JP3489633B2

JP3489633B2 - 原子力プラント用摺動部品

Info

Publication number: JP3489633B2
Application number: JP05101794A
Authority: JP
Inventors: 邦夫宮崎; 正寿稲垣; 紀之大中; 正輝諏訪; 治郎国谷; 智美白木; 正人越石
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1994-02-25
Publication date: 2004-01-26
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: JPH07238334A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子カプラント用摺動
部品に係り、特に原子炉制御棒駆動装置に使用されるガ
イド用ピン及びローラからなる摺動部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、原子力プラントにおける摺動部材
にはコバルト基の合金が使用されており、制御棒のガイ
ド用ピン及びローラにもヘインズ及びステライト等のコ
バルト合金が適用されている。これらの合金はコバルト
を主成分とし、クロムを２８〜３０％、炭素を１〜２．
５％、さらにタングステン、鉄、ニッケルを少量含有し
ており、高クロムであるために耐食性が良く、また高炭
素であるために硬さが高く、耐摩耗性に優れている。し
かしながら、この合金部材が高温高圧の原子炉水中にお
かれると、コバルトが炉水中に溶出し、これが燃料被覆
管表面に付着して放射化され、再び溶出して炉水中を循
環する。その結果、プラント定期検査や補修時における
被爆線量が増大し、運転休止期間が長期化してプラント
の稼働率を低下させる。

【０００３】このようなコバルトの溶出による線量の増
大を防止するには、コバルト基合金に替わる摺動材料を
適用する必要が有る。コバルトを成分元素としない摺動
材料は、既に特公昭５９−５２２２８号公報に開示され
ている。これは固定部材に鉄基合金、可動部材にニッケ
ル基合金を用いたものであるが、耐摩耗性がコバルト基
合金に及ばないため、機械的荷重の高い摺動部では摩耗
による寸法変化が大きくなり、長期間の使用に耐えられ
ない。また、特公昭５８−２３４５４号公報にはクロ
ム、ニオブを添加したニッケル基合金が開示されている
が、ステライトに比べ衝撃値が低くスクラム時の衝撃荷
重に対する信頼性に難点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来材料の難点を解決するためになされたもので、高温
水中、高荷重下で原子炉制御棒の円滑な駆動を長期間に
わたって保証し、かつスクラム時の高速駆動による衝撃
荷重に対しても信頼性が高く、またコバルトの溶出がな
く、被爆線量を低減し原子カプラントの安全性を高める
ことができる摺動部品を提供することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、重量比で炭素０．２〜１．５％、ケイ
素２〜６％、マンガン５〜１５％、クロム１５〜２５
％、ニッケル７．５〜１２％、及びバナジウム０．５〜
５．０％を含有する鉄基合金より成る基質中にバナジウ
ムカーバイドの微粒子を体積比で１〜１０％分散含有し
た特定組成の鉄基合金を固定部材とし、かつ重量比でク
ロム１３〜２２％、モリブデン３〜１０％、アルミニウ
ム３〜８％、チタン０．５〜５％、ジルコニウム１〜５
％、炭素０．５％以下、ケイ素１．０％以下、残部ニッ
ケルから成るニッケル基合金を可動部材とたして用いた
原子力プラント用摺動部品としたものである。上記固定
部材は、冷間加工を５〜４０％施して加工硬化してもよ
い。

【０００６】本発明では、原子力プラント用摺動部品
において、基質が、重量比で炭素０．２〜１．５％、ケ
イ素２〜６％、マンガン５〜１５％、クロム１５〜２５
％、ニッケル７．５〜１２％、及びバナジウム０．５〜
５．０％を含有する鉄基合金より成り、該基質中にバナ
ジウムカーバイドの微粒子を体積比で１〜１０％分散含
有したもの、又はこれを更に冷間加工を５〜４０％施し
て加工硬化して、固定部材としたものである。

【０００７】

【作用】金属材料の摩耗現象はきわめて複雑であり、使
用環境や荷重条件によって摩耗損傷のしかたが著しく異
なる。そのため、全ての条件で普遍的に優れた材料は望
めないのが実状である。しかし、ある定められた条件下
では耐摩耗性の優劣を評価し適切な材料を選定すること
ができる。原子力プラントの制御棒駆動装置は、従来の
水圧駆動式のものから電動モータによる微動駆動が可能
な新しいタイプのものに変わりつつある。

