JPS60221560A - ジルコニウム基合金の製造方法 - Google Patents

ジルコニウム基合金の製造方法

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JPS60221560A
JPS60221560A JP7739984A JP7739984A JPS60221560A JP S60221560 A JPS60221560 A JP S60221560A JP 7739984 A JP7739984 A JP 7739984A JP 7739984 A JP7739984 A JP 7739984A JP S60221560 A JPS60221560 A JP S60221560A
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JP
Japan
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tube
alloy
zirconium
plate
fuel cladding
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JP7739984A
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English (en)
Inventor
Junjiro Nakajima
中島 潤二郎
Katsutoshi Shinpo
新保 勝利
Tetsuo Yasuda
安田 哲郎
Rinichi Asano
浅野 林一
Masatoshi Inagaki
正寿 稲垣
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、核燃料被覆管用ジルカロイ素管の特殊熱処理
方法に係シ、特に管内面部に熱影響を及ぼさず、かつ管
外表面近傍に冷間加工特性に優れた結晶粒の微細な焼入
組織を作ることができる特殊熱処理方法に関する。
〔発明の背景〕
ジルコニウム基合金は、その耐食性と非常に小さい中性
子吸収断面積によシ原子カプラントの燃料被覆管や燃料
チャンネルボックス等に用いられている。これらの構造
物は炉内で長期間中性子の照射を受け、同時に高温高圧
の水又は水蒸気にさらされるため酸化が進み、時にはノ
ジュラー腐食と呼ばれる斑点状の白色酸化物がその表面
に生成する。この斑点状白色酸化物は腐食反応の進行と
ともに粗大化し、場合によっては剥離するに至ることも
ある。このような異常腐食による部材の減肉は炉内構造
部材の強度低下をきたし、炉内構造部材の安全性および
信頼性の点から懸念される問題点である。
上記のような観点からこの異常腐食すなわち、ノジュラ
ー腐食を防止する方法が検討されている。
この中で良く知られているのが熱処理、特に高周波焼入
れによる耐食性向上技術である。ジルコニウム基合金の
代表例としては、「ジルカロイ−2」(主成分:Zr基
に約1.5%Sn、0.1%Fe。
0.1%Cr、および0.05%Niを添加)および「
ジルカロイ−41(主成分H2r基に約1.5%Sn+
0.2%Fe、0.1*Crを添加)が知られておシ、
これらジルコニウム合金の耐食性向上技術としては、特
開昭51−110411および特開昭58−22364
が公知である。
特開昭51−110411によると、ジルコニウム基合
金は高周波誘導加熱によシ約860C〜930Cの間の
温度に加熱され、コイルによって上記温度範囲に3〜3
0秒間維持され、その後直ちに毎秒150t)’〜40
0Cの速度で約700Cまで水冷され、次いで毎秒20
〜400Cの速度で約5000まで冷却される。上記焼
入処理によりジルコニウム基合金は焼入組織特有の針状
組織となるが、その形状、大きさは上記で規定された冷
却速度の範囲内においても異なる。すなわち、700C
から5001:l’t:での冷却速度が遅いと針状組織
は成長し、結晶粒も成長するのである。上記の成長した
針状組織を有するジルコニウム基合金は優れた耐食性は
示すものの、冷間塑性加工時に低加工度でも割れを生じ
ることがらシ、加工性という観点からは改善する余地が
あった。すなわち、特開昭51−110411に示され
ている発明は、最終製品に適用する高耐食技術でお9、
その後に冷間塑性加工等を施して製品を製造する場合に
適用するのは困難であった。又、特開昭58−2236
4には特に冷却速度の規定は示されていない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、加工特性に優れた高耐食核燃料被覆管
用ジルカロイ素管を製造するための特殊熱処理方法およ
び上記素管から製造される高耐食核燃料用被覆管を提供
することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、ジルコニウム基合金をα相とβ相とを含む温
度領域まで加熱後、冷却速度100 C/秒以上で急速
に冷却することによって得られた焼入組織は微細な結晶
