JPH0949066A

JPH0949066A - 熱中性子吸収用フェライト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH0949066A
Application number: JP7203230A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Kajimura; 治彦梶村
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-08-09
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 1997-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】熱間加工性および耐食性に優れた、熱中性子吸
収能力を有するフェライト系ステンレス鋼の提供。【解決手段】重量割合にて、Ｃ：0.01％未満、Ｓｉ：
0.5％以下、Ｍｎ： 1.0％以下、Ｃｒ：13〜26％、Ｂ：
2.0％以下、Ｇｄ：0.05〜 3.0％、Ａｌ： 0.002〜 0.1
％、Ｙ：0.30％以下、Ｎｉ： 1.0％以下、Ｍｏ： 3.0％
以下、Ｎ： 0.015％以下、Ｔｉ： 1.0％以下、Ｎｂ：
1.0％以下を含有し、残部は不可避的不純物およびＦｅ
からなる熱中性子吸収能力を有するフェライト系ステン
レス鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、原子力関連の核
燃料輸送用容器、使用済核燃料保管用容器あるいはラッ
ク等に使用される、大きな熱中性子吸収能力を有するス
テンレス鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、原子炉の制御用や熱中性子の遮蔽
用に、熱中性子の吸収断面積が極めて大きいボロン
（Ｂ）を 1％以上含有させた、SUS304系のオーステナイ
ト系ステンレス鋼が多く使用されてきた。そして近年、
電力需給の関係から原子力発電への依存度が高まり、そ
れにともなって使用前後の核燃料取り扱い量が増加し、
そのの輸送や保管あるいは貯蔵用の容器用、さらには燃
料の関連構造材用に、安全上中性子吸収能力のある含Ｂ
ステンレス鋼が要望されるようになってきた。

【０００３】中性子吸収能力を十分に持たせるにはＢ含
有量は多い方がよいが、オーステナイト系ステンレス鋼
は、Ｂ量が 1％を超えるようになると熱間加工性が著し
く低下してくる。例えば容器用の場合、素材としての板
を製造しようとすれば、熱間圧延時に割れを発生するよ
うになり、さらに冷間加工性も劣化し、衝撃値も低下す
るので、Ｂの添加量には限界がある。

【０００４】このＢの添加による熱間加工性の劣化は、
多量に存在するＣｒにより、（Ｃｒ，Ｆｅ）₂Ｂの形の
硼化物が形成されるためとされている。すなわち、この
硼化物は脆いため加工時の割れ発生の起点となり、その
上融点が1200℃近傍なので、これ以上の温度での加工は
さらに割れが甚だしくなって実用上不可能になる。この
含Ｂオーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を改善
する目的で、例えば特公昭57 -45464 号公報では、Ａｌ
／Ｎを 2〜60の範囲に限定し、微細なＡｌＮ析出物を制
御することにより鋳造組織のオーステナイト結晶粒の細
粒化を図る発明が提示されている。しかし、脆い硼化物
が多量存在する以上、大きな改善効果は期待できないと
思われる。

【０００５】このようなＢ量の増加による熱間加工性劣
化や靭性劣化を避けるために、Ｂ以外の中性子吸収元素
を添加することが考えられており、例えば特開昭62-565
57号公報では、熱中性子吸収断面積の極めて大きいガド
リニウム（Ｇｄ）を 0.1〜 3.0％含有するＣ：0.01〜0.
15％のステンレス鋼材の発明が提示されている。また、
特開平5-255812号公報には、Ｂ含有量を 1.0％までと
し、Ｇｄを 0.1〜 2.0％含有させる、オーステナイト系
ステンレス鋼の発明が開示されている。しかし、Ｂ含有
量の低減により確かに硼化物を減少させることはできる
が、一方においてＧｄの添加は、含有量が少ない場合は
問題がなくても、量が増すと加熱温度によっては熱間加
工時の割れが発生してくる。

