JPS6013061B2

JPS6013061B2 - 高強度フエライト合金

Info

Publication number: JPS6013061B2
Application number: JP52116982A
Authority: JP
Inventors: ミカエル・カ−ル・コレンコ; ウイリアム・カ−ル・ハ−ゲン; フレデリツク・アウグスタス・スミツト
Original assignee: Energy Research and Development Administration ERDA
Current assignee: Energy Research and Development Administration ERDA
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1985-04-04
Also published as: US4049431A; SE7709685L; SE421536B; CA1068132A; GB1558936A; FR2366373B1; DE2744105A1; FR2366373A1; JPS5343614A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、強度の高いフェライト合金（企ｒｍｉｃａｌ１ｏｙ）に関するものである。

現在でのところ、液体金属高速原子炉においては、燃料
覆及びダクトの用途には、２０％冷間加工した３１６ス
テンレススチール（ＳＳ）を包含するよう設計されてい
る。この特殊な用途に対してフェライト系の材料は、一
般的に、３１６Ｓよりも劣ると考えられているが、その
理由は、これらフェライト系の材料は、３１６Ｓに較べ
ると、このグループに属するものはすべて、５００〜７
００ｑｏの温度範囲内では強度が低いからである。フェ
ライト系の材料は、３１６Ｓもその中に包含されるオー
トステナィト系合金に比較すると、いくつかの特定の利
点を有しているので、強度におし、ても３１６Ｓに比肩
しうるものとしてフェライト合金を使用できれば、工業
上有利なことといえよつ。

一般に、フェライト合金は、放射線の下での膨張抵抗が
高く、従って耐用年数が長くなり；これらフェライト合
金は、中性子を吸収することが他の材料よりは少ないの
で、エネルギー発生サイクルが経済的に行われるように
なり、そして、放射腕化耐性がより高いので、燃料操作
に対する問題に費す度合が少なくてすむのである。上記
したところにかんがみ、本発明は、次のように要約され
る。

つまり、本発明は、５００〜７００ｑｏの温度範囲内に
おて良好な強度を保持している新規なフェライト合金を
提供することを、その目的としている。また、液体金属
増殖炉のダクト及び被覆に用いるのに有用なフェライト
金を提供することも、本発明の１つの目的である。

更に本発明の目的は、改良された空洞膨張耐性を有する
新規なフェライト合金を提供することである。

更に本発明の目的は、高温において３１６Ｓを比肩しう
る程度の強度を有するフェライト合金を梶することであ
るが、このフェライト合金は、上記した高温において、
照射後の延性が、３１６Ｓよりも更に改良されたもので
ある。

更に本発明の目的は、レィブス相析出（Ｌａｖｅｓｐｈ
ａｓｅｐｒｅｃｉｐＭｔｉｏｎ）を生じような比較的
高濃度のモリブデン含量を有し、５００〜７０ぴ０にお
いて改良された強度を有するフェライト合金を提供する
ことである。

上記以外の各種の目的及び利点は、次に述べる詳細な説
明から明らかになることであるし、本発明の最も新規な
特徴は、特許請求の範囲の記載との関連においても記載
された爾後の記述において、指摘することにする。

次にこのことが理解できよう。つまり、ここで述べる合
金成分の組成及びその詳細は、単に本発明のためにのみ
記述したものであって、本発明の原理及びその範囲から
逸脱することがなければ、当業者がこの合金成分の組成
及びその詳細を各々変えることは、自由にできることで
ある。本発明は、新規なフェライト合金からなるもので
あるが、この合金は、液体金属増殖炉のダクト及び被覆
用途に有用なものであって、次のものを含有している。

９〜１立雲量％のクロム（Ｃｒ）、４〜８重量％のモリ
ブデン（Ｍｏ）、０．２〜０．頚重量％のニオブ（Ｎｂ
）、０．１〜０３３重量％のバナジウム（Ｖ）、０．２
〜０．塁重量％のケイ素（Ｓｉ）、０．２〜０．８重量
％のマンガン（Ｍｎ）、０．０４〜．１２重量％の炭素
、最大限０．０５２重量％の窒素、最大限０．０２重量
％のィオウ、最大限０．０２重量％のリン、及び、その
残りは鉄（Ｆｅ）である。

このフェライト合金は、５００〜７００ｏｏの温度範囲
内で、２０％袷間加工３１６Ｓと比肩し得る程度に改良
された強度を有する。本発明を更に詳細に記述すると、
次のとおりである。

