JPS5822366A - ジルコニウム基合金の製造法 - 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】 本発明は、シルコニツム基合金の加工及び熱処理法に係
シ、特に原子炉構造部材の製造工程における加工及び熱
処理法に関する。

ジルコニウム合金は、優れた耐食性と小さい中性子吸収
断面積とを有している友め原子カプラント炉内構造部材
である燃料棒被覆管、燃料集合体チャンネルボックス等
に使用される。前記用途に使用されるシルコニ９ム合金
は、ジルカロイ−２（ジルコニウムに８ｎ：約１．５％
、Ｃｒ：約０．１％、ｐｅ：約０．１％、Ｎｌ：約０．
０５％添加したもの）及びシルカミイー４（ジルコニウ
ムに８ｎ：約１．５％、ｐｅ：約０．２％、Ｃｒ：約０
．１％を添加したもの）の２種類である。しかし、耐食
性の優れたジルコニウム合金においても、炉内で長時間
にわた〕高温高圧の水あるいは水蒸気にさらされると、
厚膜化した酸化被膜のために熱伝達係数が低下し次シ、
局所的過熱を生じた９して、時には原子炉の運転に支障
をきたす場合がおる。かかる事故を防止するために、熱
処理により耐食性を向上させる方法は公知である。

純ジルコニウムに、約８６０Ｃ以下では稠密六方晶（α
相）の結晶構造を有し、それ以上の温度では体心立方晶
（β相）の結晶構造１に有する。ジルコニウム合金にお
いては、α相安定化元素でおる３ｎ及びβ相安定化元素
であるｐｅ、Ｑｒ。

ＮｌあるいはＮｂが添加されているため、α相とβ相と
が共存する温度範囲（以後、〔α十β〕相温度範囲と記
す）がある。ジルカロイ−２あるい温度範囲は、はぼ８
３０Ｃ〜９６０Ｃである。約９６０Ｃ以上では、β相単
相（以後、β相温度範囲と記す）となる。〔α十β〕相
温度範囲あるいはβ相＠度範囲から急冷されたジルコニ
ウム合金に、マルテンサイト状組織ｔ−有し、合金添加
元素の１ｆｔｔｌあるいは大部分はジルコニウムマトリ
ックス中に過飽和に固溶してい漬。しかし、冷却速度が
遅いと、主としてｐｅ、Ｃｒは冷却過程でジルコニウム
との金属間化合物として析出し粗大化する。

かかるジルコニウム合金の性質を利用し、従来〔α十β
〕相温度範囲あるいはβ相温度範囲から急冷させてジル
コニウム合金部材の金属組織を改善することにより耐食
性を向上させる熱処理が公知である。前者は、〔α十β
〕クエンチ、後者に、βクエンチと称されている。耐食
性向上の観点からは、クエンチ時の冷却速度を速くして
、粗大な金属間化合物相の析出を防止するのが好ましい
が、冷却速度が大であると冷却時に発生°する熱応力に
ニジ、シルコニタム合金部材が変形するために、比幀的
遅い冷却速度（２０Ｃ／１〜４００Ｃ／＠）でのクエン
チがなされて一次。さらに、クエンチ後の相温度範囲に
再加熱すること及び層性加工を加えることは、金属組織
を変化させ耐食性に悪影響を及ぼすとの観点より、シル
コニ９ム合金部材の製造工程においてはクエンチ後１回
のみの脂性加工と焼鈍が施されるか、あるいは、クエン
チェ楊は最終工程とされていた。かかる製造工程におい
ては、シルコニ９ム合金部材の厚さは、１〜４−程度と
薄い危めクエンチ時の熱応力に対する変形抵抗が小さく
変形が生じやすいという欠点があった。さらに、クエン
チされたままの組織を有するシルコニタム合金部材は延
性に乏しく、金属組織が微細である友め結晶粒界の面積
が増大し粒界すぺυによるクリープ変形が生じやすいと
いう欠点を有してい次。

本発明の目的は、高耐食性と優れた機械的性質とを有す
るジルコニウム基台金の製造法を提供するにある。本発
明は、ジルコニウム基合金の製造工程において、〔α十
β〕クエンチあるいはβクエンチ後、複数回の冷間加工
及び轡に５００Ｃ〜６４０７：の温［範囲特に６００Ｃ
以下での焼鈍を施すことにより、耐食性及び機械的性質
力五向上するという新規な昶見にもとづいている。かめ
為る特性の同上に、〔α十β〕相１＋１３１範囲から急
冷されて過飽ｅＫ合金添加元素を固溶したマルテンサイ
ト状組織を有するジルコニウム合金に対し、塑性加工と
焼鈍とｔ−２回以上繰返すことにより、超微細な金属間
化４１！ｗ１５を均一に析出させた結果として得られる
のである。

寮施例 第１図は腐食試験結果を示し、８３０Ｃ〜ｔｏａｏｃに
加熱後水中に投入される際に平均冷却速度的８００Ｃ／
８で室温まで冷却され次板厚２−のジルカロイ−４材ｔ
−６００ｃに再加熱し危機、温［５００Ｃ，圧力１０５
Ｋｆ１／ａｎ”の水蒸気中に６０時間保持した時の酸化
による腐食増量（ΔＷ：　１ｄが当シの重量増加）とク
エンチ時の最高加熱温度ｔＩ＋ｎｎ４ｘ　　との関係を
示す。記号Ｏは健全な黒色の酸化被膜が形成されている
ことを示し、記号・は表面の１部がふくらむ白色の局部
腐食が発生し、１部のふくらんだ酸化被膜が剥離してい
ることを示す。ＴｍＢｘ　≦８５０Ｃに加熱後クエンチ
され次試験片においては、ΔＷが大でかつ表面の酸化被
膜の１部が剥離するのに対し、Ｔ　ｍ　ＨＸ　≦８７０
Ｃに力Ω熱漬クエンチされた試験片においてはΔＷが小
で（耐食性が高く）かつ健全な均一厚さの酸化被膜が形
成されていることがわかる。この結果から、顕著な耐食
性の向上は最高加熱温度８７０Ｃ以上からクエンチされ
次場合に−められる。

第２図は、クエンチ後の焼ｇ温度Ｔ−が耐食性に及ぼす
影響を示し、Ｔｍａｘ　　：９００Ｃに加熱後急冷され
た試験片と、５００Ｃ〜６５０Ｃで２時間焼鈍された試
験片の腐食増量ΔＷｔ−比較したものである。５００Ｃ
≦Ｔ＃≦６０００の焼鈍を施された試験片はクエンチ後
焼鈍されなかった試験片よｐ高い耐食性を示すのに対し
、６５０Ｃで焼鈍された試験片は耐食性が劣下している
ことがわかる。このことよシ、５００ｔ：’〜６００Ｃ
の温度範囲においてクエンチ後焼鈍を施すことにより耐
食性が向上することがわかる。

第３図は、耐食性に及ぼす焼鈍時間ｔａの影替會示し、
ＴｍａＸ　９００Ｃよりクエンチされた試験片を用いて
、焼鈍温度６００Ｃに２時間保持後炉中で冷却させる処
ｍｔ−合計４回まで繰返し施した試験片と、クエンチし
たままの試験片との腐食増量ΔＷを比較したものである
。クエンチ後の合計の焼鈍時間ｔｇが６ｆｒｔ間以下で
あれば耐食性にクエンチ後の焼鈍により向上することが
わかる。

第４図は、Ｖ−ザ光による板材Ｏクエンチ法及びクエン
チ時の冷却速度Ｃ，ａ、に及ぼすジルカロイ−４材の板
厚の影響を示す。

ジルカロイ−４板材２は、レーザ光１の照射を受けなが
ら方向３に所定の速度で移動するように設置された。ク
エンチ部４は、レーザ光の照射を受は次加熱部５がレー
ザ光照射位置を通過した後板自身への熱伝導により冷却
されて連続的に形成される。ビーム出力２ｋＷ、板材の
移動速度７０ｃｍ　／　１１１１１　（Ｄ　フェッチ条
件で、８６０Ｃ＋５００ｔ：’の平均冷却速度は、板厚
の減少とともに遅くなり、板厚２■の試験片においては
顕著な変形が認められ次。このことから、レーザ光によ
るクエンチは、ジルコニウム合金部材の製造工程におい
て肉厚が厚い状態で行い、その後の冷間加工と焼鈍との
繰返し工程で所定の寸法に成形することにより、冷却速
度が速いクエンチが可能となり、変形が防止できること
がわかる。

第５図は、本発明によるシルカミイー２製燃料棒被覆管
の製造工程を示す。ジルカロイ−２インゴツトは、β鍛
造、溶体化処理（１０５０Ｇに加熱後水冷）、α鍛造に
より外径１５０ｓｗＩのう９ンドビレツトに成形された
。その後機械加工により内径４５■、外径１４５ｓｗＩ
の中空ビレットとされ、内面には鋼被覆が處された。鋼
被覆は、後続工程である熱間押出し工程において内面の
潤滑性を向上させるために施される。熱間押出しにより
内径４０■、外８１６０■に成形された押出し索管外弐
面は、レーザ光照射により表面温度約１３０（１に加熱
された。この時押出し素管には、変形が認。

