オーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法
【課題】オーステナイト系ステンレス鋼における耐ＩＧＳＣＣ特性、特に耐ＩＧＳＣＣ進展性を向上させ、耐久性を向上させる。
【解決手段】３本の粒界から構成される粒界三重点における、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点（J2CSL）の頻度が３５％以上である。
【解決手段】３本の粒界から構成される粒界三重点における、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点（J2CSL）の頻度が３５％以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電所及び化学プラント等に適用される耐食性、特に耐粒界腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼は、機械的性質及び耐食性に優れた材料であり、一般構造用から原子力機器用まで幅広く使用されている。しかし、過酷な腐食環境下では応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking、以下ＳＣＣと称する）を生じることが知られている。特に結晶粒界に沿って進展するＳＣＣを粒界型応力腐食割れ（Intergranular Stress Corrosion Cracking、以下ＩＧＳＣＣと称する）と呼び、溶接熱影響部等で発生する。熔接熱影響部は、通常６００〜７００℃の温度に加熱される。この温度範囲で、材料の中のＣが、固溶解限を超えてしまうため、Ｃｒと結合し、Ｃｒ２３Ｃ６として粒界において析出する。このようなＣｒ炭化物付近のＣｒ濃度の低下、いわゆる粒界付近のＣｒ欠乏は、粒界の耐食性低下さらに粒界腐食割れの発生の原因とされている。
【０００３】
粒界工学の発展とともに、結晶方位及び粒界性格分布を制御し、より高性能化・高機能化した材料の開発が可能になっている。特に、対応粒界（Coincidence Site Lattice粒界、以下ＣＳＬ粒界と称する）の低エネルギーの粒界構造を利用した粒界性格制御に関する研究が注目されている。ＣＳＬ粒界とは、結晶粒界を挟んだ隣接した結晶同士の片方を結晶軸の周りに回転したときに、格子点の一部が隣の結晶粒の格子点に位置して、両結晶に共通する副格子を構成するような粒界をいう。この際、回転軸と回転角度によって原点以外にも周期的に重なる格子点が形成される。これを対応格子点とよぶ。もとの結晶格子の単位胞体積とここで形成される対応格子の単位胞体積との比をΣ（シグマ）値とよぶ。従来の研究データにより、ＣＳＬ粒界以外の粒界（以下、ランダム粒界と称す）と比べ、粒界エネルギーが低いかつ格子構造が比較的に安定である低ΣＣＳＬ粒界（シグマ値が２９以下の対応粒界）は、Ｃｒが欠乏しくいと認識されており、応力腐食割れが生じにくいとされている。
【０００４】
以上の理論に基づき、材料の耐食性や耐ＩＧＳＣＣ性を改善するために、加工熱処理過程で発生する焼鈍双晶を利用して、低ΣＣＳＬ粒界頻度を向上させる技術の研究開発が最近盛んである。その中で、低ΣＣＳＬ粒界頻度を向上させることによって材料の耐ＩＧＳＣＣ性を改善するという材料プロセスがいくつか提案されている（特許文献１、２、３）。
【０００５】
特許文献１では、３０４系、３１６系及び３４７系のステンレス鋼において、２〜３０％の圧延率（圧延率とは、パーセンテージ又はフラクションで表される、元の断面積に対する試料断面積の減少量の比である）を導入した後、１１１３Ｋから１１７３Ｋ未満の温度で熱処理を行うことにより、結晶方位差角１５°以上でかつΣ値２９以下である低ΣＣＳＬ粒界頻度を６５％以上にすることができると主張している。しかしながら、７０％以上の高頻度を達成するためには、数十時間という長時間の熱処理を要し、多大なコストがかかるといった問題がる。また、特許文献１では、結晶粒径を２００μｍ以内抑えることができたと述べられている。加工熱処理による結晶粗大化が生じるため、原子力材料として使われる場合は、高温強度の低下に懸念がある。特に、粒径が母材十倍近くまで成長すると、たとえ粒径を２００μｍ以内に抑えても、Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈ法則により、強度の低減は無視できない。したがって、加工熱処理により、低ΣＣＳＬ粒界頻度を高めることの一方で、結晶粗大化の抑制は課題となっている。
【０００６】
特許文献２では、７５％以上の低ΣＣＳＬ粒界頻度を有するオーステナイト系ステンレス鋼を請求項に挙げている一方で、実施例ではＳＵＳ３０４の一鋼種のみの結果しかない。ＪＩＳ規格で決められたオーステナイト系ステンレス鋼は、その化学成分、特にＮｉとＣｒが広い範囲に規定されている。従来の研究により、化学成分の違いによる材料の積層欠陥エネルギーの差異が、粒界遷移、即ち低ΣＣＳＬ粒界の成長に影響するため、ＳＵＳ３０４だけに成功した加工熱処理条件が、すべてのオーステナイト系ステンレス鋼に適用できると断言するのは、妥当ではないと考えられる。さらに、特許文献２では、２〜１５％の圧延率を導入した後、７５％以上の高い低ΣＣＳＬ粒界頻度に達成するために、１１７３Ｋから１２７３Ｋ未満の温度で５時間以上の熱処理を実施しており、熱処理のためのコストが多大となるといった問題がある。
【０００７】
特許文献３では、Ｃｒを含む鉄基又はニッケル基面心立方合金において、圧延率５％〜３０％を導入した後、１１７３Ｋ〜１３２５Ｋの温度で２分〜１０分の熱処理を施すことにより、３０μｍ以下の粒径、かつ６０％以上の低ΣＣＳＬ粒界頻度が達成される旨述べられている。その実施例によると、低ΣＣＳＬ粒界頻度は最大７７．１％に達しているが、必要な圧延率が達成されるまで冷間圧延と熱処理のプロセスを数回繰り返さなければならないために、実際の所要合計時間及びコストは低くはない。
【０００８】
また、粒界工学を用いて、低ΣＣＳＬ粒界以外の観点から耐ＩＧＳＣＣ性を改善させる手法もいくつか提案されている（特許文献４、５）。例えば、特許文献４では、熱間鍛造または熱間圧延において、３０％以上の圧延率を材料に導入にした後、熱処理を実施することにより、低ΣＣＳＬ粒界の中で、粒界エネルギーが最も低い双晶粒界（Σ３粒界）を３０％以上に高め、耐ＩＧＳＣＣ性に優れるステンレス鋼を請求項に挙げている。しかし、特許文献４の実施例によると、３０％以上の高圧延率を材料に導入するために、複数回に熱間鍛造または熱間圧延の工程が必要であり、多大なエネルギー消費が必要となりコストの増大が問題となる。また、特許文献４の図１及び２には、双晶粒界を３０％以上高めることだけで、せいぜい腐食減量を１５％程度低減させることができたことが伺える。しかし、双晶粒界の向上度合いを３０％という閾値で評価しても、耐ＩＧＳＣＣ効果には不十分だと考えられる。さらに、特許文献４の実施例の結果を示す表３には、実際に実現できたのは、どれも双晶頻度が５０％未満であることが分かる。
【０００９】
特許文献５では、従来ＣＳＬ粒界に比べて耐ＩＧＳＣＣ性が低いとされていたランダム粒界のうち、結晶粒界における方位差が大きいランダム粒界は、逆に耐ＩＧＳＣＣ性に優れることを主張し、方位差５０°以上のランダム粒界が２０％以上となるようなステンレス鋼の加工熱処理方法を開示している。しかし、特許文献５には、耐ＩＧＳＣＣ性に関して、ＣＳＬ粒界と方位差５０°以上のランダム粒界との比較が記載されていない。また、６０％以上の高圧延率あるいは加工度が必要となり、機械加工段階で高いエネルギーが必要とされ、多大なコストを要するといった問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−３３９５７６号公報
【特許文献２】特開２００３−２５３４０１号公報
【特許文献３】特願平６−５１４６３９号公報
【特許文献４】特開２００５−１５８９６号公報
【特許文献５】特開２００５−１５８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のように、従来の粒界性格制御技術は、いずれも高圧延率、または長時間の熱処理時間が必要であり、省エネルギー面においては、好ましくない。さらに、従来の技術は、ＩＧＳＣＣ発生の抑制効果のみに着目しており、ＩＧＳＣＣ進展の抑制効果については、見込まれていない。これまで産業界に使用されている様々な材料の実績、あるいは研究機関の開発により生まれた新材料のデータを見ると、完全にＩＧＳＣＣを根絶できる材料は未だない。ＩＧＳＣＣが一旦発生すると、機器の定期点検までの進展量が、実機の安全運転に対して現実的に重要な意味を持つ。したがって、耐ＩＧＳＣＣ特性としては、ＩＧＳＣＣの発生を抑制するだけではなく、一旦発生したＩＧＳＣＣの進展を抑制する点も重要な因子となる。
