JP4155074B2 - Ｂを含有するステンレス鋼材およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核燃料輸送用容器、使用済み核燃料貯蔵ラックなどの原子力関連機器の中性子遮蔽材、さらにオーステナイト系ステンレス鋼にＢを０．３％以上含有させることにより優れた機能を発揮する用途、例えば燃料電池用セパレータ材として用いられるＢ含有ステンレス鋼片、およびＢ含有ステンレス鋼材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボロン（Ｂ）の優れた熱中性子吸収作用を利用して、Ｂを添加したステンレス鋼が、核燃料輸送容器、使用済核燃料保管ラックなどの熱中性子の制御材および遮断材として、用いられている。一般に、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したいとのニーズから、Ｂ含有ステンレス鋼に添加されるＢ含有量を増加させ、鋼材の板厚は薄くする傾向にある。
【０００３】
オーステナイト系ステンレス鋼は、その表面に不働態体皮膜が形成されているため耐食性に優れており、Ｂを含有させることにより電気抵抗特性が改善されることにより、耐食性が要求される通電電気部品として使用することが可能になっている。優れた耐食性とともに電気抵抗特性が要求される通電電気部品の用途例として、水素および酸素を利用して直流電力を発電する燃料電池用のセパレータがある。
【０００４】
Ｂ含有ステンレス鋼の熱間加工は、加熱炉によるスラブの加熱と、鍛造や圧延などの加工とを繰り返して被加工材の温度低下を防止することにより、熱間加工性を確保しながら行われている。Ｂ含有量が増加すると熱間加工性が劣るため、被加工材の温度低下を防止しながら加工することが必要となり、その結果、加熱と加工の繰り返し回数を増加せざるを得ない。したがって、Ｂ含有量の増加や鋼の薄肉加工は、製造コストの上昇を招くことになる。
【０００５】
上述の問題に対処するため、従来より、種々の方法が試みられてきた。例えば、特許文献１には、０．３〜２．０ｗｔ％のＢを含有するオーステナイト系ステンレス鋼材の側部に、ステンレス鋼材よりも変形抵抗が小さい鋼材を溶接により被覆した素材を、（５３Ｂ＋７００）℃（ここで、Ｂ：Ｂ含有量（ｗｔ％））以上の温度で仕上げ圧延することにより、耳割れの発生を防止する鋼材の熱間圧延方法が開示されている。
【０００６】
しかしながら、この方法では、精度の高い開先形状を有するフレーム材を用意し、しかも熱間加工時にそれが剥離しないように溶接する必要がある。したがって、通常、８０ｍｍ以上の厚さを有するインゴット（鋳造鋼塊）や分塊鍛造スラブの熱間加工にこの方法を適用するためには多大な溶接工数を必要とする。
また、幅１０００ｍｍを超える広幅材の圧延では、上記温度以上の仕上げ温度を確保することが困難となる場合が多く、現実には耳割れの発生を防止することが困難である。
特許文献２には、Ｂを０．３〜２．５質量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼片を熱間圧延するに際し、その側面に、Ｎｉ：４％以下、Ｂ：０．１〜０．４％を含有するステンレス鋼からなる厚さ３ｍｍ以上の肉盛り溶接被覆層を設けて、熱間加工する方法が開示されている。
【０００７】
しかしながら、この肉盛り溶接方法においては、割れを防止するに十分な溶接厚みを確保するためには溶接パス数が多くなり、溶接工数が増加する。また、溶接割れが発生すると、それが起点となって耳割れの発生につながる場合があり、耳割れの発生を完全に防止することは難しい。
【特許文献１】
特開平４−２５３５０６号公報（特許請求の範囲、段落［００５４］〜［００５９］、図１および図２）
【特許文献２】
特開２００１−２３９３６４号公報（特許請求の範囲、段落［００６２］〜［００７０］、図１および図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その課題は、Ｂ含有量の高いステンレス鋼片を、少ない溶接工数で、所定の板厚まで耳割れを発生させることなく圧延できる熱間圧延方法および冷間圧延方法、並びにＢ含有量の高い鋼材を提供することにある。
【０００９】
より具体的には、プロテクト材を高能率の電子ビーム溶接により側面に溶接したＢ含有ステンレス鋼片、Ｂ含有ステンレス鋼材、および熱間圧延中の被圧延材の耳割れの発生を防止することができるＢ含有ステンレス鋼材の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を達成するために、Ｂ含有ステンレス鋼材の製造方法について検討を重ね、下記の（ａ）〜（ｄ）の知見を得て、本発明を完成させた。
【００１１】
（ａ）Ｂを０．３〜２．５質量％含有するステンレス鋼片の加工面を除く少なくとも対向する２面に、Ｂを０．３質量％以下含有するステンレス鋼からなるプロテクト材を溶接金属が特定のＣｒ当量およびＮｉ当量を有するステンレス鋼からなるように接合し、熱間圧延することにより、鋼材の耳割れを防止できる。
【００１２】
（ｂ）上記のステンレス鋼片およびプロテクト材のＢ含有量の組み合わせにおいて、例えば、ステンレス鋼片が０．３〜０．７％の低Ｂ材であり、プロテクト材がＢ含有しない場合に、溶接金属の割れ感受性が高まり、溶接割れが発生するおそれがあるが、Ｂを０．４〜２．５％含有するインサート材を用いることによって溶接割れを防止できる。
（ｃ）上記（ａ）のプロテクト材は、エネルギー密度が高く高能率の電子ビーム溶接により接合するのが望ましく、また、プロテクト材の厚さは１０ｍｍ以上とすることが望ましい。
（ｄ）電子ビーム溶接の望ましい条件は、溶接電流：３００ｍＡ以上、溶接速度：２００ｍｍ／分以下、電子ビーム振幅：±１．０〜±３．０ｍｍである。
【００１３】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記のＢ含有ステンレス鋼片、Ｂ含有ステンレス鋼材、およびその製造方法にある。
