KR100294354B1

KR100294354B1 - 열중성자 흡수능이 우수한 오스테나이트계 스테인레스강

Info

Publication number: KR100294354B1
Application number: KR1020000024931A
Authority: KR
Inventors: 카지무라하루히코
Original assignee: 고지마 마타오; 스미토모 긴조쿠 고교 가부시키가이샤
Priority date: 1995-08-09
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2001-07-12
Also published as: CA2229002A1; DE69608688D1; CA2229002C; KR100278058B1; KR19990028428A; WO1997006286A1; DE69608688T2

Abstract

본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강은 하기의 주요 화학성분을 함유하며, 더욱 바람직하게는 B와 Gd의 관계가 하기 ①식을 만족하는 것을 특징으로 하고 있다. 중량%로

C : 0.02% 미만, Mn : 0.1∼0.9% 이하,

Ni : 7∼22%, Cr : 18∼26%,

B : 0.05∼0.75% 이하, Gd : 0.11∼1.5% 이하,

Al : 0.005∼0.1%, Gd : 0.11∼1.5%,

상기의 본 발명의 스테인레스강은 열중성자 흡수능에 더하여 열간가공성, 냉간가공성등의 가공성 및 내식성, 특히 HAZ의 내식성이 우수하며 또 제조코스트도 싸다. 더욱 인성, 용접성 등도 양호하기 때문에 핵연료의 용기용 등의 재료로서 매우 적합하다.

Nc ≥ 0.8 ····· ①

여기서

Nc = {(1-0.015×B%)×B%} + (4.4×Gd%)

Description

열중성자 흡수능이 우수한 오스테나이트계 스테인레스강{AUSTENITE STAINLESS STEEL EXCELLENT IN THERMAL NEUTRON ABSORPTION}

본 발명은 원자력 관련의 핵연료 수송용 용기, 사용이 끝난 핵연료 보관용기 혹은 랙등의 부재로서 사용되는 열중성자 흡수능이 우수한 스테인레스강에 관한 것이다.

원자력 관련의 핵연료 수송용 용기, 사용이 끝난 핵연료 보관용 용기 혹은 랙등에 수납되는 핵물질에서는 열중성자가 발생한다. 이 열중성자가 외부로 새는 것을 방지하기 위하여 이들의 부재로서 사용되는 재료에 대하여는 우수한 열중성자 흡수능을 구비하고 있는 것이 요구된다. 또 이들 용기 등이 부식에 의해 손상을 받는 것을 방지하기 위하여 재료의 모재부 및 이들의 재료의 용접에 의한 접합부에 대하여는 우수한 내식성을 구비하고 있는 것이 요구된다.

그 때문에 통상 상기의 부재에 대하여는 내식성이 우수한 JIS SUS 304계의 오스테나이트계 스테인레스강에 B(붕소)를 1wt% 전후 함유시킨 스테인레스강이 사용되고 있다. B는 중성자의 흡수단면적이 크기 때문에 B를 함유시킴으로써 스테인레스강의 열중성자 흡수능을 향상시킬 수가 있기 때문이다.

최근 전력수급의 관계로 원자력 발전에의 의존도가 높게 되어 있으며, 그것에 수반하여 사용전후의 핵연료의 취급량이 증가되고 있다. 그 핵연료의 수송이나 보관 또는 저장용의 용기 기타 원자력 발전에 관련되는 구조재 등의 용도로 안전상 충분한 열중성자 흡수능을 구비하고 또 충분한 내식성을 가진 스테인레스강이 특히 크게 요망되고 있다.

재료의 열중성자 흡수능은 중성자의 흡수단면적이 큰원소의 함유율에 비례하여 높게 된다. 따라서 B 함유율이 많으면 많을수록 재료의 열중성자 흡수능은 높게 된다. 그러나 B를 함유하는 오스테나이트계 스테인레스강에는 B 함유율의 증가에 따라 열간가공성, 냉간가공성, 인성(靭性) 등이 나빠지는 폐해가 발생한다. 예를들면, 열간가공성이 나쁘기 때문에 열연강판을 제조하기 위한 열간압연시에 피압연재에 종종 크랙이 발생한다.

