(57)【要約】  本発明は、耐照射性を向上させ照射誘起応力腐食割れ性を低減するとともに、高強度、高耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。  解決手段は以下の通りである。本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、重量比でCr：16〜26%、Ni：8〜22%、O：0.02〜0.4%、C：0.08%以下、N：0.1％以下を含有し、かつ、Zr：0.2~2.8%、Ta： 0.4~5.0%、Ti：0.2~2.6%の少なくとも１種を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、Zr、Ta、Tiが酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及びこれらの複合粒子のいずれか１種以上の析出物として析出していることを特徴とする。
2016006280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比でCr：16〜26%、Ni：8〜22%、O：0.02〜0.4%、C：0.08%以下、N：0.1％以下を含有し、かつ、Zr：0.2~2.8%、Ta：0.4~5.0%、Ti：0.2~2.6%の少なくとも１種を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、
Zr、Ta、Tiが酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及びこれらの複合粒子のいずれか１種以上の析出物として析出していることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、酸素量、炭素量、窒素量をそれぞれ重量比でＸ％、Ｙ％、Ｚ％とし、Ｚｒの添加量を重量比でＡ％とした場合に以下の関係式を満たすことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
２．８５Ｘ＋７．６０Ｙ＋６．５２Ｚ≦Ａ
【請求項３】
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、酸素量、炭素量、窒素量をそれぞれ重量比でＸ％、Ｙ％、Ｚ％とし、Ｔａの添加量を重量比でＢ％とした場合に以下の関係式を満たすことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
４．５２Ｘ＋１５．０Ｙ＋１２．９Ｚ≦Ｂ
【請求項４】
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、酸素量、炭素量、窒素量をそれぞれ重量比でＸ％、Ｙ％、Ｚ％とし、Ｔｉの添加量を重量比でＣ％とした場合に以下の関係式を満たすことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
１．５０Ｘ＋３．９９Ｙ＋３．４２Ｚ≦Ｃ
【請求項５】
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、母層の平均結晶粒径が５μｍ以下であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項６】
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、前記析出物のうち粒径が０．１μｍ以下のものが、１．０×１０22ｍ-3以上の数密度で析出していることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項７】
重量比でCr：16〜26%、Ni：8〜22%、O：0.02〜0.4%、C：0.08%以下、N：0.1％以下を含有し、かつ、Zr：0.2~2.8%、Ta：0.4~5.0%、Ti：0.2~2.6%の少なくとも１種を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる合金の粉末あるいは前記組成を満たす混合粉末をメカニカルアロイング処理により合金化処理し、その粉末を容器に真空封入し８００℃〜１２００℃で固化成形することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法において、酸素量、炭素量、窒素量をそれぞれ重量比でＸ％、Ｙ％、Ｚ％とし、Ｚｒの添加量を重量比でＡ％とした場合に以下の関係式を満たすように、Ｚｒの添加量を決定することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
２．８５Ｘ＋７．６０Ｙ＋６．５２Ｚ ≦Ａ
【請求項９】
請求項７に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、酸素量、炭素量、窒素量をそれぞれ重量比でＸ％、Ｙ％、Ｚ％とし、Ｔａの添加量を重量比でＢ％とした場合に以下の関係式を満たすように、Ｔａの添加量を決定することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
