JPH0248613B2

JPH0248613B2 -

Info

Publication number: JPH0248613B2
Application number: JP61145465A
Authority: JP
Inventors: Toshio Fujita; Toshuki Itaki; Juji Enokido; Shigeo Nomura
Original assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Current assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Priority date: 1986-06-20
Filing date: 1986-06-20
Publication date: 1990-10-25
Also published as: JPS63434A

Description

【発明の詳細な説明】

＜産業上の利用分野＞この発明は、優れた高温強度を有する高強度フ
エライト鋼に関するものである。この発明の高強
度フエライト鋼は、原子炉、特に高速増殖炉の炉
心で使用される炉心構成要素（例えば燃料集合
体、制御棒、反射体等）や機器構造物（例えば冷
却系配管、機器容器等）などに好ましく利用でき
る。＜従来の技術＞上記したごとき原子炉、特に高速増殖炉の炉心
構成要素や機器構造物などの用途に用いられる鋼
には、高温強度、液体ナトリウム及び高温水
に対する耐食性、加工性、溶接性、長期の高
温安定性などさまざまな特性が要求される。特に
炉心構成要素においては、高線量の高速中性子雰
囲気に対する耐久性（例えば耐スエリング性や耐
照射脆化特性）が要求される。一般にこのような用途には従来からSUS 316、
SUS 304ステンレス鋼などのオーステナイト・
ステンレス鋼が多用されている。しかしオーステ
ナイト・ステンレス鋼は熱伝導が悪く、熱膨張係
数も大きいため、緊急時等原子炉に急激な温度変
化が生ずると構造物に過大な熱応力を生じさせる
欠点がある。一方、フエライト鋼は熱伝導率が良
く、熱膨張係数が小さいことから熱応力を低減で
き、構造部材として適している。また炉心部については、経済性向上の観点か
ら、燃料の長寿命化を達成するためには、３〜５
年炉内に滞在し、高速中性子照射量で３〜４×
10²³n／cm²の条件まで使用可能な材料が必要であ
るが、従来のオーステナイト・ステンレス鋼で
は、特に高速中性子雰囲気に対する耐久性につい
て限界があると予想されている。これに対して、
フエライト系耐熱鋼は、高温重照射環境下で従来
のオーステナイト・ステンレス鋼に比較して、中
性子に対する耐久性が遥かに優れていることが広
く知られており、例えば特公昭57−36341号や特
開昭59−140352号においては、高温強度改善を目
指した高クロムフエライト鋼を提案している。＜発明が解決しようとする問題点＞しかし、従来開発されてきたフエライト鋼は一
般に高温強度が低く、前述したような高温強度改
善を目指したフエライト鋼においても650℃×
10⁴hrクリープ破断強さは高々８Kgｆ／mm²程度し
かない。従つて、特に高速炉材料として必要とさ
れる650〜700℃における高温、長時間のクリープ
破断強さを備えたフエライト鋼としては、必ずし
も満足すべきものではなく、より一層の高温強度
の改善が望まれているのが現状である。＜問題点を解決するための手段＞すなわちこの発明の原子炉用高強度フエライト
鋼は、重量％でＣ 0.05〜0.15％、Si0.20％以下、
Cr8〜15％、Mn0.1〜1.5％、Mo0.02〜0.49％、
W1.0〜2.98％（ただしMoとＷとの合計量はMo
＋1/2Ｗ＝1.15〜1.55％）、V0.05〜0.40％、
Nb0.01〜0.20％、N0.01〜0.15％、残部がFeおよ
び付随的不純物よりなり、δ−フエライト相を含
む焼戻しマルテンサイト組織または焼戻しマルテ
ンサイト単相組織であることを特徴とするもので
ある。以下この発明のフエライト鋼の化学成分および
その限定理由について各成分別に述べる。Ｃは、原子炉材料に必要な高温強度、溶接性、
加工性などを考慮して、0.05〜0.15％とする。
0.05％より少ないと溶接性がよくても高温強度が
十分でないし、0.15％より多量に添加すると高温
強度がよくても溶接性、加工性が悪くなる。さら
に高温長時間の加熱において析出物の凝集粗大化
を促進し、クリープ破断強さを低下させる。理論
的にはＣの最適添加量（重量％）は、Ｖおよび
Nbの添加量（重量％）との関係から一般に次式
により求められる。Ｖ／51＋Nb／93＝Ｃ−0.030／12 Siは、溶解時の脱酸剤として必要な元素である
が、原子炉材料の使用中の靭性低下を防止するた
め0.20％以下、好ましくは0.10％以下の少量に抑
える。極低Si化によつて、クリープ破断強さを損
うことなく、靭性を左右するδ−フエライト相を
適度に抑制することができる。また極低Si化によ
つて製品の表面性状を良好にし、偏析を少なくす
ることもできる。溶解時（真空）の脱酸は、Mn
およびＣの併用により解決できる。 Crは、８〜15％とすることにより高温でのク
リープ破断強さを高めることができる。８％より
少ないと高温（600〜700℃）でのナトリウム中脱
炭抵抗性および耐食性が悪くなる。一方、15％よ
り多いと多量のδ−フエライト相を生成し、靭性
を劣化させる。δ−フエライト相を10％程度含有
する焼戻しマルテンサイト相として靭性を損うこ
となく高強度を得るためには、Crを約11％含有
させることが最適である。 Mnは、溶解過程の脱酸・脱硫剤として必要な
元素であるとともに、この発明の鋼のオーステナ
イト相の範囲を拡げるのに必要な元素であつて、
0.1〜1.5％の範囲とする。0.1％より少ないとその
効果が十分でなく、1.5％を超えると高温のクリ
ープ破断強さを低下させる傾向がある。またこの
Mnは、熱間加工性の改善にも有効である。 Moは合金中に固溶し、高温強度を向上させる
重要な元素であり、0.02％以上添加する必要があ
る。これまでMoの効果については、高温強度改
善を目指した高クロムフエライト鋼を提案してい
