JPS619560A - マンガン−鉄系及びマンガン−クロム−鉄系のオ−ステナイト構造の合金 - Google Patents

マンガン−鉄系及びマンガン−クロム−鉄系のオ−ステナイト構造の合金

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JPS619560A
JPS619560A JP60010716A JP1071685A JPS619560A JP S619560 A JPS619560 A JP S619560A JP 60010716 A JP60010716 A JP 60010716A JP 1071685 A JP1071685 A JP 1071685A JP S619560 A JPS619560 A JP S619560A
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iron
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ハワード・ロイ・ブレイガー
フランシス・アルバート・ガーナー
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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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、マンガン−鉄系及びマンガン−クロム−鉄系
オーステナイト合金に関する。
本発明は、特に、中性子照射に起因する膨潤に対する抵
抗性を有し照射後の残留放射能が低い(即ち、低活性化
)合金類に関する。
長年にわたって、液体金属冷却型高速増殖炉(LMFB
R) 、即ち核分裂原子炉中の高温度高エネルギー中性
子(0,IMeV 〜1.OMeV)雰囲気下で使用す
るために、多数のオーステナイト構造のニッケルークロ
ム−鉄系合金類及び亜鉄酸塩型のクロム−鉄系合金類が
研究・開発されてきた。LMFBR用の合金開発プログ
ラムの根本的な目的の一つは、燃料被覆用もしくはダク
ト用またはこれら両種の用途に必要な照射下での機械的
諸特性を持ち耐膨潤性を持つ合金類の開発である。燃料
被覆は、流動している液体ナトリムと接触し、表面温度
約400℃(750°F)〜650℃(1200°F)
で使用される。ダクトは各燃料ビン束を取囲み、約38
0℃(715°F)〜550℃(1020°F)で使用
される。これらの部材は、上記のごとき高温度下で、1
0@* ” n / al φsec (E> 0 、
 IMeV)程度の中性子束に曝され、2X1021〜
3X10”n/cl (E > Q、 INeV)の流
れに適応する能力を持たなければならない。
評価の対象であるFe−N 1−Cr系オーステナイト
構造合金類は、米国特許第4,158.Ei08号、第
i、4ar、6r3号及び第4,421,572号明細
書に記載されたオーステナイト構造のステンレス鋼を含
む。これに加えて、Fe−N 1−Cr系オーステナイ
ト構造の超合金類(superalloys)も評価し
たが、この種の超合金類は、米国特許第4,040,8
78号、第4,129,482号、第4.172,74
2号、第4,225,384号、第4.359,349
号、第4.3511.350号、第4.377.553
号及び1882年4月21日付出願の米国特許出願第3
70,438号に記載されたものを含む。
上述の研究努力は、LMFBR雰囲気下で使用する材料
を提供することを目的とするものであった。核融合原子
炉(fusion reactor)即ちCTR(制御
熱中性子炉)についても、中性子照射雰囲気中で使用す
る構造材料の開発が必要となっている。多数の異なる設
計の核融合原子炉が提案されているけれども、一般的に
必要とされているものは、「第−壁」材料として使用す
る照射下で良好な機械的諸特性を持つ低膨潤率・低活性
度の材料である。第−壁は、核融合反応が起こる熱プラ
ズマ(内部は最高10G I ’ Kにもなる)を保持
する真空室を形成する。第−壁のプラズマ側の側面には
、グラファイトまたは炭化珪素のような保護材料が塗布
される。第−壁の他方側面は、たとえばヘリウム、水、
液体リチウムまたは液状のリチウム−鉛合金のような流
動媒体と接触する。核状融合原子炉のいくつかの設計例
及び考えられる第一壁材料のいくつかの例は、ジェイ・
ティ・アドリアン・ロバーツ(J、T、 Adrian
 Roberts)による「原子力発電装置の構造材料
J [5tructural Materials i
n?1uclear Power Systems; 
 ニューヨークのブレナム・プレス(Plenum P
ress)から1881年に刊行された]の第1頁〜1
2頁及び第278頁〜第318頁に記載されており、こ