４．５２Ｘ＋１５．０Ｙ＋１２．９Ｚ≦Ｂ
【請求項１０】
請求項７に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、酸素量、炭素量、窒素量をそれぞれ重量比でＸ％、Ｙ％、Ｚ％とし、Ｔｉの添加量を重量比でＣ％とした場合に以下の関係式を満たすように、Ｔｉの添加量を決定することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
１．５０Ｘ＋３．９９Ｙ＋３．４２Ｚ≦Ｃ
【請求項１１】
請求項７に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法において、前記固化成形した後、８００℃〜１２００℃で機械加工を施すことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項１２】
中性子照射環境下で使用される原子炉内構造物において、原子炉内構造物を構成する構成部品の少なくとも１つが請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする原子炉内構造物。
【請求項１３】
原子炉内構造物が制御棒であることを特徴とする請求項１２に記載の原子炉内構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散強化型のオーステナイト系ステンレス鋼に関し、特に中性子照射環境下で使用される原子炉内構造物に適用される耐照射性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼はCrが表面に不動態膜を形成することにより腐食環境下において高い耐食性を有しており、構造材料の部品として多用されており、原子力プラントにも多く利用されている。しかし、原子炉のような高温高圧水環境下においては応力腐食割れを発現し、更に原子炉内の中性子照射に曝され、照射欠陥が導入されることで結晶粒界でのCr欠乏が発生し照射誘起応力腐食割れを発現する可能性が指摘されている。そのため、照射誘起応力腐食割れ感受性を下げるため、耐照射性、耐応力腐食割れ性に優れた材料の開発が要求される。【０００３】
特許文献１には、平均結晶粒径が１μｍ以下でありTi1.0%以下、Zr2.0%以下、Nb1.0%以下の少なくとも１種を含むオーステナイト系ステンレス鋼によって、耐食性、強度、耐照射性が向上すると記載されている。【０００４】
特許文献２には、メカニカルアロイング等で得られる超微細粒組織を有する粉末を、その組織を維持しながらバルク化し高強度と同時に靭性、加工性を向上するフェライト系ステンレス鋼について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開 平８−３３７８５３ 号公報
【特許文献２】特開２００２−２８５２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されたオーステナイト系ステンレス鋼は、結晶粒の微細化により耐食性、強度、耐照射を向上し、Ti、Zr、Nbによって酸化物や炭化物を形成させ、強度、耐応力腐食割れ性の向上を目的としている。その一方で、酸素、炭素の量に対する元素添加量が明確でなく、金属間化合物の形成や酸素や炭素の残留による機械強度の低下が懸念される。また、特許文献２に記載されたフェライト系ステンレス鋼では、鋼の機械的特性に悪影響を及ぼす酸素を添加元素との酸化物を形成させることにより安定化し靭性を大きく改善している。一方で、母相をフェライト相としているため、原子炉内環境においては耐食性が懸念される。【０００７】
オーステナイト系ステンレス鋼は耐食性に優れる半面、照射環境下では、照射誘起応力腐食割れを発生することが課題である。耐照射性に優れた材料としてフェライトマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼が開発されているが原子炉内環境下における耐食性が課題である。【０００８】
本発明の目的は、耐照射性を向上させ照射誘起応力腐食割れ性を低減するとともに、高強度、高耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、重量比でCr：16〜26%、Ni：8〜22%、O：0. 02〜0.4%、C：0.08%以下、N：0.1％以下を含有し、かつ、Zr：0.2~2.8%、Ta：0.4~5.0%、Ti：0.2~2.6%の少なくとも１種を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、Zr、Ta、Tiが酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及びこれらの複合粒子のいずれか１種以上の析出物として析出していることを特徴とする。【００１０】
