特開 2024-126407 クラッド鋼板及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024126407

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】クラッド鋼板及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20240912BHJP

   C23C 26/00 20060101ALI20240912BHJP

   C22C 38/06 20060101ALI20240912BHJP

   C22C 38/40 20060101ALI20240912BHJP

   C21D 9/00 20060101ALI20240912BHJP

   C21D 8/02 20060101ALI20240912BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 302Z

C23C26/00 B

C22C38/06

C22C38/40

C21D9/00 Z

C21D8/02 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023034768

(22)【出願日】2023-03-07

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （１）日本金属学会２０２３年春期（第１７２回）講演大会のウェブサイト ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｉｍ２０２３ｓｐｒｉｎｇ／ｔｏｐ？ｌａｎｇ＝ｊａ ウェブサイトへの掲載日 令和５年２月２１日（火）

(71)【出願人】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大野 直子

(72)【発明者】

【氏名】長野 太郎

【テーマコード（参考）】

4K032

4K042

4K044

【Ｆターム（参考）】

4K032AA01

4K032AA13

4K032BA01

4K032CA02

4K032CB00

4K042AA26

4K042BA01

4K042BA06

4K042CA01

4K042CA07

4K042CA11

4K042DA06

4K042DC02

4K042DC04

4K042DC05

4K044AA03

4K044AB02

4K044BA02

4K044BA06

4K044BB01

4K044BB03

4K044BC02

4K044BC11

4K044CA02

4K044CA07

4K044CA31

4K044CA62

(57)【要約】

【課題】ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の使用量をなるべく低く抑えつつ、高い強度を有するクラッド鋼板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の要旨は以下である。
（１）
母材鋼板であるオーステナイト系ステンレス鋼板と、
前記母材鋼板の少なくとも片面に形成されたＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層と、を有するクラッド鋼板であって、
前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層は、質量％で、Ｃｒ：１２～２２％、Ａｌ：５～１０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物であることを特徴とする、クラッド鋼板。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材鋼板であるオーステナイト系ステンレス鋼板と、
前記母材鋼板の少なくとも片面に形成されたＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層と、を有するクラッド鋼板であって、
前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層は、質量％で、Ｃｒ：１２～２２％、Ａｌ：５～１０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物であることを特徴とする、クラッド鋼板。

【請求項2】

前記オーステナイト系ステンレス鋼板と前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層との間にには厚さ１０μｍ以上３０μｍ未満の拡散層が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のクラッド鋼板。

【請求項3】

請求項１または２に記載のクラッド鋼板を製造するクラッド鋼板の製造方法であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼板の表面と、質量％で、Ｃｒ：１２～２２％、Ａｌ：５～１０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物であるＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板の表面とを少なくとも＃２０００まで研磨する研磨工程と、
前記オーステナイト系ステンレス鋼板の研磨面と、前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板の研磨面とを合わせ、１０００～１１００℃、１×１０^－１Ｐａよりも高真空で前記オーステナイト系ステンレス鋼板と前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板とを３０ＭＰａ以上のプレス圧力で５～３０分プレスする前処理工程と、
大気中で前記オーステナイト系ステンレス鋼板の表面温度が１０５０～１１５０℃となるまで加熱し、次いで前記オーステナイト系ステンレス鋼板と前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板との積層体を前記オーステナイト系ステンレス鋼板の表面温度が８００℃以上となるときの圧下率が１．４以上１．６未満となるように熱間圧延する熱間圧延工程と、を含むことを特徴とする、クラッド鋼板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、クラッド鋼板及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば特許文献１に開示されるクラッド鋼板は、鋼板の表面に様々な合わせ材を圧着することで、クラッド鋼板の表面に母材となる鋼板とは異なる特性を付与することができるので、有用な技術である。

