JP2005171278A

JP2005171278A - 鉄鋼材料およびその製造方法

Info

Publication number: JP2005171278A
Application number: JP2003409437A
Authority: JP
Inventors: Yumiko Abe; 由美子阿部; Fumihisa Kano; 文寿鹿野; Yoshihisa Saito; 宣久斉藤; Masahiro Okawa; 雅弘大川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】放射線環境下での長期使用が可能な材料強度および耐久性を有し、高温条件での使用が可能な鉄鋼材料およびその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｆｅを基材とするオーステナイト系の鉄鋼材料であって、この鉄鋼材料が３５％以上の冷間加工と、熱処理温度８００℃以上１０５０℃以下の温度範囲での熱処理により製造されたことを特徴とする鉄鋼材料。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鋼材料およびその製造方法に関し、特に放射線環境下で使用可能な材料として強度および耐食性を改善した鉄鋼材料およびその製造方法に関する。

軽水炉プラントもしくは原子力プラントより発生する廃棄物を処理する施設に使用される材料には、高い材料強度および耐食性が要求される。そのため、軽水炉プラントにおいては構造材料、燃料被覆管材料および配管材料として、従来、ステンレス鋼およびＮｉ基合金等が使用されてきた。これらステンレス鋼およびＮｉ基合金は、いずれも材料強度および耐食性を向上させるために、Ｃｒ量の増加やＭｏの添加、Ｃ量の減量等の様々な改良手段による材料の改質が行われてきた。

従来の材料改質技術としては、製造工程における熱処理温度に着目した技術（例えば、特許文献１参照）や、Ｃｒ濃度を操作した技術（例えば、特許文献２参照）がある。
特開２００１−３２０４５号公報特開平１１−２９３３３７号公報

本来、鉄鋼材料の構成元素は、結晶内に均一に分散しているが、軽水炉プラントの使用環境のような中性子照射による放射線環境下においては、長時間の使用により粒界部での偏析が誘起されてＣｒ等の濃度が低下することが知られている。この現象は、鉄鋼材料に均一に分布していたＣｒが、照射により粒界部で減少する照射誘起偏析現象であり、こうしたＣｒの粒界部での濃度低下は、耐食性の低下および粒界割れの主原因とされる。従って、Ｃｒの偏析を防止するために、上記したような改良手段が講じられているが、対策は十分とは言い難く、プラントの長寿命化への懸念材料のひとつとなっている。

また現在、超臨界圧水軽水炉に代表される、高温・高圧条件とすることによって熱効率の向上を目指した原子力プラントの実用化が検討されているが、こうした設備の適用温度は２９０℃から５５０℃、圧力は２５ＭＰａと、従来の設備に比べてさらに厳しい使用環境となる。

しかしながら、従来の軽水炉プラントに使用されている構造材料および燃料被覆管材料の高温強度は、温度５５０℃以上になると急激に低下するため、超臨界圧水軽水炉等への適用が困難である。さらに、超臨界圧水軽水炉は水の密度が低下することにより中性子密度がより高い環境となるため、上述した粒界部での偏析による構造部材の耐食性の低下も懸念される。

従って、より高温での使用環境に適合し、特に原子力プラントのような放射線環境下においても十分な材料強度および耐食性を有する鉄鋼材料が要求されていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、放射線環境下での長期使用が可能な材料強度および耐久性を有し、高温条件での使用が可能な鉄鋼材料およびその製造方法を提供することを目的とする。

また、原子力プラントにおける構造材料、燃料被覆管および配管の長寿命化を図るとともに、超臨界域でも使用可能な構造材料および燃料被覆管を提供することを目的とする。

本発明に係る鉄鋼材料は、上述した課題を解決するために、Ｆｅを基材とするオーステナイト系の鉄鋼材料であって、この鉄鋼材料が３５％以上の冷間加工と、熱処理温度８００℃以上１０５０℃以下の温度範囲での熱処理により製造されたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る鉄鋼材料は、Ｆｅを基材とするオーステナイト系の鉄鋼材料であって、この鉄鋼材料がＴｉ，ＮｂおよびＺｒから選択される少なくとも１種類の元素を１．５質量％以下含むことを特徴とするものである。

さらに、本発明に係る鉄鋼材料の製造方法は、原材料に加工度３５％以上の冷間加工を施す冷間加工工程と、熱処理温度８００℃以上１０５０℃以下の温度範囲での熱処理工程により、鉄鋼材料の結晶組織を微細化するとともに粒界部に特定の成分元素を濃縮させることを特徴とする方法である。