また、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、重量比でCr：16〜26%、Ni：8〜22%、O：0.02〜0.4%、C：0.08%以下、N：0.1％以下を含有し、かつ、Zr：0.2~2.8%、Ta：0.4~5.0%、Ti：0.2~2.6%の少なくとも１種を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる合金の粉末あるいは前記組成を満たす混合粉末をメカニカルアロイング処理により合金化処理し、その粉末を容器に真空封入し８００℃〜１２００℃で固化成形することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、耐照射性を向上させ照射誘起応力腐食割れ性を低減するとともに、高強度、高耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼、及び、その製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明材料の組織観察結果。
【図２】本発明材料の照射試験結果。
【図３】本発明の材料を適用した原子炉制御棒。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明のオーステナイト系ステンレス鋼における組織、組成および製造条件を説明する。本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は以下の基本組成を有している。重量比でCr：16〜26%、Ni：8〜22%、O：0.02〜0.4%、C：0.08%以下、N：0.1％以下を含有し、かつ、Zr：0.2~2.8%、Ta：0.4~5.0%、Ti：0.2~2.6%の少なくとも１種を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる。そして、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、Zr、Ta、Tiが酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及びこれらの複合粒子のいずれか１種以上の析出物として析出していることを特徴とする。
【００１４】
Zr、Ta、Tiは鋼中に存在する酸素を安定化し、酸化物粒子として析出させる目的で添加する。鋼中に含まれる酸素は、機械的特性、特に靭性の低下を招く他、ステンレス鋼の耐粒界腐食性を低下させる要因となることが知られている。そこで酸素と高い親和性を有するZr、Ta、Tiを添加し酸素を安定化し機械的特性を向上させる。また、Zr、Ta、Tiは酸素の他にも、炭素や窒素とも高い親和性を有しており鋼中においてこれらの元素を安定化し析出物を形成する。ステンレス鋼中の炭素は、溶接等の入熱を受けることによって、粒界上にCr炭化物を析出させる要因となり、粒界近傍のCr濃度を低下させ応力腐食割れの要因となる。窒素はステンレス鋼の耐照射性を低下させ、照射誘起粒界偏析を加速する。Zr、Ta、Tiの添加によりこれらの元素を安定化させることはステンレス鋼の機械的特性、耐照射性、耐食性の向上に寄与する。
【００１５】
酸素、炭素、窒素は、Zr、Ta、Tiによって安定化し、好ましくは母相中に残量させないことが望ましい。そこで、全ての酸素、炭素、窒素を安定化させ、化学量論的に過不足の生じない量のZr、Ta、Tiを添加する。なお、化学量論的に過不足のない量を超えて過剰に添加した場合、金属間化合物を形成し機械的特性の劣化を招くため、望ましくない。
【００１６】
Zr、Ta、Tiそれぞれの添加量は、鋼中の酸素量、炭素量、窒素量をそれぞれ、Ｘ％、Ｙ％、Ｚ％とした場合それぞれ以下の範囲において相関式に従って決定する。
【００１７】
（相関式）
Zr：0.2≦2.85X+7.60Y+6.52Z≦2.8
Ta：0.4≦4.52X+15.0Y+12.9Z≦5.0
Ti：0.2≦1.50X+3.99Y+3.42Z≦2.6
必要に応じて、上記の添加量に加えて、製造工程の際に混入が避けられない酸素、炭素、窒素を安定化させるために添加量を増加させる。本発明において製造工程中に混入する量は酸素0.1wt%以下、炭素0.07wt%以下、窒素0.02wt%以下である。添加量は0wt%を最小値とし混入した酸素、炭素、窒素を全て安定化させ、化学量論的に過不足のない量を最大とする。好ましくは予備実験により、製造工程中に混入する酸素量α%、炭素量β%、窒素量γ%を見積り以下の相関式に従って決定する。過剰に添加したZr、Ta、Tiはそれぞれ金属間化合物を形成する恐れがあり機械的特性の劣化を招く。
【００１８】
（相関式）
Zr：2.85α+7.60β+6.52γ
Ta：4.52α+15.0β+12.9γ
Ti：1.50α+3.99β+3.42γ
