JPS63434A

JPS63434A - 原子炉用高強度フエライト鋼

Info

Publication number: JPS63434A
Application number: JP61145465A
Authority: JP
Inventors: Toshio Fujita; 利夫藤田; Toshiyuki Itaki; 井滝　俊幸; Yuji Enokido; 榎戸　裕二; Shigeo Nomura; 茂雄野村
Original assignee: Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corp
Current assignee: Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corp
Priority date: 1986-06-20
Filing date: 1986-06-20
Publication date: 1988-01-05
Also published as: JPH0248613B2

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、約７００　’Ｃまで優れた高温強度を有す
る高強度フェライト鋼に関するものである。

この発明の高強度フェライト鋼は、原子炉、特に高速増
殖炉の炉心で使用される炉心構成要素（例えば燃料集合
体、制御棒、反射体等）や機器構造物（例えば冷却系配
管、機器容器等）などに好ましく利用できる。

〈従来の技術〉上記したごとき原子炉、特に高速増殖炉の炉心構成要素
や機器構造物などの用途に用いられる鋼には、■高温強
度、■液体ナトリウム及び高温水に対する耐食性、■加
工性、溶接性、■長期の高温安定性などざまざまな特性
が要求される。特に炉心構成要素においては、高線量の
高速中性子雰囲気に対する耐久［１（例えば耐スエリン
グ性や耐照射脆化特性）が要求される。

一般にこのような用途には従来から５ＵＳ３１６、５ｔ
ＪＳ　３０４ステンレス鋼などのオーステナイ１〜・ス
テンレス鋼が多用されている。しかしオースブナイト・
ステンレス鋼は熱伝導が悪く、熱膨張係数も大きいため
、緊急時等原子炉に急激な温度変化が生ずると構造物に
過大な熱応力を生じさせる欠点がある。一方、フェライ
ト鋼は熱伝導率が良く、熱膨張係数が小さいことから熱
応力を低減でき、構造部材として適している。

また炉心部については、経汎性向上の観点から、燃料の
長々９化を達成するためには、３〜５年炉内に滞在し、
高速中性子照射ネで３〜４ｘ　１０２３ｎ／ｃｍ’の条
件まで使用可能な材料が必要であるが、従来のオーステ
ナイト・ステンレス鋼では、特に高速中性子雰囲気に対
する耐久性について限界があると予想されている。これ
に対して、フ１ライト系耐熱鋼は、高温単照射環Ｆ下で
従来のオーステナイト・ステンレス鋼に比較して、中性
子に対する耐久性が遥かに優れていることが広く知られ
ている。

〈発明が解決しようとする問題点〉しかし、従来開発されてきたフェライト鋼は高温強度が
低く、特に高速炉材′Ａ９１として必要とされる最高的
７００　’Ｃのクリープ破断強さは、代表的オーステナ
イ１へ・ステンレスｊ１４ｓＬＩｓ３１６を遥かに下回
っていたため、高速炉材料として満足できるものが見当
らないのが現状であった。

そこでこの発明は、原子炉特に高速増殖炉の炉心構成要
素及び！ａ器構漬物に要求される温度域高温的７００℃
まで優れたクリープ破断強さを示す高強度フェライト鋼
を提供することを目的としてなされたものである。

〈問題点を解決するための手段〉すなわちこの発明の原子炉用高強度フェライト鋼は、重
量％でＣ０．０２〜０．１５％、３ｉ０、２０％以下、
Ｃｒ８〜１５％、Ｍｎ０．１〜１．５％、Ｍｏ　０．０
２〜２．０％、Ｗｌ、０〜２．９８％（ただしＭｏとＷ
との合計Ｗは３．０％以下）、Ｖ　０．０５〜０．４０
％、Ｎ　ｂ　０．０１〜０．２０％、Ｎ　０．０１〜０
．１５％、残部が「ｅおよび付随的不純物よりなり、δ
−フェライト相を含む焼戻しマルテンサイト組織または
焼戻しマルテンサイト単相組織であることを特徴とする
ものである。

以下この発明のフェライト鋼の化学成分およびその限定
理由について各成分別に述べる。

Ｃは、原子炉材料に必要な高温強度、溶接性。

加工性などを考慮して０．０２〜０．１５％とする。

０．０２％より少ないと溶接性がよくても高温強度が十
分でないし、０．１５％より長釘に添加すると高温強度
がよくても溶接性、加工性が悪くなる。ざらに高温長時
間の加熱において析出物の凝集粗大化を促進し、クリー
プ破断強さを低下させる。Ｃの最適添加量（重量％）は
、■およびＮｂの添加量（重量％）との関係から一般に
次式により求められる。

３ｉは、溶解＋１５の脱酸剤として必要な元素であるが
、原子炉材料の使用中の靭・［り低下を防止するため０
１２０％以下、好ましくは０．１０％以下の少量に抑え
る。４ｆｉ（ｔ（ｓ　ｉ化によって、クリープ破断強さ
を損うことなく、靭性を左右するδ−フェライト相を適
度に抑制することができる。また（水低３ｉ化によって
製品の表面性状を良好にし、−析を少なくづることらで
きる。）容屏時（真空）の）脱酸は、〜１ｎ　ａ３よび
Ｃの併用により解決できる。