の文献を参考文献としてここに引用する。
LMFBHにおけると同様、核状融合原子炉の第一壁材
料に作用する雰囲気は、高温度の中性子照射雰囲気であ
る。しかしながら、上記の核融合雰囲気は、LMFBR
核分裂法でつくられる中性子が0.】〜1.OMeVで
あるのに対して、 D−T(二重水素−三重水素)核融
合反応による中性子源のエネルギーが約14MeVにな
ると予期される点で重大な相違がある。上述のオーステ
ナイト構造の合金類中のある種の臨界合金元素類では約
10MeV以上のエネルギーを持つ中性子によって活性
化される(n、p)及び (J11α)核変素反応(trangmutataio
nreaction)によって半減期の長い放射性生成
物が生じるので、上記の相違は重大な相違である。この
結果、核廃棄物処理上及び長期貯蔵上の問題が生じる。
核融合型原子炉の第一壁用合金開発プログラムの最終目
標は、必要な耐膨潤性及び機械的諸特性を有するのみな
らず、残留放射能が比較的少なく(換言すれば「低活性
度」であり材料再処理前の埋蔵時間が比較的短くて(た
とえば80年〜100年)済む合金を選択または開発す
ることである。このような低活性度の目標を達成するに
は、第一壁材料中の以下の元素類の量を厳しく制限する
ことが提案されている。即ち、ニオビウムは3ppm未
満、MOは30PP11未満、Cuは0.1重量2未満
、Nは0゜3重量%未満、モしてNiは0.8重量2未
満に制限する提案がなされている。ニッケル量の制限並
びにほとんどの場合におけるモリブデン量の制限により
、 LMFBR用に開発された第一壁材料として上述の
オーステナイト構造のXl−Cr−Fe系合金が考慮の
対象外になってしまう。厳しく制限しなければならない
可能性のある他の元素類として、Ag、Bi、Tb、I
r、Eu及びBaが考えられる。
1882年にロバート・ハトフィールド卿(S (Sir Robert Hadfield) #よっ
て初めてオーステナイト構造のマンガン鋼が開発されて
以来、多数のマンガン鋼が新しく開発された。
大体においては、開発されたマンガン鋼は靭性が高く、
延性に富み、加工硬化率が高く、良好な耐摩耗性を持つ
。一般的には、この種の合金類は、靭性が高く耐摩耗性
の高いことが要求される用途に用いられる。市販されて
いるオーステナイト構造のマンガン鋼の呼称組成、加工
処理及び用途等については、アール・ビー・ロス(R,
B、Ross)による「金属材料規格ハンドブックJ 
[Metallic MaterialsSpecif
ication Handbook; 11380年、
イー・アント拳エフ拳エヌ・スボン社(E & F、 
N。
5pan Ltd、)発行]の第388頁、第370頁
及び第579頁〜582頁並びにASN (米国金属学
会、 American  5ociety of M
etals)刊の「金属ハンドブック、第8改訂版J 
(Metal Hand−book N1nth Ed
ition)の第3巻「特性と選択ニステンレス鋼、工
具材料及び特殊な目的用の金属類J (Propert
ies and 5election :5tainl
ess 5teels、 Tool Material
s andSpecial Purpose Meta
lg) 、 11180年ASWより刊行、第568頁
〜第588頁にリストアツブされている。上記のロス文
献及びASW文献の上記の各員を参照文献としてここに
引用しておく 。
本発明の目的は、中性子照射に酎して良好な耐膨潤性と
低活性化度との組合わせ特性を持ち、LMFBR及びC
TRの内部におけるごとき中性子照射雰囲気下での使用
に適する合金組成を提供することである。
従って、本発明は、20〜40重量%とMnと、0〜1
5重量!(7)Crト、0.4〜3.0重量!(7)S
iと、オーステナイト微細構造を安定化させる量のC及
びNの少なくとも一方であって0.7重量2未満のC及
び0.3重量2のNと、0〜0.1重量%のPと 、 
0−0.011重量%Bと、0〜3.0重量% (7)
AIと、O−0,5重量%(1)Niト1.0〜2.0
重量xのwと、o〜1.0重量%のTiと、0〜1.0
重量XC7)Taと、0〜2.5重量2のVとから成り
、残部が実質的に鉄であることを特徴とするオーステナ
イト微細構造を持つ合金に関する。
随時に、安定剤として、0.01−0.1重量2(7)
P 、 0.2〜2.5重量% (7)V 、 0.2
〜2.0重量% ノW 、 0.1〜1.0重量XノT
i及び0.1〜1.0重量駕のTaの少なくとも1種を
含有させた合金とすることができる。
高温度における延性を増すのに有効な量のBを添加する
こともでき、液体金属に対する耐腐食性または強度を増
すに有効な量のAIを添加することもできるが、活性化
度の増大を避けるためのAIの添加量は3重量%以上で
あってはならない。