更に必要に応じて、上記の添加量に加えてZr、Ta、Tiを一定量固溶状態とさせる。オーバーサイズ元素であるこれらの元素は母相中に固溶させることによって、照射欠陥のトラップサイトとして働き、照射欠陥の再結合を促進し照射誘起偏析を抑制する効果があるため、照射誘起粒界偏析による粒界Cr欠乏を抑制し、照射誘起応力腐食割れ感受性を下げることが期待される。一方で過剰に添加した場合、金属間化合物を形成するため好ましくない。
【００１９】
以上より、Zr、Ta、Tiの添加量は、酸素量、炭素量、窒素量をそれぞれ重量比でＸ％、Ｙ％、Ｚ％とし、Zr、Ta、Tiを重量比でＸ％、Ｙ％、Ｚ％とした場合に、それぞれ以下の関係式を満たすように添加量が決定される。
【００２０】
２．８５Ｘ＋７．６０Ｙ＋６．５２Ｚ≦Ａ  ・・・（式１）
４．５２Ｘ＋１５．０Ｙ＋１２．９Ｚ≦Ｂ  ・・・（式２）
１．５０Ｘ＋３．９９Ｙ＋３．４２Ｚ≦Ｃ  ・・・（式３）
上記の関係を満たすようにZr、Ta、Tiの添加量を決定することによって、母相中で安定化されずに残量する酸素、炭素、窒素を低減でき、ステンレス鋼の機械的特性、耐照射性、耐食性の向上が可能となる。
【００２１】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼において、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及びこれらの複合粒子のいずれか１種以上として析出する析出物は、結晶粒界の粗大化や転位の移動を抑制するピンニングサイトや、照射欠陥のトラップサイトとして働き、機械的強度や耐照射性の向上に寄与する。OrowanとAnsellのモデルによれば、析出粒子はそのサイズが微細でより高密度に析出しているほど機械的強度の観点から好ましいとされている。結晶粒粗大化抑制の観点からは粒子径０．１μｍ以下で結晶粒のピン止め効果が見られ、粒径０．０５μｍ以下がより良いとされている。耐照射性の観点から、析出物の数密度は高い方が好ましく１０22ｍ-3のオーダーで照射欠陥集合の抑制効果が見られる。本発明では析出物のうち粒子径０．１μｍ以下のものが数密度１．０×１０22ｍ-3以上で分散している状態とする。
【００２２】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼における母相組織は、耐食性を向上させるためオーステナイト単相組織とする。
【００２３】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼に含まれるCrは合金の耐食性を向上させオーステナイト組織を安定化する元素であり、１６％以上の添加が好適である。過剰に添加した場合はσ相を形成し材料特性を劣化させるため、本発明におけるCr添加量は１６〜２６％とする。望ましくはCr量を１８〜２０％とすることでより安定なオーステナイト相を得ることができる。
【００２４】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼に含まれるNiは耐食性、オーステナイト相の安定性に寄与する、ただし過剰のNiの添加は機械的特性の劣化や脆化相の析出を起こすため好ましくはないため、本発明におけるNi添加量は、８〜２２％とする。望ましくはNi量を８〜１２％とすることでより安定なオーステナイト相を得ることができる。
【００２５】
結晶粒径と機械的強度の関係はhall-petchの関係式が経験的に成り立ち、引張強さは結晶粒が微細であるほど高くなり、鉄においては５μｍ程まで微細化することで、通常材（平均結晶粒径数１０μｍ）の１．５倍程度に達する。また、延性を失わない特性も有し、機械的強度において平均結晶粒径は微細な程好ましいと言える。欠陥シンクサイトである結晶粒界ののべ長さを伸ばすことができる結晶粒の微細化は、耐照射性の面からも微細なほど好ましい。更に結晶粒の微細化は耐食性を向上させることも知られており、結晶粒の微細化は機械的強度、耐照射性及び耐食性いずれの観点でも好ましく、本発明においては平均結晶粒径５μｍ以下とし、好ましくは１μｍ以下の超微細粒とする。
【００２６】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の作製は、上記した組成を満たす合金粉末あるいは混合粉末に対してボールミルやアトライターによりメカニカルアロイングを施した粉末を作製し、該粉末を真空容器に封入し熱間静水圧プレス、熱間押出あるいは熱間圧延のいずれかの手法により固化成形する。固化成形温度は粉末間の結合を十分に達成するため８００℃以上が好ましく、溶体化熱処理温度の１２００℃以下で実施する。処理温度が高温であるほど、結晶粒の粗大化が容易となるため過度に高温での固化成形は好ましくない。
【００２７】
必要に応じて固化成形後の材料に対して鍛造、圧延等の機械加工を施す。粉末を固化成形によって作製した合金は旧粉末境界での結合が弱くなり、機械的強度の低下を招くため、このプロセスによって密度を高め粉末間の結合を強くし、機械的特性を改善する。実施温度は固化成形プロセス温度と同様に８００℃から１２００℃が好ましい。
