JPS6289854A - 耐中性子照射脆化特性に優れた耐熱合金の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、中性子照射を受ける高温環境下たとえば高速
増殖炉（Ｆ　１３　Ｒ）や、核融合炉（ＦＥＲ）等、原
子炉圧力容器用構造材料どして使用される耐熱合金に関
し、特に耐中性子照ｒＡＩＩｆ９化特性に帰れた超耐熱
合金の有利な製造方法について提案するものである。

（従来の技術） 上記ＦＢＲやＦ　Ｅ　Ｒ等の原子炉用構造材料としては
、従来Ｏｒ、Ｎｉ等を多量に含有する耐熱合金が使用さ
れている。

ところが、かかる耐熱合金中には、合金成分として２〜
３　ｐｐｍのボロン（Ｂ）を含有（特に添加を意図して
いなくても通常の製鋼過程で不純物して不可避的に混人
覆る）されていることは知られている。このような不可
避的に混入したボロンあるいは合金成分として添加した
ボロンは、中性子照射条件下において次のような問題を
起こす。すなわち、天然のボロンは、２種の放射性同位
元素１０　ＢおよびＩＩ　Ｂから構成されており、その
うらのＩｌｌ　Ｂは中性子照射により”８　（ｎ　、（
２）’　Ｌｉ核反応が生じ、１０３が崩壊してＨｅガス
を生成する。

その結果、どちらかというと粒界に偏在しやすい傾向に
あるボロン化合物からＨｅガスが生成すると、粒界の結
合力が弱められ、いわゆるクリープ脆化を惹起すること
が知られている。［ジャーナル　オブ　ニュークリア　
マテリアルズ（Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ｎ　ｕｃ
ｌｅａｒ　　ｌｖｌ　ａｔｅｒｉａｌｓ）　１６＜　’
６５＞　６８−７３Ｊ 従来、上述したクリープ脆化を防止する技術が幾つか提
案されており、例えば特開昭５３−８８４９９号では、
合金中の１０３の絶対ωを低減させることを提案してい
るし、また［ジャー写ルオブ　マテリアルズ（Ｊ　ｏｕ
ｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ｍ　ａｔｅｒｉａｌｓ）Ｎｏ　、
　　１０３．　１０４（１９８１）　Ｉ）８４５Ｊでは
、生成したト１ｅをトラップして凝集を阻止する方法に
ついて提案している。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明が解決しようとする問題点は、上記従来技術が抱
える問題点；ＩＵ］ち製造に当ってＩＯＢの量が自然存
在比よりも高いＢ含有原料を使わねばならないことから
コストアップと製造工程が煩雑になるという欠点（特開
昭５３−８８４９９＠）、および実用化が困難である（
ｆ−１ｅ　トラップ法）というところにあり、 そして、本発明の目的は、ボロンを含有する耐熱合金を
熱中性子照射を受ける原子炉構成材料として使用する場
合に、１０３の存在に起因する（ｎ。

α）核反応によるＨｅ脆化を有効に回避できるものを、
煩雑な工程を経ることなく、安価にかつ実用的に製造す
る有利な方法について提案することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明音らは、通常の製造過程（所定量のボロンが不可
避的に混入してくる）を経て得られる耐熱合金を使用し
てボロンの影響について検討した。

その結果、１０Ｂを含有する耐熱合金であっても、それ
が固溶状態で粒界に存在しなければ、脆化しないという
現象があることを知見し、該合金中に存在するボロンを
粒内に析出分散させることに想到した。

しかも、初期の段階で、Ｂの存在位置を粒内に分散させ
ておけば、たとえ上記該変換によりＨｅガスが生成して
も粒内のことであるから高温強度への悪影賢も小さい。

もちろん生成Ｈｅが粒界へ移動して凝集するおそれもあ
るが、通常の粒界偏在型に比べるとはるかにその移動速
度は小さい。

その結果、クリープ脆化現象が長時間側あるいは重照射
側へ移行し、高温強度が改善されることが予測された。

そこで、所定の成分組成の耐熱合金について、ボロンの
粒界偏析、析出挙動について検討し、ボロンを粒内に微
細に分散させるための熱処理技術に着目して研究したと
ころ、次のような手段が好適であることをつきとめた。

すなわち、下記範囲内の成分組成を有する耐熱合金の熱
処理条件について検討した結果、鋳造、鍛造や圧延の模
、あるいは鍛造や圧延の途中に、９００℃以下の温度域
で相当ひずみ団５％以上の加工を施した後、７００〜９
００℃の温度に５分以上保持してＢの窒化物を析出させ
、いったん冷却するか又は冷却させず、さらにその後Ｂ
窒化物の析出処理温度より高い８００〜１０００℃の温
度に１分以上保持する熱処理を施せば、ボロンを粒内に
分散させて粒界のＢｆｔを低減することが可能であるこ
とが判った。

