JPS62218546A

JPS62218546A - 高温強度と耐スエリング性に優れたオ−ステナイト鋼

Info

Publication number: JPS62218546A
Application number: JP61059200A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Kato; 隆彦加藤; Masayuki Sukegawa; 祐川　正之; Hiroshi Fukui; 寛福井; Kiyotomo Nakada; 仲田　清智; Isao Masaoka; 正岡　功; Jiro Kuniya; 国谷　治郎; Yoshio Watari; 渡　孔男
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-03-19
Filing date: 1986-03-19
Publication date: 1987-09-25

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、中性子の照射を被むる環境で、応力負荷を伴
って高温で使用される新規な構造材料用オーステナイト
鋼に係り、中性子照射によるスエリングが低く、高温で
の強度が優れたオーステナイト鋼及び高速増殖炉用燃料
被覆管に関する。

〔従来の技術〕

高線量の中性子雰囲気下にあって、さらに高温で応力の
負荷を受けながら使用されるオーステナイト鋼、例えば
原子炉構造部材用のオーステナイト鋼は、高温での中性
子照射によって起る体積膨張（スエリング）や、高温負
荷状態に起因したクリープが生じやすい、このため、耐
スエリング性と高温強度を重ね添えたオーステナイト鋼
の開発が試みられている。その先行技術には、特開昭５
６−１２７７５６号に示される様に、特定元素例えば、
Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ等を一定の組合わせ及び配合量で
製造する方法が知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来の技術では、オーステナイト鋼に添加した
Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ等の特定合金元素の組合せ方や添
加量の検討が狭い範囲でしか研究されていなかったため
、耐スエリング性と高温強度を両立させて改善する効果
が不充分であった。

つまりどちらか一方の特性だけが良好である反面、他の
特性が改善前と同様であったり、それ以下になってしま
う場合すらあった。例えば、Ｎｂの単独添加は耐スエリ
ング性の改善が乏しく、またＶは単独またはＺｒと複合
添加すると高温強度は著しく向上するものの、耐スエリ
ング性は無添加のものより悪化する傾向にある。またＴ
　ｉ　’Ｐ　Ｚ　ｒ−の添加はオーステナイト鋼中のＣ
量の如何んによった耐スエリング性が左右される。すな
わちＴｉの添加は低Ｃ量（例えば０．０２重量％以下）
の鋼では、耐スエリング性は不充分であり、逆にＺｒは
Ｃ量が０．０５重量％程度以上の場合、照射中に粗大炭
化物が形成され、それがボイドの核生成サイトになるた
め耐スエリング性の改善はおもわしくない、さらにＴｉ
とＺｒを複合添加すると耐スエリング性はＣ量の多少に
かかわらず、著しい向上を示すが、高温強度の改善効果
は不充分である。従来の技術には、以上の様な問題と共
に、これら特定元素の添加量がＣ量との関係で検討され
ていないため、耐スエリング性と高温強度の重ね合いの
優位性が低いという問題があった。

本発明は、耐スエリング性と高温強度の両方の特性が同
時に優れているオーステナイト鋼を提供することを目的
とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は１重量％で、Ｃｒ９〜２６％、Ｎｉ６〜４５
％、Ｍｏ３％以下、Ｓ　ｉ　２％以下、Ｍｎ３％以下、
Ｐ　０．０２％未満、Ｂ　０．００１％未満、残部Ｆｅ
及び不可避不純物からなるような標準的なオーステナイ
トステンレス鋼に、Ｖ、Ｔｉ及びＣｕを規定量添加し、
さらにＣを限定量添加することにより達成できる。すな
わち上記の標準的なオーステナイト鋼に、重量％でＶ０
．１０−０．５％、Ｔ　ｉ　０　、０５〜０．１３９％
及びＣｕ　０　、５〜５　、０％を複合添加し、同時に
Ｃ量を０．０４〜０．１５％に規定することにより極め
て優れた耐スエリング性及び高温強度を同時に具備した
オーステナイト鋼を提供する。

〔作用〕

以下、本発明鋼について詳しく説明する。

本発明鋼は、Ｃｒ、Ｎｉを含有する各種オーステナイト
系鋼を基本成分鋼とし、Ｖ、Ｔｊ、、Ｃｕを規定量複合
添加すると共にＣ量を規定したことを特徴とする。（元
素添加量の表示は以下重量％とする。）ｖ、Ｔｉ、Ｃｕを規定量複合添加すると共にＣ量を規制
することにより、優れた耐スエリング性と高温強度を同
時に具備することができる。直接的にはＣｕの添加は主
に高温強度向上に効果があり耐スエリング性にはほとん
ど影響しない。Ｔｉは主に耐スエリング性向上に効果が
ある。■は高温強度の向上に大きな効果を発揮するが、
スエリングに対する作用は複雑で、Ｔｉと複合添加した
ときに限り、耐スエリング性向上に効果を現わす。