【００１２】
そこで本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼における耐ＩＧＳＣＣ特性、特に耐ＩＧＳＣＣ進展性を向上させ、耐久性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼において観察される、３本の粒界から構成される粒界三重点のなかで、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点（J2CSL）の頻度がＩＧＳＣＣの進展性に大きく関与することを見いだし、また、この粒界三重点（J2CSL）の頻度を制御する条件を見いだし、本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本発明は以下を包含する。
【００１５】
（１）３本の粒界から構成される粒界三重点における、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点（J2CSL）の頻度が３５％以上であるオーステナイト系ステンレス鋼。
【００１６】
（２）質量％として、Ｃ：０．００１〜０．１００％、Ｎｉ：１２〜３０％、及びＣｒ：１５〜３０％を含む（１）記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【００１７】
（３）結晶粒径が４０〜８０μｍである（１）記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【００１８】
（４）炭素、ニッケル及びクロムを含有する元材である材料を２〜５％の圧延率で冷間圧延した後、再結晶温度以上の温度で熱処理することで得られるオーステナイト系ステンレス鋼。
【００１９】
（５）上記元材に含まれる炭素、ニッケル及びクロムは、質量％として、Ｃ：０．００１〜０．１００％、Ｎｉ：１２〜３０％、及びＣｒ：１５〜３０％である（４）記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【００２０】
（６）結晶粒径が４０〜８０μｍである（４）記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【００２１】
（７）炭素、ニッケル及びクロムを含有する元材である材料を２〜５％の圧延率で冷間圧延した後、再結晶温度以上の温度で熱処理を施すオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【００２２】
（８）熱処理温度が１３００Ｋ以上である（７）記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【００２３】
（９）熱処理を施す時間が３０分〜１８０分である（７）記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点の頻度を規定することによって優れた耐ＩＧＳＣＣ特性を備えたものとなる。このため、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば原子力発電所又は化学プラントといった応力腐食環境において使用される構造材料として応用することができる。
【００２５】
また、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法によれば、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点の頻度を制御することができ、優れた耐ＩＧＳＣＣ特性を備えるオーステナイト系ステンレス鋼を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ＩＧＳＣＣ上の粒界三重点の分布を示すグラフである。
【図２】低ΣＣＳＬ粒界頻度と耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の相関を示すグラフである。
【図３】耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の向上によるＩＧＳＣＣが発生した粒界の数の変化を示すグラフである。
【図４】ＣＢＢ試験片における最大き裂長さの比較を示すグラフである。
【図５】圧延率と耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の関係を示すグラフである。
【図６】熱処理温度と耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の関係を示すグラフである。
【図７】沸騰水型原子炉の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を、化学成分、微視的構造、機械特性、製造方法及び実用性に区分して詳細に説明する。
【００２８】
１．化学成分
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｆｅを主体とする面心立方晶からなる多結晶金属材料から構成されるものである。材料の組成は、質量％として、Ｃ：０．００１〜０．１００％、Ｎｉ：８〜３０％、Ｃｒ：１５〜３０％を含むことが好ましい。その他、必要に応じて、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｓｉ等の元素を含んでも良く、それらの合計量は材料中7質量％以下とすることが好ましい。
【００２９】
Ｃ：０．００１〜０．１００％
Ｃは、強度を得るために有効な元素である。一方、含有量が０．１００％を超えると、溶接熱影響部の粒界に炭化物が生成しやすく、耐ＩＧＳＣＣ性が低下する恐れがある。したがって、Ｃの含有量は０．００１％以上、０．１００％以下とすることが好ましい。
【００３０】
Ｎｉ：１２〜３０％
Ｎｉは、鋼の耐食性を維持するために必要な元素である。また、オーステナイトの安定化元素として、１２％以上の含有量が必要である。一方、その含有量が３０％を超えると、熱間加工性が著しく悪化する。したがって、Ｎｉの含有量は１２％〜３０％とすることが好ましい。
【００３１】
Ｃｒ：１５〜３０％
Ｃｒは、鋼の耐食性を維持するために必要な元素である。粒界上のＣｒ偏析を緩和させ、耐食性を確保するために、その含有量を１５％以上とする必要がある。一方、その含有量が３０％を超えると、材料が脆化しやすくなり、熱間加工性が著しく悪化する。したがって、Ｃｒの含有量は１５％〜３０％とすることが好ましい。
【００３２】
２．微視的構造
２．１ 耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度
前述した通りに、低ΣＣＳＬ粒界は低い粒界エネルギーを有するため、ランダム粒界より優れる耐食性を持つとされている。パーコレーション理論により、無限な材料モデルにおいて、低ΣＣＳＬ粒界頻度が７０％を超えると、き裂の発生箇所、即ちランダム粒界のクラスターが、理論上完全に分断される。つまり、低ΣＣＳＬ粒界頻度が７０％を越えると、たとえあるランダム粒界で粒界割れが発生しても、き裂が測定領域内の他所のランダム粒界まで伝達しにくくなる。しかし、実際の材料は、有限な体積を持ち、かつ粒界性格分布が必ずしもで均一ではないため、低ΣＣＳＬ粒界頻度が７０％を超えても、ランダム粒界のクラスターがお互いにつながるケースもある。したがって、耐ＩＧＳＣＣ性、特に耐ＩＧＳＣＣ進展性を評価する際に、実際のランダム粒界の連結性を考慮しなければならない。
【００３３】
そこで、本発明者らは、粒界三重点分布（TJD：Triple Joint Distribution）の概念を導入した。粒界三重点は、交差する３つの粒界の性格により、表1のように４種類に分けることができる。
【００３４】
粒界三重点J0CSLは、３本のランダム粒界で構成され、その頻度をf0CSLとする。
【００３５】
粒界三重点J1CSLは、２本のランダム粒界と１本の低ΣＣＳＬ粒界で構成され、この頻度をf 1CSLとする。
【００３６】
粒界三重点J2CSLは、１本のランダム粒界と２本の低ΣＣＳＬ粒界で構成され、その頻度をf 2CSLとする。
【００３７】
粒界三重点J3CSLは、３本の低ΣＣＳＬ粒界で構成され、その頻度をf3CSLとする。
【００３８】
【表１】
【００３９】
