(57)【要約】【課題】原子力プラントなどの、高温高圧水環境下の極めて過酷な条件下で使用した場合においても、経時的な硬さの上昇や、靭性及び延性の低下などの特性上の経時劣化を生じない新規なオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼を提供する。【解決手段】オーステナイト相とフェライト相との混合組織を含み、この混合組織中のフェライト量が５重量％以上１５重量％以下であって、高温高圧水環境下で使用した際に、スピノーダル分解、並びにＮｉ原子、Ｓｉ原子及びＭｏ原子からなるＧ相の析出を抑制した、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼を提供する。【選択図】図３
2008115437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト相とフェライト相との混合組織を含み、この混合組織中のフェライト量が５重量％以上１５重量％以下であって、高温高圧水環境下で使用した際に、スピノーダル分解、並びにＮｉ原子、Ｓｉ原子及びＭｏ原子からなるＧ相の析出を抑制したことを特徴とする、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】
オーステナイト相とフェライト相との混合組織を含み、この混合組織は、重量％でＣｒを１７〜１９．５％、Ｎｉを８〜１２％、Ｃを０．０３％以下、Ｓを０．０１％以下含むとともに、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、フェライト量が５％以上１５％以下であって、高温高圧水環境下で使用した際に、スピノーダル分解、並びにＮｉ原子、Ｓｉ原子及びＭｏ原子からなるＧ相の析出を抑制したことを特徴とする、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼。
【請求項３】
オーステナイト相とフェライト相との混合組織を含み、この混合組織は、重量％でＣｒを１７〜１９．５％、Ｎｉを９〜１３％、Ｃを０．０３％以下、Ｓを０．０１％以下、Ｍｏを２〜２．５％含むとともに、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、フェライト量が５％以上１５％以下であって、高温高圧水環境下で使用した際に、スピノーダル分解、並びにＮｉ原子、Ｓｉ原子及びＭｏ原子からなるＧ相の析出を抑制したことを特徴とする、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一に記載のオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼を含むことを特徴とする、高強度高耐食性部材。
【請求項５】
請求項４に記載の部材を含むことを特徴とする、構造物。
【請求項６】
請求項４に記載の部材を含むことを特徴とする、ポンプ部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱時効劣化に優れたオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼、及びこのステンレス鋼を使用してなる高強度高耐食性部材、並びにこの部材を応用してなる構造物、ポンプ部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の原子力プラントなどにおいて、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼は、耐食性及び加工性に優れており、ポンプ部品や配管などに使用されている。例えば、”Aging Degradation of Cast Stainless Steels” O.K. Chopra and H.M. Chung, Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems-Water Reactor (1988)などを参照すると、オーステナイトーフェライト系ステンレス鋼は高温に長時間加熱されると硬さの上昇、靭性及び延性の低下を検出することが判明している。
【０００３】
したがって、従来のようなオーステナイトーフェライト系ステンレス鋼を構造部材として原子炉水環境などの高温高圧水環境下で使用した場合は、前記構造部材（ステンレス鋼）の経時的な硬さの上昇、靭性及び延性などの低下によって、長時間安定して使用することができない場合があるという課題があった。
【０００４】
かかる課題に鑑みて、特許文献１においては、重量％にて、Ｃを０．０３％以下、Ｓｉを１．５％以下、Ｍｎを１．５％以下、Ｎｉを６．５〜１１．０％、Ｃｒを２１〜２５％、Ｍｏを０．５０％未満、Ｎを０．１５〜０．３０％、残部をＦｅから構成するとともに、Ｎｉ，Ｃｒ及びＭｏの含有量がＮｉ＋Ｃｒ＋３Ｍｏ≧３０％なる関係を満足し、フェライト相の面積率が５〜１０％であるステンレス鋼を作製することにより、熱時効による靭性の改善を図っている。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載のステンレス鋼を構造部材として、例えば特に原子力プラントなどの、高温高圧水環境下の極めて過酷な条件下で使用した場合においては、経時的に硬さが上昇したり、靭性及び延性が低下したりして、長時間安定的に用いることができないという問題があった。
