JPS6289846A - 耐中性子照射脆化特性に優れたフエライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼 - 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、中性子照射を受ける原子炉用構造材料、例え
ば高速増殖炉や軽水炉あるいは核融合炉などの原子炉容
器材料やその周辺材料として使用される耐中性子照射脆
化特性に優れたフェライト系またはマルテンサイト系ス
テンレス鋼に関するものである。

（従来の技術） 原子炉用構造材料としては、高温強度と耐食性に優れた
オーステナイト系ステンレス鋼が一般的である。

最近では、安価で熱膨張係数が小さいフェライト系ステ
ンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼も注目を浴び
るに至ってい葛が、これらの材料に共通する問題として
、中性子照射による高温引張り延性の低下やクリープ脆
化が生じることが指摘されている。すなわち、これらの
鋼中には不可避的に混入するか高温特性、強度、加工性
改善のために積極的に添力ｑされたＢが含有されており
、このＢ（粒界に偏在しやすい傾向がある）に起因して
上記の延性低下やクリープ脆化を招くことが判った。

すなわち、一般に天然のＢは、同位体の質量数が１０と
１１の２種の同位元素ｒｌ’ＢＪ　、　ｒ”ＢＪによっ
て構成され、その自然存在比はＩＯＢが約２０％、目Ｂ
が約８０％程度である。これらの同位元素のうち、特に
ｔｏＢは熱中性子吸収が太き（、そのため熱中性子照射
を受ける原子炉容器に、Ｂを含有するフェライト系また
はマルテンサイト系ステンレス鋼を用いた場合、比較的
軽度の熱中性子照射でも、１０Ｂ（ｎ　、　ｚ）’Ｌｉ
核反応が生じて、ＩＯＢが崩壊し、その結果Ｈｅガスを
発生させ、そのＨｅが粒界の結合力を弱め、材料の高温
強度や延性の低下を惹起するという問題があった。

またＢは積極的に添加しない場合においても通常の製鋼
過程を経て得られたフェライト・マルテンサイト系ステ
ンレス鋼では、少なくとも数ｐｐｍ程度を含有しており
、その程度の微量のＢを含有する場合でも、熱中性子照
射を受ければ前記同様にＩＯＢ　（ｎ−α）’Ｌｉ核反
応に起因した中性子照射脆化が生じるおそれがある。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したところから明らかなように、耐中性子照射脆化
を防止するためには、鋼中に存在するＩＯＢを低減する
ことが効果的である。しかしながら、ステンレス鋼にお
いては、Ｂを故意に添加しない場合でも不可避的に２〜
５　ｐｐｍ程度のＢを含有している。

この点に関連して本発明者らは、先に特願昭６０−１３
５０７０号と５して提案したように、自然存在比より高
いＪＩＢの量比（”Ｂ／ＣＯＢ＋”Ｂ））を存するＢ含
有原料を用いた脱Ｂ精錬により、ＩＩＩＢを低減するこ
とのできる技術の開発に成功した。

しかしながら、実際にはＩＯＢを著しく低減はできても
完全に除くことは困難であるし、ましてコスト的にも不
利はまねかれない。

要するに本発明の目的は、天然に存在するＢのうち中性
子照射による核変換のためＨｅを生じる１（ＩＢの悪影
響を無くし、中性子照射環境下でも中性子照射脆化を生
じることなく、高温引張延性やクリープ特性にも優れた
フェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼を提
案することにある。

（問題点を解決するための手段） 上述した問題点解決のために本発明では、Ｂの存在は完
全に無くすことができないということを前程とした上で
その存在を無害化することを自損した。そのためにまず
１°Ｂが少なり１１Ｂの多いボロンを使うことにより粒
界Ｂを低減させること、および場合によってはＴｉまた
はＮｂの少なくとも一種以上をＮとともに添加し、その
際に生じるＴｉ＋Ｎｂの微細な炭・窒化物と一緒にＢを
粒内１粒界に均一かつ微細に析出分散させ、粒界に存在
するＩｏＢを低減させて無害化するようにしたのである
。

すなわち、本発明は上述の要請に応えられるものとして
、Ｃ：　０．１　ｗｔ％以下、Ｓｉ：１ｗｔ％以下Ｍｎ
：２ｗｔ％以下、Ｃｒ　：　１１〜１９ｗｔ％、Ｎｉ：
３ｗｔ％以下、を含有し、同位体の質量数が１１のＢと
同質量数が１０のＢとの比が９以上のＢを０．０００１
〜０．０１ｗｔ％必須成分として含有するもの、 または上記の成分組成に加えて、Ｎ≦０．０５ｗｔ％と
０．Ｏ１〜０．５　ｗｔ％のＴｉもしくは０．０１〜１
．Ｏｗｔ％のＮｂのいずれか１種または２種とを任意成
分として含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物より
なる耐中性子照射脆化特性に優れたフェライト系または
マルテンサイト系ステンレス鋼の開発を実現させたもの
である。

