JP2003239060A - Ni基合金管の熱処理方法 - Google Patents

Ni基合金管の熱処理方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】Ni基合金管の内表面に、高温水環境でNiの
溶出を抑制する2層構造の酸化皮膜を確実かつ高能率に
生成させることが可能な熱処理方法の提供。 【解決手段】連続式熱処理炉の出側に最低2基のガス供
給装置を設けるか、または出側と入側に各1基のガス供
給装置を設け、これらガス供給装置のうちの1基と炉内
を貫通するガス導入管とで炉装入前の被処理管の内部に
その進行方向の先端側から露点が−60℃から+20℃
までの範囲内にある水素または水素とアルゴンの混合ガ
スからなる雰囲気ガスを供給しつつ管を炉に装入して6
50〜1200℃で1〜1200分保持する際、管の先
端が炉の出側に到達した後に管の内部への雰囲気ガスの
供給を他のガス供給装置からの供給に切り替える操作を
繰り返す熱処理方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、管の内面に母材か
らのNi溶出を抑制する酸化皮膜を有するNi基合金管
を工業的規模で安価に製造することができるNi基合金
管の熱処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】Ni基合金は、機械的性質にも優れてい
るので種々の部材として使用されている。特に原子炉の
部材として使用される材料としては、高温水に曝される
ので耐食性に優れたNi基合金が使用され、たとえば、
加圧水型原子炉(PWR)の蒸気発生器の伝熱管にはア
ロイ690(60%Ni−30%Cr−10%Fe、商
品名)が使用されている。
【0003】これらは短いもので数年、長い場合には数
10年もの間、原子炉の炉水環境である300℃前後の
高温水の環境で用いられることになる。Ni基合金は、
耐食性に優れており腐食速度は遅いが、長期間の使用に
よりわずかではあるがNiが母材から溶出してNiイオ
ンとなる。
【0004】溶出したNiは、炉水が循環する過程で、
炉心部に運ばれ燃料の近傍で中性子の照射を受ける。N
iが中性子照射を受けると核反応によりCoに変換す
る。Coは、半減期が非常に長いため、放射線を長期間
放出し続ける。従って、溶出Ni量が多くなると、定期
検査などをおこなう作業者の被曝線量が増大する。
【0005】被曝線量を少なくすることは、軽水炉を長
期にわたり使用していく上で非常に重要な課題である。
従って、これまでにも材料側の耐食性の改善や原子炉水
の水質を制御することによりNi基合金中のNiの溶出
を防止する対策が採られてきた。
【0006】特開昭64−55366号公報には、Ni
基合金伝熱管を10−2〜10−4torrという真空度の
雰囲気で、400〜750℃の温度域で焼鈍してクロム
酸化物を主体とする酸化皮膜を形成させ、耐全面腐食性
を改善する方法が開示されている。また、特開平1−1
59362号公報には、不活性ガス中に10−2〜10
−4体積%の酸素を混入させ、400〜750℃の温度
域で熱処理してクロム酸化物(Cr)を主体とす
る酸化皮膜を生成させ耐粒界応力腐食割れ性を改善する
方法が開示されている。
【0007】特開平2−47249号公報および同2−
80552号公報には、加熱器管用ステンレス鋼を特定
量の酸素を含む不活性ガス中で加熱してクロム酸化物か
らなる皮膜を生成させることにより、ステンレス鋼中の
NiやCoの溶出を抑制する方法が開示されている。
【0008】特開平3−153858号公報には、Cr
含有酸化物をCrを含まない酸化物より多く含む酸化物
層を表面に備えた高温水中での耐溶出性ステンレス鋼が
開示されている。
【0009】これらの方法は、いずれもCrを主
体とする酸化皮膜を熱処理により生成させることにより
金属溶出量を低減させるものである。しかし、これらの
方法で得られたCr皮膜は、長期間の使用では損
傷等によって溶出防止の効果が失われる。これは、皮膜
厚さが不十分なこと、皮膜構造が不適当なこと、および
皮膜中のCr含有量が少ないことが原因であると考えら
れる。
【0010】特開平4−350180号公報には、内面
電解研磨した超高純度ガス用ステンレス鋼管(いわゆる
EP管)を順次連結しながら内面に水素ガスを連続的に
供給しつつ固溶化熱処理を施すことにより、Cr
を主体とする不働態皮膜を生成させて管内面からのガス
成分の放出を減少させる方法が開示されている。この方
法は、均一な不働態皮膜を容易に形成できるが、電解研
磨等の高清浄度化のための前処理を要するため、工数が