実際の各粒界三重点におけるＩＧＳＣＣの進展挙動を検討するために、本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼を用いて、隙間付き定変位曲げ（Crevice Bent Beam、以下はＣＢＢと称する）試験を行い、ＩＧＳＣＣが経由したすべての粒界三重点の分布を調査した、その結果を図１に示す。三重点J3CSLにおいては、まったくＩＧＳＣＣが観察されていないが、ランダム粒界との連結がないため、ＩＧＳＣＣの進展を阻止する効果を果たしていないとされる。三重点J2CSLは、き裂の前方は、２本の低ΣＣＳＬ粒界により、ランダム粒界分断されているため、進展が抑制され、ＩＧＳＣＣの経路上の数が非常に少ない。一方、三重点J0CSLおよび三重点J1CSLのいずれにおいても、前方にて少なくとも１本のランダム粒界と連結しているため、ＩＧＳＣＣの進展が完全に阻止されず、進展し続ける。以上の考察から、三重点J2CSLによるＩＧＳＣＣ進展抑制効果を検証した。なお、以下の説明において粒界三重点J2CSLを他の粒界三重点と区別するため耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点とよぶ場合もある。
【００４０】
さらに、本発明者らは、ランダム粒界と連結がある粒界三重点、即ち三重点J0CSL、J1CSL、J2CSLのうち、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点の割合P2CSLを高めることにより、耐ＩＧＳＣＣ進展性を材料に与えた。ここのP2CSLを耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度と称し、式（１）で定義することができる。
【００４１】
【数１】
【００４２】
また、十分な粒界三重点数を有する測定領域においては、式（２）が成り立つ。
【００４３】
【数２】
【００４４】
（２）式においてｎは、それぞれの粒界三重点数を表わす。粒界三重点に基づいたパーコレーション理論計算によると、P2CSL≧３５％になると、完全にランダム粒界が分断できる。しかし、従来の技術を用いると、P2CSL≧３５％となるように高い耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を達成するのは、実に困難である。本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼において、従来の加工熱処理技術を用いて、粒界性格制御試験を実施した。その結果を、図２に示す。図中、低ΣＣＳＬ粒界頻度が８０％を超えても、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度が３０％程度しかない。これは、双晶同士の成長により、三重点J3CSLの頻度が高まった一方で、ランダム粒界の分断効果を果たしていないことを示唆する。また、低ΣＣＳＬ粒界頻度が９０％に近づくと、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度が３５％に達したが、そこまで高い低ΣＣＳＬ粒界頻度を得るには、結晶粒径が１００μ以上に粗大化してしまい強度が低下するおそれがある。したがって、高い耐ＩＧＳＣＣ特性を持ちながら、結晶粗大化を抑制するためには、低ΣＣＳＬ粒界頻度を７５％〜８５％とすることが好ましい。さらに、耐ＩＧＳＣＣ進展性を考慮すると、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を３５％以上とすることが好ましい。
【００４５】
耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を向上させることにより、耐ＩＧＳＣＣ発生性及び耐ＩＧＳＣＣ進展性が向上することを検証するために、本発明者らは、３０％以上の低ΣＣＳＬ粒界頻度を達成したオーステナイト系ステンレス鋼の粒界性格制御材を用いて、ＣＢＢ試験を行い、耐ＩＧＳＣＣ性効果について母材（非制御材）との相違を比較した。
【００４６】
ＥＢＳＤ（Electron Backscatter Diffraction）を用いた低ΣＣＳＬ粒界分布の解析により、粒界性格制御材の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度は３０．1％であり、非制御材の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度は１７．０％であった。そして、長手方向が冷間圧延方向と垂直になるように、５０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍｔのＣＢＢ試験片を作製した。ＩＧＳＣＣ発生を促進させるために、１０ｍｍ間隔で４ヶ所にＶ型ノッチを機械加工で導入し、このＶ型ノッチ付き試験片をそれぞれ４本作製した。ノッチ深さは０．５ｍｍ、ノッチ開口角は４５゜、ノッチ底の曲率半径はＲ＝０．２５ｍｍである。ノッチ底部におけるひずみは１０％である。試験片の両表面は１０００番のエメリ紙で仕上げた。１００Ｒの曲率を有した試験片固定冶具にノッチＣＢＢ試験片とグラファイトを密着させてセットした後、オートクレーブ内に入れ、２８８℃、ＤＯ（溶存酸素濃度）８ｐｐｍ、導電率（入口）０．１μＳ／ｃｍ以下の高温水中に２０００時間浸漬した。
【００４７】
図３には、試験後ＩＧＳＣＣが発生した粒界数のノッチ毎の平均値を示す。粒界性格制御材のＩＧＳＣＣ粒界数は２３であり、非制御材の６８より小さく、約１／３であった。各試験片における合計１６箇所のノッチで観察されたＩＧＳＣＣの中で、最大割れ深さを有するものを測定し、その値を図４に示す。粒界性格制御材の最大割れ深さは２２５．５μｍであり、非制御材の６５７．７μｍより小さく、約１／３であった。
【００４８】
以上の解析により、同様な応力腐食環境下では、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を、さらに３５％まで高めれば、応力腐食割れの最大深さ及び応力腐食割れが発生した粒界の数を、いずれも従来材の３分の１以下に低下させることが見込まれる。
【００４９】
以上のように、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を１７％から３０％まで向上させることにより、顕著な耐ＩＧＳＣＣ発生性及び耐ＩＧＳＣＣ進展性が確認された。つまり、結晶粒界性格を制御することにより、粒界腐食やＩＧＳＣＣに対する抵抗性を向上させることができる。このような粒界性格制御材料を、原子力発電プラント、化学プラント等の、粒界に起因する腐食が問題となるプラント部位に適用することにより、健全性劣化を抑制し、従来材を用いた場合に比べてプラントを長寿命化することができる。上記実験で検証した両試験片についての耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度範囲及びパーコレーション理論を考慮して、耐ＩＧＳＣＣ性効果を果たすために、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を３５％以上とする。
【００５０】
２．２ 結晶粒径
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼において、ＥＢＳＤを用いて、低ΣＣＳＬ粒界頻度、双晶（Σ３）粒界頻度及び結晶粒径（双晶を含む）の解析を行った。その結果を表２に示す。
【００５１】
【表２】
【００５２】
一般的に、熱処理より結晶粒の粗大化が生じるとされている。粒径の粗大化に伴う粒界体積の低下は、粒界にて発生する粒界腐食割れに対して軽減効果をもたらし得る。また、不純物や熱処理に伴う析出物は、主に粒界に蓄積し、粒界の強度を低減させる。化学成分の濃度が一定の場合には、粒界体積の低下により、それらの不純物や析出物の蓄積量を抑制でき、粒界の強度の低下を防ぐことができる。したがって、粒径の粗大化は、粒界腐食割れ及び析出物による粒界の強度の低減に抑制効果があると考えられる。４０μｍ以上の結晶粒径は、元材料の２０μｍに比べて約２倍の値であり、これによって元材料よりも優れた粒界腐食割れの抑制効果が得られると考えられる。ただし、元の粒径の４倍以上になると、粒界よりやわらかいマトリクスの体積が急に増えるため、逆に材料の強度を低下させる場合がある。したがって、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、加工熱処理後の結晶粒径は４０〜８０μｍとすることが好ましい。
【００５３】
３．製造方法
３．１ 圧延率