る特公昭57−36341号において0.5〜3.0％、特開
昭59−140352号において0.8〜1.5％とされ、高温
強度改善に対しては0.5％未満では十分な効果が
得られないとされている。しかしながら本発明者
等は、Moの大部分をＷで置換し、MoとＷの複
合添加を利用した場合には、0.5％未満のMo量
で、650〜700℃における高温、長時間のクリープ
破断強さが、この種のフエライト鋼では類をみな
い高レベルに改善できることを見出した。こうし
たことからこの発明ではMo量の上限を0.49％に
抑える。Ｗは、Moと同様にこの系の耐熱鋼のクリープ
破断強さを左右する最も重要な元素であり、1.0
〜2.98％の範囲で添加することにより優れたクリ
ープ破断強さが得られる。1.0％未満ではその添
加効果が顕著でなく、また2.98％を超えると靭性
が低下する。また、MoとＷとの添加量の合計は、Mo当量
（Mo＋1/2Ｗ）が1.15〜1.55％の範囲となるよう
にする。上述したMoとＷの各添加量範囲および
Mo当量の範囲によつて規定される領域は、添付
図面のグラフに示す斜線領域となる。グラフの斜
線を外れた量を添加する場合には、高温強度の改
善効果は期待できない。ＶおよびNbは、微量添加で高温強度を著しく
変化させる。特に高速増殖炉材料としては、高温
約700℃、最大10万時間まで優れた高温強度を発
揮させる必要があるため、Ｖは0.05〜0.40％、Nb
は0.01〜0.20％とする。Ｖの0.05％未満またはNb
の0.01％未満では十分な高温強度が認められな
い。また、Ｖの0.4％またはNbの0.2％を超えた場
合にも高温強度が低下する。なお、Ｃを0.05％添
加した場合にＶを0.25％を超えて添加すると、固
溶ＣがすべてV₄C₃として消費されるためV₄C₃し
か析出しなくなる。従つて多種類の炭化物を使用
期間中徐々に析出させて高温強度を高めるために
は、0.05％ＣのときＶ量を0.25％以下とすべきで
あり、0.15〜0.20％Ｖ付近が最適である。一方、
NbCは高温でも固溶しにくい。従つて、1050℃
焼ならしですべてのNbCがマトリツクスに固溶
するためには、0.05％ＣではNbを0.03〜0.05％、
0.1％ＣではNbを0.02〜0.03％程度とすべきであ
るが、1050℃の焼ならしですべてのNbCCが固溶
すれば結晶粒径が粗大化し靭性を低下させる。そ
のため、0.05〜0.1％Ｃおよび0.15〜0.20％Ｖの場
合には、NbCが少量焼なまし状態で残る0.04〜
0.06％のNb添加が最適である。Ｎはフエライト相の生成を抑制するとともに炭
窒化物を析出し、クリープ破断強さを向上させる
のに必要な元素である。従来からＮの効果につい
ては、前述の特公昭57−36341号において0.050％
以下、特開昭59−140352号において0.005〜0.030
％と規定しているとおり、必ずしも高温強度改善
に有効ではなかつた。しかしながら本発明者等
は、Ｃ含有量を低く抑えＮの増加を図ることによ
り、高温で長時間安定で強度に寄与するVNを析
出させ、靭性や溶接性を損なうことなく600℃以
上の高温、長時間のクリープ破断強さを改善でき
ることを見出した。そのためこの発明ではＮを
0.01〜0.15％の範囲で添加している。0.01％未満
では高温強度の向上は望めず、また0.15％を超え
る場合には靭性を低下させる。最適値は0.05％付
近である。このようにして組成が決定されたこの発明の高
強度フエライト鋼は、1000〜1100℃の温度範囲で
焼ならし、次いで700〜800℃の温度範囲で焼戻す
ことを行ない、最終的にδ−フエライト相を含む
焼戻しマルテンサイト組織又は焼戻しマルテンサ
イト単相組織になる。＜実施例＞以下にこの発明を実施例および比較例を挙げて
説明する。第１表〜第６表に示した化学組成の合金試料を
高周波真空炉で溶解、鍜造、圧延により棒材と
し、その後焼きならし、焼戻しを行なつた。かくして得られた各試験素材から試験片を作製
し、高温クリープ破断強さをJIS Ｚ 2272（1978
年）の試験方法に基づき、また室温衝撃値をJIS
Ｚ 2242（1980年）の試験方法に基づきそれぞれ
測定するとともに、溶接性、加工性、ナトリウム
中脱炭抵抗性、δ−フエライト含有量等を調べ
た。結果を各表に併せて示す。第１表はＣの添加量を変えて試験した結果であ
り、Ｃが0.05〜0.15％の範囲からはずれると、高
温強度の低下（0.05％Ｃ未満）、溶接性および加
工性の劣化（0.15％Ｃ超）が生ずることがわか
る。第２表はSiの添加量を変えて試験した結果であ
り、この場合の焼戻し温度は800℃とした。なお
比較例５〜９ではＷをMoにて代表させてMoを
略一定量としてあるが、かような比較例によりSi
の効果を判定できる。Siにより特に高温長時間使
用後の靭性劣化の傾向はSi量0.18〜0.26％以下で
著しい。それ故この発明ではSiの上限を0.2％に
設定している。第３表はCrの添加量を変えた試験結果である。
なお比較例10〜14ではＷをMoにて代表させて
Moを略一定量としてあるが、かような比較例に
よりCrの効果を測定できる。第３表からわかる
ようにCrが7.1〜9.2％の間でナトリウム中脱炭抵
抗性が悪くなつており、それ故、この発明では中
間値である８％をCrの下限としている。第４表はMoの添加量を変えた試験結果であ
る。なおＷは基本的にMoと置換できるため、比
較例15〜19のようにMo単独でも基本的な効果を
判定することができる。第４表からわかるように
Mo量が0.49％を超えるとδ−フエライト含有量
が10％を上回るため、この発明においてはMoを
0.49％以下に設定している。第５表はＷの添加量を変えた試験結果を示し、
この発明におけるＷの添加量範囲では高温クリー
プ破断強さが十分高いことがわかる。第６表はＶとNbの添加量を変えた試験結果で
ある。なお比較例22〜31ではＷをMoにて代表さ
せてMoを略一定量としてあるが、かような比較
例によりＶとNbの添加効果を判定できる。第６
表からわかるように、600℃では0.10V−0.05Nb、
650℃では0.18V−0.05Nbにおいて最強のＶ−Nb
の組合せが得られる。

