JP3685864B2 - 高ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間圧延用素材及び熱間圧延方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、原子力発電用の核燃料容器，使用済み燃料貯蔵ラック等の熱中性子遮蔽材料として使用される高Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間圧延用素材及び熱間圧延方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電で発生する使用済み核燃料は、再処理工場で処理されるまでの間、発電所内のプールの中でラックに入れて保管される。ラックは、通常角管でできた容器であり、使用済み燃料は中性子を放射することから高い中性子吸収能を呈する材料で作製されることが要求される。
このような熱中性子吸収材料として、Ｂを添加したＳＵＳ３０４ステンレス鋼が使用されている。しかしながら、Ｂを添加すると、マトリックスを脆化させるＣｒ₂ Ｂ，Ｆｅ₂ Ｂ，（Ｆｅ，Ｃｒ）₂ Ｂ等の金属間化合物が生成する。金属間化合物の生成量はＢ添加量に応じて増加し、それに伴って熱間での延性が低下する。
【０００３】
単板の熱延では、加熱炉に鋳片を返送し、加熱及び熱延を繰り返すことにより高温延性を確保しながら薄鋼板に製造できる。しかし、高生産性の製造手段であるタンデムタイプの熱間圧延機で鋼帯を製造する場合、機構上の制約から再加熱を採用できないため、熱間圧延時に温度低下が早期に生じる鋼帯の頭部や尾部において割れが発生し易く、また鋼帯の幅方向では耳割れ等の欠陥が発生し易くなる。
熱延時の温度低下に起因した耳割れ発生は、たとえば特開昭６３−２２０９０４号公報で紹介されているように、Ｂ添加ステンレス鋼を鉄皮で包んで分解圧延又は熱間圧延するパック圧延法で防止できる。また、特開昭６１−２２２６１２号公報では、鉄筒で密着包囲したＢ含有オーステナイトステンレス鋼を分塊圧延又は鍛造し、素材表面に付着している鉄層を除去した後、素材端部に鋼条片をオーステナイト系ステンレス鋼で肉盛り溶接し、熱間圧延することにより耳割れ発生を防止している。
【０００４】
しかし、パック圧延法では、直方体形状の鋳塊表面を鉄皮で包むため、包み込み作業や圧延後に鉄皮を除去する作業が必要になる。その結果、工程が複雑化し、生産コストが大幅に上昇する。鋼条片を素材のエッジ部に溶接付けする方法では、高精度で開先加工された鋼条片を用意し、且つ熱延中に鋼条片が剥離しないように完全に鋼条片を素材に溶接付けする必要がある。そのため、８０ｍｍ以上の厚みをもつ連鋳スラブや分塊スラブにこの方法を適用することは困難である。ところで、熱間圧延時の耳割れを防止しながら脆弱な材質の鋼板を製造する方法として、スラブ側面に軟鋼相当材質の溶接棒を用いて肉盛り溶接する方法が特開昭５９−１５０６０３号公報で紹介されている。単にスラブ側面に肉盛り溶接したままの素材を使用することにより耳割れを防止できると、開先加工した鋼材を必要とすることなく、且つ厚み８０ｍｍ以上の連鋳スラブや分塊圧延又は鍛造スラブにも適用することができる。また、スラブ全面を鉄皮で包み熱延する場合に比較して、エッジ部の不要部をトリマー等で簡単に除去できる利点もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、肉盛り溶接法を単純に高Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼に適用すると、母材中のＢが肉盛り溶接部へ拡散して硼化物を形成し、硼化物が低融点の共晶となって最終凝固部に集積されることに起因し、溶接割れが発生し易い。たとえば、市販の溶接材料を用いて高Ｂ含有オーステナイトステンレス鋼に肉盛り溶接すると、軟鋼相当の材質は勿論、ＳＵＳ３０４系のステンレス鋼母材の溶接に使用されるオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接材料であっても、溶接割れを完全に防止することは困難である。特に、溶接棒よりも肉盛り溶接に適したバンドアーク溶接では、最終凝固部における凝固収縮力が大きくなるため、溶接割れ発生傾向が顕著になる。
【０００６】
