JP2014532174A - 耐摩耗性のおよび耐腐食性の原子炉のためのステンレス鋼パーツを生産するための方法、対応するパーツ、および、対応する制御クラスター - Google Patents

Abstract

この工程は、ステンレス鋼のプリフォームを提供するステップと、前記プリフォームを成形するステップと、ステンレス鋼のパーツ（２１、２７）を形成するために前記プリフォームを仕上げするステップであって、前記パーツ（２１、２７）の外側表面（２９、３１）での加工硬度の出現を避ける、または除去することを可能にする仕上げするステップと、原子種の拡散により前記パーツ（２１、２７）の前記外側表面を硬化するステップと、を含む。

Description

本発明は、１つまたは複数の原子種の拡散による硬化処理を介して耐摩耗性および耐腐食性が改善されているステンレス鋼のパーツの製造に関する。

本発明は、とりわけ、軽水炉（ＬＷＲ）、および、特に、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の中で使用されることが意図される中性子吸収棒の製造に適用される。

中性子吸収棒は、通常、制御クラスターにグループ化されている。これらのクラスターの中で、いくつかは、頻繁にガイドの中で移動し、運転中にガイドに対してこすれる。また、これらのクラスターは、水の流れの影響の下で振動もする。したがって、吸収棒は、摩耗するリスク、および、中性子吸収能力（原子炉の安全そのものである）の一部を喪失するリスクをその中に有していた。中性子吸収棒の被覆管および端部プラグは、とりわけ、この摩耗のリスクにさらされている。

とりわけ、原子炉が負荷追従モードで使用されているときの、これらの吸収棒のうちのいくつかの移動の周波数および振幅、また、とりわけ、静止位置のままのクラスターに関する、吸収棒のうちのいくつかの振動の周波数および振幅は、摩擦から生じる摩耗を考慮して、特定の数のクラスターの早期の交換を頻繁に制御および確保することが必要であるようになっている。

この摩耗に対抗するために、窒化によって、被覆管の外側表面を硬化させることが提案されてきた。ＦＲ−２６０４１８８、ＥＰ−４４６０８３、ＥＰ−５３７０６２、およびＥＰ−８０１１４２の文献は、プラズマ窒化ステップを説明している。

そのような窒化ステップは、吸収棒の被覆管の摩耗に対して、効率的な保護を提供する。

しかしながら、そのように窒化されたいくつかの表面は、不十分な耐腐食性を有し、製造後、輸送中に、保管中に、または、制御クラスターを稼働させるときに、さびの発生が起こり得るということが見出された。

ＦＲ−２６０４１８８ ＥＰ−４４６０８３ ＥＰ−５３７０６２ ＥＰ−８０１１４２

本発明の目的のうちの１つは、良好な耐摩耗性、および、良好な耐腐食性を有するパーツの製造を可能にする方法を提案することによって、この不利益を克服することである。

この目的のために、本発明は、原子炉のための耐摩耗性のおよび耐腐食性のステンレス鋼のパーツを生産するための方法に関し、前記方法は、
−ステンレス鋼のブランクを提供するステップと、
−前記ブランクを成形するステップと、
−ステンレス鋼の前記パーツを形成するために前記ブランクを仕上げするステップであって、前記パーツの外側表面上の加工硬度の発生を避けることまたは除去を可能にする仕上げするステップと、
−一つまたは複数の原子種の拡散により前記パーツの前記外側表面を硬化するステップと、
を含む。

前記方法の他の任意の特徴によれば、
−前記ブランクはオーステナイトステンレス鋼であり、前記提供するステップの前、または前記成形するステップ若しくは仕上げするステップの間に、前記ブランクは、少なくとも１つの溶体化焼鈍を受けており、前記少なくとも１つの溶体化焼鈍は、
−存在する任意の析出物を可溶化するために、十分な温度まで、および、十分な時間にわたり、前記ブランクを加熱するサブステップ、
−前記オーステナイト構造体が、室温において、準安定状態、および、析出物のない状態に、維持されることを可能にする速度で、前記ブランクを焼き入れするサブステップ
からなる。
−前記加熱するサブステップが、１０２０℃から１１５０℃の間の温度で行われる。
−前記加熱するサブステップが、１分３０秒から３０分の間の時間にわたり、好ましくは、３分から１０分の間の時間にわたり行われる。
−前記焼き入れするサブステップの間に、前記ブランクが、焼き入れ開始温度から、８５０℃より下方へ、３分未満で冷却され、かつ、４５０℃より下方へ、１５分未満で冷却される。
−前記成形するステップの間に、または、前記仕上げするステップの間に、前記溶体化焼鈍の後に、研削、ブラッシング、研磨、またはバフ研磨は続かない。
−前記仕上げするステップは、前記パーツの前記外側表面上の加工硬度の除去を可能にする。
−前記溶体化焼鈍は、前記仕上げするステップの間に行われる。
−前記仕上げするステップは、前記パーツの前記外側表面から表面層の除去を可能にする。
−前記仕上げするステップは、ステンレス鋼の前記パーツの前記外側表面をストリッピングするステップ、または、摩擦仕上げするステップの少なくとも１つを含む。
−前記ステンレス鋼は、炭素含有量が０．０３重量％以下であるオーステナイトステンレス鋼である。
−前記パーツの前記外側表面を硬化するステップは、プラズマ窒化、例えば浸炭窒化または軟窒化を含む。
−前記パーツの前記外側表面を硬化するステップは、浸炭または表面硬化を含む。

