JPS6358213B2

JPS6358213B2 -

Info

Publication number: JPS6358213B2
Application number: JP55182132A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Hatsutori; Rikizo Watanabe; Yasuhiko Mori; Isao Masaoka; Ryoichi Sasaki; Hisao Ito
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1980-12-24
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1988-11-15
Also published as: DE3175528D1; CA1186535A; EP0056480A3; US4979995A; EP0056480A2; EP0056480B1; JPS57123948A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は沸騰水型または加圧水型原子炉などの
高温水を含む各種プラントにおいて、高温水環境
境下で使用するのに好適な耐応力腐食割れ性に優
れた構造物に関する。原子炉中のジエツトポンプの押えビーム（ジエ
ツトポンプは炉水を撹拌するもので、そのビーム
は水流を反転させるためのエルボ管を押えるもの
であ。ビームの中央にメネジがあり、ボルトとの
間に隙間が形成される。）、各種のばね（ばねは他
の部材と接触し、隙間が形成される。）として高
弾性率と高温強度を有する析出強化型Ni合金で
あるインコネルX750（以下、X750合金という）
が使用されている。このX750合金は15％程度の
Crを含有し、一般には耐食性材料とみられてい
る。しかしX750合金は原子炉炉水のような高温
水環境下では水質条件によつて応力腐食割れ（以
下SCCという）が発生することが本発明者らの研
究によつて判明した。すなわちX750合金は引張
応力が作用する状態で290℃程度の高温純水にさ
らされると粒界型SCCを生ずることがあり、特に
その応力が作用する表面に隙間が存在する場合は
SCCが極めて生じやすくなることが判明した。本発明の目的は、原子炉のジエツトポンプのビ
ーム、各種ばねなどの主として高温水環境下にお
いて、隙間と応力が作用する条件で用いられる高
強度部材を有する耐応力腐食割れ性に優れた構造
物を提供することにある。本発明は、高温水環境下で他の部材と接触し且
つ曲げ応力を受ける部材を有する構造物におい
て、該部材は重量比にてCr15〜25％、Mo1.5〜５
％、Al0.5〜1.5％、Ti0.75〜２％、Nb1〜4.5％、
C0.08％以下、Si1％以下、Mn1％以下、Fe5〜25
％及び残部が実質的にNiであり且つNiが40％以
上であり、オーステナイト相基地にγ′及びγ″相の
１種以上を有することを特徴とする耐応力腐食性
に優れた構造物にある。本発明に係る部材は主と
してCrとMoの共存によつて高温水中における耐
SCC性を高め、更にAl、TiおよびNbの適正な組
合せによつて良好な析出硬化能を確保したもので
ある。γ′相はNi₃（Al、Ti）の金属間化合物及び
γ″相はNi₃Nbの金属間化合物である。本発明者らは析出強化型合金について、溶解、
成形等の製造過程における難易度、および各種熱
処理後の金属組織、耐高温水SCC性並びに機械的
特性を詳細に検討した結果、主として次のごとき
知見を得た。(1)15％以上のCrと1.5％以上のMoを
共存させると、時効硬化後の耐SCC性、特に高温
水隙間部での耐SCC性が著しく高くなるが、Cr
およびMoが多量になると、オースナイト基地が
不安定となり機械的性質および耐食性の上で有害
な相の析出傾向が高くなる。(2)NbはAlやTiに比
べて析出強化に対する効果が大きく、高い硬化能
を得るにはNb添加が必要であが、Nb単独では十
分な強度を得るのが困難である。(3)Nbが4.5％を
超えると製造過程や熱処理過程で粗大な炭化物や
金属間化合物が形成されて耐SCC性や機械的特性
を阻害することがある。本発明は上記知見に基づきなされたものである
が、以下各成分の添加および含有量限定の理由に
ついてさらに詳細に説明する。 CrはMoと共存して十分な耐SCC性を得るため
に少なくとも15％必要であり、一方25％を超える
と熱間加工性が損なわれ、またTCP相として知
られているσ相、μ相、Laves相などの有害相の
生成によつて機械的性質および耐食性が低下す
る。Crは17.8〜23％が好ましい。 MoはCrにより高められた耐食性を補完し、隙
間部における耐食性を向上させるが、その効果は
1.5％以上でより顕著に現われる。しかしMoは５
％を超えると、Crの場合と同様、上記有害相を
