JPS6289812A - 原子炉用高クロム鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、原子炉構造材料など中性子照射を受ける分野
で使われる金属材料、いわゆる原子炉用高クロム鋼の製
造方法に関するものであり、特に熱中性子照射環境下に
おいても高温引張延性の低下ならびにクリープ脆化を起
すことのない高クロム鋼（高Ｃｒ鋼）を有利に製造する
のに適用される技術である。

（従来の技術） 従来、高速増殖炉（ＦＢＲ）や核融合炉（ＦＥＲ）等原
子炉用構成材料としては、２ｋＣｒ−１ＭｏｔＪＡヤＳ
ｔＪＳ３０４ｔｇ等が主として使われてきたが、近年に
至って高Ｃｒ系のフェライト鋼が注目されてさた。それ
は高Ｃｒ系の材料の場合、一般にオーステナイト系ステ
ンレス鋼殻の高温強度を有し、′Ｍ耐食性も優れている
。そしてオースブナイト系ステンレス鋼のような耐応力
腐食割れ（ＳＣＣ）性の低下や浸炭の問題も少なく、熱
膨張率が小さいため熱応力が小さいという物理的、機械
的特性もさることながらコスト的にも安価であるという
多くのメリットを有しているゆえである。

また、２ｋＣｒ−１Ｍｏ鋼に見られるような脱炭、強度
や耐食性不足の問題も少ない。かような実情から今では
高Ｃｒ鋼が従来の原子炉用構成材料の゛代替材料として
極めて有望視されているのである。

ところが、かかる高クロム鋼中には、合金成分として２
〜３　ｐｐｍのボロン（Ｂ）を含有（特に添加を意図し
ていなくても通常の製鋼過程で不純物として不可避的に
混入する）していることは良く知られている。このよう
に不可避的に混入するボロンあるいは合金成分として添
加したボロンは、中性子照射条件下において次のような
問題を起こす。すなわち、天然のボロンは、２種の放射
性同位元素”ＢＪ５よびＩＩ　８から構成されており、
そのうちのｔｏ　３は中性子照射により ”８（ｎ、α）’ｌ−ｉ核反応を生じ、＋０３が崩壊し
てＨｅガスを生成する。その結果粒界に析出しやすいボ
ロン化合物からＨｅガスが生成するので、粒界の結合力
が弱まり、いわゆるクリープ脆化を惹起することが知ら
れている。「ジャーナル　オブ　ニュークリア　マテリ
アルス（Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　　０ｆＮｕｃｌｅａｒ　　
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）　１６（’６５）　６８−７３Ｊ
従来、上述したｔｏ　Ｂを起因とするクリープ脆化の対
策技術として、特開昭５３−８８４９９号では、鋼中に
含有する全ボロン量のうちのＩＱ　Ｂの間化を下げるこ
とを提案している。しかし、この従来技術を用いてもな
おその実現のためには、ｔｏ　Ｂの吊止が自然存在比よ
りも高いＢ含有原料を使用する必要があり、コストアッ
プと製造工程が煩雑になることは避けられない状況であ
った。

また、別の従来技術「ジャーナル　オブ　マテリアルス
（Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　　ｏｒ　　Ｎ　ｕｃｌｅａｒ　　
Ｍ　ａｔｅｒｉａｌｓ）Ｎｏ　、１０３．　Ｎｏ　、　
　１０４＜１９８１）　Ｊにあるような生成したト１ｅ
をトラップして凝集を阻吐する技術もあるが、これにつ
いても実現のためにはな＋３多くの問題点を残していた
。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、ボロンを含有する鋼を熱中性子照射を
受ける原子炉構造材料として使用する場合に起る。いわ
ゆる１０　Ｂの存在に起因して起る（ｎ、α）反応によ
るＩ−１８ぜい化を有効に回避で゛きる高クロム鋼を煩
雑な製造工程を経ることなく、かつ安価に製造する有利
な方法を提案するところにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、通常の製造過程（所定量のボロンが不可
避的に混入してくる）を経て得られる高クロム鋼を使用
してボロンの影響について検討した。その結果、Ｉｆｉ
３を含有する高クロム鋼であっても、それが固溶状態で
！立界に存在しなければ、脆化しないという現象がある
ことを知見し、該鋼中に存在するボロンを粒内に析出分
散させることに想到した。

