【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
［産業上の利用分野］
本発明は電子ビーム溶接特性の優れた原子炉用
鋼に関するものである。
［従来の技術］
原子力発電設備の安全性に関する関心は近年ま
すます高くなつており、原子炉用鋼に対する靭性
値の要求は非常に厳しいものとなつている。その
要求は当然構造物の一部を構成する溶接部に対し
てもなされている。
従来の原子炉用鋼の溶接は潜弧溶接（SAW）
または、MIG溶接が主体である。これらの溶接
では板厚が厚くなるに従つて加速度的に積層数が
増加していく。たとえば、板厚100mmの材料では
狭開先の施工をしてもSAW、MIGとも20パス以
上の積層が必要となつてくる。それに伴う施工時
間は膨大なものとなる。これらの溶接施工効率向
上と厳しい靭性要求に応えるために、電子ビーム
溶接の適用が考えられるようになつてきた。
電子ビーム溶接は従来のアーク溶接（SAW、
MIG溶接）と比べて、板厚50mmを超える範囲で
はコスト的に有利な領域となり、板厚が厚くなる
ほどその効果は大きくなる。
ただ、電子ビーム溶接は従来の溶接法と異なつ
て、鋼板そのものを溶融させ接合するものである
ため、鋼板の製造にあたつてはこの溶接部、特に
靭性を考慮した成分設計を行う必要がある。従来
の原子炉用鋼ではこの点の考慮は全くなされてい
なかつたといつても過言でない。
これまでの原子炉用鋼の靭性向上に関する公知
文献としては、特公昭56−33449号、特公昭59−
9619公報があるが、従来の溶接法で溶接すること
を前提としているため、電子ビーム溶接による溶
接部に関する考慮は全くなされていない。
［発明が解決しようとする課題］
本発明の目的は以上の点を鑑みなされたもの
で、電子ビーム溶接による溶接を行つても溶接部
の低温靱性の良好な電子ビーム溶接特性の優れた
原子炉用鋼を提供することにある。
［課題を解決するための手段］
本発明は重量％で、Ｃ：0.13％以上0.16％未
満、Si：0.05〜0.30％、Mn：1.30〜1.50％、Ｐ：
0.005％以下、Ｓ：0.010％以下、Cu：0.10％以
下、Ni：0.60〜0.70％、Cr：0.10〜0.30％、Mo：
0.50〜0.60％、Al：0.005〜0.040％、Ｎ：0.003〜
0.006％を基本成分とし、残部Fe、及び不可避的
不純物からなることを特徴とする電子ビーム溶接
特性の優れた原子炉用鋼である。
［作用］
電子ビーム溶接は従来の溶接法のように溶接部
の別の材料を供給し、溶接部の特性向上を図るの
ではなく、鋼板そのものを溶接させ溶接するもの
である。そのため、鋼板溶接にあたつては細粒化
などの方法により高靭性を有する鋼板に調整され
るが、これが高温で溶融されるため靭性の低いも
のとなつてしまう。
発明者らはここにおいて電子ビーム溶接部で良
好な靭性を有する鋼材を種々検討した結果、粒
内、粒界に析出する粗大な炭化物、窒化物が著し
く電子ビーム溶接部の靭性を低下させることを見
出したものである。
この粗大な炭化物、窒化物はＣ量、Ｎ量が高い
とその絶対量が増加し、粒内、粒界を脆化させ
る。また、ＰはこれらＣ、Ｎの作用を促進するこ
とを発見した。
これを防止するためには、Ｃ、Ｐ、Ｎの含有量
をある範囲に収めること、つまり、これらの効果
の重量作用により著しく電子ビーム溶接部の靭性
が向上することを知見したものである。
さらに、電子ビーム溶接部の靭性を向上させる
ためには、これらの有害な析出物を低減すると同
時に、ベースの組織を上部ベイナイトから下部ベ
イナイト主体にすることが重要であることも知見
した。
第１図はＣをパラメーターとした電子ビーム溶
接部のシヤルピー衝撃試験値に及ぼすＰ量とＮ量
の影響を示す図である。
Ｃ量を0.13％以上0.16％未満、Ｐ量を0.005％以
下、Ｎ量を30以上60ppm以下の範囲に入れること
によりvE-30≧10Kgｆ・ｍの良靭性が得られる。
しかも個々の成分の影響も直線的でない。
たとえば、Ｃ：0.15％、Ｎ：90ppmでＰが
0.010から0.005％に低下した場合は、vE-30が1.5
から2.0Kgｆ・ｍにしかならないのに、Ｎ：
60ppmでＰが0.010から0.005％に低下した場合
は、vE-30が2.5から10.3Kgｆ・ｍと大幅に向上
し、ＰとＮの重畳効果が明らかである。
そのほか、ＣとＮ、ＣとＰの重畳効果もこの図
より明らかである。
原子炉用鋼には規格で狭い成分範囲が規定され
ている。そのため、焼入性を上昇させるMn、
Ni、Cr、Moを成分規格（JIS SQV2A、
SQV2B）の上限まで高めることで、ベース組織
を上部ベイナイトから下部ベイナイト主体にする
ことが必要である。
以下に成分の限定理由を述べる。
Ｃは靭性に対して有害な元素であり、先に述べ
たように0.16％以上になるとＰ、Ｎとの重畳作用
により粗大な炭化物が析出し、電子ビーム溶接部
の靱性を著しく低下させ、原子炉用鋼の仕様を満
足することが困難となるため0.16％未満とする。
しかし、0.13％未満では強度を確保することが困
難となる。
Siは低温靭性、溶接性を低下させる元素なの
で、極力低減させ0.30％を上限とする。しかし、
製鋼上0.05％は必要である。
Mnは焼入性を上昇させる元素で、組織を下部
ベイナイト主体にするため1.30％以上添加する必
要があるが、規格の成分範囲より上限を1.50％と
する。
Ｐは先に述べたように、Ｃ、Ｎとの重畳作用に
より粒内、粒界を脆化させるため、0.005％以下
に低減することが必要である。
Ｓは靭性に有害な元素であり、0.01％以下に低
減することが必要である。
Cuは中性子照射脆化を促進する元素であるた
め、上限を0.10％とする。
Niは焼入性を上昇させる元素で、組織を下部
ベイナイト主体にするためには0.60％以上添加す
る必要があるが、規格の成分範囲より上限を0.70
％とした。
Crは焼入性を上昇させる元素で、組織を下部
ベイナイト主体にするためには0.10％以上添加す
る必要があるが、過剰な添加は応力除去焼鈍割れ
を発生する原因となるため、0.30％を上限とし
た。
Moは焼入性を上昇させる元素で、組織を下部
ベイナイト主体にするためには0.50％以上添加す
る必要があるが、規格の成分範囲より上限を0.60
％とする。
Alは組織を微細化して靭性を向上させる元素
であり、0.005％以上で効果がある。しかし0.040
％を超えるとＮとの比が小さくなりすぎAlN析
出物が粗大化し靭性がかえつて低下するため、上
限を0.020％とする。
Ｎは先に述べたように、Ｃ、Ｐとの重畳作用に
より粒内、粒界を脆化させるため、0.006％以下
とする。しかし、低すぎるとAlNによる細粒化
ができなくなるため、下限を0.003％とする。
この鋼を溶製するにあたつては電気炉、転炉の
いづれを用いてもよい。鋼板とするにあたつて
は、鍛造、圧延のいづれを用いれもよい。また鋼
板の熱処理は焼入れ、焼戻しを行う。
［実施例］
第１表に示す化学成分のうち１〜５は本発明鋼
で、６〜17は比較鋼である。
鋼の溶製は転炉により行い、常法によりスラブ
としたのち、第１表に示す板厚に厚板圧延した。
鋼板の熱処理条件は、焼準；880℃空冷、焼
入；880℃水冷、焼戻；670℃空冷、応力除去焼
鈍；625℃空冷である。
第２表にこれらの鋼の母材の引張試験、シヤル
ピー衝撃試験及び電子ビーム溶接部のシヤルピー
衝撃試験結果を示す。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a nuclear reactor steel with excellent electron beam welding properties. [Prior Art] Interest in the safety of nuclear power generation equipment has been increasing in recent years, and requirements for toughness values for steel for nuclear reactors have become extremely strict. Naturally, this requirement is also made for welded parts that constitute part of the structure. Conventional nuclear reactor steel welding is submerged arc welding (SAW)