【０００８】この新タイプの制御棒駆動装置では、中空
ピストンの動きを円滑にするため、ローラが使用される
が、従来の制御棒用ローラに比べ負荷荷重が大きく、よ
り高い信頼性が要求される。このローラにおいて、摩耗
はピストンと接する外周囲とローラ支持用の固定ピンと
接する内周囲で生ずる。この場合、摩耗は水中における
無潤滑摩耗であり、ローラとピンの相対的なすべり運動
による凝着摩耗あるいはアブレッシブ摩耗となる。これ
らの摩耗形態を示す場合、接触部で凝着やひっかきによ
る塑性変形が生じ、材料表面に塑性流動層が形成され
る。繰返し摺動を受けることによって、最終的に塑性流
動層の一部が剪断分離し摩耗粉となる。

【０００９】したがって、凝着摩耗やアブレッシブ摩耗
による損傷を少なくするには、接触部での塑性変形を抑
制すべく、合金には一定レベル以上の硬さあるいは強度
が必要とされ、また、合金組織を調整し局部的な変形を
防止する必要がある。しかし、硬さを過度に高くする
と、靱性が低下し衝撃荷重で割れやすくなるので、適正
なレベルに調整する必要がある。また、炉水中で長期間
の使用に耐えるには、十分な耐食性も兼ね備えている必
要がある。

【００１０】本発明は上記の点を考慮してなされたもの
である。すなわち、固定部材については、可動部材のニ
ッケル基と同質では凝着が生じやすいこと、及び耐食性
及び強度と靱性の調整が比較的容易であることから鉄基
合金を選定した。鉄基合金としては通常のステンレス鋼
が使用できる。上記の鉄基合金の凝着による塑性流動や
脱落を抑制するため、基質中に硬質のバナジウムカーバ
イドを分散析出させた。分散粒子をバナジウムカーバイ
ドとした理由は、硬さがビッカース（Ｈｖ）で１０００
以上と硬いことと、溶解凝固時に初相として結晶粒内に
均一析出するためである。また、炭素との結合エネルギ
が高く、クロム等の粒界析出型の炭化物形成を抑制する
効果が著しいためである。

【００１１】また、その量を体積比で１〜１０％とし
たのは、１％未満では耐摩耗性に対する効果が十分でな
く、１０％以上では相手材である可動部材への摩耗損傷
がかえって大きくなり、靱性の低下が生ずるためであ
る。さらに、基質部が軟らかく、バナジウムカーバイド
との差が大きい場合には、冷間加工を行うことによって
基質部の硬さを高めることが、耐摩耗性の向上に極めて
有効であることを実験的に見出した。その場合、加工率
５％以上で顕著な耐摩耗性向上がみられ、４０％以上に
なるとその効果が飽和する。固定部材は、Ｃ０．２〜
１．５％、Ｓｉ２〜６％、Ｍｎ５〜１５％、Ｃｒ１５〜
２５％、Ｎｉ７．５〜１２％及びＶ０．５〜５．０％を
含有するＦｅ基合金を基質とする。特に、Ｃ０．２〜
１．０％、Ｓｉ３〜４．５％、Ｍｎ６〜１０％、Ｃｒ１
６〜２１％、Ｎｉ８〜９．５％、Ｖ１〜４％を含有する
ものが好ましい。

【００１２】可動部材については、高温高圧水中に対す
る耐食性の観点からニッケルを主成分とし、これにクロ
ムを添加しベース金属とした。クロムは１３％未満では
耐食性が十分でなく、２３％以上では脆くなり耐衝撃性
が低下することから、１３〜２２％（好ましくは１６〜
２０％）とした。アルミニウムとチタンはγ′相（Ｎｉ
₃Ａｌ、Ｔｉ）の析出により硬さを付与するもので、本
合金において重要な元素である。このγ′相はニッケル
の結晶粒内に均一に析出するため、場所による硬さの不
均一さがなくなり、接触部での塑性変形を防止し、かつ
ニッケル母相と結晶上の整合性を有しているので、脱落
しにくく耐摩耗性が向上する。アルミニウムは３％未満
ではγ′相の析出が十分でなく、また８％を超えると脆
くなるため、３〜８％（好ましくは５〜７％）とする必
要がある。

