JPS63286556A - 耐放射線性オーステナイト系ステンレス鋼 - 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］ この発明は、核放射線に曝されたときに熱クリープおよ
びスウェリングの両方に耐性を有するオーステナイト系
ステンレス鋼に関するものである。

この発明の合金は基本的にはニッケルークロム鋼合金で
あり、これに若干の合金成分を厳密に制御して添加した
ものである。これらの若干の合金成分を適量添加するこ
とによって、耐熱クリープ性の他に、照射中の耐ボイド
スウェリング性および耐ヘリウム脱化性に優れた合金を
提供することができる。

［従来の技術］ この発明は、放射線と高温の両方の環境下で使用しうる
改良された鋼合金に対する従来からの要求に応えるもの
である。この要求は特に、核分裂または核融合炉の分野
で顕著である。なぜならば、厳しい放射線環境は既存の
鋼合金に著しい損傷を与えるからである。特に、例えば
燃料要素被覆材または構造部材として使用される鋼合金
を中性子照射すると交換核反応が誘起され、この反応で
ヘリウムのごとき不純物が生成される。ヘリウムは不活
性ガスであるけれども、鋼合金に極めて溶解しに＜＜、
合金の粒子構造に沿って気泡を生成する傾向がある。更
に、格子間ヘリウムの存在および照射中性子による損傷
は、鋼合金に寸法変化をもたらし、これは物理的スウェ
リングとして現れる。かような現象は、鋼合金の機械的
性質に有害な影響をもたらし、破損へと導くこともある
。脆化（延性の喪失）やスウェリングといった照射の結
果は、必然的にこの鋼部品の有効寿命を短縮し、これに
よって原子力産業に対してかなりの経済的マイナス効果
を与えることになる。

ヘリウム脆化およびスウェリングが鋼合金原子炉部品の
健全性に及ぼす損傷作用はよく知られている。従来にお
いては、組成を変えたりあるいは成形加工に際しての特
別な加工熱処理によって、既存の鋼合金を改質する試み
がなされてきた０例えば、米国特許第４，０１１，１３
３号および米国特許第４．１５８，６００号を参照のこ
と、特に、従来のオーステナイト系ステンレス鋼合金に
おけるケイ素とチタンの濃度を増加させることによって
、耐久ウニリング性をある程度向上させることができた
。しかしながらこれらの合金は、３１６ステンレス鋼の
ような既存の合金に比べて、高温で放射線により誘起さ
れる脆化に対する耐性はほんの僅かしか向上していない
、これは、初期の研究がヘリウム脆化の問題とは関係な
く、放射線誘起スウェリングの問題のみを第１の解決目
標としていたからである。このヘリウム脆化は、粒界に
沿うヘリウムの蓄積の作用だけでなく、合金中の粒界炭
化物分布の作用でもある。照射中のヘリウム脆化の低減
は、チタン改質オーステナイト系ステンレス鋼を照射に
先立って高温時効し粒界に沿ってＭＣ炭化物を生成させ
ることによって、ある程度達成することができる。Ｈａ
ＺｉａＳＺとＢｒａｓｋｉ著、１４１−１４３゜Ｊ、Ｎ
ｕｃｌ、Ｈａｔ’ｌｓ　（１９８７）を参照のこと、従
って、既存の合金に比較して、放射線誘起スウェリング
と脆化の両方に対してより優れた耐性を有する改良され
た鋼合金が依然として必要とされている。

［発明の概要］ それ故、この発明の目的は、スウェリングや脆化に起因
する放射線誘起劣化に対して優れた耐性を有ずオーステ
ナイト系ステンレス鋼合金を提供することである。