本発明は同様に、上記で説明したような方法に従って得られたパーツに関する。

一つの変異によれば、前記パーツは、被覆管であるか、または被覆管の端部プラグである。

本発明は同様に、スパイダーアセンブリと、前記スパイダーアセンブリによって担持されている吸収棒とを含む、加圧水型原子炉のための制御クラスターに関しており、前記吸収棒が、少なくとも１つの中性子吸収材料を含有する被覆管と、被覆管端部プラグとを含み、前記吸収棒（１３）のうちの少なくともいくつかの前記被覆管及び／または端部プラグが、例えば上記で説明したようなパーツであることを特徴としている。

本発明の他の態様および利点は、単に例として与えられている以下の説明を添付の図面を参照して、読むと、明らかになることとなる。

本発明による制御クラスターの吸収棒を図示する概略部分断面図である。 窒化前および窒化後のＡＩＳＩ ３１６Ｌの被覆管に関する強度／電位曲線（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ／ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｃｕｒｖｅ）を与える図である。 窒化された被覆管に対して実施された定電位試験（ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔｉｃ ｔｅｓｔｓ）から導かれた曲線を示しており、オーステナイト鋼の異なる組成、および、異なる窒化条件に対応する図である。 窒化された被覆管に対して実施された定電位試験から導かれた曲線を示しており、オーステナイト鋼の異なる組成、および、異なる窒化条件に対応する図である。 窒化された被覆管に対して実施された定電位試験から導かれた曲線を示しており、オーステナイト鋼の異なる組成、および、異なる窒化条件に対応する図である。 窒化前の、溶接されたブランク、および、溶接されていないブランクから導かれた被覆管に関する強度／電位曲線を与える図である。 窒化後の、溶接されたブランク、および、溶接されていないブランクから導かれた被覆管に関する図６と同様の図である。

図１では、核燃料アッセンブリ１の一部を見ることが可能であり、制御クラスター３の一部が、原子炉の炉心の反応度を制御し、原子炉の中に、アッセンブリ１が搭載されている。

従来の通り、アッセンブリ１は、一束の核燃料棒（図示せず）と、この束を保持および支持するスケルトン５とを含む。スケルトン５は、下側端部ピース７と、上側端部ピース９と、ガイドチューブ１１とを含み、ガイドチューブ１１は、下側端部ピース７および上側端部ピース９を接続している。図１では、単一のガイドチューブ１１が、図示されている。

制御クラスター３は、中性子吸収棒１３（そのうちの１つだけが、図１の中で見ることが可能である）と、スパイダー構造体１５とを含み、スパイダー構造体１５は、吸収棒１３を適切な場所に支持および保持し、吸収棒１３が互いに平行に置かれ、制御クラスター３を上に載せているアッセンブリ１のガイドチューブ１１と同じグリッドアレイに沿って横方向に位置付けされるようになっている。

スパイダー構造体１５は、制御クラスター３を移動メカニズム（図示せず）に接続するためのコネクター部１７と、コネクター部１７に接合されているウィング部１９とを含み、コネクター部１７のそれぞれの上に、１つまたは複数の吸収棒１３が固定されている。

図１に図示されている棒１３は、少なくとも１つの中性子吸収材料を含有している被覆管２１を含み、例えば、炭化ホウ素Ｂ_４Ｃのペレット２３のスタックの形態をしている。被覆管２１は、チューブであり、例えば、長さが３．８ｍで、９．７０ｍｍの外径および０．５ｍｍの厚さを有する。被覆管２１は、上側端部プラグ２５および下側端部プラグ２７によって閉じられている。例えば、下側端部プラグ２７の底部は、下向きに収束している。

