JPH03285047A - 耐蝕性耐磨耗性材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、軽水炉における中性子束モニタのプランジャ
など腐食性の環境下で摺動する部材の材料として用いる
ことができる耐蝕性耐磨耗性材料に関する。

（従来の技術） 軽水炉で使用される中性子束モニタは、第８図の軽水炉
の断面図に示すように配置される。すなわち、原子炉容
器１には、炉心支持板２、炉心シュラウド３および上部
格子板４で囲まれた炉心５が配置される。そして、この
炉心５には、炉心支持板２側から、炉心出力の指標とな
る中性子束を監視する中性子束モニタ６が挿入される。

中性子束モニタ６は、炉心支持板２を貫通して配備され
る中性子束モニタ案内管７と、この中性子束モニタ案内
管７の下端に連接しながら原子炉容器１の底部を貫通す
る中性子束モニタハウジング８の内部を移動して昇降す
る。中性子束モニタハウジング８の下端は、原子炉容器
１の外部において、中性子モニタハウジング支持装置の
フランジ９に取付けられる。

なお中性子束モニタ６は炉心５の各所に複数本配備され
るが、この図では簡単のため、１本のみを示した。

第９図は、第８図に示した中性子束モニタ６、中性子束
モニタ案内管７および中性子束モニタハウジング８の断
面図である。

まず中性子束モニタハウジング８は、その下端が、ボル
ト１０を用いて中性子モニタハウジング支持装置のフラ
ンジ９に液密に接続される。一方、炉心支持板２を貫通
する中性子束モニタ案内管７の上端外周は、炉心支持板
２の開口部と液密に接し、中性子束モニタ案内管７の下
端（図示せず）は、中性子束モニタハウジング８の上端
（図示せず）と液密に接続する。

ところで、中性子束モニタ本体１１は、炉心５の中性子
束を測定する中性子検出器（図示せず）を収めるが、こ
の本体１１は中性子束モニタ案内管７と中性子束モニタ
ハウジング８の両方に跨がって収められ、これらの内部
で昇降する。そしてその昇降の道筋は、本体１１の軸方
向周囲に突設された上部ガイドリング１２ａと下部ガイ
ドリング］、　２　ｂによって安定を保たれる。一方、
本体１１の下端にはシールリング１３が形成される。シ
ールリング１３の下面はテーバ加工されるが、このシー
ルリング１３の下面は、中性子モニタハウジング支持装
置のフランジ９内部に形成されたテバ加工面と当接する
。したがって、炉心５から中性子束モニタ案内管７と中
性子束モニタハウジング８内に入り込む炉水は、このシ
ールリング１３によって流出を遮られる。

他方、中性子束モニタ本体１１の上部には、コイルスプ
リング１４を収めたスプリングカバー１５が接続され、
コイルスプリング１４は下端が本体１１の上端に、また
上端が下部ストッパ１６ａに当接する。そして下部スト
ッパ１６ａはプランジャ１７と接続するが、プランジャ
１７の上端にはアダプタ１８が取付けられる。アダプタ
１８は上部格子板４の下面に設けられた凹部１９に当接
して、炉心５内における中性子束モニタ６の安定を保つ
。

ここでスプリングカバー１５の上端内周は、スプリング
カバー１５の内径より細径のガイドスリーブ１５ａとな
っており、このガイドスリーブ１５ａを貫通するプラン
ジャ１７は、ガイドスリブ１５ａの上方にガイドスリー
ブ１５ａより大径の上部ストッパ１６ｂを備える。また
、先に述べた下部ストッパ１６ａもガイドスリーブ１．
５　ａより大径である。さらに、スプリングカバー１５
には、炉水をスプリングカバー１５の内外で流通させる
ため通水孔２０が複数個設けられる。

このような構成の中性子束モニタ６を炉心５に装着する
場合は、まず中性子束モニタ６を炉心５の上方から中性
子束モニタ案内管７、そして中性子束モニタハウジング
８内に吊り下ろし、前述のようにシールリング１３のテ
ーパ加工面を中性子モニタハウジング支持装置のフラン
ジ９内部におけるテーパ加工面に当接させる。

