JPH04198444A - 耐応力腐食割れ性に優れたＮｉ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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、原子炉内冷却水環境下で用いる構造物用の
Ｎｉ基合金に関し、特に炉内構造物締結ボルト用に耐応
力腐食割れ性に優れたものを開発し提供せんとするもの
である。

〔従来の技術〕

従来、軽水炉等の原子炉内で構造物の締結ボルト材に用
いる合金としては、ステンレス鋼やＮｉ基超超合金用い
られており、特に応力条件の厳しい部位ではいわゆるイ
ンコネルＸ、　−７５０（商品名）　（Ｎｉ−１５，５
Ｃｒ−ＩＮｂ−０，１ＡＱ−２，５Ｔｉ　−７Ｆｅ）等
が析出時効処理によって１００ｋｇｆ／ｎｗｎ２レベル
の引張強度を付与されて用いられている。

しかしインコネルＸ−７５０は、熱処理条件によっては
高温高圧水環境下で応力腐食割れ感受性が高くなること
があり、締結部材として使用中に応力腐食割れを生じる
ことがある。同合金のこうした欠点を改善し、又、材料
の安全性と信頼性を高めることを目的として、いくつか
の合金開発がなされており、新合金も提案されている。

例えば特開昭６２−１６７８３６号乃至６２−１６７８
３９号に開示されている合金では、耐食性向上を目的と
してＣｒ量を２０〜３０重量％（重量％を％と省略する
、以下全て同じ）、Ｍｏ量を１０％以下とし、更に少量
の八〇、　Ｔｉと７％以下のＮｂ、１５％以下のＦｅの
共存によって、Ｎｂを含む金属間化合物を析出させ強化
して用いるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来提案されてきた合金は、Ｎｉを合金ベースとし耐食
性の向上に有用なＣｒ、Ｍｏを添加することで、前記環
境中での耐応力腐食割れ住改善を試みているが、強度向
」二のための多量のＮｂとＦｅの共存によって非常に硬
くて脆い組織となり易い上、最適時効条件の範囲が狭く
過時効となり易い。わけても水素に起因する応力腐食割
れに対して感受性を有することは現用インコネルＸ−７
５０をはじめとする合金で認められる。この傾向は特に
、水素の存在下における高温高圧水中で使用する場合に
は大きな問題であり、例えば加圧水型軽水炉１次冷却水
環境下では該環境中に水素が少量混在するのが普通であ
って、水素に起因する応力腐食割れを回避する材料設計
思想が重要となるにもかかわらず、従来の材料では、こ
の観点からの合金設計が行なわれてこなかった。

又、要求される強度特性として、８０ｋｇｆ／ｍｍ２レ
ベルの室温耐力、１２０ｋｇｆ／ｎｗｎ２レベルの室温
強度を得るためにγ’−Ｎｉ３（ｌｌ、　Ｔｉ）、γ“
などの金属間化合物の析出を利用しているが、これらの
母相中に分散析出した組織が硬くて延性に乏しく、熱間
加工性に劣るため、良好な熱間鍛造組織を得ようとして
真空誘導溶解−真空アーク再溶解若しくは真空誘導溶解
−エレクトロスラグ再溶解などの二重溶解を施して適宜
プロセシングの中で熱間加工性を改善する必要があった
。

本発明は従来技術の以上のような問題に鑑み創案された
もので、原子炉内冷却水環境下で用いる構造物用のＮｉ
基合金の脆性及び水素に起因する応力腐食割れに対する
感受性の低減、並びに熱間加工性の改善を図らんとする
ものである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのため本発明のＮｉ基合金は、Ｃ：　０．０５％以下
、Ｓｉ　：　０．５％以下、Ｍｎ　：　０．５％以下、
Ｆｅ：５％以下、Ｃｒ：１８〜３０％、Ｍｏ：１，５〜
７％を含み、Ｔａ＋Ｎｂ：５％以下、Ｔ１：２％以下、
Ａ４：２％以下であって下式の条件を満たすと共に、残
部Ｎｉ及び不可避不純物から成り、且つ熱処理によって
オーステナイト基地中に金属間化合物Ｎｉ。