従来の通り、原子炉の反応度を調整するために、制御クラスター３が、原子炉の炉心の中に挿入されるか、または、原子炉の炉心から引き抜かれ、吸収棒１３が、対応するガイドチューブ１１の内側で移動させられ、および、原子炉の上側内側エレメントの中に位置付けされているガイド（図示せず）に沿って移動させられるようになっている。

被覆管２１は、例えば、ＡＩＳＩ ３０４またはＡＩＳＩ ３１６タイプのオーステナイト鋼から作製され、一般的に、低炭素鋼ＡＩＳＩ ３０４ＬまたはＡＩＳＩ ３１６Ｌから作製されている。端部プラグ２７は、例えば、ＡＩＳＩ ３０８オーステナイト鋼であり、一般的に、低炭素鋼ＡＩＳＩ ３０８Ｌである。これらの鋼の組成が、（鋳造後の重量％で）Ｔａｂｌｅ １（表１）に与えられている。

より一般的には、被覆管２１は、炭素含有量が好ましくは、０．０３重量％以下であるオーステナイトステンレス鋼で作製される。また、被覆管２１は、他のタイプのステンレス鋼、好ましくは、低炭素鋼で作製することも可能である。

また、好ましくは、被覆管２１は、溶接を有していないチューブ状のブランクから作製される。また、被覆管２１は、例えば、熱処理が析出物（とりわけ、クロムおよびモリブデンの炭化物および窒化物）の再可溶化を可能にする場合には、ロール溶接された（ｒｏｌｌｅｄ−ｗｅｌｄｅｄ）ブランクから作製することも可能であり、これは、後述される溶体化焼鈍処理の際にあてはまる。

被覆管２１は、例えば、以下のステップを含む製造方法を使用して得られる。すなわち、
−随意的に溶体化焼鈍処理を受けたオーステナイトステンレス鋼のチューブ状のブランクを提供するステップであって、溶体化焼鈍処理は、すなわち、本明細書の意味において、
・析出物（とりわけ、クロムおよびモリブデンの炭化物および窒化物）を可溶化するために、十分な温度まで、および、十分な時間にわたり、チューブ状のブランクを加熱すること、次いで、
・オーステナイト構造を、室温において、準安定状態、および、析出物のない状態に、その後に維持することを可能にする速度で、チューブ状のブランクを焼き入れすること
を含む処理である、ステップと、
−ブランクを成形するステップであって、このステップは、
・チューブ状のブランクが溶体化焼鈍を受けていない場合には、そのような溶体化焼鈍を実施するサブステップ、
・１つまたは複数の冷間引き抜きまたは圧延サイクルを行い、それぞれの後に溶体化焼鈍が続くサブステップ、および、
・最終引き抜きするサブステップ
を含む、ステップと、
−仕上げするステップであって、この仕上げするステップは、場合により、
・ツルーイングをする（ｔｒｕｅｉｎｇ）サブステップ、
・研磨ストリップおよびホイールの上で研磨するサブステップ、
・品質管理するサブステップ、ならびに／または、
・ストリッピング／不動態化するサブステップ
を含む、ステップである。

上記に説明されている溶体化焼鈍作業に関して、加熱は、厳密に１０２０℃よりも高い温度で、好ましくは、１０４０℃よりも高い温度で、好ましくは、１１００℃よりも低い温度で、および、さらに好ましくは、１０８０℃よりも低い温度で行われることを確保されることが好ましい。

加熱時間は、例えば、（１ｍｍのオーダーの）小さい厚さのブランクに対して１分３０秒から、（１ｃｍのオーダーの）より大きい厚さのブランクに対して３０分の間であり、好ましくは、３分から１０分の間である。とりわけ、最後の熱処理に関して、加熱時間は、結晶粒成長を制限するほど長過ぎてはならず、そのような成長は、場合により、最終成分の特性に有害である。

焼き入れは、４５０〜８００℃の温度（クロムの窒化物および炭化物の析出範囲）に鋼を維持することを防止することを確保されることが好ましい。火炉負荷が低い（例えば、数個のブランクしか一緒に束ねられていない）場合には、ガス焼き入れ（好ましくは、中性ガスまたは非酸化性ガスを用いる）が、析出なしの冷却を確保するのに十分である。臨界焼き入れ速度は、鋼の炭素含有量に依存し、それは、炭素含有量が高ければ高いほど、速くなる。したがって、０．０３％炭素の重量含有量に関して、温度は、焼き入れの間に、焼き入れ開始温度から、８５０℃より下方の温度へ、好ましくは３分未満で、降下することとなり、そして、焼き入れ開始温度から、４５０℃の下方の温度へ、好ましくは、（１ｍｍのオーダーの）小さい厚さのブランクに対して、１５分未満で降下することとなり、（１ｃｍのオーダーの）より大きい厚さのブランクに対して１時間未満で降下することとなる。