B를 함유하는 오스테나이트계 스테인레스강의 열간가공성이나 냉간가공성이 나쁜이유는 다음과 같이 생각되고 있다. 스테인레스강에 B가 첨가되면 다량으로 존재하는 Cr과의 사이에서 (Cr, Fe)₂B의 화학식으로 나타내는 붕화물이 형성된다. 이 붕화물은 융점이 약 1200℃로 낮기 때문에 열간가공성을 저하시키고, 또 상온에서는 무르기 때문에 냉간가공성 및 인성을 저하시키는 원인이 된다. 즉 열간가공 및 냉간가공시에 이 붕화물을 기점으로 하여 크랙이 발생한다.

상기의 열간가공성, 냉간가공성 및 인성의 문제 이외에 B를 함유하는 스테인레스강에는 용접성의 문제도 있다. 스테인레스강이 구조재로서 사용되는 경우에는접합방법으로서 용접에 의한 접합방법이 채용되는 일이 많다. 그러나 종래의 B를 함유하는 스테인레스강에서는 B 함유율이 1wt% 정도로 높으므로 용접부에 크랙이 발생한다. 특히 용접부의 응고크랙이 현저하며 용기의 제조가 곤란한 경우가 있다.

이와같이 스테인레스강에의 B의 첨가는 폐해를 수반하므로 그 첨가량에는 한계가 있다. 이와같은 폐해를 피하기 위하여 B에 비하여 중성자 흡수단면적이 큰 Gd(가돌리늄)을 사용하는 해결책이 제안되어 있다.

천연에 존재하는 Gd는 중성자 흡수단면적이 매우 큰¹⁵⁷Gd를 약 16wt% 함유하는 동위체의 혼합물로, 그 흡수단면적은 49000b 이다. 천연의 B는 중성자 흡수단면적이 큰¹⁰B를 약 20wt% 함유하며, 잔부는 중성자 흡수단면적이 작은¹¹B로 이루어지며 그 중성자 흡수단면적은 760b 이다.

따라서 스테인레스강에 첨가하여 같은 열중성자 흡수능을 가지게 하는 경우에는 Gd의 쪽이 첨가량이 적어도 되고 가공성이나 내식성에 미치는 영향도 작은 것으로 기대된다.

예를들면 일본국 특개소 62-56557호 공보에는 B 대신에 Gd를 0.1∼3.0wt% 함유시킨 페라이트계 및 오스테나이트계 스테인레스강이 개시되어 있다. 또 특개평 5-255812호 공보에는 0.2∼1.0wt%의 B 및 0.1∼2.0wt%의 Gd을 함유시킨 오스테나이트계 스테인레스강, 특개평 6-192792호 공보에는 3.0wt% 까지의 B와 0.05∼1.0wt%의 Gd를 함유시킨 오스테나이트계 스테인레스강이 개시되어 있다.

상기 종래의 스테인레스강 중 특개소 62-56557호 공보에 개시되어 있는 Gd를 함유하는 스테인레스강은 B를 함유하지 않으므로 열간가공성 및 냉간가공성의 저하를 피할 수 있다고 생각된다. 그러나 Gd의 함유율이 너무 높은 경우에는 역시 열간가공성이 저하한다고 하는 문제가 있다. 또 Gd는 고가의 합금원소이기 때문에 스테인레스강에 높은 중성자 흡수능을 가지게 할 경우에는 경제성에도 문제가 있다. 이외 상기 문헌에는 Ni를 6wt% 이하 함유하는 페라이트계 스테인레스강이 개시되어 있으나, 수 %의 Ni를 함유하는 경우에는 Ni를 함유하는데 기인하는 열간가공성의 저하가 일어난다.

특개평 5-255812호 공보 및 특개평 6-192792호 공보에 개시되어 있는 오스테나이트계 스테인레스강은 그 실시예에 개시되어 있는 것과 같이 어느것이나 일부를 제한 B 함유율이 높아서, 전자는 0.7wt%를 넘고 있으며 후자는 0.5wt% 이상이기 때문에 열간가공성, 냉간가공성 및 용접성이 충분하다고는 말할 수 없다. 따라서 강한 가공을 할 경우에는 크랙이 생길때가 있으며 또 용접부에 용접크랙이 생길때가 있다.