【０００６】従来、含Ｂステンレス鋼は、耐用期間や安
全性を極度に重視しSUS304系のオーステナイト系ステン
レス鋼をベースにしている。しかしながら、燃料格納用
の容器等を対象とすると、Ｃｒが必要量含まれておれ
ば、実用上ステンレス鋼としての耐食性は十分な場合が
多い。すなわち、熱中性子の吸収能力と、使用環境にお
いて必要かつ十分な耐食性を有し、その上加工性がよけ
れば、高価なＮｉを使用しないフェライト系ステンレス
鋼でも十分使用可能と考えられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、熱中
性子の吸収能力が大きく、熱間加工性がすぐれ、とくに
核燃料の容器用として十分な耐食性を有するフェライト
系ステンレス鋼の提供にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは使用済み核
燃料の容器用として、含Ｂステンレス鋼の熱間加工性を
向上すべく、熱中性子吸収断面積の大きいＧｄのオース
テナイト系ステンレス鋼への添加を種々検討した。天然
に存在するＧｄは、熱中性子吸収断面積の極めて大きい
¹⁵⁷Ｇｄを約16％含む同位体の混合物で、その吸収断面
積は 49000ｂもあり、熱中性子吸収断面積の大きい¹⁰Ｂ
の量が約20％と残部がこの吸収断面積の小さい¹¹Ｂとか
らなる天然のＢの 760ｂに比較して、同じ重量では約
4.4倍の効果がある。したがって、同じ熱中性子吸収断
面積を得るには、その添加量が少なくてすみ、加工性や
耐食性におよぼす影響も少なくなるはずである。

【０００９】Ｇｄを含有させた場合、Ｂも同時に含有す
る鋼の熱中性子吸収の能力をＢ当量αで示せば、 α＝｛（ 1− 0.015×Ｂ％）×Ｂ％｝＋（ 4.4×Ｇｄ％）・・・・となる。この式では、Ｂを添加した場合のボライドの生
成による密度変化を配慮してある。原子炉の制御用に使
用される含ボロンオーステナイト系ステンレス鋼の例か
ら、十分な熱中性子吸収能力のある鋼としては、天然Ｂ
を約 1％以上含有していること、すなわちαが１以上で
あることを目途とした。

【００１０】ところがＧｄの添加は、その含有量を増す
と、加熱温度によっては鍛造時にそれ以上の熱間加工が
不可能な程の割れが発生した。この割れは鋳塊の熱間鍛
造時や鋳片の粗圧時に主として発生する。

【００１１】割れの原因を調査した結果、熱間加工割れ
は凝固時のデンドライト組織が残る場合に特に顕著に現
れ、さらにデンドライトアーム間の組成を調べると、Ｇ
ｄとＮｉの著しい濃化部分が検出された。二元系状態図
を見ると融点約 700℃のＧｄ75％、Ｎｉ15％の組成の共
晶点の存在が示されており、熱間加工の加熱時にこの共
晶組成に近くなった濃化部分が溶け、加工割れを生じた
と推定された。Ｎｉを10％含むオーステナイト系ステン
レス鋼にて、Ｇｄを 1.5％添加した場合の結果では、デ
ンドライドアーム間で最も濃化した部分にて、Ｎｉが26
％以上、Ｇｄが約50％もの偏在が確認され、Ｎｉの存在
がＧｄ添加による熱間加工割れの原因になっていると考
えられた。

【００１２】そこでＮｉを含まないフェライト系ステン
レスをベースとして、Ｇｄ含有によって必要な熱中性子
吸収能力を持たせることとし、予想される使用環境に適
用できる十分な耐食性、熱間加工性、冷間加工性および
溶接性等を有していることを目標に種々検討をおこな
い、本発明を完成させた。

【００１３】すなわち本発明は、重量割合にて、Ｃ：0.
01％未満、Ｓｉ： 0.5％以下、Ｍｎ： 1.0％以下、Ｃ
ｒ：13〜26％、Ｂ： 2.0％以下、Ｇｄ：0.05〜 3.0％、
Ａｌ：0.002 〜 0.1％、Ｙ：0.30％以下、Ｎｉ： 1.0％
以下、Ｍｏ： 3.0％以下、Ｔｉ： 1.0％以下、Ｎｂ：
1.0％以下、Ｎ：0.015 ％以下を含有し、かつ、ＢとＧ
ｄの含有量は、｛（ 1− 0.015×Ｂ％）×Ｂ％｝＋（ 4.4×Ｇｄ％）≧
1.0 を満足し、残部は不可避的不純物およびＦｅからなる、
熱中性子吸収能力を有するフェライト系ステンレス鋼で
ある。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明にて、鋼の化学組成を上記
のように限定した理由を以下に説明する。

【００１５】(1) Ｃフェライト系ステンレス鋼において、オーステナイト系
ステンレス鋼に匹敵する耐食性を得るには、Ｎとともに
Ｃ含有量をできるだけ低くする必要がある。Ｃ量を低く
することによる強度の低下はある程度は避け難いが、耐
食性の向上ばかりでなく、熱間および冷間加工性の向
上、さらに溶接性の向上が得られる。Ｃ含有量は少なけ
れば少ないほど好ましく、これらの効果を確実に得るた
めに、0.01％未満に限定する。望ましいのは0.005 ％以
下である。