さらにこの発明の目的は、優れた耐熱クリープ性を有す
るオーステナイト系ステンレス鋼合金を提供することで
ある。

さらにこの発明の目的は、放射線環境でかつ高温環境に
おいて優れた耐久性および有効寿命を有するオーステナ
イト系ステンレス鋼合金を提供することである。

さらにこの発明の目的は、核工学分野の用途に使用する
に適した優れた物理的性質を有するオーステナイト系ス
テンレス１１１合金を提供することである。

さらにこの発明の目的は、従来の慣用技術により製造す
ることができる優れた物理的性質を有するオーステナイ
ト系ステンレス鋼合金を提供することである。

これらの目的は、鉄、ニッケル、およびクロムからなり
、これにモリブデン、マンガン、ケイ素、チタン、ニオ
ブ、バナジウム、炭素、窒素、リン、およびホウ素の厳
密に制御されたわずかな合金量を添加したオーステナイ
ト系ステンレス鋼合金を提供することによって、達成さ
れる。

さらに詳しく述べるならば、この発明の上記した目的は
、ニッケル１６〜１８％、クロム１３〜１７％、モリブ
デン２〜３％、マンガン１．５〜２．５％、ケイ素０．
０１〜０５％、チタン０．２〜０．４％、ニオブＣｌ　
１〜０．２％、バナジウム０．１〜０．６％、炭素００
６〜０．１２％、窒素０．０１〜００３％、リン０．０
３〜０．０８％、ホウ素ｏ、　ｏｏｓ〜００１％（以上
いずれも重量％）および残部鉄からなる放射線、で誘起
されるスウェリングおよび脆化に優れた耐性を有しかつ
高温で優れた耐熱クリープ性を存する耐放射線性オース
テナイト系ステンレス鋼を提供することによって達成さ
れる。

［好ましい実施態様の詳細な説明］ この発明によるオーステナイト系ステンレス鋼合金の物
理的性質の改良は、従来の合金組成を若干の成分元素で
改質することによってもならされる０合金元素により制
（卸されて改質された合金組成は、優れた物理的および
機械的性質を存するこの発明の合金をもならず、さらに
加えて、溶体化焼なましく５ｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｎｅ
ａｌｉｎｇ）および高温時効からなる加工熱処理を、所
望の最終形状に成形加工するに先立って施すことにより
、これらの性質が向上する。

この発明によりもたらされる改良は、合金の改良された
顕微鏡組織の直接的な結果である０合金の顕微鏡組織は
、炭化物相生成の変動によって影響され易く、これによ
って合金成分が若干変化する。粒界析出構造において粗
大な金属固相を得るよりも、微細な炭化物と粗大な炭化
物の両方を得るほうが望ましい、従って、Ｍ２３Ｃ６炭
化物、すなわちラベス相とシグマ相のみの生成を抑制し
て、粒界において若干の■大Ｍ２３Ｃ６も混在した比較
的微細なＭＣ構造を生成するほうが望ましい。また、こ
の発明の実施例で示したように、マトリックス中でのリ
ン化物の生成は、照射下でのスウェリングと脆化の両者
に対する改良された耐性を付与する働きをする。

便宜上、この発明によって製造された合金をＣＥ金合金
称することとする。このＣＥ金合金おける窒素とホウ素
のレベルを高め、リンのレベルをわずかに高くし、チタ
ン、バナジウム、およびニオブを添加すると、この発明
による改良された顕微ｊｊ２組織をもたらず。ＣＩ？、
合金における各種構成元素の範囲は次の通りである二ニ
ッケル１６〜１８％、クロム１３〜１７％、モリブデン
２〜３％、マンガン１．５〜２．５％、ケイ素０，０１
〜０４５％、チタン０．２〜０．４％、ニオブ０．１〜
０．２％、バナジウム０．１〜０．６％、炭素００６〜
０１２％、窒素００１〜００３％、リン０．０３〜０．
０８％、ホウ素ｏ、　ｏｏｓ〜０．０１％（以上いずれ
も重量％）および残部鉄。

各種構成元素の好ましい範囲は次の通りである：ニッケ
ル１６〜１６．５％、クロム１３〜１６．５％、モリブ
デン２．２〜２．５％、マンガン１−６〜１．９％、ケ
イ素０２〜０．４５％、チタン０．２〜０３５％、ニオ
ブ０．１〜０．１５％、バナジウム０．５〜０．６％、
炭素０．０８〜０１０％、窒素００１５〜００２％、リ
ン００３〜０，０７％、ホウ素０．００５〜０．００８
％（以上いずれも重量％）および残部鉄。