또 상기의 문헌에 개시되어 있는 오스테나이트계 스테인레스강은 어느것이나 용접부의 열영향부(HAZ)의 내식성이 떨어진다고 하는 것을 알았다. 상술과 같이 열중성자 흡수능을 가진 스테인레스강에는 모재 및 용접부 공히 우수한 내식성을 구비하는 것이 요구되고 있다. 종래의 스테인레스강에는 이 HAZ의 내식성에 충분히 응할 수가 없었다.

이와같이 Gd 단독 또는 B 및 Gd의 양자를 함유시켜 열중성자 흡수능을 높인종래의 스테인레스강은 열간가공성, 냉간가공성, 인성, 용접성 및 HAZ를 포함하는 모재의 내식성 등의 하는 성능을 모두 만족할 수는 없었다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 열중성자 흡수능이 우수함과 동시에 열간가공성, 냉간가공성, 인성, 용접성 및 HAZ를 포함하는 모재의 내식성이 우수한 핵연료의 용기용 등에 적합한 스테인레스강을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은 열중성자 흡수능이 우수함과 동시에 열간가공성, 냉간가공성, 인성, 용접성 및 HAZ를 포함하는 모재의 내식성이 우수하며 또 제조코스트가 싼 핵연료의 용기용 등에 적합한 오스테나이트계의 스테인레스강에 관한 것이다.

본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강은 다음의 화학조성으로 이루어지며, 바람직하게는 B와 Gd의 관계를 상기 ① 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

중량%로,

C : 0.02%, Si : 1%이하,

Mn : 0.1∼0.9%이하, P : 0.03%이하,

S : 0.01%이하, Ni : 7∼22%,

Cr : 18∼26%, B : 0.05∼0.75%,

Gd : 0.11∼1.5%, Al : 0.005∼0.1%,

N : 0.030%이하, Y : 0.3이하,

Mo : 3%이하, 잔부 : 불가피한 불순물 및 Fe

상기의 오스테나이트계 스테인레스강에 있어서, B함유율을 0.2∼0.5%로 함으로써 열간가공성, 냉간가공성, 용접성을 더욱 향상시킬 수가 있다.

본 오스테나이트계 스테인레스강은 B의 함유율을 좀 낮게 억제하여 그 범위내에서 되도록 높은 B 함유율을 선택하여 열중성자 흡수능의 부족분을 Gd로 보충하고 있으며, Mn 함유율을 낮게 억제하고 있다. 따라서 열중성자 흡수능에 더하여 열간가공성, 냉간가공성등의 가공성 및 내식성, 특히 HAZ의 내식성이 우수하다. 또 인성, 용접성등이 양호하고 제조코스트도 값싸기 때문에 핵연료의 용기용의 재료로서 매우 적합하다.

상술과 같이 Gd는 B에 비하여 중성자 흡수단면적이 크기 때문에 스테인레스강의 중성자 흡수능을 높이는데는 유효한 원소이다. 그러나 Ni를 함유하는 오스테나이트계 스테인레스강의 성질에 미치는 Gd 첨가의 영향을 조사한 결과, 피단조재에 발생하는 크랙이 현저하게 되는 것을 알았다. Gd를 첨가한 오스테나이트계 스테인레스강은 고온에서 가열하면 갈라지기 쉬운 성질이 있으며 함유율이 높은 경우에는 가열온도가 낮아도 크랙이 발생한다.

그 원인을 조사한 결과 주조재의 덴드라이트 조직의 덴드라이트 암간에 Ni와 Gd가 농화(濃化)한 저융점공정부(低融点共晶部)가 존재하는 것이 확인되었다. 이 저융점공정부가 가열시에 용융하여 가공에 의한 크랙의 기점이 되기 때문이라 추정하였다. 이와 같이 Gd는 열간가공성을 나쁘게 하는 원소이기 때문에 그 함유율은 적은편이 좋다. 또 합금원료로서도 매우 고가이기 때문에 경제성의 관점에서도 함유율은 적은편이 바람직하다.