【００１６】(2) Ｓｉ脱酸を目的に添加する元素であるが、本発明の鋼に要求
される諸性質にはとくには関係なく、無くてもよい。含
有する場合は、Ｇｄとの低融点共晶の形成を助成するた
め上限は0.5 ％とする。

【００１７】(3) Ｍｎ本発明鋼の場合、とくに含有させる必要はないが、製鋼
原料からの混入は避けがたい。多くなると耐食性が低下
してくるので、上限は 1.0％とする。

【００１８】(4) Ｃｒフェライト系ステンレス鋼としての必要な耐食性を確保
するため、13〜26％含有させる。安定な耐食性被膜形成
のため、少なくとも13％は必要であるが、26％を超えて
含有させると、熱間加工性が悪くなる。

【００１９】(5) Ｂ硼化物形成により加工性が劣化してくるので、Ｇｄが必
要量添加される場合、Ｂは含有させなくてもよい。しか
し、コストが低く、添加量に比例して容易に熱中性子吸
収能力が高くなるので、加工性を阻害しない範囲であれ
ばＧｄと複合してある程度添加するのが好ましい。望ま
しいのは、Ｇｄの添加量如何にかかわらず、少なくとも
0.1以上含有させることである。しかし、添加量の増加
は熱間加工性の大幅劣化を来すので、含有量上限を 2.0
％とする。

【００２０】(6) ＧｄＢ含有量を可能な限り少なくし、加工性向上させる目的
でＧｄ含有量の下限を0.05％とする。ただし、Ｇｄは高
価であり、可能な範囲でＢと併用するのが望ましい。本
発明では十分な中性子吸収能力を持つ鋼として、α≧ 1
を目標にしているので、前述の式に基づいてＢとＧｄ
の含有量を調整する。

【００２１】Ｇｄの含有量は多ければ多いほど熱中性子
吸収能力は増加するが、 3.0％を超えるとＦｅとの低融
点共晶が現われ熱間加工性を悪くする危険性がある。そ
こでＧｄの含有量範囲は0.05〜 3.0％とする。

【００２２】(7) Ａｌ溶鋼を脱酸して健全な鋳片を得るために製鋼時に添加す
る。とくにＧｄを添加する場合、鋼の脱酸が不十分であ
ればＧｄ酸化物の介在物が生成し、これが鋼表面に出て
くるとそこを起点に腐食が進行する可能性があり、十分
に脱酸しておかねばならない。そのためには酸可溶Ａｌ
（sol.Ａｌ）として 0.002％以上のＡｌが含有されてい
る必要がある。ただし、過剰に存在してもその効果は飽
和し、さらに加工性も害するようになるので、多くても
0.1％までとする。すなわちＡｌの含有量は 0.002〜
0.1％である。

【００２３】(8) ＹＹはとくには添加しなくてもよいが、熱間加工性を向上
させ、Ｇｄの酸化防止にはＡｌよりも効果があるので、
必要により添加する。添加する場合は、少なくとも 0.0
05％以上の含有が望ましいが、多く含有させてもその効
果は飽和するので 0.5％までとする。

【００２４】(9) ＮｉＮｉは本発明のフェライト系ステンレスでは含有の必要
はない。その上多量の存在は凝固時にＧｄとの低融点共
晶を形成する。ただし、少量の添加は靭性向上の効果が
あるので 1.0％まで含有させることができる。なお、靭
性向上には0.05％以上の添加が望ましい。

【００２５】(10) Ｍｏ添加しなくてもよいが、耐孔食性、耐隙間腐食性を向上
させるので必要により添加する。添加する場合、有為な
効果を得るには 0.1％以上の含有が望ましい。

【００２６】しかし、3.0 ％を超える含有は熱間加工性
低下させるため、上限を 3.0％とする。

【００２７】(11) ＴｉおよびＮｂこれらの元素は添加しなくてもよいが、溶接の熱影響部
の耐食性低下や板の場合の冷間加工性向上の目的で、必
要に応じ添加する。添加する場合の含有量は、多すぎる
と効果が飽和し加工性を悪くするので、どちらの元素も
1.0％までである。添加の効果を発現させるには、どち
らも 0.005％以上の含有が望ましい。