【0003】

ところで、例えば核融合炉の炉壁の冷却には液体金属（鉛、鉛ビスマス、鉛リチウム等）が用いられる。この液体金属が流れる配管の材料には、高い耐食性が求められる。具体的には、液体金属中の元素が配管の材料中に溶出する。さらに、液体金属が配管の材料の表面を削り取るようにして配管を減肉させる。これらの現象はエロ－ジョン・コロージョンと称される。したがって、配管の材料には、エロ－ジョン・コロージョンに対する高い耐食性が求められる。なお、液体金属が流れる配管が使用される装置は核融合炉に限られない。核融合炉以外の装置に使用される配管においても、液体金属に対する高い耐食性が求められる。例えば、原子炉においても液体金属が流れる配管が使用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１７６９７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

耐食性の高い鋼板として、オーステナイト系ステンレス鋼板が知られている。しかし、このオーステナイト系ステンレス鋼板も上述したエロ－ジョン・コロージョンに対する耐食性が十分に高いとは言えない。そこで、近年、エロ－ジョン・コロージョンに対する耐食性を高めた金属材料として、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金が開発された。ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金は、その表面にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）被膜を形成する。このアルミナ被膜がエロ－ジョン・コロージョンに対する高い耐食性を示す。

【0006】

ただし、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金はフェライト系合金であるため、高温での強度が低い。一方、核融合炉等の装置は高温下（例えば５００℃以上）で使用されることが多いので、これらの装置に使用される配管には、高温下での強度が求められる。そこで、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の高温下での強度を高めるために、析出強化、分散強化を行うことが提案されている。析出強化・分散強化を行って微細組織の制御を行ったＦｅＣｒＡｌフェライト系合金は高温下でも高い強度を示す。しかし、析出強化・分散強化を行ったＦｅＣｒＡｌフェライト系合金は非常に高価である。例えば、市場に存在する析出強化・分散強化型ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金として、Ｋａｎｔｈａｌ（登録商標）ＡＰＭＴ、ＦｅＣｒＡｌ－ＯＤＳが知られているが、Ｋａｎｔｈａｌ（登録商標）ＡＰＭＴ、ＦｅＣｒＡｌ－ＯＤＳは粉末冶金で作製されているため、大量生産が困難で、価格も高い。さらに、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金に含まれるＡｌは、放射能汚染されやすい元素であるため（中性子に配管等の構造材が晒された後の誘導放射能の問題）、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金を核融合炉の配管に用いる場合、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の使用量をなるべく低く抑えることが好ましい。特に、配管が炉心に近いほど、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の使用量を低くすることが好ましい。

【0007】

上記をまとめると、液体金属が流れる配管の材料には、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の使用量をなるべく低く抑えつつ、高い強度を有することが求められていた。

【0008】

また、大気や水蒸気による酸化が問題となる高温環境下での構造物にも、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の適用が期待される。このような構造物においても、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の使用量をなるべく低く抑えつつ、高い強度を有する材料が求められていた。

【0009】

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の使用量をなるべく低く抑えつつ、高い強度を有するクラッド鋼板及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の要旨は以下である。
（１）
母材鋼板であるオーステナイト系ステンレス鋼板と、
前記母材鋼板の少なくとも片面に形成されたＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層と、を有するクラッド鋼板であって、
前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層は、質量％で、Ｃｒ：１２～２２％、Ａｌ：５～１０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物であることを特徴とする、クラッド鋼板。
（２）
前記オーステナイト系ステンレス鋼板と前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層との間にには厚さ１０μｍ以上３０μｍ未満の拡散層が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のクラッド鋼板。
（３）
（１）または（２）に記載のクラッド鋼板を製造するクラッド鋼板の製造方法であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼板の表面と、質量％で、Ｃｒ：１２～２２％、Ａｌ：５～１０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物であるＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板の表面とを＃２０００まで研磨する研磨工程と、
前記オーステナイト系ステンレス鋼板の研磨面と、前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板の研磨面とを合わせ、１０００～１１００℃、１×１０^－１Ｐａよりも高真空で前記オーステナイト系ステンレス鋼板と前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板とを３０ＭＰａ以上のプレス圧力で５～１０分プレスする前処理工程と、
大気中で前記オーステナイト系ステンレス鋼板の表面温度が１０５０～１１５０℃となるまで加熱し、次いで前記オーステナイト系ステンレス鋼板と前記ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板との積層体を前記オーステナイト系ステンレス鋼板の表面温度が８００℃以上となるときの圧下率が１．４以上１．６未満となるように熱間圧延する熱間圧延工程と、を含むことを特徴とする、クラッド鋼板の製造方法。

