(57)【要約】【課題】ＳＵＳ３１６Ｌよりも、耐酸化性、耐衝撃性および耐応力腐食割れ性に優れる材料（オーステナイト系高純度鉄合金）を提供する。【解決手段】Ｃ：０．００２０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００３０ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００１０ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下およびＣ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量：０．００８０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：１０〜３０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１５〜５０ｍａｓｓ％を含有し、好ましくは、さらにＷ：１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：１０ｍａｓｓ％以下、あるいはさらに、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：２ｍａｓｓ％以下およびＢ：０．００５０ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有するオーステナイト系高純度鉄合金。【選択図】図３
2010111909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．００２０ｍａｓｓ％以下、
Ｎ：０．００３０ｍａｓｓ％以下、
Ｓ：０．００１０ｍａｓｓ％以下、
Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下および
Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量：０．００８０ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：１０〜３０ｍａｓｓ％、
Ｃｒ：１５〜５０ｍａｓｓ％を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる耐衝撃性、耐酸化性および耐応力腐食割れ性に優れるオーステナイト系高純度鉄合金。
【請求項２】
上記成分組成に加えてさらに、Ｗ：１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：１０ｍａｓｓ％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系高純度鉄合金。
【請求項３】
上記成分組成に加えてさらに、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下およびＢ：０．００５０ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のオーステナイト系高純度鉄合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定なオーステナイト組織を有し、耐酸化性、耐衝撃性および耐応力腐食割れ性に優れ、原子炉の炉心や核燃料の再処理プラント、化学プラント、ごみ発電プラントなどの構造部材あるいは配管等の構成部材の材料に用いて好適なオーステナイト系高純度鉄合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化および化石燃料である原油の枯渇や価格高騰に伴って、原子力を利用した発電が再び脚光を浴びている。わが国の原子力発電プラントは、沸騰水型あるいは加圧水型の軽水炉が主流であるが、新型転換炉や高速増殖炉の開発も行なわれている。これらの原子力発電プラントに用いられる材料には、大別して燃料被覆管、炉内構造材、伝熱管等があるが、例えば、燃料被覆管にはジルカロイ系合金が、炉内構造材にはＳＵＳ３０４系やＳＵＳ３１６系のオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、特許文献１〜３等参照）が、伝熱管には９Ｃｒ鋼や炭素鋼等が主に用いられている。
【０００３】
しかし、ジルカロイ系合金は、燃焼度１００ＧＷｄ／ｔを超えることが想定される次世代軽水炉に適用するには、耐酸化性、耐水素脆性が不十分であり、さらに、耐中性子照射性や高温強度特性も十分なものではない他、希少金属を用いているため非常に高価で、入手が困難である。また、ＳＵＳ３０４系やＳＵＳ３１６系のオーステナイト系ステンレス鋼は、応力腐食割れを起こし易く、高温強度やクリープ特性等の高温強度特性、耐照射損傷性もやはり十分なレベルではない。また、９Ｃｒ鋼や炭素鋼は、熱伝導度や熱膨張などの熱的物性に優れる反面、靭性や高温での引張特性、クリープ特性等の機械的特性および溶接性に劣る他、耐照射損傷性も十分なレベルではない。
【特許文献１】ＷＯ２００５／０６８６７４号公報
【特許文献２】特開２００５−２９０４８８号公報