ついで、治具を用いてプランジャ１７をコイルスプリン
グ１４のばね力に抗してガイドスリーブ１５ａに摺動さ
せながら押し下げ、アダプタ１８を」二部格子板４の凹
部１９に当てかう。そうすると、アダプタ１８はコイル
スプリング１４のばね力により四部１９にばね付勢され
て固定される。

こうして中性子束モニタ６は、これら一連の操作により
炉心５内において支持される。

一方、中性子束モニタ６を炉心５から取り外す場合は、
上述の装着時とは逆の手順を踏む。すなわち、まず治具
を用いてプランジャ１７をコイルスプリング１４のばね
力に抗してガイドスリーブ１５　ａに摺動させながら押
し下げ、アダプタ１８を」二部格子板４の四部１９から
外す。その後は吊下治具を用いて中性子束モニタ６を炉
心５上方へ吊り上げる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、プランジャ１７は一般に耐蝕性のオーステナ
イト系ステンレス鋼でつくられるが、上述のように中性
子束モニタ６の挿脱時にはガイドスリーブ１５ａに対し
て摺動するため、表面を窒化処理して硬度を高めた上で
使用される。

ところが、中性子束モニタ６を炉心５内に固定し、炉水
が満たされた状態で使用する際、プランジャ１７とガイ
ドスリーブ１５ａの間は、いわゆるクレビス条件におか
れることになる。したがって、たとえ通水孔２０があっ
ても、核燃料が発熱して炉水の温度が上昇した場合は、
このクレビス条件下において高温の炉水の滞留が起こる
。そうするとプランジャ１７はオーステナイト系ステン
レス鋼でできていながら、前述の表面処理のためにその
耐蝕性が生かされず、腐食が発生しやすくなる。そして
−旦腐食が発生した場合は、炉水が滞留しているため、
腐食生成物がプランジャ１７とガイドスリーブ１５ａの
間にこびりつく。

その結果、例えば定期点検時に中性子束モニタ６を上述
の手順で炉心５から取り外そうとしたとき、腐食生成物
のためにプランジャ１７がガイドスリーブ１５ａに固着
し、プランジャ１７を押し下げることができないことが
ある。

このような場合は、炉心５の上方から切断装置を導入し
、この切断装置で中性子束モニタ６を適宜切断する。そ
して切断された各中性子束モニタ片を取出していた。し
かしこのようなやり方は手間がかかって定期点検に要す
る費用が増大するだけでなく、定期点検に要する時間が
長引いて原子炉の稼働率も低下する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、軽水炉にお
ける中性子束モニタのプランジャなど腐食性の環境下で
摺動する部材に対しても十分な耐蝕性を与え、摺動に支
障を生じさせない耐蝕性耐磨耗性材料を提供することを
目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するために、ジルコニウム、チ
タン、ニオブ、バラジウム、モリブデンおよびクロムの
炭化物ならびに窒化物からなる群より選ばれる１種以上
の化合物を１０〜８０容量％と、オーステナイト系ステ
ンレス鋼とを含む耐蝕性耐磨耗性材料を提供する。

本発明はまた、ジルコニウム、チタン、ニオブ、バラジ
ウム、モリブデンおよびクロムの炭化物ならびに窒化物
からなる群より選ばれる１種以上の化合物を１０〜８０
容量％と、ニッケル基合金とを含む耐蝕性耐磨耗性材料
も提供する。

（作用） 本発明に係る２つの耐蝕性耐磨耗性材料は、腐食条件下
で摺動する部材の表面における被覆層として用いること
ができるが、耐蝕性のオーステナイト系ステンレス鋼お
よびニッケル基合金は延性が高いため、被覆する部材が
太き（変形した場合でも被覆層に割れを生じない。そし
て、ジルコニウム、チタン、ニオブ、バラジウム、モリ
ブデンおよびクロムの炭化物ならびに窒化物は、硬度が
高くかつ比重が小さいため、オーステナイト系ステンレ
ス鋼およびニッケル基合金に均一に分散する。したがっ
て、本発明の耐蝕性耐磨耗性材料は、被覆層において耐
蝕性と耐磨耗性の両方を発揮する。

