JPS63186855A - オ−ステナイト系鉄基合金 - 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】 ［発明の目的］ 〈産業上の利用分野） 本発明は軽水炉炉内機器用材料としての高純度オーステ
ナイト系鉄基合金に関する。

（従来の技術） オーステナイト系鉄基合金つまり、オーステナイト系ス
テンレス鋼でつくられた制御棒、炉内計装管のような原
子炉炉内樋器あるいは、上部格子板、シュラウドのよう
な原子炉内部構造物は、高温純水という環境におかれる
うえに他の原子炉構成材料に比べて比較的高い中性子照
射を受けている。

一方高温純水中でオーステナイト系ステンレス鋼は粒界
応力腐食割れ（ＩＧ’３０Ｃ）を起こすことがある。

ＩＧＳＣＣｗ、因の主なる材料側の因子は溶接などの熱
サイクルを受けたことによる、粒界炭化物の形成とそれ
に伴なう粒界近値におけるクロム欠乏層の形成、すなわ
ち、溶接鋭敏化である。しかしながら、鋭敏化が全く起
っていない溶体化オーステナイトステンレス鋼において
も、中性子照射を受けた場合（フルエンスで１０２１ｎ
／ｃｉオーダー）では、未照射材料に比べて、以下に述
べる理由から、粒界の耐食性がやや低下することが予想
される。照射による材料への影響は、照射欠陥の形成に
よる強度の上昇伸びの低下の他に照射によってひきおこ
される照射誘起偏析によって、リン（Ｐ）等の不純物元
素が偏析し、粒界の耐食性が低下することが予知される
。

高純度オーステナイト系ステンレス鋼は、上記因子が特
に不純物元素の影響を受けることに着目し、不純物元素
量を限定することにより、高照射を受けた場合でも耐粒
界腐食割れ性の優れた性能を有することを目的として開
発されたものである。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、最近高純度オーステナイト系ステンレス
鋼でも必ずしも所期の目的通り、耐食性が従来のオース
テナイト系ステンレス鋼に比べて改善されない場合が懸
念されるようになった。

この原因として以下■から■の項目の問題点が考えられ
る。

■不純物を限定することによって照射誘起偏析によりケ
イ素（Ｓｉ　）およびリン（Ｐ）等の偏析はかなり防止
できるもののクロム（Ｃ「）等の合金元素の拡散は防止
し得ない。

■炭素（Ｃ）は通常のオーステナイト系ステンレス鋼よ
り少ないが存在する。

■このため、不純物を限定しても完全にＣｒ　２３０５
等の粒界炭化物の形成とそれに伴なう粒界近傍における
クロム欠乏層の形成を防止し得ない。

また、リン（Ｐ）やケイ素（Ｓｉ　）を抑制しても、電
子線などのシミュレーション照射試験結果によれば、リ
ン（Ｐ）やケイ素（Ｓｌ）の粒界への照射誘起偏析の絶
対量は、極めて少ないが、やはり粒内に比し、粒界にこ
れらの元素が富化しており、偏析を完全に抑制すること
はできないなどの問題点がある。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明は、上記問題点を解決するために、炭素０．００
２重量％以下、ニッケル９〜１１重量％、クロム１８．
０〜２０．０重量％、マンガン２．０重量％以下、リン
ｏ、　ｏｏｓ重量％以下、イオウ０．００４　重量％以
下、ケイ素０．０３重量％以下、ニオブ０，１〜０．６
重量％、モリブデン０．１〜０．３重量％および残部が
鉄からなることを特徴とするオーステナイト系鉄基合金
である。

（作用） 本発明は上記高純度オーステナイト系ステンレス鋼の耐
粒界腐食割れ性の低下が、粒界炭化物の形成に起因して
いることを注目し、ニオブ（Ｎｂ）を炭素安定化元素と
して添加することにより、粒界炭化物の形成を阻止し、
またモリブデン（ＭＯ）を添加することにより、クロム
（Ｃ「）の粒界近傍での拡散を防止し、粒界炭化物形成
を阻止する。

さらに、中性子照射下での耐食性改善をめざしてニオブ
（Ｎｂ　）、ｔ−５よびモリブデン（Ｍｏ　）の添加に
よるリン（Ｐ）等の照射誘起偏析を抑制することにより
、高照射領域の炉内構成材料として使用される耐食性が
優れる。したがって、高中性子照射下での耐食性と通常
の耐ＩＧＳＣＣ性の優れた合金を得ることができる。

（実施例） 以下に本発明に係るオーステナイト系鉄基台金の実施例
について詳細に述べる。

本発明においては、表に示す化学成分（仕様値）を有す
る高純度オーステナイト系ステンレス鋼にまず、ニオブ
（Ｎｂ　）を添加することにより、炭素を安定化し、粒
界に炭素が析出することを防止する。このことによりク
ロム炭化物の形成を阻止し、鋭敏化を抑制することがで
きる。