【特許文献３】特開２００４−３３９５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、上記問題点に対応するため、各種の材料開発がなされてきた。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＵ３１６については、炭素量を低くして粒界への炭素量の析出・粗大化を抑制する一方、炭素量低減による強度低下を窒素（Ｎ）およびリン（Ｐ）を最適化し補償することによりＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６を上回るクリープ強度を有する鋼（ＳＵＳ３１６ＦＲ）が開発されている。しかし、このＳＵＳ３１６ＦＲは、クリープ特性については改善されたものの、その他の特性、例えば、耐酸化性や耐衝撃性および耐応力腐食割れ性については、従来のＳＵＳ３１６Ｌレベルのままであり、さらなる改善が望まれている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、従来のオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６Ｌよりも、耐酸化性、耐衝撃性および耐応力腐食割れ性に優れる材料（オーステナイト系高純度鉄合金）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者らは、上記課題の解決に向けて、Ｎｉを１０ｍａｓｓ％以上およびＣｒを１０ｍａｓｓ％以上含有するオーステナイト系鉄合金を対象に鋭意研究を重ねた。その結果、上記オーステナイト系鉄合金中に不可避的に混入してくる不純物であるＣ，Ｎ，ＳおよびＯを極微量まで低減し、それらの合計量を０．００８０ｍａｓｓ％以下の極微量に低減することにより、耐酸化性、耐衝撃性および耐応力腐食割れ性が大きく改善されることを見出し、本発明を完成させた。
【０００７】
すなわち、本発明は、Ｃ：０．００２０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００３０ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００１０ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下およびＣ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量：０．００８０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：１０〜３０ｍａｓｓ％、
Ｃｒ：１５〜５０ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる耐衝撃性、耐酸化性および耐応力腐食割れ性に優れるオーステナイト系高純度鉄合金。
である。
【０００８】
本発明のオーステナイト系高純度鉄合金は、上記成分組成に加えてさらに、Ｗ：１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：１０ｍａｓｓ％以下を含有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のオーステナイト系高純度鉄合金は、上記成分組成に加えてさらに、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下およびＢ：０．００５０ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、安定なオーステナイト組織を有し、耐酸化性、耐衝撃性および耐応力腐食割れ性に優れる高純度鉄合金を得ることができる。したがって、上記合金は、原子炉の炉心や核燃料の再処理プラント、化学プラント、ごみ発電プラントなどの構造部材あるいは配管等の構成部材の材料に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係るオーステナイト系高純度鉄合金が有すべき成分組成について説明する。
Ｃ：０．００２０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００３０ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００１０ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下およびＣ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量：０．００８０ｍａｓｓ％以下
Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯは、鋼中に不可避的に混入してくる不純物元素である。これらの元素は、他の元素と炭化物や窒化物、硫化物、酸化物等を形成し、粒界や粒内に析出して、耐酸化性、耐衝撃性、耐応力腐食割れ性を害するだけでなく、加工性や溶接性、高温での引張特性やクリープ特性、耐食性、耐水素脆化特性、耐照射損傷性等の様々な特性の低下を引き起こすため、低いほど好ましい。よって、本発明では、Ｃ：０．００２０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００３０ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００１０ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下およびＣ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量：０．００８０ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは、Ｃ：０．００２０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００２５ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０００５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００３０ｍａｓｓ％以下およびＣ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量：０．００６０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、Ｃ：０．００１０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００１０ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０００２ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１０ｍａｓｓ％以下およびＣ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量：０．００３０ｍａｓｓ％以下である。
