(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂを０．３〜２．５重量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼片を熱間加工するに際し、その鋼片の側面に、Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶのうちの１種以上を合計で０．０１〜２重量％含有するステンレス鋼の肉盛り溶接被覆層を設けて熱間加工することを特徴とするＢ含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核燃料輸送用容器、使用済核燃料貯蔵ラック等原子力関連機器の中性子遮蔽材等に用いられるＢ含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｂの優れた熱中性子吸収作用を利用して、Ｂを添加したオーステナイトステンレス鋼が、熱中性子の制御材及び遮蔽材として、核燃料輸送容器、使用済核燃料保管ラック等に用いられている。近年、多くの場合、原子力発電所で使用された使用済核燃料は、再処理工場にて処理されるまで発電所内のプール内に保管される。限られた敷地内でできるだけ多くの使用済核燃料を保管するため、性能を向上させる観点からオーステナイト系ステンレス鋼中のＢ量を増加させ、かつ板厚を薄くする傾向にある。
【０００３】
Ｂのマトリックス中への固溶量は非常に小さく、添加したＢのほとんどがＦｅ、Ｃｒを含むボライドとして析出する。このボライドの存在により、熱間加工性および耐食性が劣化するが、Ｂ量の増加と共にその傾向は顕著になる。
【０００４】
Ｂ含有オーステナイトステンレス鋼の鍛造、圧延等の熱間加工は、加熱炉によるスラブの加熱と加工を繰返すことにより被加工材の温度低下を防止して熱間延性を確保しながらおこなわれている。Ｂ含有量が多いほど熱間延性に劣るので、加熱−加工の繰返し回数が増加する。また、加工時に温度の下がりやすいスラブの側面においては耳割れが発生し易い。Ｂ含有量が多いほど、また板厚が薄いほど耳割れが発生しやすい傾向にあり、耳割れ量が多くなるので歩留が悪化する。このように、含有Ｂ量の増加および薄肉化は製造コスト高を招くことになる。
【０００５】
これまでに上記問題を解決するため種々検討されてきた。
【０００６】
特開昭６１−２０１７２６号公報には、Ｂ含有ステンレス鋼塊をそのままか、あるいは長方形状に整形後、鋼塊の少なくとも４主面を鉄筒にて密着包囲し、分塊圧延または鍛造により圧着させてから熱間圧延する方法が開示されている。
【０００７】
特開昭６３−２２０９０４号公報には、母材のＢ含有オーステナイトステンレス鋼材を、それよりも変形抵抗の小さな鋼材によりパックした後、１１００℃以上１１７５℃以下に加熱した後、Ｔ（℃）＝５３×Ｂ（ｗｔ％）＋８７０以上の温度で仕上圧延する方法が開示されている。
【０００８】
これらの方法により耳割れを防止することができるが、必要な板厚精度を確保することが困難になると共に、パック材の包み込み作業及び圧延後の解体作業が必要となり、製造コスト高となる問題がある。
【０００９】
特開平１−１９５２４３号公報や特開平５−２６３１３３号公報には、耳割れ防止を目的として、１ヒートあたりの圧下率、下限温度等を規制して、加熱−圧延を繰返すことにより所定の厚さのＢ含有オーステナイトステンレス鋼板を製造する方法が開示されている。
【００１０】
しかし、これらの方法もやはり、ヒート回数の増加による製造コストアップが問題になると共に、機構上再加熱が不可能な高生産性タンデム圧延機への適用が困難である。
【００１１】
以上のような被圧延材をパックする方法の他に、スラブ側面に加工性のよい金属材料を肉盛り溶接して圧延する方法がある。この方法によれば、圧延後トリマ等により肉盛り溶接部を比較的容易に除去できる利点がある。しかし、肉盛り溶接時に溶接割れが発生することもあり、耳割れを完全に防止するには至っていない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高Ｂ含有ステンレス鋼を熱間加工中に再加熱することなく、所定の板厚まで耳割れを発生させることなく加工することができ、製造コスト高とならない熱間加工方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、「Ｂを０．３〜２．５重量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼片を熱間加工するに際し、その鋼片の側面に、Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶのうちの１種以上を合計で０．０１〜２重量％含有するステンレス鋼の肉盛り溶接被覆層を設けて熱間加工するＢ含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工方法」にある。
【００１４】
ここで、鋼片とは連続鋳造スラブ、分塊鍛造スラブ、分塊圧延スラブおよび鋳造したインゴット（鋼塊）をいう。
本発明者らは、スラブをパックする方法に比べて経済的な、被圧延材の側面に肉盛り溶接被覆層を設ける方法を採用することとし、肉盛り溶接被覆に好適な金属材料を開発するため下記のような試験を実施した。
【００１５】
溶接割れの発生がなく、耳割れ防止に有効な溶接被覆材料を選定するにあたり、まず既存材料を中心に広い範囲で検討した。