生成し易くなり機械的性質および耐食性を低下
し、また熱間加工性が損なわれる。Moは1.9〜
4.2％が好ましい。 Feは５％以上に添加することで、基地組織を
安定化し、耐食性を向上できることが知られた。
しかしFeの含有量が25％を超える場合、むしろ
Laves相など有害相を生ぜしめるようになる。Fe
は6.5〜22.1％が好ましい。 Al、Ti及びNbはいずれもNiとの金属間化合物
を形成し析出強化に寄与する。このうちAl及び
Tiは合金の脱酸剤としても必要であるが、Nbに
比べて析出強化への寄与がやや小さい。析出強化
は主としてNiX型のガンマープライム（γ′）の析
出によりなされ、γ′中のＸがAlの場合に初期反応
が速やかに、かつ均一に生ずる。しかし析出強化
はγ′中のAlがTiまたはNbに置換し、成長するこ
とにより顕著となる。そこでγ′の初期生成に必要
なAl、析出強化に必要なTiおよびNbの各々の添
加量を実験で検討した結果、明らかな時効硬化能
を与えるためには少なくとも0.5％以上のAlおよ
び0.75％以上のTiの組合せが必要であり、Alお
よびTiの量を増加させ、かつNbを添加すること
により目的に応じたより高強度の合金が得られ、
特にTiの場合、鍛造時の割れを防止するために
0.75％以上必要であることが判明した。反面、
SCC試験においてはAl及びTiが多すぎる場合、
耐SCC性の低下が認められたため、各々の上限を
1.5％及び２％とする必要がある。またNbについ
ては、4.5％超えると粗大な炭化物や金属間化合
物の生成による機械的特性の劣化や熱間加工性の
低下が生ずることがあるため、その上限を4.5％
とした。Alは0.5〜1.0％、Tiは0.8〜2.0％及びNb
は2.1〜４％が好ましい。さらに、Al、TiよびNbは3.5％≦2Al＋Ti＋
１／２Nb≦5.5％の範囲内で添加することが望ましい。2Al＋Ti＋１／２Nbの添加量が3.5％よりも低いと、析出硬化が不十分であり、また5.5％を超え
るとオーステナイト基地が不安定となる。以上のような添加元素の役割から、各元素が最
も効果的に作用する点で好適な成分範囲は次の通
りである。即ち重量比でCr17.8〜23％、Mo1.9〜
4.2％、Fe6.5〜22.1％、Al0.5〜1.0％、Ti0.8〜2.0
％、Nb2.1〜４％、C0.02〜0.06％、Si1％以下、
Mn1％以下、残余は不純物を除き実質的にNiで
あり、且40％以上である。オーステナイト合金か
らなり、室温でのビツカース硬さが300以上有す
るものが好ましい。Ｃは上記の不純物に入るが、耐食性および析出
強化の妨害元素であるのでその含有量を0.08％以
下とすることが望ましい。Ｃは0.02〜0.06％が好
ましい。 SiおよびMnは脱酸及び脱硫剤として添加され
るが、多量とると耐食性を低下させるのでそれぞ
れ１％以下の含有量とすることが好適である。ＰおよびＳは微量であつても粒界に偏析し、耐
食性を低下させることが多いので0.02％以下に規
制することが望ましい。本発明に係るオーステナイト合金は高温水環境
における優れた耐SCC性とともにばね材等の高強
度材に適した時効硬化能を有することを特色とす
る。したがつて本発明合金は適切な時効硬化処理
状態で用いることが望ましい。溶解・鍛造後の固
溶化処理温度は925〜1150℃であるが、より好適
な温度範囲はNbが２％以下の場合、1020〜1150
％、Nbが２％を超える場合、925〜1100℃であ
る。これは一般的に組織を均質化する点では高温
の固溶化処理が好ましいが、Nbが多量に含まれ
る場合は粒界の脆弱化や耐食性低下を防ぐために
固溶化処理温度の上限を設ける方が望ましいから
である。また析出強化のための時効処理温度は620〜750
℃が好適で、この範囲の時効処理により強度と耐
SCC性の特に良好な組合せが得られる。実施例１第１表は代表的な本発明合金及び比較材の化学
成分を示す。発明合金Ａ〜Ｅおよび比較材Ｆ〜Ｍ
は二重真空溶解して得たインゴツトを熱間鍛造し
た後、所定の熱処理を施して試験に供した。比較
材Ｆは前記インコネルX750である。第２表は硬
さ試験および高温水中隙間つき定ひずみSCC試験
（以下、隙間SCC試験）の結果を示す。隙間SCC
試験には厚さ２mmの板状試片１を用い、これを第
１図に示したステンレス鋼板ホルダ２をボルト３
で締めつけ、均一曲げひずみ（１％）を付与する
とともに、凸側表面にグラフアイト・ウール４を
はさんで隙間を形成させた状態で高温水に浸漬し
た。高温水は288℃で、26ppmの溶存酸素を含む
再生循環純水である。500時間連続浸漬後にとり
出した試片の断面を顕微鏡観察し、SCCの深さを
測定した。これらの合金はオーステナイト相基地にγ′及び
γ″相の１種以上を有する組織であつた。各合金の
残部はSi0.07〜0.16％、Mn0.01〜0.13％を除き実
質的にNiである。

