JP3815114B2 - B含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、核燃料輸送用容器、使用済核燃料貯蔵ラック等原子力関連機器の中性子遮蔽材等に用いられるB含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
Bの優れた熱中性子吸収作用を利用して、Bを添加したオーステナイトステンレス鋼が、熱中性子の制御材及び遮蔽材として、核燃料輸送容器、使用済核燃料保管ラック等に用いられている。近年、多くの場合、原子力発電所で使用された使用済核燃料は、再処理工場にて処理されるまで発電所内のプール内に保管される。限られた敷地内でできるだけ多くの使用済核燃料を保管するため、性能を向上させる観点からオーステナイト系ステンレス鋼中のB量を増加させ、かつ板厚を薄くする傾向にある。
【0003】
Bのマトリックス中への固溶量は非常に小さく、添加したBのほとんどがFe、Crを含むボライドとして析出する。このボライドの存在により、熱間加工性および耐食性が劣化するが、B量の増加と共にその傾向は顕著になる。
【0004】
B含有オーステナイトステンレス鋼の鍛造、圧延等の熱間加工は、加熱炉によるスラブの加熱と加工を繰返すことにより被加工材の温度低下を防止して熱間延性を確保しながらおこなわれている。B含有量が多いほど熱間延性に劣るので、加熱−加工の繰返し回数が増加する。また、加工時に温度の下がりやすいスラブの側面においては耳割れが発生し易い。B含有量が多いほど、また板厚が薄いほど耳割れが発生しやすい傾向にあり、耳割れ量が多くなるので歩留が悪化する。このように、含有B量の増加および薄肉化は製造コスト高を招くことになる。
【0005】
これまでに上記問題を解決するため種々検討されてきた。
【0006】
特開昭61−201726号公報には、B含有ステンレス鋼塊をそのままか、あるいは長方形状に整形後、鋼塊の少なくとも4主面を鉄筒にて密着包囲し、分塊圧延または鍛造により圧着させてから熱間圧延する方法が開示されている。
【0007】
特開昭63−220904号公報には、母材のB含有オーステナイトステンレス鋼材を、それよりも変形抵抗の小さな鋼材によりパックした後、1100℃以上1175℃以下に加熱した後、T(℃)=53×B(wt%)+870以上の温度で仕上圧延する方法が開示されている。
【0008】
これらの方法により耳割れを防止することができるが、必要な板厚精度を確保することが困難になると共に、パック材の包み込み作業及び圧延後の解体作業が必要となり、製造コスト高となる問題がある。
【0009】
特開平1−195243号公報や特開平5−263133号公報には、耳割れ防止を目的として、1ヒートあたりの圧下率、下限温度等を規制して、加熱−圧延を繰返すことにより所定の厚さのB含有オーステナイトステンレス鋼板を製造する方法が開示されている。
【0010】
しかし、これらの方法もやはり、ヒート回数の増加による製造コストアップが問題になると共に、機構上再加熱が不可能な高生産性タンデム圧延機への適用が困難である。
【0011】
以上のような被圧延材をパックする方法の他に、スラブ側面に加工性のよい金属材料を肉盛り溶接して圧延する方法がある。この方法によれば、圧延後トリマ等により肉盛り溶接部を比較的容易に除去できる利点がある。しかし、肉盛り溶接時に溶接割れが発生することもあり、耳割れを完全に防止するには至っていない。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高B含有ステンレス鋼を熱間加工中に再加熱することなく、所定の板厚まで耳割れを発生させることなく加工することができ、製造コスト高とならない熱間加工方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、「Bを0.3〜2.5重量%含有するオーステナイト系ステンレス鋼片を熱間加工するに際し、その鋼片の側面に、Ti、Nb、ZrおよびVのうちの1種以上を合計で0.01〜2重量%含有するステンレス鋼の肉盛り溶接被覆層を設けて熱間加工するB含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工方法」にある。
【0014】
ここで、鋼片とは連続鋳造スラブ、分塊鍛造スラブ、分塊圧延スラブおよび鋳造したインゴット(鋼塊)をいう。
本発明者らは、スラブをパックする方法に比べて経済的な、被圧延材の側面に肉盛り溶接被覆層を設ける方法を採用することとし、肉盛り溶接被覆に好適な金属材料を開発するため下記のような試験を実施した。
【0015】
溶接割れの発生がなく、耳割れ防止に有効な溶接被覆材料を選定するにあたり、まず既存材料を中心に広い範囲で検討した。
【0016】