Ｔａｂｌｅ ２（表２）は、被覆管２１を生産するために、オーステナイトステンレス鋼の溶接のないチューブ状のブランクを成形するステップおよび仕上げするステップのシーケンシングの２つの例を与えている。これらの異なる作業の後に、得られた被覆管２１は、下側端部プラグ２７の上に溶接した後で、１つまたは複数の原子種の拡散によって、その外側表面２９の硬化を受けることとなる。この硬化処理が、さらに説明される。

下側端部プラグ２７は、以下のステップ、例えば、
−熱間圧延によって得られるオーステナイトステンレス鋼の円筒形状のブランクを提供するステップと、
−一般的には１０５０〜１１５０℃のパーツの塊部分に適合される温度への加熱を伴って溶体化焼鈍するステップと、
−再度ツルーイングをするステップと、
−芯なし研削をするステップと、
−機械加工により成形するステップと、
−仕上げするステップと
を含む方法を使用して、生産することが可能である。

下側端部プラグ２７は、対応する被覆管２１の端部を覆って嵌め込まれ、酸化を防止するために、例えば、（タングステン不活性ガス）保護雰囲気の中でのＴＩＧ溶接を使用して、溶接されている。

次いで、被覆管２１およびその下側端部プラグ２７は、１つまたは複数の原子種の拡散によって、そのそれぞれの外側表面２９および３１の硬化ステップを受ける。

これは、ＦＲ−２６０４１８８、ＥＰ−４４６０８３、ＥＰ−５３７０６２、およびＥＰ−８０１１４２の文献に説明されているような、窒化ステップであることが可能である。

好ましくは、それは、例えば、ＥＰ−８０１１４２の文献に説明されているような、浸炭窒化ステップまたは軟窒化ステップである。

例えば、被覆管２１およびその下側端部プラグ２７を、３４０〜４５０℃、および、好ましくは４００〜４２０℃の処理温度において、窒素、水素、および炭化水素を含有するプラズマ活性化ガス雰囲気にさらすことが可能である。

そのそれぞれの外側表面２９および３１に近い被覆管２１および端部プラグ２７の層は、炭素および窒素によって拡散され、１０μｍから６０μｍの間の厚さを有し得る、これらの表面層の鋼の中で、炭素および窒素の固溶体が形成されるようになっている。

より一般的には、上記に説明されているもの以外に、原子種の拡散による外側表面２９および３１の他の硬化ステップを、使用することが可能である（ガス窒化、イオン表面硬化（ｉｏｎ ｃａｓｅ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）など）。

したがって、被覆管２１および端部プラグ２７の上に形成される表面層は、上昇した耐摩耗性を提供する。

また、出願人は、上記に説明されている方法によって得られる被覆管２１および下側端部プラグ２７は、硬化ステップの後に、良好な耐腐食性を示し、とりわけ、先行技術方法を使用して得られる被覆管および端部プラグの耐腐食性よりも良好な耐腐食性を示すということも確かめた。

上記に説明されているような１つまたは複数の溶体化焼鈍作業の使用を通して、窒化ステップの間に、表面層の窒素含有オーステナイトが偏析（ｄｅ−ｍｉｘｉｎｇ）して、窒化クロム、および、クロムの枯渇した金属相になり、低減される。

前記偏析は、公式によって説明することが可能である。
γ_Ｎ→γ_Ｎ−ｘ＋α＋ＣｒＮ
ここで、γ_Ｎは、窒素含有オーステナイトを表しており、γ_Ｎ−ｘは、窒素含有がより少ないオーステナイトを表しており、αは、フェライトを表しており、ＣｒＮは、窒化クロムを表している。

したがって、使用する過程において、被覆管２１の外側表面２９、および、下側端部プラグ２７の外側表面３１の腐食のリスクが低減される。

加えて、炭素含有量が低い場合には、炭化物の種の存在を低減させることが可能であり、炭化物の種は、窒化ステップの間に、炭窒化物の形成につながる可能性があり、また、表面層の中にオーステナイトの偏析を生じさせる可能性もある。したがって、この性質も、腐食感受性（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｏ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）を低減させるように寄与する。