（重量％） しかし、ニオブ（Ｎｂ　）を多量に添加すると、材料の
加工性あるいは溶接性が低下することが知られており、
ニオブ（Ｎｂ　）の添加量には上限値がある。

第１図は本発明に係わるニオブ（Ｎｂ　）を添加して得
たオーステナイト系鉄基台金の粒界腐食試験結果である
。粒界腐食試験は六価クロムを含む５規定沸騰硝酸溶液
中で行った。試験時間は１２時間である。図はＮｂ添加
量の増加に伴う粒界割れ感受性の粒界腐食深さの関係を
示したものである。

図からニオブ（Ｎｂ　）を０．１重量％以上添加するこ
とにより耐粒界割れ性が著しく向上することがわかる。

第２図は同じステンレス鋼の高温割れ感受性試験結果で
ある。高温割れ試験開先面を上にしてＴＩＧ溶接を行い
、溶接ビード表面の割れ長さを液体浸透探傷検査法を用
いて測定し、割れ長さから割れ感受性を評価する方法を
とった。ＴＩＧ溶接は１６０　Ａｌｐ、１７Ｖで行った
。第２図はニオブ（Ｎｂ）の添加量と溶接割れ感受性の
関係を示したものである。ニオブ（Ｎｂ　）の添加量が
０．６重量％以下では割れが発生しないことがわかる。

前述のごとくニオブ（Ｎｂ　）を０．１重量％以上添加
することにより耐粒界腐食割れ性が向上し、一方、ニオ
ブ（Ｎｂ　）添加量が０．６重量％以下では溶接割れが
発生しないことから、ニオブ（Ｎｂ　’）の添加量は０
．１〜０．６重量％の範囲が適切である。

本発明においては、表に示す化学成分（仕様値）を有す
る高純度オーステナイト系ステンレス鋼にニオブ（Ｎｂ
　）の他にさらに、モリブデン（Ｍｏ　）を添加するこ
とにより、さらにクロム（Ｃｒ　）を安定化し、粒界に
クロム（ｃｒ　＞が拡散することを防止する。このこと
によりクロム炭化物の形成を、すなわちクロム（ｃｒ　
）欠乏層の形成を阻止し、鋭敏化を抑制することができ
る。さらに、モリブデン（ＭＯ）は安定な不働能被膜を
形成するため耐食性を極めて向上させ、上記の効果と相
まって耐粒界腐食割れ性の優れたオース・テナイト系鉄
基合金を得ることができる。

前述のごとく粒界応力腐食割れ（ＩＧＳＣＣ）は溶接な
どの熱サイクルを受けたことによる溶接鋭敏化によって
起る他、照射による合金元素の拡散促進によって起る。

そこで本実施例では受入れまま材と鋭敏化材について腐
食試験を行った。

第３図は本発明に係わるモリブデン（ＭＯ）を添加した
高純度オーステナイト系鉄基合金の鋭敏化材および受入
れまま材の粒界腐食試験結果である。鋭敏化の熱処理は
６５０°Ｃで１２時間行っな。試験は沸Ｓ硫酸−硫酸銅
溶液中で２４時間行っな。粒界割れ感受性は割れ深さを
測定することによって評価した。図からモリブデン（Ｍ
Ｏ）を０．１重量％以上添加することにより耐粒界割れ
性が著しく向上することがわかる。

第４図は同じステンレス鋼受入れまま材の六価クロムを
含む沸騰硝酸溶液中の腐食試験結果である。試験時間は
１２時間である。粒界割れ感受性は割れ深さを測定する
ことによって評価した。図からモリブデン〈ＭＯ）の添
加量が１重１％を越えると耐粒界腐食性が低下すること
がわかる。

したがって、第１図および第２図から明らかなようにａ
適モリブデン（Ｍｏ　）の添加量は０．１〜１．０重量
％に限定されるが、経済的観点からは少ないことが望ま
しく、０．１〜０．３垂量％に限定する。また、ニオブ
（Ｎｂ　）とモリブデン（ＭＯ）の複合添加の効果は、
上記耐食性に関しては、相加的であることが確認された
。

以上述べてきた通り、ニオブ（Ｎｂ　）とモリブデン（
ＭＯ）の添加量限定の範囲は、従来の高純度オーステナ
イト系ステンレス鋼の通常の耐食性を十分に向上させる
。

一方、中性子照射に対する観点からは、照射誘起偏析に
対する抵抗が高いことが、炉内機器の耐食性向上の点か
ら重要である。

そこで、本実施例では表に示すオーステナイト系ステン
レス鋼と、それに上述添加量限定範囲のニオブ（Ｎｂ）
、モリブデン（ＭＯ）を単独または本発明に係わる複合
添加したものを供試材として超高圧電子顕微鏡により、
１０ｄｐａ以上の線呈の電子線照射を行ない、粒界への
リン（Ｐ）の偏析の度合を調査した。

第５図はこれらの供試材の電子線照射によるリン（Ｐ）
の粒界への偏析の度合を、エネルギー分散型Ｘ線分析装
置でミクロ的に評価しな結果である。これから、ニオブ
（Ｎｂ　）またはモリブデン（ＭＯ）の添加により顕著
にリン（Ｐ）の偏析が抑制され、さらに両者の複合添加
により、よりすン（Ｐ）の偏析が抑制される。このこと
と高純度化によりリン（Ｐ）を抑制したことと相まって
粒界のリン（Ｐ）の絶対量は、高照射を受けても極めて
少ないまま保持される。一般にステンレス鋼の粒界での
耐食性はリン（Ｐ）の粒界偏析によって支配されること
から、本発明の合金では高照射を受けても粒界の耐食性
低下の懸念はないといえる。