본 발명의 스테인레스강에 있어서의 중성자 흡수능의 확보 및 열간가공성, 내식성, 용접성 등의 목표로 하는 성능의 확보를 위한 기본사상은 다음과 같다.

(A) 열간가공성, 냉간가공성, 용접성 및 내식성을 손상하지 않는 범위내에서 가능한한 B를 함유시킴으로써 열중성자 흡수능을 높인다.

(B) Gd를 병용함으로써 B 단독으로는 부족한 분의 중성자 흡수능을 보충한다. 다만, (A)의 대책에 의하여 Gd 함유율을 가능한한 좀 낮게 억제한다.

(C) 내식성, 특히 HAZ의 내식성은 오스트나이트계 스테인레스강에서 Mn 함유율을 좀 낮게 억제함으로써, 향상시킨다.

본 발명의 스테인레스강의 B 및 Gd의 함유율은 다음의 순서로 결정한다.

(a) 오스테나이트계에서는 주로 용접성이 손상되지 않는 범위의 B 함유율의 상한치(Bu)를 결정한다.

(b) 하기 (2)식에 의해 각 스테인레스강에 요구되는 열중성자 흡수능(Nc) 및 본 발명의 스테인레스강에서 규정되어 있는 Gd 함유율의 하한치를 기초로 B 함유율(BNc)를 구한다.

(C) BNc 〉Bu의 경우에는 ②식의 B에 Bu를 대입하여 Gd 함유율을 산출한다.

NC = {(1-0.015×B%)×B%} + (4.4×Gd%) ···· (2)

여기서 ②식은 B와 Gd를 동시에 함유하는 스테인레스강의 열중성자 흡수능(Nc)을 B 당량으로 나타낸 식이다. 이식에서는 B를 첨가한 경우에 B화합물(붕화물)이 생성되어 스테인레스강의 밀도가 작아지는 것이 배려되어 있다. 또 B함유율이 0.3% 이하의 경우에는 하기의 ③식을 사용하여도 된다.

Nc = B% + (4.4×Gd%) ···· (3)

본 발명의 스테인레스강에서는 B 및 Gd의 함유율이 상기와 같은 사상으로 결정된다. 따라서 요구되는 중성자 흡수능을 구비함과 동시에 열간가공성, 냉간가공성, 인성, 용접성 및 내식성이 우수한 스테인레스강을 얻을 수가 있다.

스테인레스강에 요구되는 열중성자 흡수능(Nc)은 스테인레스강의 용도 등의 조건에 의하여 결정되는 값이다. 다만 현재 원자로의 제어용 핵연료 보관용 등에 사용되고 있는 스테인레스강은 천연 B를 0.6% 정도 함유하는 것을 필요로 하는 경우가 많으므로 본 발명의 스테인레스강에서는 바람직한 조건으로서 상기와 같이 Nc≥0.8로 하였다.

다음에 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강의 화학조성에 대하여 구체적으로 설명한다. 또 이하 각 원소의 함유율의 % 표시는 중량%를 의미한다.

(오스테나이트계 스테인레스강)

C : C는 오스테나이트계 형성원소이며, 오스테나이트계 스테인레스강의 오스테나이트상의 안정성 및 강도의 확보에 유효한 원소이다. 그러나 C는 HAZ의 내식성을 저하시키는 작용이 있다. 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강에서는 HAZ의 내식성을 중시하여 C 함유율은 0.02% 이하로 하였다.

Si : Si는 용강의 탈산제로서 첨가되는 원소이다. 그러나 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강에 있어서는 탈산작용이 있는 Al이 첨가되므로 Si는 첨가하지 않아도 된다. Si는 첨가하는 경우에는 1% 이하의 함유율로 할 필요가 있다.Si 함유율이 1%를 넘으면 Gd와의 사이에서 융점이 낮은 공정(共晶)을 형성하여 열간가공성을 나쁘게 하기 때문이다. 바람직하기는 0.5% 이하이다.

Mn : Mn은 오스테나이트상을 안정화하는 작용이 있는 원소이며 또 불가피적 불순물인 S의 폐해를 억제하는데 유효한 원소이기도 하다. 그 효과를 얻기 위하여는 0.1% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 Mn 함유율이 0.9%를 넘으면 내식성, 특히 HAZ의 내식성이 저하한다. 따라서 Mn의 함유율은 0.1∼0.9%로 하였다.