（１つまたは複数の）溶体化焼鈍作業は、ブランクを提供する前に、および／または、成形するステップもしくは仕上げするステップの間に、実施することが可能である。

また、以下に述べられているように、チューブ状のブランクが溶接のないものである場合には、これは、被覆管２１の腐食感受性の低減も可能にする。

図２は、先に説明されているように得られたＡＩＳＩ ３１６Ｌの被覆管２１に関して、脱気されたホウ酸溶液（Ｈ_３ＢＯ_３の形態の中のＢが２０００ｐｐｍ、および、ＳＯ_４ ^２−が１０００ｐｐｍ）の中での、７０℃における、強度／電位曲線または分極曲線を与えている（窒化前（曲線３２）、および、窒化後（曲線３３））。

腐食電流が、Ｘ軸に沿って与えられ、μＡ／ｃｍ^２で表現されており、電位が、Ｙ軸に沿って与えられ、飽和カロメロ電極に対するｍＶ（ｍＶ／ＳＣＥ）で表現されている。見ることができるように、被覆管２１の腐食感受性は、窒化前には低いが、一方、それは、窒化された被覆管２１に関して、８倍高くなることが可能である。

窒化されていないオーステナイトステンレス鋼の活性ピーク（ａｃｔｉｖｉｔｙ ｐｅａｋ）を考慮すると、定電位試験の間の腐食電流の傾向、および、電流量の傾向を観察することが可能であり、この電流量は、ファラデーの法則にしたがって、腐食性材料の量に関係している。

使用される鋼（ＡＩＳＩ ３０４ＬおよびＡＩＳＩ ３１６Ｌ）の組成、ならびに、腐食性の鉄およびニッケル元素のそれぞれの価数を考慮して、活性ピーク（これらの鋼に関して−４９０ｍＶ／ＳＣＥ）を考慮すると、２．４〜２．７Ｃ／ｃｍ^２が、約１μｍの腐食性厚さに対応している。

図３〜図５は、異なる窒化された被覆管（高過ぎる温度で窒化されたものを含む）に対する定電位試験の結果の間の比較を可能にする。これらの図では、点線の曲線は、腐食電流ＩをμＡ／ｃｍ^２で表しており、実線の曲線は、腐食電流の量ＱをＣ／ｃｍ^２で表している。

これらの３つの試験のそれぞれに関して、活性ピーク（−４９０ｍＶ／ＳＣＥ）が、脱気されたホウ酸溶液（Ｈ_３ＢＯ_３の形態の中のＢが２０００ｐｐｍ、および、ＳＯ_４ ^２−が１０００ｐｐｍ）の中で、７０℃において考慮されている。

図３および図４は、それぞれ、ＡＩＳＩ ３０４Ｌ鋼で作製された被覆管２１を図示している。これらの２つの被覆管は、図４のものが、高過ぎる温度で窒化されたという点で異なっている。図５は、ＡＩＳＩ ３１６Ｌ鋼から得られ、かつ、適切に窒化された被覆管２１に関する。測定された腐食電流の量Ｑは、それぞれ、２．３７Ｃ／ｃｍ^２、１０．０３Ｃ／ｃｍ^２、および１．５３Ｃ／ｃｍ^２であり、窒化されていないオーステナイトステンレス鋼の腐食電流の量は、０．００Ｃ／ｃｍ^２であるということに留意されたい。

これらの定電位試験の結果は、顕微鏡写真と良好に一致する。つまり、強力な電流によって信号を送られた窒化された層の腐食感受性は、金属組織学的な断面において見られる可視的な攻撃（ｖｉｓｉｂｌｅ ａｔｔａｃｋ）によって明らかになる。

したがって、腐食感受性に関する１つの合否基準は、定電位試験の間に測定される腐食電流の量Ｑに基づいて提案され得る。選ばれる値は、３Ｃ／ｃｍ^２であり、測定されるＱ値は、満足のいく耐腐食性を有するように、分析される部分に関して、低くなければならない。

したがって、図３および図５の曲線によれば、窒化後のＡＩＳＩ ３０４ＬおよびＡＩＳＩ ３１６Ｌの被覆管２１の腐食感度は、３Ｃ／ｃｍ^２未満である。

しかし、ＡＩＳＩ ３０８Ｌのいくつかの端部プラグ２７（それは、上記に説明されている方法にしたがって得られたのではなく、これらの被覆管２１の底部に溶接されており、かつ、同時に窒化されている）は、クロム含有量にかかわらず、したがって、理論的により大きい非酸化力にかかわらず、より大きい腐食感度（最大１２Ｃ／ｃｍ^２）を示すことが可能であるということが見出されている。

