JPS5848654A - 摺動機構 - 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】 本発明は、新規な摺動機構に係り、特に原子炉用燃料制
御棒案内用ビン及びローラの関係を有する原子炉用摺動
機構に関する。

従来、原子炉用燃料棒のガイドには、コバルト基超合金
で製造されたローラと、同様にコバルト基台−金の鍛造
材から製造されたビンとが装着されている。ローラに使
用されているコバルト基超合金は、１％の炭素、２８％
のクロムを含有している。そのため炭化物が多く、硬さ
が高く、また多くのクロム含有量ゆえに高温高圧の純水
に対する腐食にも優れ、ローラとして優れた特性を有し
ている。一方、ビンに使用されているコバルト基の鍛造
合金は、鍛造性、加工性、溶接性が要求されるところか
ら、炭素含有量は０．１％と低く、クロム含有量も２０
％と低くしているが、やはシ優れた耐摩耗性、耐食性を
有している。

しかしながら、かかる合金はローラ材で約６５％、ピン
材で約５０％のコバルトを含有するため使用中の両者の
摩耗にょジコバルトの摩耗粉が生じ、また高温高圧の純
水による腐食にょジコバルトが溶出し、これらが放射化
され、この放射能に汚染されたコバルトが系内金循環す
るという問題が生じる。

コバルトの放射能の問題を解決するため、ビンにｎ１ｔ
ｒｏｎｉｃす６０合金（重量で、Ｃ０，０７％。

Ｍｎ８．４８％、８ｉ４．０３％、Ｃｒ１６．９４％。

Ｎ菫ｓ、ｓｓ％、ＭＯｏ、２５％、残部Ｆｅからなシ、
そのロックウェルＣスケール硬さＨＲｃ２２：ヴイツカ
ース硬さＨｖ２５３）、及びローラにＣＦＡ（重量で、
Ｍｎ０１５７％、ｓｌｏ、２７％＋　Ｃ’３７．５％、
八ｔ３゜７２％、ＭＯｌ、１２％、残部Ｎｉからなシそ
のＨＲＣ５５：ヴイッヵース硬さＨｖ５９５）を使用す
ることが、東芝レビューｖｏｚ、３４．ＡＩＯ（１９７
９）に示されている。

しかし、このものの組合せは、ビンとローラとの硬さに
）（ＲＣで３３及びＨｖで３４２の差があシ、特に硬さ
の低いビンの摩耗が大きいという問題を有することを本
発明者らは見い出した。

本発明の目的は、コバルトによる誘導放射能のおそれが
なく、耐摩耗性の優れた摺動機構、特に原子炉用燃料制
御案内用ビン及びローラの関係を有する原子炉用摺動機
構を提供するにある。

本発明は、互いに接触して摺動する摺動機構において、
一方の部材が重量で、炭素０．３％以下。

ニッケル７〜４０％、クロム１５〜２８％、シリコン２
〜８％、マンガン３〜１２％、残部が実質的に鉄である
合金からなり、他の部材が重量で炭素０．５％以下、ク
ロム１３〜２２％、モリブデン３〜１０％、チタン及び
アルミニウムの１νなくとも一方が１０％以下、及び残
部が実質的にニッケルである合金からなり、両部材の接
触面のグイツカース硬さの差が２００以下であることを
特徴とする。

摩耗粉が生じないようにするには、合金が一定の硬度を
有することが要求される。合金の硬度は、（イ）析出物
による析出硬化、（ロ）基地の固溶硬化、によって得ら
れる。（イ）においては炭化物によるものと金属間化合
物によるものが効果的であシ、（ロ）においては、モリ
ブデン、タングステン等の固溶強化型元素およびマンガ
ン、シリコンを多く含有させること、更には冷間加工等
による加工硬化が効果的である。高温高圧水に対する腐
食性の点からは、クロム量、ニッケル量、窒素量及び炭
素量が重要となる。窒素は放射線による照射脆化を促進
する可能性が考えられるので含有させない方がよいが、
通常製造過程中に入るので、含有量を充分低くした方が
よい。

本発明者等は、上記観点から、次の４種の合金を選び純
水中で摺動摩耗試験を行った。（１）ニッケル基でチタ
ンとアルミニウムを多く含み、かつクロム量の多い、γ
′相析出型超合金。（２）ニッケル基でモリブデン、シ
リコンを多く含有させ、金属間化合物を晶出または析出
させた合金。（３）マンガン、シリコンを多く含有させ
特に冷間加工によって硬化させた鉄基合金。（４）ニッ
ケルークロム−鉄基合金に、モリブデン、タングステン
を多く含有させ、更に冷間加工を与えた合金。その結果
、ピン材として、上記（３）の合金、ローラ材として、
上記（１）の合金であって、ベース成分の異なる合金を
組合せると最も特性が良好になることを見出した。