【００２８】(12) ＮＣと同様、十分な耐食性を得るためには、その含有量は
少なければ少ないほどよい。顕著な影響が現われない限
界として、 0.015％以下に規制する。望ましいのは 0.0
08％以下である。

【００２９】(13) ＰおよびＳどちらも製鋼原料から混入してくる不可避的不純物元素
であり、耐食性や加工性を低下させるので少なければ少
ないほどよい。顕著な影響の現われない限界としてそれ
ぞれＰは0.02％以下、Ｓは0.01％以下が望ましい。

【００３０】

【実施例】表１に示す化学組成の鋼を真空溶解して、30
ｋｇの鋼塊に鋳造した。鋳塊から平行部10mmφの高温延
性試験片を採取し、1100℃での高温延性引張試験を実施
した。引張速度は 1／ｓとし、絞り率から熱間加工性を
評価した。

【００３１】これらの鋳塊は、さらに熱間鍛造および熱
間圧延を施した後、 850℃に加熱後水冷の焼鈍をおこな
い、 1／4 幅のサブサイズＶノッチシャルピー試験片を
採取し衝撃試験をおこなった。また、1100℃にて30分加
熱後水冷の熱処理の後、孔食発生電位測定用試験片を採
取した。孔食電位は2500 ppmＢ⁺＋1000ppm Ｃｌ^-の空
気飽和溶液で、80℃にて、電位掃引速度20 mＶ／min と
して測定した。

【００３２】

【表１】

【００３３】Ｇｄ含有量と高温引張試験の絞り率との関
係を図１に示す。図中測定点に付した数字は、表１の鋼
番号を示している。絞り率が50％以上あることを目標と
したが、Ｇｄ量増加とともに絞り率低下の傾向にあり、
他の成分がいずれも本発明の定める範囲内にあってもＧ
ｄ量が 3％を超える鋼27では、目標値を大きく下回る結
果となっている。Ｇｄ量が 3％以内であっても、他の成
分が本発明範囲を外れる場合は絞り率が低く、とくにＮ
ｉが多い鋼番号24および25は熱間加工性が極めて悪い。
また、Ｙを添加した鋼 9〜11は、同じＧｄ量レベルの鋼
と比較すれば熱間加工性の向上が認められる。

【００３４】衝撃試験の結果を図２に示す。Ｎｉ添加に
より衝撃値向上の傾向が認められるが、熱間加工性の劣
化から、 1％以下の含有にすべきである。

【００３５】ステンレス鋼としての耐食性を表す孔食電
位の測定結果を図３に示す。通常孔食電位は、Ｃｒ
（％）＋ 3Ｍｏ（％）− 3Ｂ（％）でほぼ整理でき、発
生電位の高いほど耐食性良好である。Ｃｒ量が低い鋼28
や、それぞれＣ、ＳまたはＮが高い鋼20、23または26で
は、孔食電位は劣る。一方、鋼12〜15のようにＴｉまた
はＮｂを添加すると孔食電位は高くなる。

【００３６】

【発明の効果】本発明のフェライト系ステンレス鋼は、
熱間加工性および耐食性にすぐれた、大きな熱中性子吸
収能力を有するものであって、従来使用されてきた含ボ
ロンオーステナイト系ステンレス鋼に代えて原子力関連
の核燃料輸送用容器、使用済核燃料保管用容器あるいは
ラック等に適用できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｇｄ含有量と、熱間加工性の指標である1100℃
の高温引張試験における絞り率との関係を示す図であ
る。

【図２】Ｎｉ含有量と、衝撃値との関係を示す図であ
る。

【図３】ステンレス鋼の耐食性を表すＣｒ（％）＋ 3Ｍ
ｏ（％）− 3Ｂ（％）と、孔食電位との関係を示す図で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量割合にて、Ｃ：0.01％未満、Ｓｉ：
0.5％以下、Ｍｎ： 1.0％以下、Ｃｒ：13〜26％、Ｂ：
2.0％以下、Ｇｄ：0.05〜 3.0％、Ａｌ： 0.002〜 0.1
％、Ｙ：0.30％以下、Ｎｉ： 1.0％以下、Ｍｏ： 3.0％
以下、Ｎ： 0.015％以下、Ｔｉ： 1.0％以下、Ｎｂ：1.
0 ％以下を含有し、かつ、ＢとＧｄの含有量は、｛（ 1− 0.015×Ｂ％）×Ｂ％｝＋（ 4.4×Ｇｄ％）≧
1.0 を満足し、残部は不可避的不純物およびＦｅからなる熱
中性子吸収能力を有するフェライト系ステンレス鋼。