【００１４】
（１）Ｂを０．３〜２．５質量％含有するステンレス鋼片の加工面を除く少なくとも対向する２面に、Ｂを０．３質量％以下含有するステンレス鋼からなるプロテクト材が、下記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属により接合され一体化されたことを特徴とするＢ含有ステンレス鋼片。
１５≦Ｃｒｅｑ≦３０ ・・・・・・・・（１）
４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７ ・・・・・・（２）
ただし、
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ ・・・（３）
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ ・・（４）
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量％)を表す。なお、元素の含有量は、特に断らない限り、質量％を表す。
【００１５】
（２）前記（１）に記載のＢ含有ステンレス鋼片において、ステンレス鋼片とプロテクト材の間に、Ｂを０．４〜２．５質量％含有するインサート材を介入させるのが望ましい。また、プロテクト材の厚さを１０ｍｍ以上にするのが望ましい。
（３）Ｂを０．３〜２．５質量％含有するステンレス鋼片の加工面を除く少なくとも対向する２面に、Ｂを０．３質量％以下含有するステンレス鋼からなるプロテクト材を電子ビーム溶接を用いて、下記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属を介して接合一体化し、加熱後、加工するＢ含有ステンレス鋼材の製造方法。
１５≦Ｃｒｅｑ≦３０ ・・・・・・・・（１）
４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７ ・・・・・・（２）
ただし、
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ ・・・（３）
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ ・・（４）
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量％)を表す。
【００１６】
（４）前記（３）に記載のＢ含有ステンレス鋼材の製造方法において、ステンレス鋼片とプロテクト材の間に、Ｂを０．４〜２．５質量％含有するインサート材を介入させて接合することが望ましい。また、プロテクト材の厚さを１０ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００１７】
（５）前記（３）に記載の方法により製造されたＢ含有ステンレス鋼材を中性子遮蔽容器、または燃料電池用セパレータとして使用するのが望ましい。
【００１８】
図１は、Ｂ含有ステンレス鋼片を模式的に示す図である。本発明において、「ステンレス鋼片」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されたインゴット（鋼塊）をいい、図１に示される母材がこれに相当する。これらの鋼片は、一般に直方体であり、その長手方向に延伸させるべく熱間圧延や鍛造などの熱間加工が施される。
「加工面を除く少なくとも対向する２面」とは、圧延や鍛造などの加工を受ける加工面以外の面のうち、少なくとも対向する２面をいう。例えば、圧延の場合は、圧延ロールと接触しない長手方向の２側面、またはこれらを含めて頭部や尾部の端面が含まれていてもよい。鍛造の場合は、ラムと接触しない対向する２側面、またはこれらを含めて３〜４側面が含まれていてもよい。なお、鋼片のコーナー部を面取り加工する場合には、面取り加工された面を含めてもよい。
「プロテクト材の厚さ」とは、図１に示されるとおり、プロテクト材を母材に接合する前の、加工面と平行な面内における、鋼片の側面からのプロテクト材の厚さをいう。接合後の鋼片においては、プロテクト材単身の厚さおよびプロテクト材中の溶接金属厚さの合計厚さをいう。
【００１９】
「溶接金属」とは、接合部の一部であって、接合前の母材およびプロテクト材が接合により溶融凝固した金属部分をいう。
【００２０】
「インサート材」とは、ステンレス鋼片（母材）とプロテクト材の間に挿入され、または挟み込まされる材料であって、具体的には板、箔、粉末等の材料が例示される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、被圧延材の側面に肉盛り溶接被覆層を設ける方法に比べて経済的な方法として、鋼片の側面に一定厚みを有するプロテクト材を接合し、これを圧延などの加工により鋼材とする方法を検討した。
【００２２】
プロテクト材の接合方法としては電子ビーム溶接法を用いた。表１に、試験に用いた母材鋼片およびプロテクト材の化学組成をまとめて示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
１）母材ステンレス鋼片の鋼成分組成
Ｂ：０．３〜２．５％：
被熱間加工材であるＢ含有ステンレス鋼片中のＢ含有量が０．３％未満では、熱中性子吸収能が十分ではなく、また燃料電池用セパレータ材の電気抵抗特性の改善も十分でないので、Ｂ含有量は０．３％以上とする。Ｂ含有量の増加とともに熱中性子吸収能や電気抵抗特性が改善するが、Ｂ含有量が２．５％を超えると、常温における延性および靭性の劣化が顕著となるので、含有量は２．５％以下とする。
また、母材は、オーステナイト系ステンレス鋼であってもフェライト系ステンレス鋼であってもよいが、燃料電池用セパレータ材として機能を発揮させる場合には、オーステナイト系ステンレス鋼に限定される。
【００２５】
他の鋼成分組成の望ましい範囲：