Ni 및 Cr : Ni 및 Cr은 어느것이나 오스테나이트계 스테인레스강에 요구되는 금속조직 및 내식성을 확보하는데 필수의 원소이다. 그를 위하여는 Ni는 7% 이상 Cr은 18% 이상의 함유율로 할 필요가 있다.

한편, Ni 함유율이 22%를 넘으면 제조코스트가 상승함과 동시에 Gd와의 사이에서 융점이 낮은 공정(共晶)을 생성하여 열간가공성을 저하시킨다. 또 Cr 함유율이 26%를 넘으면 Cr 함유율의 증가에 따라 스테인레스강을 오스테나이트화 하기 때문에 Ni 함유율을 높게 하지 않으면 안되므로 제조코스트가 상승함과 동시에 열간가공성이 저하한다. 따라서 Ni 함유율은 7∼22%, Cr 함유율은 18∼26%FH 하였다.

B : 오스테나이트계 스테인레스강에 있어서는 B는 붕화물을 형성하여 열간가공성, 냉간가공성, 용접성 등을 저하시키는 성질이 있다. 그러나 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강에서는 열중성자 흡수능을 만족시키기 위하여 0.05 이상, 바람직하기는 0.2 이상의 B를 적극적으로 첨가한다. 상술과 같은 B첨가의 폐해는 열간가공성 및 냉간가공성에 가장 현저하게 나타나므로 이들의 관점에서 B 함유율의 상한은 0.75%로 하였다. B 함유율이 0.75 이하의 경우에는 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강에 있어서는 열간가공성, 냉간가공성, 용접성등의 특성에 대한 영향이 작다. 또 바람직한 B 함유율의 상한은 0.5%이다.

먼저 기술한 것과 같이 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강에서는 B와 Gd를 병용함으로써 열중성자 흡수능을 만족시키고 있다. 특히 B는 첨가원료로서의 코스트가 싸므로 본 발명에서는 Gd에 우선하여 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.

Gd : Gd는 동일 함유율로는 B의 약 4.4배의 중성자 흡수능 향상효과를 가지고 있다. 또 Gd에는 B를 함유하는 것에 기인하는 용접성의 저하를 방지하는 작용이 있다. 즉, 오스테나이트계 스테인레스강에서는 B 함유율 0.3% 전후를 피크로하여 0.1∼0.8% 정도에서 용접성이 저하하는 경향이 있으나 소량의 Gd를 함유하는 경우에 이 용접성의 저하를 억제할 수가 있다. 이외 Gd는 B에 비하여 오스테나이트계 스테인레스강의 열간가공성 등에 미치는 폐해가 가볍다고하는 특유의 장점이 있다. 따라서 적어도 0.1%를 함유시키는 것으로 하였다.

그러나 Gd는 고가인 합금원소이기 때문에 제조코스트를 상승시키고 또 함유율이 높은 경우에는 열간가공성을 해치므로 Gd 함유율의 상한은 1.5%로 하였다.

본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강에서는 Gd 함유율은 0.1∼1.5%로 하고 이 범위내에서도 되도록 적은 Gd 함유율을 선택하는 것으로 하였다.

B 및 Gd의 함유율의 범위는 상기와 같으며, 이 범위내에서 B 및 Gd의 함유율을 결정한다. 즉, 각 오스테나이트계 스테인레스강에 요구되는 중성자 흡수능이 정하여진 경우에는 상술과 같이 (a),(b),(c)의 순서로 B 및 Gd의 함유율을 구하면 된다. 가령 열중성자 흡수능(Nc)이 2인 경우에는 오스테나이트계 스테인레스강의Gd 함유율의 하한치는 0.11% 이므로 ②식의 Nc에 2, Gd에 0.11을 대입하여 B 함유율을 구하면 B 함유율은 1.55%가 되며, 상하인 0.75%를 넘는다. 이 경우에는 B 함유율을 0.75% 또는 그 이하의 특성상 허용되는 값으로 설정하여 ②식에서 Gd 함유율을 구함으로써 B 및 Gd 함유율을 결정할 수가 있다.