【非特許文献１】”Aging Degradation of Cast Stainless Steels” O.K. Chopra and H.M. Chung, Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems-Water Reactor (1988)
【特許文献１】特開平７−２６３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、原子力プラントなどの、高温高圧水環境下の極めて過酷な条件下で使用した場合においても、経時的な硬さの上昇や、靭性及び延性の低下などの特性上の経時劣化を生じない新規なオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、
オーステナイト相とフェライト相との混合組織を含み、この混合組織中のフェライト量が５重量％以上１５重量％以下であって、高温高圧水環境下で使用した際に、スピノーダル分解、並びにＮｉ原子、Ｓｉ原子及びＭｏ原子からなるＧ相の析出を抑制したことを特徴とする、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼（第１のステンレス鋼）に関する。
【０００８】
また、本発明の他の態様は、
オーステナイト相とフェライト相との混合組織を含み、この混合組織は、重量％でＣｒを１７〜１９．５％、Ｎｉを８〜１２％、Ｃを０．０３％以下、Ｓを０．０１％以下含むとともに、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、フェライト量が５％以上１５％以下であって、高温高圧水環境下で使用した際に、スピノーダル分解、並びにＮｉ原子、Ｓｉ原子及びＭｏ原子からなるＧ相の析出を抑制したことを特徴とする、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼（第２のステンレス鋼）に関する。
【０００９】
さらに、本発明のその他の態様は、
オーステナイト相とフェライト相との混合組織を含み、この混合組織は、重量％でＣｒを１７〜１９．５％、Ｎｉを９〜１３％、Ｃを０．０３％以下、Ｓを０．０１％以下、Ｍｏを２〜２．５％含むとともに、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、フェライト量が５％以上１５％以下であって、高温高圧水環境下で使用した際に、スピノーダル分解、並びにＮｉ原子、Ｓｉ原子及びＭｏ原子からなるＧ相の析出を抑制したことを特徴とする、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼（第３のステンレス鋼）に関する。
【００１０】
本発明者らは鋭意検討の結果、オーステナイトーフェライト系ステンレス鋼を、上述した高温高圧水環境下の極めて過酷な条件下で使用した場合において、経時的な硬さの上昇や、靭性及び延性の低下などの特性上の経時劣化が、組織中のフェライト相が長時間加熱されることによりＦｅ原子とＣｒ原子とが周期的に分離する相分離、つまり、Ｆｅリッチ相とＣｒリッチ相とに分離するスピノーダル分解と呼ばれる現象と、Ｎｉ原子、Ｓｉ原子及びＭｏ原子から構成されるＧ相の析出とによるものであることを突き止めた。
【００１１】
そして、上述のような劣化メカニズムに基づくとフェライト含有量が少ないほどスピノーダル分解やＧ相析出が抑制されることを見出した。したがって、上述した第１のステンレス鋼から第３のステンレス鋼の成分によれば、いずれもオーステナイト相とフェライト相との混合組織中のフェライト相を重量％で１５％以下としているので、上述した高温高圧水環境下の極めて過酷な条件下で使用した場合においても、上記スピノーダル分解とＧ相の析出とを抑制することができる。
【００１２】
この結果、上述した第１のステンレス鋼から第３のステンレス鋼を高温高圧水環境下で使用した場合においても、経時的な硬さの上昇や、靭性及び延性の低下などの特性上の経時劣化を生じることなく、長期間安定して使用することができる。
【００１３】
なお、第１のステンレス鋼において、オーステナイト相とフェライト相との混合組織中のフェライト相の下限値５％は、これよりもフェライト相の量が小さくなると、耐応力腐食割れ感受性が増大してしまうことに起因して画定したものである。
【００１４】
また、第２のステンレス鋼において、重量％でＣｒを１７〜１９．５％としているのは、Ｃｒはフェライト生成元素であるため、オーステナイト相とフェライト相との混合組織中のフェライト相の量を重量％で５〜１５％とするための要求されるものである。さらに、Ｃｒの下限を１７％としたのは、ＪＩＳの規格に合致させたためであり、上限を１９．５％としたのは、シャルピー吸収エネルギーの低下が認められない範囲としたからである。また、その他のＮｉを８〜１２％、Ｃを０．０３％以下、Ｓを０．０１％以下としているのは、例えばＪＩＳの規格に合致させたものである。
【００１５】