図６は、溶接を有する０．０４６重量％の炭素を含有するブランクから得られるＡＩＳＩ ３１６の被覆管２１（曲線３４）、および、溶接を有さない０．０２重量％の炭素を含有するブランクから得られるＡＩＳＩ ３１６Ｌの被覆管２１（曲線３５）に関する、上述のホウ酸溶液の中での強度／電位曲線を与えている。

見ることができるように、被覆管２１が、溶接を有するブランクから得られようと、または、溶接のないブランクから得られようと、鋼の異なる炭素含有量にかかわらず、窒化前において、被覆管２１の腐食感受性は同じである。

図７は、溶接を有するブランク（曲線３７）、および、溶接を有さないブランク（曲線３９）に由来する同じ被覆管２１に関して、同じ条件の下で、窒化後の強度／電位曲線の間の比較を可能にする。

見ることができるように、電流強度は、曲線３９に対する曲線３７に関して、腐食ピーク４１において約５０倍大きく、不動態化プラトー（ｐｌａｔｅａｕ）４３において約２５倍大きい。

したがって、溶接を有さず、かつ、低炭素含有量を有するチューブ状のブランクから作製された被覆管２１を使用することによって、被覆管２１の窒化後の腐食感受性のかなりの低減が可能になる。

１つの可能性のある説明は、ブランクを溶接するときの加熱および冷却の間の温度に対する制御の欠如が、溶接される領域、および、加熱の影響を受ける領域の感受性化だけでなく、ブランクがチューブ状のブランクである場合には、ブランク全体の感受性化を引き起こすということである。この感受性化は、その後の窒化の間に、オーステナイトの偏析を通して、明らかになることが可能である。

以下のＴａｂｌｅ ３（表３）は、溶接されたブランクおよび溶接されていないブランクから得られ、窒化前に、上記に説明されているような溶体化焼鈍を有する（ケース１、３、および４）か、または、有していない（ケース２）、窒化後の被覆管２１の間の腐食感受性の比較を可能にし、この溶体化焼鈍は、析出物の再可溶化、および、成形する結果から生じる残留応力の除去を可能にする。

したがって、第１に、低炭素含有量を有する溶接されていないブランクの使用によって、および、第２に、析出物の除去を可能にする高温の溶体化焼鈍の使用によって、腐食感度が、独立してかなり低減されることが可能になるということが確かめられた。

しかし、高温の溶体化焼鈍の後でさえも、腐食感受性は、相対的に高い炭素含有量によって影響を受けたままである（ケース２および３）。

溶接されていないチューブ状のブランクの使用が好ましいが、ブランクが、溶接後に、上記に説明されているような高温の溶体化焼鈍処理を受けるのであれば、ロール溶接されたブランクの使用も可能であり、高温の溶体化焼鈍処理は、析出物の再可溶化を可能にすることとなる。

より一般的には、驚くことに、成形するための最終引き抜きするステップの後の、研削作業、ブラッシング作業、研磨作業、または、バフ研磨作業などのような、仕上げ処理は、窒化された被覆管２１の耐腐食性に影響を及ぼし得るということが確かめられた。

以下のＴａｂｌｅ ４（表４）は、窒化ステップの前、および、成形するステップの後の、研磨作業またはバフ研磨作業を有するか、または有さずに得られる、異なる表面条件を有する窒化された被覆管２１の腐食感受性を比較している。硬度および粗度が、窒化後の被覆管２１の外側表面２９に対して測定された。

したがって、機械的な仕上げ処理によって付与される表面加工硬度は、窒化後の腐食感受性を増加させる（研磨およびバフ研磨の両方によって、少なくとも０．５Ｃ／ｃｍ^２の減少）。

したがって、被覆管２１、端部プラグ２７、および、より一般的には、原子炉の中で使用することが可能であり、かつ、良好な耐摩耗性および耐腐食性を有さなければならない任意の他のパーツを形成するために、そのような機械的な仕上げするステップを硬化ステップの前に受けていないパーツを使用することが好ましい。

そのような機械的な仕上げするステップの存在は、図３〜図５の定電位試験の間に、いくつかの下側端部プラグ２７に対して見出される腐食感度を説明することが可能である。

端部プラグ２７に関して、ならびに、より一般的には、原子炉の中で使用することが可能であり、かつ、良好な耐摩耗性および耐腐食性を示さなければならない、任意の他の機械加工されたパーツ（ガイドピン、ナット、および、スクリューなどのようなもの）に関して、加工硬化された表面層の形成（加工硬化された表面層の形成は、その後の硬化作業において、腐食への感度の劣化につながることとなる）を防止するように機械加工作業を実施することが常に可能とは限らない。

