(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１％以下、            Ｓｉ：０．１０〜１．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、  Ｂ：０．０５〜５．０％、
Ｃｒ：１１．０〜２７．０％、  Ｎｉ：７．０〜２５．０％および
Ｎ：０．３％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼であって、鋼中に平均粒径：１０μｍ以下の大きさのボライドが分散しており、かつ、鋳物素材の金型から５ｍｍ離れた位置で測定したデンドライト二次アーム間隔が１０μｍ以上１６μｍ以下の大きさの凝固組織を有することを特徴とするＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２】
Ｃ：０．１％以下、            Ｓｉ：０．１０〜１．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、  Ｂ：０．０５〜５．０％、
Ｃｒ：１１．０〜２７．０％、  Ｎｉ：７．０〜２５．０％および
Ｍｏ：０．１〜３．０％およびＮ：０．３％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼であって、鋼中に平均粒径：１０μｍ以下の大きさのボライドが分散しており、かつ、鋳物素材の金型から５ｍｍ離れた位置で測定したデンドライト二次アーム間隔が１０μｍ以上１６μｍ以下の大きさの凝固組織を有することを特徴とするＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性子を放射する原子力廃棄物の貯蔵、輸送あるいは中性子遮蔽材として好適に用いられるＢ（ボロン）入りオーステナイト系ステンレス鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
中性子を遮蔽しかつ耐食性を有する材料としては、Ｂを含有するオーステナイト系ステンレス鋼が知られている。しかし、Ｂを0.5 ％以上含有するオーステナイト系ステンレス鋼は、熱間での加工性が悪く、しかもこのＢ含有量が高い材料ほど熱間加工性が悪いために圧延中に耳割れが発生しやすく、歩留りの低下のみならず、耳割れに起因する飛び込み疵が発生するなど多くの問題が指摘されていた。
【０００３】
また、Ｂ添加ステンレス鋼は、一般に、鋳造時の溶鋼過熱度ΔＴを大きくして鋳造していた。というのは、このΔＴをあまり小さくすると湯流れ性が悪くなり、ノズル閉塞などのトラブルが発生するため、鋳込み時の過熱度ΔＴは 150℃位に高くして鋳造していたのである。しかしながら、このような鋳込み条件では、溶湯温度が高すぎるため、鋳型なめ（鋳型と溶湯が反応し固着してしまう現象)が生じる他、凝固時のボライドの一つ一つの形態が大きくなり、熱間加工性、室温での機械的性質、いずれの点においても、良好な材料が得られないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主目的は、Ｂ添加オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を改善することにある。
また、本発明の他の目的は、耳割れや飛び込み疵のない表面性状の優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提案するところにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上掲の目的を実現するために鋭意研究した結果、発明者らは、上記の欠点ならびに問題を克服するには、鋳造方法の制御を通じて凝固組織とボライドの粒径を制御することが有効になるとの知見を得、下記要旨構成にかかる本発明に想到した。
即ち、本発明は、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｂ：０．０５〜５．０％、Ｃr：１１．０〜２７．０％、Ｎｉ：７．０〜２５．０％およびＮ：０．３％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼であって、鋼中に平均粒径：１０μｍ以下の大きさのボライドが分散しており、かつ、鋳物素材の金型から５ｍｍ離れた位置で測定したデンドライト二次アーム間隔が１０μｍ以上１６μｍ以下の大きさの凝固組織を有することを特徴とするＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼である。
【０００６】