本発明の鉄鋼材料およびその製造方法によれば、材料強度および耐久性に優れ、高温の使用環境にも適合する鉄鋼材料を提供することが可能である。

また、本発明の鉄鋼材料およびその製造方法によれば、放射線環境下においても優れた材料強度および耐久性を維持することができる鉄鋼材料を提供することが可能である。

本発明に係る鉄鋼材料およびその製造方法の実施例について、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。

本発明の鉄鋼材料の製造方法は、冷間加工工程と熱処理工程とを制御して鉄鋼材料の結晶を細密化し、粒界部に特定の元素を濃縮することにより材料強度および耐食性を向上する。

図１に、本発明に係る鉄鋼材料の製造方法の一例である製造工程図を示す。

図１に示す鉄鋼材料の製造方法は、１回目の微細化工程と２回目の微細化工程（およびＣｒ濃度濃縮工程）の２工程により鉄鋼材料を製造する。それぞれの微細化工程は、冷間加工工程と熱処理工程とから構成される。

まず、１回目の微細化工程は、冷間加工工程として、Ｃｒを含む原材料１を冷間圧延機２にかけ冷間加工３５％以上となるように圧延させる。次に、熱処理工程として、冷間加工した原材料１を電気炉３において温度８００℃〜１０５０℃まで加熱し保持した後、電気炉３を開けて空冷もしくは原材料１を取り出して水冷を行い冷却する。

次に、２回目の微細化工程を実施するが、この２回目の微細化処理工程においては、冷却速度を制御することにより粒界部のＣｒ濃度を濃縮する。すなわち、第２の冷間加工工程として、冷却した原材料１を再度冷間圧延機２にかけて１回目の冷間加工率と同等もしくはそれ以上の冷間加工を行い、さらに第２の熱処理工程として原材料１を電気炉３に設置して温度８００℃〜１０５０℃まで加熱し保持した後、冷却を行う。

このとき粒界部Ｃｒ濃度濃縮工程として、熱電対４および温度測定器５で温度監視しつつ、電気炉３の加熱制御と冷却ファン６を用いた冷却制御により、原材料１の冷却速度を制御する。このときの冷却速度は、温度８００℃から５００℃の間を１℃／秒から５０℃／秒とする。上記工程により鉄鋼材料７を製造する。

一方、本発明の鉄鋼材料には、１．５質量％以下のＴｉを添加しておくことが好ましい。Ｔｉが有する結晶粒の成長を抑制するピン止め効果により、鉄鋼材料の製造工程中に温度８００℃〜１０５０℃の熱処理を２回実施しても、結晶の粒成長を抑えることが可能である。また、Ｔｉに替えて、Ｎｂ、Ｚｒを添加しても同等の効果を得ることができる。

または、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒのうちいずれか２種類を１．５質量％以下添加してもよい。上述のようにＴｉ、ＮｂおよびＺｒは、結晶粒の成長を抑制するピン止め効果をもつため、工程中２回の温度８００℃〜１０５０℃の熱処理を実施しても、結晶の粒成長を抑えることが可能である。

さらに、Ｔｉ，ＮｂおよびＺｒを合計で１．５質量％以下添加して、本発明の製造工程により強度および耐食性改善した鉄鋼材料を製作してもよく、Ｔｉ，ＮｂおよびＺｒが有する結晶粒の成長を抑制するピン止め効果により、鉄鋼材料の結晶の細粒化を実現して材料強度を向上することが可能である。

一方、本発明の鉄鋼材料およびその製造方法によれば、上述したように冷間加工工程と熱処理工程との組み合わせにより鉄鋼材料の結晶を細粒化するとともに、粒界部にＣｒまたはＭｏを濃縮して、粒界部におけるこれらの元素の欠乏を防止するので、耐食性の低下および粒界割れが効果的に防止される。従って、材料強度及び耐久性が大幅に向上した鉄鋼材料を提供することが可能である。

従って、上記鉄鋼材料の製造方法により製造された鉄鋼材料は、結晶の粒度が微細化され、かつ粒界部にＣｒもしくはＭｏが濃縮されるので、材料強度および耐食性を改善することが可能となる。

一般に、鉄鋼材料は、熱処理温度が高温であるほど粒界部におけるＣｒ濃度、Ｍо濃度が高くなることが知られている。一般的なオーステナイト系ステンレス鋼の場合、１０５０℃程度で熱処理が行われるが、本発明の鉄鋼材料の製造方法によれば、冷間加工との組み合わせにより、８００℃〜１０５０℃の温度範囲で熱処理することにより、優れた材料強度および耐食性を備えた鉄鋼材料を製造することが可能である。