Ｃｒは、８〜１５％とすることにより高温でのクリープ
破断強さを高めることができる。８％より少ないと高温
（６００〜７００℃）でのナトリウム中脱炭抵抗性およ
び耐食性が悪くなる。

一方、１５％より多いと多■のδ−フェライト相を生成
し、靭性を劣化さぜる。δ−フエライ１へ相を１０％程
度会右Ｊ゛る焼戻しマルテンサイト相として靭性を損う
ことなく高強度を１ｑるためには、Ｃｒを約１１％含有
させることが最適で必る。

Ｍｎは、溶解過程の脱酸・脱１が１剤として必要な元素
であるとともに、この発明の鋼のオーステナイト相の範
囲を拡げるのに必要な元素であって、０．１〜１．５％
の範囲とする。０．１％より少ないとその効果が十分で
なく、１．５％を超えると高温のクリープ破断強さを低
下さける傾向がある。またこのＭ　ｎは、熱間１ノ［１
工性の改善にも有効である。

Ｍｏは合金中に固溶し、高温強度を向上さＶる重要な元
素であり、０．０２％以上添加する必要がある。一方、
Ｍｏ＝を多くすれば、固溶強化作用、炭化物（Ｍ２３Ｃ
６２Ｍ６Ｃなど）および金属間化合物（Ｆｅ２Ｍｏ）の
析出強化作用により、高温クリープ破断強ざを増加させ
るが、２．０％を超えるとδ−フェライト量が多くなる
ので２．０％以下に抑える。

Ｗは、Ｍｏと同様にこの系の耐熱鋼のクリープ破断強ざ
を左右する最も重要な元素であり、１．０〜２．９８％
の範囲で添加することにより優れたクリープ破断強さが
１ｑられる。１．０％未満ではその添加効果が顕著でな
く、また２、９８％を超えると靭性が低下する。

なお、ＭｏとＷとの添加量の合計は添付図面のグラフに
示す斜線領域（Ｗ＋Ｍｏ≦３％）とする。特に最高強度
を得るには、Ｍｏ当足（Ｍｏ＋１／２　Ｗ）が１．２〜
１．５％となる組合せが良い。グラフの斜線を外れた足
を添加する場合には、高温強度の改善効果は期待できな
い。

■およびＮｂは、微量添加で高温強度を暑しく変化させ
る。特に高速増殖炉材料としては、高温約７００℃、最
大１０万時間まで優れた高温強度を発揮させる必要があ
るため、ＶＣ，ｔｏ、０５〜０．４０％、Ｎｂは０．０
１〜０．２０％とする。

■の０．０５％未満またはＮｂの０．０１％未満では十
分な高温強度が認められない。また、■の０．４％また
はＮｂの０．２％を超えた場合にも高温強度が低下する
。なお、Ｃを０．０５％添加した場合に■を０．２５％
を超えて添加すると、固）容ＣがすべてＶ２Ｏ３として
消費されるためＶ４Ｃ３Ｌか析出しなくなる。従って多
種類の炭化物を使用期間中栓々に析出させて高温強度を
高めるためには、０．０５％ＣのときＶ　Ｇ４を０．２
５％以下とすぺぎてあり、０．１５〜０．２０％Ｖ付近
が最適である。一方、ＮｂＣは高温でも固溶しにくい。

従って、１０５０℃の焼ならしてすべてのＮｂＣがマト
リックスに固溶するためには、０．０５％ＣではＮｂを
０５０３〜０．０５％、０．１％ＣではＮｂを０．０２
〜０．０３％程度とすべきでおるが、１０５０℃の焼な
らしてすべてのＮｂＣが固溶すれば結晶粒径が粗大化し
靭性を低下させる。そのため、０．０５〜０．１％Ｃお
よび０．１５〜０．２０％Ｖの場合には、ＮｂＣが少量
焼なまし状態で残る０、　０４〜０．０６％のＮｂ添加
が最適である。

Ｎはフェライト相の生成を抑制するとともに炭窒化物を
析出し、クリープ破断強さを向上させるのに必要な元素
であり、０．．０１〜０．１５％の範囲で添加する。０
．０１％未満では高温強度の向上は望めず、また０、１
５％を超える場合には靭性を低下させる。最適値は０．
０５％付近である。

この発明ではよ）ホしたような成分組成に、Ｂ。

Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ−Ｌａ、Ｎｉの１種又は２種以上を必
要に応じて含有せしめることができる。

これらのうら、Ｂ、Ｔ＋は少量の添加によって高温強度
を改善するが、Ｂは０．００６％を超えて添加すると溶
接性を損うこと、Ｔｉは０．１０％を超えて添加すると
靭性が低下することより、Ｂは０．００６％以下、Ｔ１
は０．００５〜０．１０％の範囲で添加するのが有効で
ある。また７ｒ及びＣｅ−Ｌａはともに強力な脱酸剤と
しての作用が期待でき、靭性を向上させる効果があるの
で、ともに０．１％以下の範囲での添加が有効である。

