JP3060873B2 - 中性子遮蔽用オーステナイトステンレス鋼 - Google Patents

中性子遮蔽用オーステナイトステンレス鋼

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JP3060873B2
JP3060873B2 JP7030613A JP3061395A JP3060873B2 JP 3060873 B2 JP3060873 B2 JP 3060873B2 JP 7030613 A JP7030613 A JP 7030613A JP 3061395 A JP3061395 A JP 3061395A JP 3060873 B2 JP3060873 B2 JP 3060873B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、核燃料輸送用容器、
使用済核燃料保管用ラック等の原子力関連の中性子遮蔽
材として用いられるステンレス鋼に関する。
【0002】
【従来の技術】B(ほう素)は中性子捕獲断面積が大き
いため、Bを含有するオーステナイトステンレス鋼は中
性子の制御材及び遮蔽材として用いられ、例えば特公昭
57-45464号公報に開示されているようなBを1%前後含
有したSUS304系ステンレス鋼が用いられている。また、
Bが(Cr,Fe)2Bとして析出して母材中のCr量の低下が起
こり耐食性を劣化させるため、特開昭62−222049号公報
にはCr含有量を高めたB含有ステンレス鋼が提案されて
いる。
【0003】しかし、中性子吸収能力を有するB含有量
を高くすると前述のごとくB化合物が析出するため耐食
性が低下すると共に熱間加工性を著しく損ない、熱間圧
延時に割れが発生するようになる。つまり、熱間圧延に
際しては圧延が進むにつれて板の温度が低下しB含有鋼
では耳割れの発生が起こるようになり、歩留まりの低下
や再加熱などの処理が必要となり製造コストの増加につ
ながる。このため、例えば特開昭61−201726号公報には
鉄筒にてB含有オーステナイトステンレス鋼を覆った上
で熱間圧延を行う方法が提案されているが、鉄筒で密着
包囲した後圧延や鍛造で圧着させた後熱間圧延を行うた
め多大な工数を要し実用的でない。
【0004】また、B添加による熱間加工性劣化を回避
するため、B以外の中性子吸収元素を添加することも提
案されており、例えば特開平5-255812号公報には、B含
有量を低減しその代わりGdを添加するオーステナイトス
テンレス鋼が、特開平6-192792号公報には、熱間加工性
を向上させるためMgを添加したB含有オーステナイトス
テンレス鋼が提案されている。
【0005】さらに、近年、保管用ラックの小型化のた
め、素材であるステンレス鋼のさらなる薄肉化が要望さ
れており、より中性子吸収能力の高い鋼材の開発と共
に、大圧下の熱間圧延でも耳割れが発生しない、より熱
間加工性に優れた鋼材の開発が要望されている。
【0006】また、使用済核燃料の水中での保管用ラッ
ク材では水中での耐食性も要求されることから、従来よ
り高耐食性を有するオーステナイトステンレス鋼が必要
となってきている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、中性
子吸収能力が高く、かつ熱間圧延性と耐食性に優れる中
性子遮蔽用オーステナイトステンレス鋼を提供すること
にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】B含有オーステナイトス
テンレス鋼における、B化合物形成による熱間延性の低
下および耐食性を改善するため、元素の影響を検討した
結果、下記の知見を得、本発明を完成させた。
【0009】一般に、希土類元素は加工性を向上させ
ると言われているが、その中でも中性子吸収元素である
GdにYを複合添加することにより、それぞれを単独で添
加した場合の熱間延性向上効果を合わせたよりも大幅に
熱間延性が向上する。
【0010】さらに、Gd、Yに加えて希土類元素のTbと
Dyも添加することで、より熱間延性が向上する。
【0011】Gdは中性子吸収能力を高めるのみでな
く、不働態皮膜を安定化して耐食性を向上させる。さら
に、C量の低減およびMoの添加により優れた耐食性を得
ることができる。
【0012】ここに本発明は、重量%で、C:0.03%以
下、Ni: 7〜22%、Cr:18〜26%、B: 0.5〜 2.0%、
Gd:0.05〜 1.2%、Y: 0.005〜 0.3%を含有する中性
子遮蔽用オーステナイトステンレス鋼である。また、こ
の鋼は、さらに0.1〜3.0%のMoを含有させてもよい。
【0013】上記の鋼に、さらにTbとDyの1種または2
種を合計で 0.005〜 0.1重量%含有させてもよい。
【0014】
【作用】以下に、本発明のオーステナイトステンレス鋼