【００２８】
また、固形成形後の合金に対して組織の均質化や歪みの除去などを目的に熱処理を実施する。処理温度は固化成形温度と同じ８００℃〜１２００℃とする。
【００２９】
（実施例）
以下に、本発明の材料が良好な特性を示すことを確認した実施例を示す。まず、表１に本実施例で作製した材料の化学組成を示す。
【００３０】
【表１】
2016006280.tif 000003
【００３１】
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７は本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の基本組成を満たす材料である。Ｎｏ．１、２、３は安定化元素としてZrが添加されている。Ｎｏ．１は、（式１）の関係を満たし、かつ、一定量固溶状態なる量のZrが添加されている。Ｎｏ．２は、（式１）の関係を満たす量のZrが添加されている。Ｎｏ．３は、鋼中の酸素、炭素、窒素のそれぞれ５０％を安定化するのに必要な量のZrが添加されている。Ｎｏ．４、５、６は安定化元素としてTaが添加されている。Ｎｏ．４は、（式２）の関係を満たし、かつ、一定量固溶状態なる量のTaが添加されている。Ｎｏ．５は（式２）の関係を満たす量のTaが添加されている。Ｎｏ．６は、鋼中酸素、炭素、窒素のそれぞれ５０％を安定化するのに必要な量のTaが添加されている。Ｎｏ．７は安定化元素としてTiが添加されており、（式３）の関係を満たし、かつ、一定量固溶状態なる量のTiが添加されている。
【００３２】
これらＮｏ．１〜Ｎｏ．７までの試料はベース鋼となる粉末（ＳＵＳ３０４Ｌ粉末）と添加元素粉末(Zr、Ta、Ti)を遊星型ボールミルによりメカニカルアロイングを施した。メカニカルアロイングを施した粉末は真空容器に封入し、４００℃、１０-4ｔｏｒｒで３時間真空脱気を実施した。当該粉末はその後１１００℃において熱間押出により固化成形を実施した。その後、粉末間の結合をより密にするため１１００℃で熱間鍛造を実施し、最終熱処理として１１００℃×３０分溶体化処理を施した材料である。
【００３３】
一方、Ｎｏ．８、９は比較材のＳＵＳ３０４Ｌである。Ｎｏ．８はメカニカルアロイングを施したＳＵＳ３０４Ｌ粉末を真空容器に封入し、４００℃、１０-4ｔｏｒｒで３時間真空脱気を実施した。当該粉末はその後１１００℃において熱間押出により固化成形を実施した。その後、粉末間の結合をより密にするため１１００℃で熱間鍛造を実施し、最終熱処理として１１００℃×３０分溶体化処理を施した材料である。Ｎｏ．９はメカニカルアロイングを未実施のＳＵＳ３０４Ｌアトマイズ粉末を真空容器に封入し、４００℃、１０-4ｔｏｒｒで３時間真空脱気を実施した。当該粉末はその後１１００℃において熱間押出により固化成形を実施した。その後、粉末間の結合をより密にするため１１００℃で熱間鍛造を実施し、最終熱処理として１１００℃×３０分溶体化処理を施した材料である。
【００３４】
【表２】
2016006280.tif 000004
【００３５】
表２に本発明材料と比較材の平均結晶粒径と粒子サイズ、粒子の数密度の値を示す。代表として発明材料Ｎｏ．１と比較材Ｎｏ．９の組織写真を図１に示す。安定化元素を添加した本発明材料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７では微細な析出物が高密度に析出しており、その平均結晶粒径はいずれも５μｍ以下まで微細化されていた。一方で、メカニカルアロイングを施した比較材Ｎｏ．８のＳＵＳ３０４Ｌの平均結晶粒径は２０μｍであり、粗大な析出物が形成していた。メカニカルアロイングを未実施のＮｏ．９の試料では結晶粒径はさらに粗大化し平均３５μｍであった。本発明材料はいずれも比較材よりも微細な結晶粒径を有しており、メカニカルアロイングにより結晶粒の微細化が達成され、微細かつ高密度に析出した添加元素の析出物が結晶粒の粗大化を抑制するのに対して有効であることを示している。また、Ｎｏ．１，２とＮｏ．３、及び、Ｎｏ．４，５とＮｏ．６を比較すると、粒子数密度が高いほど結晶粒は微細化されており、ピンニング粒子が多いほど結晶粒の粗大化が抑制されることが示された。この結果より、安定化元素の添加量は鋼中に含まれる酸素、炭素、窒素と製造中に混入する酸素、炭素、窒素を全て安定化させる量添加することが好ましいと言える。
【００３６】
【表３】
2016006280.tif 000005
【００３７】
表３に本発明材料と比較材のビッカース硬さ試験の結果を示す。比較材Ｎｏ．８の硬さは１９５Ｈｖで一般的なステンレス鋼とほぼ同等であり、0.1μm以上の粗大な析出物が粗に析出した状態は、機械的強度の向上にほとんど寄与しないと言える。一方、本発明材料の硬さはＮｏ．１では３１３Ｈｖ、Ｎｏ．４では２８０Ｈｖと比較材に対して硬さが大きく上昇していることが分かる。硬さの結果は平均結晶粒径が小さいほど高い値となっている。この結果からも安定化元素の添加量は鋼中に含まれる酸素、炭素、窒素と製造中に混入する酸素、炭素、窒素を全て安定化させる量添加することが好ましいと言える。