低融点共晶に由来する溶接割れは、Ｂ添加溶接材料の使用により防止できることが特開平５−６９１８６号公報で紹介されている。この方法では、逆にＢを溶接材料に添加して積極的に共晶を生成し、最終凝固部で発生する開口部を共晶でヒーリングすることにより溶接割れを防止している。しかし、溶接金属のＢ量が母材レベルまで高くなるため、溶接割れは無くなるものの、熱延時の耳割れを防止できない。このような問題があるため、スラブ側面を肉盛り溶接する際の溶接割れを防止すると共に、被覆した高Ｂ含有ステンレス鋼素材から耳割れの発生がない熱延鋼帯を低コストで製造する技術は確立されていなかった。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、δフェライト量，Ｂ含有量，厚みが特定された肉盛り溶接金属層をスラブ側面に設けることにより、耳割れ発生なく熱延可能な高Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間圧延用素材を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の高Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間圧延用素材は、その目的を達成するため、Ｂ：０．６〜２．０重量％を含むオーステナイト系ステンレス鋼のスラブと、該スラブの側面に形成された肉盛り溶接金属層とを備え、該肉盛り溶接金属層のδフェライト量が３〜１２体積％，Ｂ含有量が０．３重量％以下，厚みが３ｍｍ以上であることを特徴とする。
この熱間圧延用素材は、１１００〜１２００℃の温度に加熱した後、熱間圧延される。
【０００８】
【実施の形態】
本発明者等は、オーステナイト系ステンレス鋼にみられる溶接割れの一般的な防止手段である凝固ままのときのδフェライト量を増加させた溶接材料を使用し、Ｂ無添加及びＢ：１．１重量％添加のオーステナイト系ステンレス鋼を溶接し、形成されたビード，すなわち溶接金属の割れを調査した。その結果、Ｂ無添加の母材では、凝固ままでのδフェライト量が多い溶接材料ほど、溶接割れが減少していた。他方、Ｂ添加の母材では、溶接割れの低減がみられなかった。また、溶接金属のδフェライト量を測定したところ、Ｂ無添加の母材ではほぼ溶接材料の凝固ままのときのδフェライト量を示すのに対し、Ｂ添加の母材ではδフェライト量が著しく少なかった。
このようなδフェライト量の相違は、Ｂを添加した母材が溶融金属に溶け合うとき、（Ｆｅ，Ｃｒ）₂ ＢやＣｒ₂ Ｂの硼化物が生成され、溶接金属中の有効Ｃｒ量が減少することに原因があるものと推定した。この推定の下で、母材中のＢ量及び溶接方法を変更することにより希釈率を調節し、希釈率が溶接金属中のδフェライト量に及ぼす影響を調査した。その結果、母材中のＢ量が多く且つ希釈率が高いものほど、溶接金属中のδフェライト量が減少することを見い出した。
【０００９】
そこで、溶接金属中における有効Ｃｒ分の減少分を補うため種々の量でＣｒを添加したフラックスを使用して溶接金属中のδフェライト量を変化させ、δフェライト量が溶接割れの低減に及ぼす影響を調査した。その結果、図１にみられるように溶接金属中のδフェライト量が増加するにつれて溶接割れが低減し、δフェライト量が３体積％以上になると溶接割れがほぼ完全に防止できることを見い出した。すなわち、Ｂにより消費された有効Ｃｒ量をフラックスや溶接材料から補うことにより、溶接金属中のδフェライト量を３体積％以上に確保するとき、溶接割れを防止することが可能となる。
次いで、高Ｂ含有ステンレス鋼の耳割れ防止に及ぼすエッジ肉盛り溶接の作用を調査する熱延実験を行った。エッジに肉盛り溶接をしない場合、耳割れが発生したときの熱延板温度は８００℃から１０５０℃の範囲で変化したが、この熱延板の温度変化に関係なく６パス目で耳割れが発生した。このことから、耳割れは、熱延板の温度よりも圧延時のトータル圧下率に対する依存度が高いことが判る。そこで、肉盛り厚みを一定値５ｍｍに設定し、種々の条件で肉盛り溶接した同一厚みの素材を１パス当りの圧下率を一定にした多パス熱延実験に供し、耳割れが発生したパス回数を調査した。調査結果を、図２に示す。なお、図中のＡ〜Ｃは溶接条件の相違を示し、溶接条件Ａが最も希釈率が低く、次にＢ、そしてＣが最も希釈率が高くなるように設定した。
【００１０】
図２にみられるように、肉盛り溶接なしでは６パスで耳割れが発生した。他方、δフェライト量が３〜１２体積％の肉盛り溶接金属層を設けた場合、６パスまで耳割れが発生せず、耳割れが抑制できることが確認された、更に、トータル圧下率９４％以上の１０パス圧延を施したとき、熱延終了時の熱延板表面温度が８００℃以下でも耳割れが発生しないケースもみられた、しかし、δフェライト量が１２体積％を超えると、却って耳割れの発生が検出された。これは、二相化により高温延性が低下したことに起因するものと考えられる。
溶接条件に関しては、条件Ａで最も耳割れ抑制効果が大きく、条件Ｃでは耳割れの発生に対し大きな改善がみられなかった。このことから、希釈率が低い溶接条件ほど、耳割れの発生が抑制されることが判る。すなわち、希釈率が低い場合、母材から溶け込むＢ量が少なく、肉盛り溶接部のＢ量がそれほど高くならなかったためと考えられる。そこで、肉盛り溶接部のＢを分析し、肉盛り溶接部のＢ量と耳割れ防止効果との関係を調査した。その結果、Ｂ量を０．３重量％以下にすることにより明確な耳割れ防止効果が発現し、特に０．１５重量％以下で耳割れが防止されることを見い出した。
【００１１】