本発明に係る合金は、添付図面に図示したフローの順序
に従って製造することができる。次の組成物が得られる
よう、合金元素を添加する。その組成物とは、通常、そ
の使用添加割合がそれぞれ、９〜１３重量％のＣｒ、４
〜８重量％にＭｏ、０．２〜０．紅重量％のＮｂ、０．
１〜０．３槌重量％のＶ、０．２〜０．８重量％のＳｉ
、０．２〜０．頚重量％のＭｎ、０．０４〜０．１２重
量％ほＦ、最大限０．０５２重量％の窒素、最大限０．
０２重量％のィオウ、最大限０．０ａ重量％のリン、及
びその残りはＦｅである。窒素、ィオウ、リンについて
は、最大濃度が特定されているけれども、これらの濃度
は出釆る限り低く維持するのが好ましく、こられの元素
は、合金中に存在しないのが望ましい。これら合金元素
は、誘導炉といった適宜な炉の中に入れて溶融表面はア
ルゴンとの他適当なガス層で保護しながら、空気中で溶
融させることができる。また、、この方法とは二者択一
的に、当業界において既知となっているように、窒素の
吸収を防止するため不活性雰囲気中でフェライト合金組
成物を溶融することを企図してもよい。合金元素は、純
粋な炭素、アルミニウム、及び電解鉄を使用しようとす
る場合を除き、第一鉄合金として添加することができる
。アルミニウムは脱酸剤として添加するのであるが、こ
れが最終製品の一部を形成することはない。溶融後、こ
の溶融物又は加熱物は、適当なィンゴットケース内に注
入するが、このィンゴツトケースとしては、例えば、９
仇吻×３２０肋の大きさのシリンダー状ィンツトが挙げ
られる。

そこで、この鋳造品は、温度約１１２５〜１２２５ｑｏ
、一般的には約１１７５ｏｏで２時間の間、均熱（ｓｏ
ａｋ）またはソリユーションアニーリング（ｓｏｌｕｔ
ｉｏｎａ肌ｅａｌ）処理に付する。このソリューション
アニーリングした鋳造ィンゴツトは、そこで、約１１２
５〜１２２５００、一般的には約１１７５ｑｏといった
適当な度で、厚さ２５肌、中１５仇吻、長さ聡５側とい
った適当な大きさを有するシートバーにプレス鍛造した
。試験を行うために、このシートバーは、次に、グリツ
トフラスチング又は清浄化して表面酸化を除去し、熱
間圧延（ｈｏｔｒｏｌｌｉｎｇ）のために１５０脚の長
さに切断した。この熱間圧延は、最初にブロード圧延（
ｂｒｏａｄｒｏｌｌｉｎｇ）によって２０５肋の中にし
、次にストレート圧延（ｓｔｒａｆ群ｔｒｏｌｌｉｎｇ
）によって２肋の厚さにする工程から成るもので、１３
脚中の金属片に切り離し、切り離したこれらの金属片は
、約１１００〜１２００００、一般的には約１１５０ｏ
ｏの温度で、約０．５〜２時間、又は約１．母音間の間
、空冷工程前に水素による保護雰囲気中においてソリュ
ーションアニーリング処理した。この水素雰囲気は、
酸化を防ぐためのものである。そして、これらソリユー
ションアニーリング処理した金属片は、空冷した後、
厚さ２肌から１．５肌へと２０％リダクション（ｒｅｄ
ｕｃｔｉｏｎ）となるまで冷間加工に付した。

最終冷間加工を行った後、これらの金属片は、約７００
〜７６０ｑｏ、一般的には約７３０午○の温度で、約０
．５〜２時間の間エージング（ａｇｉｎｇ）処理に付し
た。エージング処理した後、金属片は、空気中で室温に
なるまで冷却した。第１表は、４種の合金の化学組成を
示したものであるが、これらの合金は、冷間加工、鍛造
、ェ・ージング、その他の処理からなる上記した工程に
よって製造されたものである。

説明するのに便利なように、これらの合金は、それぞれ
合金Ｄ５６，Ｄ５７，Ｄ５８，Ｄ５９と呼ぶことにする
。Ｄ５６とＤ５７は本発明の合金、０５８とＤ５９は本
発明に含まれない金として例した。第１表高モリブデンフェライト合金の組成元素（重量％）．残りは鉄第ロ表は、上記した４種の合金を製造するのに用いた特
定の温度、間、その他を示したものであつて、その結果
得られた結果は、後で示すことにする。