好ましくは、合金中のMnの含有量は25〜40重量2
とし、より好ましくは25〜35重量2の範囲にし、最
も好ましくは呼称組成として約30重量鬼のh含有率に
する。
合金中のクロム含有量は好ましくは2〜15重量2、よ
り好ましくは5〜lO重量2である好ましくは、窒素は
0.1重量2未満に制限する。
好ましい珪素の存在量は、合金の0.4〜0.8重量2
の量である。
合金の燐含有量は、好ましくは0.03〜0.06重量
%、より好ましくは0.03〜0.05重量2である。
合金の硼素含有量は、好ましくは、0.003〜0.0
06重量2である。
好ましくは、補強剤として、0.03〜0.06重量%
 (7)P 、 0.5〜1.5重量% (7)W 、
 0.2〜0.5重量%ノTi、0.2〜0.5重量%
0’)Taを単独または組合わせて使用する。
下記の不純物が含有されることがあるが、低活性合金に
するためにはこれら不純物の量を制限するのが好ましい
、含まれれることが考えられる不純物: Nb、No、
Cu、N、旧tAg+Bl+↑b、Ir、Eu及びB 
a 6 理論にしばられることを望むわけではないが、以下の理
論から、本発明の理解、本発明の利用及び本発明によっ
て得られる好ましい結果についての理解が更に深くなる
ものと考えられる。
Fe−Ni−Cr三三元合金空中高エネルギー中性子照
射によってひきおこされる膨潤の組成依存性についての
研究の結果、観察された組成依存性は第一には膨潤の過
渡領域(即ち。
潜伏期)に存在し、ニッケル含有量が35〜45重量2
でクロム含有量が15重量2未満の組成領域で最大の耐
膨潤性になることが示された。この組成領域は、熱膨張
率、弾性率、格子パラメータ及び過剰自由エネルギー等
の多くの物理的緒特性が組成変化に従って大きな変化を
示す特性変態挙動によって特徴づけられる領域でLある
。この変態挙動は、Feと35重量2の旧の組成に近い
熱膨張係数が最小値になるインバー現象(Invar 
phenomenon)によって最も良く例示される。
 Feと、7.8重量2のCrと、35重量2のNiと
から成るもう一つの組成の場合、かなりの範囲の温度範
囲で熱膨張係数が零になる。この組成はエリンバ−(E
linvar)と呼ばれており、400〜850℃の範
囲で照射されている耐膨潤性の最も優れた三元合金類の
一種の組成とたまたま正確に対応している。この三元合
金の組成は、Feと、7.5重量2のCrと、35.5
重量2の旧とから成る。
多分、Fe−Ni−Cr系オーステナイト構造の合金類
の過W(遷移)領域の続く領域範囲にインt< −(I
nvar)組成特にエリンバ−(Elinvar)組成
が対応している部分(期間)が最も長いように見えるこ
とは偶然の一致であろう。しかしながら、空洞膨潤(マ
oidswelling)に関する一般に認められてい
る理論を評価すると、格子パラメータ及び弾性率等の諸
因子は、膨潤挙動、特に空洞表面で起こる照射に起因す
る分離が生じる場合に膨潤の重要な決定因子であると考
えらえる。従って、変態挙動組成範囲と最大の耐膨潤性
を示す組成範囲との間には直接的な関連性があると示唆
したい。
本発明者らは、入手可能な文献を検討した結果、!−マ
ンガン系及び鉄−クロム−マンガン系のインバーに似た
合金類が存在するという知見を得た。従って、Fe−N
i系及びFe−Cr−Ni系で観察されたインバー類似
の緒特性と耐膨潤性との相対関係に基づいて、インバー
挙動を示すFe−Mn系及びFeFe−0r−系の合金
類も耐膨潤性が増強されるものと信するに至った。Fe
−Mn系及びFe−Mn−Cr系合金類においては、鉄
及びクロムの含有量が同程度であり、 Fe−Ni系及
びFe−1−Cr系インバー型合合金中のNiの含有量
水準と比肩される量のNn含有量の場合にインバー挙動
が観察された。我々が入手できた文献調査の結果、イン
バー現象はNn含有量水準が30重量2程度のところで
認められると本発明者らは確信する。
インバーと耐膨潤性との相関関係に基づいたFe−Mn
系及びFe−Mn−Cr系合金類のもう一つの利点は、
LMFBH用のFe−Ni−0r系オ一ステナイト合金
類と比較して、核融合型原子炉の第−壁として使用した
後における残留放射能が大幅に減少することである。
本発明の合金は実質的にオーステナイト構造であり、好
ましくは完全にオーステナイト構造であることが望まし
いと考えられている。このために、オーステナイト構造
安定剤が添加されている。このオーステナイト構造安定
化元素は、C及びNの単独使用または組合わせた使用の
うちから選択し、オーステナイト相の安定化効果のある
量であり、C087重量2未満、N003重量2未満の
量を使用する。個々の合金で必要とされる炭素もしくは
窒素またはこれらの両者の量は、シェフラー(Scha
effler)図を参照して大体の推定をすることがで
き、シェフラー図によれば、爆接によって生じる微細構