多く費用が嵩む。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、事前
に管内面の電解研磨等の費用のかかる前処理を必要とせ
ずに、長期間にわたり高温水環境でNiの溶出が極めて
少ないNi基合金管を工業的規模で安価に製造すること
ができるNi基合金管の熱処理方法を提供することにあ
る。
【0012】なお、上記のNi基合金製管とは、その内
面に、金属元素の総量に占めるCrが50%以上である
Crを主体とする第1層、およびこの第1層の外
側に存在するMnCrを主体とする第2層の少な
くとも2層を含む酸化皮膜を有し、上記第1層のCr
の結晶粒径が50〜1000nmで、酸化皮膜の全
厚みが180〜1500nmの管である。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、下記(1)お
よび(2)のNi基合金管の熱処理方法を要旨とする。
なお、以下の説明において、成分含有量の%は、特に断
らない限り質量%である。 (1)連続式熱処理炉により被処理管を650〜120
0℃で1〜1200分保持するNi基合金管の熱処理方
法であって、露点が−60℃から+20℃までの範囲内
にある水素または水素とアルゴンの混合ガスからなる雰
囲気ガスを供給する少なくとも2基のガス供給装置を前
記連続式熱処理炉の出側に被処理管の進行方向への移動
が自在なように設け、そのうちの1基のガス供給装置と
連続式熱処理炉内を貫通するように配置されるガス導入
管とを用いて連続式熱処理炉に進入する以前の被処理管
の内部にその進行方向の先端側から前記の雰囲気ガスを
供給しつつ被処理管を連続式熱処理炉内に装入する一
方、被処理管の先端が連続式熱処理炉の出側に到達した
後に被処理管の内部への雰囲気ガスの供給を他のガス供
給装置からの供給に切り替える操作を繰り返すことを特
徴とするNi基合金管の熱処理方法。 (2)連続式熱処理炉により被処理管を650〜120
0℃で1〜1200分保持するNi基合金管の熱処理方
法であって、露点が−60℃から+20℃までの範囲内
にある水素または水素とアルゴンの混合ガスからなる雰
囲気ガスを供給する少なくとも1基のガス供給装置を連
続式熱処理炉の入側と出側に被処理管の進行方向への移
動が自在なようにそれぞれ設け、連続式熱処理炉の入側
に設けたガス供給装置と、被処理管よりも長くかつ連続
式熱処理炉内を貫通するように配置されるガス導入管と
を用いて連続式熱処理炉に進入する以前の被処理管の内
部にその進行方向の先端側から前記の雰囲気ガスを供給
しつつ被処理管を連続式熱処理炉内に装入する一方、被
処理管の先端が連続式熱処理炉の出側に到達した後に被
処理管の内部への雰囲気ガスの供給を連続式熱処理炉の
出側に設けたガス供給装置からの供給に切り替える操作
を繰り返すことを特徴とするNi基合金管の熱処理方
法。
【0014】上記(1)および(2)の方法において
は、そのNi基合金管は、C:0.01〜0.15%、
Mn:0.1〜1.0%、Cr:10〜40%、Fe:
5〜15%およびTi:0(好ましくは0.1)〜0.
5%を含み、残部がNiおよび不純物からなるNi基合
金、さらには、質量%で、C:0.015〜0.025
%、Si:0.50%以下、Mn:0.50%以下、C
r:28.5〜31.0%、Fe:9.0〜11.0%
を含み、残部が58.0%以上のNiおよび不純物から
なり、不純物としてのCo、Cu、S、P、N、Al、
B、Ti、MoおよびNbが、それぞれ、0.020%
以下、0.10%以下、0.003%以下、0.015
%以下、0.050%以下、0.40%以下、0.00
5%以下、0.40%、0.2%以下、0.1%以下で
あるNi基合金からなるものであることが望ましい。
【0015】また、上記(1)および(2)の方法にお
いては、その熱処理の後に、さらに650〜750℃で
300〜1200分間保持する熱処理を施してもよい。
また、Ni基合金管は冷間加工を施したものであること
が望ましい。これは、冷間加工はNi基合金製管の内表
面をCrが拡散しやすい状態にし、後続の酸化皮膜形成
処理において酸化皮膜形成を促進する効果があるからで
ある。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の熱処理方法につい
て、添付図面を用いて詳細に説明する。
【0017】図1は、請求項1に記載の本発明の熱処理
方法の一実施態様を示す平面図(炉内部分は炉中の平面
図)である。同図(a)は先行の熱処理中の被処理管群
1aと後続の熱処理前の被処理管群1bに対する管の内
部への雰囲気ガスの供給態様を示す。同図(b)は熱処