被圧延材として、幅140mm、厚さ70mm、長さ200mmのBを1重量%含有するオーステナイト系ステンレス鋼の分塊鍛造スラブを用いた。また、溶接被覆材料として、フェライト系ステンレス鋼のSUS436L、オーステナイト系ステンレス鋼のSUS329J4Lおよび高純度Feを用いて、上記スラブの片側の側面全面にTIG2層溶接にて5mm厚の肉盛り溶接被覆層を設けた。その反対側の側面は無垢とした。
【0017】
TIG溶接条件は、電流:160A、電圧:17V、溶接速度:10cm/分とした。
【0018】
肉盛り溶接後にダイチェックにより溶接割れの有無を調べたところ、SUS329J4L、高純度Feには割れが認められたが、SUS436Lには割れは認められなかった。
【0019】
このようにして肉盛り溶接したスラブを、ワークロール直径が450mmのリバース式熱間圧延機を用いて圧延をおこなった。
【0020】
スラブの加熱温度は、溶融脆性を避けるために1180℃とし、下記の10パスのパススケジュールにより圧延した。なお、圧延は各パス毎に圧延を中止し、中途圧延材9枚と最終パス圧延材1枚を得た。
【0021】
70→57→45→35→28→21→16→12→9→7→5(mm)
圧延後、圧延材側面の耳割れの発生状況を観察した。被圧延材の表面積が増加するとともに温度降下も大きくなる5パス以降で、無垢側の側面に耳割れが発生し、パス回数を重ねる毎に応力集中により拡大し、最終的に10〜15mmの長さに進展していた。
【0022】
一方、肉盛溶接被覆を施した側面においては、被覆材料がSUS329J4Lは溶接割れが発生し、高純度Feの場合、5mm程度の耳割れが生じたが、SUS436Lには耳割れが認められなかった。このようにして、SUS436Lが溶接割れ、耳割れ防止に有効な溶接被覆材料であることが判明した。このうち、SUS436Lについて詳細に調査したところ、肉盛溶接部組織が微細であり、とくにB含有ステンレス鋼母材に近い側でその傾向が顕著であった。これは、SUS436L溶接被覆材料中に含まれるTiにその原因があると推測した。
【0023】
そこで、さらにTi以外にV、Nb、Zrを含有させ、それらの含有量を変化させたオーステナイトステンレス鋼およびフェライトステンレス鋼を溶接材料に用い、B含有オーステナイト系ステンレス鋼のスラブ側面に肉盛り溶接した。溶接割れ状況を観察した後、熱間圧延して耳割れの発生状況を調べた。この場合、肉盛溶接被覆はTIG1層溶接とし、3mm厚の肉盛層とした。それ以外の溶接被覆条件、被圧延材のB含有オーステナイト系ステンレス鋼、熱延条件は上記と同一とした。
【0024】
このような試験の結果に基づき、Ti、Nb、ZrおよびVのうちの1種以上の含有量が合計で0.01〜2%のステンレス鋼を溶接被覆材料として用いた場合に、溶接割れ、耳割れが発生しないとの知見を得た。
【0025】
【発明の実施の形態】
被熱間加工材として、0.3〜2.5重量%のB含有オーステナイト系ステンレス鋼片と限定したのは、B含有量が、0.3重量%未満では熱中性子吸収能が十分でなく、一方2.5重量%を超えると通常の溶解−鋳造法により製造する場合には、常温での延性、靱性の劣化が顕著となるからである。
【0026】
肉盛り溶接被覆層を、Ti、Nb、ZrおよびVのうちの1種以上を合計で0.01〜2重量%含有するステンレス鋼としたのは、0.01重量%未満では溶接割れおよび耳割れの発生を防止する効果が十分でなく、一方2%を超えると、溶接割れ、耳割れ防止効果が飽和するとともに、溶接性、靱性に悪影響を与えるため上限を2%とした。望ましくは溶接割れ、耳割れ防止効果が顕著にあらわれる0.05〜1%である。
【0027】
肉盛り溶接被覆層にTi、Nb、ZrおよびVを適正量含有させることにより溶接割れ、耳割れが防止される理由については充分解明されていないが、以下のように考えている。すなわち、肉盛り溶接部にはB含有ステンレス鋼中のBが拡散するが、偏析あるいは低融点の共晶を形成して溶接割れの原因となる。Ti、Nb、ZrおよびVを適正量含有量させることにより高温で安定な硼化物あるいはBを含む炭化物、窒化物を形成し、溶接割れを防止していると考えられる。溶接被覆材料がフェライト系ステンレス鋼の場合には、靱性に乏しく溶接割れ感受性が高い。しかしながら、前記ほう化物あるいはBを含む炭化物、窒化物が核となり、結晶粒が微細化することにより靱性が確保されて溶接割れを防止していると考えている。
【0028】
また、B含有オーステナイト系ステンレス鋼母材から肉盛り溶接部の表面側に向かうにしたがってオーステナイト相の割合が減少し、フェライト相の割合が増加して表面側ではフェライト単相となる。オーステナイト系ステンレスに比べてフェライト系ステンレス鋼の熱膨張係数が小さいことから、溶接時および熱間加工時の熱応力を緩和し、溶接割れおよび耳割れのはっせいが共に防止されると考えられる。したがって、フェライト系ステンレス鋼を溶接被覆材料としてはより好適である。
【0029】
