JP3169326B2

JP3169326B2 - Ｂ入りオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法

Info

Publication number: JP3169326B2
Application number: JP27503395A
Authority: JP
Inventors: 竹弥峠; 最仁藤原; 裕志吉田; 誠及川
Original assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 2001-05-21
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: JPH0995755A

Description

【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
テンレス鋼の製造方法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 wt％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含有量の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】本発明の目的は、熱間
加工性に優れたＢ添加オーステナイト系ステンレス鋼を
有利に製造する技術を提案することにある。本発明の他
の目的は、耳割れや飛び込み傷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高い歩留りで製造する
ための技術を提案することにある。

【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、下記のの要旨構成にかかる本発明に想到した。

【０００６】即ち、本発明は、Ｂ：0.05〜5.0 wt％を含
有するオーステナイト系ステンレス溶鋼を、造塊時にお
ける溶鋼過熱度ΔＴを30〜130 ℃として鋳込み、かつデ
ンドライト二次アーム間隔の大きさが２０μｍ以下にな
る条件で冷却することにより、鋼中に粒径が10μｍ以下
の大きさのボライドを分散析出させ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の製造方法を提案
する。

【０００７】また、本発明は、Ｃ：0.1 wt％以下、Si：
0.10〜1.00wt％、 Mn：0.10〜2.00wt％、Ｂ：0.05〜5.
0 wt％、 Cr：11.0〜27.0wt％、Ni：7.0 〜25.0wt％お
よびＮ：0.3 wt％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入りステンレス溶鋼を、造塊時にお
ける溶鋼過熱度ΔＴを30〜130 ℃として鋳込み、かつデ
ンドライト二次アーム間隔の大きさが２０μｍ以下にな
る条件で冷却することにより、鋼中に粒径が10μｍ以下
の大きさのボライドを分散析出させ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の製造方法を提案
する。

【０００８】さらに、本発明は、Ｃ：0.1 wt％以下、S
i：0.10〜1.00wt％、 Mn：0.10〜2.00wt％、Ｂ：0.05
〜5.0 wt％、 Cr：11.0〜27.0wt％、Ni：7.0 〜25.0wt
％およびMo：0.1 〜3.0 wt％およびＮ：0.3 wt％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
ステンレス溶鋼を、造塊時における溶鋼過熱度ΔＴを30
〜130 ℃として鋳込み、かつデンドライト二次アーム間
隔の大きさが２０μｍ以下になる条件で冷却することに
より、鋼中に粒径が10μｍ以下の大きさのボライドを分
散析出させることを特徴とするＢ入りオーステナイト系
ステンレス鋼の製造方法を提案する。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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添加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、鋳込み時の前記溶鋼過熱度ΔＴ
を30〜130 ℃とすれば、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。

【００１２】

【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製造方法において、素材の成分組
成ならびに製造条件を限定した理由について説明する。

【００１３】(1) Ｃ：0.1 wt％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 wt％
以下とする。実用的には、0.08wt％以下とすることがよ
り好ましい。

【００１４】(2) Si：0.10〜1.00wt％ 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 wt％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 〜1.00wt％と限定する。好
ましくは0.30〜0.80wt％の範囲がよい。

【００１５】(3) Mn：0.10〜2.00wt％ 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、2.00wt％以下、
好ましくは0.30〜1.50wt％の範囲とする。

【００１６】(4) Ｂ：0.05〜5.0 wt％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0.05wt％以上の添加を必要とする。しかし
ながら、Ｂを5.0 wt％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 wt％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 wt％の範囲
内で添加することが望まれる。

【００１７】(5) Ｎ：0.3 wt％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 wt％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 0.3wt％以下に規定
する。好ましくは0.20wt％以下に制御する。

【００１８】(6) Cr：11.0〜27.0wt％ 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11wt％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
wt％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11.0〜27.0wt％と
限定した。より好ましくは優れた耐食性を示す18wt％以
上、脆化の生じない25wt％以下にするのがよい。