理中の先行被処理管群1aと後続被処理管群1bに対す
る管の内部への雰囲気ガスの供給態様を示す。同図
(c)は熱処理中の後続被処理管群1bに対する管の内
部への雰囲気ガスの供給切り替え態様を示す。
【0018】図1において、連続式熱処理炉(以下、単
に熱処理炉という)5は、加熱帯5aと冷却帯5bとを
備えている。この熱処理炉5の炉内雰囲気は水素ガス雰
囲気で、大気が流入しないように大気圧よりも若干高い
炉圧に設定されている。
【0019】熱処理炉5の出側(図中の右方)には、2
基のガス供給装置4a、4bが設けられている。このガ
ス供給装置4a、4bは、いずれも、白抜き矢印の方向
に搬送される被処理管群1a、1bと同じ方向へ進退可
能に設けられている。なお、図示例のガス供給装置4a
と4bは、干渉しないように、紙面に対して垂直な方向
に位置をずらして配置されている。
【0020】先行の被処理管群1aと後続の被処理管群
1bは、いずれも、図2にその拡大図を示すように、ガ
ス導入管3が並設されたヘッダー2の先細のノズル2a
にその先端部が差し込まれている。ここで、ヘッダー2
とガス導入管3は導通していない。
【0021】図1に示す方法においては、露点が−60
℃から+20℃の範囲内にある水素または水素とアルゴ
ンの混合ガスからなる雰囲気ガス(以下、単に雰囲気ガ
スという)を、熱処理中の先行の被処理管群1aの管の
内部にはガス供給装置4aから供給し、熱処理前の後続
の被処理管群1bの管の内部には先行の被処理管群1a
のヘッダー2に併設されたガス導入管3を介してガス供
給装置4bから供給する(同図(a)参照)。
【0022】次いで、上記の状態を保持したまま、先行
の被処理管群1aと後続の被処理管群1bを白抜き矢印
の方向に搬送して両群の被処理管を熱処理する(同図
(b)参照)。
【0023】その後、後続の被処理管群1bの先端が熱
処理炉5の出側に到達した後、次の操作を行う。(1) 先
行の被処理管群1aのヘッダー2とガス供給装置4aの
接続を解除する。(2) 先行の被処理管群1aのガス導入
管3と後続の被処理管群1bのヘッダー2の接続を解除
する。(3) 後続の被処理管群1bのヘッダー2とガス供
給装置4aを接続する。即ち、後続の被処理管群1bの
接続をガス供給装置4bからガス供給装置4aに切り替
える。(4) 先行の被処理管群1aのガス導入管3とガス
供給装置4bの接続を解除する。(5) ガス供給装置4b
を次の後続の被処理管群1cの管内部へ雰囲気ガスを供
給するために、被処理管群1cのガス導入管3に接続す
べく待機させる(同図(c)参照)。
【0024】図3は、請求項2に記載の本発明の熱処理
方法の一実施態様を示す図1と同様の平面図である。同
図(a)は熱処理前の先行の被処理管群1aに対する管
の内部への雰囲気ガスの供給態様を示す。同図(b)は
熱処理中の先行の被処理管群1aの管の内部への雰囲気
ガスの供給切り替え態様を示す。同図(c)は熱処理中
の先行の被処理管群1aと後続の被処理管群1bの管の
内部への雰囲気ガスの供給態様を示す。
【0025】図3において、熱処理炉5は図1の場合と
同じである。この方法では、図1の場合と異なり、熱処
理炉5の入側(図中の左方)と出側(図中の右方)に、
それぞれ、1基のガス供給装置4aと4bが設けられて
いる。このガス供給装置4a、4bは、図1の場合と同
様に、いずれも、白抜き矢印の方向に搬送される被処理
管群1a、1bと同じ方向へ進退可能に設けられてい
る。
【0026】熱処理前の先行の被処理管群1aおよび後
続の被処理管群1bは、いずれも、図4にその拡大平面
図を示すように、長手方向の中央部に設けられ、その右
端部に開閉可能な栓体2bが装着された突起部2cを有
するヘッダー2の先細のノズル2aにその先端部が差し
込まれている。また、ガス導入管3は、ヘッダー2の長
手方向の中央部に位置する先細のノズル2aにその先端
部が差し込まれている。ここで、ガス導入管3の左端部
の内部には、図示は省略するが、矢印方向へのガス流れ
のみを許容する逆止弁が装着されているが、この逆止弁
は必ずしも必要ではない。
【0027】この図3に示す方法においては、ガス導入
管3と栓体2bで閉じられたヘッダー2を介してガス供
給装置4aから前記と同じ雰囲気ガスを熱処理前の先行
の被処理管群1aの管の内部に供給する(同図(a)参
照)。
【0028】次いで、上記の状態を保持したまま、先行
の被処理管群1aを白抜き矢印の方向に搬送して熱処理
し、被処理管群1aの先端が熱処理炉5の出側に到達し
た後、その管の内部への雰囲気ガス供給を入側のガス供
給装置4aから出側のガス供給装置4bからの供給に切
り替え、入側のガス供給装置4aを後続の被処理管群の