（実施例） 以下第１図ないし第７図を参照して本発明の詳細な説明
する。

第１図は、本発明に係る耐蝕性耐磨耗性材料で被覆層２
１を形成したプランジャ１７の断面図である。被覆層２
１においては、オーステナイト系ステンレス鋼またはニ
ッケル基合金からなる母材２３中に、ジルコニウム、チ
タン、ニオブ、バラジウム、モリブデンおよびクロムの
炭化物ならびに窒化物のうちの１種以上を含む粒子２４
が均一に分散している。したがって、本発明に係る耐蝕
性耐磨耗性材料は、被覆層２１において、母材２３が耐
蝕性を、また粒子２４が耐磨耗性をそれぞれ発揮し、プ
ランジャ１７について腐食性の環境下においても長時間
腐食生成物を発生させず、摺動可能に保つことができる
。

第２図は、第１図に示す被覆層２１をレーザクラツデイ
ング法で形成する装置の構成図である。

すなわち、レーザ発振器２５から射出されたレーザビー
ム２６は、曲げミラー２７によって進路を変えられ、集
光レンズ容器２８に収められた集光レンズ２９に入射す
る。そしてレーザビーム２６は、適当なパワー密度に絞
られた上で、プランジャ１７に照射される。なお、本実
施例においては、レーザパワーの調節は、レーザビーム
２６の最果光点３０のプランジャ１７からの距離を調整
することによっても行う。

一方、プランジャ１７のレーザビーム照射位置には、ホ
ッパ３１から材料供給管３２を通じて、本発明の耐蝕性
耐磨耗性材料に係る母材としてのオーステナイト系ステ
ンレス鋼またはニッケル基合金と、母材に分散するジル
コニウム、チタン、ニオブ、バラジウム、モリブデンお
よびクロムの炭化物ならびに窒化物の粒子１種以上の粉
末が均一に、混じり合った粉末混合物３３が供給される
。

ここで、材料供給管３２には、アルゴンガスなどのキャ
リアガス３４が供給され、粉末混合物３３の供給速度の
安定が図られる。

さて、プランジャ１７上において、耐蝕性耐磨耗性材料
に係る混合物３３に高エネルギーのレーザビーム２６に
照射されると、粉末混合物３３は溶解し、母材としての
オーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金に
、ジルコニウム、チタン、ニオブ、バラジウム、モリブ
デンおよびクロムの炭化物ならびに窒化物の粒子が１種
以上均一に分散した被覆層２１が形成される。このとき
粉末混合物３３の一部は蒸発して集光レンズ２９に向か
うが、集光レンズ容器２８内には、集光レンズ２９の下
方にアルゴンガスなどの保護ガス３５が導入され、集光
レンズ２９の下面が混合物３３で汚染されるのを防止す
る。

次に、本発明の耐蝕性耐磨耗性材料について、母材と分
散粒子の物質を種々に変えながら基材に被覆層を形成し
、比較例とともにその性質を試験した結果を示ず。

試験に用いた被覆屑の材料は以下の通りである。

なお基材には、いずれも５ＵＳ３０４オーステナイト系
ステンレス鋼を用いた。

実施例１　：　５ＵＳ３０８Ｌ　（オーステナイト系ス
テンレス鋼）とＮｂＣ 実施例２：インコネル６２５にニッケル基合金）とＮｂ
Ｃ 実施例３　：　５ＵＳ３０８Ｌ、！＝ＮｂＣ（９８０〜
１０５０℃で３０分間溶体化） なお上記の実施例においては、いずれもレーザクラツデ
イング法によって被覆層を形成し、実施例３においては
さらにその後溶体化を施した。

