JPS6289810A - 原子炉用低合金鋼の製造方法 - 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、いわゆる原子炉用低合金鋼の製造
方法に関するものであり、特に熱中性子照射環境下にお
いてもクリープ脆化を起すことのない炭素鋼や低Ｃｒ−
Ｍｏ鋼等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） 原子炉圧力容器用鋼としては、低炭素鋼ではＡＳＴＭ規
格のＡ　５３３−ＣＬ、　１．同Ａ３０８−ＣＬ。

３鋼が良く知られている。その他では低Ｃｒ−Ｍｏｍで
ある２３ＡＣｒ　−１Ｍｏ系鋼が高速増殖炉（ＦＢＲ）
　、核融合炉（ＦＥＲ）等の原子炉用構造材料として使
われている。

ところが、上記の各原子炉用構造材料中には、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１０３およびｎ　Ｂから構成されて
おり、そのうちのＩＱ　Ｂは中性子照射により”’Ｂ（
ｎ、（Ｚ）’Ｌｉ核反応を生じ、１０３が崩壊してＨＣ
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１−１ｅ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　　ｏｆＮｕｃｌｅａｒ　　Ｍ
ａｔｅｒｉａｌｓ）　１６（’６５）　６８−７３Ｊ従
来、上述したＩｏ　３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
有する全ポロン荀のうちのｌｆｌ　３の量比を下げるこ
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、１０３の量比が自然存在比より
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　　ｏｆ　　Ｎ　ｕｃｌｅａｒ　　
Ｍ　ａｔｅｒｉａｌｓ）Ｎｏ　、　　１０３．　Ｎｏ　
、１０４（１９８１）　Ｊにあるような生成したＨｅを
トラップして凝集を阻止する技術もあるが、これについ
ても実現のためにはなお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　［３の存在に起因して起る（ｎ、α）反応に
よるＨｅぜい化を有効に回避できる合金鋼を煩雑な製造
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）を経て臀られる鋼を使用してボロ
ンの影響について検討した。その結果、＋０３を含有す
る鋼ｔあっても、それが固溶状態で粒界に存在しなけれ
ば、脆化しないことに看目し、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、ボロン無添加鋼の場合、不可避的に混入するボ
ロン量は１〜３　ｐｐｍで極めて微量であり、またボロ
ンは粒界に偏析しやすい元素であるため、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せることは、
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
び析出挙動に関門る基礎研究にもとづき、特に再結晶途
中でのボロンの挙動について把握したところによれば、
従来困難と考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。

すなわち、本発明方法は使用中に中性子照射を受ける原
子炉用金属材料（低合金鋼〉をｗＩＡ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、粒界ボロン最を著しく低減させることと
したのである。

溝中のボロンを結晶粒内に析出分散させる本発明特有の
処理とは、加熱、圧延後の鋼を、その後に行う再加熱も
しくは直接強制冷却の段階で、ボロン系析出物の析出温
度である７５０〜９００℃に前者の場合は１０分以上、
後者の場合は２分以上保持するという手段により達成す
る。

すなわち本発明製造方法は、 Ｃ：　　０．０２〜０．４ｗｔ％、Ｓｉ　　：　　０．
００５〜１．０ｗｔ％、　Ｍｎ　：　　０．１〜？、５
ｗｔ％、　（：、ｒ　：　　０，０１〜５．０ｗｔ％、
　Ｍｏ　：　　０，１〜１，５ｗｔ％、　！１　＜　０
，００２ｗｔ％、Ａβ：　　ｏ、ｏｏｉ〜０．１ｗｔ％
、お上びＮ二Ｏ，００６ｗｔ％さらには３：０．０１〜
０．０５Ｖ１ｔ％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却を経る工程中に
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、７５０〜９００℃の温度に１０分以
上もしくは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、原子炉用低合
金鋼の製造方法をもって、上記課題解決手回とするもの
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
について述べる。図面に示す第１図は、上述した粒内へ
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および結晶粒界の
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偏析しやすい性質があり、Ｎも同
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、微量のボロン
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））粒界に析出しゃすいボロン系
析出物も、時間の経過とともに粒界のそのものが移動す
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　）　）。こうしたこと
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７
５０〜９００℃の温度に保持することが有効である。

上述した効果は、圧延後直接強制冷却（以下はＤＱとい
う）による焼入れをするまでの間に、前記と同じ処理を
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、ボロン系析出物の粒内分散効果が得ら
れるためである。

上述した本発明の目指す所定の効果を得るためには、ボ
ロン系析出物の分散処理を施す温度および保持時間が重
要である。本発明において再加熱処理の場合に　７５０
〜９００℃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お
よび粒界の移動時間を考慮して限定したちのである。