つまりＣ量が０．０１％程度と低い場合、■の単独添加
は標準の３１６鋼より悪化し、またＴｉを単独添加して
もスエリング抑制効果は不充分である。しかしＶとＴｉ
を複合して適量添加するとスエリング抑制効果は著しく
大きくなる。一方１通常のＣ量（例えば０．０７％程度
）が存在する場合、■単独添加は同様のスエリングを悪
化させるが、Ｔｉの単独添加はスエリング抑制効果が太
きい、さらに適量のＶとＴｉの複合添加は優れたスエリ
ング抑制効果を発揮する。つまりスエリングを助長する
Ｖ単独添加の効果は、Ｔｉと複合添加することにより、
スエリング抑制効果に反転させることができることを発
見した。

本発明者らの詳細な研究によると、■を単独で添加した
場合、Ｃ量の多少にかかわらず、■原子あるいはＶ−Ｃ
等の複合体が、スエリングの原因であるボイドと呼ばれ
る空隙の核生成を助長して耐スエリング性を悪化させる
。しかし適量のＶとＴｉの複合添加した場合、ＶはＴｉ
と共に照射点欠陥のトラッピングサイトとして働き、点
欠陥の消滅を促進すると同時に、■及びＴｉを含む微細
な炭化物または析出物が、照射で形成した転位の上に析
出して転位の成長を抑制する役割を果たす。

このような機構でスエリングが著しく抑制されたと考え
られる。

一方、スエリング抑制効果を発揮するＴｉの単独添加（
但し１通常Ｃ量の場合）は、高温強度を若干上昇させる
ものの、著しい向上効果はない。

従って優れた耐スエリング性と高温強度を同時に達成す
るには、是非ともＶとＴｉを複合して添加する必要があ
る。

但し、高温強度の向上の目安は、高温クリープ破断時間
で判断し、標準３１６鋼の３倍を越えるものを優れた鋼
とみなす。これは、高速増殖炉“もんじゆ”の低燃焼運
転に適用される予定のオーステナイト鋼の寿命が、標準
３１６鋼の３倍であることから、その以上の高温強度特
性を得ためである。

このような優れた高温強度が得られ、さらにスエリング
がほとんど起こらない鋼は、Ｖ、Ｔｉ。

Ｃｕ、Ｃの添加量を各々０．１０，０．０５，０．５０
．０４％以上とし、さらに同時に添加することにより達
成される。しかし、■は０．５％　を越えると耐スエリ
ング性が著しく損われるため、０．１０〜０．５％とす
ることが必要である。

Ｔｉは０．１４以上添加すると延性の低下が顕著となる
ため、０．０５〜０．１３９％が望ましい。

Ｃｕは５％より多くなると、溶接性を低下させると共に
、粒界を脆化させるので、０．５〜５．０％とする必要
がある。より好ましい添加量は２〜３％である。

Ｃは０．１５％を越えると加工性、溶接性が著しく低下
するので、０．０４〜０．１５％とする必要がある。

Ｓｉは脱酸剤として添加するが、多すぎると溶接性及び
延性が低下するので２％を上限とする。

好ましくは０．４〜１．０％である。

Ｍｎもまた脱酸剤として添加するが、多すぎると耐食性
及び耐酸化性を低めるため３．０％を上限とする。好ま
しくは２％以下で、１〜２％がより好ましい。

Ｃｒは高温強度、耐酸化性、耐食性を得るために重要な
元素であり、この効果を得るには９〜２６％で充分であ
る。好ましくは１４〜２０％である。

Ｎｉはオーステナイト組織を作り、高温強度を得るため
に重要な元素である。鋼をオーステナイトに保つために
は６％以上であるが、４５％を越えると高価となると共
に高温強度にも効果が得られない、好ましくは１０〜１
５％である。

ＭＯはオーステナイトマトリックスを強化し。

一部は炭化物として析出し、高温強度を向上させるため
に添加するのが有効であるが、３．０％より多くなると
加工性及び耐酸化性が低下し、シグマ相が析出しやすく
なる。好ましくは２〜３％である。

Ｐは高温における延性や加工性を低下させる。

ＴｉやＶも同様の効果をもつが、これらの添加量を多く
するためＰの添加量は不純物として通常含有される量の
半分未満すなわち０．０２％未満とするのが望ましい。

Ｂは、低融点化合物を形成し、熱間加工性及び溶接性を
阻害するので、故意に添加することは避け、　０．００
１％未満の不純物程度に添加量を抑えておくことが望ま
しい。