【発明の効果】

【0011】

本発明の上記観点によれば、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の使用量をなるべく低く抑えつつ、高い強度を有するクラッド鋼板及びその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態であるクラッド鋼板の構成を模式的に示す側面図である。

【図2】本実施形態に係るクラッド鋼板の界面構造を示す反跳電子像（ＣＯＭＰＯ像）である。

【図3】前処理工程後の積層体の界面構造を示す反跳電子像である。

【図4A】本実施形態に係るクラッド鋼板の界面構造を示す反跳電子像である。

【図4B】クラッド鋼板の厚さ方向の元素分布を示すグラフである。

【図4C】クラッド鋼板の厚さ方向の元素分布を詳細に示すグラフである。

【図5】オーステナイト系ステンレス鋼板と拡散層との間にクラックが形成されていることを示す反跳電子像である。

【図6】引張せん断試験を行うための試験片を模式的に示す側面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

【図7】クラッド鋼板の表面近傍の元素マッピングの結果の一例を示すグラフである。（ａ）はＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層の表面及びその近傍の反跳電子像であり、（ｂ）は（ａ）に対応する酸素の元素マッピングの結果であり、（ｃ）は（ａ）に対応するＡｌの元素マッピングの結果である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜１．クラッド鋼板＞
まず、図１～２に基づいて、本実施形態に係るクラッド鋼板１の構成について説明する。図１はクラッド鋼板の構成を模式的に示す側面図である。図２はクラッド鋼板１の界面構造を示す反跳電子像である。

【0014】

クラッド鋼板１は、母材鋼板であるオーステナイト系ステンレス鋼板２と、合わせ材であるＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３と、拡散層４とを備える。

【0015】

オーステナイト系ステンレス鋼板２は、常温においてもオーステナイト組織を示すステンレス鋼である。オーステナイト系ステンレス鋼板２の種類は特に制限されず、公知のオーステナイト系ステンレス鋼板を特に制限なく使用することができる。オーステナイト系ステンレス鋼板２の成分も特に制限されず、公知のオーステナイト系ステンレス鋼板が有する成分を有していればよい。一例として、オーステナイト系ステンレス鋼板２は、質量％（オーステナイト系ステンレス鋼板２の総質量に対する質量％）で、Ｃｒ：１５～２０％、Ｎｉ：８～２２％を含有し、残部がＦｅ及び不純物で構成される。オーステナイト系ステンレス鋼板２の化学組成は燃焼赤外線吸収法、ＩＣＰ発光分光分析法、不活性ガス融解法などにより測定することができる。

【0016】

Ｃｒはオーステナイト系ステンレス鋼板２の耐食性に寄与する元素である。例えばクラッド鋼板１を液体金属が流れる配管に使用する場合、オーステナイト系ステンレス鋼板２は配管の外側（大気側）に向けられる。配管は高温になりやすいので、配管の周囲の大気も高温になりやすい。Ｃｒは、このような高温大気中でのオーステナイト系ステンレス鋼板２の腐食を防ぐ。Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼板２のＦｅをオーステナイト単相に保ち、さらにオーステナイト系ステンレス鋼板２の加工性を高める。不純物は、オーステナイト系ステンレス鋼板２を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入するものである。