【００３８】
【表４】
2016006280.tif 000006
【００３９】
表４に本発明材料（Ｎｏ．１、３、４、６）と比較材（Ｎｏ．９）の全面腐食試験結果を示す。試験結果は比較材Ｎｏ．９の腐食重量増を１とした場合の相対値を示す。試験は軽水炉環境下（２８８℃、８ＭＰａ）で２０００時間浸漬試験を行ったものである。本発明材料の重量増はいずれも比較材と同等ないしは若干良いものであり、浸漬試験後の試料表面形状も同等であった。本発明材料間での重量増は結晶粒が微細であるほど小さい。この結果より本発明材料はＳＵＳ３１６Ｌと同程度の耐食性を有することが示された。また結晶粒界の微細化は耐食性を向上させる上で好ましいと言える。
【００４０】
【表５】
2016006280.tif 000007
【００４１】
高温高圧水環境中での応力腐食割れ感受性の評価を実施した。試験はCreviced Bent Beam(CBB)試験を採用した。試験は２８８℃、溶存酸素濃度８ｐｐｍで２０００時間の浸漬試験を１試料に対して７本実施した。試料は全て４０％冷間加工を施したものを用いた。試験片の割れの発生状態を評価した結果を表５に示す。なお、割れは深さ５０μｍ以上のものを割れと定義した。試験は本発明材料（Ｎｏ．１、３、４、６）と比較材（Ｎｏ．９）で実施した。比較材Ｎｏ．９では複数の試験片に割れが生じたが、酸素、炭素、窒素を全て安定化する量の元素を添加したＮｏ．１、Ｎｏ．４では割れは観察されなかった。一方で本発明材料においてもＮｏ．６からは１つの試験片において割れが観察された。応力腐食割れ性は固溶Ｃ量の低下に伴って低下することが知られており、安定化元素の添加により固溶Ｃ量を減少させることが有効であることが示された。また酸素、炭素、窒素の安定化に必要な添加量の５０％に抑えたＮｏ．６で割れが生じていることから、耐ＳＣＣ特性を考え安定化元素の添加量は全ての酸素、炭素、窒素を安定化させる量添加することが好ましいことが示された。
【００４２】
図２に本発明材料及び比較材に対して電子線照射試験を実施しボイドスエリングの照射量依存性を調査した結果を示す。照射は電子線エネルギー１．０ＭｅＶ、試料温度５００℃で実施した。その結果、比較材Ｎｏ．９では、照射によって照射量の増加と共にボイドスエリングが上昇し実験範囲においておよそ１０％であった。これに対して本発明材料Ｎｏ．１では、照射と共にボイドスエリングが発生するが、１ｄｐａ付近からほとんど変化がなく、およそボイドスエリングは約１％であった。これは微細結晶粒や析出粒子が照射欠陥のシンクサイトやトラップサイトとして機能しているためと考えられ、本発明材料は耐照射性の観点から比較材であるSUS316Lよりも優れていると言える。
【００４３】
次に、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の適用例として、原子炉炉内構造物および機器の中で最も中性子照射損傷速度の速い制御棒への適用例を示す。図３は中性子吸収材にボロン・カーバイドを用いた例である。この制御棒は、主にタイロッド１０、ハンドル９、コネクター７、シース６、中性子吸収棒５を有し、これらにはいずれもオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。高い中性子照射量を受ける制御棒では、照射誘起応力腐食割れの発生する可能性がある。そこで、機械的特性、耐食性、耐照射性に優れ、耐照射誘起応力腐食割れ性、耐応力腐食割れ性の良好な本発明のオーステナイト系ステンレス分散強化型鋼を使用することで、制御棒の照射誘起応力腐食割れを抑制し、長寿命かつ信頼性の高い制御棒とすることができる。また、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、棒、薄板、管など様々な形状の部材として製造可能であるので、ボロン・カーバイドを使用する制御棒だけでなく、ハフニウムを中性子吸収材に使用した制御棒にも適用できる。
【００４４】
原子炉炉内で従来から使用されているオーステナイト系ステンレス鋼は、０．１ＭｅＶ以上のエネルギーを持つ中性子が０．５×１０21ｎ／ｃｍ2以上照射されると照射誘起応力腐食割れを発生する可能性がある。そこで制御棒に限らず、中性子照射によって照射誘起応力腐食割れを発生する恐れのあるその他の原子炉炉内構造物及び機器に適応可能であり、たとえば炉心シュラウド、上部格子板、炉心支持板、バッフル板、フォーマ板、バッフルフォーマボルトなどに、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼を使用することで、信頼性に優れる原子炉及び原子力発電プラントとすることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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