本発明はまた、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｂ：０．０５〜５．０％、Ｃr：１１．０〜２７．０％、Ｎｉ：７．０〜２５．０％およびＭｏ：０．１〜３．０％およびＮ：０．３％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼であって、鋼中に平均粒径：１０μｍ以下の大きさのボライドが分散しており、かつ、鋳物素材の金型から５ｍｍ離れた位置で測定したデンドライト二次アーム間隔が１０μｍ以上１６μｍ以下の大きさの凝固組織を有することを特徴とするＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼である。
【０００７】
以下、上記要旨構成にかかる本発明に想到する契機となった知見について説明する。
発明者らは、まずＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼における破壊挙動について調査した。その結果、ＢとFeやCrとの化合物であるボライドが亀裂の起点となって破壊が進行することを突きとめた。すなわち、Ｂ入りオーステナイト系ステンレス鋼については、熱間加工性や室温における安定した機械的強度を確保するには、ＢとFeやCrとの化合物であるボライドをできる限り小さくし、均一に分散させることが有効であることがわかったのである。
【０００８】
そこで発明者らは、そのボライドの粒径が熱間加工性に与える影響, とくに凝固組織についての影響を知るために、Ｂ入りオーステナイト系ステンレス鋼のミクロ組織を観察した。その結果、鋳込み時の溶鋼過熱度ΔＴを変化させた凝固組織については、冷却速度を表すデンドライド二次アーム間隔は、それほど大きく変化していないにも拘わらず、ボライドの形態はそのΔＴによって大きく変化することがわかった。すなわち、デンドライド二次アーム間隔に代表される凝固組織全体について見ると大きな変化はないものの、ボライドの塊を１つの粒として見たときの粒の大きさは、ΔＴによって大きく変化し、ΔＴを小さくすればするほど粒の大きさが小さくなっていることがわかったのである。
なお、冷却速度（Ｒ）とデンドライト二次アーム間隔（ＳＩＩ［μｍ］）との関係は、鉄鋼便覧（昭和５４年１０月１５日  丸善株式会社発行）の第６２３頁に記載されているように、ＳＩＩ＝aＲｂただしａ、ｂは定数）のように表わすことができ、上述したように、この両者は密接な関係を有することが知られている。
【０００９】
かかる知見をもとに、発明者らはさらに、種々の条件にて鋳造したＢ入りステンレス鋼について、その凝固組織と熱間加工性との関係を超高温引張試験にて調査した。その結果、鋳込み時に、前記溶鋼過熱度ΔＴを30〜130 ℃に制御すれば、少なくとも下記の成分組成の鋼については良好な熱間加工性が得られることを突きとめた。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明にかかるＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼の成分組成限定の理由について説明する。
【００１１】
(1) Ｃ：0.1 ％以下
Ｃは、ステンレス鋼中でCr炭化物を形成し、耐食性, 耐酸化性に寄与するCrを減少させてしまうので、0.1 ％以下とする。実用的には、0.08％以下とすることがより好ましい。
【００１２】
(2) Si：0.10〜1.00％
Siは、脱酸元素であり、精錬上必要な元素である。また、ステンレス鋼の耐食性, 耐酸化性を向上させる元素であるが、1.0 ％を超えると熱間加工性を悪くする。これらのことからSiは、0.1 〜1.00％と限定する。好ましくは0.30〜0.80％の範囲がよい。
【００１３】
(3) Mn：0.10〜2.00％
Mnは、Siと同様に脱酸元素として有効であり、またNiの代替成分として利用される元素であるが、多量に添加すると誘導放射能の残留が多くなるので、2.00％以下、好ましくは0.30〜1.50％の範囲とする。
【００１４】
(4) Ｂ：0.05〜5.0 ％
Ｂは、この発明において最も重要な役割を担う成分であり、とくに中性子吸収能を確保するためには必要不可欠な元素である。従って、中性子吸収能を発現させるために少なくとも0.05％以上の添加を必要とする。しかしながら、Ｂを5.0％よりも多く添加した場合には、材料強度の上昇, 耐摩耗性の上昇, 加工性の劣化など実用上多くの問題が発生するため、5.0 ％を上限とする。より好ましくは加工性の面からは0.05〜2.0 ％の範囲内で添加することが望まれる。
【００１５】
(5) Ｎ：0.3 ％以下
Ｎは、ステンレス鋼の強度と耐食性を向上させる元素であるが、0.3 ％を超えて添加した場合、強度の上昇による加工性の劣化が問題となるので 0.3％以下に規定する。好ましくは0.20％以下に制御する。
【００１６】
(6) Cr：11.0〜27.0％