しかし、ボロン無添力１０閑の場合、不可避的にｎ人す
るボロン最は１〜３　ｐｐｍで極めて微量であり、また
ボロンは粒界に嘔析しやザい元素であるため、これら微
量ボロンの大部分を粒内に析出物として分散さけること
は、従来はとんど不可能であった。

しかしながら、本発明者等は、再結晶および／または未
再結晶域での再結晶挙動とボロンの析出、粒界偏析およ
び析出挙動に関するＭ礎研究にもとづき、１ξ１に再結
晶途中でのボロンの挙動について把握したところによれ
ば、従来困難と珂えられていたボロンの粒内析出分散を
可能にすることができることをつきとめた。

すなわら、本発明方法は使用中に中性子照射を受（プる
原子炉用高クロム鋼を製造するにあたり、不可避的に混
入するボロンあるいは合金成分として添加したボロンを
、製造過程での再結晶および成長挙動を利用することに
よって、ボロン系析出物として結晶粒内に析出分散させ
、粒界ボロン開を著しく低減さけることとしたのである
。

鋼中のボ１コンを結晶粒内に析出分散させる本光明猜右
の処理とは、加熱、圧延後の鋼を、その（ジに行う再加
熱らしくは直接強１］：１冷却の段階で、ボロン系析出
物の析出１品度である７５０〜９５０℃に重台は１０分
以上、後者は２分以上保持するという手段により達成す
る。

すなわら本発明製造方法は、 Ｃ：　　０．０２〜０．４ｗｔ％、　Ｓｉ　　：　　０
．００５〜１，０ｗｔ％、　Ｍｎ　　：　　０．１〜＋
、５ｗｔ％、Ｃｒ：５超〜１５ｗｔ％。

Ｍｏ：　　０，１〜３，０ｗｔ％、Ｂ≦０．００２ｗｔ
％、Ａｌ：０．００１〜０．１ｗｔ％、　Ｈヨ℃ｆＮ≦
０，１０　ｗｔ％サラニはＳ　：　　０．０１〜０．０
５ｗｔ％を含有する鋼を、加熱、圧延およびその後に行
う再加熱もしくは直接強制冷Ｎ］を経る工程中において
、前記再加熱の少くとも後段もしくは圧延と直接強制冷
却との間で、７５０〜９５０℃の温度に１０分以上もし
くは２分収−ト保持することにより実現するボロンの析
出分子Ｙ１９Ｌ理を行うことを特徴とする、原子炉用低
合金鋼の製造方法をもって、上記課題解決手段とするら
のである。

（作　用） 次に本発明に想到するに至った着想と具体的な解決手段
についてｊホベる。図面に示す第１図は、上Ｊした粒内
へのボロンの析出分散処理である所定温度域への保持（
再加熱処理）に伴って観察されるボロンＪ３よび結晶粒
界の挙動とそれによる粒界ボロン濃度の変化を示すもの
である。

一般にボロンは粒界に隔析しＡ５すい性質があり、Ｎも
ｌ’ｉ１様な性質を有する。したがって粒界でのボロン
およびＮの濃度は、粒内での濃度以上に高められ、［の
ボロンであっても粒界ではボロン系析出物が析出しやす
い状態にある。（第１図（ｂ）粒界に析出しやすいボロ
ン系析出物も、時間の経過とともに粒界そのものが移動
すれば、ボロン系析出物は結果的に粒内にとり残される
ことになる（第１図（Ｃ，ｄ））。こうしｔｃことが繰
り返されれば、粒界ボロン濃度は次第に低下することに
なる。従って再加熱の段階（少なくとも後段）で７５０
〜９５０℃ａ′）温度に保持することが有効である。

上述した９）Ｊ宋は、ＦＥ延後直接強制冷ＩＪ１（以下
はＤＱという）による焼入れをするまでの間に、ＩＹｉ
記と同じ処理を適用すればさらに大きなものになる。す
なわち、ＤＱ工程の場合のγ粒界は、圧延直後の変形し
た粒界から、その後の加熱保持による再結晶挙動にとも
なう粒界移動とともに大きく変化し、ボ【］ン系析出物
の分散効果が得られるためである。