要するに本発明鋼によれば、粒界１０Ｂを低減させて無
害化することにより、中性子照射により生じる粒界上の
Ｈｅもそれだけ減少するから従来問題となっていた中性
子照射脆化を回避することが可能となる。さらに＋０１
３無害化に加えて、中性子による核変換のおそれのない
ｚＢを積極的に添加することにあわせ、Ｔｉ、　Ｎｂを
Ｎとともに添加することで微細な炭・窒化物を生成させ
ることにより、粒界強化が実現され、クリープ延性、ク
リープ強度の増加、高温強度、高温引張り延性の向上が
達成されるのである。

（作　用） 高温環境下で使用される材料としては、高温引張り延性
や高温強度あるいはクリープ強度やクリープ延性を向上
させるためＢを添加して粒界強化を行うことが望ましい
。その際、中性子照射環境下で使用されてもＨｅガスの
生じないＩＩＢのみを添加できればより望ましいが現実
のフェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼に
は少なくとも数ｐｐｍ程度の１１１Ｂが含まれる。

そこで、該ステンレス鋼中のＢの挙動について、特にＩ
ＩＢ／ＩＯＢの比を変えた場合の粒界１ＯＢの濃度変化
に着目して研究をすすめた結果、第１図に示すように、
該ＩＩｓ／ＩＱＢが９以上の場合には粒界１ＯＢ濃度が
著しく低減することを見い出した。しかも、ＴｉやＮｂ
の一種以上を含むフェライトマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の場合その傾向がより顕著になることも判った。な
お、図の相対的粒界”Ｂ濃度はフィノショントラックエ
ノチング法により求めたものである。

次に本発明鋼についての成分組成限定理由について詳し
く述べる。

Ｂ　：　０．０００１〜０．０１％についてＢは、粒界
強化作用を有し、高温引張り延性やクリープ延性を改善
する作用がある。この効果を発揮するためには、０．０
００１％以上の添加が必要であり、０．０１％以上でも
その効果は期待できるがコスト高を招くので上限を０．
０１％とした。

また、上記ＢについてはＪＩＢ／ＩＯＢの比が９以上を
示すことが必要であることについて既に述べたが、フェ
ライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼、場合によ
ってはＴｉ、Ｎｂ、Ｎの少なくとも１種以上を含有する
フェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼の場
合、上記の比が９以上で粒界の１０Ｂの相対的な濃度が
著しく低減するからであり、中性子照射脆化のおそれが
なく、高温強度。

張り延性およびクリープ特性を改善するのに有効である
。

Ｃ：０．１％以下について Ｃは、フェライト系またはマルテンサイト系ステンレス
鋼において、引張り強さなどの機械的性質の改善にきわ
めて有効に作用する元素であり、用途にあわせた強度に
なるようにその添加量を調節する。しかし多量の添加は
機械的性質の強化は果されるものの、延性や靭性などの
低下をまねくので、その上限を０．１％とする。

５ｉｌ１％以下について Ｓｉは、通常脱酸剤として添加されるが、１％を超える
添加は鋼の熱間加工性を低下させ、製造性を害するので
１％以下にする。

門ｎ：２％以下について Ｍｎは、脱酸作用や鋼の熱間加工性を向上させる効果が
あるが、多量の添加は鋼の脆化をもたらす傾向があるの
でその上限を２％とする。

Ｃｒ：１１〜１９％について Ｃｒは、１１％未満ではステンレス鋼としての耐食性が
発揮できず、また多量の添加は伸びおよび衝撃値の低下
をまねくので、１１〜１９％とする。

Ｎｉ：３％以下について Ｎｉは、靭性の向上に効果がある元素であるが、３％を
超えて添加しても効果の持続は認められるとしても高価
な元素であり、コストアップとなるので、上限を３％と
する。

Ｎ　：　０．０５％以下について Ｎは、それ自身単独でまたは後述のＴｉ、　Ｎｂとの複
合添加により、ＢＮとして析出するか、ＴｉＮ、ＮｂＮ
を核とするＢの窒化物を形成し、Ｂを粒内・外に均一分
散させるのに効果がある。ただその効果を導くにも極く
少量でよく、上限はＢＮが粗大化しない０．０５％が望
ましいので、添加量を０．０５％以下とした。