本発明で対象とするＢ含有ステンレス鋼のＢ以外の望ましい成分組成の範囲は以下のとおりである。
Ｃ：０．０８％以下：
Ｃは強度を確保する作用を有する元素である。しかし、０．０８％を超えて含有されると耐食性劣化や熱間加工性劣化の原因となる。したがって、含有量を０．０８％以下とすることが望ましい。０．０１％以上であれば、さらに望ましい。
【００２６】
Ｓｉ：１％以下：
Ｓｉは脱酸剤として添加されるが、耐酸化性を向上させる作用も有する元素である。しかし、１％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなる。よって、含有量を１％以下とすることが望ましい。
【００２７】
Ｐ：０．０４％以下：
Ｐは鋼中の不純物元素であり、その含有量が０．０４％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなるので、０．０４％以下とすることが望ましい。
【００２８】
Ｓ：０．０１％以下：
Ｓは鋼中の不純物元素であり、その含有量が０．０１％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなるので、０．０１％以下とすることが望ましい。
【００２９】
Ｃｒ：５％以上：
Ｃｒは耐食性を向上させる作用を有する元素であり、その含有量が５％以上で、望ましい効果が得られる。したがって、含有量を５％以上とすることが望ましい。一方、含有量が３０％を超えると熱間加工が困難となることがあるので、その含有量は３０％以下とすることがより望ましい。
【００３０】
Ｎ：０．０５％以下：
ＮはＢと結合して、靱性を悪化させる。十分な靱性を確保するためには０．０５％以下とすることが望ましい。
Ｍｏ：５％以下、Ｃｕ：０．５％以下およびＡｌ：０．３％以下：
これらの元素は、上記の含有量の範囲内で必要に応じて含有させれば、より一層、耐食性を向上させる効果を発揮する。したがって、これらの効果を要求される場合には、上記の含有量の範囲内で、単独または組み合わせて含有させることが望ましい。
【００３１】
２）溶接金属の成分組成：
プロテクト材と母材との接合部を構成する溶接金属の成分組成について説明する。プロテクト材を、電子ビーム溶接などにより高能率に母材に接合する際には、接合時に生じる割れの回避、およびプロテクト材自身の熱間圧延時の割れを防止することが必須となる。なお、接合時（溶接時）に生じる割れには、凝固割れと延性不足割れとがある。上述の全ての割れを防止するためには、プロテクト材と母材との接合部を構成する溶接金属の化学成分組成が下記の（１）〜（４）式により表される関係を満足する必要がある。
１５≦Ｃｒｅｑ≦３０ ・・・・・・・・（１）
４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７ ・・・・・・（２）
ただし、
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ ・・・（３）
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ ・・（４）
以下にその理由を詳述する。
上記のＣｒｅｑの値が１５未満では、Ｂ含有ステンレス鋼との希釈により、Ｂを含有する溶接金属が生成して延性が不足し、電子ビーム溶接による溶接などのように熱応力が大きくなる場合には、延性不足割れを生じる。延性不足は、ホウ化物の形成にともない、オーステナイト相が不安定となって、一部が延性の乏しいマルテンサイト化することにより生じる。
【００３２】
しかしながら、Ｃｒｅｑの値を１５以上とすることにより、ホウ化物が生成してオーステナイト相が安定となり、マルテンサイトの生成を抑制して延性不足を回避できる。
【００３３】
一方、Ｃｒｅｑの値が３０を超えると、溶接金属の熱間加工性が劣化して熱間圧延時に割れが発生する。したがって、Ｃｒｅｑの値は、上記の（１）式で表される関係を満足する必要がある。
【００３４】
また、溶接時に生じる割れの回避および熱間圧延時の割れの防止のためには、Ｃｒｅｑの値が上記の（１）の関係を満足するのみでは不充分であり、（Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ）の値も適正範囲に調整する必要がある。（Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ）の値が４未満では、溶接凝固割れが発生する一方、（Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ）の値が１７を超えると、熱間圧延割れが発生する。
【００３５】
溶接凝固割れは、Ｂによる低融点相の形成と、電子ビーム溶接などに特有の熱応力との重畳効果によるものである。（Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ）の値を４以上とすることにより、凝固後期までのフェライト相を残存させて、低融点相を分散させることができるので、電子ビーム溶接などの高い熱応力下においても凝固割れの回避が可能となる。したがって、（Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ）の値は、上記の（２）式の関係を満足する必要がある。
上述の理由により、溶接金属の成分組成を、（１）〜（４）式により表される適正範囲に調整することが、プロテクト材を高能率溶接する際に、溶接時に生じる割れを回避し、かつ溶接金属の熱間圧延時の割れを防止するための必須要件となる。
他の鋼成分組成の望ましい範囲：
本発明における溶接金属の望ましい成分組成の範囲は以下のとおりである。
Ｃ：０．０８％以下：
Ｃは鋼片加熱時の変形を抑制するために有効な強度を確保する効果を有する元素である。しかし、０．０８％を超えて含有されると熱間加工性劣化の原因となる。したがって、含有量を０．０８％以下とすることが望ましい。０．０１％以上であれば、より望ましい。