上述した本発明の目指す所定の効果をｉ’、Ｉるために
は、ボロン系析出物の分散処理を施す温度および保持１
１１間が重要である。本発明において、再加熱処理の場
合に　７５０〜９５０℃の温度に１０分以上保持するこ
ととしたのも、ボロン系析出物の析出しやすい温度範囲
と析出速度Ｊ３よび粒界の移動時間を万歳して限定した
乙のである。

なお、上記ＤＱ工程に対して本発明を適用する場合にあ
たっては、類１１５間内にボロン系析出物の分散が可能
になるため、この場合にｄ５ける保持時間は前記再加熱
処理の場合とは異なり圧延後２分以上あればよい。

上記のように、本発明法において提案するボロンの析出
分散処理における保持時間は、再加熱処理の場合と直接
焼入れ処理の場合では異なる。これはボロン析出物を粒
内に分散させ粒界ボロンを低減する本発明処理過程にお
いて、粒界そのものの移動が重要な要因となっているこ
とに基づいている。すなわち直接焼入れの方が粒界移動
量が大きいために処理時間を短縮できるのである。

また、粒界の移動速度およびボロンの析出速度は保持渦
電によって変化するため、保持時間は温度の関係によっ
ても変化する。

本発明の効果が充分前られる保持温度と時間の関係を第
３図に示す。保持温度が高いとボロンの析出が遅いため
に、また逆に温度が低いと粒界移動速度が小さいために
両者とも必要とされる保持時間は長くなる。製造工程が
再加熱処理の場合の曲線Ａ１および直接焼入れの場合の
曲線Ｂにもとづいて、保持温度および保持時間の関係が
定められる。

本発明の範囲は、第３図の各曲線によって限局される領
域であり、それは工業的に安定して本発明の効果が１シ
ｌられる条件を限定したものである。

すなわち、鋼板内に存在する温度分布の影響を受けない
条件にしぼった。その結果、保持温度７５０〜９５０℃
、かつ保持時間をＤＱの場合２分以上、再加熱処理の場
合１０分以上と限定した。

本発明にお番ノる製造工程の特徴は、ボロンの析出分散
処理を付加することにある、その温度および時間は前述
の理由によって限定される。

しかし本発明の効果を得るためには、該分散処理を行う
時期も重要となる。再加熱を含む工程の場合、第４図（
ａ　）〜（Ｃ）に示すように、再加熱処理の少くとも後
段で本発明処理を行う必要があり、圧延後直接強制冷却
を実施する場合には、図中（ｄ＞、（ｅ）に示すように
該圧延と該直接強制冷却との間に行う必要がある。

第４図中で、ＴＯは圧延のためのスラブ加熱温度であり
、通常１０００〜１２５０℃である。■は圧延後の冷却
で空冷が多い、■は再加熱処ＦＩ！後の冷却で焼入れ、
焼ならし等がある。■は直接焼入れあるいは加速蒲団が
与えられる。また、上記工程のあと焼もどしをしても本
発明効果は発揮される。

次に本発明方法を適用するのにそのベースとなる鋼の化
学成分を限定してのべると以下の通りである。

Ｃは、焼入れ性と強度の確保のため不可欠な成分であり
、かつＣｒ　、Ｍｏなどの他の合金元素と炭化物を形成
し高温強度を高めるが、０．０２ｗｔ％（以下は単に「
％」のみで表示する）未満ではその効果が小さく強度が
得られない。また０、４％を超えると溶接割れ等の弊害
を生じるため、０．０２〜０．４％とした。

Ｓｉは、脱酸と強度確保のため添加されるが、０．００
５％未満ではその効果が充分でなく、１．０％を超える
とじん性が劣化する。

Ｍｎは、鋼の焼入れ性を確保し、熱間加工性を改善する
ために有用な元素であり、０．１％以上の添加が必要で
ある、しかし多量に添加するとじん性および溶接性に悪
影響を及ぼすため１．５％以下とした。