【００１６】
被圧延材として、幅１４０ｍｍ、厚さ７０ｍｍ、長さ２００ｍｍのＢを１重量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼の分塊鍛造スラブを用いた。また、溶接被覆材料として、フェライト系ステンレス鋼のＳＵＳ４３６Ｌ、オーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌおよび高純度Ｆｅを用いて、上記スラブの片側の側面全面にＴＩＧ２層溶接にて５ｍｍ厚の肉盛り溶接被覆層を設けた。その反対側の側面は無垢とした。
【００１７】
ＴＩＧ溶接条件は、電流：１６０Ａ、電圧：１７Ｖ、溶接速度：１０ｃｍ／分とした。
【００１８】
肉盛り溶接後にダイチェックにより溶接割れの有無を調べたところ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ、高純度Ｆｅには割れが認められたが、ＳＵＳ４３６Ｌには割れは認められなかった。
【００１９】
このようにして肉盛り溶接したスラブを、ワークロール直径が４５０ｍｍのリバース式熱間圧延機を用いて圧延をおこなった。
【００２０】
スラブの加熱温度は、溶融脆性を避けるために１１８０℃とし、下記の１０パスのパススケジュールにより圧延した。なお、圧延は各パス毎に圧延を中止し、中途圧延材９枚と最終パス圧延材１枚を得た。
【００２１】
７０→５７→４５→３５→２８→２１→１６→１２→９→７→５（ｍｍ）
圧延後、圧延材側面の耳割れの発生状況を観察した。被圧延材の表面積が増加するとともに温度降下も大きくなる５パス以降で、無垢側の側面に耳割れが発生し、パス回数を重ねる毎に応力集中により拡大し、最終的に１０〜１５ｍｍの長さに進展していた。
【００２２】
一方、肉盛溶接被覆を施した側面においては、被覆材料がＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌは溶接割れが発生し、高純度Ｆｅの場合、５ｍｍ程度の耳割れが生じたが、ＳＵＳ４３６Ｌには耳割れが認められなかった。このようにして、ＳＵＳ４３６Ｌが溶接割れ、耳割れ防止に有効な溶接被覆材料であることが判明した。このうち、ＳＵＳ４３６Ｌについて詳細に調査したところ、肉盛溶接部組織が微細であり、とくにＢ含有ステンレス鋼母材に近い側でその傾向が顕著であった。これは、ＳＵＳ４３６Ｌ溶接被覆材料中に含まれるＴｉにその原因があると推測した。
【００２３】
そこで、さらにＴｉ以外にＶ、Ｎｂ、Ｚｒを含有させ、それらの含有量を変化させたオーステナイトステンレス鋼およびフェライトステンレス鋼を溶接材料に用い、Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼のスラブ側面に肉盛り溶接した。溶接割れ状況を観察した後、熱間圧延して耳割れの発生状況を調べた。この場合、肉盛溶接被覆はＴＩＧ１層溶接とし、３ｍｍ厚の肉盛層とした。それ以外の溶接被覆条件、被圧延材のＢ含有オーステナイト系ステンレス鋼、熱延条件は上記と同一とした。
【００２４】
このような試験の結果に基づき、Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶのうちの１種以上の含有量が合計で０．０１〜２％のステンレス鋼を溶接被覆材料として用いた場合に、溶接割れ、耳割れが発生しないとの知見を得た。
【００２５】
【発明の実施の形態】
被熱間加工材として、０．３〜２．５重量％のＢ含有オーステナイト系ステンレス鋼片と限定したのは、Ｂ含有量が、０．３重量％未満では熱中性子吸収能が十分でなく、一方２．５重量％を超えると通常の溶解−鋳造法により製造する場合には、常温での延性、靱性の劣化が顕著となるからである。
【００２６】
肉盛り溶接被覆層を、Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶのうちの１種以上を合計で０．０１〜２重量％含有するステンレス鋼としたのは、０．０１重量％未満では溶接割れおよび耳割れの発生を防止する効果が十分でなく、一方２％を超えると、溶接割れ、耳割れ防止効果が飽和するとともに、溶接性、靱性に悪影響を与えるため上限を２％とした。望ましくは溶接割れ、耳割れ防止効果が顕著にあらわれる０．０５〜１％である。
【００２７】
肉盛り溶接被覆層にＴｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶを適正量含有させることにより溶接割れ、耳割れが防止される理由については充分解明されていないが、以下のように考えている。すなわち、肉盛り溶接部にはＢ含有ステンレス鋼中のＢが拡散するが、偏析あるいは低融点の共晶を形成して溶接割れの原因となる。Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶを適正量含有量させることにより高温で安定な硼化物あるいはＢを含む炭化物、窒化物を形成し、溶接割れを防止していると考えられる。溶接被覆材料がフェライト系ステンレス鋼の場合には、靱性に乏しく溶接割れ感受性が高い。しかしながら、前記ほう化物あるいはＢを含む炭化物、窒化物が核となり、結晶粒が微細化することにより靱性が確保されて溶接割れを防止していると考えている。
【００２８】