表１に実施例１の改良材の化学成分表を示す。

この実施例１の改良材は、ベース材であるＳＵＳ３０４ＬにＴｉを０．６％添加し、１回目の微細化工程条件を冷間加工５０％で施工し、次に溶体化熱処理を熱処理温度１０００℃で行い、２回目の微細化工程条件を冷間加工７０％とし、溶体化熱処理を熱処理温度１０００℃で行って、さらに粒界部のＣｒ濃度濃縮を行うために電気炉による加熱制御とファンによる鉄鋼材料の冷却速度を制御するＣｒ濃度濃縮条件により製造した。なお冷却速度は、温度８００℃から５００℃の間を１℃／秒から５０℃／秒とした。

上記工程により製造した実施例１の改良材の結晶組織の写真の模式図を図２に示す。

この図２に明らかなように、改良材は、非常に細かい結晶組織を有し、JIS-G-0551の規定による試験法により結晶組織の結晶粒径を測定すると、例えば結晶粒１３に代表されるように結晶の粒径は平均して約７μｍ以下となっており、JIS-G-0551の規定において細粒鋼とされる粒度Ｎｏ．５以上の微細な結晶構造を示している。

また、実施例１の鉄鋼材料の粒界部での元素組成分布を０．５ｎｍ径の電子線プローブにより測定したところ、粒界部のＣｒ濃度が約２％上昇したことが確認された。

すなわち、本発明の鉄鋼材料の材料強度および耐食性改善方法により、結晶が細粒化し、粒界部のＣｒ濃度が上昇するので、従来の鉄鋼材料に比較して材料硬度および耐食性を向上させることが可能である。

表２に実施例２の改良材の化学成分表を示す。

この実施例２の改良材は、ベース材であるＳＵＳ３０４ＬにＴｉを０．１５％、Ｎｂを０．２０％添加し、１回目の微細化工程条件を冷間加工５０％で施工し、次に溶体化熱処理を熱処理温度９５０℃で行い、２回目の微細化工程条件を冷間加工６０％とし、溶体化熱処理１０００℃として、さらに粒界部のＣｒ濃度濃縮を行うために電気炉による加熱制御とファンによる鉄鋼材料１の冷却速度を制御するＣｒ濃度濃縮条件により製造した鉄鋼材料である。なお冷却速度は、温度８００℃から５００℃の間を１℃／秒から５０℃／秒とした。

上記工程により製造した改良材の結晶組織の写真の模式図を図３に示す。

この図３に明らかなように、改良材は、細かい結晶組織を有し、JIS-G-0551の規定による試験法により結晶組織の結晶粒径を測定すると、例えば結晶粒１４に代表されるように結晶の粒径は平均して約１５μｍ以下となっており、JIS-G-0551の規定において細粒鋼とされる粒度Ｎｏ．５以上の微細な結晶構造を示している。

また、実施例２の鉄鋼材料の粒界部での元素組成分布を０．５ｎｍ径の電子線プローブにより測定したところ、粒界部のＣｒ濃度が約３％上昇したことが確認された。

図４に実施例２の粒径と熱処理温度との関係を示す。この図４は、実施例２のステンレス鋼（改良材）の粒度と熱処理温度との関係と、従来製法により製造したステンレス鋼（ベース材）の粒度と熱処理温度との関係を比較して示したものである。

すなわち改良材は、ベース材であるＳＵＳ３０４Ｌ鋼にＴｉおよびＮｂを添加して、本発明の鉄鋼材料の製造方法により製造した材料である。

図４に示すグラフに明らかなように、ベース材および改良材ともに、熱処理温度の上昇により粒度が小さくなり、粒径が大きくなる傾向が明らかである。一般に微細粒化に最適な熱処理温度は９００℃とされているが、実施例１の改良材においても、熱処理温度９００℃において結晶構造が微細化されており、熱処理温度１０５０℃においても、JIS-G-0551の規定において細粒鋼とされる粒度Ｎｏ．５以上の微細な結晶構造を示していることが確認された。

また、８００℃〜１０５０℃のどの熱処理温度においても改良材２２のほうがベース材と比較してより微細化されており、ＴｉおよびＮｂを添加することによる結晶構造の微細化効果が認められた。

