JPS5822365A - ジルコニウム基合金の製造方法 - Google Patents

ジルコニウム基合金の製造方法

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JPS5822365A
JPS5822365A JP11974081A JP11974081A JPS5822365A JP S5822365 A JPS5822365 A JP S5822365A JP 11974081 A JP11974081 A JP 11974081A JP 11974081 A JP11974081 A JP 11974081A JP S5822365 A JPS5822365 A JP S5822365A
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牧 英夫
Hajime Umehara
梅原 肇
Tetsuo Yasuda
安田 哲郎
Masatoshi Inagaki
正寿 稲垣
Ryutaro Jinbo
神保 龍太郎
Keiichi Kuniya
国谷 啓一
Isao Masaoka
正岡 功
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    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/186High-melting or refractory metals or alloys based thereon of zirconium or alloys based thereon

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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】 本発明は新規なジルコニウム基合金に係わシ、特に耐食
性を向上させる新規な製造方法に関する。
ジルコニウム基合金は、その優れ九耐食性と非常に小さ
い中性子吸収断面積によ)原子カプラントの燃料被覆管
や燃料チャンネルボックス等に使用されている。これら
は長期間使用されるため、特にその耐食性が重要である
。ジルコニウム基合金の代表的なものとして、「ジルカ
ロイ−2」(ジルコニウムにスズを約1.5%、鉄を約
0.1%、クロムt 0.1%、ニッケルを約0.05
%添加したもの)及び「ジルカロイ−4J (ジルコニ
ウムにスズを約1.5%、鉄を約0.2%、クロムを約
0.1%添加したもの)が知られている。
ジルコニウムは低温(862tll’以下)において安
定なα相(#4密六方格子)及び高温(960C以上)
において安定なβ相(体心立方格子)t−有する。合金
元素を添加することによシ、α相からβ相に変態を開始
する@度(以下、α+!遷移温度と略記する)ri約3
00低下することが知られている。
ジルコニウム基合金の製造方法の従来技術を、燃料被覆
管の製造方法を例に以下に記す。
この製造工程の特徴は、高純度化、均一化のための熱間
押出しまでの工程と、良好な寸法と強度じん性を得るた
めの冷間加工工程にある。
fll  溶解 原料のジルコニウムスポンジに所定の合金元素(sne
 Fe、Cry Nlなど)を配合して、プレスによシ
圧縮成形して円柱状ブリケットを作る。
これを不活性雰囲気で溶接し電極に仕上げ、これを消耗
電極式アーク溶解炉で2回〈pかえし真空溶解してイン
ゴットとする。
(2)β鍛造 インゴットをβ領域温度まで不備加熱(通常的1000
C)L、成形のために鍛造を行う。
(3)溶体化処理 β鍛造後のプルームをβ領域温度まで予宵加熱(通常1
000t:’以上で数時間保持)後急冷する。
この溶体化処理により、偏在していた合金元素は均一化
され、金属組織は改善される。
(4)  α鍛造 溶体化処理によって生じた表面酸化膜の除去及び寸法調
整のために、700C前後のα領域温度範囲内で予備加
熱後鍛造を行う。
(5)機械加工、銅被覆 a鍛造後のプルームは機械切削および孔あけ加工して中
空ビレットにされ、これに酸化、ガス吸収防止及び潤滑
向上のために銅被覆をほどこす。
(61熱間押出し 700C近辺のα領域温良の銅被1ビレツトヲプレスに
よシダイスを通して押′出Lv斧曲し素′1を作る。
(7)中間焼鈍 焼鈍は加工による歪を除去させるために、通常は10−