Ｂは、合金成分として添加しない場合においても不可避
的に２−３　ｐｐｍは鋼中に混入する。またＢＮ等の析
出物として積極的に利用する場合（分散強化笠）には２
０ｐｐｍを上限として添加する。しかしこれ以上の添加
は本発明の効果をそこなう。

Ｓは、不純物元素であり、多量に存在すると、じん性、
熱間加工性に悪影響を及ぼすため通常０．０１％以下と
することが望ましい。しかし、ＢＮの析出を促進させる
ことにより本発明の効果を一層向上させようとする場合
には、所定量のＳがあるとＭｎＳを核としてＢＮの析出
を“助長するため、Ｓｉを０．０１〜０．０５％の範囲
で添加することが効果的である。この場合においても０
．０５％を超えるＳの添加は鋼のしん性を著しく劣化さ
せるので、上限を０．０５％とする必要がある。

Ｃｒは、焼入れ性、耐酸化性と高温強度を向上さける元
素であり、５％を超えて添加するが、１５％を超える添
加は溶接性と母材じん性を劣化させるので、５超〜１５
％に限定する。

Ｍｏは、焼入れ性を確保し固溶強化および析出強化によ
り高温強度を向−卜させる元素であるから０．１％以上
添加するが、３％を超えると溶接性のイ１（下、コス１
〜の増加を＋ａ　＜ため上限を３％とした。

へ乏は、脱酸剤として０．００１％以上添加するが、多
量に添加するとじん性を、劣化させるので０．１０％以
下とした。

Ｎは、不可避的に混入するＢをＦ３Ｎとして粒内に分散
させ粒界８１度を低下させるのに必要である。しかしそ
の吊が０．１０％以上のＮはじん性に悪影響を及ぼすた
め、０．１０％以下とした。

さらに本発明では必要に応じＮｂ　、Ｖ、Ｔｉ　。

Ｗ、Ｚｒ　、　Ｈｆ　、Ｔａ　、ＣｕおよびＮｉの１種
以上を添加してもよい。以下にこれらの添加効果と好適
添加量を説明する。

Ｎｂ　、Ｖ、ＴｉおよびＷは、炭化物を形成して高温強
度を高める元素であるが、これらの添加量が０．０１％
未満では添υ口の効果が小さく、また３％を超えるとコ
スト増を招くため、０．０１％以上３％以下とする。

Ｚｒ、１−１ｆおよびｌ”ａは、上記Ｎｂ等と同様の効
果を何するが、これらの添＋＋ｎ至が０．００１％末１
号では添加の２Ｑ宋が小さく、また０、５％を珀えると
１７、ト増ヲ４ｒ（＜ため、０．００＋％以上、０．５
９１下とする。

ＣＩＪおよびＮ１は、組織の細粒化およびじ／Ｖ性の向
上に寄与する元素であるが、過剰に添加すると溶接性の
低下をＩＨ＜ため、上限は　１．５％とする。

なお、これら合金成分の添加は、本発明の、１１題とす
るボロンの粒内分散処理とその効果に対して悪影響を及
ぼすことはない。

上述のような成分組成の鋼を、所定の工程を経て必要な
処理を施すことにより、不可避的に混入するボロンをボ
ロン系析出物として粒内に析出分散させて粒界Ｂ１７１
度を箸しく低減させることができるから、耐中性子照射
脆化特性に優れた高クロム鋼を工業的にかつ低コストで
製造することができるようになるのである。

〈実施例） 以下に本発明の実施例を比較例とと已に記す。

表１に示す化学組成の鋼を、１００ｋ８真空溶解炉で溶
製し、△（Ａ１）屯、　Ｂ　（８１）鋼およびＤ鋼はＤ
Ｑ工程において、Ａ（Ａ２）鋼、Ｂ（Ｂ２）！ＬＣｗＩ
およびＥ鋼は焼ならし工程において、それぞれ本発明に
かがるボロンの析出分散処理を、表２に示ずような条件
を適用した場合と適用しない場合とについて、粒界Ｂの
存在をオージェ−分析およびフィッション・トラック・
エツヂジグ法によって調べた結果を表３に示す。