第３のステンレス鋼において、重量％でＣｒを１７〜１９．５％及びＭｏを２〜２．５％としているのは、これらの元素はフェライト生成元素であるため、オーステナイト相とフェライト相との混合組織中のフェライト相の量を重量％で５〜１５％とするための要求されるものである。さらに、Ｃｒの下限を１７％としたのは、ＪＩＳの規格に合致させたためであり、上限を１９．５％としたのは、シャルピー吸収エネルギーの低下が認められない範囲としたからである。また、Ｍｏの下限を２％としたのはシャルピー吸収エネルギーの低下が認められない範囲としたからである。なお、Ｎｉを９〜１３％、Ｃを０．０３％以下、Ｓを０．０１％以下としているのは、例えばＪＩＳの規格に合致させたものである。
【発明の効果】
【００１６】
以上、本発明によれば、オーステナイト相とフェライト相との混合組織を含み、この混合組織中のフェライト量が５重量％以上１５重量％以下であって、高温高圧水環境下で使用した際に、スピノーダル分解、並びにＮｉ原子、Ｓｉ原子及びＭｏ原子からなるＧ相の析出を抑制するようにしているので、高温高圧水環境下の極めて過酷な条件下で使用した場合においても、経時的な硬さの上昇や、靭性及び延性の低下などの特性上の経時劣化を生じない新規なオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明のその他の特徴及び利点などを、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。なお、特に注意を喚起しない限り、以下に示す成分量（含有量）は重量％を示すものとする。
【００１８】
（サンプルの準備）
本実施の形態では、図１に示すような３種類の組成を有するステンレス鋼（Ａ，Ｂ，Ｃ）を準備した。これら３種類のステンレス鋼Ａ，Ｂ，Ｃにおけるフェライト含有量は、前記ステンレス鋼中における各成分の組成比から図２に示すシェフラー線図に基づいて導出した。その結果、図１に示すように、ステンレス鋼Ａ，Ｂ，Ｃにおけるフェライト含有量は、それぞれ約１５％，約４０％，約１０％となった。
【００１９】
図１において、Ｃｒ量及びＭｏ量は、図２に示す関係式からも明らかなように、特にオーステナイト相とフェライト相との混合組織中のフェライト量に顕著に影響を及ぼすものであり、上述したフェライト含有量となるように適宜に設定するものである。
【００２０】
なお、図１において、その他の成分は以下の観点から決定されている。例えばＣに関しては、Ｃは強度を向上させる元素であるが、耐食性に悪影響を与える元素でもある。実際、Ｃは熱処理あるいは溶接時の熱の影響によって、粒界にＣｒ炭化物を形成し、偏析するようになるため、それに伴って粒界近傍にＣｒ欠乏層を形成し、耐食性を低下させる傾向がある。また、Ｃ偏析部自体が選択的に腐食したりするようになる。したがって、このような不利益（低耐食性）を排除するためには、Ｃは０．０３％以下とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、このような観点から、図１に示すように、Ｃを０．０３％以下としている。
【００２１】
また、Ｓに関しては、溶解時の脱酸剤として非可否的の混入するＭｎとともにＭｎＳなどの非金属介在物を形成する。この非金属介在物は、含有量の増大とともに耐食性を劣化させる傾向がある。したがって、このような不利益（低耐食性）を排除するために、Ｓを０．０１％以下としている。
【００２２】
なお、上述した以外の元素、例えばＳｉ、Ｍｎ及びＰは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｇ５２１２）に合致するようにしている。また、図２に示す関係式から明らかなように、Ｓｉもフェライト相に生成に寄与するが、本実施形態では、Ｓｉの含有量を図１に示すように、ＪＩＳ規格に合致させて十分に低減させているので、Ｓｉはフェライト相の生成にほとんど寄与しない。
【００２３】
また、ステンレス鋼Ａ，Ｃにおいては、Ｃｒは１７〜１９．５％となっている。Ｃｒはフェライト生成元素であるため、オーステナイト相とフェライト相との混合組織中のフェライト相の量を重量％で５〜１５％とするための要求されるものである。さらに、これらのステンレス鋼Ａ〜Ｃにおいては、Ｃｒ下限が１７％であり、ＪＩＳの規格に合致している。また、ステンレス鋼Ａ，Ｃにおいては、上限が１９．５％より小さく、シャルピー吸収エネルギーの低下が認められなくなる。
【００２４】
さらに、ステンレス鋼Ａにおいては、Ｍｏを２〜２．５％の範囲内で含有している。Ｍｏもフェライト生成元素であるため、オーステナイト相とフェライト相との混合組織中のフェライト相の量を重量％で５〜１５％とするための要求されるものである。また、前記範囲でＭｏを含むことにより、シャルピー吸収エネルギーの低下が認められなくなる。
【００２５】
（サンプルの評価）
次に、上述した３種類のステンレス鋼Ａ，Ｂ，Ｃに対して４００℃／３０００時間の熱時効を施した後、シャルピー試験を実施し、得られた結果を未熱処理の場合と比較して図３にグラフ化して示した。図３から明らかなように、ステンレス鋼中のフェライト量が本発明で規定する１５％の上限を超えるステンレス鋼Ｂに関しては、熱時効後の硬さの上昇し、これに伴う吸収エネルギーの大きな低下が見られた。一方、ステンレス鋼中のフェライト量が本発明で規定する５〜１５％の範囲内のステンレス鋼Ａ，Ｃは、熱時効後も硬さがさほど上昇せず、それに伴って実際に吸収エネルギーもさほど低下しないことが判明した。
