JP2000144335A - 高耐食性ステンレス鋼 - Google Patents

高耐食性ステンレス鋼

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JP2000144335A JP10313365A JP31336598A JP2000144335A JP 2000144335 A JP2000144335 A JP 2000144335A JP 10313365 A JP10313365 A JP 10313365A JP 31336598 A JP31336598 A JP 31336598A JP 2000144335 A JP2000144335 A JP 2000144335A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】放射線の影響を受ける環境で使用される高耐食
性ステンレス鋼の係り、特に核融合炉や原子炉などの原
子力関係や宇宙環境で使用する高耐食性ステンレス鋼。 【解決手段】温度550〜800℃で5分以上の熱処理
により粒界にMoの濃縮層が形成されていることを特徴
とし、粒界に形成されたMoの濃縮層の幅が20nm以
下であり、Moの組成比がSUS316L系ステンレス
鋼の規格に定められた範囲内のものである高耐食性ステ
ンレス鋼。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、放射線の影響を受
ける環境で使用される高耐食性ステンレス鋼の係り、特
に、核融合炉や原子炉などの原子力関係や宇宙環境で使
用する高耐食性ステンレス鋼に関する。
【0002】
【従来の技術】これまで原子炉の構造材料として、耐食
性が高いSUS304ステンレス鋼やSUS316ステ
ンレス鋼などが使用されてきた。また、近年では、熱鋭
敏化による腐食の観点から、低炭素鋼のSUS304L
ステンレス鋼やSUS316Lステンレス鋼が使用され
てきている。
【0003】しかし、放射線環境下、特に、中性子が長
期間照射される環境下では、粒界のCrが欠乏し、これ
に起因する耐食性の低下が粒界割れを生じる原因となる
可能性がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】原子炉を例に挙げる
と、日本では最初の原子炉ができてから30年近く経っ
ており、この間、多くの原子力発電所が建設され、今で
はおよそ50基の原子炉が稼働し、電力の約30%を担
うまでになってきている。
【0005】原子力発電所は、長く使用できればできる
ほど、立て替えや新規建設にかかる費用を節約でき、経
済的にも非常に有利となる。従つて、原子力発電所の心
臓部であり、腐食環境に曝される原子炉の長寿命化は、
重要な課題の一つとなっている。
【0006】本発明の目的は、上記に鑑み放射線環境下
でも長期にわたり高い耐食性を維持できるステンレス鋼
を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の要旨は次のとおりである。
【0008】〔1〕 粒界にMoの濃縮層が形成されて
いることを特徴とする高耐食性ステンレス鋼。
【0009】〔2〕 熱処理により粒界にMoの濃縮層
が形成されていることを特徴とする高耐食性ステンレス
鋼。
【0010】〔3〕 温度550〜800℃で5分以上
の熱処理により粒界にMoの濃縮層が形成されているこ
とを特徴とする高耐食性ステンレス鋼。
【0011】〔4〕 粒界にMoの濃縮層を形成させた
材料の機械的特性が、形成前の機械的特性と実質的に同
じである前記の高耐食性ステンレス鋼。
【0012】〔5〕 粒界に形成されたMoの濃縮層の
幅が20nm以下である前記の高耐食性ステンレス鋼。
【0013】〔6〕 粒界にMoやCによる析出物が存
在していない前記の高耐食性ステンレス鋼。
【0014】〔7〕 Moの組成比がSUS316L系
ステンレス鋼の規格に定められた範囲内のものである前
記の高耐食性ステンレス鋼。
【0015】
【発明の実施の形態】放射線環境下、特に、中性子照射
を受ける環境下でステンレス鋼の耐食性が低下するの
は、放射線照射により粒界から耐食性に係るCrが欠乏
するためである。
【0016】従って、放射線照射下での粒界Cr欠乏を
抑制するために、ステンレス鋼の粒界にMoを濃縮させ
る。即ち、Moを組成の一つとして有するステンレス鋼
に熱処理を加ることにより、粒界にMoの濃縮層を形成
する。熱処理条件は、Moの添加量、温度、時間に依存
し、Moの析出物が形成される前の段階で留める。
【0017】図1に示すように、ステンレス鋼1が高い
耐食性を示すのは、表面が不働態被膜であるCr不働態
酸化膜2に覆われているためである。通常この被膜が腐
食環境下において何らかの原因で破壊しても、ステンレ
ス内部よりCrが補充されて瞬時に再生される。
【0018】しかし、放射線環境下、特に、中性子照射
