JPH07173587A - ジルコニウム合金溶接部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶接部の耐食性が劣化しない（α＋β）型ジ
ルコニウム合金溶接部材の製造方法を提供する。 【構成】 本発明のジルコニウム合金溶接部材の製造方
法は、（α＋β）型ジルコニウム合金に対して溶接加工
を行った後、加工率が５〜３０％の冷間加工を行い、次
いで５２０〜６００℃の熱処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶接部の耐食性が劣化し
ないジルコニウム合金溶接部材の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉（軽水炉）に使用される燃焼チャ
ンネルや燃料被覆管等の炉心部材は、中性子吸収断面積
が小さく、高温・高圧下での純水あるいは水蒸気に対す
る耐食性が良好で、かつ適切な強度および延性を持つジ
ルコニウム合金により形成されている。従来、かかるジ
ルコニウム合金として、ジルコニウムに若干の元素（Ｆ
ｅ、Ｃｒ、Ｎｉ）を添加して耐食性を改善したジルカロ
イと呼ばれるα型ジルコニウム合金（例えば、ジルカロ
イ−２、ジルカロイ−４）が使用されてきた。

【０００３】近年、軽水炉による原子力発電コストの低
減のため、高燃焼化が計画されており、かかる条件の下
ではα型ジルコニウム合金では機械的強度が不十分にな
り、クリープ現象などにより変形し、原子炉の運転に支
障が来すおそれがあった。そこで、炉心部材を（α＋
β）型ジルコニウム合金で製作することが試みられてい
る。（α＋β）型ジルコニウム合金は優れた耐食性を有
し、中性子吸収断面積が小さく、加工性も優れており、
しかもα型ジルコニウム合金より機械的強度が高いから
である。このような（α＋β）型ジルコニウム合金とし
ては、Ｚｒにβ安定化元素であるＮｂを２．６wt％含有
させたＺｒ−２．５％Ｎｂ合金が代表的である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、（α＋
β）型ジルコニウム合金に溶接加工を施すと、溶接部の
耐食性が劣化し、マトリックスに較べて酸化が速やかに
進行し、厚膜化した酸化膜が形成される。その結果、溶
接部の肉厚が減少し、強度の低下を招く。本発明はかか
る問題に鑑みなされたものであり、溶接部の耐食性が劣
化しない（α＋β）型ジルコニウム合金溶接部材の製造
方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のジルコニウム合
金溶接部材の製造方法は、（α＋β）型ジルコニウム合
金に対して溶接加工を行った後、加工率が５〜３０％の
冷間加工を行い、次いで５２０〜６００℃の熱処理を行
う。尚、本発明の製造対象となる（α＋β）型ジルコニ
ウム合金としては、既述のＺｒ−２．５％Ｎｂ合金に限
らず、常温での組織が（α＋β）相である、Ｎｂ含有量
が１〜２０wt％のジルコニウム合金であればいずれのも
のでも適用可能である。

【０００６】

【作用】（α＋β）型ジルコニウム合金の溶接部には、
溶接の加熱冷却に伴い、残留歪およびβ−Ｚｒ相が生成
し、これにより耐食性が劣化する。すなわち、（α＋
β）型ジルコニウム合金に溶接加工を施すと、溶接部は
一度溶解した後に凝固したミクロ組織、換言すれば針状
組織になる。この針状組織の形態は、溶接後の冷却速度
により異なる。冷却速度が速い（約８０℃／秒以上）場
合には、Ｎｂを過飽和に固溶し、残留歪の非常に多いマ
ルテンサイト組織になる。一方、冷却速度が遅い場合に
は、マルテンサイト組織に比して残留歪が軽減されるも
のの、Ｎｂを約０．５％固溶したα−Ｚｒ相と、Ｎｂを
約２０％固溶したβ−Ｚｒ相とが混ざり合った針状組織
となる。溶接加工後の冷却速度は一義的に定まらない
が、いずれの場合も残留歪の多い針状組織となり、β−
Ｚｒ相が生成する傾向がある。