肉盛り溶接被覆層をステンレス鋼に限定した理由は、被覆するB含有オーステナイトステンレス鋼と同等程度の耐酸化性を付与するためである。これにより、熱間加工における酸化スケールロスを少なくすることができるので、溶接被覆厚さを厚くする必要がなくなる。
【0030】
肉盛り溶接被覆層のステンレスス鋼の化学組成は、特に限定しないがCrを12%以上含むCr系ステンレス鋼、Cr−Ni系ステンレス鋼であればよい。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼のSUS308L、SUS309LおよびSUS347等で、フェライト系ステンレス鋼のSUS436L、SUS430およびSUS410等である。Ti、Nb、ZrおよびVのうちの1種以上を含有していない鋼種の場合は、それらの元素のうち1種以上含有させる。
【0031】
ステンレス鋼片とは、前述したように連続鋳造スラブ、分塊鍛造スラブ、分塊圧延スラブおよびインゴット(鋼塊)である。これらの鋼片は一般に直方体であり、その長手方向に延びるように熱間圧延や鍛造等の熱間加工が施される。鋼片の側面とは、加工面(圧延の場合ロールと接触する面)以外の面であり、通常は長手方向の2側面の全面に肉盛り溶接被覆層を設ければよい。
肉盛り溶接被覆層を設ける方法としては、TIG溶接、被覆アーク溶接およびバンドアーク溶接等が適用できる。
【0032】
肉盛り溶接被覆層の厚さは、2mm以上であれば耳割れは防止できるが、溶接施工性の観点から3mm以上あることが望ましい。厚みを増加にさせても溶接割れ、耳割れ防止効果は得られるが、過度に厚く被覆することは製造コストが増大することから好ましくない。また、熱間加工後トリマ等で比較的容易に溶接被覆部を除去することができるが、被覆厚みが厚いと、加工後鋼板表面への溶接被覆材の回り込み量が増加し、その分除去量が増加して歩留が低下するので、被覆厚みは10mm以下とするのが望ましい。
【0033】
次に、熱間加工は、分塊鍛造、厚板圧延、熱延鋼帯の圧延等をいう。鋼片の加熱温度は溶融脆性を生じない範囲での高い温度に設定する。B含有オーステナイトステンレス鋼の場合、1100〜1200℃とするのが好適である。熱間鍛造あるいは熱間圧延における仕上温度は高い方が耳割れ防止にとって好ましい。しかし溶接被覆材の熱間変形能が許す限り、600〜900℃の低温仕上げとすることも可能である。
【0034】
【実施例】
以下、実施例により本発明の効果について説明する。
【0035】
表1に示す化学組成を有するステンレス鋼を溶製し、連続鋳造スラブ、分塊圧延スラブ、分塊鍛造スラブおよび鋼塊(インゴット)にした。
【0036】
【表1】
【0037】
また、肉盛り溶接被覆材としては表2に示す化学組成の各ステンレス鋼を用いた。
【0038】
【表2】
【0039】
上記各鋼片の寸法は表3に示す通りで、長さは全て2000mmとした。各鋼片の長手方向の両側面に、表2に示した化学組成の溶接材料をTIG溶接またはバンドアーク溶接により肉盛溶接した。肉盛厚さはいずれも3mmとした。
【0040】
肉盛り溶接後ダイチェックにより溶接割れの有無を目視観察により調べた。
【0041】
次に、表3に示す熱間加工条件での熱間圧延または鍛造により再加熱することなく表3に示す仕上げ板厚まで加工して鋼板とした。No.4のみ厚板圧延で、それ以外は熱延鋼帯の圧延である。なお、熱間圧延または鍛造における加熱温度は1150℃とした。
熱間加工した各鋼板について耳割れの有無を目視観察した。
【0042】
これらの結果を表3に示す。
【0043】
【表3】
【0044】
表3から明らかなように、本発明例のTi、Nb、ZrおよびVの1種以上を0.01〜2%含有するステンレス鋼を、鋼片の側面に肉盛り溶接被覆して熱間加工した場合、溶接割れ、耳割れの発生が無く良好な鋼板が得られた。
【0045】
一方比較例の溶接被覆しなかった記号7、および肉盛り溶接被覆層の化学組成が本発明で規定する範囲をはずれている記号8、9は、溶接割れ、耳割れが発生して良好な鋼板が得られなかった。
【0046】
【発明の効果】
本発明の熱間加工方法によれば、難加工材の高B含有オーステナイトステンレス鋼片を、再加熱しないで熱間加工時に耳割れを発生させることなく工業的に安定して歩留まりよく加工することができ、近年高まっている核燃料輸送用容器、使用済核燃料貯蔵ラック等原子力関連機器の中性子遮蔽材のニーズに対し、良好な品質の鋼板を比較的安価に供給できる。
Claims (1)
- Bを0.3〜2.5重量%含有するオーステナイト系ステンレス鋼片を熱間加工するに際し、その鋼片の側面に、Ti、Nb、ZrおよびVのうちの1種以上を合計で0.01〜2重量%含有するステンレス鋼の肉盛り溶接被覆層を設けて熱間加工することを特徴とするB含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工方法。
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