なお、上記ＤＱ工程に対して本発明を適用する場合にあ
っては、短時間内にボロン系析出物の分散が可能になる
ため、この場合にお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温
度によって変化するため、保持時間は温昨の関係によっ
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Ａ、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定められる範
囲であり、かつ工業的に安定して本発明効果が得られる
条件を限定した。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
９００〜７５０℃、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。

本発明におけ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１０００〜１２００℃である。■は圧延後の冷却
で空冷が多い、■は再加熱処理後の冷却で焼入れ、焼な
らし等がある。■は直接焼入れあるいは加速冷却が与え
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―・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（分散強化等）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、５ｆｆｉ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せる元
素であり、０．０１％以上添加するが、５％を超える添
加は溶接性と母材じん性を劣化させるので、０．０１〜
５．０％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
り高温強度を向上させる元素であるから０．１％以上添
加するが、１．５％を超えると溶接性の低下、コストの
増加を招くため上限を１．５％とした。

Ａ℃は、脱酸剤として０．００１％以上添加するが、多
聞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ＢＮとして粒内に分散さ
せ粒界Ｂ１１１度を低下させるのに必要である。しかし
その量が０．００６０％以上のＮはじん性に悪影響を及
ぼすため、０．００６０％以下とした。

さらにこの発明では必要に応じｖ、Ｎｂ、ＮｉおよびＣ
ＬＩ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団を説明する。

Ｖ：強度確保のため０．００１％以上添加してもよいが
、その添加量が０．０６％を超えると母材じん性と溶接
性を著しく劣化させるので、０．０１〜０．０６％とす
る。

Ｎｂ二強度確保のため０．０１〜２．０％の範囲で添加
できる。

Ｎｉ　：焼入れ性の確保と低渇しん性の向上のために、
０．０１％以上添加しても良いが、１．０％を超える添
加は経済性から適当でない。

Ｃｕ　：強度と耐食性を向上させるために必要に応じて
０．０１％以上添加するが、０．５％を超える添加は熱
間加工性、じん性、溶接性を劣化させるので適当でない
。

なお、これら合金成分の添加は、本発明の主題とするボ
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８１１度
を著しく低減させることができるので、耐中性子照射脆
化特性に優れた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もに記す。

表１に示す化学組成鋼を、１００ｋｇ真空溶解炉で溶製
し、Ａ鋼、８８ｇはＤＱ工程において、Ｃ〜Ｅ鋼は再加
熱炉ならし工程において、それぞれ本発明にがかるボロ
ンの析出分散処理を表２に示すような条件で適用した場
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−分析およびフイツション・トラック・エツチング法
によって調べた結果を表３に示す。

Ａ鋼〜Ｅ鋼のうちＢ鋼、Ｄ鋼はＭｎＳによるＢＮ析出促
進効果を利用するためＳｌを高めたものである。いずれ
も本発明範囲内は、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。

なお、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
けてもクリープ脆化を起すことのない低合金鋼を、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
の直接強制冷却プロセスによる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：０
   ．０１〜５．０ｗｔ％、Ｍｏ：０．１〜１．５ｗｔ％、
   Ｂ≦０．００２ｗｔ％、Ａｌ：０．００１〜０．１ｗｔ
   ％およびＮ≦０．００６ｗｔ％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、
   前記再加熱処理の少くとも後段で、７５０〜９００℃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低合金鋼
   の製造方法。 ２、Ｃ：０．０２〜０．４ｗｔ％、Ｓｉ：０．００５〜
   １．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：０
   ．０１〜５．０ｗｔ％、Ｍｏ：０．１〜１．５ｗｔ％、
   Ｂ≦０．００２ｗｔ％、Ａｌ：０．００１〜０．１ｗｔ
   ％、Ｎ≦０．００６ｗｔ％および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
   う再加熱を経る工程中において、前記再加熱処理の少く
   とも後段で、７５０〜９００℃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低合金鋼の製造方法。 ３、Ｃ：０．０２〜０．４ｗｔ％、Ｓｉ：０．００５〜
   １．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：０
   ．０１〜５．０ｗｔ％、Ｍｏ：０．１〜１．５ｗｔ％、
   Ｂ≦０．００２ｗｔ％、Ａｌ：０．００１〜０．１ｗｔ
   ％およびＮ≦０．００６ｗｔ％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、７５０〜９０
   ０℃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低合
   金鋼の製造方法。 ４、Ｃ：０．０２〜０．４ｗｔ％、Ｓｉ：０．００５〜
   １．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：０
   ．０１〜５．０ｗｔ％、Ｍｏ：０．１〜１．５ｗｔ％、
   Ｂ≦０．００２ｗｔ％、Ａｌ：０．００１〜０．１ｗｔ
   ％、Ｎ≦０．００６ｗｔ％およびＳ：０．０．〜０．０
   ５ｗｔ％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、７５０〜９００℃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低合金鋼の製造方法。