管の内部への雰囲気ガス供給に備えさせる(同図(b)
参照)。この時、ヘダー2の突起部2cの右端部に装着
された栓体2bは当然のことながら「開」とされる。
【0029】図3の(c)は、前述したように、入側の
ガス供給装置4aからの雰囲気ガス供給を受けた後続の
被処理管群1bと、出側のガス供給装置4bからの雰囲
気ガス供給を受けた先行の被処理管群1aとの同時熱処
理態様を示している。
【0030】なお、図1および図3に示す方法におい
て、被処理管の長さが極端に短い場合には、2本以上の
被処理管をその管端部が内嵌する継手部材を用いて接続
し、その長さを長くして被処理管群1a(1b、1c)
を構成する各被処理管としてもよい。
【0031】上記図1および図3に示す方法において
は、ヘッダー2とガス導入管3のセットは、これを循環
使用することはいうまでもない。
【0032】上記のように、熱処理炉に入る前の被処理
管の内部に雰囲気ガスを流すことにより、管内部の空気
がパージされる。従って、熱処理中に管の内表面に目標
とする酸化皮膜が形成される。熱処理炉内でも、管の進
行方向とは逆方向に雰囲気ガスが管内を流れる。即ち、
洗浄後で熱処理前の管内面残留物は、熱処理の高温部で
気化し、管外に放出させる。なお、気化した管内面残留
物は、管内のガス流れで移動して未加熱部に達した所で
再凝縮し、管内表面に再付着することもあるが、管内の
ガス流れを上記の方向とすることによって、たとえ再付
着してもその後昇温され再気化するので、最終的には全
て管内から排出される。その結果、EP管のように事前
の電解研磨等を行わなくても、その内表面に所望の性能
を有する均一な酸化皮膜が形成される。
【0033】次に、雰囲気ガスとして露点が−60℃か
ら+20℃までの範囲内にある水素または水素とアルゴ
ンの混合ガスを用いることとした理由、熱処理条件を6
50〜1200℃で1〜1200分保持とした理由等に
ついて説明する。
【0034】1.雰囲気ガス 前述した酸化皮膜をNi基合金製管の内表面に生成させ
るためには、その雰囲気が重要であり、水素ガスまたは
水素とアルゴンの混合ガス雰囲気でなければならない。
また、前述の酸化皮膜を緻密に生成させるためには、上
記の雰囲気に水分を含有させなければならない。その量
は、露点で表したとき−60℃から+20℃までの範囲
である。望ましい露点の範囲は、0〜10体積%のアル
ゴンを含む水素の雰囲気で焼鈍する場合には、−30〜
+20℃、10〜80体積%のアルゴンを含む水素雰囲
気では−50〜0℃である。
【0035】2.熱処理条件(温度および時間) 熱処理の温度と時間は、必要な酸化皮膜の構造と厚さを
得るために制御する必要がある。まず、Crが安
定して効率よく生成する温度域を選択する必要があり、
その温度域は650〜1200℃である。650℃より
も低温では効率よくCrが生成しない。また、1
200℃よりも高温では生成したCrは粒成長に
より不均一となり、緻密性が失われ溶出防止に適した皮
膜にならない。
【0036】熱処理時間は皮膜の厚さを決める重要な因
子であり、1分未満ではCrを主体とする第1層
の酸化皮膜が、厚さ170nm以上の均一な皮膜になら
ない。一方、1200分よりも長時間の熱処理では第1
層の酸化皮膜が1200nmを超えて厚く生成してしま
い、また酸化皮膜の全厚が1500nmを超えて剥離し
やすくなり、皮膜のNi溶出防止効果が小さくなる。
【0037】上記の熱処理の前に被処理管(Ni基合金
管)に冷間加工を施しておくことが推奨される。冷間加
工された表面では酸化皮膜の形成が容易になり、かつ皮
膜が緻密になるからである。この冷間加工の加工率は3
0%以上であることが望ましい。加工率の上限に制約は
ないが、通常の技術で可能な90%が実際上の上限にな
る。なお、この冷間加工は、冷間抽伸や冷間圧延であ
る。
【0038】酸化皮膜形成の熱処理の後にTT(Thermal
Treatment)処理を施してもよい。この処理はNi基合
金管の高温水中での耐食性、特に耐応力腐食割れ性を高
めるのに有効である。熱処理温度は650〜750℃、
処理時間は300〜1200分が適当である。また、こ
の処理条件は、前記の酸化皮膜形成処理の条件と重複す
るので、酸化皮膜形成処理をもってTT処理に代えるこ
ともできる。
【0039】3.母材のNi基合金 本発明のNi基合金管の母材は、Niを主要成分とする
合金である。特に、Cを0.01〜0.15%、Mnを
0.1〜1.0%、Crを10〜40%、Feを5〜1
5%およびTiを0〜0.5%含み、残部がNiおよび
不純物からなる合金が望ましい。その理由は次のとおり
である。
【0040】Cは、合金の粒界強度を高めるために0.