以下のＴａｂｌｅ ５（表５）は、（Ｌ．Ｅ．ＳａｍｕｅｌｓおよびＧ．Ｇ Ｗａｌｌｗｏｒｋ、Ｊ．Ｉｒｏｎ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔ． １８６（１９５７）２１１による）表面処理の異なるモードに関する加工硬化深さを与えている。

それでも、成形するステップの後に、および、パーツの窒化ステップの前に行われる処理は、表面層の加工硬度を除去することによってこの劣化が防止されることを可能にする。そのような処理の４つの例が、以下に与えられている。これらの処理は、随意的に組み合わせることが可能である。

第１の処理は、上記に規定されている条件の下での溶体化焼鈍を含む。この溶体化焼鈍によって、例えば、機械加工の結果から生じる炭化物および窒化物の再可溶化が可能となり、ならびに、マルテンサイト相の微小析出物の再可溶化が可能となり、マルテンサイト相の微小析出物は、窒化の間のオーステナイトの偏析のための多くの種となる。また、溶体化焼鈍は、硬化ステップの間のオーステナイトのこの偏析を促進する表面機械的な応力の除去も可能にする。しかし、パーツのバルクにおいて加工硬度を維持することが望ましい場合には、この処理は適用可能でなく、より大きい機械的な特性を保証するが、これは、端部プラグ２７の例ではあてはまらない。

第２の処理は、硝酸またはフッ硝酸、王水などを使用して化学的なストリッピングすることを含む。また、ストリッピングは、１５〜１２０分にわたって、酸浴槽、ペースト、もしくはジェルを使用する電気化学的なものであることが可能であり、または、より速いストリッピングのために電気化学的に支援され得る。ストリッピングすることによって、例えば、０．５〜５μｍにわたって、金属クロムの枯渇した表面層を溶解させることが可能である。したがって、硬化ステップの間の腐食感受性を限定すること、および、さらには取り除くことが可能である。この処理は、バルクにおける加工硬化によって提供される維持された機械的な特性と、依然として両立し得る。

第３の処理は、２〜４時間にわたり、２５０℃で、Ａｒ−Ｈ_２雰囲気の中で、無線周波数プラズマでストリッピングすることを含む。このストリッピングによって、金属クロムの枯渇した表面層は、０．５〜５μｍにわたって粉砕され、例えば、それは、窒化後の腐食感受性を低減させる。そのような処理は、窒化の前に、ＡＩＳＩ ３１６Ｌの機械加工されたピンに適用された。８０時間にわたる４００℃＋／−２０℃の軟窒化の間に到達した、拡散された深さは、２０μｍを超えている。しかし、窒化の局面に至るとすぐに、表面が活性化し過ぎる可能性があり、かつ、表面が、窒素をＣｒＮへと析出させる可能性があるので、８時間を超える無線周波数プラズマを介してストリッピングを継続することは回避することが好ましい。例えば、定電位試験によって測定される腐食感受性は、２時間のストリッピング時間に対して３Ｅ−０８Ｃ／ｃｍ^２に到達し、８時間のストリッピング時間を超えると、１０Ｃ／ｃｍ^２を超える。

第４の処理は、摩擦仕上げであり、摩擦仕上げは、次第に細かくなる研磨剤を連続して使用する。加熱を引き起こすことなく、および、したがって、表面引張応力がなく、ならびに、下位層をかき乱す（ｐｅｒｔｕｒｂｉｎｇ）ことなく、除去される深さは、数時間で、一般的には、３時間未満で、機械加工に最もかき乱された厚さを除去するのに十分である１０μｍに到達することが可能である。したがって、腐食感受性は、その後に続く硬化処理によって影響を及ぼされない。摩擦仕上げは、パーツに接触している状態で研磨剤を振動させることによって、実施することが可能であり、パーツおよび研磨剤は、振動するエンクロージャーの中に設置されている。

表面層の加工硬度を除去するための処理は、好ましくは、所定のパーツのために使用され、そのパーツの成形は、例えば、機械加工による、局所的な一時的な加熱のリスク、および、表面引張応力の生成を伴う材料の除去を含む。

材料の除去なく成形することによって得られるパーツ（例えば、被覆管）に関して、仕上げ処理を使用することが好ましく、仕上げ処理は、加工硬化の発生、および、とりわけ、外側表面の上の表面引張応力の発生の防止を可能にする。

より一般的には、上記に説明されている性質は、互いに独立して使用すること可能であり、かつ、例えば、制御クラスター３のうちのいくつかの棒１３だけに適用することが可能である。