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼の材料において、３５％以上の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度、及び好ましくは４０〜８０μｍの結晶粒径を得るための手法として、固溶化熱処理後、元材である板材を２％〜５％の圧延率で室温にて冷間圧延し、再結晶温度以上、例えば１３００Ｋ以上の熱処理温度でアニーリングすることを特徴とする。
【００５４】
本発明者らは、表３に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼において、圧延率１％、２％、３％、５％、６％で、冷間圧延を行った後、熱処理温度１３００〜１５００Ｋで、熱処理時間２時間で熱処理を行った。
【００５５】
【表３】
【００５６】
熱処理後の各試験片の粒界性格をＥＢＳＤで分析した。圧延率と耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度との関係を図５に示す。図５から分かるように、圧延率２％〜５％の試験片では、３５％以上の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度が得られたが、圧延率が１％未満では、熱処理時の粒界移動が活性化されず、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の増加は僅かであった。また、圧延率が６％以上になると、熱処理により再結晶化が促進され、大幅な耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の増加は抑制されることが推測される。以上の理由により、本発明の製造方法においては２％〜５％の圧延率が最適な圧延率範囲となる。
【００５７】
３．２ 熱処理温度と時間
本発明者らは、表３に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、３％の圧延率で冷間圧延を行い、熱処理時間２時間として、熱処理温度１２５０Ｋ、１３５０Ｋ、１４５０Ｋでそれぞれ熱処理を行った。熱処理後の各試験片の粒界性格をＥＢＳＤで分析した。それらの熱処理温度と耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度との関係を表４に示す。圧延率４％の試験片では、いずれも熱処理温度１３５０Ｋ以上の場合に、２時間の熱処理によって、３５％以上の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を達成できたが、１３５０Ｋ未満になると、更なる熱処理時間を要し、短時間で低ΣＣＳＬ粒界頻度を向上させるのは困難であった。したがって、温度の下限を１３００Ｋとした。ただし、よい熱処理効率を得るために、１３００Ｋ〜１５００Ｋの温度範囲が好ましい。
【００５８】
また、この温度範囲で、３５％以上の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を達成するための最も効率よい熱処理時間は３０分〜１８０分以内である。
【実施例】
【００５９】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６０】
（実施例１）
表３に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、３％（試験片Ａ）及び５％（試験片Ｂ）の圧延率で室温にて冷間圧延を行った後、それぞれ１４５０Ｋの熱処理温度で１２０分間のアニーリングを行った。その後、水冷を実施した。それらの試験片の粒界性格解析結果を、表４に示す。２本の試験片とも耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度３５％以上、かつ粒径４０〜８０μｍを達成した。
【００６１】
【表４】
【００６２】
（実施例２）
表５に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、３％（試験片Ｃ）及び５％（試験片Ｄ）の圧延率で室温にて冷間圧延を行った後、それぞれ１４５０Ｋの熱処理温度で１２０分間のアニーリングを行った。その後、水冷を実施した。それらの試験片の粒界性格解析結果を、表６に示す。２本の試験片とも耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度３５％以上、かつ粒径４０〜８０μｍを達成した。
【００６３】
【表５】
【００６４】
【表６】
【００６５】
（実施例３）
３５％以上の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度が得られる本発明の加工条件で、表３に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼を用いて、図７に示す沸騰水型原子炉（ＢＷＲ：Boiling Water Reactor）の炉心シュラウドの作製が見込まれる。
【００６６】
（比較例１）
表５に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、６％（試験片Ｅ）及び８％（試験片Ｆ）の圧延率で室温にて冷間圧延を行った後、それぞれ１４５０Ｋの熱処理温度で１２０分間のアニーリングを行った。その後、水冷を実施した。それらの試験片の粒界性格解析結果を、表７に示す。２本の試験片とも耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度が３０％未満となり、ランダム粒界の分断効果が不十分である。
【００６７】
【表７】
【００６８】
（比較例２）
表５に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、３％（試験片Ｇ）及び５％（試験片Ｈ）の圧延率で室温にて冷間圧延を行った後、それぞれ１０７３Ｋ未満の（再結晶温度以下）熱処理温度で１２０分間のアニーリングを行った。その後、水冷を実施した。それらの試験片の粒界性格解析結果を、表８に示す。熱処理温度が再結晶温度以下であるため、２本の試験片とも再結晶が不十分のため、低ΣＣＳＬ粒界頻度および耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の両方とも顕著な向上が得られなかった。
【００６９】
【表８】
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば原子力機器におけるシース材を始め、原子力発電所及び化学プラントなどの応力腐食環境下で使用される構造部材として幅広い応用が期待される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電所及び化学プラント等に適用される耐食性、特に耐粒界腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼は、機械的性質及び耐食性に優れた材料であり、一般構造用から原子力機器用まで幅広く使用されている。しかし、過酷な腐食環境下では応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking、以下ＳＣＣと称する）を生じることが知られている。特に結晶粒界に沿って進展するＳＣＣを粒界型応力腐食割れ（Intergranular Stress Corrosion Cracking、以下ＩＧＳＣＣと称する）と呼び、溶接熱影響部等で発生する。熔接熱影響部は、通常６００〜７００℃の温度に加熱される。この温度範囲で、材料の中のＣが、固溶解限を超えてしまうため、Ｃｒと結合し、Ｃｒ２３Ｃ６として粒界において析出する。このようなＣｒ炭化物付近のＣｒ濃度の低下、いわゆる粒界付近のＣｒ欠乏は、粒界の耐食性低下さらに粒界腐食割れの発生の原因とされている。
【０００３】
粒界工学の発展とともに、結晶方位及び粒界性格分布を制御し、より高性能化・高機能化した材料の開発が可能になっている。特に、対応粒界（Coincidence Site Lattice粒界、以下ＣＳＬ粒界と称する）の低エネルギーの粒界構造を利用した粒界性格制御に関する研究が注目されている。ＣＳＬ粒界とは、結晶粒界を挟んだ隣接した結晶同士の片方を結晶軸の周りに回転したときに、格子点の一部が隣の結晶粒の格子点に位置して、両結晶に共通する副格子を構成するような粒界をいう。この際、回転軸と回転角度によって原点以外にも周期的に重なる格子点が形成される。これを対応格子点とよぶ。もとの結晶格子の単位胞体積とここで形成される対応格子の単位胞体積との比をΣ（シグマ）値とよぶ。従来の研究データにより、ＣＳＬ粒界以外の粒界（以下、ランダム粒界と称す）と比べ、粒界エネルギーが低いかつ格子構造が比較的に安定である低ΣＣＳＬ粒界（シグマ値が２９以下の対応粒界）は、Ｃｒが欠乏しくいと認識されており、応力腐食割れが生じにくいとされている。