Alternatively, MIG welding is the main method. In these welding processes, the number of laminated layers increases at an accelerating rate as the plate thickness increases. For example, a material with a thickness of 100 mm will require more than 20 passes of lamination for both SAW and MIG, even if the material is constructed with a narrow gap. The construction time associated with this will be enormous. In order to improve welding efficiency and meet strict toughness requirements, the application of electron beam welding has begun to be considered. Electron beam welding is conventional arc welding (SAW,
Compared to MIG welding), it is cost-effective in areas where the plate thickness exceeds 50 mm, and the thicker the plate, the greater the effect. However, unlike conventional welding methods, electron beam welding involves melting and joining the steel plates themselves, so when manufacturing steel plates, it is necessary to design the components of the welded part, especially considering toughness. . It is no exaggeration to say that conventional nuclear reactor steels have not taken this point into consideration at all. Publicly known documents related to improving the toughness of steel for nuclear reactors include: Japanese Patent Publication No. 56-33449;
There is Publication No. 9619, but it is based on the assumption that welding will be performed using a conventional welding method, and there is no consideration given to welded parts by electron beam welding. [Problems to be Solved by the Invention] The object of the present invention has been made in view of the above points, and is to provide a nuclear reactor with excellent electron beam welding characteristics, in which the low-temperature toughness of the welded part is good even when welding is performed by electron beam welding. Our goal is to provide steel for industrial use. [Means for Solving the Problems] The present invention includes, in weight percent, C: 0.13% or more and less than 0.16%, Si: 0.05-0.30%, Mn: 1.30-1.50%, P:
0.005% or less, S: 0.010% or less, Cu: 0.10% or less, Ni: 0.60 to 0.70%, Cr: 0.10 to 0.30%, Mo:
0.50~0.60%, Al: 0.005~0.040%, N: 0.003~
It is a nuclear reactor steel with excellent electron beam welding properties, with a basic component of 0.006%, and the balance consisting of Fe and unavoidable impurities. [Function] Electron beam welding does not supply another material to the welded part to improve the properties of the welded part, as in conventional welding methods, but instead welds the steel plates themselves. Therefore, when welding steel plates, steel plates are adjusted to have high toughness by methods such as grain refinement, but since they are melted at high temperatures, the toughness ends up being low. As a result of examining various steel materials that have good toughness for electron beam welding, the inventors found that coarse carbides and nitrides precipitated within grains and at grain boundaries significantly reduce the toughness of electron beam welding. This is what I found. When the C content and N content are high, the absolute amount of these coarse carbides and nitrides increases, causing embrittlement within the grains and grain boundaries. It was also discovered that P promotes the effects of C and N. It has been found that in order