NO115933B - - Google Patents

Description

Utglødete nikkelkromlegeringer med motstandsevne like overfor spennings-korrosjonsangrep fra luftet høyrent vann under trykk.

Forskjellige artikler som trykkar, varmeutvekslere og damp-generatorer, eller deler av slike artikler utsettes under bruken for høyrent vann under trykk ved forhøyede temperaturer. Disse artikler og deler kan fordelaktig fremstilles av nikke1-kromlegeringer, f.eks. legeringer som inneholder ca. 20 % krom, eller av nikkelkromjernlegeringer, f.eks. legeringer som inneholder fra 75 til 85 % nikkel, 14 til 16 % krom og opp til 8 % jern.

Høyrent vann, ved hvilket uttrykk det her forståes vann som har et innhold av totale faste stoffer av mindre enn ca. 1 del pr. mil-lion basert på vekt og som er blitt destillert, deionisert eller på annen måte behandlet slik at det har en spesifikk motstand av 500 000 ohm-cm eller høyere, er normalt oksygenfritt. Imidlertid er det nylig blitt meddelt at, på grunnlag av laboratorieforsøk, hvis vannet er Kfr. kl. -'10b-39/22 er forurenset med oksygen og er under trykk ved forhøyede temperaturer, f.eks. 150°C og høyere, og særlig i området 300 til 350°C, vil nikkelkrom- og nikkelkromjernlegeringer som utsettes for innvirkningen av vannet under disse forhold, være tilbøyelig til iritérgranulær sprekning som et resultat av spenningskorrosjonsarigrep. Denne sprekning be-gunstiges også av andre faktorer, og en av disse er tilstedeværelsen av kløfter eller spalter eller riss i overflaten av legeringene. Tilstedeværelsen av slike kløfter i en legering som er ømfintlig like overfor spenningskorrosjonsangrep har det uønskede resultat at korro-sjonsproduktet vil kunne samle seg opp i disse kløfter (den -såkalte "kløftoppbygning") og innvirke uheldig på bevegelige deler som har en liten klaringstoleranse. Imidlertid er det overordentlig vanskelig om ikke umulig å unngå at det opptrer slike kløfter og andre overfla-temangler pa finishbehandlede deler fremstillet fra slike deler. En annen faktor som begunstiger spenningskorrosjonsangrep er at legeringene på forhånd er blitt følsomme eller sensibilisert ved opphetning i temperaturområdet 425 til 800°C, som f.eks. finner sted som en føl-ge av sveiseprosesser, såkalt sveiserissømfintlighet.

Det krever omstendelige forholdsregler og utøvelsen av stor omhyggelighet å holde høyrent vann oksygenfritt. Dette høyrene vann anvendes i en økende utstrekning ved forhøyede trykk og temperaturer i kjerneutstyr, f.eks. kjernekraftanlegg, og det omhyggelige arbeide som utføres for å hindre vannets forurensning ved bruk antar man er årsaken til at det i praksis ikke opptrer spenningskorrosjonsangrep på slikt utstyr. Muligheten av forurensning med oksygen kan imidlertid ikke fullstendig utelukkes og som følge av de meget alvorlige føl-ger som vil kunne resultere fra spenningskorrosjonssprekning av kompo-nentene og karene i kjernespaltningsanlegg så foreligger det et behov for legeringer med øket motstandsevne like overfor spenningskorrosjons-<->angrep av luftet høyrent vann under trykk ved forhøyede temperaturer for å nedsette denne risiko. Det er et formål for foreliggende opp-finnelse å tilveiebringe slike legeringer.

I overensstemmelse med det foran anførte går oppfinnelsen

ut på utglødete legeringer med motstandsevne like overfor spennings-korros jonsangrep fra luftet høyrent vann under trykk ved høye temperaturer é særlig for bruk i kjernereaktorer, og det karakteristiske ved legeringene er at de inneholder fra 14 til 30% krom, fra 0 til 50 % jern, fra 0,003 til 0,05 % aluminium, fra 0,005 til 0,15 % titan, fra 0,01 til 0,3 % silisium og fra 0,01 til 0,15 % karbon, mens resten bortsett fra forurensninger og gjenværende deoksyderende substanser er nikkel i en mengde av i det minste 30 %, og i hvilken hvis karboninnholdet

overskrider 0,03 % representeres kornstørrelsen og hårdheten ved et f; punkt innenfor det skraverte området på figur 1 i hosføyede tegning,

v og hvor kornstørrelsen og hårdheten vil hvis legeringen var opphetet til 700 oC i 1 time og luftkjølet, representeres av et punkt innenfor [; det skraverte området på fig. 2. j

Fortrinnsvis overskrider jerninnholdet ikke 25 %. En særlig-fordelaktig legering inneholder fra 14 til 25 % krom, 1 til 8 % jern, 0,005 til 0,025 % aluminium, 0,01 til 0,1 % titan, 0,01 til 0,25 % silisium og 0,01 til 0, 1 % karbon, mens resten bortsett fra forurensninger og gjenværende deoksyderende stoffer er nikkel.