【０００４】
以上の理論に基づき、材料の耐食性や耐ＩＧＳＣＣ性を改善するために、加工熱処理過程で発生する焼鈍双晶を利用して、低ΣＣＳＬ粒界頻度を向上させる技術の研究開発が最近盛んである。その中で、低ΣＣＳＬ粒界頻度を向上させることによって材料の耐ＩＧＳＣＣ性を改善するという材料プロセスがいくつか提案されている（特許文献１、２、３）。
【０００５】
特許文献１では、３０４系、３１６系及び３４７系のステンレス鋼において、２〜３０％の圧延率（圧延率とは、パーセンテージ又はフラクションで表される、元の断面積に対する試料断面積の減少量の比である）を導入した後、１１１３Ｋから１１７３Ｋ未満の温度で熱処理を行うことにより、結晶方位差角１５°以上でかつΣ値２９以下である低ΣＣＳＬ粒界頻度を６５％以上にすることができると主張している。しかしながら、７０％以上の高頻度を達成するためには、数十時間という長時間の熱処理を要し、多大なコストがかかるといった問題がる。また、特許文献１では、結晶粒径を２００μｍ以内抑えることができたと述べられている。加工熱処理による結晶粗大化が生じるため、原子力材料として使われる場合は、高温強度の低下に懸念がある。特に、粒径が母材十倍近くまで成長すると、たとえ粒径を２００μｍ以内に抑えても、Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈ法則により、強度の低減は無視できない。したがって、加工熱処理により、低ΣＣＳＬ粒界頻度を高めることの一方で、結晶粗大化の抑制は課題となっている。
【０００６】
特許文献２では、７５％以上の低ΣＣＳＬ粒界頻度を有するオーステナイト系ステンレス鋼を請求項に挙げている一方で、実施例ではＳＵＳ３０４の一鋼種のみの結果しかない。ＪＩＳ規格で決められたオーステナイト系ステンレス鋼は、その化学成分、特にＮｉとＣｒが広い範囲に規定されている。従来の研究により、化学成分の違いによる材料の積層欠陥エネルギーの差異が、粒界遷移、即ち低ΣＣＳＬ粒界の成長に影響するため、ＳＵＳ３０４だけに成功した加工熱処理条件が、すべてのオーステナイト系ステンレス鋼に適用できると断言するのは、妥当ではないと考えられる。さらに、特許文献２では、２〜１５％の圧延率を導入した後、７５％以上の高い低ΣＣＳＬ粒界頻度に達成するために、１１７３Ｋから１２７３Ｋ未満の温度で５時間以上の熱処理を実施しており、熱処理のためのコストが多大となるといった問題がある。
【０００７】
特許文献３では、Ｃｒを含む鉄基又はニッケル基面心立方合金において、圧延率５％〜３０％を導入した後、１１７３Ｋ〜１３２５Ｋの温度で２分〜１０分の熱処理を施すことにより、３０μｍ以下の粒径、かつ６０％以上の低ΣＣＳＬ粒界頻度が達成される旨述べられている。その実施例によると、低ΣＣＳＬ粒界頻度は最大７７．１％に達しているが、必要な圧延率が達成されるまで冷間圧延と熱処理のプロセスを数回繰り返さなければならないために、実際の所要合計時間及びコストは低くはない。
【０００８】
また、粒界工学を用いて、低ΣＣＳＬ粒界以外の観点から耐ＩＧＳＣＣ性を改善させる手法もいくつか提案されている（特許文献４、５）。例えば、特許文献４では、熱間鍛造または熱間圧延において、３０％以上の圧延率を材料に導入にした後、熱処理を実施することにより、低ΣＣＳＬ粒界の中で、粒界エネルギーが最も低い双晶粒界（Σ３粒界）を３０％以上に高め、耐ＩＧＳＣＣ性に優れるステンレス鋼を請求項に挙げている。しかし、特許文献４の実施例によると、３０％以上の高圧延率を材料に導入するために、複数回に熱間鍛造または熱間圧延の工程が必要であり、多大なエネルギー消費が必要となりコストの増大が問題となる。また、特許文献４の図１及び２には、双晶粒界を３０％以上高めることだけで、せいぜい腐食減量を１５％程度低減させることができたことが伺える。しかし、双晶粒界の向上度合いを３０％という閾値で評価しても、耐ＩＧＳＣＣ効果には不十分だと考えられる。さらに、特許文献４の実施例の結果を示す表３には、実際に実現できたのは、どれも双晶頻度が５０％未満であることが分かる。
【０００９】
特許文献５では、従来ＣＳＬ粒界に比べて耐ＩＧＳＣＣ性が低いとされていたランダム粒界のうち、結晶粒界における方位差が大きいランダム粒界は、逆に耐ＩＧＳＣＣ性に優れることを主張し、方位差５０°以上のランダム粒界が２０％以上となるようなステンレス鋼の加工熱処理方法を開示している。しかし、特許文献５には、耐ＩＧＳＣＣ性に関して、ＣＳＬ粒界と方位差５０°以上のランダム粒界との比較が記載されていない。また、６０％以上の高圧延率あるいは加工度が必要となり、機械加工段階で高いエネルギーが必要とされ、多大なコストを要するといった問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−３３９５７６号公報
【特許文献２】特開２００３−２５３４０１号公報
【特許文献３】特願平６−５１４６３９号公報
【特許文献４】特開２００５−１５８９６号公報
【特許文献５】特開２００５−１５８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のように、従来の粒界性格制御技術は、いずれも高圧延率、または長時間の熱処理時間が必要であり、省エネルギー面においては、好ましくない。さらに、従来の技術は、ＩＧＳＣＣ発生の抑制効果のみに着目しており、ＩＧＳＣＣ進展の抑制効果については、見込まれていない。これまで産業界に使用されている様々な材料の実績、あるいは研究機関の開発により生まれた新材料のデータを見ると、完全にＩＧＳＣＣを根絶できる材料は未だない。ＩＧＳＣＣが一旦発生すると、機器の定期点検までの進展量が、実機の安全運転に対して現実的に重要な意味を持つ。したがって、耐ＩＧＳＣＣ特性としては、ＩＧＳＣＣの発生を抑制するだけではなく、一旦発生したＩＧＳＣＣの進展を抑制する点も重要な因子となる。
【００１２】
そこで本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼における耐ＩＧＳＣＣ特性、特に耐ＩＧＳＣＣ進展性を向上させ、耐久性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼において観察される、３本の粒界から構成される粒界三重点のなかで、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点（J2CSL）の頻度がＩＧＳＣＣの進展性に大きく関与することを見いだし、また、この粒界三重点（J2CSL）の頻度を制御する条件を見いだし、本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本発明は以下を包含する。
【００１５】
（１）３本の粒界から構成される粒界三重点における、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点（J2CSL）の頻度が３５％以上であるオーステナイト系ステンレス鋼。
【００１６】
（２）質量％として、Ｃ：０．００１〜０．１００％、Ｎｉ：１２〜３０％、及びＣｒ：１５〜３０％を含む（１）記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【００１７】
（３）結晶粒径が４０〜８０μｍである（１）記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【００１８】
（４）炭素、ニッケル及びクロムを含有する元材である材料を２〜５％の圧延率で冷間圧延した後、再結晶温度以上の温度で熱処理することで得られるオーステナイト系ステンレス鋼。
【００１９】
（５）上記元材に含まれる炭素、ニッケル及びクロムは、質量％として、Ｃ：０．００１〜０．１００％、Ｎｉ：１２〜３０％、及びＣｒ：１５〜３０％である（４）記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【００２０】
（６）結晶粒径が４０〜８０μｍである（４）記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【００２１】
（７）炭素、ニッケル及びクロムを含有する元材である材料を２〜５％の圧延率で冷間圧延した後、再結晶温度以上の温度で熱処理を施すオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【００２２】
（８）熱処理温度が１３００Ｋ以上である（７）記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【００２３】