【表】

【表】第２表によれば、本発明合金および比較材Ｆ、
ＨおよびＩは高に硬度を有するのに対し、Nbの
少ない比較材Ｇ、Alの少ない比較材ＬおよびTi
の少ない比較材Ｍは硬化が不十分であることを示
している。特に原子炉のばね材等の部品は300
（HV）以上の硬度を有するように規格されてい
るので、比較材Ｌは不適である。隙間SCC試験で
は各種時効条件において比較材Ｆ〜Ｉがいずれも
深いSCCを生じたのに対し、本発明合金Ａ〜Ｅは
いずれも極めて良好な耐SCC性を示した。比較材Ｆ〜ＨではCr含有量が高い程耐SCC性
が向上しているが、本発明合金と比べるとその効
果は小さい。したがつて耐SCC性は高Cr化のみ
では不十分でMo添加によつて達成されることが
わかる。しかし比較材ＩのようにNbの添加量が
５％を超えると粗大な炭化物や金属間化合物を起
点とする割れが多く生じている。また、Crが25
％を超える比較材ＪおよびMoが８％を超える比
較材Ｋは鍛造性が低く、時効処理材ではTCP相
による脆化割れが生じた。比較材Ｍは鍛造割れが
激しく、SCC試験に供することができなかつた。以上の結果は析出強化型Ni合金の高温水中で
の耐隙間SCC性にはCr及びMo含有量だけでな
く、TiとNbの含有量も大きく影響することを示
す。従来、析出強化型Ni合金の化学成分は主に
約500℃以上の高温における機械的性質や耐酸化
性を目的として定められており、また原子炉用途
においても耐摩耗性や照射による耐スウエリング
（ふくれ）性などの点から検討されている。しか
し第２表の結果が示すとおり、原子炉の高温水中
での耐SCC性を保つには、従来技術における成分
の制御とは異なる制御が必要である。即ち析出強
化型Ni合金の時効硬化状態における耐SCC性を
十分良好なものとするにはTiとNbの含有量が問
題である。第１表の化学組成に示す本発明材の
（Ti／Nb）比に示すように0.19〜0.95の範囲で耐
SCC性が優れている。実施例２真空溶解によりいずれも10Kgのインゴツトを製
造し、熱間鍛造後、1050℃×1h加熱後水冷し、
次いで720℃×8h及び620℃×8hの熱処理を順次
行い第４表に示す各種試験を行つた。第３表は試
料の化学組成である。