本発明が適用される耐熱合金の成分組成は、０．００２
ｗｔ％≦Ｃ≦０．５ｗｔ％、Ｓｉ　５２．０ｗｔ％、Ｍ
ｎ≦２．０ｗｔ％、９ｗｔ％≦Ｃｒ≦３０ｗｔ％、Ｎ１
５２０ｗ【％、ＴｉＳ２．５ｗｔ％、Ａｌ≦０．５ｗｔ
％、Ｆｅ≦５０ｗｔ％、Ｐ≦０．０４ｗｔ％およびＳ≦
０．ｏｉｗｔ％を含み、そしてＮおよびＢにつき、Ｔｉ
　、ＡｌおよびＣとの関連で、 Ｔ（≦４・Ｃのとき、　　Ｎ≧Ａｌ／２Ｂ≦ＩＩＡｌ／
２ Ｔｉ＞４・Ｃのとき、　　Ｎ上Ａｌ／２＋　（Ｔｉ−４
・Ｃ）／４Ｂ≦Ｎ−Ａｌ／２−　（Ｔｉ　−４・Ｃ）／
４を含有する合金である。

なお、本発明にがかるＢ含有合金についての上記熱処理
（Ｂの位置制御）は、１ｆ１３．ＩＩＢの別に関係がな
いから、クリープ脆化の原因となる１０　Ｂを、粒内に
析出分散させるのに当然有効に作用するものである。

（作　用） 始めに本発明が適用される耐熱合金についてその成分組
成の範囲と限定の理由について述べる。

Ｃ；Ｃの含有量は０．００２ｗｔ％（以下は単に「％」
で表示する）未満だと耐熱材料として、必要な高温強度
を得るこが困難である。また、Ｃは多ければ多いほど高
温強度が高くなるが、０．５％を超えて添加してもその
効果は飽和する。従って、０．００２％以上、０．５％
以下の範囲とした。

３ｉ　　；３ｉは耐酸化性を向上さける元素であるが、
２％を超えて添加すると、σ相等の金属間化合物が析出
しやすくなる。従って、２％を上限とした。

Ｍｎ：ＭｎはＡ−ステナイトを安定化させる元素であり
Ｎｉの代替として使用される。しかしながら、２％を超
えて添加すると、σ相等の金属間化合物が析出しやすく
なる。

そこで、２％を上限とした。

ＰＤＰは熱間加工性を阻害する元素であり、０．０４％
を超えると鍛造、圧延等の熱間加工が困難となる。そこ
で、０．０４％を上限とした。

ＳＯ３もＰと同様に熱間加工性をｇ１害する元素であり
、０．０１％を超えると、鍛造、圧延等の熱間加工が困
難となる。そこで０．０１％を上限とした。

Ｃｒ：Ｃｒは耐酸化性を向上させる元素であるが、９％
未満では効果がなく、３０％を超えて添加しても効果が
飽和し、しかもσ（■の析出が容易になるので、９％以
上、３０％以下とした。

Ｎｉ　　：Ｎｉはオーステナイトを安定化させる元素で
あり、その含有量が少ないとフェライト層が出現し高温
強度が低くなる。そこで、２０％以上とした。

Ｆｅ：Ｆｅは高温強度を低下させる金属であり、５０％
を超えて添加させると強度が著しく低下する。そこで、
５０％以下とした。

Ａｆ；△℃は脱酸剤として通常添加されるが、０．５％
を超えて添加すると、ＢＮとして析出するのに必要なＮ
ｆｆ１が少なくなり、本発明の効果が小さくなるので、
上限を０．５％とした。

Ｔｉ　　＋Ｔｉは炭素を固定させるために添加されるが
、０．５％を超えて添加すると、ＢＮとして析出するに
必要なＮｆｆ１が少なくなり、本発明の効果が小さくな
る。

次に、Ｎ　ａ３よびＢの吊について、Ｔｉｅ３よびＡｆ
との関連で次のように、限定される。

Ｔｉ　≦４・Ｃのとさ・・・　　Ｎ≧Ａ、Ｃ，’２Ｂ≦
Ｎ−ＡＲ／２ ＴＩ〉４・Ｃのとさ・・・　　Ｎ≧ＡＪ２／　２＋　（
Ｔｉ　−４・Ｃ）／、ＩＢ≦Ｎ−Ａｆ／２−（Ｔｉ−４
・Ｃ）／４かかるＮωについての上・下限は、ＮはＡｆ
およびＴｉと結合して窒化物を形成しやすい元素である
。従って、その吊がＴｉ　、　Ａｆ！、どの関連で上記
の量より少ないと、ＢＮとして結合させるべき有効Ｎ／
ｆｌが不足づることになる。

なお、ＴｉはＮを固定するのに有効な元素であり、ＴＩ
Ｃとなった残りのＴｉがＴＩＮとなる。

従ってＴｉ−４・ＣｈＸＮを固定する１１足となる。

そこで本発明においては、Ｔｉ−４・ＣがΩになったと
きは、Ｎを固定するＴｉが実質上無いことになるから、
ＮおよびＢに与える影響も異なるから上記のように区別
して考えた。