01%以上含有させるのが望ましい。一方、良好な耐応
力腐食割れ性を得るためには、0.15%以下にするの
が好ましい。さらに、好ましいのは0.01〜0.06
%、より好ましいのは0.015〜0.025%であ
る。
【0041】Mnは、第2層のMnCr主体の皮
膜を形成させるために0.1%以上含有させるのが望ま
しい。ただし、1.0%を超えると合金の耐食性を低下
させる。望ましい上限は0.50%である。
【0042】Crは、金属の溶出を防止することのでき
る酸化皮膜を生成させるために必要な元素で、そのよう
な酸化皮膜を生成させるためには10%以上含有させる
必要がある。しかし、40%を超えると相対的にNi含
有量が少なくなるので合金の耐食性が低下する。望まし
いのは28.5〜31.0%である。
【0043】Feは、Niに固溶し高価なNiの一部に
代えて使用できる元素で、5%以上含有させるのが望ま
しい。ただし、15%を超えるとNi基合金の耐食性が
損なわれる。好ましいのは9.0〜11.0%である。
【0044】Tiは、合金の加工性を向上させる作用が
あるので必要に応じて添加するが、顕著な効果を得るた
めには0.1%以上含有させるのが望ましい。しかし、
0.5%を超えると合金の清浄性が損なわれる。添加時
の望ましい上限は0.40%である。
【0045】上記の成分以外は実質的にNiである。優
れた耐食性を備えたNi基合金とするためには、Ni含
有量は45〜75%、望ましくは58〜75%とするの
が好ましい。不純物としてのSiは0.50%以下、P
は0.030%以下、好ましいのは0.015%以下、
Sは0.015%以下、好ましいのは0.003%以
下、Coは0.020%以下、好ましいのは0.014
%以下、Cuは0.50%以下、好ましいのは0.10
%以下、Nは0.050%以下、Alは0.40%以
下、Bは0.005%以下、Moは0.2%以下、Nb
は0.1%以下に抑えるのが望ましい。
【0046】上記のNi基合金として代表的なものは、
下記の3種類である。
【0047】(1) C:0.15%以下、Si:0.50
%以下、Mn:1.00%以下、P:0.030%以
下、S:0.015%以下、Cr:14.00〜17.
00%、Fe:6.00〜10.00%、Cu:0.5
0%以下、Ni:72.00%以上の合金。
【0048】(2) C:0.05%以下、Si:0.50
%以下、Mn:0.50%以下、P:0.030%以
下、S:0.015%以下、Cr:27.00〜31.
00%、Fe:7.00〜11.00%、Cu:0.5
0%以下、Ni:58.00%以上の合金。
【0049】(3) C:0.015〜0.025%、S
i:0.50%以下、Mn:0.50%以下、P:0.
015%以下、S:0.003%以下、Cr:28.5
〜31.0%、Fe:9.0〜11.0%、Co:0.
020%以下、Cu:0.10%以下、N:0.050
%以下、Al:0.40%以下、B:0.005%以
下、Ti:0.40%以下、Mo:0.2%以下、N
b:0.1%以下、Ni:58.0%以上の合金。
【0050】4.酸化皮膜 (1) 酸化皮膜の構造 図5は、本発明の方法により熱処理されたNi基合金管
の内表面付近の断面を模式的に示したものである。図示
のように、Ni基合金管の内表面には酸化皮膜6がある
が、その断面構造は、大別すると母材7に近い方からC
主体とする第1層8とその外側のMnCr
を主体とする第2層9からなる。
【0051】図6は、Crが29.3%、Feが9.7
%、残部がNiである合金を母材とするNi基合金管の
内表面に本発明の熱処理方法により酸化皮膜を生成させ
た試料の2次イオン質量分析法(SIMS)による分析
結果である。この図のCrの構成比の高い部分がCr
を主体とする第1層であり、Mnの構成比の高い最
外層がMnCrを主体とする第2層である。これ
らの層にはMn、Al、Ti等の酸化物も含まれるがそ
れらの量はわずかである。
【0052】酸化皮膜は、その中でのNiの拡散速度が
小さいものでなくてはならない。また、製品の使用中に
皮膜が破壊されるようなことがあってもすぐに再生する
ことも必要である。このような機能を持つには酸化皮膜
が上記のような構造を有し、さらに、Crを主体
とする第1層のCr含有量、緻密さ等が適正でなければ
ならない。
【0053】従来のNi基合金の酸化皮膜の金属溶出防
止能が低いのは、酸化皮膜中のCr の占める割合
が低いこと、Crの膜厚が薄いこと、およびCr
の皮膜が緻密でないことに起因している。
【0054】(2) 第1層のCr含有量 高温水環境におけるNi基合金からのNiの溶出量に影
響するのは、第1層の酸化皮膜中のCr濃度である。そ