Crは、ステンレス鋼における基本成分であり、耐食性の付与に不可欠な元素である。顕著な耐食性の向上のためには少なくとも11％を超えるCrの添加が必要であり、Cr量が高いほど耐食性に優れる。しかしながら、Crを27％を超えて添加した場合、材料の脆化が著しく、実用上好ましくない。従って、Crの範囲を11.0〜27.0％と限定した。より好ましくは優れた耐食性を示す18％以上、脆化の生じない25％以下にするのがよい。
【００１７】
(7) Ni：7.0 〜25.0％
Niは、Crとともにステンレス鋼の基本成分であり、オーステナイト相を安定にするために必須の元素である。Ｂ入りステンレス鋼においてはNiがボロン化合物中にほとんど固溶せず消費されないため、7 ％の添加で充分にオーステナイトを安定化する。しかしながら、25％を超えて添加した場合、コストが高くなるため上限を25％とした。より好ましくはオーステナイトが安定となる7.0 〜12.0％とすることが望ましい。
【００１８】
(8) Mo： 0.1〜3.0 ％
Moは、Crに比較して約３倍の耐食性付与作用を有し、耐食性の向上にきわめて有効な元素であって、0.1 ％以上の添加によってその効果を発現する。はっきりとした耐食性向上の効果を得るためには1.0 ％以上添加することが好ましい。しかしながら、3.0 ％を超えて添加した場合には、コストが高くなる上、脆化が著しくなり実用上好ましくない。従って、添加範囲を0.1 〜3.0 ％、より好ましくは 1.0〜2.5 ％の範囲がよい。
【００１９】
本発明にかかるオーステナイト系ステンレス鋼は、上述した成分組成にすることと共に、鋼中に微細なボライド, 即ち、平均粒径が10μｍ以下のボライドを均一分散させることが必要である。それは、ボライドの平均粒径が10μｍを越える大きさとなると、ボライドまたはボライド／母相界面を起点とした破壊が発生しやすくなり、熱間での加工性が大きく劣化するためである。
【００２０】
また、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、鋳造後の凝固組織におけるデンドライト二次アームの大きさは、20μｍ未満の大きさとなるように制御されなければならない。というのは、20μｍ以上の大きさとなると、ボライドの平均粒径を10μｍ以下に保つことが難しくなり、結果として、粗大ボライドによる熱間加工性の劣化を生じるからである。
【００２１】
なお、本発明にかかる上記ステンレス鋼を製造する具体的な方法、とくに鋳造の条件について説明する。
本発明にかかるステンレス鋼を製造するには、鋳込み時に溶鋼過熱度ΔＴを30〜130 ℃に制御することが有効である。
その理由は、上記の説明からわかるように、鋳込み時のΔＴを低くすればするほど、熱間加工性のよいＢ入りオーステナイト系ステンレス鋼が得られるからである。即ち、実用的な鋳込み装置においては、ΔＴを30℃以下に下げるとノズル閉塞などの問題が生じ、実用的でないからである。一方、ΔＴが130 ℃より高くても鋳込みを行うことができるが、凝固時のボライド形態による熱間加工性向上の効果が見られなくなる。
【００２２】
【実施例】
本発明にかかるステンレス鋼の特性を験証するために、表１に示す種々の成分組成のオーステナイト系ステンレス鋼について、デンドライト二次アーム間隔、ボライド粒径および中性子遮蔽用材料特性である超高温引張絞りについて試験した。その試験結果を表１に示す。
なお、デンドライト二次アーム間隔は鋳物素材の金型から５mm離れた部分での測定値である。
また、ボライド結晶の平均粒径は、Ｘ線マイクロアナライザー（×2500倍) にて撮影した写真に格子を描いてボライド粒径の大きさとした。
さらに、超高温引張絞りは、1000℃にて５mmφ×60mmの丸棒を破断まで引張試験した場合の断面減少率で示した。
【００２３】
表１に示すNo. １（本発明鋼）とNo. 11（比較鋼）について、それらの金属組織のＳＥＭ写真を図１，図２に比較して示すが、明らかに本発明鋼のボライドの方が小さく均一に分散していることがわかる。また、表１に示すとおり、同じ成分組成のものでは、ΔＴを制御してデンドライト二次アームおよびボライド粒径を制御した本発明鋼の方が、高い超高温引張絞り値を示しており、中性子遮蔽用材料としての適性が高いという結果が得られた。
【００２４】
【表１】
0003794220.tif 000002
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかるボロン入りオーステナイト系ステンレス鋼は、熱間加工性に優れるから、耳割れや飛び込み疵を発生することなく、高歩留りで、原子力用材料とくに中性子遮蔽用材料を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明鋼のボライドの形態を示す金属組織の顕微鏡写真である。
【図２】比較鋼のボライドの形態を示す金属組織の顕微鏡写真である。
【図１】
0003794220.tif 000003
【図２】
0003794220.tif 000004