JPH11140570A - 高強度高耐食ニッケル合金およびその製造方法 - Google Patents

高強度高耐食ニッケル合金およびその製造方法

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JPH11140570A
JPH11140570A JP30394997A JP30394997A JPH11140570A JP H11140570 A JPH11140570 A JP H11140570A JP 30394997 A JP30394997 A JP 30394997A JP 30394997 A JP30394997 A JP 30394997A JP H11140570 A JPH11140570 A JP H11140570A
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JP
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less
alloy
nickel alloy
stress corrosion
corrosion cracking
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Mitsuo Chikazaki
充夫 近崎
Yoshinao Urayama
義直 浦山
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、軽水炉等の構造部材等や燃料
要素等に使用するに好適な耐応力腐食割れ性に優れた高
強度の析出強化型Ni合金を提供することにある。 【解決手段】本発明は、従来合金に比較してSi,M
n,P,Sの含有量を低減させたことにあり、これによ
って高温高圧水中の耐応力腐食割れ性を大きく改善した
点にある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、軽水炉あるいは新
型転換炉の炉内構造部材や燃料要素等に用いられる高強
度Ni合金に係り、特に、耐応力腐食割れ性に優れた析
出強化型のNi合金に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、軽水炉等の炉内構造部材や燃料要
素等には、インコネルX−750(以下、X−750合
金と云う)と称する高強度の析出強化型Ni合金が多用
されている。ところがこのX−750合金は、熱処理条
件によっては前記用途の使用環境において応力腐食割れ
感受性を示すことがあった(特許第2554048 号公報,特
許第2554049 号公報)。すなわち、X−750合金は通
常0.04〜0.06%のCを含有(規格は0.08%C
以下)しており、約700℃での時効処理(以下直接時
効)を施すと、結晶粒界に主としてCr炭化物M236
が析出して応力腐食割れ感受性が増加する。また、約8
40℃と約700℃での2段階の時効処理(以下2段時
効)を施すと、結晶粒界に主として金属間化合物Ni
3(Al,Ti,Nb)のη相やγ′相が析出してやはり
応力腐食割れ感受性が増加する。
【0003】0.04〜0.06%のCを含有する通常の
X−750合金では2段時効材に比較して直接時効材の
耐応力腐食割れ性が優れているので、一般には直接時効
材が用いられるが、上述したように耐応力腐食割れ性は
必ずしも十分であるとは云えず、より信頼性の高い部材
が要求されていた。なお、直接時効材における応力腐食
割れ感受性の原因は結晶粒界に析出したCr炭化物M23
6 と考えられているが、M236 の粒界析出を抑制す
るためにC含有量を低減すると、粒界析出物はM236
からη相やγ′相に変化して2段時効材と同様に耐応力
腐食割れ性が劣る結果となることが知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
に鑑み、軽水炉等の構造部材等や燃料要素等に使用する
に好適な耐応力腐食割れ性に優れた高強度の析出強化型
Ni合金を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来のX−7
50合金等の析出強化型Ni合金の応力腐食割れ感受性
に及ぼすSi,Mn,P,S′等の影響を鋭意検討し、
これらの元素が高強度析出強化型Ni合金の耐応力腐食
割れ性を大きく左右することを見い出した結果、到達し
たものである。本発明の要旨は次のとおりである。
【0006】重量比でC:0.05%以下,Si:0.1
%以下,Mn:0.2% 以下,Cr:14〜20%,F
e:15%以下,NbとTaの合計:0.7〜2.0%,
Al:0.4〜2%,Ti:2〜3.5%,P:0.01
%以下,S:0.01%以下と残部Niおよび不可避不
純物からなり、γ基地に主としてγ′相が析出している
ことを特徴とする高温高圧水中での耐応力腐食割れ性に
優れた高強度Ni合金。本発明の要点は、従来合金に比
較してSi,Mn,P,Sの含有量を低減させたことに
あり、これによって高温高圧水中の耐応力腐食割れ性を
大きく改善した点にある。
【0007】本発明の合金では、結晶粒界へのM236
の析出を抑制するためにC含有量を0.05%以下とす
るのが好ましいが、0.02%以下に限定すればさらに
好適である。
【0008】この高強度Ni合金には、1〜10%のM
oを含有させることができる。また、MgおよびCaの
少なくとも1種を0.0004〜0.1%、あるいはCu
を0.005 〜3%を含有させることができる。
【0009】さらにまた、B含有量を10ppm 以下とす
れば、耐応力腐食割れ感受性を一層小さく保つことがで
きる。
【0010】本発明の合金は、析出強化型の合金である
ために、550〜850℃の加熱処理(時効処理)が不
可欠であるが、たとえば980〜1200℃に加熱保持
して冷却した後、断面縮小率で20%以上の冷間加工を
施し、更に550〜850℃に加熱保持する時効処理を
施すこと、あるいは850〜1250℃で断面縮小率で
20%以上の熱間加工を施した後、980〜1200℃
での加熱保持と550〜850℃での時効処理を施すこ
とによって製造することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明において、配合される各元
素の配合量について説明する。
【0012】CはCrと結合してM236 なるCr炭化
物を結晶粒界に形成する。Cが0.05%を超えると結晶粒
界に形成されるCr炭化物が増加し、耐応力腐食割れ性
が低下する。従って、Cを0.05%以下、好ましくは