上述の合金を単に組合せただけでは両者の耐摩耗性をと
もに向上させることができない。すなわち、両者のグイ
ッヵース硬さの差が耐摩耗性の重要な因子である。具体
的には、両者の硬さの差を２００以下にしなければなら
ないことがわかった。

鉄基合金の組成限定理由は以下のとおシである。

炭素は０．３％を越えるとクロムと結合して炭化物−作
シ、マトリックスの耐食性を損い、加工性も悪くなシ冷
間、熱間加工で割れを生ずる。また、低すぎると硬さが
低下する場合があるので炭素含有量の最適値は、０．０
５〜０．１５％である。ニッケルは４０％を超えると、
耐食性が向上するが不経済であるので好ましくない。７
％未満であると組織が安定しない。最も好ましい範囲は
７〜１２−％である。クロムは１５％未満では耐食性が
劣り、２８％を越えると炭素との結合が多くなり脆くな
る。最も好ましい範囲は１６〜２２％である。シリコン
は２％未満では十分な硬さと耐食性が得られず、８％を
越えると脆くなり加工性が悪くなる。

最も好ましい範囲は２〜６％である。マ／ガ／は３％未
満では十分な加工硬化性が得られず、１２％を越えると
耐食性が悪くなる。最も好ましい範囲は４〜１０％であ
る。本発明合金は更に窒素を、耐摩耗性を向上させるた
めに加えるのが好ましく、添加量は多い匂良いが、窒素
は多すぎるとクロムと結合して窒化物を作シマトリック
スの耐食性を低下すると同時に照射脆化を促進する可能
性が考えられるのでｓ　ｏ　ｏ　ｐｐｍ以下がよい。最
も好ましくは６００　ｐＩ）ｍ以下である。

更に、本発明合金は、硬さを向上させるために冷間塑性
加工を施すのが好ましい。冷間加工は、断面減少率で４
０％を越えて行なっても加工度の割シには硬化が上昇し
にくい。５％未満の加工度では硬化が少ないので、５〜
４０％の加工度が最も好ましい。冷間加工前は溶体化処
理することが好ましい。

本発明の鉄基合金のグイッヵース硬さは３００以上とす
ることが、強度及び耐摩耗性の点から好ましい。

本発明鉄合金の組織は主にオーステナイト相であること
が好ましく、特にこのオーステナイト相基地にわずかの
量の微細に析出した炭化物を有するものが好ましい。

Ｎｌ基合金の組成限定理由は以下のとおりである。

炭素は０６５％を越えるとクロムと結合して炭化物を作
り、マトリックスの耐食性を損う。最も好ましい範囲は
０．０５〜０．２％である。クロムは１１３％未満では
耐食性が劣シ、２２％を越えると炭素との結合が多くな
り脆化する。この内でも特に１５〜２０％が最も適して
いる。モリブデンは３％未満ではマトリックスの固溶硬
化と耐食性が劣り、また１０％を越えると硬くなりすぎ
て切削加工が困難になる。最も好ましい範囲は４〜８％
である。チタンまたはアルミニウムの一方又は両方で１
０％を越えると、硬くなりすぎて鋳造時割れや切削加工
性が悪くなる。チタンまたは（および）アルミニウムの
添加は、炭化物の代りにＮｉ、　（Ａｔ、　Ｔ　ｉ　）
化合物の析出によシ硬さを与えるもので本発明の重要な
元素であシ、最も好ましい範囲はチタン０．３〜３％、
アルミニウム３〜８％であり、両者の合計量が３．３〜
８．３％が好ましい。

本発明のＮｉ基合金は、溶体化処理後、時効処理が施さ
れ、粒界に晶出した共晶炭化物と、時効。

によってＮ’ｓ’（Ａｌ、　’Ｉ’　ｉ　）金属間化合
部が析出したものが好ましく、特にそのヴインカース硬
さが４５０以上であることが好ましい。溶体化処理温度
は１，０００〜１，１５０ｔｌｌ”及び時効処理温度は
７５０〜８５０Ｃが好ましい。