Nikkelkrom- og nikkelkromjernlegeringene inneholder således kontrollerte mengder av aluminium og titan som er mindre enn de som normalt innføres i slike legeringer for å desoksydere dem og forbedre deres varmbearbeidbarhet, sammen med små kontrollerte mengder av sili-, sium.

På hosføyede tegninger er hårdheten i Vicker-skalaen opp-ført mot kornstørrelsen i ASTM-skalaen og de strekede områder under og til venstre for linjen AB på figur 1, representerer den ønskede korrelasjon mellom hårdheten og kornstørrelsen i utglødede legeringer-,, dvs. etter hurtig avkjøling fra en utglødningsvarmebehandling. Det strekede området under og til venstre for linjen CD på figur 2 representerer på lignende måte den ønskede korrelasjon mellom hårdheten og kornstørrelsen etter en sensibiliserende varmebehandling omfattende opphetning ved 700°C i 1 time og luftkjøling.

Kornstørrelsen og hårdheten til legeringene er av betydning, da relativt bløte, finkornede legeringer har en tendens til å oppvise større motstandsevne like overfor spenningskorrosjonsangrep. Korn-størrelsen er betydningsfull fordi mottageligheten eller tilbøyelighe-ten til spenningskorrosjonsangrep beror på konsentrasjonen av karbider_ ved korngrensene. Jo mindre kornstørrelsen er, jo større er korngren-seområdet over hvilket en bestemt mengde av karbider er fordelt og jo lavere er karbidkonsentrasjonen. Av samme grunn er karboninnholdet i en grovkornet legering fordelaktig lavere enn karboninnholdet i en finkornet legering. Hva nu enn kornstørrelsen er, er karboninnholdet fordelaktig så lavt som mulig og fortrinnsvis skal det ikke utgjøre mer enn-*0,03 %. Hvis karboninnholdet overskrider 0,03 %, er det ikke tilstrekkelig bare å sikre at legeringene har den ovenfor angitte sam-mensetning, men dessuten må legeringenes kornstørrelse og hårdhet, i den utglødede tilstand i hvilken de normalt anvendes, representeres . av et punkt innenfor det strekede område på figur 1. Videre må de også tilfredsstille det krav athvis de gjøres følsomme eller sensibi- liseres ved opphetning til 700°C i 1 time og deretter luftkjøles, må kornstørrelsen og hårdheten representeres av et punkt innenfor det mer begrensede strekede området på figur 2. Grunnen til dette er at en sensibilisert legering må ha større motstandsevne like overfor spen-ningskorros jonsangrep og derfor må hårdheten være mindre og kornstør-relsen mindre. For å sikre at legeringene er i besittelse av den kre-vede kornstørrelse og hårdhet må forholdene ved den mekaniske bearbei-delse og utglødning kontrolleres. ;Hårdheten og kornstørrelsen er avhengig både av sammenset-ningen av legeringene og av den mekaniske behandling og varmebehandling som de utsettes for. Høye innhold av titan eller aluminium fører således til en øket hårdhet. ;Aluminium, titan og silisium må imidlertid være til stede i de minimumsmengder som er anført ovenfor for å sikre at legeringene er tilfredsstillende desoksydert og er varmbearbeidbare. Ved tilstedevæ-relse av mengder som er større enn de anførte maksima, kan imidlertid spenningskorrosjonssprekning finne sted når de utsettes for luftet høy-rent vann ved forhøyet trykk og temperatur. F.eks. har sprekkdannel- ;se funnet sted under disse forhold i legeringer som inneholder 0,07 % aluminium eller 0,17 % titan eller 0,44 % silisium, men hvilke forøv-rig er i overensstemmelse med oppfinnelsen. ;Jerninnholdet i legeringene er fordelaktig ikke mer enn 25 % og fortrinnsvis ikke mer enn 10 %. Den høyeste motstandsevne like overfor spenningskorrosjonsangrep oppvises av legeringer som inneholder fra 14 til 25 % krom, 1 til 8 % jern, 0,005 til 0,05 % aluminium, 0,01 til 0,1 % titan, 0,01 til 0,25 % silisium og 0,01 til 0,1 % karbon, mens resten, bortsett fra forurensninger og gjenværende desoksyderende stoffer, er nikkel. ;Av de forurensninger som vanligvis er til stede i nikkelkrom-— legeringer skal mengdene av svovel og fosfor holdes så lave som mulig i overensstemmelse med industriell praksis og mengden av mangan skal ikke overskride 2 % og fortrinnsvis ikke utgjøre mer enn 1 %. ;Mens legeringene kan utglødes ved hvilken som helst passen-de temperatur over sensibiliseringsområdet, dvs. ved minst 815°C og opp til 1150°C, vil høytemperaturutglødningsbehandlinger, med eller uten anvendelse av koldvalsing, føre til grove kornstrukturer, særlig når legeringene deretter