またＮｂＣの含有割合は、１０〜８０容量％の範囲にと
どめた。これは１０容量％未満では耐蝕性と耐磨耗性に
ついて十分な効果が得られず、他方８０容量％を越える
と被覆層が脆弱になるためである。

試験にはさらに以下の比較例を用いた。

比較例１：Ｎｉ−Ｃｒ自溶性合金＋ＷＣ（レザクラツデ
イング法で被覆層を形成） 比較例２ニクロムを電解メツキ 比較例３：表面窒化処理 比較例４　：　５ＵＳ３０４基材のみ（表面処理なし） また試験は、（１）摺動試験、（２）食塩水中の浸漬試
験、（３）高温水中の浸漬試験、（４）１％曲げ試験お
よび（５）高温水中の応力腐食割れ試験の５種類である
。以下に各試験の試験方法と試験結果を説明する。

（１）摺動試験 第９図に示した中性子束モニタ６を用い、５ＵＳ３０４
製のプランジャ１７にそれぞれ上述の表面処理を施した
。第３図に試験の方法を示す。第３図において第９図と
対応する箇所には同一の符号を付した。

すなわち、軸方向を水平にしたプランジャ１７先端のア
ダプタ１８に１．　５１ｇ１の負荷を掛ける。

そしてこの状態でプランジャ１７に対して矢印方向に荷
重Ｗを加え、プランジャ１７をガイドスリブ１５ａに摺
動させながら１０回往復運動させた。

このときの荷重Ｗと往復幅（ストローク）の関係を第４
図に示す。この図から比較例４は、実施例１，２．・３
および比較例１．２．３に比べて、同じストロークを移
動させるのに要する荷重Ｗが大きく、またＲ重Ｗのバラ
ツキも大きいことが読み取れる。したがって、比較例４
は摺動部材には適しないことが分る。

（２）食塩水中の浸漬試験 第５図に示すように、実施例と比較例の各材料を基材と
ともに丸棒３６に成形し、この丸棒３６を５ＵＳ３０４
製の管３７に挿入した。そしてこの管３７をそのまま濃
度が１０００１０００ｐｐ相当の食塩水（４０℃）中に
浸漬し、腐食による減量を測定した。

第６図に示すように、実施例１．　２．　３および比較
例１．　２．　４は２０００時間を経過してもほとんど
腐食による減量がみられないが、比較例３はこれらと比
べ時間の経過とともに大幅に腐食減量が増大することが
分る。

（３）高温水中の浸漬試験 前記食塩水中の浸漬試験とほぼ同様にして試験を行った
。すなわち第５図に示した丸棒３６を挿入した管３７を
今度は２８８℃、８０１Ｎ−の高温純水中に１０００時
間浸漬し、表面の健全性を評価した。

その結果、比較例２においてはＣｒメツキ層の剥離が、
また比較例３には表面孔食が観察された。

（４）１％曲げ試験 第７図（Ａ）と（Ｂ）に示すように、実施例と比較例の
各材料を基材とともに板状の試験片３８に成形する。一
方、上押え具３９ａと下押え具３９ｂをボルト４０ａ、
４０ｂで固定することによって両押え具３９ａ、３９ｂ
の間に形成した１％の歪みをもつスペース４１を形成す
る。そしてこのスペース４１に試験片３８をスペーサ４
２ａ。

４２ｂを介して挿入して、表面の健全性（基材の変形に
追従するか）を評価した。

その結果、比較例１と２においては、被覆層が基材の変
形に十分追従できず、被覆層に基材まで達するクラック
が生じた。

（５）高温水中の応力腐食割れ試験 実施例と比較例の各材料を基材とともに板状の試験片（
５０ｘｌＯｘ２■ｍ）に形成し、１％曲げ試験と同様に
第７図（Ａ）と（Ｂ）に示すように装むした後、そのま
ま高温水（２８８℃、８０１ｔｓ＋）中に５００時間浸
漬した。なお本試験においては、応力腐食割れの発生を
加速するため、試験片３８の上面にグラファイトウール
４３を充填した。