第Ｄ表高モリブデンフェラィト合金製造条件註）ａソリューション処理又はオーステナイト化は０
．５時間行い．そして空冷し′た。

ｂエージング処理は１時間行い、そして空冷した。第
１表に示した４種の合金すべてにおいて、レィブス相析
出は、カーバィド相からの強化と共に、第一次フェライ
ト合計強化剤（ｓｔｒｅｎｇ比肥ｒ）として用した。フ
ェライト合金Ｄ５６及びＤ５７で示したように、レィプ
ス相析出は、Ｍｏの添加量が比較的高いときに増大した
。このことは、レィブス相は一般に延性を低下させるの
で、望ましくないものであるという先行技術の教えに、
直接反するものである。このレィブス相析出の増加によ
って、強化されたフヱラィド合金が得られ、その結果、
液体金属増殖炉のダクト及び燃料覆とししての用途に適
したフェライト合金となり、この合金の卓越した物理性
は、以下に記述する。各表中において使用する用語であ
る％Ｅ．、％Ｒ．Ａ．、ｋｓｉは、それぞれ延び率、断
面縮み率、及び平方ィンチ当り１０００ポンドを表わす
。

第瓜表米３１６ステンレススチールに対する比較第ｍ表
からわかるように、本発明に係る合金であるＤ５６及び
Ｄ５７は、高速フラックス（ｆａｓｔｎｕｘ）スペクト
ルにおける中性子吸収断面が、３１＄Ｓときめて比肩し
うるものである。

実際のところ、原子炉に使用する場合、合金Ｄ５７の方
が合金Ｄ５６よりもむしろ好ましいようである。それは
、合金Ｄ５６の比較吸収（合金の吸収を３１６Ｓの吸収
で除したものの１００ｏＣ倍として表示）が標準の３１
６Ｓの比較吸収をしのいでいるからである。合金Ｄ５６
は、Ｍｏ含量がより多いため、今度は比較吸収増大の原
因となるのであるが、このＤ５６は、マフラー、蒸気タ
ービンのブレードといった原子炉関係ではない用途に極
て適合しており、比較的高温において要求される高度な
強度を有している。この程度のＭｏ濃度を有する合金は
、通常用いられている合金よりも経済性が非常に高いも
のである。その理由は、この合金は強度が高いので、そ
の結果寿命が長くなるからである。合金Ｄ５７は、その
組成が先に述べた一般数値範囲にも入るし、また好適数
値範囲にも入る。

即ち、０．０４〜０．０７重量％のＣ、０．３〜０．６
重量％のＭｎ、０．２〜０．５重量％のＳｉ、９．５〜
１１．５重量％のＣｒ、５．５〜９．５重量％のＭｏ、
０．３〜０．６重量％のＮｂ、０．１〜０．３３重量％
のＶ、及び、その残りはＦｅである。最適量のカーバィ
ド及びレィプス強化相を確実に得るのに、上記した数値
範囲が好適なのである。この合金は、特に、液体金属冷
却型高中性子炉におけるダクト及び被覆用途に対して有
用Ｌである。第ＩＶ表フェライト合金の室温引張特性詰）Ｌａ）合金は．ソリューンョン匁壁理し１１５０℃
／０．５ｈｒノＡＯ）．２０％冷間リダクション．エー
ジンク匁蛙堅く７３０℃／ｌｈｒ／ＡＯ）された。

Ｌｂ）合金は．ソリューンョン匁革里し１０９５Ｃ／０
．５ｈｒノＡＯ）、２０％冷間リダクション．ェーソン
グ匁蔓壁Ｌ７３０じ／ＡＯ）された。第Ｗ表は、第１表
に示した組成を有する高Ｍｏフェライト合金の室温での
引張り特性を示したものである。

合金Ｄ５９から合金Ｄ５６、とモリブデン含量ぎ増加す
るにつれて、通常、強度が増加する。しかし、強度と延
性とが最適の状態に調和がとれてるのは、合金Ｄ５７で
ある。合金Ｄ５７においてモリブデン含量が８％に増加
すると、延性が相当低下してくる。これらの合金を長時
間高温に置いたときの安定性を試験するために、これら
の材料は、４７４ｏｏで５０加持間エージング処理し、
次いで引張り試験に付した。

これらの試験結果は、第Ｖ表に示されている。第Ｖ表４７４℃に５００時間曝した後のフヱラィト註）ａこ
れらの合金は．すべて不蹄安定エージンクに先立ら．第
Ｄ表に従って熱処理した。