utsettes for en sensibiliseringsbehandling; for å nedsette kornstørrelsen til et minimum er det derfor å foretrek-ke at legeringene ikke skal utglødes ved temperaturer over 930°C og mest fordelaktig utføres utglødningen i området 840 til 900°C. Ved den lave side av temperaturområdet skal legeringene holdes ved utglødningstem-peraturen i ca. 1 til 2 timer eller mer, mens ved den høye side av tem peraturområdet, f»eks. ved 1095°C, skal de holdes ved utglødningstempe-raturen i bare noen få minutter. En meget tilfredsstillende måte for oppnåelse av en fin kornstørrelse er å koldvalse legeringene for å re-dusere tykkelsen med opp til 50 %, f.eks. fra 25 til 40 %, og deretter utgløde legeringene ved 840 til 900°C. Denne behandling tilveiebrin-ger en ASTM-kornstørrelse av nr. 9 eller mindre og er videre gunstig ved at høyere mengder av karbon kan anvendes, hvis dette er ønskelig, enn det ellers vil kunne være tilfellet. Koldvalsing er fordelaktig da den. fører til en forlenget kornstruktur som er mer motstandsdyktig like overfor intergranulært angrep. Den beste tilstand er en bløt, forlenget og finkornet karbonfattig legering. ;Som eksempler ble det fremstillet legeringer med de sammensetninger som er oppført i tabell I, i hvilken legeringene 1 til 7 er i overensstemmelse med oppfinnelsen og legeringene A til M er ikke i overensstemmelse med oppfinnelsen. ; Alle legeringene ble fremstilt ved vakuumsmeltning fra materi-I 1 aler med relativt høy renhet og de ble støpt som 4,5 kg's bokker eller barrer. Etter at overflatefeil var fjernet, ble blokkene smidd og varm-valset så at det ble danriet 5 mm tykke plater hvilke deretter ble kold--valset til en tykkelse av 3 mm, og deretter ble de kuttet opp til strimler. To strimler av hver legering ble derpå utsatt for en utglødnings-varmebehandling beståeadé i oppløsningsoppvarmning ved 1065°C i 15 minutter etterfulgt av vannbråkjøling og den høye temperatur ved opp-løsningsbehandlingen ble anvendt med hensikt for å øke prøvens streng-het. To ytterligere strimler av hver legering ble utsatt for en sensibiliserende varmebehandling ved hvilken de ble holdt ved 700°C i 1 ti-me og luftkjølt. Hvert par av strimlene ble bøyet rundt en dor eller spindel så at det ble dannet prøvestykker som var U-formet og benene til de U-formede prøvestykker ble holdt parallelle ved hjelp av en klemme. Før bøyningen ble hver strimmel av hvert par slipt til en dybde av 0,13 mm over en lengde av 2,5 cm i midten, slik at det ble dannet i strimlen etter bryningen en avsmalnende fordypning eller spalte. Prøvestykkene ble deretter utsatt for spenningskorrosjonsfor-søk ved hvilke de ble anbragt i autoklaver og neddykket i en prøve-qpplØsning bestående av høyrent vann som var blitt mettet med luft -ved 1 atmosfære og regulert til en pH av 10, og autoklavene ble fylt med luft i rommet over oppløsningen og opphetet til 315 til 350°Co Forsøkene ble fortsatt i et maksimum av 8 uker og autoklavene ile åpnet hver 2. uke og -prøvestykkene ble undersøkt med hensyn til sprekker. Når sprekkdannelse ikke kunne iakttas med det blotte øyet, Isle prøvene påny igangsatt med frisk oppløsning. De prøvestykker som ikke oppviste synlig sprekkdannelse ved slutten a/ 8 uker ble deretter -undersøkt metallografisk. ;Tabell II viser middelshårdheten og kornstørrelsen av hver av prøvestykkene av hver legering i den utglødede og sensibiliserte tilstand, tiden i uker till det oppstod synlig sprekning og resultatene av den endelige metallografiske undersøkelse hvor "C" betyr at det ble dannet sprekker. ; "-" viser at det ikke kunne påvises noen sprekker etter 8 uker. ; Resultatene i tabell II viser at ålle legeringene A til M med sammensetninger ikke i overensstemmelse med oppfinnelsen, oppvi» ser sprekker som følge av forsøkene. Legeringene H, I og K som. inne» holdt for meget titan, oppviste høy hårdhet og viste sprekker skjønt de hadde en kornstørrelse av ASTM nr. 8 eller mindre. At lave hård» hetsverdier ikke nødvendigvis medfører motstandsevne like overfor ;spenningskorrosjonssprekning fremgår av resultatene for legeringene;, B, C og F. Disse legeringer inneholdt for store mengder aj.umini*jm (legeringene B og C) og titan (legering F), og oppviste sprekker skjønt deres utglødede hårdhet ikke overskred 148 VHN. Resultatene for legeringene A, D og L viste også at tilstedeværelsen av alum£fl.iw$/