Ｓｉ：１％以下：
Ｓｉは脱酸剤として添加されるが、耐酸化性を向上させる効果も有する元素である。しかし、１％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなる。よって、含有量を１％以下とすることが望ましい。
【００３６】
Ｐ：０．０４％以下：
Ｐは鋼中の不純物元素であり、その含有量が０．０４％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなるので、０．０４％以下とすることが望ましい。
【００３７】
Ｓ：０．０１％以下：
Ｓは鋼中の不純物元素であり、その含有量が０．０１％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなるので、０．０１％以下とすることが望ましい。
【００３８】
Ｃｒ：５％以上：
Ｃｒは耐食性を向上させる作用を有する元素であり、その含有量が５％以上で、望ましい効果が得られる。したがって、含有量を５％以上とすることが望ましい。一方、含有量が３０％を超えると熱間加工が困難となることがあるので、その含有量は３０％以下とすることがより望ましい。
【００３９】
３）プロテクト材用ステンレス鋼の成分組成：
Ｂ：０．３％以下：
プロテクト材用鋼のＢ含有量が０．３％を超えて含有されると、圧延時の張力が大きい端部では、プロテクト材自身に割れが発生し、プロテクト材の効果をなさなくなる。したがって、含有量は０．３％以下とする。
【００４０】
Ｃｒ、Ｎｉなどの他の元素の含有量は、母材と溶融し混合して生成する溶接金属が、前記（１）〜（４）式を満足する必要があることから、実質的には溶接金属の成分組成により制約を受ける。
【００４１】
電子ビーム溶接により接合される場合に生成する溶接金属の成分組成は、母材とプロテクト材のそれぞれの成分組成の相加平均値に近い値となる。したがって、使用される母材の成分組成が決定すると、プロテクト材におけるＢ以外のＮｉ、Ｃｒなどの成分組成の範囲は、前記（１）〜（４）式を用いて求めることができる。
【００４２】
他の鋼成分組成の望ましい範囲：
プロテクト鋼材の他の成分組成について、上述の条件から求められる成分組成の範囲に加えて、プロテクト材の望ましい成分組成の範囲は、以下のとおりである。
Ｃ：０．０８％以下：
Ｃは鋼片加熱時の変形を抑制するために有効な強度を確保する効果を有する元素である。しかし、０．０８％を超えて含有されると熱間加工性劣化の原因となる。したがって、含有量を０．０８％以下とすることが望ましい。０．０１％以上であれば、より望ましい。
【００４３】
Ｓｉ：１％以下：
Ｓｉは脱酸剤として添加されるが、耐酸化性を向上させる効果も有する元素である。しかし、１％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなる。よって、含有量を１％以下とすることが望ましい。
【００４４】
Ｐ：０．０４％以下：
Ｐは鋼中の不純物元素であり、その含有量が０．０４％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなるので、０．０４％以下とすることが望ましい。
【００４５】
Ｓ：０．０１％以下：
Ｓは鋼中の不純物元素であり、その含有量が０．０１％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなるので、０．０１％以下とすることが望ましい。
【００４６】
Ｃｒ：５％以上：
Ｃｒは耐食性を向上させる作用を有する元素であり、その含有量が５％以上で、望ましい効果が得られる。したがって、含有量を５％以上とすることが望ましい。一方、含有量が３０％を超えると熱間加工が困難となることがあるので、その含有量は３０％以下とすることがより望ましい。
【００４７】
４）インサート材の必要性およびその成分組成
前述の通り、ステンレス鋼片が例えば０．３〜０．７％の低Ｂ材であり、プロテクト材がＢ含有しない組み合わせで溶接を行うと、溶接金属の割れ感受性が高まり、溶接割れが発生するおそれがある。
【００４８】
これは、ステンレス鋼片のＢ含有量が低く、プロテクト材で希釈された溶接金属では、液相からのホウ化物の生成が生じにくくなり、Ｂによる低融点相の消失が遅れ易くなる。その結果、溶接金属の凝固割れ感受性が高くなり、より高能率の条件で溶接を行う場合に溶接割れを生じることがある。
【００４９】
これに対し、プロテクト材のＢ含有量を高めれば、溶接金属のＢ量は多くなるが、これにともなって熱間加工性が劣化することになり、プロテクト材が具備する本来の機能が発揮できなくなる。このため、Ｂを含有するインサート材をステンレス鋼片とプロテクト材との接合の際に、両者の間に挿入、または挟み込むようにして使用するのが望ましい。このときのＢ含有量や他の成分組成は、下記によるのが望ましい。
【００５０】
Ｂ：０．４〜２．５％：
インサート材のＢ含有量が０．４％未満では、溶接時の希釈も考慮して、熱中性子吸収能が十分ではなく、また燃料電池用セパレータ材の電気抵抗特性の改善も十分でないので、Ｂ含有量は０．４％以上とする。一方、Ｂ含有量が２．５％を超えると、常温における延性および靭性の劣化が顕著となるので、含有量は２．５％以下とする。
他の鋼成分組成の望ましい範囲：
本発明で対象とするインサート材のＢ以外の望ましい成分組成の範囲は以下のとおりである。
Ｃ：０．０８％以下：
Ｃは強度を確保する作用を有する元素である。しかし、０．０８％を超えて含有されると耐食性劣化や熱間加工性劣化の原因となる。したがって、含有量を０．０８％以下とすることが望ましい。０．０１％以上であれば、さらに望ましい。
【００５１】
Ｓｉ：１％以下：
Ｓｉは脱酸剤として添加されるが、耐酸化性を向上させる作用も有する元素である。しかし、１％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなる。よって、含有量を１％以下とするのが望ましい。
【００５２】