【0017】

オーステナイト系ステンレス鋼板２の厚さは特に制限されず、クラッド鋼板１の用途等に応じて適宜調整されればよい。ただし、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層の使用量をなるべく低くするという観点からは、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の厚さ以上であることが好ましく、例えば５．０～１０．０ｍｍ程度であってもよい。

【0018】

ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３は、常温でフェライト組織を示す合金層であり、クラッド鋼板１に高い耐食性を付与する合金層である。ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３は、例えば質量％で、Ｃｒ：１２～２２％、Ａｌ：５～１０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物で構成される。ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の化学組成は、例えば走査型電子顕微鏡に付属するエネルギーまたは波長分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ－ＥＤＳやＷＤＳ）で測定される。また、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面（すなわち、クラッド鋼板１のＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３側の表面）には、アルミを主成分とする酸化膜が形成されている。ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面にアルミを主成分とする酸化膜が形成されていることは、例えば反跳電子像観察とＥＤＳまたはＷＤＳ分析とを組み合わせることで確認できる。すなわち、クラッド鋼板１の厚さ方向に平行な断面のうち、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面近傍を反跳電子像観察すると、黒色の膜が観察される。この膜をＥＤＳ分析すると、ＡｌとＯが検出される。これにより、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面にアルミを主成分とする酸化膜が形成されていることが確認できる。ＥＤＳ分析による元素マッピングの結果の一例を図７（ａ）～（ｃ）に示す。図７（ａ）はＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面及びその近傍の反跳電子像である。図７（ａ）中、明るく見える部分がＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３であり、黒く見える部分は樹脂である。樹脂部分とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３との界面がＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面に相当する。図７（ｂ）は（ａ）に対応する酸素の元素マッピングの結果であり、図７（ｃ）は（ａ）に対応するＡｌの元素マッピングの結果である。図７（ｂ）、（ｃ）はＥＤＳ分析により得られたものである。図７（ｂ）及び（ｃ）を見ると、樹脂部分とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３との界面において画像が明るくなっていることがわかる。これは、樹脂部分とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３との界面に酸素またはＡｌが存在することを示す。したがって、図７に示される通り、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面にアルミを主成分とする酸化膜が形成されていることが確認できる。

【0019】

ＣｒはＡｌと相乗してＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面に耐食性のアルミを主成分とする酸化膜を形成する。アルミを主成分とする酸化膜は、高温（例えば９００℃以上）の環境でＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面に形成される。後述するように、クラッド鋼板１の製造工程でＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３は高温（９００℃以上）に晒されるので、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面にアルミを主成分とする酸化膜が形成される。

【0020】

したがって、クラッド鋼板１を液体金属が流れる配管に使用する場合、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３は配管の内側（液体金属側）に向けられる。ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３は高温の（例えば、核融合炉の内部から熱を奪って高温となった）液体金属に接触する。しかし、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の表面にはアルミを主成分とする酸化膜が形成されているので、クラッド鋼板１の腐食（例えばエロ－ジョン・コロージョン）を防ぐことができる。

【0021】

Ｆｅの主な組成はフェライト相となっている。好ましくは、Ｆｅはフェライト単相となっている。不純物はＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の原料となるＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入するものである。

【0022】

ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の原料となるＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板は、例えば溶解法または粉末冶金法で製造された合金板である。ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板は、例えばＫａｎｔｈａｌ（登録商標）ＡＰＭＴ、ＦｅＣｒＡｌ－ＯＤＳである。

【0023】

ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の厚さは特に制限されないが、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の使用量をなるべく低く抑えるという観点からは、オーステナイト系ステンレス鋼板２の厚さ以下であることが好ましく、例えば０．１～５．０ｍｍ程度であってもよい。

【0024】

拡散層４は、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３との間に形成される。具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼板２からオーステナイト系ステンレス鋼板２の成分がＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３側に拡散し、かつ、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の成分がオーステナイト系ステンレス鋼板２側に拡散することで形成される。