を長期間受ける環境下では、照射により粒界3からCr
が欠乏し、粒界近傍でCrの欠乏層4が形成されると、
粒界が表面に到る部分で被膜の破壊が生じた場合、そこ
でCrの補充がなされず不働態酸化被膜が再生されなく
なり、主構成元素であるFeイオン5の溶出が生じ、粒
界腐食6を生じる。
【0019】この現象を図2を用いて原子レベルで説明
する。ステンレス鋼1に入射した中性子7は、力スケー
ド8を生じ空孔(V)や格子間原子等の過剰な格子欠陥
を生じる。この内、いくつかの空孔(V)と格子間原子
の再結合9による消滅が起こり、残りは過剰な格子欠陥
として存在する。この状態は熱的に不安定である。
【0020】格子間原子の多くは粒界に流れ込む前にル
ープ状に結合し、多数の格子間原子型転位ループ10を
形成する。空孔(V)は、シンクの粒界3に流れ込む。
空孔(V)が拡散し粒界に流れ込むためには、他の原子
と位置交換をしなければならないが、粒界ではサイズ効
果により、溶媒原子より大きなCr原子が選択的に空孔
(V)と位置交換をし、空孔(V)の拡散方向と反対方
向に拡散する、いわゆる逆カーケンドール効果が生じ、
サイズ効果および逆カーケンドール効果による粒界Cr
の欠乏11によって、粒界3でCrが欠乏する。
【0021】ステンレス鋼1が腐食環境に置かれている
場合、何らかの原因で表面の不働態被膜が損傷しても、
瞬時に新たな被膜が形成されるが、上記のようにCrが
欠乏して、12重量%程度以下になったところでは、被
膜の再生が容易になされず耐食性の低下を招く。
【0022】そこで、このような照射下での粒界Cr欠
乏を抑制するために、本発明では熱処理により粒界にM
oの濃縮層を形成する。Moは耐食性を向上させる元素
でありSUS316系のステンレス鋼には2〜3重量%
添加されている。
【0023】しかし、図3に示すように、MoはCrと
同様にオーバーサイズ原子なので、照射下でCrと同様
に空孔(V)と位置交換をし、サイズ効果および逆カー
ケンドール効果による粒界Moの欠乏12により粒界か
ら欠乏する方向に動く。
【0024】粒界における原子数収支は式〔1〕に示す
ように、
【0025】
【数1】 Jv=JCr+JMo …〔1〕 粒界から流出するCr原子の数JCrと粒界から流出する
Mo原子の数JMoは、逆カーケンドール効果の原理か
ら、粒界に流れ込む空孔(V)の数Jvに等しいので、
粒界におけるMo原子の数が多ければ、相対的に粒界か
ら流出するCr原子の数JCrが減少する。
【0026】従つて、本発明により粒界にMoの濃縮層
を形成すれば、照射による粒界からのCrの欠乏を抑制
することができ、その結果、高耐食性を長期にわたり維
持することができるステンレス鋼を得ることができる。
【0027】粒界へのMo濃縮法としては熱処理を用い
る。ある濃度Moを添加されたステンレス鋼では、55
0℃〜800℃の温度で一定時間(5分以上)熱処理を
施すと、粒界にMoとFeの金属間化合物であるラーベ
ス相もしくはχ相が析出する。
【0028】このような析出が生じると耐食性が低下す
るので、熱処理は析出が生じる前駆段階、粒界にMoが
濃縮しているだけの状態に留めるようMo濃度を考慮し
て温度と時間を調整する。
【0029】
【実施例】本発明の実施例について以下に説明する。
【0030】〔実施例 1〕SUS316Lステンレス
鋼の粒界にMoの濃縮層を形成するため、マツフル型の
電気炉を用い、上記試料(10mm×10mm×5mm
t)を大気中で熱処理を施した。
【0031】まず、電気炉を650℃まで昇温し、一定
時間おいて温度が安定してから上記試料を入れ、1時間
経過後、試料を電気炉から取り出し水中で急冷した。
【0032】上記試料の粒界にMoが濃縮していること
を確かめるために、透過型電子顕微鏡用試料に加工し、
電界放出型透過電子顕微鏡およびそれに付属しているエ
ネルギー分散型X線分光分析装置により粒界組成を分析
した。透過型電子顕微鏡用試料への加工は、次の手順に
よった。
【0033】まず、低速精密切断機により、上記熱処理
後の試料から厚さ0.5mmの薄板を切り出した。これ
を機械研磨により厚さを0.2mmまで落とした。その
後打ち抜き治具により3mmφの試料を打ち抜いた。こ
のようにして作製した3mmφ×厚さ0.2mmの試料
を電解研磨(ツインジェット法)により薄膜化し、透過
型電子顕微鏡試料とした。
【0034】この試料の粒界近傍の濃度分布を、電界放
出型透過電子顕微鏡および付属のエネルギー分散型X線
分光分析装置を用いて分析した。分析時の電子線プロー
ブの直径はおよそlnmである。分析結果を図4に示
す。なお、比較のため熱処理前の試料(未熱処理材)に
対しも同様の分析を行つた結果も併せて示す。
【0035】図から明らかなように、未熱処理材試料に
比較し、熱処理材(650℃×1h)の粒界ではMoが
顕著に濃縮していた。
【0036】この時の粒界でのMoの濃度は、粒内のお
よそ5重量%に対し、およそ13重量%であり、約26