粒および微細な針状組織を有し、冷却速度が遅く結晶粒
および針状組織の成長した組織を有するジルコニウム基
合金に比べて加工特性が優れているという発見に基づく
第1図にジルカロイ−2板材を約9500に加熱し、そ
の温度に30秒程度保持し、その後急冷した場合の約8
70Cから約500Cまでの冷却速度と焼入組織の結晶
粒径の関係を示す。第1図に示すように、冷却速度が約
100 c/秒以上では焼入組織の結晶粒径は微細であ
るのに対し、冷却速度が遅い領域では徐冷中にランダム
な方向を向いていた微細針状組織が再配列することによ
って結晶粒の粗大化および針状組織の粗大化が生ずる。
又最高加熱温度から約700Cまでの冷却速度を150
0/秒程度としても、その後の約500Cまでの冷却速
度が遅いと、700Cから500℃に冷却される間に結
晶粒および針状組織は粒大化する。これは、約500C
を越える温度領域でジルコニウム合金は再結晶を開始し
、約6000を越える温度領域で結晶粒は成長できるた
めである。
第2図にこれら結晶粒径の異なる焼入材の約300Cに
おける引張試験時の破断伸びを第3図に常温における破
断伸びを示す。第2図および第3図よシ明らかなように
、結晶粒および針状組織の粗大化した焼入材では延性が
低下し、その結果、加工性が劣化することが判明した。
以上に基づき素管焼入れ時の約5001rまでの冷却速
度を1000/秒以上とすることによって冷間加工特性
に優れた焼入素管を製造することが出来、その結果、冷
間圧延回数を従来の3回から増加させることなく最終製
品である燃料被覆管形状までの冷間圧延が可能となった
。冷却速度が速い場合のジルカロイ−2材の焼入組織と
冷却速度が遅い場合の焼入組織とを検討した。冷却速度
が1007:7m以上で冷却することによυ微細な針状
組織を有し、高い加工性が得られるが、1ooC/se
e未満の遅い冷却速度では針状組織が成長するとともに
結晶粒も成長し、低加工率でも割れを生じ易い。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を説明する。第4図に高耐食核
燃料用被覆管の製造工程例を示す。第4図中1人”の工
程で製造するのがジルカロイ−2被覆管であム B”の
工程で製造するのが、ジルコニウム2イチ被覆管である
。後者は、ジルカロイ−2被覆管の内面に厚さ約80μ
mの純ジルコニウムを内張シした構造となっている。第
4図中の(lで示すα+β焼入処理にょ多核燃料用被覆
管の高耐食化がなされる。α+β焼入処理の対象となる
素管は、一般に第4図に示すような熱間押出しによシ製
造されるジルカロイ−2素管もしくは純ジルコニウムを
内張シしたジルコニウムライナ素管であるが、特に熱間
押出直後の素管である必要はなく、熱間押出後に冷間圧
延を施して製造したジルカロイ−2ドレツクスもしくは
ジルコニウムライナドレックスと呼ばれる管等でも良い
本実施例では上記ジルコニウムライナ素管に本発明であ
るα+β焼入処理を施し、その後冷間圧延と焼なましと
を繰返し施して高耐食核燃料用被覆管を製造した例を示
す。
ジルコニウムライナ素管の高周波焼入方法を第6図によ
シ説明する。焼入処理を施すジルコニウムライナ素管は
、ジルカロイ−2部2とジルコニウム2イナ部lとから
成る。3,4は、素管を上。
下で支える上部サポート、下部サポートである。
これら上、下サポートは冷却水循環系に連結されておシ
、下部サポート、素管内部、上部サポートの順に冷却水
が流れる。5は高周波誘導加熱コイル、6は冷却ノズル
である。素管は第5図に示すように誘導加熱コイル、冷
却ノズル内を上方から下方へ順次移動する。本装置にょ
シ押出複金管は連続的に加熱され、冷却水7にょ多連続
的に冷却される。この間、素管内部にも冷却水が流れる
押出複合管が誘導加熱コイルを通加した直後の素管の肉
厚方向の温度分布を第6図に示す。T。
は素管内部に流入する冷却水の温度であり、Tiは高周
波によシ誘導加熱された素管外表面の温度である。ti
;t、素管の肉厚を示す。このとき、素管外表面温度は
950cであった。上記温度分布をもった素管を第5図
に示す冷却水7によって約200C/秒の冷却速度で急
冷した。上記焼入処理を終えた素管の断面金相を観察し
たところ、素管の外表面層部(素管肉厚の約50%)が
焼入針組織特有の針状組織を示しておシ、微細な結晶粒
微細な針状組織であった。
一方、第5図に示す冷却水7を噴射せずに素管内部を流
す冷却水のみを使用して素管に焼入処理を施した。この
とき、素管の最高加熱温度は950C(外表面)であり
、冷却速度は約6oc/秒であった。この素管の断面金
相を観察したところ、素管の外表面層部は焼入組織特有
の針状組織を示していたが、粗大化した結晶粒、粗大化
した針状組織であった。
上記2種類の焼入処理素管に約600C2時間の焼鈍を
施し続いて、加工度(断面減少率)約70%の冷間ピル
ガ−圧延を施したところ、結晶粒および焼入針状組織が
粗大な焼入処理素管は冷間圧延途中で割れを生じ圧延で
きなかったが、一方、結晶粒および焼入針状組織が微細
な焼入処理素管は冷間圧延ができた。このように微細な
結晶粒、微細な針状組織を有する焼入処理被覆管は塑性
加工性に優れている。上記70%冷間圧延を施して製造
された冷間圧延管に、約600cの焼鈍、約75%の冷
間ピルガ−圧延約6000の焼鈍、約75%の冷間圧延
、約580Cの最終焼鈍を順次施して、核燃料被覆管を
製造した。
次に本発明である100C/秒以上の冷却速度で焼入処
理を施した素管(外径約64 rta +肉厚約11a
+)から従来どおシ3回の冷間圧延で製造した核燃料用
被覆管(外径約12.3+on、肉厚的0.86m)の
腐食試験結果について述べる。腐食試験条件は500 
C105Q/Crn2高温高圧水蒸気中25時間保持と
した。耐食性は管外表面に発生したノジュラー腐食の占
有率で評価した。本発明によシ製造した核燃料用被覆管
の外表面は黒色の光沢のある様相を示し、かつノジュラ
ー腐食は全く発生していなかった。一方比較材として同
時に腐食試験に供した従来被覆管の外表面にはノジュシ
ー腐食が著しく発生して匹た。このように、本発明によ
シ製造した核燃料用被覆管は耐ノジユラー腐食性の優れ
た性質を有するのは明らかである。
本実施例では、第5図に示すように素管内部に冷却水を
流したが、冷却媒体としては特に水である必要が力く希
ガスあるいは大気であっても良い。
ただし、冷却媒体を大気とする場合はα+β焼入処理に
よシ管内部に発生した酸化膜をサンドブラスト等で除去
する必要がある。又、本実施例では、第5図に示すよう
に素管外表面に冷却水7を噴射したが、上記同様冷却媒
体は特に水である必要はない。ただし、素管外表面に酸
化膜が発生した場合はこれを除去する必要がある。
〔発明の効果〕
本発明によれば、塑性加工性の優れた焼入処理素管を製
造することができるので、従来の3パスピルガ−冷間圧
延によシ、耐食性の優れた高耐食核燃料用被覆管を製造
することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、約8700から約50CI’までの冷却速度
と結晶粒径との相関を示す線図、第2図は、結晶粒径と
高温引張試験における伸びとの相関を示す線図、第3図
は、結晶粒径と常温引張試験における伸びとの相関を示
す線図、第4図は、高耐食核燃料用被覆管の製造工程を
示すブロック図、第5図は、本発明を実施した焼入装置
を示す構成図、第6図は、第5図に示す装置で素管を加
熱した場合の素管肉厚方向温度分布を示す線図である。 1・・・ジルコニウムライナ層、2・・・ジルカロイ−
2層、3・・・上部サポート、4・・・下部サポート、
5・・・誘導加熱コイル、6・・・冷却ノズル、7・・
・冷却水ンく≧Ary44 (otg)rノ 第2図 薯JEJ $! :e イーとイ盃 第4目 ()内工牲1珍ダ 葛、s 8拡焼入聾稀勧オ向 第1頁の続き 0発明者稲垣 正寿 所内

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 ■、ジルコニウム基合金を最終熱間加工後、前記合金の
    α相とβ相とを含む温度領域まで加熱して冷却した後、
    複数回の冷間塑性加工と複数回の焼なまし処理とを行う
    方法において、前記加熱急冷処理における約87CI’
    から約500C1での冷却速度が100 c/m以上で
    あることを特徴とするジルコニウム基合金の製造方法。 2、前記加熱急冷処理は、87(I’以上の保持時間を
    約30秒以内としたことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項に記載のジルコニウム基合金の製造方法。
JP7739984A 1984-04-16 1984-04-16 ジルコニウム基合金の製造方法 Pending JPS60221560A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6439358A (en) * 1987-08-03 1989-02-09 Kobe Steel Ltd Production of zircaloy atomic fuel shielding pipe

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5754241A (ja) * 1980-09-16 1982-03-31 Toshiba Corp Taishokujirukoniumugokintosonoseizohoho
JPS5822364A (ja) * 1981-07-29 1983-02-09 Hitachi Ltd ジルコニウム基合金の製造法
JPS5822368A (ja) * 1981-08-04 1983-02-09 Nippon Mining Co Ltd ジルコニウム合金の加熱処理方法

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