また、Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼母材から肉盛り溶接部の表面側に向かうにしたがってオーステナイト相の割合が減少し、フェライト相の割合が増加して表面側ではフェライト単相となる。オーステナイト系ステンレスに比べてフェライト系ステンレス鋼の熱膨張係数が小さいことから、溶接時および熱間加工時の熱応力を緩和し、溶接割れおよび耳割れのはっせいが共に防止されると考えられる。したがって、フェライト系ステンレス鋼を溶接被覆材料としてはより好適である。
【００２９】
肉盛り溶接被覆層をステンレス鋼に限定した理由は、被覆するＢ含有オーステナイトステンレス鋼と同等程度の耐酸化性を付与するためである。これにより、熱間加工における酸化スケールロスを少なくすることができるので、溶接被覆厚さを厚くする必要がなくなる。
【００３０】
肉盛り溶接被覆層のステンレスス鋼の化学組成は、特に限定しないがＣｒを１２％以上含むＣｒ系ステンレス鋼、Ｃｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼であればよい。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３０８Ｌ、ＳＵＳ３０９ＬおよびＳＵＳ３４７等で、フェライト系ステンレス鋼のＳＵＳ４３６Ｌ、ＳＵＳ４３０およびＳＵＳ４１０等である。Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶのうちの１種以上を含有していない鋼種の場合は、それらの元素のうち１種以上含有させる。
【００３１】
ステンレス鋼片とは、前述したように連続鋳造スラブ、分塊鍛造スラブ、分塊圧延スラブおよびインゴット（鋼塊）である。これらの鋼片は一般に直方体であり、その長手方向に延びるように熱間圧延や鍛造等の熱間加工が施される。鋼片の側面とは、加工面（圧延の場合ロールと接触する面）以外の面であり、通常は長手方向の２側面の全面に肉盛り溶接被覆層を設ければよい。
肉盛り溶接被覆層を設ける方法としては、ＴＩＧ溶接、被覆アーク溶接およびバンドアーク溶接等が適用できる。
【００３２】
肉盛り溶接被覆層の厚さは、２ｍｍ以上であれば耳割れは防止できるが、溶接施工性の観点から３ｍｍ以上あることが望ましい。厚みを増加にさせても溶接割れ、耳割れ防止効果は得られるが、過度に厚く被覆することは製造コストが増大することから好ましくない。また、熱間加工後トリマ等で比較的容易に溶接被覆部を除去することができるが、被覆厚みが厚いと、加工後鋼板表面への溶接被覆材の回り込み量が増加し、その分除去量が増加して歩留が低下するので、被覆厚みは１０ｍｍ以下とするのが望ましい。
【００３３】
次に、熱間加工は、分塊鍛造、厚板圧延、熱延鋼帯の圧延等をいう。鋼片の加熱温度は溶融脆性を生じない範囲での高い温度に設定する。Ｂ含有オーステナイトステンレス鋼の場合、１１００〜１２００℃とするのが好適である。熱間鍛造あるいは熱間圧延における仕上温度は高い方が耳割れ防止にとって好ましい。しかし溶接被覆材の熱間変形能が許す限り、６００〜９００℃の低温仕上げとすることも可能である。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例により本発明の効果について説明する。
【００３５】
表１に示す化学組成を有するステンレス鋼を溶製し、連続鋳造スラブ、分塊圧延スラブ、分塊鍛造スラブおよび鋼塊（インゴット）にした。
【００３６】
【表１】
0003815114.tif 000002
【００３７】
また、肉盛り溶接被覆材としては表２に示す化学組成の各ステンレス鋼を用いた。
【００３８】
【表２】
0003815114.tif 000003
【００３９】
上記各鋼片の寸法は表３に示す通りで、長さは全て２０００ｍｍとした。各鋼片の長手方向の両側面に、表２に示した化学組成の溶接材料をＴＩＧ溶接またはバンドアーク溶接により肉盛溶接した。肉盛厚さはいずれも３ｍｍとした。
【００４０】
肉盛り溶接後ダイチェックにより溶接割れの有無を目視観察により調べた。
【００４１】
次に、表３に示す熱間加工条件での熱間圧延または鍛造により再加熱することなく表３に示す仕上げ板厚まで加工して鋼板とした。No.４のみ厚板圧延で、それ以外は熱延鋼帯の圧延である。なお、熱間圧延または鍛造における加熱温度は１１５０℃とした。
熱間加工した各鋼板について耳割れの有無を目視観察した。
【００４２】
これらの結果を表３に示す。
【００４３】
【表３】
0003815114.tif 000004
【００４４】
表３から明らかなように、本発明例のＴｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶの１種以上を０．０１〜２％含有するステンレス鋼を、鋼片の側面に肉盛り溶接被覆して熱間加工した場合、溶接割れ、耳割れの発生が無く良好な鋼板が得られた。
【００４５】
一方比較例の溶接被覆しなかった記号７、および肉盛り溶接被覆層の化学組成が本発明で規定する範囲をはずれている記号８、９は、溶接割れ、耳割れが発生して良好な鋼板が得られなかった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の熱間加工方法によれば、難加工材の高Ｂ含有オーステナイトステンレス鋼片を、再加熱しないで熱間加工時に耳割れを発生させることなく工業的に安定して歩留まりよく加工することができ、近年高まっている核燃料輸送用容器、使用済核燃料貯蔵ラック等原子力関連機器の中性子遮蔽材のニーズに対し、良好な品質の鋼板を比較的安価に供給できる。