또 Gd를 하한치 이상 첨가하는 경우에는 B 함유율을 반드시 상한치로 할 필요는 없고, 용접성, 열가공성등의 특성, 경제성의 관점에서 허용되는 범위 등을 고려하여 적절히 적당한 값을 선택하여도 된다. 또 Gd 함유율의 바람직한 범위는 0.2∼1.5%이다.

Al : Al은 용강을 탈산하여 건전한 주조편을 얻기 위하여 제강시에 첨가하는 원소이다. 특히 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강에서는 C 함유율을 낮게 제한하고 있으므로 용강중의 0(산소)가 좀 높게 된다. 또 0.1∼1.5%의 Gd을 함유시키므로 용강을 충분히 탈산하여 Gd의 산화물이 생성하지 않도록 하는 것이 중요하다. Gd의 산화물이 생성하면 이 산화물이 개재물로서 강중에 남아 그 개재물이 스테인레스강의 표면에 나타날때가 있기 때문이다. 그 경우에는 표면에 노출한 개재물이 기점이 되어 부식의 진행할 기능성이 있으므로 용강을 충분히 탈산하여 Gd의 산화물이 생성하지 않도록 해두지 않으면 안된다.

그를 위하여는 산가용 Al(sol. Al)로서 0.005% 이상의 Al이 함유되어 있을 필요가 있다. 다만 함유율이 0.1%를 넘으면 그 효과는 포화하여 더욱 열간가공성을 해친다. 따라서 Al 함유율은 0.005%∼0.1%로 하였다.

N : N은 오스테나이트계 스테인레스강에 있어서는 오스테나이트상의 안정화에 유효한 원소이다. 그 목적을 위하여 N이 첨가되는 경우가 있다. 그러나 본 발명강의 오스테나이트계 스테인레스강에 있어서는 Al을 적극적으로 첨가하고 있으므로 N 함유율이 높은 경우에는 미세한 AIN가 석출하기 쉽다. 미세한 AIN은 강의 냉간가공성을 나쁘게 하므로 N의 함유율은 적을수록 좋다. N은 제강공정에서 용강중에 혼합되기 쉬우며, 또 그 제거는 용이하지 않다. 따라서 상업적인 생산에 의하여 도달가능하고, 실용상 악영향을 미치지 않는 범위로하여 0.03% 이하로 하였다.

Y : Y는 오스테나이트계 스테인레스강의 열간가공성을 향상시키는데 유효한 원소이며 필요에 따라 첨가하는 원소이다. 그 효과를 얻기 위하여는 0.005% 이상 필요하다. 한편, 0.3%를 넘으면 그 효과가 포화한다. 따라서 Y를 첨가하는 경우는 함유율은 0.005∼0.3%로 하는 것이 바람직하다.

Mo : Mo은 내공식성이나 내틈새부식성을 향상시키는 작용이 있으므로 오스테나이트계 스테인레스강의 사용환경을 고려하여 필요에 따라 첨가하는 원소이다. 그 효과를 얻기 위하여는 0.01% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편 함유율이 3%를 넘으면 효과가 포화할 뿐아니라 열간가공성을 해친다. 따라서 Mo을 첨가하는 경우에는 함유율은 0.01∼3%로 하는 것이 바람직하다.

P 및 S : P 및 S는 어느것이나 제강공정에서 사용되는 원료로부터 불가피하게 혼입되는 불순물 원소이다. 이들 원소는 오스테나이트계 스테인레스강의 내식성이나 열간가공성을 저하시키므로 적으면 적을수록 좋다. 그러나 상업적인 생산에서는 P 및 S를 낮게 하는데는 한계가 있으므로 실용상 지장이 없는 범위로서 P는 0.03% 이하, S는 0.01% 이하로 하였다.

실시예

오스테나이트계 스테인레스강에 대하여 화학조성과 강의 특성의 관계를 조사하였다. 진공용해법에 의해 화학조성이 다른 오스테나이트계 스테인레스강을 용해하여 직경 약 110mm의 30kg이 강고를 주조하였다.