して、そのNiの溶出量を小さくするためには、第1層
中のCr含有量が50%以上で、かつ皮膜厚さと緻密さ
が所定の範囲にある場合である。このCr含有量が多い
ほど溶出防止効果が大きく、望ましいのは70%以上で
ある。
【0055】なお、ここでいうCrの含有量とは、第1
層であるCrを主体とする皮膜中の全金属成分の
総量を100としたときにその中に占めるCrの質量%
である。本明細書ではこのCr含有量が50%以上の皮
膜を「Crを主体とする皮膜」という。
【0056】(3) 第1層の中のCrの結晶粒径 酸化皮膜の緻密さを示す尺度としてCrの結晶粒
径が重要である。Ni基合金管の内面が高温水環境に曝
されると、Cr膜を通して母材からNiが溶出す
る。そのときNiはCrの粒界を拡散して移動す
る。Crの結晶粒径が50nmよりも小さいと、
結晶粒界が多くなり、Niの拡散を助長し、その溶出が
起こりやすくなる。従って、結晶粒径の下限は50nm
である。
【0057】Cr酸化皮膜がNi基合金管の内表
面上に均一に生成していても、いろいろな理由によりC
膜の破壊が起こる。破壊が起こると酸化皮膜が
全くない場合よりは少ないが、破壊箇所からのNiの溶
出が起こる。Cr膜が破壊される原因は、大きく
分けると次の2つである。まず、製造中または使用中の
製品管に負荷される外力である。製造中の外力の代表例
は曲げ加工である。使用中の外力としては振動などが挙
げられる。もう一つは、母材と酸化皮膜の熱膨張率の相
違に基づく応力である。
【0058】Ni基合金管の母材と酸化皮膜とでは熱膨
張率に差がある。従って、内表面に高温で酸化皮膜を生
成させた後、室温まで冷却すると酸化皮膜には圧縮応力
が、母材には引張応力が発生する。Crの結晶粒
径が1000nmを超えて粗大になるとCrの強
度が低下し、上記のような応力による皮膜の破壊に対す
る抵抗力が小さくなる。
【0059】なお、Crの結晶粒径とは、下記の
ようにして求めるものである。即ち、Ni基合金管を例
えばブロム−メタノール液中で溶解し、残った酸化皮膜
の母材界面側を、フィールドエミッション型2次電子顕
微鏡(FE−SEM)により、20,000倍で3視野
観察して各結晶の短径と長径の平均値を1結晶粒の粒径
とし、それらの平均値を求める。その値が結晶粒径であ
る。
【0060】(4) 第1層の皮膜厚さおよび酸化皮膜の全
厚さ Ni基合金管の内表面からのNi溶出を防止する酸化皮
膜として用いることのできる可能性があるのは、TiO
、AlおよびCrである。いずれも高
温水中で比較的溶解度が少なく緻密な酸化皮膜を生成さ
せれば、Ni溶出の防止に有効である。しかし、Ni基
合金中にTi、Al等が多量に存在すると金属間化合物
や介在物が多くなり、合金の加工性や耐食性に好ましく
ない影響を及ぼす。従って、本発明ではNi基合金管の
内表面にCrを主体とする酸化皮膜を積極的に生
成させるのである。
【0061】高温水環境におけるNi基合金管の内表面
からのNiの溶出は、Crを主体とする皮膜の厚
さにも影響される。Niの溶出防止に対して有効なCr
主体の皮膜の厚さは170〜1200nmであ
る。170nm未満の厚さでは比較的短時間で皮膜が破
壊されてNiが溶出し始める。一方、1200nmを超
えると、曲げ加工などの際に皮膜に亀裂が生じやすくな
る。従って、Cr主体の皮膜の厚さは170〜1
200nmが適当である。
【0062】前記のように母材と酸化皮膜との間には熱
膨張率の差があるため、酸化皮膜の全厚さが1500n
mを超えると皮膜に亀裂が生じて剥離しやすくなる。従
って、酸化皮膜の全厚さの上限を1500nmとする。
全厚さの最小値は、上記の第1層の厚さの望ましい下限
値と次に述べる第2層の望ましい下限値の合計値である
180nmとなる。
【0063】なお、酸化皮膜の全厚さとは、図6におい
て酸素(O)の相対強度が最大値の半分になる位置(図
6中に破線で示す位置)から図6の左端までの距離
(L)をいう。このLから下記の第2層の厚さ(L
を差し引いた厚さ(L)が第1層の厚さである。
【0064】(5) MnCrを主体とする第2層 第2層は、MnCrを主体とする酸化皮膜であ
る。このMnCr層は、母材中に含まれるMnが
外層まで拡散することで生成する。MnはCrと比べる
と酸化物の生成自由エネルギーが低く、高い酸素分圧下
で安定である。このため、母材近傍付近ではCr
が優先的に生成し、MnCrはその外層で生成す
る。Mn単独の酸化物にならないのはMnCr
この環境下で安定でCr量も十分あるからである。Ni
やFeも同様に酸化物の生成エネルギーが低いが、拡散
速度が遅いためこのような層状酸化皮膜に成長しない。