（Ａρ、　Ｔｉ、　Ｎｂ、　Ｔａ）を析出させて用いる
ことを基本的特徴としている。

＝４− Ｔａ＋１．９Ｎｂ＋３．８Ｔｉ＋６．７Ａｌｌ≦１４又
、第２発明のＮｉ基合金は、上記成分を含有し、且つＴ
ａ、　Ｎｂ、　Ｔｉ、　Ａｌ１間の相関関係を規定する
上記条件式を満たしている他、更に希土類元素二０．１
％以下、Ｃａ：０．１％以下、Ｍｇ　：　０．１％以下
のうち１乃至２種以上を含むものとしている。

次に以上の構成から成る本発明の開発経緯につき説明す
る。

上述のような問題から本発明者等は合金の脆性及び水素
に起因する応力腐食割れに対する感受性の低減を行ない
、かつ熱間加工性を改善する目的で種々検討を行なった
。その結果、Ｎｉ基合金中のＦｅ量を減量することで耐
水素脆化が著しく改善され、又、γ′相、γ′相による
時効硬化に関する時効条件感受性も弱くなり、前記環境
中での使用に際し長期に亘って安定した性能を得ること
ができることを見出したものである。即ち、Ｆｅは、Ｎ
ｉ基オーステナイト中に固溶すると、おそらくは水素の
オーステナイト中での拡散を促進することになり、水素
に起因する応力腐食割れ感受性を高める元素である。

又、Ｆｅは、金属間化合物強化相、特にＮｉ３Ｎｂの析
出を促進する元素であり、合金母相がＦｅを固溶する場
合、時効による硬化と脆化は、より急激に進行するよう
になる。従って強化元素であるＮｂ＋　Ｔｘｒ　　Ａｊ
ｌの添加量に関しても種々検討し、要求される強度水準
を満足し、且つ高コストを招く二重溶解が不要で１次溶
解のみで良好に鍛造の可能な添加範囲を見出した。

本発明においては、Ｆｅの含有量を制限することにより
耐応力腐食割れ特性を向上し、しかモＮｉ３Ｎｂ、　Ｎ
ｉ３（Ａｎ、　Ｔｉ）等の金属間化合物の総析出量を制
限して時効条件への感受性を低下させ、材質が容易に脆
化するのを抑止する。結果、全体として環境脆化を生じ
難く、しかも熱間加工性の良好な高強度高耐食性合金が
提供される。

以下本発明で規定した各成分毎にその限定理由を述べる
。

Ｃ：耐ＳＣＣ性を劣化させる元素であるため、０．０５
％以下に制限する。

Ｓｉ：脱酸剤として添加してもよいが、含有量が多いと
脆い相の析出を促進するため、０．５％以下とする。

Ｍｎ：少量存在することは組織の安定性を高めるが、添
加しすぎると脆い相の析出を促進するため、０．５％以
下とする。

Ｆｅ：上述したように、Ｆｅを多く含むことは、水素に
起因する応力腐食割れ感受性を高めるため、含有量を５
％以下に制限する。

Ｃｒ二金合金耐食性と耐応力腐食割れ性を与える元素で
あるが、１８％未満ではその効果が十分でなく、３０％
を超えて添加すると、組織中に脆い相を析出し易いので
、添加量を１８〜３０％の範囲とした。

ＭＯ＝合金に耐応力腐食割れ性を与え、且っ母相を固溶
強化する元素であるが、１．５％未満ではその効果が十
分でなく、７％を超えて添加すると、組織中に脆い相を
析出し易いので、添加量を１．５〜７％の範囲とした。

Ｔａ、　Ｎｂ　：　ＴａはＮｂとともに基本成分である
Ｎｉと結合し、Ｎｉ３（Ｎｂ、　Ｔａ）として母相を強
化する。但し、これらは合計で５％を超えて添加すると
延性、熱間加工性が著しく低下するため、添加量をＴａ
＋Ｎｂ≦５％とした。