【００１２】
Ｎｉ：１０〜３０ｍａｓｓ％
Ｎｉは、オーステナイト安定化元素であると共に、耐酸化性や靭性の向上に有効な元素である。斯かる効果を発現させるためには、１０ｍａｓｓ％以上の添加が必要である。一方、Ｎｉは、高価な元素であるため、上限を３０ｍａｓｓ％とする。好ましくは、１５〜２５ｍａｓｓ％の範囲である。
【００１３】
Ｃｒ：１５〜５０ｍａｓｓ％
Ｃｒは、本発明のオーステナイト系高純度鉄合金の強度を高め、耐酸化性を向上する元素であり、また、耐食性を高める元素でもある。斯かる効果を発現させるためには、１５ｍａｓｓ％以上添加する必要がある。一方、Ｃｒの含有量が５０ｍａｓｓ％を超えると、上記効果が飽和すると共に、靭性も低下するようになる。よって、本発明では、Ｃｒは１５〜５０ｍａｓｓ％の範囲とする。好ましくは、１５〜２５ｍａｓｓ％の範囲である。
【００１４】
本発明の高純度鉄合金は、上記必須成分に加えてさらに、下記の成分を含有することができる。
Ｍｏ：１０ｍａｓｓ％以下、Ｗ：１０ｍａｓｓ％以下
ＭｏおよびＷは、鋼を固溶硬化して強度を高めるのとともに、耐食性を向上するのに有効な元素である。これらの効果は、それぞれ２ｍａｓｓ％以上の添加で発現する。しかし、それぞれ１０ｍａｓｓ％を超えて添加した場合には、靭性が低下するようになる。よって、ＭｏおよびＷは、それぞれ１０ｍａｓｓ％以下の範囲で添加するのが好ましい。より好ましくは、それぞれ２〜５ｍａｓｓ％の範囲である。
【００１５】
本発明の高純度鉄合金は、上記成分に加えてさらに、必要に応じて下記の成分を含有することができる。
Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：１ｍａｓｓ％以下
ＰおよびＴｉは、鋼中で（Ｆｅ，Ｔｉ）Ｐを形成して析出し、高温度域での強度を高めるほか、放射線照射で生じる点欠陥の消滅源として働き、照射脆化を抑制する効果を有する。これらの効果を得るためには、Ｐ：０．０２ｍａｓｓ％以上、Ｔｉ：０．１ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。しかし、Ｐは０．１ｍａｓｓ％を超えて添加すると、Ｔｉは１ｍａｓｓ％を超えて添加すると、粒界の脆化を促進する。よって、ＰおよびＴｉはそれぞれ、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：１ｍａｓｓ％以下の範囲で添加する。好ましくは、Ｐ：０．０７ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．２ｍａｓｓ％以下の範囲である。
【００１６】
Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下
Ａｌは、脱酸剤として添加される。また、鋼の表面に酸化皮膜を形成して耐酸化性を向上させると共に、固溶して高温強度を高める元素である。この効果を得るには、０．０５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。しかし、３ｍａｓｓ％を超えて添加した場合には、溶接性や靭性の低下を招く。よって、Ａｌは、３ｍａｓｓ％以下の範囲で添加するのが好ましい。より好ましくは、０．５〜２ｍａｓｓ％、さらに好ましくは０．５〜１ｍａｓｓ％の範囲である。
【００１７】
Ｂ：０．００５０ｍａｓｓ％以下
Ｂは、粒界に偏析して粒界強度を高め、高温でのクリープ特性を改善する効果を有する元素であり、この効果を得るには、０．０００５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。しかし、０．００５０ｍａｓｓ％を超えて添加すると、その効果が飽和するとともに、却って、熱間加工性が悪くなる。よって、Ｂを添加する場合は、０．００５０ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．００１０〜０．００２０ｍａｓｓ％の範囲である。
【００１８】
本発明のオーステナイト系高純度鉄合金は、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。しかし、上記以外の成分であっても、本発明の効果を害さない範囲であれば、含有することを拒むものではない。例えば、Ｓｉ：０．０１５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０１ｍａｓｓ％以下の範囲で含有してもよい。ただし、その他の不可避的不純物元素は、合計で０．０１ｍａｓｓ％以下に制限することが好ましい。
【００１９】
なお、本発明のオーステナイト系高純度鉄合金は、高純度であること、即ち、Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯの含有量が極めて低いことに起因して、従来のオーステナイト系ステンレス鋼と比較して、耐酸化性、耐衝撃性および耐応力腐食割れ性に優れるだけでなく、耐食性や高温強度特性（引張特性および耐クリープ特性）、耐水素脆化特性、耐照射損傷性等にも優れる。さらに、本発明の鉄合金は、高純度であることに起因して、加工性（成形性）や溶接性に優れ、しかも、溶接部の組織変化、強度や靭性の劣化もほとんどない。したがって、本発明のオーステナイト系高純度鉄合金は、原子炉の構造用部材や配管素材として好適に用いることができる。