【0065】MnCrにより使用環境中において
Cr皮膜が保護される。また、Cr皮膜が
何らかの理由で破壊された場合でもMnCrが存
在することによってCr皮膜の修復が促進され
る。このような効果を得るためにMnCrの皮膜
は10〜200nm程度の厚さで存在するのが望まし
い。
【0066】母材中のMn含有量を増やすとMnCr
を積極的に生成させることができる。しかし、Mn
をあまり増やすと耐食性に悪影響を及ぼして製造コスト
が上昇する。従って、前記のように母材のMn含有量は
0.1〜1.0%であることが望ましい。特に望ましい
のは0.20〜0.40%である。
【0067】5.Ni基合金製品の製造方法 本発明が対象とするNi基合金管の製造方法としては、
所定の化学組成のNi基合金を溶製してインゴットとし
た後、通常、熱間加工−焼きなましの工程、または、熱
間加工−冷間加工−焼きなましの工程で製造される。さ
らに、母材の耐食性を向上させるため、前述のTT処理
が施されることもある。
【0068】本発明の熱処理方法は、上記の焼きなまし
の後に行ってもよく、また焼きなましを兼ねて行っても
よい。焼きなましを兼ねて行えば、従来の製造工程に加
えて酸化皮膜形成のための熱処理工程を追加する必要が
なくなり、製造コストが嵩まない。また、前述したよう
に、焼きなまし後にTT処理を行う場合は、これを酸化
皮膜形成の熱処理と兼ねて行ってもよい。さらには、焼
きなましとTT処理の両者を酸化皮膜形成の処理として
もよい。
【0069】
【実施例】実施例により本発明を詳細に説明する。
【0070】表1に示す化学組成の合金を真空中で溶解
し、そのインゴットを以下の工程で製品寸法の管にし
た。まず、インゴットを熱間鍛造してビレットにした
後、熱間押出製管法により素管とし、この素管をコール
ドピルガーミルによる冷間圧延で外径23.0mm、肉
厚1.4mmの抽伸用素管にした。次いで、この抽伸用
素管を1100℃の水素雰囲気中で焼きなました後、冷
間抽伸法により製品寸法が外径16.0mm、肉厚1.
0mm、長さ18000mm(断面減少率=50%)の
管に仕上げた。
【0071】その後、各管の内外面をアルカリ性脱脂液
およびリンス水で洗い、さらに内面をアセトン洗浄し、
その内表面に上記2層からなる酸化皮膜を形成させるべ
く、表2に示す各条件による熱処理試験に供した。管の
内部への雰囲気ガスの供給は、図3に示す方法により行
った(21本同時処理)。ただし、試験番号12につい
てはヘッダー2を管の後端側に配置し、本発明の方法と
は逆方向に雰囲気ガスを供給した。また、雰囲気ガスの
供給量は、いずれの場合も21本に対して合計で7Nm
/hとした。
【0072】
【表1】
【0073】熱処理後の各管から試験片を採取し、その
内表面に生成した酸化皮膜をSIMS分析法で調べて第
1層(Cr主体の酸化皮膜)の厚さと第2層(M
nCr主体の酸化皮膜)の厚さを調べた。また、
試験片をブロム−メタノール液に浸漬して分離した酸化
皮膜をFE−SEMで観察し、Crの結晶粒径を
調べた。
【0074】試験片は、そのまま溶出試験に供しイオン
溶出量を分析した。溶出試験では、オートクレープを使
用し、純水中でNiイオンの溶出量を測定した。その
際、試験片の内表面にTi製ロックを用いて純水を封じ
込めることにより、冶具等から溶出してくるイオンによ
り試験液が汚染するのを防いだ。試験温度は320℃と
し、1000時間純水中に潰漬した。試験終了後、直ち
に溶液を高周波プラズマ溶解法(ICP)により分析
し、Niイオンの溶出量を調べた。以上の結果を、表2
に併せて示す。
【0075】表2に示す結果からわかるように、本発明
の方法に従って熱処理を行った試験番号1から7までの
Ni溶出量は0.01〜0.03ppmの範囲で極めて
少ない。
【0076】これに対し、雰囲気ガスの供給方法は本発
明の方法であるが、雰囲気ガスの露点、熱処理温度およ
び時間のいずれかが本発明で規定する条件を外れる比較
例の試験番号8〜11のNi溶出量は0.29〜0.9
3ppmであった。また、雰囲気ガスの露点、熱処理温
度および時間のいずれも本発明で規定する条件を満たす
ものの、雰囲気ガスの供給方向が本発明とは逆の試験番
号12のNi溶出量は0.17ppmであった。
【0077】
【表2】
【0078】
【発明の効果】本発明の熱処理方法によれば、内表面に
高温純水環境下でのNi溶出を抑制する2層構造の酸化
皮膜を確実かつ高能率に生成させ得るので、原子炉構造
部材として使用して好適な品質の高いNi基合金管を安
価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の熱処理方法を説明するための平