本発明は、溶体化処理後時効処理が施された鋳物が好ま
しい。

本発明の鉄基合金及びＮｉ基合金の組合せは、高温高圧
純水中で互いに接触して摺動する原子炉内摺動機構に使
用することによって耐摩耗性のすぐれたものが得られる
。特に、高温高圧純水中で、固定されたピンを軸として
回転するローラを有する原子炉用燃料制御棒案内機構に
おいて、前記ビンは重量で炭素０．０５〜０．１５％、
ニッケル７〜１２％、クロム１６〜２２％、シリコン２
〜６％。

マンガン４〜１０％、窒素０．０８％以下、残部が実質
的に鉄で、断面減少率で５〜４０％の冷間塑性加工が施
された合金からなシ、前記ローラは重量で炭素０．０５
〜０．２％、シリニア　７０．１〜１％。

マンガン０．１〜１％、クロム１５〜２０％、モリブデ
ン４〜８％、チタン０．３〜３％、アルミニウム３〜８
％、チタン及びアルミニウムの合計量３．３〜８，３％
、残部が実質的にニッケルで、時効処理が施された鋳物
からなシ、前記ローラの接触面のグイツカース硬さが前
記ビンの接触面のそれよシ０〜２００高いものが好まし
い。

実施例 第１表に、摺動摩耗試験に供した合金の化学組成を示す
。

第２表に、材料に施した熱処理とヴイノカース硬さくＨ
ｖ）を示す。

第　　　２　　　表 固定側部材に該当するピン材として扁１，２の２種の材
料を使用し、摺動側部材に該当するローラ材と、して屋
３〜５の材料を使用して、純水中で第１図に示す装置を
用い摺動摩耗試験を行った。

試験条件は室温で、摺動サイクル２８回／鰭、摺動距離
６０ｔｔｒｍ／回、面圧２５　Ｋｙ　／ｃｍ　２で、５
００回、２０００回、５０００回後にそれぞれの摩耗量
を測定した。

１は固定片で、その先端１′の直径が１０＋ｍであり、
台形状の摺動片２に対して荷重装置４によって荷重がか
けられる。この状態で純水３の中で互いに接触し、回転
輪５の回転によって往復運動する摺動機構になっている
。

第２図〜第４図は、摩耗試験結果を示す線図である。摩
耗量は試料の試験前の全重量当シの摩耗減量を百分率（
％）で表わしたものである。第２図はＡ１とＡ３の組合
せ、及びＡ１（屋１′と記載）゛とＡ５の組合せのデー
タである。図に示すように、固定部材の屋１はわずかに
摩耗するが、非常にわずかであり、また摺動側部材はほ
とんど摩耗が生ぜず、両者ともすぐれた耐摩耗性を有し
ている。

第３図に、固定側部材としてＪｆ６．１、摺動部材−と
して扁４の材料を用い、これらを組合せたものの試験結
果を示す。図に示すように、固定側部材は第２図と比較
して摩耗量が増加し、摺動側部材もわずかに摩耗量が増
大する。第４図に、固定側部材としてＡ２、可動摺動側
部材としてＡ３の材料を用いて、これらを組合せたもの
の試験結果を示す。図に示すように、固定側部材も摺動
側部材も著しく摩耗する。以上の事から耐摩耗性は組合
せる材料によって異なシ、相手材が不適当な場合には、
第２図で優れていた固定側部材ＡＩ、摺動側部材とも片
方が摩耗したシ両方が摩耗したりしてしまう。

第５図は、固定側部材のヴイツカース硬さと摺動側部材
のそれとの差（固定側部材は摺動側部材よりいずれも軟
かい）と、摩耗減量（％）との関係を示す線図である。

図に示す如く、グイツカース硬さの差が２００以下であ
れば、固定側部材はほとんど摩耗しないことがわかる。

第６図は、摺動側部材として煮３を用い、固定側部材と
してＡ１合金について冷間加工度（断面減少率）を変え
ることによってその硬さを変え、それと摩耗減量との関
係を示す線図である。図に示す如く、固定側部材はその
グイツカース硬さが３００以上になるとすぐれた耐摩耗
性を示すことがわかる。

一方、摩耗試験後の摩耗面及び他の面を観察した結果、
総ての合金が金属光沢をオレ、腐食された形跡が認めら
れず、合金中のりＩ】ム量は鉄基合金の場合には１５％
以上及びＮｉ巧金合金場合には、１３％以上であれば優
れた耐：Ｉξ性を示すことが認められた。