【実施例１】
【００２０】
表１に示したＮｏ．１〜５のオーステナイト系高純度鉄合金（Ｃ＋Ｎ＋Ｓ＋Ｏ≦０．００６０ｍａｓｓ％）を溶製し、７５ｋｇの鋼塊としたのち１２５０℃で鍛造して、６０ｍｍ角程度の角材とし、さらに、この角材を加工した直径３８ｍｍφの丸棒を冷間で溝ロール圧延し、直径１８ｍｍφの丸棒とした。次いで、この丸棒に、９５０℃で３０ｍｉｎ加熱後、水冷する溶体化処理を施した溶体化材と、さらにその後、７５０℃で１ｈｒ加熱後、水冷する時効処理を施した時効材を作製した。
これらの溶体化材および時効材からシャルピー衝撃試験片を採取し、室温から−１９６℃の温度範囲で、シャルピー衝撃試験を行い、衝撃値を求めた。また、比較例として、市販のＳＵＳ３１６Ｌ（表１のＮｏ．６）についても、上記と同様の溶体化処理および時効処理を施したのち、シャルピー衝撃試験に供した。
【００２１】
【表１】
2010111909.tif 000003
【００２２】
上記シャルピー衝撃試験の結果を、容体化材については図１に，時効材については図２に示した。これらの結果から、本発明に係るＮｏ．１〜４のオーステナイト系高純度鉄合金の衝撃値は、全ての温度範囲において市販のＳＵＳ３１６Ｌに比較して１００〜３００Ｊ／ｃｍ２上回る値を示しており、耐衝撃特性に極めて優れていることがわかる。なお、本発明に係るＮｏ．５のオーステナイト系高純度鉄合金の衝撃値は、全ての温度範囲において市販のＳＵＳ３１６Ｌより低いが、必要とされる衝撃値である３０Ｊ／ｃｍ２を大きく上回っており、実用的には十分な耐衝撃性を有している。
【００２３】
【表２】
2010111909.tif 000004
【実施例２】
【００２４】
実施例１において得たＮｏ．１〜４の合金の棒材（直径１８ｍｍφ）に対して、９５０℃で１ｈｒ加熱後、水冷する溶体化処理後、７００℃で２４ｈｒ加熱する鋭敏化熱処理を施した。
次いで、それらの棒材から、平行部の直径６ｍｍφ×３０ｍｍ長さの試験片を採取し、塩素１００ｐｐｍ添加した３００℃の高温水中（脱気なし）でかつ１０ＭＰａの圧力を付与した試験環境下で、歪速度：１．６×１０−５／ｓの低速で引張試験を行うＳＳＲＴ（Ｓｌｏｗ  Ｓｔｒａｉｎ  Ｒａｔｅ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）試験を行い、耐応力腐食割れ性を調査した。また、比較例として、市販のＳＵＳ３１６Ｌ（表１のＮｏ．６）についても、上記と同様の溶体化処理および鋭敏化処理を施したのち、ＳＳＲＴ試験に供した。
【００２５】
上記ＳＳＲＴ試験で得られた応力−歪線図を図３に示した。図３から、本発明に係るオーステナイト系高純度鉄合金は、いずれも４０％以上の全伸びを示しており、上記試験環境下では応力腐食割れを起こし難いことがわかる。また、上記図３から読み取った最大応力（ＭＰａ）と破断までの伸び（％）およびそれらの積（最大応力×伸び（ＭＰａ・％））を表２に示したが、市販のＳＵＳ３１６Ｌでは（最大応力×伸び）が８０００ＭＰａ・％程度でしかないのに対し、本発明のオーステナイト系高純度鉄合金は、１５０００ＭＰａ・％以上の値を示しており、耐応力腐食割れ性に優れていることがわかる。
【実施例３】
【００２６】
実施例１において得たＮｏ．１〜４の合金の棒材（直径１８ｍｍφ）に対して、９５０℃で１ｈｒ加熱後、水冷する溶体化処理を施した後、この棒材から、１４ｍｍ×１４ｍｍ×３ｍｍ厚の試験片を採取し、この試験片を用いて、１０００℃に保持された大気雰囲気中で５００ｈｒの酸化試験を行い、試験前後の質量増加量を測定し、耐酸化性を評価した。また、比較例として、市販のＳＵＳ３１６Ｌ（表１のＮｏ．６）についても、上記と同様の溶体化処理および鋭敏化処理を施したのち、酸化試験に供した。
【００２７】
上記の試験の結果を表２および図４に示した。これらの結果から、本発明に係るオーステナイト系高純度鉄合金は、市販のＳＵＳ３１６Ｌと比較して約１／２以下の酸化増量であり、特に、ＭｏとＷを複合添加したＮｏ．２〜４の鉄合金は、市販のＳＵＳ３１６Ｌの約１／１００の酸化増量でしかない。また、図５に、酸化試験後における本発明の鉄合金と市販のＳＵＳ３１６Ｌの試験片の外観写真と表面近傍の断面組織写真を示したが、本発明の鉄合金の表面はスムーズであり、耐酸化性に優れていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の高純度鉄合金は、耐酸化性、耐衝撃性および耐応力腐食割れ性に優れるだけでなく、耐食性や加工性、溶接性、耐水素脆性にも優れているので、火力発電機器の部材や輸送機器の部材としても好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】溶体化処理した本発明の鉄合金と市販のＳＵＳ３１６Ｌのシャルピー衝撃試験結果を比較したグラフである。
【図２】溶体化処理後、時効処理した本発明の鉄合金と市販のＳＵＳ３１６Ｌのシャルピー衝撃試験結果を比較したグラフである。本発明の鋼とＳＵＳ３１６Ｌの引張強度の温度依存性を示すグラフである。
【図３】溶体化処理後、鋭敏化処理した本発明の鉄合金と市販のＳＵＳ３１６ＬのＳＳＲＴ試験における応力−歪線図を比較したグラフである。本発明の鋼のクリープ特性を示すグラフである。
【図４】本発明の鉄合金と市販のＳＵＳ３１６Ｌの大気中での酸化試験における酸化増量を比較したグラフである。
【図５】本発明の鉄合金と市販のＳＵＳ３１６Ｌの大気中での酸化試験後における試験片の外観写真である。
【図１】
2010111909.tif 000005
【図２】
2010111909.tif 000006
【図３】
2010111909.tif 000007
【図４】
2010111909.tif 000008
【図５】
2010111909.tif 000009