の化学組成の限定について述べる。なお、以下の「%」
は、「重量%」を意味する。
【0015】C:0.03%以下 Cは溶接時の熱影響によりCr23C6を析出させ、粒界での
耐食性劣化を招くので、その含有量を0.03%以下とす
る。
【0016】Ni: 7〜22% Niはオーステナイト組織の安定化のために必要な元素で
あり 7%以上の含有が必要である。一方、Ni含有量が22
%を超えてもその効果は飽和し、コストアップを招くの
みである。したがって、Ni含有量を 7〜22%とする。
【0017】Cr:Cr:18〜26% Crは耐食性を向上させるために必要な元素である。Cr含
有量が18%未満では耐食性が確保できない。また、含有
量が高いほど耐食性は向上するが、26%を超えるとNi含
有量も高くする必要がありコストアップになると共に、
Cr量増加により熱間加工性が劣化する。したがって、Cr
含有量を18〜26%とする。
【0018】Mo: 0〜 3.0% Moは耐食性、特に耐隙間腐食性向上に有効な元素であ
り、使用環境に応じて必要により含有させる。含有させ
る場合は、その含有量は 0.1〜 3.0%とする。 0.1%未
満では表面の不働態皮膜が強化されないため耐孔食性の
十分な向上が望めない。一方、 3.0%を超えて含有して
も耐孔食性の向上効果が飽和するだけでなく、熱間加工
性を著しく劣化させる。
【0019】B: 0.5〜 2.0% Bは中性子吸収のために必要な元素であり、 0.5%以上
含有させる必要がある。一方、 2.0%を超えると熱間圧
延性が著しく低下する。したがって、B含有量は 0.5〜
2.0%とする。
【0020】Gd:0.05〜 1.2% Gdは中性子吸収を高めると共に、不働態皮膜を安定化し
耐食性を向上させる。
【0021】さらに、B化合物に固溶しB化合物自体の
延性を向上させるため、合金の熱間加工性を向上させ
る。Gd含有量が0.05%未満では、中性子吸収効果や耐食
性改善効果が小さく、さらに熱間延性向上効果も小さ
い。一方、 1.2%を超えるとGd−(Fe,Cr,Ni)の低融点共
晶化合物が生成し鍛造ができなくなる。したがって、Gd
含有量は0.05〜 1.2%とする。なお、耐食性確保とYと
の複合添加による熱間加工性向上には 0.1%以上含有さ
せるのが望ましい。
【0022】Y: 0.005〜 0.3% Yは熱間加工性向上に対して必須の元素である。また、
Y単独で含有する場合には熱間加工性向上効果は小さい
が、Gdと複合添加することにより熱間加工性が著しく向
上する。YはGdと同様にB化合物に固溶しB化合物自体
の延性を向上させる以外に、特に合金中のS、Oなどの
固定効果が大きいためと考えられる。
【0023】Y含有量が 0.005%未満ではその効果が小
さく、 0.3%を超えた場合は効果が飽和しコストアップ
となる。したがって、Y含有量を 0.005〜 0.3%とす
る。熱間加工性向上効果を顕著にするためには 0.01 %
以上の含有が望ましい。
【0024】TbとDyの1種または2種を合計で 0.005〜
0.1 % Tb、Dyの1種または2種を合計で 0.005%以上含有する
ことにより熱間加工性をさらに向上できるため、必要に
より含有させる。これらの元素はGdと同様に、B化合物
の延性を向上させるためと考えられる。一方、 0.1%を
超えた場合はその効果が飽和するため上限を 0.1% とす
る。
【0025】上記元素以外に一般にステンレス鋼製造に
関わる下記元素の制御により性能向上を達成できる。
【0026】Si、Mn:Si、Mnはいずれも脱酸元素として
有効である。しかし、Si含有量が 1.0%を超えた場合、
Mn含有量が 5.0%超えた場合には、溶接性や清浄度を低
下させる。したがって、含有させる場合には、Si含有量
は0.05〜 1.0%、Mn含有量は 0.5〜 5.0%とするのが望
ましい。
【0027】Al:AlもSi、Mnと同様に脱酸元素として有
効であり、0.05%以上含有させることが望ましい。一
方、 0.5%を超えると合金の清浄度を低下させるため上
限を 0.5%に制限する。
【0028】Mg:Mgの少量を含有することにより熱間鍛
造性が向上する。このため、必要により0.01%以上のMg
を含有させても良い。ただし、 0.1%を超えて含有させ
ても効果が飽和するので上限は 0.1%とする。
【0029】
【実施例】
(実施例1)表1に示す化学組成を有する合金を30kg真
空溶解にて製作し、厚み40mmに鍛造後高温延性試験片を
採取した。B添加鋼の高温延性は特に1000℃以下の温度
が低い領域で問題になることから、 900℃で引張速度 1
/sで引張り試験を行い絞りを測定した。
【0030】また、同じ材料をさらに熱間圧延、冷間圧
延して厚さ 5mmとした後、固溶化熱処理(1100℃水冷)
を施し、 650℃×2hの鋭敏化処理を行った後、 3mm×20