面図である。
【図2】本発明の第1の熱処理方法に用いるガス導入管
とヘッダーを示す拡大平面図である。
【図3】本発明の第2の熱処理方法を説明するための平
面図である。
【図4】本発明の第2の熱処理方法に用いるガス導入管
とヘッダーを示す拡大平面図である。
【図5】本発明の熱処理方法で得られるNi基合金管の
内表面付近の断面を模式的に示す図である。
【図6】本発明の熱処理方法で得られるNi基合金管の
内表面付近のSIMS分析結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
1a、1b、1c:被処理管(Ni基合金管)群、 2:ヘッダー、 2a:ノズル、 2b:栓体、 2c:突起部、 3:ガス導入管、 4a、4b:ガス供給装置、 5:連続式熱処理炉、 5a:加熱帯、 5b:冷却帯、 6:酸化皮膜、 7:母材、 8:第1層、 9:第2層。
フロントページの続き (72)発明者 穴田 博之 兵庫県尼崎市東向島西之町1番地 住友金 属工業株式会社関西製造所特殊管事業所内 (72)発明者 來村 和潔 大阪府大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友金属工業株式会社内 Fターム(参考) 4E096 EA08 EA16 KA01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】連続式熱処理炉により被処理管を650〜
    1200℃で1〜1200分保持するNi基合金管の熱
    処理方法であって、露点が−60℃から+20℃までの
    範囲内にある水素または水素とアルゴンの混合ガスから
    なる雰囲気ガスを供給する少なくとも2基のガス供給装
    置を前記連続式熱処理炉の出側に被処理管の進行方向へ
    の移動が自在なように設け、そのうちの1基のガス供給
    装置と連続式熱処理炉内を貫通するように配置されるガ
    ス導入管とを用いて連続式熱処理炉に進入する以前の被
    処理管の内部にその進行方向の先端側から前記の雰囲気
    ガスを供給しつつ被処理管を連続式熱処理炉内に装入す
    る一方、被処理管の先端が連続式熱処理炉の出側に到達
    した後に被処理管の内部への雰囲気ガスの供給を他のガ
    ス供給装置からの供給に切り替える操作を繰り返すこと
    を特徴とするNi基合金管の熱処理方法。
  2. 【請求項2】連続式熱処理炉により被処理管を650〜
    1200℃で1〜1200分保持するNi基合金管の熱
    処理方法であって、露点が−60℃から+20℃までの
    範囲内にある水素または水素とアルゴンの混合ガスから
    なる雰囲気ガスを供給する少なくとも1基のガス供給装
    置を連続式熱処理炉の入側と出側に被処理管の進行方向
    への移動が自在なようにそれぞれ設け、連続式熱処理炉
    の入側に設けたガス供給装置と、被処理管よりも長くか
    つ連続式熱処理炉内を貫通するように配置されるガス導
    入管とを用いて連続式熱処理炉に進入する以前の被処理
    管の内部にその進行方向の先端側から前記の雰囲気ガス
    を供給しつつ被処理管を連続式熱処理炉内に装入する一
    方、被処理管の先端が連続式熱処理炉の出側に到達した
    後に被処理管の内部への雰囲気ガスの供給を連続式熱処
    理炉の出側に設けたガス供給装置からの供給に切り替え
    る操作を繰り返すことを特徴とするNi基合金管の熱処
    理方法。
  3. 【請求項3】Ni基合金管が、質量%で、C:0.01
    〜0.15%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:10〜
    40%、Fe:5〜15%およびTi:0〜0.5%を
    含み、残部がNiおよび不純物からなるNi基合金から
    なることを特徴とする請求項1または2に記載のNi基
    合金管の熱処理方法。
  4. 【請求項4】650〜1200℃で1〜1200分間保
    持する熱処理の後、さらに650〜750℃で300〜
    1200分間保持する熱処理を行うことを特徴とする請
    求項1から3までのいずれかに記載のNi基合金管の熱
    処理方法。
  5. 【請求項5】熱処理を行うNi基合金管が、冷間加工管
    であることを特徴とする請求項1から4までのいずれか
    に記載のNi基合金管の熱処理方法。
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