【００１９】(7) Ni：7.0 〜25.0wt％ 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
添加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 wt％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、25wt％を
超えて添加した場合、極めてコストが高くなるため上限
を25wt％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 〜12.0wt％とすることが望ましい。

【００２０】(8) Mo： 0.1〜3.0 wt％ 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 wt％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 wt％以上添加する
ことが好ましい。しかしながら、3.0 wt％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 wt
％、より好ましくは 1.0〜2.5 wt％の範囲がよい。

【００２１】本発明において、オーステナイト系ステン
レス鋼を製造するにあたっては、素材を上述した成分組
成にすることと共に、後述する鋳造条件（冷却条件）の
選択により、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を越えて大き
くなると、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。

【００２２】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。

【００２３】次に、本発明製造方法、とくに鋳造の条件
即ち、冷却環境について説明する。本発明においては、
鋳込み時の溶鋼過熱度ΔＴを30〜130 ℃の範囲とする。
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、この温度は、実用的な鋳込み装置においてはΔＴを
30℃以下に下げた場合ノズル閉塞などの問題があり、特
別な装置がない限り実用的でない。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
るからである。そこで、ΔＴの範囲を30〜130 ℃に限定
した。より好ましいΔＴの範囲は50〜120 ℃である。

【００２４】

【実施例】この実施例は、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、過熱度ΔＴを
変化させたときの、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×60
mm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。

【００２５】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。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明方法によれ
ば、熱間加工性に優れるボロン入りオーステナイト系ス
テンレス鋼を、耳割れや飛び込み疵を発生することな
く、高歩留りで製造することができる。また、本発明に
よれば、原子力用材料とくに中性子遮蔽用材料を安価に
製造することができる。

【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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 38/54 Ｃ２２Ｃ 38/54 (72)発明者及川誠神奈川県川崎市川崎区小島町４番２号日本冶金工業株式会社技術研究所内 (56)参考文献特開平６−328196（ＪＰ，Ａ) 特開平７−188744（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−222049（ＪＰ，Ａ) 特開平８−215831（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 33/04 B22D 7/00 C21D 6/00 102 C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｂ：0.05〜5.0 wt％を含有するオーステナ
イト系ステンレス溶鋼を、造塊時における溶鋼過熱度Δ
Ｔを30〜130 ℃として鋳込み、かつデンドライト二次ア
ーム間隔の大きさが２０μｍ以下になる条件で冷却する
ことにより、鋼中に粒径が10μｍ以下の大きさのボライ
ドを分散析出させ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の製造方法。
【請求項２】Ｃ：0.1 wt％以下、 Si：0.10〜1.00wt
％、 Mn：0.10〜2.00wt％、Ｂ：0.05〜5.0 wt％、 Cr：11.0〜27.0wt％、 Ni：7.0 〜25.0wt％およびＮ：
0.3 wt％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入りステンレス溶鋼を、造塊時における溶鋼
過熱度ΔＴを30〜130 ℃として鋳込み、かつデンドライ
ト二次アーム間隔の大きさが２０μｍ以下になる条件で
冷却することにより、鋼中に粒径が10μｍ以下の大きさ
のボライドを分散析出させ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の製造方法。
【請求項３】Ｃ：0.1 wt％以下、 Si：0.10〜1.00wt
％、 Mn：0.10〜2.00wt％、Ｂ：0.05〜5.0 wt％、 Cr：11.0〜27.0wt％、 Ni：7.0 〜25.0wt％およびMo：
0.1 〜3.0 wt％およびＮ：0.3 wt％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入りステンレス溶
鋼を、造塊時における溶鋼過熱度ΔＴを30〜130 ℃とし
て鋳込み、かつデンドライト二次アーム間隔の大きさが
２０μｍ以下になる条件で冷却することにより、鋼中に
粒径が10μｍ以下の大きさのボライドを分散析出させる
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
の製造方法。