0.02%以下とした。
【0013】Siは合金中の不純物としての酸素を取除
く作用を持つが、反面0.1% を超えると耐応力腐食割
れ性が低下する。従って、Siを0.1% 以下とした。
【0014】Mnは合金中の不純物としてのS′を取除
く作用を持つが、反面0.2% を超えると耐応力腐食割
れ性が低下する。従って、Mnを0.2% 以下とした。
【0015】Crは耐応力腐食割れ性を保持する上で最
も重要な元素であり、14%以上含有させる必要がある
が20%を超えると延性を損なう。従って、Crを14
〜20%とした。
【0016】Feは通常の溶解で混入する量以上に添加
することで基地組織を安定化するが、Feの含有量が多
過ぎると延性を害し、加工性が低下するため上限を15
%とした。
【0017】Al,Ti,Nb,TaはNiと結合して
Ni3(Al,Ti,Nb,Ta)なるγ′相あるいはη
相を析出し強度を高くする。明らかな析出強化性を与え
るためには少なくともAlを0.4% 以上,Tiを2%
以上およびNbとTaの合計を0.7% 以上含有させる
必要があり、AlおよびTiの量を増加させ、かつNb
やTaを添加することにより高強度のNi合金を得るこ
とができる。なお、Alが2%,Tiが3.5% ,Nb
とTaの合計が2%を超えると合金間化合物Ni3(A
l,Ti,Nb,Ta)のγ′相やη相が結晶粒界に析
出して、耐応力腐食割れ性が低下したり延性や加工性が
低下する。従って、Alを0.4 〜2%,Tiを2〜
3.5%,NbとTaの合計を0.7〜2%とした。
【0018】本発明では、Si,Mnと同様にP,Sも
耐応力腐食割れ性に悪影響を及ぼすことを明らかにし、
PおよびSの含有量を0.01% 以下に低減することに
より直接時効材のみならず2段時効材においても従来材
に比較して良好な耐応力腐食割れ性が得られることを明
らかにした。すなわち、PおよびSは0.01% 以下に
する必要がある。
【0019】MoはCrにより高められた耐応力腐食割
れ性を補完し、耐孔食性,耐すきま腐食性を向上させる
ので、1%以上含有させることが好ましいが、10%を
超えると延性や加工性を阻害する。
【0020】Cuは耐食性,加工性に対して有効な元素
であり、0.005% より少ないと効果が十分得られ
ず、3%より多くても耐食性,加工性はそれ以上向上し
ない。また、本発明においては、熱間加工性,冷間加工
性の改善のために、通常用いられるHf,Y等の希土類
元素、あるいは、Mg,Caを0.1% まで含有させて
も、得られる性能に影響を及ぼすことはない。たとえ
ば、Mg,Caの場合、熱間・冷間加工性を改善するに
は、0.0004〜0.1%添加するのがよい。
【0021】(実施例1)
【0022】
【表1】
【0023】表1は代表的な本発明の実施例および比較
例の化学組成を示す。実施例材A〜Dおよび比較例材E
〜Kは、いずれも二重真空溶解して得たインゴットを熱
間鍛造した後、所定の熱処理を施して高温水中隙間つき
定ひずみ応力腐食割れ試験(以下、隙間SCC試験と云
う)を行った。
【0024】図1に隙間SCC試験の概要を示す。試験
には厚さ1mmの板状試験片1を用いた。ステンレス鋼製
ホルダー2をボルト3で締めつけ、均一曲げ歪(1%)
を付与すると共に、凸側表面にグラファイト・ウール4
を挾んで隙間を形成させた状態で高温水中に浸漬した。
この高温水は288℃で約8ppm の溶存酸素を含む再生
循環純水である。500時間連続浸漬後に取り出した試
験片の断面を顕微鏡観察し、隙間SCCの割れ深さを測
定した。
【0025】これらの合金はいずれもオーステナイト
(γ)基地に主としてNi3(Al,Ti,Nb)のγ′
相を有する組織であった。
【0026】
【表2】
【0027】1066℃で1h加熱保持して冷却した
後、700℃で20h加熱保持する時効処理(直接時
効)を施した試験片の隙間SCC試験結果を表2に示
す。Si,Mn,P,Sの含有量を低減させた実施例材
A〜Dでは、いずれも隙間割れ深さは50μm以下であ
り、良好な耐応力腐食割れ性を示した。
【0028】一方、比較材E〜Kのうち、極低CのE〜
HではMn,Si,PあるいはSの含有量が本発明の範
囲を超えており隙間割れ深さが100μm以上となっ
た。また、I〜Kで耐応力腐食割れ性が劣るのはそれぞ
れMn・Siの過剰,Crの不足・Siの過剰あるいは
C・Mn・Si・Pの過剰が原因である。
【0029】(実施例2)
【0030】
【表3】
【0031】表3は本発明の他の実施例を示す。二重真
空溶解して得たインゴットを熱間圧延した後、所定の熱
処理を施して隙間SCC試験を行った。これらの合金は
いずれもオーステナイト(γ)基地に主としてγ′相を
有する組織であった。
【0032】
【表4】
【0033】1066℃で1h加熱保持して冷却した
後、840℃で20hおよび700℃で20h加熱保持
する時効処理(2段時効)を施した試験片の隙間SCC
試験結果を表4に示す。なお、表4には(実施例1)で
述べた比較材J,Kの2段時効材の結果もあわせて示し
た。実施例材L〜Mでは、いずれも隙間割れ深さは100
μm以下であり、比較材J,Kの200μm以上よりも
耐応力腐食割れ性が優れている。
【0034】なお、通常のX−750合金では直接時効
材に比較して2段時効材の応力腐食割れ感受性が大きい
ことが知られているが、表2と表4からも同様の傾向が
認められる。
【0035】以上のように、本発明によれば、直接時効
材のみならず2段時効材においても従来材に比較して良
好な耐応力腐食割れ性を実現することができる。なお、
本発明の合金にMgおよびCaの少なくとも1種を0.
0004〜0.1%、あるいはCuを0.005 〜3%
含有させても何らその有効性を失なうものではない。ま
た、B含有量を10ppm 以下とすれば、応力腐食割れ感
受性が一層小さく保たれることを確認している。
【0036】
【発明の効果】本発明によれば、軽水炉あるいは新型転
換炉の炉内構造部材や燃料要素等に用いられる高強度N
i合金の耐応力腐食割れ性を向上することができ、軽水
炉等の機器の安全性を高め、その寿命を延長することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例である隙間SCC試験例の説明
図である。
【符号の説明】
1…板状試験片、2…ステンレス鋼製ホルダー、3…ボ
ルト、4…グラファイト・ウール。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C22F 1/00 694 C22F 1/00 694B 1/10 1/10 H