Ｂ含有量が０．６〜２．０重量％のオーステナイト系ステンレス鋼について同様に実験した。その結果、エッジ部への肉盛り溶接がないとＢ量の増加に従って耳割れの発生が早くなるが、肉盛り溶接したときにはＢ含有量１．１重量％の場合と同様の結果が得られた。したがって、耳割れを防止するためには、肉盛り溶接部のδフェライト量を３〜１２体積％，好ましくは５〜１０体積％とし、且つＢ量を０．３重量％以下，好ましくは０．１５重量％以下にすること有効であるといえる。
更に、肉盛り溶接金属層の厚みと耳割れが発生するパス回数との関係を調査した。調査結果を示す図３にみられるように、肉盛り溶接部のδフェライト量及びＢ量を前述した適正範囲に維持する条件下では肉盛り溶接金属層の厚みを２ｍｍ以上にすることにより耳割れの発生が抑制できることを見い出した。実操業面では、加熱炉での酸化スケールロス，肉盛り溶接金属層表面の凹凸等を考慮し、適正厚みを３ｍｍ以上に設定することにより、耳割れ発生が防止される。しかし、過度に厚い肉盛り溶接金属層は、溶接コストを上昇させることになるので好ましくない。
【００１２】
スラブ側面に形成される肉盛り溶接金属層は、熱延終了後にトリマー等で簡単に除去できる。また、肉盛り溶接金属層が薄く且つ鋼条片等を溶接していないので、トリマー等を使用した除去作業は大きな負担にならない。
肉盛り溶接金属層が設けられた熱間圧延用素材は、熱延に先立って１１００〜１２００℃に加熱される。加熱温度が１２００℃を超えると、硼化物とγ−Ｆｅとの共晶点が１２２６〜１２７０℃の温度範囲にあるため、硼化物の溶融によって粒界強度が著しく低下し、スラブ抽出時に内部亀裂が発生する虞れがある。しかし、Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間変形抵抗はＢ含有量の増加に伴って大きくなるので、圧延機への負荷を軽減するためには可能な限り高い温度で熱延を開始することが好ましい。このようなことから熱延前の加熱温度は、１２００℃を超えない１１５０〜１２００℃の範囲に厳密に調整する。
【００１３】
【実施例】
表１に示す組成をもつＢ含有オーステナイト系ステンレス鋼の鋼塊及び連鋳スラブを製造した。鋼塊については分塊圧延又は鍛造後、連鋳スラブは直接、それぞれのスラブの側面にバンドアーク溶接によって肉盛り溶接し、１１００〜１２００℃に加熱した後、再加熱なしで熱間圧延し、厚み１００ｍｍ以上のそれぞれのスラブから６ｍｍ以下の熱延鋼帯を得た。
バンドアーク溶接は、表２に示した組成をもつ溶接材料（フープ）を使用し、表３の溶接条件を採用した。なお、肉盛り溶接金属層のδフェライト量は、バンドアーク溶接に使用したフラックス中のＣｒ量を変えることにより調整した。また、肉盛り厚み及びＢ量は、厚み方向の肉盛り数を変えることにより調整した。
得られた熱延鋼帯の耳割れ発生状況を調査した結果を、表３に併せ示す。表３から明らかなように、本発明に従って肉盛り溶接した素材を熱延したものでは、耳割れのない良好な品質の熱延鋼帯であった。これに対し、肉盛り溶接しない素材は勿論、本発明で規定した条件を外れる肉盛り溶接金属層を設けた素材を熱延したものでは、全て耳割れが発生しており、良好な品質の熱延鋼帯が得られなかった。
【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の熱間圧延用素材は、高Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼スラブの側面に、δフェライト量３〜１２体積％，Ｂ含有量０．３重量％以下，厚み３ｍｍ以上の肉盛り溶接金属層を設けている。この肉盛り溶接金属層により熱延時の耳割れ発生が防止され、品質が良好な高Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼帯を工業的に安定して製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｂ含有量１．１重量％の素材について溶接金属中のδフェライト量が溶接割れ個数に及ぼす影響
【図２】 Ｂ含有量１．１重量％の素材を熱間圧延したとき、耳割れが発生するパス回数に及ぼすδフェライト量及び溶接条件の影響
【図３】 Ｂ含有量１．１重量％の素材を熱間圧延したとき、耳割れが発生するパス回数に及ぼす肉盛り溶接金属層の厚みの影響

Claims (2)

1. Ｂ：０．６〜２．０重量％を含むオーステナイト系ステンレス鋼のスラブと、該スラブの側面に形成された肉盛り溶接金属層とを備え、該肉盛り溶接金属層のδフェライト量が３〜１２体積％，Ｂ含有量が０．３重量％以下，厚みが３ｍｍ以上であることを特徴とする高Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間圧延用素材。
2. 請求項１記載の熱間圧延用素材を１１００〜１２００℃の温度に加熱した後、熱間圧延することを特徴とする高Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間圧延用素材の熱間圧延方法。

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