JPS649379B2

JPS649379B2 -

Info

Publication number: JPS649379B2
Application number: JP57140809A
Authority: JP
Inventors: Sadao Oota; Masayuki Fujiwara; Hiroyuki Uchida; Nobuyuki Nagai; Yoshiro Tanaka
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1982-08-12
Filing date: 1982-08-12
Publication date: 1989-02-17
Also published as: JPS5931822A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、高速中性子の照射下、且つ700℃に
も達すという過酷な条件の下で長期間使用して
も、良好な耐スエーリング性及び高温強度を発揮
することのできる高速増殖炉燃料被覆管用オース
テナイトステンレス鋼の製造法に関するものであ
る。高速増殖炉における燃料被覆管用材料として
は、SUS316鋼等を代表とするオーステナイト鋼
が使用され、実験炉の運転が行なわれている。し
かし原型炉や実証炉、更には商用炉等になつてく
ると、増殖率の向上、倍増時間の短縮、燃焼率の
向上等が図られる関係上、耐スエーリング性や高
温強度（特に高温クリープ強度）を更に改善する
必要があり、Ｃ，Ｂ，Ni，Ti，Nb，Zr等の元素
を添加して材料の改質を図るという研究が進めら
れている。ところが高速増殖炉における燃料被覆管は、そ
の内部が高温高圧となり、且つその状態が長期間
継続されて被覆管素材に熱的及び機械的悪影響を
強く及ぼすので、管自体の内部欠陥に対する要求
品質は非常に厳しく、全数が非破壊検査の対象と
なつている。非破壊検査としては、一般に超音波
探傷法が汎用されているが、燃料被覆管が非常に
薄肉（通常0.47mm^t）で且つ細径（通常6.5mm〓）で
ある為、小孔欠陥の許容深さも勢い小さくなり、
この様な小孔の欠陥を精度良く検知する為には、
管素材の結晶粒度を相当に細かくしておかなけれ
ばならない。その為細粒化を行なうべく色々の熱
処理手段が検討されているが、現状では表面の酸
化や炭化を嫌つて光輝焼鈍法を採用することが多
い。しかるに光輝焼鈍の場合は溶体化処理温度が
低く、前述の各種添加元素の間に形成される炭化
物が鋼中へ十分に固溶しないという欠点があり、
Batesら、あるいはChickeringらによつて言及さ
れている様に、添加元素による改善効果、即ち耐
スエーリング性の向上や高温強度の改善について
は期待されるほどのものが得られていない。一方耐スエーリング性の向上については次の様
な問題がある。即ちスエーリングとは、「高エネ
ルギー粒子の衝突によつて生成される格子間原子
と突孔の、夫々の消減速度差によつてもたらされ
る過剰濃度の空孔が集合し、これがボイド又はポ
アに発展して膨れる現象」と考えられるから、空
孔の消減を助けてボイドの成長を抑制する手段、
例えば「転位の導入」も耐スエーリング性の改善
にとつて有用な手段と考えられる。これを受け、
20％程度の冷間加工を施すことによつて転位を導
入し、耐スエーリング性を改善した上で高速増殖
炉用の炉心構造材料とすることも行なわれてい
る。しかしここで導入された転位が、例えば625
℃×２年という状況下で十分に維持され得るかと
いう疑問もあり、現状では、使用中に析出してく
る炭化物を長時間微細に保ち、回復及び再結晶を
抑制するということで対処する他ない。ところが
第１図を見ると次の様なことが分かつた。即ち本
図は、SUS316ステンレス鋼の通常の溶体化熱処
理における炭化物の固溶、析出挙動を溶体化処理
温度と保持時間の関係で示したものである。試験
材は完全に炭化物を固溶した状態で準備し、熱処
理ままのもの（溶体化処理材）とそれに冷間で加
工率30％の圧延加工を施したもの（30％冷間加工
材）の２種類について検討した。熱処理には、通
常の小型熱処理炉を用い、試験材を平均昇温速度
15℃／secで室温から所定の温度に上げ、各時間
保持した後、直ちに水中に浸漬し急冷した。その
試験材の組織を光学顕微鏡、電子顕微鏡にて調
べ、炭化物析出の有無を判定した。図中、黒塗り
記号は炭化物の析出が認められたもの、白抜き記
号は炭化物が完全に固溶したものを示している。
△，▲印は溶体化処理材、○，▲印は30％冷間加
工材を示し、それぞれの炭化物析出範囲を溶体化
処理材の場合については破線で、30％冷間加工材
については実線で示している。本図より冷間加工
材の方が炭化物の析出範囲が高温、短時間側にな
り、昇温速度の比較的遅い通常の溶体化熱処理で
は、冷間加工材は溶体化材に比べて炭化物をより
完全に固溶させるために高温、長時間保持の条件
が必要になることがわかる。これは、冷間加工材
の方が昇温過程での炭化物の析出が速くなるため
である。なお、30％冷間加工材の高温側の炭化物
析出範囲を表わす線が右下がりの傾向を示すの
は、昇温過程で析出した炭化物が保持時間の短い
ときは固溶し切らず、保持時間を長くすると再び
固溶するためである。従つて冷間加工材を、元来
加熱速度の遅い光輝焼鈍にかけると、加熱操作中
に炭化物が析出してくることは十分に窺い知るこ
とができる。他方第２図はSUS316についての熱処理時間と
粒径の関係を、処理温度をパラメーターとして表
わしたものであり、本図によればSUS316ステン
レス鋼の結晶粒の大きさに及ぼす溶体化熱処理温
度および保持時間の影響が分かる。試験材はあら
かじめ1100℃・30min・水冷の熱処理を行ない、
冷間で加工率30％の圧延加工を施したものであ
る。この場合の初期結晶粒の大きさはASTM結
晶粒度No.５である。この試験材を高周波加熱炉を
用い、平均昇温速度60℃／secで950〜1100℃の各