つぎに本発明に係る合金を用いた制御棒アブゾーバチュ
ーブについて述べる。第６図から第８図に制御棒の概略
と制御棒内のアブシーパーチューブの配置例を示す、な
お、第７図は第６図のＡ−Ａ線に沿う断面図、第８図は
第７図のブレード部分を拡大して示す断面図である。

第６図は制御棒の斜視図を示すもので、制御棒１は横断
面十字状のタイロッド２に４枚のブレード３が取着され
ており、ブレード３には冷却孔４が設けられており、ブ
レード３の上方にはつり上げハンドル５が下方にはスピ
ードリミッタ６が接続されている。スピードリミッタ６
の下部にはローラ７およびカップリングソケット８が設
けられている。またグレード３内は第７図および第８図
に示したようにアブシーパーチューブ９が挿入されてお
り、アブシーパーチューブ９内には中性子吸収材として
のボロンカーバイト（Ｂ４Ｃ）１０が充填されている。

さらにつり上げハンドル５にもローラ１１が設けられて
いる。アブシーパーチューブ９は従来、３０４ステンレ
ス鋼管で形成されており、炭化ホウ素（Ｂ＋Ｃ）１０が
封入されている。このＢ４Ｃ１０が原子炉燃料から発生
する中性子を吸収する働きを有する。従ってＢ４Ｃ入り
のアブシーパーチューブの集合体である制御棒を燃料領
域に挿入することにより原子炉の出力を制御する。

このＢ＋ｃｉｏは前述したように粉末でアブシーパーチ
ューブ９内に充填されるが、中性子照射を受けるとスウ
ェリングと呼ばれる体積増加と核変換によるヘリウムの
生成が認められる。これにより、アブシーパーチューブ
９は変形および内圧を受ける。一方、アブシーパーチュ
ーブ９の外面は原子炉水に接しており、しかも、３Ｘ１
０”　ｎ／ｄ程度の高速中性子総量を受けている。上記
のことよりアブシーパーチューブ９は腐食割れの起りや
すい条件にさらされている。それゆえにアブシーパーチ
ューブ９に前述した実施例の合金を用いることによって
、腐食割れの防止がはかれる。

これにより、制御棒の信顆性向上に、大幅に寄与するこ
とができると同時に、長野命の制御棒を供給することが
できる。

なお、本発明に係る合金を、上部格子板、シュラウド、
ドライチューブ等信のオーステナイトステンレス製炉内
機器あるいは炉内構成物についても同様に使用すること
によって信頼性の向上ならびに寿命の延長が期待できる
。

［発明の効果］ 本発明に係るに合金によれば沸騰水型原子炉の炉内機器
、楕遺物、核融合炉におけるブランケット冷却部および
高濃度硝酸環境下での核燃料再処理設備などに使用する
ことによって、照射環境下における機器材料の信頼性が
飛躍的に向上し、もって機器の長野白化に大、幅に寄与
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る合金中のＮｂの添加量に対する六
価クロムを含む沸騰硝酸溶液中での粒界腐食試験結果を
示す特性図、第２図は同じくニオブ濃度と溶接割れ感受
性との関係を示す特性図、第３図は本発明に係る合金中
のＭＯの添加量に対する沸ｌＩＩ硫酸−硫酸銅溶液中で
の粒界腐食試験結果を示す特性図、第４図は同じく六価
クロムを含む沸騰硝酸溶液中での粒界腐食試験結果を示
す特性図、第５図は本発明に係わる合金の電子線照射に
よるリン（Ｐ）の粒界偏析の度合を示す特性図、第６図
は制御棒を概略的に示す斜視図、第７図は第６図のＡ−
Ａ線に沿う断面図、第８図は第７図のブレード部分を拡
大して示す断面図である。 １・・・・・・・・・制御棒 ２・・・・・・・・・タイロッド ３・・・・・・・・・ブレード ４・・・・・・・・・冷却孔 ５・・・・・・・・・つり上げハンドル６・・・・・・
・・・スピードリミッタ７・・・・・・・・・ローラ ８・・・・・・・・・カップリングソケット９・・・・
・・・・・アブシーパーチューブ１０・・・・・・・・
・炭化ホウ素（８４Ｃ）１１・・・・・・・・・ローラ 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− 第１図 第２図 第４図 第５し１ 第６図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素０．０２重量％以下、ニッケル９．０〜１１
   ．０重量％、クロム１８．０〜２０．０重量％、マンガ
   ン２．０重量％以下、リン０．００５重量％以下、イオ
   ウ０．００４重量％以下、ケイ素０．０３重量％以下、
   ニオブ０．１〜０．６重量％、モリブデン０．１〜０．
   ３重量％および残部鉄からなることを特徴とするオース
   テナイト系鉄基合金。