造の状態(たとえばオーステナイト、フェライト及びマ
ルテンサイトの量)をニッケル当量含有量及びクロム当
量含有量の関数の形で推定できる。ニッケル当量含有量
は、旧重量Xi、5 X Mn重量2÷30X C重量
$+30XN重量2で定義される。クロム当量含有量は
Or重量% +1.5XSi重量2で定義される。シェ
フラー図は、Fe−旧−Cr系オーステナイト構造ステ
ンレス鋼のために開発されたものであるが、本発明で必
要な04M含有量の概算推定に用いることもできると考
えられている。もっと正確な評価は、通常の実験によっ
て行なう。ニー・エル・シェフラー(A、L。
5chaeffler)によって[メタル・プログレス
58J (”Meta4 Progress 5Ei 
” ) 、  111149年刊、の680B頁に開示
されたシェフラー図をここに参考文献として引用する。
上記の量の炭素及び窒素の両方を添加することができる
けれども、低活性化度の合金類を得るためには窒素含有
量は0.1重量2未満にすることが好ましい。
LMFBHの燃料被覆及びダクト用並びに核融合炉の第
−壁への利用といった高温度下での利用の場合には、本
発明による合金類は高温度下での引張特性及びクリープ
特性を増すよう選定した強化剤を含有することが好まし
い、このような強化剤としては、0.01〜0.1重量
% (7)P 、 0.2〜2−5重量$ 17)V 
、 0.2〜2.0重量% ノW 、 0.1〜1.0
重量$ノTi及び0.1〜1.0重量2のTaから選択
し、単独または組合わせて使用する。隣は燐化物の沈積
によって合金を強くするばかりでなく、耐膨潤性を増す
作用がある。しかしながら、溶液性の点からは、過剰量
の隣は有害である。上記の理由から、隣の含有率は0.
03〜o、oe重量2、より好ましくは0.03〜0.
05重量2に保持することが好ましい。
タングステンは、固溶体の強化機構及び炭化金属の沈澱
析出によって合金を強化するものと考えられる。従来法
の金属加工技術による合金の加工性を確保するために、
タングステンを存在させる場合0.5〜1.5重量2の
量に保たれるようにする。
チタン及びタンタルは極めて強い炭化物沈澱析出体の形
成剤であり、この作用により、延性及びクリープ特性並
びに強度を向上させるために本発明合金中で使用される
。チタン及びタンタルの量は、好ましくは、0.2〜0
.5重量2に保持する。
バナジウムは、加熱処理(thermal aging
)時、良好な機械的緒特性のために望ましい細かい沈澱
析出物の分散を来たさず、大きなV(C,N)粒子を形
成するので、照射時におけるバナジウムの優越性を評価
することができる。
延性を向上させるために、最大0.O1重量2の硼素を
合金中に存在させることができる。
好ましい量の隣(0,03〜0.06重量2)と組合わ
せて硼素を添加して、クリープ特性及び応力破壊特性を
向上させるのが好ましい、上記の目標を達成するために
好ましい硼素の添加量範囲t*o、ooa 〜0.00
6重量%−cある。
耐腐食性の向上のために本発明合金にアルミニウムを添
加することもでき、リチウム及びリチウム−鉛合金類の
ような液体金属と接触させる用途に利用する場合は、特
にアルミニウムの添加が必要になる。残留放射能による
取扱い上の問題及び貯蔵上の問題を最小限にするために
、アルミニウムの添加量は3重量%以下に制限しなけれ
ばならない。上記の理由から、液体金属耐腐食性の向上
が要求される場合における本発明合金のアルミニウム含
有量は0.5〜2.0重量2にするのが好ましい。
オーステナイト構造の安定性を高め延性を向上させるこ
とを意図して、最大0.5重量2までの量のニッケルを
添加することができる。残留放射能による取扱い上の問
題及び貯蔵上の問題を最小にするために、0.5重量2
を越える量のニッケルの添加は避けなければならない。
ニッケルを意図的に添加するのではなく、ニッケルは避
けることのできない不純物として存在するに過ぎない状
況にするのが最も好ましい。
鉄が実質的に合金の残部を占める。かなりの量の残留放
射能が発生する可能性のある用途に対しては、Nb、N
o、Gu、N、旧、Ag、Bi、Tb、Ir、Eu及び
Ba等の各元素は、存在するとしても最大存在量として
は不可避の偶発的な不純物程度の存在量であるのが好ま
しい。これらの元素類の許容量は、使用される雰囲気、
合金組成、並びに所定の埋蔵期間後の安全な取扱いのた
めに許される最大放射能レベルを規定する適用規定によ
って定まる。
以下に実施例を挙げて本発明を例示する。
炎差1 表■に示す目標呼称組成を持つ合金類を清浄なアルゴン
雰囲気下で非消耗型のタングステン電極を使用してアー
クで熔解した。使用した出発原料は、原則として、電解
法で調製した高純度の新しい(処女)金属材料である。
水冷した銅製の型中で、約175グラムの重さで約8.