Ｔｉ　：　ＴｉはＮｉ　と結合し、Ｎｉ３Ｔｉとして母
相を強化する。但し、２％を超えて添加すると延性、熱
間加工性を著しく低下するため、添加量をＴｉ５２％と
した。

Ａｎ　：　ＡＱはＮｉと結合し、Ｎｉ３１として母相を
強化する。但し、２％を超えて添加すると延性、熱間加
工性を著しく低下するため、添加量をｉ≦２％とした。

又、上記Ｔａ、　Ｎｂ、　Ｔｉ、　Ａｎの添加量を下式
で表わされる範囲内としたのは、二重溶解を不要とし、
１次溶解までで良好且つ健全な熱間鍛造組織を得るため
に必要だからである。

Ｔａ＋１．９Ｎｂ＋３．８Ｔｉ＋６．７Ａｌ≦１４更に
第２発明で希土類元素：０．１％以下、Ｃａ：０．１％
以下、　Ｍｇ　：　０．１％以下のうちいずれか１〜＝
８− ３種を含むのは、添加によって脱酸・脱硫を行ない熱間
加工性改善を期待するからであるが、添加量が多いと組
織中に脆い相を析出し易いので、各々添加量を０．１％
以下とした。

〔実施例〕

以下本発明者等の行なった実験とその結果につき詳述す
る。

下記第１表に合金組成の示された本発明材と比較材を５
０ｋｇ又は１５０ｋｇ真空誘導溶解し、金属型に鋳込み
、真空中で鋳造した。鋳造ままのねじり破断特性の悪い
材料については更に鋳塊から電極を削り出口、真空アー
ク再溶解を施して、鋳込組織の改善されたφ１５０＋ｎ
ｍ　Ｘ　２００ｍｍ　ｂ円柱状鋳塊とした。

そして、１１５０℃に加熱して１パス１０％圧下を超え
ないよう複数パスで５０画０角棒状にプレス鍛造した後
、１１５０℃加熱エアハンマ鍛造によりφ２５ｍｍ丸棒
形状に鍛伸し、熱処理を施した。

この時の熱処理条件は、最大の引張強度が得られるよう
個々の合金について詳細に検討し、次の第２表に掲載す
る熱処理条件を定めた。

以上のようにして得た供試材を使用して、これらに対し
、下記のような要領による衝撃試験、引張試験、ねじり
試験及び低歪速度引張（ＳＳＲＴ）試験を行なった。

〔試験方法〕

衝撃試験：シャルピー衝撃試験片ＪＩＳ４号（Ｖノツチ
１０（１）角フルサイ ズ）を用い０℃で行なった。

引張試験：平行部形状φ６ｍｍＸ３０ｍｎｆｌの試験片
を用い、室温で行なった。

引張速度は耐力まで０．１ｎｉｎ／ｍｉｎ。

のち破断まで３ｍｍ／ｍｉｎとした。

ねじり試験：ｔ４造ままの合金の熱間加工性を評価した
。平行部φ１０ｍｍＸ３０ ｎＷｎＱの試験片を用い、１１５０°Ｃに保持して回転
数１１００ｒｐでねじ り試験し、破断までの回転数で 評価した。

低歪速度引張（Ｓ　Ｓ　ＲＴ）試験： 環境中及び大気中で低歪速度用 張試験を行ない、軽水炉環境下 での耐環境脆化特性を評価した。

この時の試験条件を次の第３表 に示す。環境は加圧水型軽水炉 の」−次系冷却水を模擬した。大 気中で試験した破断材との破断 延性化、及び環境中での破断材 の脆性破面の有無で評価を行な った。

