(57)【要約】【課題】従来に比べて延性を向上させ、設計の自由度を広げることのできるフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法を提供する。【解決手段】Ｃｒを１５質量％以上含み、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したフェライト系ステンレス鋼の製造方法であって、冷間加工工程１０１と、熱処理工程１０２と、冷却工程１０３とをこの順で行う第１の結晶微細化工程と、冷間加工工程１０４と、熱処理工程１０５と、冷却工程１０６とをこの順で行う第２の結晶微細化工程とによって、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒを１５質量％以上含むフェライト系ステンレス鋼であって、
平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】
冷間加工工程と、熱処理工程と、冷却工程とをこの順で行う結晶微細化工程によって、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したことを特徴とする請求項１記載のフェライト系ステンレス鋼。
【請求項３】
前記結晶微細化工程を少なくとも２回繰り返すことによって、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したことを特徴とする請求項２記載のフェライト系ステンレス鋼。
【請求項４】
温間加工工程と、熱処理工程と、冷却工程とをこの順で行う第１の結晶微細化工程と、冷間加工工程と、熱処理工程と、冷却工程とをこの順で行う第２の結晶微細化工程とによって、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したことを特徴とする請求項１記載のフェライト系ステンレス鋼。
【請求項５】
前記温間圧延工程の加工率を２０％以上、温度を４００℃以下としたことを特徴とする請求項４記載のフェライト系ステンレス鋼。
【請求項６】
前記冷間加工工程の加工率を２０%以上、前記熱処理工程の熱処理温度を５５０℃以上１０００℃以下としたことを特徴とする請求項２〜５いずれか１項記載のフェライト系ステンレス鋼。
【請求項７】
前記熱処理工程における温度上昇速度を７℃／秒以上としたことを特徴とする請求項２〜６いずれか１項記載のフェライト系ステンレス鋼。
【請求項８】
Ｃｒを１５質量％以上含み、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したフェライト系ステンレス鋼の製造方法であって、
冷間加工工程と、熱処理工程と、冷却工程とをこの順で行う結晶微細化工程を少なくとも２回繰り返すことによって、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項９】
Ｃｒを１５質量％以上含み、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したフェライト系ステンレス鋼の製造方法であって、
温間加工工程と、熱処理工程と、冷却工程とをこの順で行う第１の結晶微細化工程と、冷間加工工程と、熱処理工程と、冷却工程とをこの順で行う第２の結晶微細化工程とによって、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｃｒ含有量が１５質量％以上のフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法に係り、特に原子炉構成部材用として好適なフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｃｒ含有量が１５質量％以上のフェライト系ステンレス鋼はフェライト系の中でも比較的耐食性がよく、Ｎｂなどの微量元素添加を行うことによって粒界腐食割れにも強い材料であることが分かっている。しかし、このようなフェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼等と比べると延性が低い。このため、例えば、原子力プラントに使用されている燃料被覆管や再生熱交換器のチューブにはジルコニウム合金やオーステナイト系ステンレス鋼が使用されており、フェライト系ステンレス鋼の用途は限定されている。
【０００３】
現在、運転性、経済性および安全性を満たした原子炉が望まれており、材料としては、長寿命化、コストダウンの観点から新しい最適な材料の提案が要望されている。例えば燃料被覆管であれば現在の２〜３サイクルの取替えから７サイクル以上を、再生熱交換器のチューブではコストダウンやＣｏ溶出量の低減が望まれている。これらを満たすためには延性を改善したフェライト系ステンレス鋼を使用することが望ましい。フェライト系ステンレス鋼は耐照射性が良く、耐食性も良い。また、Ｎｉを含んだ材料ではないため、材料としても安価に製作することができる。
【０００４】
ところが、前述したとおりＣｒ含有量が１５質量％以上のフェライト系ステンレス鋼は延性が低いために設計の自由度が低く、例えば、細口または薄肉配管等の製造が難しい。延性を改良できれば細口、薄肉配管の製作が可能となり、適用範囲を広げることができる。このようなフェライト系ステンレス鋼の靭性を高める方法としては、第１の熱間圧延を１０００℃超の温度で行い、この後第２の熱間圧延を９００〜８００℃の温度で行うことによって結晶粒を微細化する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、このような方法で得られたフェライト系ステンレス鋼においても、十分な延性を有しているとは言えず、さらに延性を高めることが望まれている。
【特許文献１】特開平１１−２５６２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のとおり、従来のフェライト系ステンレス鋼では、延性が低いため、設計の自由度が低く、例えば、原子炉の構成部材等に使用する場合、その用途が限定されており、さらに延性の高いフェライト系ステンレス鋼の開発が望まれていた。
【０００６】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べて延性を向上させ、設計の自由度を広げることのできるフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、Ｃｒを１５質量％以上含むフェライト系ステンレス鋼であって、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したことを特徴とする。
【０００８】
本発明方法の一態様は、Ｃｒを１５質量％以上含み、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したフェライト系ステンレス鋼の製造方法であって、冷間加工工程と、熱処理工程と、冷却工程とをこの順で行う結晶微細化工程を少なくとも２回繰り返すことによって、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したことを特徴とする。