【０００７】本発明によると、溶接加工後に冷間加工を
施し、続いて相変態熱処理を施すので、残留歪を緩和
し、またβ−Ｚｒ相をα−Ｚｒ相およびβ−Ｎｂ相すな
わち耐食性の良好な相に変態させることができるので、
溶接部の耐食性を向上させることができる。この際、冷
間加工率が５％未満では加工歪が過少であるため、残留
歪の緩和が生じ難く、また相変態が不足し、耐食性の回
復が少ない。一方、溶接部に生じた針状組織は冷間加工
性が悪いため、３０％を越えると加工中に割れが生じ易
く、加工が困難となる。また、熱処理温度が５２０℃未
満では相変態が不十分で、耐食性が不足する。一方、６
００℃を越えると、残留歪を緩和することができるが、
β−Ｚｒ相の生成が助長され、却って耐食性が低下す
る。尚、熱処理時間は、部材の大きさや冷間加工率の程
度により異なるが、通常、３０分〜１０時間程度とされ
る。

【０００８】

【実施例】（α＋β）型Ｚｒ−２．５wt％Ｎｂ合金を溶
製し、得られたインゴットを鍛造、圧延して板厚２．５
mmの板材を製造し、これより１５０mm幅×２００mm長の
板片を採取した。この板片を突き合わせた後、エレクト
ロンビーム溶接して、供試材を得た。

【０００９】この供試材に対して、表１及び表２の冷間
加工条件で最大加工率（板厚減少率）４０％の冷間圧延
を行った後、同表に示す種々の温度で５ｈ保持後、放冷
した。このような処理を行った供試材から試料を採取し
て、４００℃、１０５kgf/cm ² の水蒸気中で腐食試験を
行い、７２ｈｒ保持後の酸化膜厚さ（μｍ）を測定し
た。耐食性は酸化膜厚さで評価することとし、酸化膜厚
さ３μｍ未満をレベル１、同値以上をレベル２とし、レ
ベル１では耐食性が良好であると判定した。それらの結
果を冷間加工時の欠陥の有無と共に表１及び表２に示
す。尚、試料数は２点であり、同表のデータは平均値で
ある。

【００１０】

【表１】

【００１１】

【表２】

【００１２】表１及び表２より、実施例にかかる試料で
は、冷間加工時に欠陥の発生もなく、耐食性も良好であ
ることが分かる。特に、冷間加工率が１０％以上で、熱
処理温度が５５０〜６００℃では酸化膜厚さが２μｍ未
満であり、耐食性が極めて良好である。また、同表よ
り、熱処理温度５５０℃のデータを抽出して、冷間加工
率と酸化膜厚さとの関係を調べた。その結果を図１に示
す。これより、本発明の冷間加工率の下限である５％、
好ましくは１０％以上で耐食性が大幅に向上し、４０％
まで変化しないことが分かる。もっとも、３０％を越え
ると、加工性に問題がある。

【００１３】更にまた、同表より、冷間加工率が１０％
のデータを抽出して、熱処理温度と酸化膜厚さとの関係
を調べた。その結果を図２に示す。これより、本発明範
囲である５２０℃好ましくは５５０℃以上、６００℃以
下で優れた耐食性の改善作用が得られることが分かる。

【００１４】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のジルコニウ
ム合金溶接部材の製造方法は、（α＋β）型ジルコニウ
ム合金に対して溶接加工を行った後、５〜３０％の加工
率で冷間加工を行い、次いで５２０〜６００℃の熱処理
を行うので、溶接部の残留歪を緩和し、またβ−Ｚｒ相
をα−Ｚｒ相およびβ−Ｎｂ相に変態させることがで
き、これにより溶接部の耐食性を大幅に向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（α＋β）型ジルコニウム合金溶接部材の冷間
加工率と耐食性との関係を示すグラフである。

【図２】（α＋β）型ジルコニウム合金溶接部材の熱処
理温度と耐食性との関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安部 勝洋 兵庫県加古川市尾上町池田字池田開拓2222 −１ 株式会社神戸製鋼所加古川研究地区 内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （α＋β）型ジルコニウム合金に対して
   溶接加工を行った後、加工率が５〜３０％の冷間加工を
   行い、次いで５２０〜６００℃の熱処理を行うことを特
   徴とするジルコニウム合金溶接部材の製造方法。