０．１％を超えて添加しても効果は飽和し、経済的でな
い。Ｎｉは２％以下の添加でろ一フェライト相○右量を
制御するために添加することが必要な場合がある。２％
を超えて添加すると高温強度を低下させる。

このようにして組成が決定されたこの発明の高強度フェ
ライト鋼は、１０００〜１１００°Ｃの温度範囲で焼な
らし、次いで７００〜８００°Ｃの温度範囲で焼戻すこ
とを行ない、最終的にδ−フェライト相を含む焼戻しマ
ルテンサイト組織又は焼戻しマルテンサイ１へ単相組織
になる。

〈実施例〉以下にこの発明を実施例および比較例を挙げて説明する
。

第１表〜第６表に示した化学組成の合金試料を高周波真
空炉で溶解、鍛造、圧延により棒材とし、その後焼きな
らし、焼戻しを行なった。

かくしてｊｊられた各試験素材から試験片を作製し、高
温クリープ破断強さをＪＩＳ　　Ｚ２２７２　（１９７
８年）の試験方法に基づき、また空温衝撃値をＪ　Ｉ　
Ｓ　　Ｚ　　２２４２　（１９８０年）の試験方法に基
づきそれぞれ測定するとともに、溶接性、加工性、すｉ
ヘリウム中説炭抵抗性、δ−ノエライ！・含イｉ　Ｎ等
を調べた。結果を各人に併ぜて示す。

第１表はＣの添加ｆｆｌを変えて試験した結果であり、
Ｃが０．０２〜０．１５％の範囲からはずれると、高温
強度の低下（０，０２％Ｃ未満）、溶接性および加工性
の劣化（０，１５％Ｃ超）が生ずることがわかる。

第２表は３ｉの添加量を変えて試験した結果であり、こ
の場合の焼戻し温度は８００　’Ｃとした。

なａ３比較例４〜８ではＷ＠Ｍｏにて代表させてＭｏを
略一定量としであるが、かような比較例により３ｉの効
果を判定できる。Ｓｉにより特に高温長時間使用後の靭
性劣化の傾向はＳｉ開０．１８〜０．２６％以下で著し
い。それ故この発明ではＳｉの上限を０．２％に設定し
ている。

第３表はＣｒの添加量を変えた試験結果である。なお比
較例９〜１３ではＷをＭｏにて代表させてＭｏを略一定
量としであるが、かような比較例によりＣｒの効果を測
定できる。第３表かられかるようにＣｒが７．１〜９，
２％の間です！−リウム中説炭抵抗性が悪くなっており
、それ故、この発明では中間値である８％をｃｒの下限
としている。

第４表はＭｏの添加量を変えた試験結果である。なおＷ
は基本的にＭｏと買換できるため、比較例１４〜１８の
ようにＭｏ単独でも基本的な効果を判定することができ
る。第４表かられかるようにＭｏｂが２．０％を超える
とδ−フエワイ１〜含有量が５０％を上回るため、この
発明にａ３いてはＭｏを２．Ｑ％以下に設定している。

第５表はＷの添加量を変えた試験結果を示し、この発明
におけるＷの添加尾範囲では高温クリープ破断強ざが十
分高いことがわかる。

第６表はＶとＮｂの添加量を変えた試験結果である。な
お比較例２０〜２９ではＷをＭｏにて代表させてＭ　Ｏ
を略一定量としであるが、かような比較例によりＶとＮ
ｂの添加効果を判定できる。第６表かられかるように、
６００　’Ｃでは０．１０　Ｖ　−０，０５Ｎ　ｂ、６
５０　’Ｃテハ０．１８　Ｖ　−０，０５ＮｂにＪ５い
て最強のＶ−Ｎｂの絹合せが１１１られる。

く発明の効果〉以上の説明かられかるようにこの発明によれば、約７０
０°Ｃといった高温においても十分なりリープ破断強さ
を有する高強度フェライト鋼を提供することができる。

かような高強度フェライト鋼は、原子炉、特に高速炉燃
料被覆管で代表される炉心月利や蒸気発生器配管で代表
されるＩａ器（９１造物等に十分適用可能であり、原子
炉の耐久性を高めて艮スＩ命化を図ることができ、その
結果、経済性を向上させることか可能となる。

【図面の簡単な説明】

添ｆＪ図面は、この発明のフェライト鋼におけるＭ　Ｏ
Ｊ＞　Ｊ：びＷの添加量の範囲を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

１、重量％でＣ０．０２〜０．１５％、Ｓｉ０．２０％
以下、Ｃｒ８〜１５％、Ｍｎ０．１〜１．５％、Ｍｏ０
．０２〜２．０％、Ｗ１．０〜２．９８％（ただしＭｏ
とＷとの合計量は３．０％以下）、Ｖ０．０５〜０．４
０％、Ｎｂ０．０１〜０．２０％、Ｎ０．０１〜０．１
５％、残部がＦｅおよび付随的不純物よりなり、δ−フ
ェライト相を含む焼戻しマルテンサイト組織または焼戻
しマルテンサイト中和組織であることを特徴とする原子
炉用高強度フェライト鋼。