本発明鋼を用いて、製品を作製するには、溶解、鍛造後
、熱間圧延を行い、焼鈍と冷間塑性加工とを繰返して最
終形状に持っていくが、最終製品が溶体化のままでもよ
いし、冷間塑性加工率３〜２０％の状態を残して使用す
るのが高温強度を保持する点からより望ましい。

本発明鋼からなる高速増殖炉用燃料被覆管は溶解、鍛造
後、熱間圧延を行い、焼鈍と冷間塑性加工とを繰返し、
外径６〜７ｍｌ、肉厚０．４〜０．５−のパイプに製造
され、最終冷間塑性加工率３〜２０％の状態で使用され
る。好ましい組成は１重量％で、Ｃ０，０５〜０．０７
％、Ｓ　ｉ　０．４〜０．７％、Ｍｎ１．５〜１．８％
、Ｎｉ１２〜１５％、Ｃｒ　’１４〜１７％、Ｍ　ｏ　
１　、８〜２　、５％、−、、’Ｃｕ２〜２．５％、Ｖ
０．２０〜０．４％、Ｔｉ＝０．ＯＳ〜０．１３９％、
Ｐ０．０１〜０．０２％未満。

Ｂ　０．００１％未満である。加工率は１０〜２０％が
好ましい。

〔実施例〕

（実施例１）第１表に示す組成からなる鋼材を供試材として、照射試
験及びクリープ破断試験を行った。このうち本発明鋼は
＆１〜１１．比較鋼は＆１２〜２０である、照射試験用
の供試材は、３ｍｔまで熱間圧延後、Ｉ　Ｘ　１０−’
Ｐ　ａの真空中で１５７３Ｋｘ３０分間の均一化熱処理
を行い、冷間圧延で０．２ｍｔの薄板にした後、３＋ｍ
φの円盤に打抜いて真空中で１４２３ＫＸ１５分間の溶
体化処理をし、水中に急冷した、その後、ツインジェッ
ト法による電解研摩により、電子顕微鏡用薄膜として照
射試験した。

一方、クリープ破断試験用の供試材は、溶解、鍛造後、
熱間圧延を行い、焼鈍と冷間塑性加工とを繰返してクリ
ープ破断試験片を作製した。こと処理後引張加工により
１０％の塑性加工を施して試験片形状にしたもの（冷間
塑性加工有）を用意した。

照射試験は中性子照射を模擬する実験として、超高圧電
子顕微鏡を用いた電子線照射により実施した。条件は、
加速電圧Ｉ　Ｍ　ｅ　Ｖ、温度８３０にで、照射量が中
性子照射量に換算して約８Ｘ１０”ｎ／ａ＃まで照射し
た。この照射量の換算は照射による損傷量で合わせた。

中性子換算照射量で８×１０”ｎ／ａｌのときの、照射
部の透過電顕写真からボイドの個数、大きさを測定して
、ボイドの総体積ΔＶを計算した後、下式によりスエリ
ング量（％）を算出した。

■ 但し、■は照射部の測定視野の体積である。第２表の一
部はこの結果を示す。

一方、クリープ試験は温度９２５に、応力２６ｋｇ　／
　ｍ　”で行った。その結果は、クリープ破断時間で表
し、第２表にスエリング量と共に示した。

標準３１６ｍ（ＩＣ料Ｍａｌ　３）（７）破断時間が約
２００時間弱であるので、これより３倍以上寿命の長い
、高温強度の優れた鋼は破断時間が６００時間以上の供
試材である。

耐スエリング性が、標準３１６錆（スエリングは約１４
％）の１００分の１以下になる様な優れた特性を示し、
かつ高温強度が標準３１６鋼の３倍を越える特性を兼ね
添えた本発明鋼は、試料嵐１〜１１である。特に＆５〜
１１はクリープ試験前に１０％の冷間塑性加工が施され
ており、クリープ破断時間が標準３１６鋼の５倍以上と
極めて優れた高温強度特性を示した。

〔発明の効果〕

以上のように１本発明によれば、中性子照射によるスエ
リングが著しく低く高い高温強度を有するオーステナイ
ト鋼が得られる。具体的には、スエリングが標準オース
テナイト鋼の１００分の１以下、高温強度が標準オース
テナイト鋼の３倍を越える性能を有する。

Claims

【特許請求の範囲】

１、重量％で、Ｃ０．０４〜０．１５％、Ｓｉ２％以下
、Ｍｎ３％以下、Ｃｒ９〜２６％、Ｎｉ６〜４５％、Ｍ
ｏ３％以下、Ｐ０．０２％未満、Ｂ０．００１％未満、
Ｔｉ０．０５〜０．１３９％、Ｖ０．１０〜０．５％、
Ｃｕ０．５〜５．０％を含み、残部Ｆｅ及び不可避不純
物からなることを特徴とする高温強度と耐スエリング性
に優れたオーステナイト鋼。