表３に実施例３の改良材の化学成分表を示す。

この実施例３の改良材は、ベース材であるＳＵＳ３０４ＬにＴｉを０．１５％、Ｚｒを０．２０％添加し、１回目の微細化工程条件を冷間加工５０％で施工し、溶体化熱処理を熱処理温度９５０℃で行い、２回目の微細化工程条件を冷間加工６０％とし、溶体化熱処理１０００℃として、さらに粒界部のＣｒ濃度濃縮を行うために電気炉による加熱制御とファンによる鉄鋼材料１の冷却速度を制御するＣｒ濃度濃縮条件を用いて製造した鉄鋼材料である。

図５に上記工程により製造した実施例３の改良材の結晶組織の写真の模式図を示す。

この図５に明らかなように、実施例３の改良材は、非常に細かい結晶組織を有し、JIS-G-0551の規定による試験法により結晶組織の結晶粒径を測定すると、例えば結晶粒１５に代表されるように結晶の粒径は平均して約１３μｍと結晶が細粒化しており、JIS-G-0551の規定において細粒鋼とされる粒度Ｎｏ．５以上の微細な結晶構造を示している。

また、実施例３の鉄鋼材料の粒界部での元素組成分布を０．５ｎｍ径の電子線プローブにより測定したところ、粒界部のＣｒ濃度が約３％上昇したことが確認された。

なお、本発明の鉄鋼材料を適用して製造することにより性能向上効果が期待される部材および製品の例としては、例えば、軽水炉、原子力プラントの燃料棒被覆管や、炉内機器および配管等が挙げられる。本発明の鉄鋼材料は、材質の材料強度および耐食性に優れるため、上述した機器および部材に本発明の鉄鋼材料を適用することにより、設計の自由度や設備の耐久性が向上し、運転コストや製造コストを抑制することが可能である。

また、本発明の鉄鋼材料は、原子力プラントのほか、例えば廃棄物処理設備の機器および配管の材料として適用することも可能である。本発明の鉄鋼材料は、高温の使用条件において優れた材料強度および耐久性を発揮するため、廃棄物処理設備に適用することにより処理能力を大幅に向上させることが可能となる。

本発明に係る鉄鋼材料の製造方法の実施例を示す製造工程の構成図。実施例１の鉄鋼材料（改良材）の組織写真の模式図。実施例２の鉄鋼材料（改良材）の組織写真の模式図。実施例２の鉄鋼材料の粒径と熱処理温度との関係を示すグラフ。実施例３の鉄鋼材料（改良材）の組織写真の模式図。

符号の説明

１原材料
２冷間圧延機
３電気炉
４熱電対
５温度測定器
６ファン
７鉄鋼材料
１３，１４，１５結晶粒

Claims

Ｆｅを基材とするオーステナイト系の鉄鋼材料であって、この鉄鋼材料が３５％以上の冷間加工と、熱処理温度８００℃以上１０５０℃以下の温度範囲での熱処理により製造されたことを特徴とする鉄鋼材料。
Ｆｅを基材とするオーステナイト系の鉄鋼材料であって、この鉄鋼材料がＴｉ，ＮｂおよびＺｒから選択される少なくとも１種類の元素を１．５質量％以下含むことを特徴とする鉄鋼材料。
前記鉄鋼材料の結晶粒の平均粒径が１５μｍ以下であり、粒界部に特定の成分元素が濃縮されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の鉄鋼材料。
前記粒界部に濃縮される成分元素がＣｒであることを特徴とする請求項３記載の鉄鋼材料。
前記粒界部に濃縮される成分元素がＭｏであることを特徴とする請求項３記載の鉄鋼材料。
原材料に加工度３５％以上の冷間加工を施す冷間加工工程と、熱処理温度８００℃以上１０５０℃以下の温度範囲での熱処理工程により、鉄鋼材料の結晶組織を微細化するとともに粒界部に特定の成分元素を濃縮させることを特徴とする鉄鋼材料の製造方法。
原材料を冷間加工する前記冷間加工工程と、原材料を熱処理する前記熱処理工程と、再び原材料を冷間加工する第２の冷間加工工程と、さらに原材料を熱処理する第２の熱処理工程とにより鉄鋼材料の結晶を微細化するとともに粒界部に特定の成分元素を濃縮させることを特徴とする請求項６記載の鉄鋼材料の製造方法。
原材料にＴｉ，ＮｂおよびＺｒから選択される少なくとも１種類の元素を１．５質量％以下添加することを特徴とする請求項６記載の鉄鋼材料の製造方法。
前記熱処理工程の後に冷却速度を制御することにより、前記粒界部にＣｒを濃縮させることを特徴とする請求項６記載の鉄鋼材料の前記方法。
前記熱処理工程の後に冷却速度を制御することにより、前記粒界部にＭｏを濃縮させることを特徴とする請求項６記載の鉄鋼材料の製造方法。