’ 〜IQ−”forrO高真窒下6500前後で実施
される。
(8)中間圧延 室温における圧延加工によシ、外径を絞シ肉厚を薄くす
る。所定の寸法に達するまで中間に焼鈍をはさみ数回圧
延を繰返す。
(9)最終焼鈍 連層10−’ 〜1O−1lTorrノ高真空下で、5
80C前後の再結晶化焼鈍を行う。
ジルコニウム基合金より成る燃料チャンネルボックス、
燃料スペーサ等は、形状は異なるが基本的には同様の加
工方法、りまシ溶解・鍛造・溶体化処理を行った後、熱
間処理加工そして中間焼なましをはさみ室温での塑性加
工、最終の塑性加工の後最終焼なましが行なわれる。
従来、熱間塑性加工温度及び焼なまし温度は、α+β遷
移温度約8300を超えないよう制限されている。この
根拠は、熱間塑性加工や焼なましを行っているときにそ
の温度がa+β遷移温度を超えると、溶体化処理によっ
て均一化し九合金元素が熱間塑性加工や焼なまし後のv
pりくシとし几温度降下によって粗大化した析出物を作
り、溶体化処理の効果を消滅させてしまうことにある。
実際の適用温度は、前述の温度制限の範囲内で塑性加工
効率の向上、焼なまし時間の短縮など加工作業の効率に
重点が置れて設定されている。設定温fは、従来プロセ
スの記述に示したとおり、燃料被覆管に対する再結晶化
のための最終焼なましを除き、はぼ650〜800Cの
温度領域にある。
炉内で長期間中性子を照射され、同時に高温高圧の水お
るいは水蒸気に−さらされているため、上記のジルコニ
ウム基合金においても酸化が進み、時にはプラントの運
転に重大な影41t−及ぼすことがある。それゆえ、ジ
ルコニウム基合金の耐食性向上の対策が必要である。す
なわち、これはグランド運転の稼動低下のみならず、信
頼性の低下にもつながるからである。さらに近年、燃料
棒の使用期間延長の傾向(高燃焼度化)にともない、燃
料被覆管の耐食性に対する要求は厳しくなシつつある。
本発明の目的は、上記の事情に鑑みて、後述する新しい
知見にもとづき製造工程中の熱処理温度を管理すること
によシ、耐食性が著しく向上するジルコニウム基合金の
展進方法を提供するにある。
本発明は、ジルコニウム基合金の耐食性が溶体化処理後
の加工過程の加熱温度に大きく影響を受け、特に620
Cを越えると耐食性が急激に悪化するという知見にもと
づき、溶体化処理後その合金を620C以下の温度で熱
間塑性加工し、次いで冷関塑性加工焼なまし処理t−6
20C以下で行うこと′fr特徴とする。
実施例1 ジルカロイ−4から成る板状試験片を作製し様iな熱処
理を加えた後、高温水蒸気中で腐食試験を行い、腐食増
量(単位面積めたシの腐食による重量増加)と熱処理条
件の関係を求め友。
熱処理は溶体化処理(β領域1度まで加熱後急冷)と焼
なましから成る。試験片は、石英ガラス管中に真空封止
され熱処理に供された。熱処理には醒気炉を使用し、真
空封止した試験片をβ領域温度に1F)5分間保持した
後、水中に投入して急冷し友。冷却速度v′1200C
/秒以上であった。急冷された試験片に様々な@度で2
時間の焼なましを施した。焼なまし後の冷却は、徐冷に
よる金属間化合物の析出、成長による耐食性の変化を避
けるため、急冷を採用した。その後試験片を高温水蒸気
による腐食試験に供した。
第2図に、!If500C圧力10.3MPaの高温高
圧水蒸気中に60時間保持した後の腐食増量と急冷却の
焼なまし@度(2時間保持後急冷)との関係を示す。腐
食増量の傾向より、焼なまし温度は次の3領域に分類す
ることができる。
温度領域1:640c以下 焼なましを施しても耐食性の劣化がみられない。
特に620C以下、最も600C以下が好ましい。
温度領域1:640cを越え830C以下の温l焼なま
し温度の上昇にともない腐食増量が増加(耐食性が劣化
)する。この直置範囲では合金元素の拡散が可能になシ
、それによシ金属間化合、物の析出が促進され耐食性の
劣化をも友らすものと考えられる。
温度領域1[:830 Cを越える温度焼なましa度に
よらず耐食性が向上する。この温度範囲ではα相からβ
相への変態が開始し、830〜960Cの範囲では部分
的に、960C以上では完全にβ相に変態するため、そ
の後に急冷を加えることでいわゆる溶体化処理を行った
ことになり耐食性が向上する。ただし通常の加工工程に
おいては、焼なまし後あるいは熱間圧延後の冷却は徐冷
であるため、この温度領域での耐食性の向上は望めない