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量比でC:0.05%以下,Si:0.1
    %以下,Mn:0.2% 以下,Cr:14〜20%,F
    e:15%以下,NbとTaの合計:0.7〜2.0%,
    Al:0.4〜2%,Ti:2〜3.5%,P:0.01
    %以下,S:0.01%以下と残部Niおよび不可避不
    純物からなり、γ基地に主としてγ′相が析出している
    ことを特徴とする高温高圧水中での耐応力腐食割れ性に
    優れた高強度耐食ニッケル合金。
  2. 【請求項2】重量比でC:0.02%以下,Si:0.1
    %以下,Mn:0.2% 以下,Cr:14〜20%,F
    e:15%以下,NbとTaの合計:0.7〜2.0%,
    Al:0.4〜2%,Ti:2〜3.5%,P:0.01
    %以下,S:0.01%以下と残部Niおよび不可避不
    純物からなり、γ基地に主としてγ′相が析出している
    ことを特徴とする高温高圧水中での耐応力腐食割れ性に
    優れた高強度耐食ニッケル合金。
  3. 【請求項3】重量比でMo:1〜10%を含有すること
    を特徴とする請求項1または2に記載の高温高圧水中で
    の耐応力腐食割れ性に優れた高強度耐食ニッケル合金。
  4. 【請求項4】980〜1200℃に加熱保持して冷却し
    た後、断面縮小率で20%以上の冷間加工を施し、更に
    550〜850℃に加熱保持する時効処理を施すことを
    特徴とする請求項1,2または3に記載の高温高圧水中
    での耐応力腐食割れ性に優れた高強度耐食ニッケル合金
    の製造方法。
  5. 【請求項5】850〜1250℃で断面縮小率で20%
    以上の熱間加工を施した後、980〜1200℃での加
    熱保持と550〜850℃での時効処理を施すことを特
    徴とする請求項1,2、または3に記載の高温高圧水中
    での耐応力腐食割れ性に優れた高強度耐食ニッケル合金
    の製造方法。
  6. 【請求項6】重量比でMgおよびCaの少なくとも1
    種:0.0004〜0.1%あるいはCu:0.005 〜
    3%を含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれ
    か1に記載の高温高圧水中での耐応力腐食割れ性に優れ
    た高強度耐食ニッケル合金。
  7. 【請求項7】重量比でB:10ppm 以下であることを特
    徴とする請求項1〜6のいずれか1に記載の高温高圧水
    中での耐応力腐食割れ性に優れた高強度耐食ニッケル合
    金。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102744531A (zh) * 2012-07-31 2012-10-24 宝山钢铁股份有限公司 一种镍基合金焊丝

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CN102744531A (zh) * 2012-07-31 2012-10-24 宝山钢铁股份有限公司 一种镍基合金焊丝

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