【００１３】チタンはＮｉ₃ Ａｌのアルミニウムと置
換し、γ′相の硬さを高めるために添加する。すなわ
ち、Ｎｉ₃ Ａｌ単相の硬さは４００〜４５０Ｈｖ程度で
あり、耐摩耗性に寄与する析出相としては硬さ不足であ
る。しかし、Ｔｉを添加すると、Ｎｉ₃ Ａｌ中に固溶し
て硬さが増加し、耐摩耗性が向上する。添加量としては
０．５％未満ではその効果が少なく、５％以上になると
効果が飽和することから、０．５〜５％（好ましくは
０．５〜１．５％）とした。ニオブやタンタルもチタン
と同様の効果を有するので、チタンの替わりあるいは併
用して同様の添加量で用いてもよい。モリブデンはニッ
ケル母相の固溶強化と耐食性に寄与するもので、３％未
満では効果がなく、１０％を超えると合金が脆くなるの
で、３〜１０％（好ましくは４〜６％）とした。タング
ステンもモリブデンと同様に、ニッケル母相の固溶強化
に寄与するので、８％以下でモリブデンの一部又は全部
をこれに置き換えることができる。炭素は０．５％を超
えると衝撃値を著しく低下させるので、０．５％以下と
した。また、ケイ素は１．０％以下（好ましくは０．０
１〜０．５％）で、１．０％を超えると衝撃値を著しく
低下させる。

【００１４】要するに、無潤滑での摺動摩耗に対し
て、析出相が母相と結晶学的な整合性を有し、析出相を
支える母相が靱性を保持しかつあるレベル以上の硬さを
有することが重要なのである。ジルコニウムは凝固時に
ニッケルと反応し、共晶組織を得るために必要な成分で
あり、適量の共晶組織を導入することによって、耐摩耗
性を向上することができる。ジルコニウムの添加量が１
％未満では耐摩耗性への効果が十分でなく、５％を超え
ると合金が脆くなるので１〜５％（好ましくは１〜３
％）とした。以上示したところの鉄基合金を固定部材と
し、ニッケル基合金を可動部材として組合せることによ
り、摩耗損傷の少ない摺動部品を提供することができ
る。また、可動部材において、Ｃは強化元素として必要
であり、０．５％以下が好ましく、特に０．０３〜０．
１％が好ましい。ＦｅはＴｉ、Ｃ、Ｚｒ等の元素と共に
母合金で加えることもあり、３％以下とすることが好ま
しい。Ｍｎは加工性を高めるので、加えることができ１
％以下が好ましい。Ｂは放射性を有しないものを選別し
て含有することが好ましく、０．１％以下が好ましい。
Ｎｉは特に６５〜７５％とするのがよい。

【００１５】

【実施例】以下本発明を実施例に基づいて具体的に説明
する。実施例１表１は摺動摩耗試験に供したピン材の化学成分を示す。
Ｎo.１は従来の制御棒ガイド用ピンに用いられていたコ
バルト合金を、Ｎo.２は特公昭５９−５２２２８号公報
に開示されている鉄基合金を示す。また、Ｎo.３〜９は
本発明に係る合金を示す。Ｎo.１は市販のものを使用
し、Ｎo.２〜６は真空溶解後、熱間鍛造しφ５．５ｍｍ
のピンに加工した。Ｎo.７〜９は熱間鍛造後、冷間加工
を行ないピンに加工した。

【００１６】

【表１】

【００１７】表２は摺動試験に供したローラ材の化学成
分を示す。Ｎo.Ａは従来の制御棒ガイド用ローラに用い
られていたコバルト合金を、Ｎo.Ｂは特公昭５９−５２
２２８号公報に開示されているニッケル基合金を示す。
Ｎo.Ｃ〜Ｄは本発明に係る合金を示す。Ｎo.Ａは市販の
材料を用い、その他の材料は真空溶解、精密鋳造を行っ
た後仕上げ加工を行った。その後、溶体化と時効の熱処
理を行い表３に示すようなローラに加工した。