【0025】

拡散層４の化学組成は、クラッド鋼板１に使用されるオーステナイト系ステンレス鋼板２及びＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の化学組成によって変動しうる。例えば、拡散層４は、質量％で、Ｃｒ：１７～２０％、Ｎｉ：０～１０％、Ａｌ：０～５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不純物で構成されてもよい。拡散層４の化学組成は、走査型電子顕微鏡に付属するエネルギーまたは波長分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ－ＥＤＳやＷＤＳ）により測定することができる。

【0026】

拡散層４の厚さは１０μｍ以上３０μｍ未満である。拡散層４の厚さがこの範囲内の値となる場合に、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３とが強固に接合される。

【0027】

拡散層４の厚さはクラッド鋼板１の厚さ方向の元素分析をＳＥＭ－ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光検出器）またはＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分光検出器）で行うことで測定することができる。図４Ｂ、Ｃは、ＥＤＳによる線分析の結果を示す。具体的には、図４Ｂ、Ｃは、クラッド鋼板１の表面（ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３側の表面）からのクラッド鋼板１の厚さ方向の距離（すなわち深さ）と、各深さ位置における各元素の質量％との関係をＥＤＳ線分析で分析した結果を示すグラフである。このグラフを深さ０μｍから深さ方向にトレースし、Ｎｉの質量％がバックグラウンドレベル（約０％）を超えた点を拡散層４とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３とのＦｅＣｒＡｌ合金側の拡散層開始地点Ｐとする。そして、当該グラフをさらにトレースし、Ｎｉの質量％がオーステナイト系ステンレス鋼板２のＮｉ濃度に等しくなった点を拡散層４とオーステナイト系ステンレス鋼板２とのオーステナイト系ステンレス鋼板２側の拡散層終了地点Ｑとする。そして、拡散層開始地点Ｐから拡散層終了地点Ｑまでの距離を拡散層４の厚さとする。ここで、拡散層開始地点Ｐと拡散層終了地点Ｑとのおよそ中間地点であって、アルミを主成分とする酸化膜が存在する面を接合界面Ｒとする。拡散層開始地点Ｐ、拡散層終了地点Ｑ、接合界面Ｒの反跳電子像における位置の一例を図４Ａに示した。

【0028】

図２は接合界面Ｒを含む界面構造を示す反跳電子像である。図中「ＳＵＳ３１６Ｌ」はオーステナイト系ステンレス鋼板２を示し、「ＡＰＭＴ」はＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３を示す。オーステナイト系ステンレス鋼板２よりもＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の方がやや暗く見えるが、これはＡｌによるものである。図中の黒い点はアルミを主成分とする酸化膜を示す。アルミを主成分とする酸化膜はオーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３との接合強度を弱めるので、なるべく分散して分布していることが好ましい。図２から明らかな通り、接合界面Ｒにおいてアルミを主成分とする酸化膜が分散して分布している。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３とは強固に接合されている。なお、詳細は図３を用いて後述するが、前処理工程の段階では、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’の接合界面Ｒ’にアルミを主成分とする酸化膜が切れ目なく分布している（アルミを主成分とする酸化膜を形成している）ため、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’との接合強度が弱い。

【0029】

本実施形態によれば、高強度のオーステナイト系ステンレス鋼板２の表面にＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３が形成されているので、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の使用量をなるべく低く抑えつつ、高い強度を有するクラッド鋼板１を提供することができる。

【0030】

＜２．クラッド鋼板の製造方法＞
つぎに、本実施形態に係るクラッド鋼板１の製造方法について説明する。まず、オーステナイト系ステンレス鋼板２及びＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’を準備する。ここで、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’はＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３の原料であり、質量％で、Ｃｒ：１２～２２％、Ａｌ：５～１０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物である。

【0031】

（２－１．研磨工程）
まず、研磨工程を行う。研磨工程では、オーステナイト系ステンレス鋼板２の表面と、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’の表面とを少なくとも＃２０００まで研磨する。これにより、各表面に存在する酸化膜を除去する。