표 1에, 얻어진 강괴의 화학조성을 나타낸다. 강 No. 1∼12는 본 발명예의 오스테나이트계 스테인레스강, 강 No. 13∼24는 일부의 합금원소의 함유율이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나 있는 비교예의 오스테나이트계 스테인레스강이다.

표1에 나타내는 화학조성의 강괴의 바닥부로부터 열간가공성 평가용 고온 인장시험편을 채취하기 위한 블록을 잘라내었다. 그후 강괴를 열간단조 및 열간압연을 하여 폭 100mm, 두께 4mm의 소재로 하였다. 다음에 이 소재를 1050℃로 가열한후 수냉하는 조건에서 고용화열처리를 하였다. 이 고용화열처리후의 소재에서 용접성 및 HAZ의 내식성 평가용의 시험편을 채취하였다.

고온인장시험편은 직경 10mm, 길이 130mm의 시험편, 온도 1050℃, 인장속도 1/s의 시험조건에서 실시하여 시험편의 단면수축율을 구하였다. 이 단면수축율(고온연성)에 의하여 열간가공성을 평가하였다.

용접성에 대하여는 상기 소재에서 폭 100mm, 길이 100mm의 시험편을 잘라내어, 이 시험편에 전압 15V, 전류 200A, 속도 150mm/min이 조건에서 TIG 용접을 하여 이 용접부의 크랙을 측정함으로써 평가하였다. 용접부의 크랙은 변형량 2%의 발레스트레인 시험을 한 후 침투탐상시험을 하여 크랙부를 실체현미경으로 관찰하여 발생되어 있는 크랙의 길이를 구하는 방법으로 조사하였다.

또 내식성은 상기의 고용화열처리후의 소재에 다시 650℃에서 2시간 유지하는 예민화 처리를 한 후 TIG 용접에 의하여 비스온 블레이드 용접을 하여 HAZ에서 채취한 시험편을 대상으로 조사하였다. HAZ의 내식성이 좋으면 모재의 내식성도 좋다고 판단할 수 있으므로 모재의 내식성시험은 생략하였다. 또 시험편의 HAZ의 표면은 조도 600번의 에머리지로 연마하였다. 부식시험은 3000ppm의 B²⁺와 500ppm의 C^l-을 함유하는 공기포화용액중에 시험편을 침지하여 온도 80℃에서 전위소인속도 20mV/min의 조건에서 전류밀도가 100μA/cm²되었을때의 전위를 구하는 방법으로 실시하였다. 내식성은 이 시험에서 구하여지는 공식전위에 의하여 내공식성을 비교하는 방법으로 평가하였다.

냉간가공성은 폭 20mm, 두께 3mm, 길이 100mm의 판상시험편에 대하여 냉간에서 벤딩반경 6mm 및 3mm의 180°벤딩가공하여 벤딩부를 육안으로 관찰하여 크랙의 유무를 조사하는 방법으로 평가하였다.

표 2에 이들의 결과를 정리하여 나타내었다.

표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명예의 각 시험재는 열중성자흡수능(Nc)이 1.1 이상으로 충분한 열중성자 흡수능을 갖추고 있다, 그중에서 본 발명예의 강 No. 10∼12의 3개 시험재는 B 함유율이 본 발명에서 규정하는 상한에 가까운 예이며, Gd의 함유율을 바꿈으로써 오스테나이트계 스테인레스강의 중성자 흡수능(Nc)을 소정의 값으로 한 경우이다. 이들 시험재의 Nc 값은 1.5∼6.0으로 높다.

표 2에 나타나 있는 것과 같이, 이들 3개 시험재에 관한 결과는 B 함유율이 0.75% 이하로 억제되어 있으므로 고온인장시험에서의 단면수축율이 72∼75%로 높고 열간가공성이 양호한 것을 알 수 있다. 용접성도 크랙길이가 6.4mm 이하로 비교적양호하다. 또 예민화 처리한 모재의 HAZ에서 채취한 시험편의 공식전위가 66∼74mV vs SCE로 높고 모재 및 HAZ의 내식성도 우수하다는 것이 확인되었다. 또 기타의 본 발명강 No. 1∼9의 B 함유율은 어느것이나 0.5% 이하로 상기 3개 시험재보다 낮으므로 열간가공성, 용접성, 냉간가공성(벤딩가공성) 등의 특성이 더욱 양호하다.