0%の濃縮度を有していることが分かる。また、この時
の濃縮層の幅は10nm以下と非常に狭かった。なお、
透過型電子顕微鏡観察の結果、粒界への析出物の形成は
観察されなかった。
【0037】〔実施例 2〕粒界Mo濃縮が、中性子照
射による粒界Cr欠乏を抑制し、高照射量まで高い耐食
性を維持できることを検証するために、中性子照射量に
対する粒界濃度変化を計算した。
【0038】SUS316Lステンレス鋼の場合、耐食
性は粒界のCr濃度のみと比較した場合よりも、粒界の
Cr濃度とMo濃度との和と比較した方が良い相関が得
られる。従つて、照射量に対する粒界濃度変化は、Cr
濃度とMo濃度との和で行つた。
【0039】初期の粒界Mo濃度を0重量%、10重量
%、15重量%の3種として、照射量を1×1024〜1
×1026(n/m2)としたときの、粒界Cr+Mo濃
度の変化を照射誘起偏析プログラムにより計算し、その
結果を図5に示す。
【0040】黒丸は、初期に粒界にMoを15重量%濃
縮させた場合、白丸は、初期に粒界にMoを10重量%
濃縮させた場合で、黒四角は、初期に粒界にMoを濃縮
させなかった場合の結果である。
【0041】いずれの計算条件の場合でも照射量の増加
と共に、粒界Cr+Mo濃度は減少した。しかし、初期
Mo濃度が高い条件ほど、照射量が増加しても粒界Cr
+Mo濃度が高いと云う結果が得られた。前記したよう
に、粒界Cr+Mo濃度は耐食性と良い相関を示すの
で、初期粒界Cr+Mo濃度が高い方が、照射量の増加
に伴う耐食性の低下を抑制する効果が高いことを示して
いる。
【0042】
【発明の効果】本発明によれば、長期にわたり放射線に
曝される環境下で、高い耐食性を従来材よりも長期間保
ち続けるステンレス鋼が得られ、これを使用することに
より原子炉の長寿命化を図ることが可能でとなり、原子
力発電所の立て替えや新規建設の費用を節減できるの
で、その経済的効果が非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】粒界Cr欠乏による耐食性の低下の様子を説明
する模式断面図である。
【図2】照射下での原子の挙動の様子の説明図である。
【図3】粒界Mo濃縮によるCr欠乏の抑制効果の説明
図である。
【図4】熱処理による粒界へのMo濃縮結果のグラフで
ある。
【図5】粒界濃度変化に及ぼすMo濃縮量のグラフであ
る。
【符号の説明】
1…ステンレス鋼、2…Cr不働態酸化被膜、3…粒
界、4…Cr欠乏層、5…Feイオン、6…粒界腐食、
7…中性子、8…カスケード、9…空孔(V)と格子間
原子の再結合、10…格子間原子型転位ループ、11…
サイズ効果および逆カーケンドール効果による粒界Cr
の欠乏、12…サイズ効果および逆カーケンドール効果
による粒界Moの欠乏。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G21C 13/08 G21C 3/06 P G21D 1/00 G21D 1/00 W (72)発明者 石山 嘉英 茨城県東茨城郡大洗町成田町2163番地 日 本核燃料開発株式会社内 (72)発明者 児玉 光弘 茨城県東茨城郡大洗町成田町2163番地 日 本核燃料開発株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粒界にMoの濃縮層が形成されているこ
    とを特徴とする高耐食性ステンレス鋼。
  2. 【請求項2】 熱処理により粒界にMoの濃縮層が形成
    されていることを特徴とする高耐食性ステンレス鋼。
  3. 【請求項3】 温度550〜800℃で5分以上の熱処
    理により粒界にMoの濃縮層が形成されていることを特
    徴とする高耐食性ステンレス鋼。
  4. 【請求項4】 粒界にMoの濃縮層を形成させた材料の
    機械的特性が、形成前の機械的特性と実質的に同じであ
    る請求項1,2または3に記載の高耐食性ステンレス
    鋼。
  5. 【請求項5】 粒界に形成されたMoの濃縮層の幅が2
    0nm以下である請求項1〜4のいずれかに記載の高耐
    食性ステンレス鋼。
  6. 【請求項6】 粒界にMoやCによる析出物が存在して
    いない請求項1〜5のいずれかに記載の高耐食性ステン
    レス鋼。
  7. 【請求項7】 Moの組成比がSUS316L系ステン
    レス鋼の規格に定められた範囲内のものである請求項1
    〜6のいずれかに記載の高耐食性ステンレス鋼。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2015107608A1 (ja) * 2014-01-17 2015-07-23 新日鐵住金株式会社 マルテンサイト系Cr含有鋼及び油井用鋼管
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