したがって、例えば、溶体化焼鈍と独立して、および、仕上げするステップを適用しないことと独立して、低炭素含有量を使用することが可能である。

同様に、上記の性質のうちのいくつかを、溶接されたチューブ状のブランクに適用することが可能である。

１ 核燃料アッセンブリ
３ 制御クラスター
５ スケルトン
７ 下側端部ピース
９ 上側端部ピース
１１ ガイドチューブ
１３ 中性子吸収棒
１５ スパイダー構造体
１７ コネクター部
２１ 被覆管
２３ ペレット
２５ 上側端部プラグ
２７ 下側端部プラグ
２９ 外側表面
３１ 外側表面
３２ 曲線
３３ 曲線
３４ 曲線
３５ 曲線
３７ 曲線
３９ 曲線
４１ 腐食ピーク
４３ 不動態化プラトー

Claims (16)

1. 耐摩耗性のおよび耐腐食性の原子炉のためのステンレス鋼のパーツ（２１、２７）を生産するための方法であって、
   −ステンレス鋼のブランクを提供するステップと、
   −前記ブランクを成形するステップと、
   −ステンレス鋼の前記パーツ（２１、２７）を形成するために前記ブランクを仕上げするステップであって、前記パーツ（２１、２７）の外側表面（２９、３１）上の加工硬度の発生を避けることまたは除去を可能にする仕上げするステップと、
   −一つまたは複数の原子種の拡散により前記パーツ（２１、２７）の前記外側表面を硬化するステップと、
   を含む方法。
2. 前記ブランクはオーステナイトステンレス鋼であり、前記提供するステップの前、または前記成形するステップ若しくは仕上げするステップの間に、前記ブランクは、少なくとも１つの溶体化焼鈍を受けており、前記少なくとも１つの溶体化焼鈍は、
   −存在する任意の析出物を可溶化するために、十分な温度まで、および、十分な時間にわたり、前記ブランクを加熱するサブステップ、
   −前記オーステナイト構造体が、室温において、準安定状態、および、析出物のない状態に、維持されることを可能にする速度で、前記ブランクを焼き入れするサブステップ
   からなる、請求項１に記載の方法。
3. 前記加熱するサブステップが、１０２０℃から１１５０℃の間の温度で行われる、請求項２に記載の方法。
4. 前記加熱するサブステップが、１分３０秒から３０分の間の時間にわたり、好ましくは、３分から１０分の間の時間にわたり行われる、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記焼き入れするサブステップの間に、前記ブランクが、焼き入れ開始温度から、８５０℃より下方へ、３分未満で冷却され、かつ、４５０℃より下方へ、１５分未満で冷却される、請求項２から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記成形するステップの間に、または、前記仕上げするステップの間に、前記溶体化焼鈍の後に、研削、ブラッシング、研磨、またはバフ研磨は続かない、請求項２から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記仕上げするステップは、前記パーツ（２１、２７）の前記外側表面（２９、３１）上の加工硬度の除去を可能にする、請求項２から５のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記溶体化焼鈍は、前記仕上げするステップの間に行われる、請求項７に記載の方法。
9. 前記仕上げするステップは、前記パーツ（２１、２７）の前記外側表面（２９、３１）上の表面層の除去を可能にする、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記仕上げするステップは、ステンレス鋼の前記パーツ（２１、２７）の前記外側表面（２９、３１）をストリッピングするステップ、または、摩擦仕上げするステップの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記ステンレス鋼は、炭素含有量が０．０３重量％以下であるオーステナイトステンレス鋼である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記パーツ（２１、２７）の前記外側表面（２９、３１）を硬化するステップは、プラズマ窒化、例えば浸炭窒化または軟窒化を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記パーツ（２１、２７）の前記外側表面（２９、３１）を硬化するステップは、浸炭または表面硬化を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法を用いて得られたステンレス鋼のパーツ（２１、２７）。
15. 前記パーツは、被覆管（２１）であるか、または被覆管（２１）の端部プラグ（２７）である請求項１４に記載の方法。
16. スパイダー構造体（１５）と、前記スパイダーによって担持されている吸収棒（１３）とを含む、加圧水型原子炉のための制御クラスター（３）であって、前記吸収棒（１３）が、少なくとも１つの中性子吸収材料（２３）を含有する被覆管（２１）と、前記被覆管（２１）を閉じる端部プラグ（２５、２７）とを含む、制御クラスター（３）において、前記吸収棒（１３）のうちの少なくともいくつかの前記被覆管（２１）及び／または端部プラグ（２７）が、請求項１５に記載のパーツであることを特徴とする、制御クラスター（３）。

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