【００２６】
次に、上述した３種類のステンレス鋼Ａ，Ｂ，Ｃの脆化を考慮した寿命に関する評価を実施した。
【００２７】
熱時効事象は熱活性化過程であることから、スピノーダル分解に必要な温度（Ｔ）と時間（ｔ）との関係は、以下の（１）式で表すことができる。
ｔ＝Ａ・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ）                                    （１）
（Ａ：定数、Ｒ：気体定数、Ｑ：活性化エネルギー）
【００２８】
機械的特性変化の推定曲線を得るには、指標とする機械的特性（Ｐ）の変化を異なった複数の温度（たとえばＴ１，Ｔ２）で採取する。次いで、変化する機械的特性（Ｐ）を初期値（Ｐ０）で除し、温度Ｔ１及びＴ２における経年変化度推定曲線を得る。ここでＰ／Ｐ０は経年変化度（α）とする。経年変化度（α）は次のようにして求めることができる。
【００２９】
上式（１）を温度Ｔ１及びＴ２に当てはめて書き直すと、次に示す（２）、（３）式のようになる。
ｔ１＝Ａ・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ１）                                    （２）
ｔ２＝Ａ・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ２）                                    （３）
【００３０】
したがって、（２）及び（３）式より、上述した熱時効事象に関する活性化エネルギーＱを得ることができる。
Ｑ＝Ｒ（ｌｏｇｔ１−ｌｏｇｔ２）／（１／Ｔ１−１／Ｔ２）            （４）
【００３１】
一方、得られたＱと経年変化度推定曲線１とから、実際に測定していない温度（Ｔ３）
における経年変化度（α）に対応する時間ｔ３は、（５）式から導出することができる。
ｌｏｇｔ０=ｌｏｇｔ３-（Ｑ／Ｒ）（１／Ｔ３−１／Ｔ０）                  (５）
【００３２】
この結果、経年変化推定曲線が求まっている材料系においては、そのグラフから経年変化度（α）を導出することができるので、このようにして得た経年変化度（α）に対し、初期特性値Ｐ０を乗じることにより、ｔ３時間使用後の特性値Ｐを算出することができる。
【００３３】
なお、上述した一連の特性値Ｐの導出過程は、図４においてフローチャート的に示した。
【００３４】
上記式において、活性化エネルギーＱは、上述した被特許文献１より、Ｑ＝８５ｋｃａｌとして求めることができるので、４００℃／３０００時間の熱時効は沸騰型原子炉の運転温度である２７６℃の等価な時間で換算すると、約１００，０００時間と予測される。このような予測に鑑みると、上述したステンレス鋼Ｂでは、プラントの運転開始後、約１０年程度で脆化する可能性がある。一方、ステンレス鋼Ａ及びＣでは、プラント運転開始後、約１０年経過の後も脆化の可能性が極めて低いことが判明した。
【００３５】
したがって、本実施形態においては、本発明にしたがって、オーステナイト相とフェライト相との混合組織中のフェライト量を５重量％以上１５重量％以下とすることにより、高温高圧水環境下で使用した際にもスピノーダル分解やＧ相の析出を生ぜしめることなく、長時間安定して使用できることが判明した。
【００３６】
なお、本実施形態では、図１に示すような３種類の組成成分を有するステンレス鋼をスポット的に用いているが、本発明で規定する組成範囲においては同じように高温高圧水環境下で使用した際にもスピノーダル分解やＧ相の析出を生ぜしめることなく、長時間安定して使用できることが判明した。
【００３７】
また、図５は、高温水中（約３００℃）での、ステンレス鋼中に含まれるフェライト量と応力腐食割れ深さとの関係をグラフ化して示している。図５から明らかなように、ステンレス鋼中に含まれるフェライト量が５％未満となると、応力腐食割れが生じ、フェライト量の減少とともに、われ深さが増大していることが分かる。したがって、図５に示すグラフから、ステンレス鋼中のフェライトの含有量は５％以上であることが好ましいことが分かる。
【００３８】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】３種類の組成を有するステンレス鋼（Ａ，Ｂ，Ｃ）の組成を示す図である。
【図２】シェフラー線図を示すグラフである。
【図３】ステンレス鋼Ａ，Ｂ，Ｃに対して４００℃／３０００時間の熱時効を施した後、シャルピー試験結果を示すグラフである。
【図４】経年変化度（α）から特性値Ｐを導出過程を示すフローチャートである。
【図５】ステンレス鋼中に含まれるフェライト量と応力腐食割れ深さとの関係を示すグラフである。
【図１】
2008115437.tif 000003
【図２】
2008115437.tif 000004
【図３】
2008115437.tif 000005
【図４】
2008115437.tif 000006
【図５】
2008115437.tif 000007