Жаростойкая сталь
Владельцы патента RU 2362830:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству жаростойких высококачественных сталей с повышенными эксплуатационными и механическими свойствами, применяемыми в атомной энергетике, для деталей гусеничных и других машин, работающих в радиоактивной зоне. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, гадолиний и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,2-0,6, кремний 0,8-1,5, марганец 0,4-1,0, хром 22,0-25,0, никель 12,0-15,0, гадолиний 0,1-0,25, железо - остальное. Улучшаются механические и противорадиационные свойства стали. 2 табл.
Изобретение относится к изысканию новых жаростойких сталей, работающих в условиях стационарного температурно-силового воздействия и, в частности, может применяться в качестве материала деталей атомных станций, деталей гусеничных машин, работающих в зоне радиоактивного заражения.
Известна жаростойкая сталь состава, мас.%: углерод до 0,15; хром 12-27; кремний 1-3; марганец 0,1-5; никель 8-35; иттрий 0,01-0,5; железо - остальное (Патент Японии №26387 М. кл. 10J172, 1976).
Однако такая сталь имеет недостаточно высокие механические свойства при комнатной и повышенной температурах, а также недостаточный уровень противорадиационной защиты и сопротивление межкристаллитной коррозии.
Наиболее близкой к предлагаемой является жаростойкая сталь (А.С. СССР 522269 кл. С22С 38/40, 1976) следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,2-0,6 |
| Кремний | 0,8-1,5 |
| Марганец | 0,4-1,0 |
| Хром | 22-25 |
| Никель | 12-15 |
| Иттрий | 0,05-0,5 |
| Железо | Остальное |
Однако известная сталь имеет недостаточно высокие механические и противорадиационные свойства.
Задача изобретения - повышение механических и противорадиационных свойств стали.
Указанный технический результат достигается тем, что сталь, содержащая углерод, хром, кремний, марганец, никель, железо, дополнительно содержит редкоземельный металл гадолиний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,2-0,6 |
| Хром | 22-25 |
| Кремний | 0,8-1,5 |
| Марганец | 0,4-1,0 |
| Никель | 12-15 |
| Гадолиний | 0,1-0,25 |
| Железо | Остальное |
Предлагаемое изменение состава стали по сравнению с прототипом осуществляется с целью микролегирования и модифицирования металла за счет введения гадолиния, влияние которого основано на химической активности к кислороду, азоту и водороду, сере и другим вредным примесям в стали.
Являясь мощным раскислителем, дегазатором и десульфуратором, гадолиний повышает плотность стали и понижает содержание серы. Упрочняются границы зерен, увеличивается пластичность и ударная вязкость. Увеличивается сопротивление межкристаллитной коррозии. В жидкой фазе идет рафинирование расплава.
Предлагаемая жаростойкая сталь имеет ничтожное сечение захвата тепловых нейтронов, поэтому возникающие при ядерных реакциях элементы практически не дают радиоактивных излучений.
Кремний, имеющий сечение захвата 0,13 барн/ядро, при реакции дает радиоактивный кремний, не излучающий γ-фотонов.
Ядра атомов марганца, имеющие сечение захвата 12,6±0,6 барн/ядро, в данном соединении обеспечивают захват нейтронов 0,7·1024 барн/кг.
Ядра атомов никеля с сечением захвата 4,8±0,2 барн/ядро, в данном соединении обеспечивают захват тепловых нейтронов 13·1024 барн/кг и дают излучение γ-фотонов с энергиями 1,53 МэВ; 158 МэВ; 174 МэВ.
Введение в жаростойкую сталь гадолиния в заявленных пределах, имеющего сечение захвата 16·104 барн/ядро, обеспечивает сечение захвата тепловых нейтронов 6,1·1027 барн/кг, что на 3 порядка превышает сечение захвата тепловых нейтронов марганца и никеля. При захвате ядрами атомов гадолиния тепловых нейтронов образуется изотоп гадолиния стабильный. Таким образом, гадолиний избирательно захватывает тепловые нейтроны, тем самым подавляя образование радиоактивных ядер никеля и марганца.
Сталь выплавляли в индукционной печи с использованием тигля с хромомагнезитовой футеровкой методом переплава. Редкоземельный металл гадолиний вводили в ковш.
Химический состав и результаты сравнения литейных и механических свойств предлагаемой и известной сталей приведены в табл.1 и 2.
| Таблица 1 | ||||||||
| Химический состав предлагаемой и известной сталей, мас.% | ||||||||
| Сталь | С | Cr | Si | Mn | Ni | Gd | Иттрий | Fe |
| Предлагаемая | ||||||||
| 1 | 0,21 | 23 | 0,82 | 0,41 | 12 | 0,1 | - | Остальное |
| 2 | 0,34 | 23 | 1,15 | 0,75 | 13 | 0,15 | - | Остальное |
| 3 | 0,49 | 25 | 1,5 | 1,0 | 15 | 0,25 | - | Остальное |
| Известная | 0,35 | 23 | 1,15 | 0,7 | 13,7 | 0,15 | Остальное |
| Таблица 2 | ||||||
| Литейные и механические свойства предлагаемой и известной сталей | ||||||
| Сталь | Литейные свойства | Механические свойства | Окалиностойкость (потеря веса г/м2 за 1 ч при 1000°С) | |||
| Жидкотекучесть, мм | Линейная усадка, % | Предел прочности, кг/мм2 при | Ударная вязкость, кгс/см2 | |||
| 20°С | 900°C | |||||
| Предлагаемая 1 | 910 | 2,0 | 64,2 | 13,7 | 2,1 | 0,65 |
| 2 | 950 | 2,1 | 64 | 12,2 | 2,5 | 0,6 |
| 3 | 990 | 2,14 | 63,2 | 11,9 | 2,8 | 0,5 |
| Известная | 920 | 1,9 | 62,5 | 10,7 | 1,75 | 0,84 |
Введение в сталь гадолиния, кроме улучшения литейных и механических свойств, повышает радиационную стойкость конструкций, подверженных облучению (оболочек урановых стержней, корпусов и трубопроводов реакторов, корпусов синхрофазотронов).
Гадолиний является наиболее эффективным элементом, который поглощает тепловые нейтроны за счет большего сечения захвата тепловых нейтронов, чем другие элементы ряда РЗМ.
Сталь жаростойкая, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит гадолиний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,2-0,6 |
| кремний | 0,8-1,5 |
| марганец | 0,4-1,0 |
| хром | 22-25 |
| никель | 12-15 |
| гадолиний | 0,1-0,25 |
| железо | остальное |