（９）熱処理を施す時間が３０分〜１８０分である（７）記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点の頻度を規定することによって優れた耐ＩＧＳＣＣ特性を備えたものとなる。このため、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば原子力発電所又は化学プラントといった応力腐食環境において使用される構造材料として応用することができる。
【００２５】
また、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法によれば、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点の頻度を制御することができ、優れた耐ＩＧＳＣＣ特性を備えるオーステナイト系ステンレス鋼を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ＩＧＳＣＣ上の粒界三重点の分布を示すグラフである。
【図２】低ΣＣＳＬ粒界頻度と耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の相関を示すグラフである。
【図３】耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の向上によるＩＧＳＣＣが発生した粒界の数の変化を示すグラフである。
【図４】ＣＢＢ試験片における最大き裂長さの比較を示すグラフである。
【図５】圧延率と耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の関係を示すグラフである。
【図６】熱処理温度と耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の関係を示すグラフである。
【図７】沸騰水型原子炉の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を、化学成分、微視的構造、機械特性、製造方法及び実用性に区分して詳細に説明する。
【００２８】
１．化学成分
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｆｅを主体とする面心立方晶からなる多結晶金属材料から構成されるものである。材料の組成は、質量％として、Ｃ：０．００１〜０．１００％、Ｎｉ：８〜３０％、Ｃｒ：１５〜３０％を含むことが好ましい。その他、必要に応じて、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｓｉ等の元素を含んでも良く、それらの合計量は材料中7質量％以下とすることが好ましい。
【００２９】
Ｃ：０．００１〜０．１００％
Ｃは、強度を得るために有効な元素である。一方、含有量が０．１００％を超えると、溶接熱影響部の粒界に炭化物が生成しやすく、耐ＩＧＳＣＣ性が低下する恐れがある。したがって、Ｃの含有量は０．００１％以上、０．１００％以下とすることが好ましい。
【００３０】
Ｎｉ：１２〜３０％
Ｎｉは、鋼の耐食性を維持するために必要な元素である。また、オーステナイトの安定化元素として、１２％以上の含有量が必要である。一方、その含有量が３０％を超えると、熱間加工性が著しく悪化する。したがって、Ｎｉの含有量は１２％〜３０％とすることが好ましい。
【００３１】
Ｃｒ：１５〜３０％
Ｃｒは、鋼の耐食性を維持するために必要な元素である。粒界上のＣｒ偏析を緩和させ、耐食性を確保するために、その含有量を１５％以上とする必要がある。一方、その含有量が３０％を超えると、材料が脆化しやすくなり、熱間加工性が著しく悪化する。したがって、Ｃｒの含有量は１５％〜３０％とすることが好ましい。
【００３２】
２．微視的構造
２．１ 耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度
前述した通りに、低ΣＣＳＬ粒界は低い粒界エネルギーを有するため、ランダム粒界より優れる耐食性を持つとされている。パーコレーション理論により、無限な材料モデルにおいて、低ΣＣＳＬ粒界頻度が７０％を超えると、き裂の発生箇所、即ちランダム粒界のクラスターが、理論上完全に分断される。つまり、低ΣＣＳＬ粒界頻度が７０％を越えると、たとえあるランダム粒界で粒界割れが発生しても、き裂が測定領域内の他所のランダム粒界まで伝達しにくくなる。しかし、実際の材料は、有限な体積を持ち、かつ粒界性格分布が必ずしもで均一ではないため、低ΣＣＳＬ粒界頻度が７０％を超えても、ランダム粒界のクラスターがお互いにつながるケースもある。したがって、耐ＩＧＳＣＣ性、特に耐ＩＧＳＣＣ進展性を評価する際に、実際のランダム粒界の連結性を考慮しなければならない。
【００３３】
そこで、本発明者らは、粒界三重点分布（TJD：Triple Joint Distribution）の概念を導入した。粒界三重点は、交差する３つの粒界の性格により、表1のように４種類に分けることができる。
【００３４】
粒界三重点J0CSLは、３本のランダム粒界で構成され、その頻度をf0CSLとする。
【００３５】
粒界三重点J1CSLは、２本のランダム粒界と１本の低ΣＣＳＬ粒界で構成され、この頻度をf 1CSLとする。
【００３６】
粒界三重点J2CSLは、１本のランダム粒界と２本の低ΣＣＳＬ粒界で構成され、その頻度をf 2CSLとする。
【００３７】
粒界三重点J3CSLは、３本の低ΣＣＳＬ粒界で構成され、その頻度をf3CSLとする。
【００３８】
【表１】
【００３９】
実際の各粒界三重点におけるＩＧＳＣＣの進展挙動を検討するために、本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼を用いて、隙間付き定変位曲げ（Crevice Bent Beam、以下はＣＢＢと称する）試験を行い、ＩＧＳＣＣが経由したすべての粒界三重点の分布を調査した、その結果を図１に示す。三重点J3CSLにおいては、まったくＩＧＳＣＣが観察されていないが、ランダム粒界との連結がないため、ＩＧＳＣＣの進展を阻止する効果を果たしていないとされる。三重点J2CSLは、き裂の前方は、２本の低ΣＣＳＬ粒界により、ランダム粒界分断されているため、進展が抑制され、ＩＧＳＣＣの経路上の数が非常に少ない。一方、三重点J0CSLおよび三重点J1CSLのいずれにおいても、前方にて少なくとも１本のランダム粒界と連結しているため、ＩＧＳＣＣの進展が完全に阻止されず、進展し続ける。以上の考察から、三重点J2CSLによるＩＧＳＣＣ進展抑制効果を検証した。なお、以下の説明において粒界三重点J2CSLを他の粒界三重点と区別するため耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点とよぶ場合もある。
【００４０】
さらに、本発明者らは、ランダム粒界と連結がある粒界三重点、即ち三重点J0CSL、J1CSL、J2CSLのうち、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点の割合P2CSLを高めることにより、耐ＩＧＳＣＣ進展性を材料に与えた。ここのP2CSLを耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度と称し、式（１）で定義することができる。
【００４１】
【数１】
【００４２】
また、十分な粒界三重点数を有する測定領域においては、式（２）が成り立つ。
【００４３】
【数２】
【００４４】
（２）式においてｎは、それぞれの粒界三重点数を表わす。粒界三重点に基づいたパーコレーション理論計算によると、P2CSL≧３５％になると、完全にランダム粒界が分断できる。しかし、従来の技術を用いると、P2CSL≧３５％となるように高い耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を達成するのは、実に困難である。本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼において、従来の加工熱処理技術を用いて、粒界性格制御試験を実施した。その結果を、図２に示す。図中、低ΣＣＳＬ粒界頻度が８０％を超えても、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度が３０％程度しかない。これは、双晶同士の成長により、三重点J3CSLの頻度が高まった一方で、ランダム粒界の分断効果を果たしていないことを示唆する。また、低ΣＣＳＬ粒界頻度が９０％に近づくと、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度が３５％に達したが、そこまで高い低ΣＣＳＬ粒界頻度を得るには、結晶粒径が１００μ以上に粗大化してしまい強度が低下するおそれがある。したがって、高い耐ＩＧＳＣＣ特性を持ちながら、結晶粗大化を抑制するためには、低ΣＣＳＬ粒界頻度を７５％〜８５％とすることが好ましい。さらに、耐ＩＧＳＣＣ進展性を考慮すると、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を３５％以上とすることが好ましい。