この安定性試験の後に、モリブデン量が最も高い物質で
ある合金Ｄ５６だけは、品質の低下がひどいことが示さ
れている。

このことから、更に、モリブデンの範囲は５．５〜６．
５重量％が最適であることが指摘される。当該合金の高
温引張り特性については、第の表に示されている。

弟の表高温引張り特性註）ａ合金は．すべて第ロ表に従って熱願理した。

これらのデータをみると、ダクト及び被覆用途における
温度範囲内では、モリブデン含量の高い合金が高い強度
を維持していることがわかる。また、第Ｗ表の高温かた
さのデータからも、これらの材料の強度が高いことが確
認されるし、また、モリブデン含量が高いことによって
得られる利点も示されている。第皿表指示された各温度℃における高温かたさ詰）ａＨＶＩＯ＝ピッカ−スかたさ吉郎袋、１０舷荷
車第皿表６５０℃におけるクリ−フ。

秋断試験の結果註）ａこの点で応力か増加。第Ｋ表高温クリ−フ。

被上新試験の結果辞）ａ合金は．すべて弟ｎ表に従って
熱処理した。

内部ガス及びナトリウム流圧は、実際の場合と同機に連
続的に加えた状態にしておいたので、第肌表及び第Ｋ表
に示したクリープ被断に関するデータは、これらの合金
を燃料被覆及びダクトに用いた場合に丁度匹敵するもの
である。また、これらのデータよっても、モリブデン含
量が増加することにより、機械的強度が上昇することが
わかる。１０脚寺間の被断値を、３１６ステンレススチ
ールの破断値である３５±５ｋｓｉと比較してみると、
合金Ｄ５６及びＤ５７は、双方ともに、３１６ステンレ
ススチールと比肩しうる特性を有することがわかる。

原子炉材料として３１６Ｓを使用することによってひき
起される更に重大な欠点の１つは、３１６Ｓが、放射線
によってひき起される膨張現象に対して、その抵抗性が
低いということである。本発明に係る物質は、３１＄Ｓ
よりも更に改良された膨張抵抗性を有している。イオン
照射実験によれば、２×１ぴ３中性子流／塊（ｎ／鮒）
、エネルギー０．１ミリオン電子ボルト以上（Ｅ＞０．
１ＭｅＶ）において、合金Ｄ５７は、３１６Ｓよりもそ
の膨張抵抗が１０の係数以上増加することが期待される
。特に、２．８ＭｅＶの鉄イオン照射実験の結果では、
ピークの膨張温度５００００における最大膨張率は、２
５瓜ｐａ（１原子当りのずれ）の場合にｌｄｐａ（鉄イ
オン）当り０．００６２％である。更に、１．０ＭｅＶ
照射実験では、ピークの膨張温度５５０℃における最大
膨張率は、ｄｐａ当り（電子）０．５６４％である。通
常の鉄イオンのダメージと中性子のダメージの相関（ｃ
ｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）では、中性子照射の場合、ｄｐ
ａ当りの膨張流が０．０１３％である。同様に、電子ダ
メージの場合の相関は、ｄｐａ当り０．０３５％の膨張
率となる。○５７の組成を有する本発明に係る合金の場
合、中性子照射の場合でのｄｐａ当りの膨張率は、平均
して０．０２４％であり、談合金の場合、２．２×１び
３ｎ′の（Ｅ＞０．１ＭｅＶ）の最終流速（ｇｏａｌＨ
ｕｅｎｃｅ）において、その膨張は５％以下という結果
になる。合金がダクト及び被覆の用途に使用できるか否
かの臨界試験は、パイプ引出工程によってこれらダクト
等を製造できるかを試験することである。

合金Ｄ５７は、１インチの直径の棒から外径０．１８０
″、厚さ０．０００８″のパイプを、熱間加工温度３０
０土５０００で引き出すのに成功した。従って、このこ
とから、当業者がこれらの材料から自由に必要とする形
態のものをうまく作ることができるということがわかっ
た。本発明によって、新規な合金組成が提供されたので
あるが、これは、他のフェライト系物質よりもすぐれた
強度を持ち、特に、高温で使用するのに通し、そして、
卓越した膨張耐性を有するものである。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明に係るフェライト合金を製造するための
工程のフローを示した根斑眉図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１９〜１３重量％のクロム、４〜８重量％のモリブデ
ン、０．２〜０．８重量％のニオブ、０．１〜０．３３
重量％のバナジウム、０．２〜０．８重量％のケイ素、
０．２〜０．８量％のマンガン、０．０４〜０．１２重
量％の炭素、最大限０．０５２重量％の窒、最大限１．
０２重量％のイオウ、最大限０．０２重量％のリンを含
み、残りが鉄であることを特徴とする高強度フエライト
合金。