【０００９】
本発明方法の他の一態様は、Ｃｒを１５質量％以上含み、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したフェライト系ステンレス鋼の製造方法であって、温間加工工程と、熱処理工程と、冷却工程とをこの順で行う第１の結晶微細化工程と、冷間加工工程と、熱処理工程と、冷却工程とをこの順で行う第２の結晶微細化工程とによって、平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来に比べて延性を向上させ、設計の自由度を広げることのできるフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法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】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の結晶粒径微細化の工程例を示すものである。
【００１２】
フェライト系ステンレス鋼の結晶粒径を微細化するためには、冷間加工および熱処理（再結晶化熱処理）を行うことが必要となる。実際の製造例としては、１回目の結晶微細化工程と、２回目の結晶微細化およびＣｒ濃度濃縮工程の２工程で行う。
【００１３】
図１に示すように、まず、Ｃｒ含有量１５質量％以上のフェライト系ステンレス鋼である材料１０を冷間圧延機１２にかけ、冷間加工２０％以上となるように圧延させる冷間加工工程を行う（１０１）。
【００１４】
次に、冷間加工した材料１０を電気炉１３において温度６５０℃〜１０００℃のいずれかの温度まで加熱し保持する加熱工程を行う（１０２）。この後、電気炉１３を開けて空冷もしくは材料１０を取り出し水冷を行い冷却する冷却工程を行う（１０３）。ここまでが１回目の結晶微細化工程となる。
【００１５】
次に、冷却した材料１０を再度、冷間圧延機１２にかけ、１回目の冷間加工率と同等もしくはそれ以上の冷間加工を行う（１０４）。
【００１６】
次に、材料1０を電気炉１３に設置し、温度６５０℃〜１０００℃のいずれかの温度まで加熱し保持する加熱工程を行う（１０５）。この後、加熱した材料1０の冷却を行う冷却工程を行う（１０６）。これらが第２回目の結晶微細化処理工程となる。この時の加熱速度は７℃/sec以上とする。電気炉は溶融塩処理でも良い。
【００１７】
以上の結晶微細化工程によって、材料１０の粒度は微細化され、延性が改善された材料１０を製造することができる。
【００１８】
図２は、フェライト系ステンレス鋼の組織を拡大して写した顕微鏡写真を示すものである。図２において、（ａ）は、比較例としてのＣｒ含有量１６質量％の従来のフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）の組織写真であり、（ｂ）は、図１に示した工程（冷間加工率７０％、熱処理温度１０００℃以下。）によって結晶粒を微細化した実施例に係るＣｒ含有量１６質量％のフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）の組織写真である。これらの写真に示されるように、従来のフェライト系ステンレス鋼は、平均結晶粒径が７０μｍ以上あったが、結晶粒を微細化した実施例に係るフェライト系ステンレス鋼は、平均結晶粒径が７μｍとなっていた。
【００１９】
以下の表1に、上記の実施例（平均結晶粒径が７μｍ）のフェライト系ステンレス鋼と、比較例（平均結晶粒径が７０μｍ以上）のフェライト系ステンレス鋼の機械特性を測定した結果を示す。この表１に示されるように、実施例では、結晶粒径が微細化され、平均結晶粒径が１０μｍ以下（７μｍ）となっているので、比較例（平均結晶粒径が７０μｍ以上）に比べて延性が約１．５倍程度上昇しているのが分かる。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
上記の工程において、再結晶化の核となる歪を多くすると、より微細化しやすくなるため、冷間加工率は高いほど良い。また、冷間加工率が２０％以下では効果が低いことが知られている。このため、冷間加工率は２０％以上とすることが好ましい。
【００２２】
図３は、縦軸を硬さ（ＨＶ１ｋｇｆ）、横軸を熱処理温度（℃）として、冷間加工７０％実施後、熱処理により再結晶化した試験片の硬さと再結晶化熱処理温度の関係を調べた結果を示すものである。この図３に示されるように、再結晶化熱処理温度が１０００℃までは、硬さがあまり上昇せず、結晶粒径も１０μｍ程度を維持することが分かった。また、熱処理によるフェライト系ステンレス鋼の再結晶化は、温度が５５０℃〜６５０℃以上から始まることが知られている。このため、再結晶化のための熱処理温度は５５０℃から１０００℃が望ましい。
【００２３】
また図１に示した第1回目の冷間加工工程１０１を温間加工工程に変えてもフェライト系ステンレス鋼を微細化できる。また、フェライト系ステンレス鋼は靭性が低いため、初めに冷間加工工程を行うと割れてしまう可能性がある。このため、図４に示すように、第1回目の冷間加工工程１０１を、温間圧延によって行うとより確実に加工を実施できる。すなわち、材料１０をヒーター１４を用いて所定温度、例えば４００℃以下に加熱し、その後圧延機１５によって加工率２０％以上加工する。なお、この時の温度は、フェライト系ステンレス鋼の４７５℃脆性を考慮して、４００℃以下とした。上記の温間加工工程１０１の後の工程は、前述した図１に示す実施形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
【００２４】
なお、フェライト系ステンレス鋼の平均結晶粒径を０．１μｍ未満とすることは、困難であるため、平均結晶粒径は０．１μｍ程度が下限となる。
【００２５】
また、再結晶化熱処理時に、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒ等を微量添加することでピン止め効果を狙うことができ、粒径成長を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の結晶粒径微細化の工程例を示す説明図。
【図２】フェライト系ステンレス鋼材料の顕微鏡写真であり、（ａ）は従来のフェライト系ステンレス鋼、（ｂ）は本発明の実施例のフェライト系ステンレス鋼を示す。
【図３】冷間加工７０％実施後熱処理した試験片の硬さと温度の関係を調べた結果を示す特性図。
【図４】本発明の他の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の結晶粒径微細化の工程例を示す説明図。
【符号の説明】
【００２７】
１０……材料、１２……冷間圧延機、１３……電気炉、１４……ヒーター、１５……圧延機。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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