to prevent this, the contents of C, P, and N should be kept within a certain range; in other words, the toughness of the electron beam welded part is significantly improved due to the weight effect of these effects. Furthermore, in order to improve the toughness of electron beam welds, we found that it is important to reduce these harmful precipitates and at the same time change the base structure from upper bainite to mainly lower bainite. FIG. 1 is a diagram showing the influence of the amount of P and the amount of N on the Charpy impact test value of an electron beam welded part with C as a parameter. By setting the C content in the range of 0.13% or more and less than 0.16%, the P content in the range of 0.005% or less, and the N content in the range of 30 or more and 60 ppm or less, good toughness of vE -30 ≧10 Kgf·m can be obtained.
Furthermore, the influence of individual components is not linear. For example, C: 0.15%, N: 90ppm and P
If it drops from 0.010 to 0.005%, vE -30 is 1.5
Even though it only becomes 2.0Kgf・m from N:
When P decreased from 0.010 to 0.005% at 60 ppm, vE -30 significantly improved from 2.5 to 10.3 Kgf·m, and the superimposed effect of P and N is clear. In addition, the superposition effects of C and N, and C and P are also clear from this figure. Standards specify a narrow range of components for steel for nuclear reactors. Therefore, Mn, which increases hardenability,
Ni, Cr, Mo composition standards (JIS SQV2A,
It is necessary to change the base structure from upper bainite to mainly lower bainite by increasing it to the upper limit of SQV2B). The reasons for limiting the ingredients are described below. C is an element harmful to toughness, and as mentioned above, if it exceeds 0.16%, coarse carbides will precipitate due to the superimposed action with P and N, which will significantly reduce the toughness of the electron beam welded joint and cause atomic It is difficult to meet the specifications for furnace steel, so it should be less than 0.16%.
However, if it is less than 0.13%, it becomes difficult to ensure strength. Since Si is an element that reduces low-temperature toughness and weldability, it should be reduced as much as possible to an upper limit of 0.30%. but,
0.05% is necessary for steel manufacturing. Mn is an element that increases hardenability, and it is necessary to add 1.30% or more to make the structure mainly composed of lower bainite, but the upper limit is set at 1.50% according to the standard component range. As mentioned above, P embrittles the grain interior and grain boundaries due to the superimposed action with C and N, so it is necessary to reduce it to 0.005% or less. S is an element harmful to toughness and needs to be reduced to 0.01% or less. Since Cu is an element that promotes neutron irradiation embrittlement, the upper limit is set at 0.10%. Ni is an element that increases hardenability, and it is necessary to add 0.60% or more to make the structure mainly composed of lower bainite, but the upper limit is 0.70% than the standard component range.
%. Cr is an element that increases hardenability, and it is necessary to add 0.10% or more to make the structure mainly composed of lower bainite. However, excessive addition causes stress relief annealing cracking, so 0.30% The upper limit was set. Mo is an element that increases hardenability, and in order to make the structure mainly consist of lower bainite, it is necessary to add 0.50% or more, but the upper limit is 0.60% than the standard component range.