Ｐ：０．０４％以下：
Ｐは鋼中の不純物元素であり、その含有量が０．０４％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなるので、０．０４％以下とするのが望ましい。
【００５３】
Ｓ：０．０１％以下：
Ｓは鋼中の不純物元素であり、その含有量が０．０１％を超えて含有されると溶接割れ感受性が高くなるので、０．０１％以下とするのが望ましい。
【００５４】
Ｃｒ：５％以上：
Ｃｒは耐食性を向上させる作用を有する元素であり、その含有量が５％以上で、望ましい効果が得られる。したがって、含有量を５％以上とすることが望ましい。一方、含有量が３０％を超えると熱間加工が困難となることがあるので、その含有量は３０％以下とすることがより望ましい。
５）電子ビーム溶接の望ましい条件
ステンレス鋼からなるプロテクト材を、側面の厚さが８０ｍｍ以上である鋼片（厚肉スラブ）の側面に、加工面に平行な面内における厚さが１０ｍｍ以上のプロテクト材を溶接するに際して、接合面から目外れすることなく、かつ、スラブ側面の厚さ方向の全厚にわたって接合する条件は、下記のとおりであることを見出した。
【００５５】
(1)溶接電流：３００ｍＡ以上、
(2)溶接速度：２００ｍｍ／分以下、
(3)電子ビーム振幅：±１．０〜±３．０ｍｍ、
上記(1)〜(3)の条件下で、鋼片とプロテクト材との突き合わせ面を加工面の両面側（例えば、スラブの表面および裏面）から溶接する。以下に、上記の知見を得るに至った試験結果について詳細に説明する。
【００５６】
［試験Ａ］
厚さ９０ｍｍのＢ含有ステンレス鋼の側面に、電子ビーム溶接の条件を下記の▲１▼〜▲３▼のように変化させて、プロテクト材を溶接し、望ましい溶接条件を調査する試験を行った。
【００５７】
▲１▼溶接電流：２００〜４００ｍＡ、
▲２▼溶接速度：１００〜３００ｍｍ／分、
▲３▼電子ビーム振幅：±０．５〜±４．０ｍｍ、
なお、母材のＢ含有ステンレス鋼としては、表１中の鋼番号Ｍ１およびＭ２を、また、プロテクト材としては、同表中の鋼番号Ｐ１およびＰ２を用いた。試験結果を図３および図４に示す。
図３は、溶接速度を２００ｍｍ／分として、溶接電流とビード溶け込み量との関係を求めた図である。また、図４は、溶接電流を３００ｍＡとして、溶接速度とビード溶け込み量との関係を求めた図である。
図３の結果より、溶接電流が３００ｍＡ以上であれば、５０ｍｍ以上の十分なビード溶け込み量が得られ、高い能率の電子ビーム溶接が可能であることが判明した。
【００５８】
図４の結果より、溶接速度が２００ｍｍ／分以下であれば、同様に５０ｍｍ以上の十分なビード溶け込み量が得られ、高い能率の電子ビーム溶接が可能であることが明らかとなった。
これらの結果から、溶接電流：３００ｍＡ以上、および溶接速度：２００ｍｍ／分以下の条件が同時に満足される場合に、十分な溶接溶込み量が得られ、高能率な電子ビーム溶接が可能となることが明らかとなった。
振幅については、±１．０ｍｍ未満であると、ビード幅が狭くなり接合位置決めに工数を要し、一方、±３．０ｍｍを超えると、ビード幅が広がり過ぎて溶接凝固金属組織が不均一となったり、不安定となったりする。したがって、振幅は、±１．０〜±３．０ｍｍの範囲内であることが望ましい。
【００５９】
６）プロテクト材の厚さ：
鋼材の耳割れを防止するためには、プロテクト材の厚さは１０ｍｍ以上が望ましい。厚さの増加にともなって耳割れを防止する効果は増大するが、厚さを過度に増加させると、プロテクト材料の歩留りが悪化するので好ましくない。上記の理由によりプロテクト材の厚さは５０ｍｍ以下とすることが望ましい。以下、詳細に説明する。
【００６０】
［試験Ｂ］
本発明の鋼成分の範囲を満たす母材およびプロテクト材を用いて耳割れを評価する実験室的試験を実施した。
【００６１】
被圧延材として、表１中の鋼番号Ｍ１のＢ含有オーステナイト系ステンレス鋼からなる幅２００ｍｍ、厚さ５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのスラブを用い、このスラブの幅方向端部に、同表中の鋼番号Ｐ１のオーステナイト系ステンレス鋼（ＴＰ３０４Ｌ）からなるプロテクト材を、上記の電子ビーム溶接により溶接し、試験材とした。
【００６２】
電子ビーム溶接の条件は、溶接電流：３５０ｍＡ、溶接速度：１３０ｍｍ／分、ビーム振幅：±２ｍｍとした。
【００６３】
本条件の電子ビーム溶接を行うと、Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼の母材とＴＰ３０４Ｌのプロテクト材は、それぞれ厚さ５ｍｍ程度にわたって溶融し、合計１０ｍｍ程度の厚さを有する溶接金属部が生じる。
【００６４】
電子ビーム溶接後にプロテクト材を研磨し、加工面に平行な面内における、溶接前の母材スラブ側面端面からのプロテクト材の厚み（溶接金属部を除くプロテクト材単身の厚さ）を０〜１０ｍｍの範囲で調整した。
【００６５】
このスラブを加熱炉で１１８０℃で１時間以上加熱し、仕上げ温度６００〜７００℃で圧延した。仕上げ板厚１．０ｍｍで、総圧下比（初期板厚／仕上板厚（−））が５０．０となるようにワークロール直径３５０ｍｍの２段圧延機により多パスの熱間圧延を行った。
【００６６】
上記の総圧下比の値は、実操業で想定される総圧下比の値と同程度、もしくはそれ以上の値とした。なぜなら、総圧下比が小さいと耳割れが発生しにくくなるため、実操業を想定した正確な耳割れ評価の実験室的試験にはならないからである。
【００６７】
実操業で考えられる現実的な総圧下比の上限値は５０．０程度となるので、本実験室的試験でほぼ実操業条件の耳割れ評価がなされている。表２に、耳割れの評価試験結果を示す。
【００６８】
【表２】

【００６９】
同表において、プロテクト材単身の厚さとは、溶接によっても溶融しなかったプロテクト材の厚さを表し、プロテクト材溶接金属厚さとは、溶接により溶融したプロテクト材の厚さを表す。また、プロテクト材の厚さとは、プロテクト材単身の厚さとプロテクト材溶接金属厚さとを合計し、溶接前におけるプロテクト材の厚さに換算した厚さを表す。