【0032】

（２－２．前処理工程）
ついで、前処理工程を行う。前処理工程では、オーステナイト系ステンレス鋼板２の研磨面と、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’の研磨面とを合わせ、オーステナイト系ステンレス鋼板の表面温度が１０００～１１００℃となるまで加熱し、１×１０^－１Ｐａよりも高真空でオーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’とを３０ＭＰａ以上のプレス圧力で５～３０分プレスする。これにより、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’との積層体を作製する。

【0033】

前処理工程時のオーステナイト系ステンレス鋼板２の表面温度は、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’との接合性を高める観点から高いことが好ましく、具体的には、１０００℃以上で両者の接合性が改善する。一方で、温度が１１００℃を超えるとＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’からオーステナイト系ステンレス鋼板２にＡｌが過剰に拡散し、拡散層４’（前処理工程によりオーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’との間に形成された層）が過剰に厚くなる。このような拡散層４’は割れの原因となるので、上述した範囲内で生成することが好ましい。また、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’からオーステナイト系ステンレス鋼板２にＡｌが過剰に拡散すると、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’中のＡｌが少なくなり、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’のアルミを主成分とする酸化膜生成能力が低下する。したがって、前処理工程時の温度は１０００～１１００℃が好ましい。より好ましくは１０５０℃である。

【0034】

ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’からオーステナイト系ステンレス鋼板２へのＡｌの拡散はプレス温度が高いほど、また、プレス時間が長いほど進む。ただし、あまりにプレス時間が短いと拡散層４’が過剰に厚くなり、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’との接合強度が小さくなる。このため、前処理工程のプレス時間は５～３０分が好ましい。

【0035】

前処理工程は、１×１０^－１Ｐａよりも高真空で、３０ＭＰａ以上のプレス圧力で行う。これは、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’との接合界面Ｒ’（オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’とを合わせた面）に存在する酸素（空気中の酸素）をなるべく排除し、接合界面Ｒ’に接合強度を低下させるＣｒ_２Ｏ_３被膜、Ａｌ_２Ｏ_３被膜をなるべく生成しないようにするためである。図３は前処理工程によって作製された積層体の界面構造を示す反跳電子像である。図３に示すように、上述した条件で前処理工程を行っても、接合界面Ｒ’にアルミを主成分とする酸化膜は生成される（黒い点が接合界面Ｒ’に集中している）。しかし、このアルミを主成分とする酸化膜は、つぎの熱間圧延工程で破壊される。

【0036】

（２－３．熱間圧延工程）
つぎに、熱間圧延工程を行う。熱間圧延工程では、大気中でオーステナイト系ステンレス鋼板２の表面温度（大気中に露出している表面温度）が１０５０～１１５０℃となるまで加熱し、次いでオーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’との積層体をオーステナイト系ステンレス鋼板２の表面温度が８００℃以上となるときの圧下率が１．４以上１．６未満となるように熱間圧延する。これにより、クラッド鋼板１が作製される。

【0037】

熱間圧延工程時の温度は、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’との接合性を高める観点から高いことが好ましく、具体的には、１０５０℃以上で両者の接合性が改善する。一方で、温度が１１５０℃を超えるとクラッド鋼板１の機械的強度が低下する。したがって、熱間圧延工程時の温度は１０５０～１１５０℃が好ましい。より好ましくは１０７０～１０８５℃である。