%. Al is an element that refines the structure and improves toughness, and is effective at 0.005% or more. But 0.040
If the AlN precipitate exceeds 0.020%, the ratio with N becomes too small, the AlN precipitates become coarse and the toughness deteriorates, so the upper limit is set at 0.020%. As mentioned above, N embrittles the grain interior and grain boundaries due to the superimposed action with C and P, so it is set to 0.006% or less. However, if it is too low, grain refinement by AlN will not be possible, so the lower limit is set at 0.003%. In melting this steel, either an electric furnace or a converter may be used. When making a steel plate, either forging or rolling may be used. In addition, the heat treatment of the steel plate includes quenching and tempering. [Example] Among the chemical components shown in Table 1, 1 to 5 are inventive steels, and 6 to 17 are comparative steels. The steel was melted in a converter, formed into slabs by a conventional method, and then rolled into slabs to the thickness shown in Table 1. The heat treatment conditions for the steel plate were normalizing: 880°C air cooling, quenching: 880°C water cooling, tempering: 670°C air cooling, stress relief annealing: 625°C air cooling. Table 2 shows the results of the tensile test of the base metal of these steels, the Charpy impact test, and the Charpy impact test of the electron beam welded parts.
【表】【table】
【表】
但し、電子ビーム溶接条件は電圧150kV、電流
180ｍＡ、速度20cm／min.である。
電子ビーム溶接部のシヤルピー試験のノツチ位
置は溶着金属中央に入れた。
本発明の鋼１〜５はＣ、ＰとＮ量を適切な範囲
に入れることにより、それらの重畳効果により良
好な電子ビーム溶接部の低温靭性を有している。
母材特性も良好である。
つぎに、鋼６はＣが低く母材強度が低い。鋼７
はＣが高く、母材そして、特に電子ビーム溶接部
の靭性が低い。鋼８はＰが高く、電子ビーム溶接
部の靭性が低い。鋼９はＮが高く、電子ビーム溶
接部の靭性が低い。
鋼１０はSiが高く、母材、電子ビーム溶接部と
も靭性が低い。鋼１１はMnが低く、鋼１２はＳ
が高く、鋼１３はNiが低く、鋼１４はCrが低く、
鋼１５はMoが低く、それぞれ電子ビーム溶接部
の靭性が低い。鋼１６はAlが低く、鋼１７はAl
が高く、それぞれ母材及び電子ビーム溶接部の靭
性が低い。
［発明の効果］
以上述べたように、本発明によればＣ、ＰとＮ
の適切な範囲への成分限定とMn、Cr、Ni、Mo
の規格上限近くへの成分限定により、粗大な炭化
物、窒化物が析出せず、かつ、組織も下部ベイナ
イト主体となり、著しく電子ビーム溶接部の靭性
を向上させることが可能となり、産業上多大な効
果を奏するものである。[Table] However, the electron beam welding conditions are voltage 150kV and current.
180mA, speed 20cm/min. The notch position for the shear pie test of the electron beam weld was placed at the center of the weld metal. Steels 1 to 5 of the present invention have good low-temperature toughness of electron beam welded parts due to the superimposed effect of C, P, and N contents within appropriate ranges.
The base material properties are also good. Next, Steel 6 has low C and low base metal strength. steel 7
has a high carbon content, and the toughness of the base metal and especially the electron beam welded part is low. Steel 8 has a high P content, and the toughness of the electron beam welded part is low. Steel 9 has a high N content and has low toughness in the electron beam welded part. Steel 10 has a high Si content and low toughness in both the base metal and the electron beam welded part. Steel 11 has low Mn, and Steel 12 has S
is high, steel 13 is low in Ni, steel 14 is low in Cr,
Steel 15 has a low Mo content, and the toughness of the electron beam welded portion is low. Steel 16 has low Al, and Steel 17 has low Al.
is high, and the toughness of the base metal and electron beam welded part is low, respectively. [Effect of the invention] As described above, according to the present invention, C, P and N
Limiting components to appropriate ranges and Mn, Cr, Ni, Mo
By limiting the composition to near the upper limit of the standard, coarse carbides and nitrides do not precipitate, and the structure is mainly composed of lower bainite, making it possible to significantly improve the toughness of electron beam welds, which has a great industrial effect. It is something that plays.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第１図ａ，ｂ，ｃはＣをパラメーターとした電
子ビーム溶接部のシヤルピー衝撃試験値に及ぼす
Ｐ量とＮ量の影響を示す図表である。
FIGS. 1a, b, and c are charts showing the influence of the amount of P and the amount of N on the Charpy impact test value of an electron beam welded part with C as a parameter.