压下量控制为60％～8...

【专利技术属性】
技术研发人员：严伟，石全强，李艳芬，单以银，史显波，王威，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21