【００４５】
耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を向上させることにより、耐ＩＧＳＣＣ発生性及び耐ＩＧＳＣＣ進展性が向上することを検証するために、本発明者らは、３０％以上の低ΣＣＳＬ粒界頻度を達成したオーステナイト系ステンレス鋼の粒界性格制御材を用いて、ＣＢＢ試験を行い、耐ＩＧＳＣＣ性効果について母材（非制御材）との相違を比較した。
【００４６】
ＥＢＳＤ（Electron Backscatter Diffraction）を用いた低ΣＣＳＬ粒界分布の解析により、粒界性格制御材の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度は３０．1％であり、非制御材の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度は１７．０％であった。そして、長手方向が冷間圧延方向と垂直になるように、５０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍｔのＣＢＢ試験片を作製した。ＩＧＳＣＣ発生を促進させるために、１０ｍｍ間隔で４ヶ所にＶ型ノッチを機械加工で導入し、このＶ型ノッチ付き試験片をそれぞれ４本作製した。ノッチ深さは０．５ｍｍ、ノッチ開口角は４５゜、ノッチ底の曲率半径はＲ＝０．２５ｍｍである。ノッチ底部におけるひずみは１０％である。試験片の両表面は１０００番のエメリ紙で仕上げた。１００Ｒの曲率を有した試験片固定冶具にノッチＣＢＢ試験片とグラファイトを密着させてセットした後、オートクレーブ内に入れ、２８８℃、ＤＯ（溶存酸素濃度）８ｐｐｍ、導電率（入口）０．１μＳ／ｃｍ以下の高温水中に２０００時間浸漬した。
【００４７】
図３には、試験後ＩＧＳＣＣが発生した粒界数のノッチ毎の平均値を示す。粒界性格制御材のＩＧＳＣＣ粒界数は２３であり、非制御材の６８より小さく、約１／３であった。各試験片における合計１６箇所のノッチで観察されたＩＧＳＣＣの中で、最大割れ深さを有するものを測定し、その値を図４に示す。粒界性格制御材の最大割れ深さは２２５．５μｍであり、非制御材の６５７．７μｍより小さく、約１／３であった。
【００４８】
以上の解析により、同様な応力腐食環境下では、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を、さらに３５％まで高めれば、応力腐食割れの最大深さ及び応力腐食割れが発生した粒界の数を、いずれも従来材の３分の１以下に低下させることが見込まれる。
【００４９】
以上のように、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を１７％から３０％まで向上させることにより、顕著な耐ＩＧＳＣＣ発生性及び耐ＩＧＳＣＣ進展性が確認された。つまり、結晶粒界性格を制御することにより、粒界腐食やＩＧＳＣＣに対する抵抗性を向上させることができる。このような粒界性格制御材料を、原子力発電プラント、化学プラント等の、粒界に起因する腐食が問題となるプラント部位に適用することにより、健全性劣化を抑制し、従来材を用いた場合に比べてプラントを長寿命化することができる。上記実験で検証した両試験片についての耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度範囲及びパーコレーション理論を考慮して、耐ＩＧＳＣＣ性効果を果たすために、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を３５％以上とする。
【００５０】
２．２ 結晶粒径
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼において、ＥＢＳＤを用いて、低ΣＣＳＬ粒界頻度、双晶（Σ３）粒界頻度及び結晶粒径（双晶を含む）の解析を行った。その結果を表２に示す。
【００５１】
【表２】
【００５２】
一般的に、熱処理より結晶粒の粗大化が生じるとされている。粒径の粗大化に伴う粒界体積の低下は、粒界にて発生する粒界腐食割れに対して軽減効果をもたらし得る。また、不純物や熱処理に伴う析出物は、主に粒界に蓄積し、粒界の強度を低減させる。化学成分の濃度が一定の場合には、粒界体積の低下により、それらの不純物や析出物の蓄積量を抑制でき、粒界の強度の低下を防ぐことができる。したがって、粒径の粗大化は、粒界腐食割れ及び析出物による粒界の強度の低減に抑制効果があると考えられる。４０μｍ以上の結晶粒径は、元材料の２０μｍに比べて約２倍の値であり、これによって元材料よりも優れた粒界腐食割れの抑制効果が得られると考えられる。ただし、元の粒径の４倍以上になると、粒界よりやわらかいマトリクスの体積が急に増えるため、逆に材料の強度を低下させる場合がある。したがって、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、加工熱処理後の結晶粒径は４０〜８０μｍとすることが好ましい。
【００５３】
３．製造方法
３．１ 圧延率
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼の材料において、３５％以上の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度、及び好ましくは４０〜８０μｍの結晶粒径を得るための手法として、固溶化熱処理後、元材である板材を２％〜５％の圧延率で室温にて冷間圧延し、再結晶温度以上、例えば１３００Ｋ以上の熱処理温度でアニーリングすることを特徴とする。
【００５４】
本発明者らは、表３に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼において、圧延率１％、２％、３％、５％、６％で、冷間圧延を行った後、熱処理温度１３００〜１５００Ｋで、熱処理時間２時間で熱処理を行った。
【００５５】
【表３】
【００５６】
熱処理後の各試験片の粒界性格をＥＢＳＤで分析した。圧延率と耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度との関係を図５に示す。図５から分かるように、圧延率２％〜５％の試験片では、３５％以上の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度が得られたが、圧延率が１％未満では、熱処理時の粒界移動が活性化されず、耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の増加は僅かであった。また、圧延率が６％以上になると、熱処理により再結晶化が促進され、大幅な耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の増加は抑制されることが推測される。以上の理由により、本発明の製造方法においては２％〜５％の圧延率が最適な圧延率範囲となる。
【００５７】
３．２ 熱処理温度と時間
本発明者らは、表３に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、３％の圧延率で冷間圧延を行い、熱処理時間２時間として、熱処理温度１２５０Ｋ、１３５０Ｋ、１４５０Ｋでそれぞれ熱処理を行った。熱処理後の各試験片の粒界性格をＥＢＳＤで分析した。それらの熱処理温度と耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度との関係を表４に示す。圧延率４％の試験片では、いずれも熱処理温度１３５０Ｋ以上の場合に、２時間の熱処理によって、３５％以上の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を達成できたが、１３５０Ｋ未満になると、更なる熱処理時間を要し、短時間で低ΣＣＳＬ粒界頻度を向上させるのは困難であった。したがって、温度の下限を１３００Ｋとした。ただし、よい熱処理効率を得るために、１３００Ｋ〜１５００Ｋの温度範囲が好ましい。
【００５８】