mm×30mmと 3mm×12mm×30mmの隙間腐食試験片を採取し
た。これらの試験片をテフロンボルトで取り付けメタル
/メタルの隙間を形成させた後、隙間腐食試験に供し
た。隙間腐食試験は3000ppmH3BO4+ 1000ppmCl- 水溶
液、80℃、空気飽和条件の液中に1000時間浸漬した。
【0031】その結果も合わせて表1に示す。なお、試
験結果の絞り比とは、試験後の破断部の径の減少量を試
験前の径で除した値を百分率で示したものである。ま
た、隙間腐食試験での腐食減量は、上記大小二つの試験
片の減量を合計した値であり、単位はmgである。
【0032】さらに、図1は、B含有量が約 1%の合金
について、熱間延性に及ぼすGd含有量とY含有量の影響
を示した図である。
【0033】
【表1】
【0034】表1から、本発明合金の合金1 〜21では優
れた高温延性および耐食性を有している。さらに、Tb、
Dyを含有する合金12〜16や、Mgを含有させた合金19では
より優れた高温延性を有している。また、合金17、18は
Moの含有で耐食性がより向上している。
【0035】一方、比較合金である、YやGdのいずれか
一方でも含有しないか少量しか含有しない合金a 〜f で
はMgの有無にかかわらず延性が悪い。また、B添加量が
多い合金g はGdとYを含有していても高温延性が低下し
ている。
【0036】さらに、C含有量が高い合金h 、Cr含有量
が低い合金i では耐食性が劣化している。
【0037】図1から、本発明範囲のGdとY含有量の合
金は50%以上の絞り比を有し優れた熱間延性を示してお
り、GdとY両方を含有することにより熱間延性に関する
相乗効果が得られていることが分かる。特に、GdとYの
含有量がそれぞれ 0.1%以上、0.01%以上の合金4 〜9
では絞り比が60%を超えており、良好な高温延性値が得
られている。一方、合金c のようにY含有量が0.05%未
満であるとGdが含有されていても高温延性値は低く、ま
た、合金a や合金b の場合はY含有量が0.005%以上でも
Gd含有量が0.05%未満のため十分な高温延性が得られな
い。
【0038】(実施例2)次に、表2に示す化学組成を
有する合金を用いて実規模製造ラインでの圧延実験を行
った。溶解、分解圧延後 200mm厚さ×1200mm幅のスラブ
を1100℃に加熱後、板厚20mmまで熱間圧延し、発生した
耳割れ長さを測定した。その結果も合わせて表2に示
す。
【0039】
【表2】
【0040】表2から、YとGdの両方を含有する本発明
合金22、23では耳割れ長さは非常に小さかった。一方、
比較合金である、Yを含有しない合金j ではGdを含有し
ていても大きな耳割れが発生し、さらに延性改善のため
にMgを含有させた合金k でも耳割れの発生は改善されな
かった。
【0041】
【発明の効果】本発明により従来のB含有オーステナイ
トステンレス鋼よりも熱間加工性および耐食性が優れた
中性子遮蔽用オーステナイトステンレス鋼を提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】熱間延性に及ぼすGd含有量とY含有量の影響を
示した図である。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で、C:0.03%以下、Ni: 7〜22
    %、Cr:18〜26%、B: 0.5〜 2.0%、Gd:0.05〜 1.2
    %、Y: 0.005〜 0.3%を含有することを特徴とする中
    性子遮蔽用オーステナイトステンレス鋼。
  2. 【請求項2】重量%で、C:0.03%以下、Ni: 7〜22
    %、Cr:18〜26%、B: 0.5〜 2.0%、Gd:0.05〜 1.2
    %、Y: 0.005〜 0.3%、Mo:0.1〜3.0%含有するこ
    とを特徴とする中性子遮蔽用オーステナイトステンレス
    鋼。
  3. 【請求項3】重量%で、C:0.03%以下、Ni: 7〜22
    %、Cr:18〜26%、B: 0.5〜 2.0%、Gd:0.05〜 1.2
    %、Y: 0.005〜 0.3%、TbとDyの1種または2種を合
    計で 0.005〜 0.1重量%含有することを特徴とする中性
    子遮蔽用オーステナイトステンレス鋼。
  4. 【請求項4】重量%で、C:0.03%以下、Ni: 7〜22
    %、Cr:18〜26%、B: 0.5〜 2.0%、Gd:0.05〜 1.2
    %、Y: 0.005〜 0.3%、Mo:0.1〜3.0%、TbとDyの
    1種または2種を合計で 0.005〜 0.1重量%含有するこ
    とを特徴とする中性子遮蔽用オーステナイトステンレス
    鋼。
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