第３表　　５ＳＲＴ試験条件 以上の試験のうち衝撃試験と引張試験の結果は上記第２
表に、又、５ＳＲＴ試験の結果は下記第４表に示す通り
である。又、ＦｅＴＣ量と５ＳＲＴ試験の環境脆化の関
係において図示したものが第１図、第１１表のＧ値と引
張強度及びねじり試験による熱間加工性の関係を図示し
たものが第２図、更に引張強度とシャルピー吸収エネル
ギの関係において示したものが第３図である。

第４表　　５ＳＲＴ試験結果 ８ＳＲＴ試験による耐ＳＣＣの評価において、Ｃｒ及び
Ｍｏが高い材料、Ｃが低い材料が優れた耐ＳＣＣ性を示
すことは一般に知られており、特に第１図に示すように
Ｃは０．０５％以下に抑えることが脆性を示さないため
に必要である。

なお且つ、この環境のように水素を含む系では、おそら
く水素脆性のための粒界破断が著しく、この傾向はＦｅ
添加量を５％以下に抑えることで回避し得ることが同じ
図に示されている。

又、Ｇ値として示した金属間化合物Ｎｉ３（Ｎｂ　。

ＡＱ、　Ｔｉ）生成能は、合金の熱間加工性に多大な影
響を及ぼし、これが大きすぎると二重の真空溶解を施す
ことで組織を改善しなければ、鋳造ままで良好に熱間加
工することができない。本発明者等はこれを熱間ねしり
試験によって評価すべく種々試みた結果、熱間でのねじ
り破断値において３．５回以上を数える合金では、再溶
解抜きの真空溶解鋳造ままで、割れを生じないで良好に
鋳造し得ることを知得し、しかもＧ値がこの熱間加工性
を整理する優れたパラメータの−つとして用いることが
可能なことが判った。

第２図には、ねじり破断値３．５回以上の得られる合金
を白抜きのプロットで示したが、このようにＧ値を１４
で制御することにより、良好な熱間加工性を示す合金を
得ることができる。

〔発明の効果〕

以上詳述した本発明によれば、原子炉内冷却水環境下で
用いる構造物用のＮｉ基合金に関し、耐応力腐食割れ性
、強度及び熱間加工性に優れたものが得られ、特に炉内
構造物締結ボルト用に用いられた場合、現用インコネル
Ｘ−７５０合金を上回る特性を示すことが明らかとなっ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図はＦｅ、Ｃ量と環境脆化の関係を示すグラフ図、
第２図はＧ値と引張強度及び熱間加工性の関係を示すグ
ラフ図、第３図はＴＳとシャルピー吸収エネルギの関係
を示すグラフ図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比でＣ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．５％以
   下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｆｅ：５％以下、Ｃｒ：１８
   〜３０％、Ｍｏ：１．５〜７％を含み、Ｔａ＋Ｎｂ：５
   ％以下、Ｔｉ：２％以下、Ａｌ：２％以下であって下式
   の条件を満たすと共に、残部Ｎｉ及び不可避不純物から
   成り、且つ熱処理によってオーステナイト基地中に金属
   間化合物Ｎｉ＿３（Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ）を析出さ
   せて用いることを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れた
   Ｎｉ基合金。 Ｔａ＋１．９Ｎｂ＋３．８Ｔｉ＋６．７Ａｌ≦１４（２
   ）重量比でＣ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、
   Ｍｎ：０．５％以下、Ｆｅ：５％以下、Ｃｒ：１８〜３
   ０％、Ｍｏ：１．５〜７％を含有すると共に、Ｔａ＋Ｎ
   ｂ：５％以下、Ｔｉ：２％以下、Ａｌ：２％以下であっ
   て下式の条件を満たし、更に希土類元素：０．１％以下
   、Ｃａ：０．１％以下、Ｍｇ：０．１％以下のうち１乃
   至２種以上を含み、残部Ｎｉ及び不可避不純物から成り
   、且つ熱処理によってオーステナイト基地中に金属間化
   合物Ｎｉ＿３（Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ）を析出させて
   用いることを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れたＮｉ
   基合金。 Ｔａ＋１．９Ｎｂ＋３．８Ｔｉ＋６．７Ａｌ≦１４