また、この温度範囲で、３５％以上の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度を達成するための最も効率よい熱処理時間は３０分〜１８０分以内である。
【実施例】
【００５９】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６０】
（実施例１）
表３に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、３％（試験片Ａ）及び５％（試験片Ｂ）の圧延率で室温にて冷間圧延を行った後、それぞれ１４５０Ｋの熱処理温度で１２０分間のアニーリングを行った。その後、水冷を実施した。それらの試験片の粒界性格解析結果を、表４に示す。２本の試験片とも耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度３５％以上、かつ粒径４０〜８０μｍを達成した。
【００６１】
【表４】
【００６２】
（実施例２）
表５に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、３％（試験片Ｃ）及び５％（試験片Ｄ）の圧延率で室温にて冷間圧延を行った後、それぞれ１４５０Ｋの熱処理温度で１２０分間のアニーリングを行った。その後、水冷を実施した。それらの試験片の粒界性格解析結果を、表６に示す。２本の試験片とも耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度３５％以上、かつ粒径４０〜８０μｍを達成した。
【００６３】
【表５】
【００６４】
【表６】
【００６５】
（実施例３）
３５％以上の耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度が得られる本発明の加工条件で、表３に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼を用いて、図７に示す沸騰水型原子炉（ＢＷＲ：Boiling Water Reactor）の炉心シュラウドの作製が見込まれる。
【００６６】
（比較例１）
表５に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、６％（試験片Ｅ）及び８％（試験片Ｆ）の圧延率で室温にて冷間圧延を行った後、それぞれ１４５０Ｋの熱処理温度で１２０分間のアニーリングを行った。その後、水冷を実施した。それらの試験片の粒界性格解析結果を、表７に示す。２本の試験片とも耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度が３０％未満となり、ランダム粒界の分断効果が不十分である。
【００６７】
【表７】
【００６８】
（比較例２）
表５に示す化学成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、３％（試験片Ｇ）及び５％（試験片Ｈ）の圧延率で室温にて冷間圧延を行った後、それぞれ１０７３Ｋ未満の（再結晶温度以下）熱処理温度で１２０分間のアニーリングを行った。その後、水冷を実施した。それらの試験片の粒界性格解析結果を、表８に示す。熱処理温度が再結晶温度以下であるため、２本の試験片とも再結晶が不十分のため、低ΣＣＳＬ粒界頻度および耐ＩＧＳＣＣ粒界三重点頻度の両方とも顕著な向上が得られなかった。
【００６９】
【表８】
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば原子力機器におけるシース材を始め、原子力発電所及び化学プラントなどの応力腐食環境下で使用される構造部材として幅広い応用が期待される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３本の粒界から構成される粒界三重点における、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点（J2CSL）の頻度が３５％以上であるオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２】
質量％として、Ｃ：０．００１〜０．１００％、Ｎｉ：１２〜３０％、及びＣｒ：１５〜３０％を含む請求項１記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３】
結晶粒径が４０〜８０μｍである請求項１記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項４】
炭素、ニッケル及びクロムを含有する元材である材料を２〜５％の圧延率で冷間圧延した後、再結晶温度以上の温度で熱処理することで得られるオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項５】
上記元材に含まれる炭素、ニッケル及びクロムは、質量％として、Ｃ：０．００１〜０．１００％、Ｎｉ：１２〜３０％、及びＣｒ：１５〜３０％である請求項４記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項６】
結晶粒径が４０〜８０μｍである請求項４記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項７】
炭素、ニッケル及びクロムを含有する元材である材料を２〜５％の圧延率で冷間圧延した後、再結晶温度以上の温度で熱処理を施すオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項８】
熱処理温度が１３００Ｋ以上である請求項７記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項９】
熱処理を施す時間が３０分〜１８０分である請求項７記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項１】
３本の粒界から構成される粒界三重点における、２本の粒界が対応粒界であり１本の粒界がランダム粒界である粒界三重点（J2CSL）の頻度が３５％以上であるオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２】
質量％として、Ｃ：０．００１〜０．１００％、Ｎｉ：１２〜３０％、及びＣｒ：１５〜３０％を含む請求項１記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３】
結晶粒径が４０〜８０μｍである請求項１記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項４】
炭素、ニッケル及びクロムを含有する元材である材料を２〜５％の圧延率で冷間圧延した後、再結晶温度以上の温度で熱処理することで得られるオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項５】
上記元材に含まれる炭素、ニッケル及びクロムは、質量％として、Ｃ：０．００１〜０．１００％、Ｎｉ：１２〜３０％、及びＣｒ：１５〜３０％である請求項４記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項６】
結晶粒径が４０〜８０μｍである請求項４記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項７】
炭素、ニッケル及びクロムを含有する元材である材料を２〜５％の圧延率で冷間圧延した後、再結晶温度以上の温度で熱処理を施すオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項８】
熱処理温度が１３００Ｋ以上である請求項７記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項９】
熱処理を施す時間が３０分〜１８０分である請求項７記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２７５５６９（Ｐ２０１０−２７５５６９Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２６２１６（Ｐ２００９−１２６２１６）
【出願日】平成２１年５月２６日（２００９．５．２６）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２６日（２００９．５．２６）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
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