【0038】

圧延ロールの送り速度は特に制限されないが、０．４４ｍ／ｓ以上が好ましい。これにより、本実施形態に係るクラッド鋼板１をより確実に製造することができる。

【0039】

ちなみに、熱間圧延工程時のロールの温度は室温である。このため、熱間圧延前にはオーステナイト系ステンレス鋼板２の表面温度は１０５０℃以上まで加熱されるが、圧延の工程中に室温のロールと接触することによってオーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’は冷却される。熱間圧延は、オーステナイト系ステンレス鋼板２の表面温度が８００℃以上（好ましくは８５０℃以上）となるときの圧下率が１．４以上１．６未満となるように行われる。ここで、圧下率は、熱間圧延前の積層体の厚さを熱間圧延後の積層体（すなわち、クラッド鋼板１）の厚さで除した値である。これにより、クラッド鋼板１におけるオーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３との接合性が改善される。つまり、圧下率を１．４以上とすることで、接合界面Ｒ’に存在するアルミを主成分とする酸化膜が破壊され、新たな接合界面Ｒが露出し、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３とオーステナイト系ステンレス鋼板２とが強固に接合される。圧下率が１．６以上となる場合、オーステナイト系ステンレス鋼板２とＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３との変形能の違いから、オーステナイト系ステンレス鋼板２と拡散層４との間（拡散層終了地点Ｑ）にクラックが生じる。図５は、オーステナイト系ステンレス鋼板２と拡散層４との間（拡散層終了地点Ｑ）に生じたクラックを示す反跳電子像である。

【0040】

以上述べた通り、本実施形態に係るクラッド鋼板１及びその製造方法では、母材鋼板としてオーステナイト系ステンレス鋼板２を用いつつ、合わせ材としてＦｅＣｒＡｌフェライト系合金を使用しているので、ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金の使用量をなるべく低く抑えつつ、高い強度を有するクラッド鋼板１及びその製造方法を提供することができる。

【0041】

＜３．クラッド鋼板の用途＞
クラッド鋼板１は、例えば液体金属が流れる配管に好適に使用される。この液体金属は、例えば核融合炉の炉壁の冷却に使用される液体金属である。その他、５００℃以上の鉛系およびリチウム系液体金属が通る厳しい腐食環境で使用される、液体金属冷却高速炉、原子炉、核融合炉液体金属増殖ブランケットの配管材に好適に使用される。

【0042】

また、大気や水蒸気による酸化が問題となる高温環境下での構造物にも好適に使用される。具体的には、合わせ材のＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層３が３００～４００℃においてはＣｒ_２Ｏ_３被膜を、９００～１２００℃の高温で保護性のα-Ａｌ_２Ｏ_３被膜を形成するため、沸騰水型原子炉の炉水に接触していてオーステナイト系ステンレス鋼板２が使用されているシュラウドなどの部材において、過酷事故時の水蒸気酸化による水素発生を抑制し、安全を担保することが可能である。

【実施例0043】

Ｋａｎｔｈａｌ（登録商標）ＡＰＭＴ（Ｆｅ－２２Ｃｒ－６Ａｌ、数値は質量％を示す）丸棒と市販のオーステナイト系ステンレス鋼板（ＳＵＳ３１６Ｌ、１８Ｃｒ－１２Ｎｉ－２．５Ｍｏ、数値は質量％を示す）とをそれぞれ幅１０ｍｍ×長さ２５ｍｍ×厚さ５ｍｍ（ＡＰＭＴ），１０ｍｍ（ＳＵＳ）に切断した。切断はワイヤ放電加工機を用いて行った。具体的には、ワイヤ半径０．１００ｍｍ、最小設定単位０．００１ｍｍのワイヤ放電加工機を用いて、オンタイム：６μｓ、オフタイム：４１μｓ、ピーク電流：１６Ａ、無負荷電圧：４０Ｖ、サーボ基準電圧：４０Ｖ、速度２．００ｍｍ／ｍｉｎ、オフセット量０．１２３ｍｍの条件で各材料を切断した。これにより、オーステナイト系ステンレス鋼板２及びＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’の試験片を準備した。