熱処理温度に昇温し、所定時間保持した後直ちに
水冷し、各条件での結晶粒の大きさを測定した。
熱処理温度が高くなる程、また保持時間が長くな
る程、結晶粒が大きくなることがわかる。従つて
前述の析出炭化物を固溶させる為に保持時間を長
くするしようとすれば、処理温度の如何にかかわ
らず結晶粒の成長を招くことは明らかであり、前
に述べた非破壊検査の精度を悪くするという問題
がある。本発明はこの様な事情に着目してなされたもの
であり、オーステナイトステンレス鋼の熱処理に
おいて、熱処理中に炭化物が析出せず（即ち炭化
物が鋼中に十分固溶され）、しかも該処理中の結
晶粒の粗大化を招かない様な条件を確立すること
を当面の解決課題とし、該条件を採用することに
よつて、耐スエーリング性及び高温強度の優れた
高速増殖炉燃料被覆管用オーステナイトステンレ
ス鋼の製造法を確立しようとするものである。しかして本発明は、Ｃ：0.04〜0.1％（重量％
の意味、以下同じ）、Cr：10〜20％、Ni：10〜40
％、Mo：１〜３％、Ｂ：0.002〜0.01％を含む
鋼、又は上記の他Ti：0.03〜3.5％、Nb：0.05〜
１％、Zr：0.03〜0.06％、Ti／４≦Al≦Ti／1.5（重量比）から選ばれる１種又は２種以上を含む鋼を、
1000℃以上の温度で熱処理するに際して、上記鋼
の昇温速度を60℃／秒以上とする点に要旨を有す
るオーステナイトステンレス鋼の製造法である。まず本発明における対象鋼の化学組成を上述の
如く定めた理由から説明する。 (1) Ｃ：0.04〜0.1％ Cr，Mo，Ti，Nb，Zr等の合金元素と結合す
ることによつて炭化物を形成し、高温クリープ強
度及び耐スエーリング性の改善に効果を発輝する
が、0.04％未満ではこの効果が不十分であり、逆
に0.1％を越えると鋼中への炭化物の固溶が不完
全となり、高温クリープ強度や耐スエーリング性
をかえつて悪化させてしまう。 (2) Cr：10〜20％高速増殖炉において使用される冷却用液体ナト
リウムに対する耐食性を発揮する為には、10％以
上の配合が必要である。しかし20％を越えると耐
スエーリング性に悪影響を与える。 (3) Ni：10〜40％オーステナイト組織の安定化と共にスエーリン
グの軽減を図る為に10％以上配合しなければなら
ない。しかし中性子経済、液体ナトリウム中での
耐食性、あるいはNi中の不純Co流出による誘導
放射能等のマイナス要因を考慮すれば40％を上限
とすべきである。 (4) Mo：１〜３％高温クリープ強度及び耐スエーリング性の改善
にとつて有効な元素であるが、１％未満ではこれ
らの効果は得られない。しかし３％を越えると、
金属間化合物（Fe₂Mo，χ相）として析出し、
高温クリープ強度の劣化を招く。 (5) Ｂ：0.002〜0.01％高温強度の改善にとつて有用な元素であり、又
再結晶温度を高めることによつて耐スエーリング
性の向上にも寄与するが、これらの効果を得る為
には、0.002％以上の配合が必要である。しかし
0.01％を越えると熱間加工性及び溶接性が損なわ
れるのでこれを上限とすべきである。 (6) Ti：0.03〜3.5％ TiCやγ′〔Ni₃（TiAl〕の析出によつて高温クリ
ープ強度や耐スエーリング性の改善に寄与する。
この効果は0.03％以上の添加によつて得られる。
しかし、Ti量が3.5％を越えると燃料被覆管とし
て使用しているうちにη相が生成しやすく、上記
特性を却つて悪化させる。 (7) Nb：0.05〜1.0％ Nbは結晶粒微細化の効果を発揮するので、溶
体化処理温度を高くしても、細粒が得られる。即
ちクリープ強度や耐スエーリング性の改善に寄与
する。このためには最低0.05％以上必要である。
また、NbはNbCの析出によつてもクリープ強度
や耐スエーリング性の改善に寄与するが、Nb量
が1.0％を越えると未固溶のNbCが多くなり、熱
間での加工性や上記特性が悪化する。 (8) Zr：0.03〜0.06％ Zrは粒界強化による高温クリープ強度の改善、
耐スエーリング性の改善の目的で添加される。こ
の効果を得るにはZr量を0.03％以上添加する必要
がある。しかし、Zr量が0.06％を越えるとZrの効
果は消失するか、むしろ悪化する傾向が認められ
る。 (9) Al：Ti／４≦Al≦Ti／1.5（重量比） Alはγ′相を安定化し、η相の析出を防止するた
め、高温クリープ強度及び耐スエーリング性の改
善に有効である。このためにはAl量をTi量1/4以
上添加する必要がある。しかし、Ti量を一定と
してAl量を増すとある比率でγ′相の粒界反応型析
出や時効硬化性の低下を招き強度が低下するので
Al量はTi量の1/1.5以下に抑える必要がある。本発明のオーステナイトステンレス鋼は、Fe
及び前記の各合金元素、並びに不可避的な不純元
素から構成されるが、必要によつてはそれら以外
の合金元素を加えて上記以外の特性を改善するこ
とも可能であり、本発明の趣旨に反しないもので
ある限り本発明に含まれる。本発明は、上記オーステナイトステンレス鋼の
加熱条件を定めたものであるが、加熱処理工程自
体は、加工々程中における中間焼鈍であつても良
く、又最終溶体化処理工程であつても良い。要は
1000℃以上の加熱が行なわれて炭化物が鋼中へ固
溶されゝば良いのであり、その場合において上記
鋼の昇温速度を60℃／秒以上にすることができれ
ば本発明の条件は満足されるのであり、上記昇温
速度が得られる限り、どの様な加熱によつても不
都合はない。ところで上記鋼の昇温速度を60℃／秒以上と定
めたのは、後述の第３，４，５図に示される結果
から判断されたものであり、以下実験例に沿つて
説明する。第１表は実験に使用した各鋼種の化学成分組成
を示す。この供試鋼を真空溶解して得られるイン
ゴツト（10Kg）を、鍛造に付して23mm□ の角棒と
し、次に30％の冷間加工（圧延）を加え、更に機
械加工して管（14mm〓×２mm^t×50mm^w）を製造し
た。

【表】鋼種No.１（従来のSUS316）、No.２（SUS316を改
良したもの）、No.３（15−15Mo・Ti鋼）を選択
し、高周波加熱による溶体化処理を行なつた。こ
のときの加熱条件を調整すべく昇温速度及び到達
温度を種々変更しながら加熱し、夫々目標温度で
５秒間保持して溶体化処理した。第３図（鋼種No.
１）、第４図（鋼種No.２）及び第５図（鋼種No.３）
は、夫々の結果を、炭化物の析出に及ぼす加熱速
度並びに結晶粒度という観点から整理したもの
で、第３，４，５図では、第１表のNo.１，２，３
鋼について結晶粒の大きさ及び炭化物析出の有無
に及ぼす熱処理温度ならびに昇温速度の影響が表
わされている。試験材はいずれも1100℃・
30min・水冷後、冷間で加工率30％の圧延加工を
施した角棒から、機械加工により外径14mm、肉厚
２mm、長さ50mmの管に仕上げたものを用いた。高
周波加熱炉により種々の昇温速度で各加熱温度ま
で昇温し、5sec保持後直ちにHeガスの吹付けに
より室温まで急冷した後、各試験材の結晶粒の大
きさならびに炭化物析出の有無を調べた。図中黒
塗り記号は炭化物の析出が認められたもの、白抜
き記号は炭化物が完全に固溶したものを示し、実
線はそれらの境界を示している。また、〇印の添
字はそれぞれの条件（熱処理温度と昇温速度）で
の結晶粒の大きさを表わすASTM結晶粒度No.を
示したものである。これらによれば、第３図に示
す従来鋼種では、昇温速度及び到達温度を相当高
くしなければM₂₃C₆の固溶化は達成できず、実用
的でないことが分かつた。これに対し本発明を満
足する鋼種では、第４，５図に見られる如く、昇
温速度：60℃／秒以上、到達温度：1000℃以上の
条件を満足すれば、炭化物はほぼ完全に固溶し、
且つ結晶粒度の成長も抑制されており、所期の目
的は悉く達成されている。尚昇温速度を60℃／秒
以上とすることができる手段であれば高周波加熱
法に限られず色々な方法を採用することができ
る。例えば抵抗焼鈍、赤外線加熱、レーザ加熱等
はその一例である。次に鋼種No.１で得られた上記の管を第２表に示
す条件で熱処理した（昇温速度は75℃／秒）。

【表】尚上表の熱処理に当つては、ASTM−No.8.5の
結晶粒度になる様に、且つ未固溶の炭化物が最小
となる様な条件を選定し、熱処理の終了したもの
はそ後冷間圧延により所定の加工を施した。第６
図は熱処理後の光学顕微鏡組織写真であり、本発
明の迅速昇温条件を満足し得る高周波熱処理法
［Ａ法：第６図イ及び第６図ロ］と、従来の光輝
焼鈍を模したソルトバス加熱法［Ｂ法：第６図ハ
及び第６図ニ］を比較すると、同一の結晶粒であ
つてもＡ法で得られたものでは未固溶の炭化物が
極めて少なくなつている。尚第６図において、第
６図イ及び第６図ハは10％しゆう酸で電解腐食し
たもの（100倍）、第６図ロ及び第６図ニは王水で
腐食したもの（200倍）を夫々示す。又第７図は
高温クリープ強度の試験結果を示すが、Ａ法で得
たものは著しく高い強度を示している。次に鋼種No.２〜５について、Ａ法及びＢ法に準
じた熱処理を行ない（第３表は熱処理条件および
粒度を示す）、高温クリープ強度（第４表）を求
めた。第４表に示す如く本発明法Ａでは、従来法
Ｂに勝る高温クリープ強度（700℃，20％冷間加
工）が得られている。

【表】

【表】本発明は以上述べた様に構成されているので、
粒径の成長を招かずに炭化物の固溶を達成するこ
とができ、高温クリープ強度及び耐スエーリング
性の改善された高速増殖炉用の燃料被覆管用オー
ステナイトステンレス鋼が得られるに至つた。又
粒径が小さいので超音波探傷法の様な非破壊検査
法を適用した場合の欠陥発見精度を高くすること
ができる様になつた。

【図面の簡単な説明】

第１図はTTC曲線、第２図は熱処理時間と粒
径の関係を示すグラフ、第３〜５図は炭化物の析
出に及ぼす加熱条件の影響を示すグラフ、第６図
イ，ロ，ハ，ニは金属組織を示す顕微鏡写真、第
７図は高温クリプ強度を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.04〜0.1％（重量％の意味、以下同
じ）、Cr：10〜20％、Ni：10〜40％、Mo：１〜
３％、Ｂ：0.002〜0.01％を含む鋼を1000℃以上
の温度で熱処理するに際して、上記鋼の昇温速度
を60℃／秒以上とすることを特徴とする耐スエー
リング性及び高温強度の優れた高速増殖炉燃料被
覆管用オーステナイトステンレス鋼の製造法。２Ｃ：0.04〜0.1％、Cr：10〜20％、Ni：10〜
40％、Mo：１〜３％、Ｂ：0.002〜0.01％を含む
他、更にTi：0.03〜3.5％、Nb：0.05〜１％、
Zr：0.03〜0.06％、Ti／４≦Al≦Ti／1.5（重量比）から選ばれる１種又は２種以上を含む鋼を1000℃以
上の温度で熱処理するに際して、上記鋼の昇温速
度を60℃／秒以上とすることを特徴とする耐スエ
ーリング性及び高温強度の優れた高速増殖炉燃料
被覆管用オーステナイトステンレス鋼の製造法。