본 발명예의 강 No. 1∼12의 시험재는 Mn 함유율이 어느것이나 0.9% 이하로 좀 낮다. 따라서 HAZ의 공시전위가 71mV vs SEC로 높고 HAZ의 내식성이 특히 양호하다. 물론 모재의 내식성도 우수하다.

상기와 같이 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강은 높은 중성자 흡수능을 갖춤과 동시에 열간가공성, 용접성, 냉간가공성 및 내식성도 우수하다. 그 이유는 B 함유율을 0.75%로 좀 낮게 제한하고 있는 것에 더하여 필요 최저한의 Gd를 함유시키고, 또한 Mn을 0.9% 이하로 제한한 때문이다.

한편 비교예의 강 No. 13∼24는 표 1에 나타낸 것과 같이 합금원소중 일부의 원소의 함유율이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나 있다. 그 때문에 표 2에서 명확한 바와 같이 열간가공성, 용접성, 벤딩가공성 및 내식성 중의 적어도 하나의 특성이 뒤떨어져 있다. 특히 B 함유율이 본 발명에서 규정하는 범위를 넘고 있는 강 No. 13∼15 및 19의 4개 시험재는 고온인장시험에서의 단면수축율이 67% 이하로 열간가공성이 나쁘고 용접성도 뒤떨어지며, 또 벤딩가공성 즉, 냉간가공성이 매우 나쁘다.

강 No. 18은 B 함유율을 상한 가깝게까지 높였는데도 불구하고 Gd를 함유하지 않기 때문에 열중성자 흡수능(Nc)이 0.7로 바람직한 목표치의 0.8에 충족되지 않는 예이다. B만으로는 Nc치를 만족할 수 없는 경우에는 Gd를 사용할 필요가 있다는 것을 알 수 있다.

강 No. 17 및 18은 Gd 이외의 원소에 대하여는 본 발명에서 규정하는 범위에 들어 있으며 Gd를 함유하지 않는 예이다. 이 경우에는 표 2의 용접성이 결과에서 명확한 바와 같이 크랙이 현저하여 용접성이 뒤떨어져 있다. 용접성의 면에서도 B와 소량의 Gd를 병용하는 것이 유효하다는 것이 확인되었다.

이와같이 합금원소중의 일부의 함유율이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나 있는 비교예에서는 본 발명의 목적으로 하는 중성자 흡수능이 높은 것에 더하여 열간가공성, 용접성, 냉간가공성 및 내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인레스강을 얻을 수가 있었다.

본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강은 열간가공성, 용접성 등을 고려하여 B 함유율을 좀 낮게 제한함과 동시에 그 범위내에서 되도록 높은 함유율을 선택하여 열중성자 흡수능의 부족분을 Gd로 보충하고 있다. 따라서 본 발명의 스테인레스강은 충분한 열중성자 흡수능을 갖춤과 동시에 열간가공성, 용접성, 냉간가공성 등의 특성이 향상되며 제조코스트가 절감되는 효과가 있다.

또한 오스테나이트계 스테인레스강에서는 C 및 N 함유율을 좀 낮게 제한하고 있으므로 모재 및 용접열영향부(HAZ)의 내식성도 우수한 효과가 있다.

Claims

하기의 화학조성을 갖는 열중성자 흡수능이 우수한 오스테나이트계 스테인레스강 : 중량%로

C : 0.02% 미만, Si : 1% 이하,

Mn : 0.1∼0.9% 이하, P : 0.03% 이하,

S : 0.01% 이하, Ni : 7∼22%

Cr : 18∼26%, B : 0.05∼0.75%,

Gd : 0.11∼1.5%, Al : 0.005∼0.1%,

N : 0.030% 이하, Ti : 0.3% 이하,

Nb : 3% 이하, Y : 0.3% 이하,

Mo : 3% 이하, 잔부 : 불가피한 불순물 및 Fe.
제 1 항에 따른 화학조성을 가지며, 하기 ①식을 만족하는 오스테나이트계 스테인레스강 :

Nc ≥0.8 ··· ①

여기서

Nc = {(1-0.015×B%)×B%} + (4.4×Gd%)