【００７０】
側面の耳割れの評価は、圧延後材料の幅端部全長に対して割れ状況の目視観察を行い、割れの長さが０．１ｍｍ未満の場合を割れ無し（○印）、割れの長さが０．１ｍｍ以上の場合を割れあり（×印）と判断した。
表２の結果から、仕上げ圧延温度が６００〜７００℃と低温であっても、電子ビーム溶接後の未溶融のプロテクト材の厚さ、すなわち、プロテクト材単身の厚さが１ｍｍ以上、つまり溶接前のプロテクト材の厚さが６ｍｍ以上確保されれば、耳割れの発生を完全に防止できることがわかる。
【００７１】
本試験結果は、実操業に用いられる実圧延機に比較して縮尺比が１／２〜１／５の試験圧延機により圧延した場合の結果である。したがって、本試験結果に基づき実操業における耳割れ防止に必要なプロテクト厚さを推定する必要がある。
〔実操業における望ましいプロテクト材厚さ］
耳割れは、圧延変形時に発生するエッジ部での引張張力によって発生する。そこで、圧延変形時に発生する鋼板内の張力の分布につき検討した。
【００７２】
図５は、鋼板の圧延時における長手方向張力の板幅方向分布についての有限要素法（ＦＥＭ）による解析結果を示す図である。なお、本解析は、３次元の剛塑性ＦＥＭを用い、以下の解析条件で行った。
【００７３】
ａ）圧延機のワークロール直径：２００ｍｍ、
ｂ）母材寸法：厚さ３．０ｍｍ、幅：２５０ｍｍ、
ｃ）圧下率：３０％、
図５の結果によれば、幅方向端部から１０ｍｍ程度の領域には引張張力が作用しており、幅方向端部近傍でエッジ張力が最大となっている。このエッジ張力が作用している領域に、変形能の優れた材料を付与することにより耳割れを防止することが可能となる。
本発明者らが、種々の条件で同様にエッジ部張力の解析を実施した結果、この引張応力が作用する幅方向端部からの距離δＷｃは、下記（５）式で示される比例関係を有することが判明した。
【００７４】
δＷｃ＝Ｋ×Ｒ^0.5×ｈ ・・・・・・・（５）
ここで、Ｒはワークロールの半径、ｈは板厚、Ｋは比例定数である。
【００７５】
したがって、実操業での耳割れ防止に必要なプロテクト厚さＬは、実圧延機のワークロール半径をＲ、仕上げ板厚をｈ、試験圧延機のワークロール半径をＲ０、仕上げ板厚をｈ０、プロテクト材単身の厚さをＬ０とすると、下記（６）式により求めることができる。
【００７６】
Ｌ≧Ｌ０×(Ｒ^0.5×ｈ)／(Ｒ０^0.5×ｈ０)・・・（６）
前述のとおり、試験圧延機による試験では、実操業で想定される総圧下比と同程度以上の値を確保する必要があるため、総圧下比をＣとすると、前記（６）式は（７）式のように書き換えられる。
【００７７】

ここで、Ｈは実操業圧延における初期板厚、Ｈ０は試験圧延における初期板厚である。
【００７８】
上記（７）式に、実験室的試験により得られた前記の表２の試験結果に基づき、Ｌ０＝１．０ｍｍ、Ｒ０＝１７５ｍｍ、Ｈ０＝５０ｍｍを代入すると、下記（８）式が得られる。
Ｌ(ｍｍ)≧１．０×(Ｒ／１７５)^0.5×(Ｈ／５０) ・・（８）
実圧延機においてワークロール半径の大きい厚板圧延機の場合、ワークロール半径は５００ｍｍ、Ｂ含有ステンレス鋼スラブの一般的な板厚は１５０ｍｍであるから、これらの値を上記（８）式に代入すると、下記（９）式が得られる。
【００７９】

上記（９）式の結果、および、試験Ｂにおいて電子ビーム溶接でプロテクト材のうちの厚さ５ｍｍに相当する部分が溶接金属になる結果が得られたことから、１０ｍｍ以上のプロテクト厚さを確保することにより、実操業での耳割れの発生を防止できることが判明した。
７）熱間加工および冷間加工：
熱間加工は、分塊鍛造、厚板圧延、および熱延鋼帯圧延などをいう。鋼片の加熱温度は、溶融脆性を生じない範囲において高温とするのが望ましい。Ｂ含有ステンレス鋼の場合は、１１００〜１２００℃の範囲とするのが望ましい。
【００８０】
熱間鍛造あるいは熱間圧延における仕上げ温度は、高い方が耳割れ防止の観点からは望ましい。しかし、プロテクト材の熱間変形能が許す限り、６００〜７００℃の低温仕上げとすることも可能である。
【００８１】
さらに、燃料電池用セパレータ材としてＢ含有ステンレス鋼を用いる場合には、熱間加工の後、冷間加工として冷延鋼帯圧延を施して冷延鋼板に仕上げ加工を行い、得られた薄板をプレス成形して所定の断面形状にする。
【００８２】
上述のようにして得られた高い信頼性と生産性に裏付けされたＢ含有ステンレス鋼材は、中性子遮蔽容器用、さらには燃料電池用セパレータ材等の機能を発揮する用途の鋼材として好適である。
【００８３】
【実施例】
（実施例１）
実施例１では、本発明で規定する鋼成分の範囲を満たす母材およびプロテクト材を用いて耳割れを評価する実験室的試験を行った。
【００８４】
被圧延材として用いる試験材は、表１中の鋼番号Ｍ１〜Ｍ５のＢ含有オーステナイト系ステンレス鋼からなる幅２００ｍｍ、厚さ５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのスラブを用い、このスラブの幅方向端部に、同表中の鋼番号Ｐ１〜Ｐ９のステンレス鋼からなるプロテクト材を組み合わせて、前記の電子ビーム溶接により溶接することにより作製した。
【００８５】
表３に、各種母材とプロテクト材を組み合わせた鋼片中の溶接金属部の化学組成およびその評価結果を示す。
【００８６】
【表３】

【００８７】
電子ビーム溶接の条件は、溶接電流：３５０ｍＡ、溶接速度：１３０ｍｍ／分、ビーム振幅：±２ｍｍとした。
【００８８】
上記の条件にて電子ビーム溶接を行うと、Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼の母材とステンレス鋼プロテクト材は、それぞれ５ｍｍ程度にわたって溶融し、合計１０ｍｍ程度の厚さを有する溶接金属部が形成された。表３に示された化学組成は、この溶接金属部の化学組成である。
【００８９】