【表】

【表】＜発明の効果＞以上の説明からわかるようにこの発明によれ
ば、特にMoとＷの複合添加の条件を比較的狭い
範囲に特定することによつて、650℃×10⁴hrで10
〜14Kgｆ／mm²という優れたクリープ破断強さを有
する高強度フエライト鋼を提供することができ
る。この発明のフエライト鋼のかような650℃×
10⁴hrクリープ破断強さは、前述した特公昭57−
36341号や特開昭59−140352号のフエライト鋼が
高々８Kgｆ／mm²であるのと比較すると、高レベル
の改善なされたといえるものである。すなわち、
例えば650℃×10⁴hrクリープ破断強さが1.5倍高
くなつた場合には、温度に換算すると約40〜80℃
高温まで耐熱性が向上することになる。また、
650℃×10⁴hrクリープ破断強さが14Kgｆ／mm²と８
Kgｆ／mm²のフエライト鋼を原子炉の燃料被覆管と
して使用した場合には、被覆管の外径7.5mm、被
覆管内圧100Kg／cm²とすると、前者のフエライト
鋼では被覆管でよいのに対して、後者のフエライ
ト鋼では0.5mmの肉厚が必要となり、約1.7倍もの
肉厚増加となつてしまう。このように高温強度の
高いフエライト鋼を使用することより大幅な物量
削減が可能になり、その結果、運転中の中性子ロ
スの低減や廃棄物の減量を図ることができ、最終
的に原子炉の経済性を向上させることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、この発明のフエライト鋼における
MoおよびＷの添加量の範囲を示すグラフであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量％でC0.05〜0.15％、Si0.20％以下、Cr8
〜15％、Mn0.1〜1.5％、Mo0.02〜0.49％、W1.0
〜2.98％（ただしMoとＷとの合計量はMo＋1/2
Ｗ＝1.15〜1.55％）、V0.05〜0.40％、Nb0.01〜
0.20％、N0.01〜0.15％、残部がFeおよび付随的
不純物よりなり、δ−フエライト相を含む焼戻し
マルテンサイト組織または焼戻しマルテンサイト
単相組織であることを特徴とする原子炉用高強度
フエライト鋼。