ＣＥ金合金実験的合金の代表例、および従来の参照合金
の組成を第１表に示す。プライム・キャンディディト・
アロイ（Ｐｒｉｍｅ　Ｃａｎｄｉｄａｔｅ　Ａ１１ｏｙ
；ＰＣＡ）　Ｋ２８０　、および初期の一連の実験的改
質ＰＣＡの組成を、比較のために第１表に示す。

この発明の追加的特徴は、新たな加工熱処理によって得
られる合金の物理的性質の向上である。

この加工熱処理は、合金成分の合金全体への分散を向上
させるための溶体化焼なましからなり、これによってよ
り一層均−な粒界析出構造をもならず、この加工熱処理
は、照射中の耐ヘリウム脆化性のために必要であるが、
照射をしない用途における最適な耐熱クリープ性のなめ
には必ずしも必要としない、生成した合金の物理的性質
は、温度約１１００〜１３００℃で少なくとも約１時間
溶体化焼なまししたものが最適であることが判明してい
る。

溶体化焼なましの最適温度範囲は、少なくとも約１時間
の焼きなまし時間で約１１５０〜１２００℃である。

この改良された合金を所望の形状に組み立てるに先立っ
て、溶体化焼なましに加えて、さらに高温時効および／
または冷間加工を施すことができる。この追加的加工熱
処理により、この発明の合途の物理的および機械的性質
が向上する。冷間加工は、約３０％までの加工が有効で
あることが判明している。溶体化焼なまし後で冷間加工
の前に行う合金の高温時効は、少なくとも８００℃の温
度で少なくとも１００時間行うことが望ましい。

この発明の改良された鋼合金は、慣用的方法で最終部品
に組み立てることができる。この合金は鋳造、加工、機
械加工、その他の既存の鋼合金で用いられる技法によっ
て成形することができる。

友−施−］ この発明の合金すなわちＣ６合金のＣＥ−０からＣＥ−
２を、標準的な商業的方法を用いて調製した。これは１
代表的な実験的合金とは異なる。

すなわち実験的合金は一般に不活性雰囲気の実験室条件
下で調製される。（すなわち、商業的に調製された鋼は
プロセス全体を通して酸素と窒素に曝されている。）こ
の標準的な商業的方法で調製できるという点は、この発
明の実用性を高めるものである。なぜならば、Ｃ６合金
の調製には特別な操作や装置を必要としないからである
。同様に、Ｃ６合金は慣用的技法で所望形状に組み立て
ることができる。Ｃ６合金の特定の組成は、前述したよ
うに、第１表に示しである。

Ｃ［？、金合金調製したのち、これらの合金を１２００
°Ｃ以上で圧延焼きなましくｍ１ｌｌ　ａｎｎｅａｌｉ
ｎｇ）するか、あるいはそれに続けて１１２０°Ｃで１
時間再焼きなまししな。再焼きなましした試料のいくつ
かは８００°Ｃで１６６時間高温時効を施しな。

ＣＥ金合金従来の合金とともに試験した結果、粒界析出
構造と耐熱クリープ性の両方とも、測定できる程度向上
しな、追加的な高温時効なしで圧延焼きなましした試料
ＣＣ−０は、耐熱クリープ性が著しく増加しな、これに
ついては、第１図に示しな。