【0044】

ついで、これらの接合面をダイヤモンド砥粒で１μｍまで研磨し、オーステナイト系ステンレス鋼板２及びＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’をこれらの研磨面が合わさるように重ね合わせた。ついで、積層体の片端を穿孔してボルトで固定した。固定の際に傷が入り、その凹凸は＃２０００相当であった。ついで、上述した前処理工程を行った。具体的には、６×１０^－２Ｐａ以下の真空ホットプレスを行った。真空ホットプレス時のオーステナイト系ステンレス鋼板２の表面温度は１０００～１１００℃とし、プレス圧力は３０ＭＰａとし、プレス時間は１０分とした。前処理工程後の積層体（仮接合材）を約１０５０℃（オーステナイト系ステンレス鋼板の表面温度）に再加熱し、オーステナイト系ステンレス鋼板の表面温度が８００℃以上となるときの圧下率が１．４となるように熱間圧延した。これにより、クラッド鋼板１の試験片を作製した。

【0045】

前処理工程によって得られた積層体の界面構造を図３に、最終的に作製されたクラッド鋼板の界面構造を図２に示す。いずれも反跳電子像である。前処理工程後の積層体においては、画像の中心部に厚さ１μｍ未満の連続した黒い線が見られる。クラッド鋼板においては黒い線が途切れた箇所が存在し、周辺に黒い点状の組織が散見される。ＥＤＳ分析からこれら黒色部ではＡｌ、Ｏの濃化が確認された。したがって、これらの黒い点はアルミを主成分とする酸化物であり、図２の黒い線はアルミを主成分とする酸化膜であることがわかった。熱間圧延後の黒い線が途切れている部分では、圧延によってアルミを主成分とする酸化膜が破壊され、ＡＰＭＴの新生界面（接合界面Ｒ）が露出し、母材であるＳＵＳ３１６ＬとＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層とが直接接合されたと考えられる。

【0046】

なお、上述した方法により拡散層４の厚さを測定した。このとき得られたグラフは図４Ｂ、Ｃに示すとおりであり、具体的な厚さは１５μｍであった。

【0047】

つぎに、熱間圧延時の圧下率を１．６として同様の試験を行った。この結果得られたクラッド鋼板１の試験片の反跳電子像（界面構造の反跳電子像）を図５に示す。同図から明らかなように、オーステナイト系ステンレス鋼板２と拡散層４との間（拡散層終了地点Ｑ）にクラックが生じていた。したがって、圧下率は１．４以上１．６未満が適していることが明らかとなった。

【0048】

つぎに、クラッド鋼板の接合強度を評価した。具体的には、実施例で作製された圧下率１．４のクラッド材から、接合界面Ｒを起点として、Ｋａｎｔｈａｌ（登録商標）ＡＰＭＴ及びオーステナイト系ステンレス鋼板がそれぞれ幅４ｍｍ×長さ１６ｍｍ×厚さ１．５ｍｍだけ残るように切断して、オーステナイト系ステンレス鋼板２及びＦｅＣｒＡｌフェライト系合金板３’の形状となる試験片を準備した。切断はワイヤ放電加工機を用いて行い、切断時の条件は上述した条件と同様とした。ついで、図６に示すように、クラッド鋼板１の長さ方向の中心部を中心とした長さ２ｍｍの部分を接合部分として残し、接合部分の長さ方向両端を互い違いに長さ２ｍｍだけ削り取った。これを引張せん断試験の試験片とした。

【0049】

作製した試験片を単軸引張試験機にセットし、ひずみ速度を１×１０^０／ｍｉｎで一定に保ち接合界面に平行な方向（試験片の長さ方向）の引張試験を行った。この結果、引張強度は６３２ＭＰａで、ＡＰＭＴ側の切り込みを入れた角の部分から破断した（図６の２’’）。なお、前処理工程後の積層体についても同様の試験片を作製し、引張試験を行ったところ、引張強度は２７８ＭＰaで、ＡＰＭＴ側の２ｍｍの部分（図６の２’）で破断した。したがって、本実施形態に係るクラッド鋼板１は、高い引張強度を有することが明らかになった。

【0050】

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0051】

１…クラッド鋼板、２…オーステナイト系ステンレス鋼板、３…ＦｅＣｒＡｌフェライト系合金層、４…拡散層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【図7】