電子ビーム溶接後にプロテクト材を研磨し、加工面に平行な面内における母材スラブ側面端面からのプロテクト材単体の厚さ（溶接金属を除くプロテクト材の厚さ）を１ｍｍに調整した。
このスラブを加熱炉中で１１８０℃にて１時間以上加熱し、仕上げ温度を６００〜７００℃として圧延した。仕上げ板厚が１ｍｍで、総圧下比（初期板厚／仕上げ板厚（−））が５０．０となるように、ワークロール直径が３５０ｍｍの２段圧延機により多パスの熱間圧延を行った。
【００９０】
上記の総圧下比の値は、実操業で想定される総圧下比の値と同程度、もしくはそれ以上の値とした。その理由は、前記したとおり、総圧下比が小さいと耳割れが発生しにくくなるため、実操業をシミュレートした正確な耳割れ評価のできる実験室的試験とはならないからである。
【００９１】
表３に、超音波検査による溶接割れの有無と、圧延後の耳割れの評価試験結果を示す。側面の耳割れの評価は、圧延後材料の幅端部全長に対して割れ状況の目視観察を行い、割れの長さが０．１ｍｍ未満の場合を割れ無し（○印）、割れの長さが０．１ｍｍ以上の場合を割れあり（×印）とした。
同表に示された結果から、本発明で規定する（１）〜（４）式の関係を満足する試験番号Ｓ１〜Ｓ３、および試験番号Ｓ８〜Ｓ１１においては、溶接割れはなく、また、圧延後においても耳割れのない良好な結果であった。
【００９２】
これに対して、試験番号Ｓ４およびＳ６では、圧延前に既に溶接割れが発見された。試験番号Ｓ４は、（１）式の値が１５未満であり、延性不足による割れを生じ、また、試験番号Ｓ６は、（２）式の値が４未満であり、凝固割れを生じていた。いずれの場合も、本発明で規定する要件を満たさず、そのために、溶接金属部に割れを生じていた。
【００９３】
試験番号Ｓ５およびＳ７においては、圧延前には割れは生じなかったが、圧延後に、耳割れを発生した。試験番号Ｓ５は、（１）式の値が３０を超えており、試験番号Ｓ７は、（２）式の値が１７を超えていた。いずれの場合も、本発明で規定する要件を満たさず、そのために、圧延後に耳割れを生じた。
【００９４】
以上の試験結果から、溶接金属の化学組成の調整が重要かつ有効であり、本発明の有効性が確認された。
（実施例２）
上記実施例１で示した試験結果は、実操業に用いられる実機圧延機に比較して縮尺比が１／２〜１／５の試験圧延機により圧延した場合の結果である。したがって、本試験結果に基づき実操業における耳割れ防止に必要なプロテクト厚さを推定する必要がある。
【００９５】
そこで、表１に示される鋼成分組成を有する母材鋼片の長手方向側面に、同表に示される鋼成分組成を有するプロテクト材を電子ビーム溶接により溶接して被圧延材を作製し、加熱後、実機圧延機により圧延試験を行い、その結果を評価した。
【００９６】
表４に、試験条件として、鋼番号、鋼片寸法、プロテクト材厚さ、溶接条件、加熱温度、仕上げ厚さ、総圧下比および仕上げ温度を、また、試験結果として、エッジ割れ状況をまとめて示した。
【００９７】
【表４】

【００９８】
ここで、試験結果の評価は、耳割れがない（割れの長さが０．１ｍｍ未満）場合を○印により、小さな耳割れ（割れ長さ０．１ｍｍ以上１８ｍｍ未満）が発生した場合を×印により、そして大きな耳割れ（割れ長さ８０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下）が発生した場合を××印により、それぞれ区分した。
【００９９】
なお、表５に、圧延のパススケジュールを示した。
【０１００】
【表５】

【０１０１】
試験番号Ｂ１〜Ｂ５はプロテクト材を接合した本発明例の試験であって、その中で、試験番号Ｂ１〜Ｂ３は、仕上げ温度を変化させた試験であり、試験番号Ｂ４およびＢ５は、プロテクト材の厚さを、減少させた試験である。
【０１０２】
また、試験番号Ｂ６は、プロテクト材を接合しなかった比較例の試験である。
【０１０３】
本発明例の試験番号Ｂ１〜Ｂ５では、プロテクト材の厚さが８ｍｍである試験番号Ｂ５において、小さな耳割れが発生した以外は、耳割れは発生しなかった。試験番号Ｂ５で発生した小さな耳割れは、プロテクト材を除去して製品とする段階では、製品品質に全く悪影響を及ぼさない程度の小さな耳割れであった。この結果は、プロテクト材を接合する本発明の効果を十分に実証するものである。
【０１０４】
本発明例の試験番号Ｂ１〜Ｂ４は、プロテクト材の厚さが本発明における望ましい範囲である１０ｍｍ以上の場合であり、耳割れは皆無であって、さらに良好な品質の製品が得られた。また、仕上げ温度の低い試験番号Ｂ１においても良好な結果であった。
これらに対して、比較例である試験番号Ｂ６では、大きな耳割れが発生し、製品鋼材の品質にも悪影響を及ぼす劣った結果となった。実施例２の結果から、本発明は、実機圧延機による圧延後においても耳割れを防止できることが確認された。
（実施例３）
実施例３では、本発明で規定する鋼成分の範囲を満たす母材およびプロテクト材を用いて、インサート材の使用有無による耳割れを評価する実験室的試験を実施した。
【０１０５】
被圧延材として用いる試験材は、本発明で規定する鋼成分の範囲を満足するが、低Ｂ含有鋼に相当する前記表１中の鋼番号Ｍ５（Ｂ：０．４２％）を使用した。そして、前記Ｍ５の低Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼からなる幅２００ｍｍ、厚さ５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのスラブを用い、このスラブの幅方向端部に、同表中の鋼番号Ｐ１〜Ｐ９のステンレス鋼からなるプロテクト材を組み合わせて、前記の電子ビーム溶接により溶接することにより試験材を作製した。
【０１０６】
電子ビーム溶接後にプロテクト材を研磨し、加工面に平行な面内における母材スラブ側面端面からのプロテクト材の厚みを０〜１０ｍｍの範囲で調整した。前記実施例１では、電子ビーム溶接の条件を溶接電流：３５０ｍＡ、溶接速度：１３０ｍｍ／分およびビーム振幅：±２ｍｍとした。これに対し、実施例３では、施工能率の向上を図るため、電子ビーム溶接の条件を溶接電流：４００ｍＡ、溶接速度：１７０ｍｍ／分およびビーム振幅：±２ｍｍに変更して試験を行った。