一方、金属間化合w(Zr (c’s Fe)tなど)
の析出状態、特に析出物の粒径と耐食性に強い相関があ
る。焼なまし温度が620C以下の耐食性が有効なジル
コニウム基合金は、析出物平均粒径0.2μm以下であ
シ、焼なまし温度が高くなり耐食性が劣化するにしたが
い析出物の平均粒径は0.2μmを超えて大きくなる。
上記の低温熱処理によシ耐食性を向上させた。
ジルカロイ−2より成る沸騰水盤原子炉用燃料被覆管の
製造方法を表にもとづき説明する。
溶体化処理までの工程は従来の方法と同様である。溶体
化処理を行った後、6QOt:’に予備加熱した後α鍛
造を行う。600Cに予備加熱した後熱間押出し、その
後600Cでの真窒焼なまし及び室温での圧延が3回繰
返される。蝋終焼なましには再結晶化焼鈍(約580C
)を行う。一般に鍛造や押出し時には摩擦熱によシ金属
のII!度が上昇する艇、上記α鍛造及び熱間押出しの
予備加熱温度600Cはたとえ鍛造や押出しによって昇
温することがあっても、620Cは越えないよう設定し
である。また、上金儲なまし及び予備加熱温度は、ジル
カロイ−2の温度が550Cから620Cの範囲内であ
れば、特に問題はない。ただし550C以下であると焼
なましによる軟化効果が顕著でなくあまシ好ましくない
実施例2 前記実施例1に記述した工程において、α鍛造を省略し
550〜620Cでの焼なましと機械加工を追加しても
、同等の耐食性の向上は得られる。
前金儲なましは、溶体化処理による硬化を緩和し機械加
工を容易にするために行う。
実施例3 ジルカロイ−4よ9成る加圧水型原子炉用燃料被覆管の
製造工程に本発明を適用した場合、最終焼なましを機械
強度の向上のために400C〜500Cで行う他は、前
記実施Mlあるいは2と同様である。この方法によって
も耐食性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の燃料被覆管の製造工程を示す工程図、第
2図は溶体化処理後の焼なまし@度と耐食性の関係を示
す線図である。 第1凹 $を屯 第1頁の続き 0発 明 者 正岡功 日立市幸町3丁目1番1号株式 %式% 事件の表示 昭和、6年特許願第119740  号発明 の 名 
称  ジルコニウム基合金の製造方法補正をする者 代表者 三 1)勝 茂 茅l ロ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ジルコニウム基台金を溶体化処理し死後、その合金
    を620C以下で熱間塑性加工を行い、次いで冷間塑性
    加工及び620C以下で焼なまし処理を行う仁とt−特
    徴とするジルコニウム基合金の製造方法。 2、溶体化処理を行り九あと、550C〜620Cの温
    度で塑性加工を少なくとも1回行い、その後、室温での
    塑性加工と550C〜620Cでの焼なましの組合せを
    少なくとも1回行い1その後1室温での塑性加工と55
    0r〜620t:’での焼なましの組合せを少なくとも
    1回行う特許請求の範囲第1項のジルコニウム基合金の
    製造方法。 3.1.020C−1,050t:’に加熱後水冷する
    最終溶体化処理を行ったあと、熱間層性加工t−aoo
    cで行い、室温での塑性加工と600Cでの焼なましの
    組合せを1〜3回行い、室温での最終塑性加工を行って
    最終焼准ましを58Orで行5特許請求の範1i!!#
    1lJXのジルコニウム基合金の製造方法。 4、最終の室温での塑性加工後の焼なま、Lt400C
    〜5socで行う特許請求の範8第1項のジルコニウム
    基台金の製造方法。 5、最終の溶体化処理後、550〜620Cでの焼なま
    しと機械加工を繍す特許請求の範囲第2項又は第3項の
    ジルコニウム基台金の製造方法。 6、@終の熱間塑性加工後、550〜620Cの焼なま
    しを施す特許請求の範囲第2項、第3項又は第4項のジ
    ルコニウム基合金の製造方法。 7、前記ジルコニウム基合金によって原子炉用燃料棒被
    覆管、燃料スペーサ、燃料チャンネルボックス、燃料バ
    ンドルの一種以上を構成した特許請求の範囲第1項〜第
    6項のいずれかのジルコニウム基合金の製造方法。
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