titan eller silisium, i mengder så lave som 0,07 %, 0,17 % og 0,44 %,

førte til sprekkdannelse skjønt forholdet mellom hårdhet og kornstør-

relse kan gjengis ved et punkt innenfor det skraverte område på figure-

ne 1 og 2. Resultatene for legering M viser at når forholdet mellom hårdhet og kornstørrelse i henhold til figurene 1 og 2 ikke er tilfreds-

stillet, kan det oppstå sprekkdannelse skjønt legeringens sammenset-

ning er innenfor det foran angitte område.

I motsetning til legeringene A til M oppviser legeringene

nr. 1 til 7 tilfredsstillende motstandsevne like overfor spennings-

korros jonsangrep under de samme prøveforhold. Sammensetningene av hver av legeringene nr. 1 til 7 er i overensstemmelse med oppfinnelsen og likeså også forholdet mellom hårdheten og kornstørrelsen.

Som følge av deres lave innhold av titan og aluminium er

ikke legeringene i henhold til oppfinnelsen utsatt for eldningsherd-

ning i noen utpreget grad.

Oppfinnelsen omfatter artikler og deler som ved bruk utset-

tes for høyrent vann ved forhøyede temperaturer og trykk og som er fremstillet av de utglødede legeringer.

Claims (4)

1. Utglødete legeringer med motstandsevne like overfor spen-

ningskorros jonsangrep fra luftet høyrent vann under trykk ved høye temperaturer, særlig for bruk i kjernereaktorer, karakte- risert ved at legeringene inneholder fra 14 til 30 % krom, fra 0 til 50 % jern, fra 0,003 til 0,05 % aluminium, fra 0,005 til 0,15_ % titan, fra 0,01 til 0,3 % silisium og fra 0,01 til 0,15 % karbon, mens resten bortsett fra forurensninger og gjenværende desoksyderende substanser er nikkel i en mengde av i det minste 30 %, og i hvilken hvis karboninnholdet overskrider 0,03 % trepresenteres kornstørrelsen og hårdheten ved et punkt innenfor det skraverte området på figur 1 i hosføyede tegning, og hvor kornstørrelsen og hårdheten vil hvis lege- ringen var opphetet til 700°C i 1 time og luftkjølet, representeres av et punkt innenfor det skraverte området på figur 2.

2. Legering som angitt i krav 1, karakterisert ved at jerninnholdet ikke overskrider 25 %.

3. Legering som angitt i krav 1, karakterisert ved at den inneholder fra 14 til 25 % krom, 1 til 8 % jern, 0,005 til 0,05 % aluminium, 0,01 til 0,1 % titan, 0,01 til 0,25 % silisium og 0,01 til 0,1 % karbon, mens resten bortsett fra forurensninger og gjenværende desoksyderende støffer er nikkel.

4. Legering som angitt i et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at karboninnholdet ikke overskrider 0,03 %.