4mm X 2.5401 X 7.8201 (1ハ
インチ×1インチ×3インチ)の寸法のボタン形に熔解
した。上述の出発原料及び熔解技術は、将来においては
、帯域精製した材料等のような高純度の出発原料及び偶
発的に混在する不純物類をより正確に制御できる熔解技
術にとって代られると思われる。
以下余白 次に、表■中の全ての合金は不活性ガス中で約2時間約
1250℃で均質化熱処理を施した。次いで、各合金を
不活性ガス中で約1000℃に再加熱した直後に圧延に
より厚みを50%に減少させ、不活性ガス中で約103
0℃で約半時間溶体化焼鈍(golution ann
ealing)を行なった。続いて、各合金について更
に3〜4回冷間圧延して、厚みを約40〜6ozに減少
させたが、各冷間圧延毎に不活性ガス巾約1030℃で
約半時間の中間溶体化焼鈍を施した。一般に、2回から
4回圧延ロールに通すことにより、40〜6ozの冷間
圧延を行なった。
厚さ約0.25+usのシートから、表IIに示す各金
属学的処理条件の合金の加工試料をつくった。表IIに
示す全合金からつくったTEN(transmissi
on electron m1croscopy ;透
過型電子顕微鏡解析)ディスク並びにR?7合金からつ
くた極小形の引っ張り試験用試料をFFTF(Fast
 Flux Te5t Facility at Ha
nfordWashington ;ワシントン州、ハ
ンオードの高速照射試験パ設@)の原子炉において、約
406℃、500℃及び600℃において高速中性子照
射試験に供した。
金属学的処理条件 (註) S、A、= 1030℃で半時間溶体化焼鈍処
理 C,W、−冷間圧延で20%厚み減少処理A = 85
0℃で1時間のエージング処理 A、 +A、 = 800℃で1時間エージング処理し
た後に700℃で10時間 エージング処理 熱処理は、全て不活性雰囲気で行なった。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、20〜40重量%とMnと、0〜15重量%のCr
    と、0.4〜3.0重量%のSiと、オーステナイト微
    細構造を安定化させる量のC及びNの少なくとも一方で
    あって0.7重量%未満のC及び0.3重量%のNと、
    0〜0.1重量%のPと、0〜0.01重量%のBと、
    0〜3.0重量%のAlと、0〜0.5重量%のNiと
    、、0〜2.0重量%のWと、0〜1.0重量%のTi
    と、0〜1.0重量%のTaと、0〜2.5重量%のV
    とから成り、残部が実質的に鉄であることを特徴とする
    オーステナイト微細構造を持つ合金。 2、前記合金が25〜35重量%のMnを含有すること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の合金。 3、前記合金が5〜10重量%のCrを含有することを
    特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項に記載の
    合金。 4、前記合金が0.1重量%未満のNを含有することを
    特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項または第3項
    に記載の合金。 5、前記合金が25〜40重量%のMnを含有すること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項、第3項ま
    たは第4項に記載の合金。 6、前記合金が0.03〜0.06重量%のPと、0.
    003〜0.006重量%のBとを含有することを特徴
    とする特許請求の範囲第1項、〜第5項の何れかに記載
    の合金。 7、前記合金が、金属炭化物形成剤として、少なくとも
    0.2重量%のW、Ta及びTiの少なくとも1種を含
    有することを特徴とする特許請求の範囲第1項〜第6項
    に何れかに記載の合金。
JP60010716A 1984-05-22 1985-01-22 マンガン−鉄系及びマンガン−クロム−鉄系のオ−ステナイト構造の合金 Pending JPS619560A (ja)

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