Ａｍ〜Ｅ鋼のうちＢ鋼はＭｎＳによるＢＮ析出促進効果
を利用するためＳ罎を高めたものである。

いずれも本発明処理後は、粒界ボロンの検出が不可能に
なるほど低減しており、本発明の効果が大きいことが確
められた。この効果は実施例以外の成分鋼についても本
発明範囲内の成分であればその他の特性を害することな
く同様に得られるものであった。

なＪ５、上記の例示ではいずれも鋼板についての実施例
を示したが、本発明の製造方法はその材質、製品形状は
問わず適用できる。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば中性子照射を受
けても高温引張延性の低下ならびにクリープ脆化を起す
ことのない原子炉用高クロム鋼を、比較的容易にかつ安
価に製造することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の加熱保持によるＢＮ粒内析出分散処
理のメカニズムを説明するモデル図、第２図は、本発明
の直接強制冷却１０セスによるＢＮ粒内析出分散処理の
メカニズムを説明するモデル図、 第３図は、本発明の効果を得るための保持温度および時
間について示すグラフ、 第４図ａ−ｅは、本発明の加熱・熱処理の要領を示す線
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．０２〜０．４ｗｔ％、Ｓｉ：０．００５〜
   １．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：５
   超〜１５ｗｔ％、Ｍｏ：０．１〜３．０ｗｔ％、Ｂ≦０
   ．００２ｗｔ％、Ａｌ：０．００１〜０．１ｗｔ％およ
   びＮ≦０．１０ｗｔ％を含有する鋼を、加熱、圧延およ
   びその後に行う再加熱を経る工程中において、前記再加
   熱の少くとも後段で、７５０〜９５０℃の温度に１０分
   以上保持することにより実現するボロンの析出分散処理
   を行うことを特徴とする原子炉用高クロム鋼の製造方法
   。 ２、Ｃ：０．０２〜０．４ｗｔ％、Ｓｉ：０．００５〜
   １．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：５
   超〜１５ｗｔ％、Ｍｏ：０．１〜３．０ｗｔ％、Ｂ≦０
   ．００２ｗｔ％、Ａｌ：０．００１〜０．１ｗｔ％、Ｎ
   ≦０．１０ｗｔ％およびＳ：０．０１〜０．０５ｗｔ％
   を含有する鋼を、加熱、圧延およびその後に行う再加熱
   を経る工程中において、前記再加熱の少くとも後段で、
   ７５０〜９５０℃の温度に１０分以上保持することによ
   り実現するボロンの析出分散処理を行うことを特徴とす
   る原子炉用高クロム鋼の製造方法。 ３、Ｃ：０．０２〜０．４ｗｔ％、Ｓｉ：０．００５〜
   １．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：５
   超〜１５ｗｔ％、Ｍｏ：０．１〜３．０ｗｔ％、Ｂ≦０
   ．００２１％、Ａｌ：０．００１〜０．１ｗｔ％および
   Ｎ≦０．１０ｗｔ％を含有する鋼を、加熱、圧延および
   その後に行う直接強制冷却を経る工程中において、前記
   圧延と直接強制冷却との間で、７５０〜９５０℃の温度
   に２分以上保持することにより実現するボロンの析出分
   散処理を行うことを特徴とする原子炉用高クロム鋼の製
   造方法。 ４、Ｃ：０．０２〜０．４ｗｔ％、Ｓｉ：０．００５〜
   １．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：５
   超〜１５ｗｔ％、Ｍｏ：０．１〜３．０ｗｔ％、Ｂ≦０
   ．００２ｗｔ％、Ａｌ：０．００１〜０．１ｗｔ％、Ｎ
   ≦０．１０ｗｔ％およびＳ：０．０１〜０．０５ｗｔ％
   を含有する鋼を、加熱、圧延およびその後に行う直接強
   制冷却を経る工程中において、前記圧延と直接強制冷却
   との間で、７５０〜９５０℃の温度に２分以上保持する
   ことにより実現するボロンの析出分散処理を行うことを
   特徴とする原子炉用高クロム鋼の製造方法。