Ｔｉ　：　０．０１〜０．５％、Ｎｂ　：　０．０１〜
１．０％についてＴｉ、　Ｎｂは、炭化物や窒化物を形
成して微細に分散、析出するが、これがＢの析出核とな
ってＢを粒内、外に均一に微細分散させるのに有効に作
用する。こうした作用は、Ｔｉの場合０．０１％、Ｎｂ
Ｏ場合０．０１％以上の添加は必要である。一方、Ｔｉ
：（１１，５％、Ｎｂ：１％を超える添加は製造性の低
下を招くので、上述のように０．０１−０．５％、０．
Ｏ１〜１．０％に限定する。なお、これらは少なくとも
１種を添加すれば足りる。

本発明鋼の製造、とくに精錬に当っては、脱Ｂ精錬前も
しくは該精錬後のいずれかにＴｉ、　Ｎｂの１種または
２種および＋１３７１０３−≧−９であるＢを添加する
。その後の加熱、圧延、熱処理は常法に従う既知工程を
そのまま利用する。ただし、Ｂを粒内に均一に分散させ
る熱処理として好ましくは、８００〜１０００℃で１分
以上保持することが望ましい。

この熱処理により相変態と再結晶が生じる。すなわち、
フェライトまたはマルテンサイト相よりオーステナイト
相が生じるとともに再結晶が生じ、熱処理前の旧誼界が
新しい粒界におきかわる。このことによりＢが新しい粒
界に対して均一に分散するのである （実施例） 小型実験炉により、表−１に示す鋼を真空溶製した。本
発明については、その後１１Ｂ／１０１３≧９のフェロ
ボロン合金を投入して脱Ｂ精錬を行って成分調整と鋼塊
鋳造した。その後１２５０”Ｃで加熱後熱間圧延を行い
、２５ｍｍ厚の仮を製造した。この板を焼なまし熱処理
すべく　８００’Ｃ−３０分加熱して急冷した。

かかる熱処理材に対して粒界１ＯＢの存在（有無）クリ
ープ破断強度、同破断伸びを本発明鋼、比較鋼について
求めた。なお、粒界Ｂの存在はフィッショントラックエ
ッチングおよびオージェ分析法によって求めた。その結
果を第２表に示す。この表から判るように、本発明鋼は
Ｂが鋼中に均一に分散しているため、粒界に存在するＩ
ＯＢは検出できない程度に減少しているが、比較例では
粒界に存在するＩＯＢは検出可能な程度に多い。さらに
クリープ破断強度、破断伸びも、本発明鋼は比較鋼に比
べて優れている。

表　　　２ （発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、中性子照射環境下
で使用しても中性子照射脆化を起すことがなく、高温引
張り強度、延性ならびにクリープ特性に優れた原子炉用
構造材料として好適なフェライト系またはマルテンサイ
ト系ステンレス鋼を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、フェライト系またはマルテンサイト系ステン
レス鋼における粒界１０Ｂ濃度に及ぼす１１Ｂ／１０３
比の影響を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．１ｗｔ％以下、Ｓｉ：１ｗｔ％以下Ｍｎ：
   ２ｗｔ％以下、Ｃｒ：１１〜１９ｗｔ％Ｎｉ：３ｗｔ％
   以下、 を含有し、さらに同位体の質量数が１１のＢと同質量数
   が１０のＢとの比が９以上のＢを０．０００１〜０．０
   １ｗｔ％を含有し、残部がＦｅと不可避的不純物とから
   なる耐中性子照射脆化特性に優れたフェライト系または
   マルテンサイト系ステンレス鋼。 ２、Ｃ：０．１ｗｔ％以下、Ｓｉ：１ｗｔ％以下Ｍｎ：
   ２ｗｔ％以下、Ｃｒ：１１〜１９ｗｔ％Ｎｉ：３ｗｔ％
   以下、 を含有し、同位体の質量数が１１のＢと同質量数が１０
   のＢとの比が９以上のＢを０．０００１〜０．０１ｗｔ
   ％必須成分として含有し、 Ｔｉ：０．０１〜０．５ｗｔ％、もしくは Ｎｂ：０．０１〜１．０ｗｔ％ のいずれか１種または２種、および０．０５ｗｔ％以下
   のＮとを任意成分として含有し、残部がＦｅおよび不可
   避的不純物よりなる耐中性子照射脆化特性に優れたフェ
   ライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼。