JPS5952228B2

JPS5952228B2 - 原子炉用摺動構造物

Info

Publication number: JPS5952228B2
Application number: JP55092735A
Authority: JP
Inventors: 寛福井; 芳光飛田; 文男幡谷; 光寛渡辺; 矩章間瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-07-09
Filing date: 1980-07-09
Publication date: 1984-12-18
Also published as: JPS5719364A; US4462957A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、原子炉用摺動構造物に係り、特に、原子炉の
炉心制御棒等に使用される優れた耐食性が要求される燃
料制御棒用ピンとローラの如き摺動構造物に関する。

周知のように、原子炉燃料棒のガイドローラには、コバ
ルト基超合金で製造されたローラと、同様にコバルト基
の鍛造材から製造されたピンとが装着されている。

かかるローラに使用されているコバルト基超合金は、多
くの炭素（１，０％）と多くのクロム（２８％）を含有
している。

そのため炭化物が多く、従って硬さが高く、また多くの
クロム含有量ゆえに高温高圧の純水に対する腐食にも優
れ、ローラ材として優れた特性を有している。

一方、ピン材に使用されているコバルト基鍛造合金は、
鍛造性、加工性、溶接性が要求されるところから、炭素
含有量は０，１％と低く、クロム含有量も２０％と低く
しているが、やはり優れた耐摩耗性耐食性を有している
乙しかしながら、かかる合金はローラ材で約６５％、ピン
材で５０％のコバルトを含有するため使用中の両者の摩
耗によりコバルトの摩耗粉が生じ、また高温高圧の純水
による腐食により溶出したコバルトが生じ、これらが放
射化され、この放射能により汚染されたコバルトが系内
を循環するという問題点が生する。

ところで、摩耗粉が生ヒないようにするには、合金が一
定の硬度を有することが要求される。

合金の硬度は、（イ）析出物による析出硬化、（ロ）基
地の固定硬化、によって得られ、（イ）において炭化物
によるものと金属間化合物によるものが効果的であり、
（ロ）においては、モリブデン、タングステン等の固溶
強化型元素およびマンガン、シリコンを多く含有させる
こと、更には冷間加工等による加工硬化が効果的である
。

また、高温高圧水に対する腐食性の点からは、クロム量
およびニッケル量更には窒素量が最も重要であり、また
炭素量も重要となる。

更に窒素量は放射線による照射脆化を促進するので含有
させない方がよいが、通常製造過程中に入るので、含有
量を充分低くしなければならない。

本発明者等は、上記観点から、（１）ニッケル基でチタ
ンとアルミニウムを多く含み、かつクロム量の多い、い
わゆるγ′強析出型超合金（Ｎｉ” （Ａ１、Ｔｉ）を
析出させた合金）、（２）ニッケル基でモリブデン、シ
リコンを多く含有し、金属間化合物を晶出または析出さ
せた合金、（３）マンガン、シリコンを多く含有させ窒
素含有量を低くし、更に冷間加工によって硬化させた合
金、（４）ニッケルークロム−鉄基合金に、モリブデン
、タングステンを多く含有し、更に冷間加工を与えた合
金、を選びローラ材として２種の合金、ピン材として２
種の合金を組合せた場合について、それぞれ純水中で摺
動耐摩耗試験を行った。

これは、摺動部材として不適当な材料もあり、また摩耗
特性上も両者の組合せが重要な要件になることによる。

その結果ピン材として、上記（３）の合金、ローラ材と
して、上記（１）の合金を用い、これらを組合せると最
も特性が良好になることを見出した。

本発明は、上記知見に基いて上記問題点を解消すべく成
されたもので、コバルト誘導放射のおそれがなく、また
耐摩耗性、耐食性の優れた原子炉用摺動構造物を提供す
ることを目的とする。

本発明の原子炉用摺動構造物を構成する固定部材は、重
量比で炭素０．３％以下、ニッケル７〜４０％、クロム
１５〜２８％、シリコン２〜８％、マンガン３〜１２％
、および残部鉄から成る。

さらに、上記固定部材は、重量比で炭素０．３％以下、
ニッケル７〜４０％、クロム１５〜２８％、シリコン２
〜８％、マンガン３〜１２％、窒素８００ｐｐｍおよび
残部鉄から成る合金に冷間加工が加えられていることが
特に好ましい。

炭素が０，３％を越えるとクロムと結合して炭化物を作
り易くなり、マトリックスの耐食性が劣り、加工性も悪
くなり冷間、熱間加工で割れを生ずる。

また、低すぎると硬さが低下する場合があるので炭素含
有量の最適値は、０．０１〜０．３％である。

ニッケルが４０％を超えると、耐食性は向上するが不経
済であるので好ましくない。

また、７％未満であると組織が安定しない。

最も好ましい範囲は７〜１２％である。クロムは１５％
未満では耐食性が劣り、２８％を越えると炭素との結合
が多くなり脆くなる。

最も好ましい範囲は１６〜２２％である。

シリコンは２％未満では十分な硬さと耐食性が得られず
、８％を越えると脆くなり加工性が悪くなる。

最も好ましい範囲は２〜６％である。

マンガンは３％未満では十分な加工硬化性が得られず、
１２％を越えると耐食性が悪くなる。

最も好ましい範囲は４〜１０％である。

窒素は本発明合金で重要な元素であり、耐摩耗性上多い
程良いが、窒素はクロムと結合して窒化物を作りマトリ
ックスの耐食性を低下すると同時に照射脆下を促進する
ので８００ｐｐｍ以下であるのがよい。

最も好ましくは６００ｐｐｍ以下である。冷間加工は、
その度合を４０％を越えて行なっても加工度の割りには
硬化が上昇しない。

また、５％未満の加工度では硬化が促進されないので、
５〜４０％の加工度が最も好ましい。

さらに、本発明の原子炉用摺動構造物は上述した合金を
固定部材とし、重量比で炭素０．５％以下、クロム１３
〜２２％、モリブデン３〜１０％、チタン０．３〜３％
、アルミニウム３〜８％および残部□ニッケルから成る
摺動側部材との組合せからなるものである。

ここで、炭素が０．５％を越えるとクロムと結合して炭
化物を作り易くなり、マトリックスの耐食性が劣る。

最も好ましい範囲は０．０１〜０．３％である。

クロムが１３％未満では耐食性が劣り、２２％を越える
と炭素との結合が多くなり脆化する。

この内でも特に１５〜２０％が最も適している。

モリブデンは３％未満ではマトリックスの固溶硬化と耐
食性が劣り、また１０％を越えると硬くなりすぎて切削
加工が困難になる。

最も好ましいｉ範囲は４〜８％である。

チタンまたはアルミニウムは１０％を越えると、硬くな
りすぎて鋳造時割れや切削加工性が悪くなる。

チタンまたは（および）アルミニウムの添加は、炭化物
の代りにＮｉ３（ＡＩ、Ｔｉ）化合物の析出により硬
さを与えるもの１で本発明の重要な元素であり、最も好
ましい範囲はチタン０．３〜３％、アルミニウム３〜８
％である。

以下、本発明を実施例および比較例に基づき更に詳細に
説明する。

？第１表に摺動摩耗試験に供した材料の化学成分を示
す。

なお、第１表中Ｎｏ、ｌ、５は本発明に係る実
施例の固定側部材である。

Ｎｏ、３９５９８は本発明に係る実施例の摺動
側部材であって、その他は比較例である。

第２表は、材料に施した熱処理と硬さを示す。

なお、Ｎｏ、５の材料の熱処理、加工層および硬さにつ
いてはＮ００３の材料と同様であるのでその記載は省略
した。

固定側部材すなわちピン材としてはＮ００１，２，６及
び７の材料を使用し、摺動側部材すなわちローラ材とし
てはＮｏ。

３、４．５及び８の材料を使用して純水中で摺動摩
耗試験を行った。

試験条件は室温で、摺動サイクル２８回／ｍｉｎ、摺動
距離６０ｍｍ／回、面圧２５ｋｇ／ｌｃｉｌ１２で゛
、５００回、２０００回、５０００回後にそれぞれの摩
耗量を測定した。

第１図〜第６図に試験結果を示す。

第１図は、本発明の実施例の試験結果を示し、固定部材
Ｎｏ、１と摺動部材Ｎｏ、３とを組合せたものと、固定
部材Ｎ００１と摺動部材Ｎｏ、５とを組合せたものの試
験結果を示す。

図中Ｎｏ、ｌは、摺動部材Ｎ００５と組合せた固定部材
Ｎｏ、１の試験結果を示すものである。

図に示すように固定側部材は、わずかに摩耗しているが
、摺動側部材はほとんど）摩耗していない。

第２図は比較例を示し、固定側部材としてＮｏ、１の材
料を用い、摺動部材としてＮｏ、４の材料を用い、
これらを組合せたものの試験結果を示す。

図に示すように、固定側部材は実施例と比較して摩耗量
が増加し、摺動側部材テもわずかに摩耗が増大する。

第３図は他の比較例を示すをので、固定側部材としてＮ
ｏ、２の材料を用い、摺動側部材としてＮｏ、３の材料
を用いて、これらを組合せたものの試験結果を示す。

図に示すように、固定側部材も摺動側部材も著しくｔ摩
耗する。

第４図及び第５図は本発明の実施例を示し、固定部材Ｎ
０１６と摺動部材Ｎｏ、５とを組合せたもの、及びＮ０
０６とＮｏ、８とを組合せたものの結果である。

固定部材側はわずかに摩耗しているが、摺動部材側はほ
とんど摩耗していない。

また第６図は比較例を示し、固定部材Ｎｏ。７及び摺動
部材Ｎｏ、５の組合せであり、両者とも著しく摩耗
している。

以上の事から耐摩耗性は、組合せる材料によって異なり
、実施例で優れていた固定部材Ｎｏ。

■、摺動部材Ｎｏ、３及びＮｏ、５とも片方が摩耗した
り、両方が摩耗したりしてしまう。

したがって、本発明は、固定側部材及び摺動側部材とも
本発明に係る材料を用いることが望ましい。

一方、耐食性については、摩耗面あるいは摩耗しない面
について調査したところ、全ての合金が優れており、ク
ロム量が１５％以上あれば耐食性は充分であることが判
明した。

なお、上記において原子炉の燃料制御用ピンとローラに
本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこ
れに限定されるべきものではなく、原子炉循環系におい
て、耐食性と同時に耐摩耗性を要求される全ての部分に
適用できるものである。

また、耐エロージヨン性は耐摩耗性と密接な関係がある
ことからバルブ等の耐エロージヨン性を要求される部分
へも同様に適用することができる。

以上説明したように本発明によれば、合金組成としてコ
バルトを含まないので、例えば高温高圧の純水にさらさ
れる原子炉炉心燃料制御棒に設けられるローラおよびピ
ンに使用された場合にも、コバルト誘導放射のおそれは
なく、また耐摩耗性□と耐食性の両方に優れているので
構造上での信頼性が大きい等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の摩耗試験の結果を示す線図
、第２図および第３図は、比較例におけする摩耗試験の
結果を示す線図、第４図、第５図は本発明に係る他の実
施例の摩耗試験の結果を示す線図、第６図は他の比較例
における摩耗試験の結果を示す線図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量比で炭素０．３以下、ニッケル７〜４０％、ク
ロム１５〜２８％、シリコン２〜８％、マンガン３〜１
２％、および残部鉄からなる固定部材と、重量比で炭素
０．５％以下、クロム１３〜２２％、モリブデン３〜１
０％、チタン０．３〜３％、アルミニウム３〜８％お
よび残部ニッケルからなる摺動部材とからなることを特
徴とする原子炉用摺動構造物。