められなかりた。押出し素管に、冷間圧延と６００Ｃ〜
５００Ｃの焼鈍とが３回繰返されて、内径１０■ζ外径
１２ｍの圧延管とされた。本圧延管ｔ−５００Ｃ，１０
５ＫＩＩｆ／譚２の水蒸気中に６０時間保持し危機の腐
食増量は、第３図に示したジルカロイ−４材（６００１
：’で合計６時間焼鈍し次もの）とほぼ同等であり高い
耐食性を有していることが確認さｎた。高温引張試験（
試験温度：２８８ｔ）において、本圧延管は４５％以上
の伸びを有しているのに対し、クエンチしたままのジル
カロイ−２材に１２％前後であつ次。

最終圧延工程後の焼鈍温度ｔ４００Ｃ〜５５０Ｃとする
ことによ、Ｑ　６　Ｑ　ＯＣｆｉ鈍材よす引張強さが向
上する。このことから、クエンチ後、冷関圧。

延及び焼鈍を繰返すことによシ、高耐食性と優れた機械
的性質とを兼備し九燃料棒被覆管の製造が可能であるこ
とが確認され次。クエンチ時の加熱源は、高周波を使用
しても同様な効果が得られ本発明に含まれる。

本発明によれば、耐食性及び機械的性質の優れたジルコ
ニウム合金部材の製造が可能となり、とくに燃料棒被覆
管の製造工程において、クエンチ工程を熱間押出し工程
に続いて設け、その後、冷間圧延及び６００Ｃ以下の焼
Ｍｕ−２回以上繰返すことにより、前記効果は顕著とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、耐食性に及ぼすクエンチ時の最高加熱温度の
影響を示す線図、第２図は、耐食性に及ぼすクエンチ後
の焼鈍温度の影響を示す線図、第３図は、耐食性に及ぼ
すクエンチ後の焼鈍時間の影響を示す線図、第４図は、
レーザ光によるクエンチ時の冷却速度に及ぼす板厚の影
響を示す線図、第５図は、本発明による、燃料棒被覆管
の製造工ｔｃｍｍ） イ５Ｘｌ！１ 手続補正書（方式） ％式％ 発明　の　名　称　ジルコニクム基合金の製造法補正を
する者 １１ｆ耳の関係　　特許出願人 ｆｌ　　　所　　東京都千代田区丸の内−丁目５番１号
名　　１ｔｔ５１０１株式会社　日　立　製　イ乍　所
代表者　三　１）勝　茂 代　　　理　　　Å 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ジルコニウム基台金を最終の熱間加工後、溶体化処
   理ｔ−施し、次いで、冷間加工を閣にはさんで焼１１１
   １［１ｔ−２回以上施すことを％徴とするシルコニツム
   基合金の製造法。 ２、該ジルコニウム合金は、錫、鉄、クロム、ニッケル
   の少なくとも１つを合金元素として含有する特許請求の
   範囲第１項のジルコニウム基台金の製造法。 ３、前記ジルコニウム合金の表面をＶ−ザ光照射により
   加熱する特許請求の範囲第１項のシルコニツム基合金の
   製造法。 ４、前記シルコニツム基合金によって燃料棒被覆管、チ
   ャンネルボックス、燃料スペーサ、ｍ科バンドルの少な
   くとも１つが構成される特許請求の範囲第１項のシルコ
   ニツム基合金の製造法。 ５、前記燃料棒被覆管は、β鍛造（９６０ｔｌｌ’〜１
   １００Ｃの温度範囲にて行われる鍛造）、溶体化処理（
   ９６０Ｃ〜１１００Ｃに加熱後、急冷される熱処理）、
   α鍛造（８００ｔ：”以下の温度範囲で行われる鍛造）
   、熱間押出しの工８を経て表作された被覆管ビＶットの
   外表１１を８６０Ｃ以上に加熱後、急冷させる熱処理を
   施した後、−冷間圧延及び６４０Ｃ以下の温度範囲にお
   ける焼鈍を２回以上繰返す特許請求の範囲第１項のジル
   コニウム基合金の製造法。 ６、最終冷間圧延後、４００Ｃ〜５５０Ｃの温度範囲で
   焼鈍を行うこと１−＊＊とする特許請求の範囲第５項の
   シルコニ９ム基台金の製造法。