【００１８】

【表２】

【００１９】摺動摩耗試験はローラにピンを挿入したも
のを試験機に装着し、ピンを介してステンレス（ＳＵＳ
３１６Ｌ）製の回転体に押しつけ種々の荷重を負荷して
行った。試験環境は室温水中及び実炉条件を模擬した高
温水中とした。表３は表１に示すピン材と表２に示すロ
ーラ材を組合せ、２８８℃高温水中で負荷荷重１０ｋ
ｇ、走行距離４．２ｋｍの条件で摩耗試験を行った結果
を示す。

【００２０】ａはコバルト基合金の組合せ、ｂは特公昭
５９−５２２２８号公報に示す合金の組合せであり、ｃ
〜ｉはローラ材に公知の材料を用い、ピン材に本発明の
摺動部材を用いた例であり、ｊとｋが本発明に基づく合
金の組合せである。ｃ〜ｆに示すように、ピン材にバナ
ジウムカーバイド粒子を分散析出させることにより、摩
耗量を大幅に減少させることができる。また、ｇ〜ｉに
示すように、これに冷間加工を行い加工硬化することに
よって、さらに摩耗量が減少する。

【００２１】分散粒子の量は体積比で１〜１０％が適当
であり、これ以下では効果が十分でなく、これ以上では
靱性が低下する。また、冷間加工量は５〜４０％が適当
であり、これ以下ではその硬化が十分でなく、これ以上
では効果が飽和する。さらに、ｊとｋに示すように、ロ
ーラ材にジルコニウムを添加した本発明の合金を仕様す
ることによって、ローラとピンの摩耗量を合計した総摩
耗量を減少することができる。ローラ及びピンともに磨
耗量を１０ｍｇ以下（より好ましくは５ｍｇ以下）にす
るのがこのましい。

【００２２】

【表３】

【００２３】次に、耐腐食性を、２８８℃で溶存酸素量
８ｐｐｍの高温純水中に５００ｈ保持した時の腐食減量
試験により、靱性を、シャルビー衝撃試験により試験し
た結果、腐食減量及び吸収エネルギ共にコバルト基合金
に比べて遜色がない。なお、上記の説明は原子炉制御棒
駆動装置に使用されるガイド用ピン及びローラに適用す
る場合について説明したが、本発明はこれに限定される
ものではなく、原子炉に使用されるすべての部品に適用
できるものである。

【００２４】

【発明の効果】以上に説明したごとく本発明によれば、
合金組成としてコバルトを全く含まないので、制御棒駆
動装置用ローラ及びピンとして使用した場合、高温高圧
の炉水中へのコバルトの溶出がないので、誘導放射化に
よる被爆線量を低く押さえることができる。また、耐摩
耗性に優れているので、摩滅によるピン及びローラの寸
法変化が少なく、精密な駆動が可能となる。さらに耐腐
食性、耐衝撃性に優れているので、長時間の運転や緊急
時の高速駆動に対しても高い信頼性を確保できる等の効
果がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大中紀之茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者諏訪正輝茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者国谷治郎茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者白木智美茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者越石正人茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開昭58−48654（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−274042（ＪＰ，Ａ) 特開平２−290951（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−278250（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比で炭素０．２〜１．５％、ケイ素
２〜６％、マンガン５〜１５％、クロム１５〜２５％、
ニッケル７．５〜１２％、及びバナジウム０．５〜５．
０％を含有する鉄基合金より成る基質中にバナジウムカ
ーバイドの微粒子を体積比で１〜１０％分散含有した鉄
基合金を固定部材とし、かっ重量比でクロム１３〜２２
％、モリブデン３〜１０％、アルミニウム３〜８％、チ
タン０．５〜５％、ジルコニウム１〜５％、炭素０．５
％以下、ケイ素１．０％以下、残部ニッケルから成るニ
ッケル基合金を可動部材とした原子力プラント用摺動部
品。
【請求項２】前記固定部材は、冷間加工を５〜４０％
施して加工硬化したことを特徴とする請求項１記載の原
子力プラント用摺動部品。