第７図は、第２表に示す本発明・１「金Ａ１をビンに使
用し、本発明合金屋３をロー→に使用した原子炉用燃料
制御棒の全体構成図で・）る。第８図は、第７図のＡ部
のピン１６及びローーン１７を示す斜視図である。図に
示す如く、燃料ＩｆｊｌＪ　ｎ棒の上端及び下端に固定
されたビン１６によって回動自在に軸支されたローラ１
７が、各々４ケ所に設けられている。１０はハンドル、
１１は中性子吸収ロッド、１２はシース、１３はブレー
ド、１４はソケット、１５はリリースハンドルである。

本発明の合金を用いた原子炉用燃料制御棒の案内機構は
以上の説明から分るように耐摩耗性がすぐれているので
、長寿命を有する。

第７図においてピン及びローラにそれぞれ適用した本発
明合金屋１及びＡ３の顕微鏡観察の結果、第９図（ａ）
に示すように、本発明合金屋１はオーステナイト相基地
に微細に析出した炭化物をわずかに有する組織である。

本発明合金＆３はオーステナイト相基地に、粒界にわず
かに晶出した共晶炭化物と粒内に微細に析出したγ′相
［Ｎｉ、（Ａｔ。

Ｔｉ）金属間化合物〕を有する組織である。

上記において原子炉の燃料制御案内用ピンとローラに本
発明合金を適用した場合について説明したが、本発明は
これに限定されるべきものではなく、原子炉循環系にお
いて、耐食性と同時に耐摩耗性を要求される全ての摺動
機構に適用できるものである。

以上本発明合金の組合せを高温高圧の純水にさらされる
原子炉用燃料制御棒のローラおよびピ／に使用した場合
、合金中にコバルトを含まないので、コバルト誘導放射
のおそれはなく、また耐摩耗性と耐食性の両方に優れて
いるので構造上での信頼性が大きい効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は摺動摩耗試験装置の断面図、第２〜第４図は摺
動回数と摩耗減量との関係を示す線図、第５図は固定部
材と摺動部材のグイツカース硬さの差と摩耗減量との関
係を示す線図、第６図は固定部材のヴイツカース硬さと
摩耗減量との関係を示す線図、第７図は原子炉用燃料制
御棒の斜視図、第８図は第７図Ａ部の燃料制御棒案内機
構であるイマツ１コー°′ 第１図 摺＠口数（印 θ　　　１００　　　；）θθ　　３θθヴイリカース
羞艷さの歿 第６ａ ′壜７ つ°Ａ・ソｐ−ス硬さ 垢９０ １７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、・互いに接触して摺動するものにおいて、一方の部
   材が重量で、炭素０．３％以下、ニッケル７〜４０％、
   クロム１５〜２８％、シリコン２〜８％。 マンガン３〜１２％、残部が実質的に鉄である合金から
   なシ、他方の部材が重量で、炭素０．５％以下、珪素２
   ％以下、マンガン２％以下、クロム１３〜２２％、モリ
   ブデン３〜１０％、チタン及びアルミニウムの少なくと
   も一方が１０％以下、及び残部が実質的にニッケルであ
   る合金からなシ、両部材の接触面のヴイソカース硬さの
   差が２００以下であることを特徴とする摺動機構。 芝、前記一方の部材は主にオーステナイト組織を有する
   特許請求の範囲第１項の摺動機構。 ３、前記他方の部材はオーステナイト相基地にｒ′相が
   析出した組織を有する特許請求の範囲第１項又は第２項
   の摺動機構。 ４、前記一方の部材がビンであり、前記他方の部材が前
   記ビンを軸として回転するローラである特許請求の範囲
   第１項〜第３項のいずれか記載の摺動機構。 ５、前記圧いに接触して摺動するものは高温高圧純水中
   で互いに接触して摺動する原子炉内部品である特許請求
   の範囲第１項から第４項のいずれか記載の摺動機構。 ６、前記一方の部材をビ／とし、前記他方の部材を前記
   ビンを軸として回転するローラとする組合せからなる燃
   料制御棒案内機構である特許請求の範囲第５項の摺動機
   構。 ７、前記ビンは冷間塑性加工が施されておシ、前記ビン
   の接触面のヴイツカース硬さが３００以上である特許請
   求の範囲第６項の摺動機構。 ８、前記ローラは時効処理が施されておシ、前記ローラ
   の接触面のグイツカース硬さが４５０以上である特許請
   求の範囲第６項の摺動機構。