第２Ａ図と第２Ｂ図は、それぞれ合金ＣＥ−１の粒子構
造と従来の３１６ステンレス鋼の粒子構造を示す。第２
Ａ図に示しなＣＥ−１合金は、マトリックス中に微細お
よび粗大リン化物が、粒界に粗大Ｍ２３Ｃ６および微、
ｍＭＣ力噂在することを示している。第３図の拡大写真
に示された微細なリン化物は、クリープ強度および耐照
射性の重要な発生源となる。第２Ｂ図に示された従来の
３１６ステンレス鋼合金は、粗大な金属間ラベス相粒子
と炭化物を粒界に含んでいるが、この発明の合金は金属
同相はなくＭ２３Ｃ６とＭＣ炭化物のみ含んでいる。こ
の点は重要な改良である。なぜならば、粒界の金属同相
は照射下の耐脆化性およびクリープ破壊寿命の両方を低
下させるからである９組成上の変化と最適な加工熱処理
との組み合わせが、従来の合金よりもかなり改良された
性質を有するオーステナイト系ステンレス鋼合金をもた
らすことは明白である。

この発明は、前述したような構成元素と残部が鉄かちな
るオーステナイト系ステンレス鋼合金を提供するもので
ある。しかしながら、その池の冶金学的方法または組成
と同様に、この発明の合金も、鋼製造過程で避けられな
い不特定の随伴的成分を含有してもよい。これらの随伴
的成分は、合金の物理的および化学的性質に影響を及ぼ
すことはなく、従ってこの発明の範囲内のものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の合金の昇温時の耐熱クリープ性を
表すクリープひずみ対試験時間のグラフであり、従来の
合金と比較しである。 第２Ａ図は、この発明の合金の粒子構造の顕微鏡写真で
ある。 第２Ｂ図は、従来の鋼合金の粒子構造の顕微鏡写真であ
る。 第３図は、この発明の合金のリン化物針状結晶の細かい
分散を示す低倍率および高倍率の顕微鏡写真である９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ニッケル１６〜１８％、クロム１３〜１７％、モリ
   ブデン２〜３％、マンガン１．５〜２．５％、ケイ素０
   ．０１〜０．５％、チタン０．２〜０．４％、ニオブ０
   ．１〜０．２％、バナジウム０．１〜０．６％、炭素０
   ．０６〜０．１２％、窒素０．０１〜０．０３％、リン
   ０．０３〜０．０８％、ホウ素０．００５〜０．０１％
   （以上いずれも重量％）および残部鉄からなる放射線で
   誘起されるスウェリングおよび脆化に耐性を有しかつ高
   温で優れた耐熱クリープ性を有する耐放射線性オーステ
   ナイト系ステンレス鋼。 ２、ニッケル１６〜１６．５％、クロム１３〜１６．５
   ％、モリブデン２．２〜２．５％、マンガン１．６〜１
   ．９％、ケイ素０．２〜０．４５％、チタン０．２〜０
   ．３５％、ニオブ０．１〜０．１５％、バナジウム０．
   ５〜０．６％、炭素０．０８〜０．１０％、窒素０．０
   １５〜０．０２％、リン０．０３〜０．０７％、ホウ素
   ０．００５〜０．００８％（以上いずれも重量％）およ
   び残部鉄からなる請求項１記載のオーステナイト系ステ
   ンレス鋼。 ３、前記ステンレス鋼は、溶体化焼なましからなる加工
   熱処理を施されたものである請求項１記載のオーステナ
   イト系ステンレス鋼。 ４、前記加工熱処理は、約１１００〜１３００℃で少な
   くとも約１時間溶体化焼なましすることからなる請求項
   ３記載のオーステナイト系ステンレス鋼。 ５、前記加工熱処理は、約１１５０〜１２００℃で少な
   くとも約１時間溶体化焼なましすることからなる請求項
   ４記載のオーステナイト系ステンレス鋼。 ６、前記ステンレス鋼は冷間加工されたものである請求
   項３記載のオーステナイト系ステンレス鋼。 ７、前記ステンレス鋼は、溶体化焼なましの次に高温時
   効を施されたものである請求項３記載のオーステナイト
   系ステンレス鋼。 ８、前記ステンレス鋼は、８００℃以上の温度で少なく
   とも約１００時間の高温時効を施されたものである請求
   項７記載のオーステナイト系ステンレス鋼。 ９、前記ステンレス鋼は、高温時効の後に冷間加工を施
   されたものである請求項８記載のオーステナイト系ステ
   ンレス鋼。