【表】

【表】ここで隙間SCC試験は第２表の例と同様の試験
であり、SCCは高Ti材であるＯに認められた。
隙間SSRT試験は288℃で8ppm溶存酸素含有の高
温純水中において、直径５mmの平行部を有する試
験片を平行部にグラフアイトウールを密着させた
状態で、４×10^-7／ｓの低ひずみ速度で20％ひず
みまで引張つた後、除荷し、平行部における割れ
発生状態を調べる試験である。この方法は前記、
隙間SCC試験よりさらに苛酷な条件を材料に与え
るものであつて、過渡的な高荷重や表面加工によ
るひずみ、放射線による格子欠陥密度の増大など
原子炉用途において材料に与えられ得る苛酷条件
下での耐SCC性を評価するのに適している。この
試験においては高Nb含有量のＮ及び高Ti含有量
のＯにSCCが生じ、またＰには軽微なSCCが生じ
た。第４表には引張試験及び硬さ試験の結果も示し
たが、これら材料の機械的性質から耐SCC性を制
御することは不可能であることがわかる。実施例３第３表に示した材料の中から好適な組成として
６トンの大型溶解炉により通常のプロセスで溶製
した。組成および試験結果をそれぞれ第５表およ
び第６表に示す。Ｔ及びＵは原子炉において使用実績のある材料
であり、引張性質や硬さなど機械的性質は十分で
あるが、高温水中で隙間SCC感受性を有する。こ
れに対して本発明合金Ｓは機械的性質を損なうこ
となく、十分に高い耐SCC性を有することが明ら
かで、SCC破損が懸念される原子炉のバネ材とし
て好適である。

【表】

【表】以上のように本発明によれば、原子炉などの高
温水中で高応力や隙間条件が伴う使用条件におい
てもSCCを生じることのないオーステナイト合金
からなる部材を有する構造物が得られる。

【図面の簡単な説明】

図面は隙間SCC試験例を示す説明図である。１……試片、２……ステンレス鋼製ホルダ、３
……ボルト、４……グラフアイト・ウール。

Claims

【特許請求の範囲】１高温水環境下で他の部材と接触し且つ曲げ応
力を受ける部材を有する構造物において、前記部
材は重量でC0.08％以下、Si1％以下、Mn1％以
下、Cr15〜25％、Mo1.5〜５％、Al0.5〜1.5％、
Ti0.75〜２％、Nb1〜4.5％、Fe5〜25％及び残部
が実質的にNiで且つNiが40％以上であり、オー
ステナイト相基地にr′及びr″相の１種以上を有す
る合金からなることを特徴とする耐応力腐食割れ
性に優れた構造物。２特許請求の範囲第１項において、前記Al、
Ti及びNbは3.5％≦2Al＋Ti＋１／２Nb≦5.5％の範囲内で含まれている耐応力腐食性に優れた構造
物。３特許請求の範囲第１項又は第２項において、
前記部材は重量でC0.02〜0.06％、Si1％以下、
Mn1％以下、Cr17.8〜23％、Mo1.9〜4.2％、
Al0.5〜1.0％、Ti0.8〜2.0％、Nb2.1〜４％、
Fe6.5〜22.1％及び残部が実質的にNiであり、且
つNiが40％以上であり、室温のヴイツカース硬
さが300以上である耐応力腐食割れ性に優れた構
造物。４特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに
おいて、前記部材は原子炉内で他の部材と接触し
曲げ応力が付加されているバネである耐応力腐食
割れ性に優れた構造物。５特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに
おいて、前記部材は原子炉々水を撹拌するジエツ
トポンプ本体に前記炉水の水流を反転させるエル
ボ管を押えるビームである耐応力腐食割れ性に優
れた構造物。