その結果、比較例１はＷＣの被覆層が割れ、この割れか
ら基材中にも応力腐食割れが進展した。

これは、ＷＣ被覆層をレーザクラツデイングによって形
成した際、基材が鋭敏化（粒界腐食を起こすような組織
変化）したためと考えられる。

また比較例２はメツキ層の剥離を生じ、比較例３には表
面孔食と、一部に応力腐食割れの発生がみられた。

以上の試験結果をまとめると、次表のようになる。

〔以下余白〕

試験結果 Ｏ・・・・・・異常なし ・・・・・・・異常あり よって本発明の実施例１．　２．　３に係る耐蝕性耐磨
耗性材料は、耐磨耗性、耐蝕性および延性にすぐれるこ
とが分る。

なお本発明の耐蝕性耐磨耗性材料は、母材として５ＵＳ
３０９Ｌ、インコネル８２、インコネル６９０およびこ
れらと同質の合金、また分散粒子としてＮｂＣの他にニ
オブの窒化物、またジルコニウム、チタン、バラジウム
、モリブデンおよびクロムの炭化物ならびに窒化物の１
種以上を１０〜８０容量％用いても同様の結果が得られ
た。

また本発明の耐蝕性耐磨耗性材料を用いた被覆層の形成
は、レーザクラツデイング法におけるより高密度のエネ
ルギーを有するレーザを用いるプラズマ粉体肉盛（フラ
ッディング）法によっても行うことができる。

ところで、実施例３においては、溶体化処理を施したが
、これは特に炭素の含有量が０．０３％を越える５ＵＳ
３０８．５ＵＳ３０９　（炭素０゜０８％以下）を母材
に用いてレーザクラツデイングし基材が鋭敏化するおそ
れがあるときは、その解消に有効である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の耐蝕性耐磨耗性材料は、
耐磨耗性、耐蝕性および延性にすぐれるため、これを被
覆した部材は、軽水炉における中性子束モニタのプラン
ジャなど腐食性の環境下で摺動するものであっても、十
分な耐蝕性を与えられ、摺動に支障を生じなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の耐蝕性耐磨耗性材料を被覆した中性子
束モニタのプランジャの断面図、第２図は本発明の耐蝕
性耐磨耗性材料で部材を被覆する装置の構成図、第３図
は本発明の耐蝕性耐磨耗性材料の摺動試験の方法を示す
工程図、第４図は摺動試験における荷重とストロークの
関係を示すグラフ図、第５図は食塩水中浸漬試験と高温
水中浸漬試験における試験装置の側面図、第６図は食塩
水中浸漬試験における試験時間と腐食減量の関係を示す
グラフ図、第７図（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ１％曲げ試
験と高温水中応力腐食割れ試験における試験装置の平面
図と側面図、第８図は中性子束モニタを装着した軽水炉
の断面図、第９図は中性子束モニタの断面図である。 １５ａ・・・ガイドスリーブ、１７・・・プランジャ、
２１・・・被覆層、２２・・・母材、２３・・・分散粒
子。 与　１　　因 烙　３　回 Ｏ スＹローフ （ｍｍ） 秦 回 第 図 試験端間 （ｈｒ） 第 回 ＣＡ） （Ｂン 羊 氏

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．ジルコニウム、チタン、ニオブ、バラジウム、モリ
   ブデンおよびクロムの炭化物ならびに窒化物からなる群
   より選ばれる１種以上の化合物を１０〜８０容量％と、
   オーステナイト系ステンレス鋼とを含む耐蝕性耐磨耗性
   材料。
2. ２．ジルコニウム、チタン、ニオブ、バラジウム、モリ
   ブデンおよびクロムの炭化物ならびに窒化物からなる群
   より選ばれる１種以上の化合物を１０〜８０容量％と、
   ニッケル基合金とを含む耐蝕性耐磨耗性材料。