【０１０７】
試験に使用した母材およびプロテクト材の組み合わせ、およびインサート材の種類、厚さ寸法および成分組成を表６に示す。インサート材は、表６に示すように板材、粉末および箔材を用いたが、そのうち粉末層はＢ含有粉末を水ガラス等のバインダー材と混合して開先面に壁塗りして形成した。
【０１０８】
さらに、鋼番号Ｍ５の母材と各種のプロテクト材およびインサート材を組み合わせた鋼片中の溶接金属部の化学組成、およびその溶接割れ、圧延割れの評価結果を表７に示す。溶接割れおよび圧延割れの評価条件は、実施例１の場合と同様とした。
【０１０９】
【表６】

【０１１０】
【表７】

【０１１１】
試験番号Ｃ１〜Ｃ７では、いずれも母材、プロテクト材および溶接金属の成分組成は、本発明で規定する範囲を満足するものであるが、インサート材を使用しなかった試験番号Ｃ１およびＣ２では、断面を１００倍の顕微鏡にて観察した結果、微細な割れが生じているのが確認され、この鋼片の圧延後には微細な割れが認められた。
【０１１２】
一方、母材が低Ｂ含有であり、インサート材を用いた試験番号Ｃ３〜Ｃ７では、高速溶接を行ったにもかかわらず、断面を１００倍の顕微鏡にて観察した結果からも割れは全く認められず、またこの鋼片の圧延後も割れは全く確認できなかった。
【０１１３】
【発明の効果】
本発明法によれば、Ｂ含有量の高いステンレス鋼片の側面に、高能率の電子ビーム溶接によりプロテクト材を接合し圧延することにより、耳割れの発生を防止し、高い生産性と優れた品質のもとにＢ含有ステンレス鋼材を提供できる。さらに、溶接接合時にインサート材を使用すれば、溶接金属の割れ感受性を一層低減することができる。
【０１１４】
これにより、本発明のＢ含有ステンレス鋼材は、例えば、中性子遮蔽容器用、さらには燃料電池用セパレータ材等の機能を発揮する用途などのＢ含有ステンレス鋼材を使用する産業分野の発展に大きく寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｂ含有ステンレス鋼片を模式的に示す図である。
【図２】溶接金属組成と溶接割れおよび圧延性能との関係を示す図である。
【図３】溶接電流とビード溶け込み量との関係を示す図である。
【図４】溶接速度とビード溶け込み量との関係を示す図である。
【図５】鋼板の圧延時における長手方向張力の板幅方向分布についての有限要素法による解析結果を示す図である。

Claims (8)

1. Ｂを０．３〜２．５質量％含有するステンレス鋼片の加工面を除く少なくとも対向する２面に、Ｂを０．３質量％以下含有するステンレス鋼からなるプロテクト材が、下記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属により接合され一体化されたことを特徴とするＢ含有ステンレス鋼片。
   １５≦Ｃｒｅｑ≦３０ ・・・・・・・・（１）
   ４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７ ・・・・・・（２）
   ただし、
   Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ ・・・（３）
   Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ ・・（４）
   ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量％)を表す。
2. 上記ステンレス鋼片と上記プロテクト材の間に、Ｂを０．４〜２．５質量％含有するインサート材を介入させたことを特徴とする請求項１に記載のＢ含有ステンレス鋼片。
3. 前記プロテクト材の厚さが１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のＢ含有ステンレス鋼片。
4. Ｂを０．３〜２．５質量％含有するステンレス鋼片の加工面を除く少なくとも対向する２面に、Ｂを０．３質量％以下含有するステンレス鋼からなるプロテクト材を電子ビーム溶接を用いて、下記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属を介して接合一体化し、加熱後、加工することを特徴とするＢ含有ステンレス鋼材の製造方法。
   １５≦Ｃｒｅｑ≦３０ ・・・・・・・・（１）
   ４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７ ・・・・・・（２）
   ただし、
   Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ ・・・（３）
   Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ ・・（４）
   ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量％)を表す。
5. 上記ステンレス鋼片と上記プロテクト材の間に、Ｂを０．４〜２．５質量％含有するインサート材を介入させて接合することを特徴とする請求項４に記載のＢ含有ステンレス鋼材の製造方法。
6. 前記プロテクト材の厚さを１０ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項４または５に記載のＢ含有ステンレス鋼材の製造方法。
7. 請求項４または５に記載の方法により製造されたＢ含有ステンレス鋼材を使用した中性子遮蔽容器。
8. 請求項４または５に記載の方法により製造されたＢ含有ステンレス鋼材を使用した燃料電池用セパレータ。

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