また、Ｒｆｄについても同様に上記の吊を超えるとＢＮ
として固定されず、粒界に８！ｌｉ体として（１析する
傾向になるから上述のように限定される。

次に、本発明の特徴である熱処理条件について説明する
。

■　９００℃以下の温度で５％以上の加工を施す理由は
、まず１００〜９００℃でボロン窒化物の析出処理をし
た後に粒界を移動させるために８００℃〜１０００℃の
温度で熱処理を施すが、前記温度が９００℃を超える温
度だと、たとえ加工を加えても粒界の移動が小さく、ま
た、５％未満の加工量でも粒界の移動は小さい。・その
結果ＢＮを粒内に固定させておくという効果が小さくな
るからである。したがって、初期熱処理は９００℃以下
の温度で５％以上の加工を施す方法とした。

■　次いで、初期熱処理を終った合金は７００〜９００
℃の温度に５分以上保持する。この処理温度および時間
の限定は、これらの範囲を外れると、８Ｎが析出せず、
特に５分以上保持するのは、上記温度範囲でも５分未満
ではＢＮが析出しないためである。なお、ＢＮ析出処理
温度は、粒界移動温度より低い温度でなされることが望
ましい。なぜならば、粒界移動温度以下で熱処理を施す
と、ＢＮは新たに形成された粒界に析出してしまい効果
が低減するからである。

■　最後に８００℃〜１０００℃の温度に１分以上保持
する熱処理を施すのは、Ｂは粒界に偏析しやすい元素で
あるから、前述までの処理においてはボロンは粒界にＢ
Ｎとして存在している。そこで、８００℃〜１０００℃
、１分以上の熱処理を施すことにより、粒界を確実に移
動させるのである。

８００℃、１分未満では粒界の移動が起こらず、１００
０℃を超えるとＢＮが分解し、再び、粒界に偏析する。

したがって、８００℃〜１０００℃、１分以上に限定す
る。

（実施例） 族１９表２に示す３種の耐熱合金について、真空溶解炉
で１００ｋｇ００ｋｇ小型インボッ製し、２５ｎ＋ｍの
厚さに熱間圧延し、最終圧延バス温度を８５０℃。

１０００℃として、そのときの圧延量を相当ひずみ量で
２．５％、５％とし、直ちに表３に示す析出処理を施し
たのら、さらに粒界移動のための再熱処理を施した。ま
た、熱処理によるｌｆｉ　３の存在位置の゛変化をとら
えるために、フィッショントラックエッチング法（ＦＴ
Ｅ法：合金中の１０３は中性子照射による核変換時にα
線を出すが、それをフィルムにとらえて、Ｉｌｌ　［３
の位置分析を行う手段）を用いて１０３の存在を画像化
し、ざらに粒界と粒内の像のｉ比を面積率により定植化
した。

表３かられかるように、本発明の製造方法においてのみ
、粒界に存在する＋ｏ　Ｂが減少した。したがってこの
ような方法により得られた合金は、中ｆ１子照劃環境下
においても、＋ｏ　３　（ｎ　＋α）７１ｉの核反応に
よるＨｅガスの粒界への生成量は少なく、脆化を低減で
きることが確認できた。

なお、粒内の８析出物について同定した結果、これらは
Ｂ　Ｎであることが判明した。

〈発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、中性子照射を受
けてもクリープ脆化を起すことのない耐熱合金を、比較
的容易にかつ安価に製造することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、０．００２ｗｔ％≦Ｃ≦０．５ｗｔ％、Ｓｉ≦２．
   ０ｗｔ％、Ｍｎ≦２．０ｗｔ％、９ｗｔ％≦Ｃｒ≦３０
   ｗｔ％、Ｎｉ≧２０ｗｔ％、Ｔｉ≦０．５ｗｔ％、Ａｌ
   ≦０．５ｗｔ％、Ｆｅ≦５０ｗｔ％、Ｐ≦０．０４ｗｔ
   ％およびＳ≦０．０１ｗｔ％を含み、そしてＮおよびＢ
   につき、Ｔｉ、ＡｌおよびＣとの関連で、 Ｔｉ≦４・Ｃのとき、Ｎ≧Ａｌ／２ Ｂ≦Ｎ−Ａｌ／２ Ｔｉ＞４・Ｃのとき、Ｎ≧Ａｌ／２＋（Ｔｉ−４・Ｃ）
   ／４Ｂ≦Ｎ−Ａｌ／２−（Ｔｉ−４・Ｃ）／４ を含有させた成分組成の合金を９００℃以下の温度域に
   おいて相当ひずみ量で５％以上の加工を施してから７０
   ０〜９００℃の温度に５分以上保持し、その後、８００
   〜１０００℃の温度に加熱して１分以上保持する熱処理
   を行うことを特徴とする耐中性子照射脆化特性に優れた
   耐熱合金の製造方法。