(57)【要約】【課題】高温高圧水中で優れた耐粒界型応力腐食割れ性を有し、原子炉炉内の高温高圧水中の環境下で長時間の使用に耐えられること。【解決手段】本発明のニッケル基合金の熱処理方法によれば、重量パーセントでＣ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：５０％以上５５％以下、Ｃｒ：１７％以上２１％以下、Ｍｏ：２．８％以上３．３％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ａｌ：０．２％以上０．８％以下、Ｔｉ：０．６５％以上１．１５％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％以上５．５０％以下、Ｂ：０．００６％以下、および残部Ｆｅならびに不可避的不純物からなる化学組成を有するニッケル基合金を、９９５℃〜１０４０℃の温度で、３０分〜２０時間加熱して固溶化熱処理する。【選択図】　　図２
2004091816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量パーセントでＣ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：５０％以上５５％以下、Ｃｒ：１７％以上２１％以下、Ｍｏ：２．８％以上３．３％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ａｌ：０．２％以上０．８％以下、Ｔｉ：０．６５％以上１．１５％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％以上５．５０％以下、Ｂ：０．００６％以下、および残部Ｆｅならびに不可避的不純物からなる化学組成を有するニッケル基合金を、９９５℃〜１０４０℃の温度で、３０分〜２０時間加熱して固溶化熱処理するようにしたニッケル基合金の熱処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のニッケル基合金の熱処理方法を実施し、かつＣｒの重量パーセントを１９％以上２１％以下としたニッケル基合金。
【請求項３】
請求項１に記載のニッケル基合金の熱処理方法を実施し、かつＮｂの重量パーセントを４．９％以上５．４％以下としたニッケル基合金。
【請求項４】
請求項１に記載のニッケル基合金の熱処理方法を実施し、かつＣｒの重量パーセントを１９％以上２１％以下、Ｎｂの重量パーセントを４．９％以上５．４％以下としたニッケル基合金。
【請求項５】
請求項２乃至４のうち少なくとも何れか１項に記載のニッケル基合金を用いて製造した原子力用部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば原子炉炉内環境のように、高温高圧水中で優れた耐応力腐食割れ性を有するニッケル基合金、およびその熱処理方法に関する。更に、このようなニッケル基合金を、各種の押さえ部品、ばね、ピン、ボルトなどの高強度部材として用いることによって、高温高圧水中で長時間使用された場合であっても耐応力腐食割れ性に優れた原子力用部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
析出強化型ニッケル基合金のＮＣＦ７１８合金は、高強度で耐食性が優れていることから、原子炉炉内構造物のスプリング、ベローズ、燃料支持格子、ボルトなどの原子力用部材に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、析出強化型ニッケル基合金のＮＣＦ７１８合金は、高温高圧水中において、高引張応力が作用すると、粒界型応力腐食割れを生じることがあるということが知られている。
【０００４】
原子炉の炉内環境は、高温高圧水中であることから、ＮＣＦ７１８合金からなる原子力用部材は、高引張応力が作用すると、粒界型応力腐食割れを生じる可能性があるという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ＮＣＦ７１８合金よりさらに高温高圧水中で優れた耐粒界型応力腐食割れ性を有し、もって、高温高圧水中の環境下で長時間の使用に耐えることが可能なニッケル基合金、ニッケル基合金の熱処理方法、およびニッケル基合金を用いた原子力用部材を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。
【０００７】
すなわち、請求項１の発明のニッケル基合金の熱処理方法は、重量パーセントでＣ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：５０％以上５５％以下、Ｃｒ：１７％以上２１％以下、Ｍｏ：２．８％以上３．３％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ａｌ：０．２％以上０．８％以下、Ｔｉ：０．６５％以上１．１５％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％以上５．５０％以下、Ｂ：０．００６％以下、および残部Ｆｅならびに不可避的不純物からなる化学組成を有するニッケル基合金を、９９５℃〜１０４０℃の温度で、３０分〜２０時間加熱して固溶化熱処理する。
【０００８】
請求項２の発明のニッケル基合金は、請求項１の発明のニッケル基合金の熱処理方法を実施し、かつＣｒの重量パーセントを１９％以上２１％以下としている。
【０００９】
請求項３の発明のニッケル基合金は、請求項１の発明のニッケル基合金の熱処理方法を実施し、かつＮｂの重量パーセントを４．９％以上５．４％以下としている。
【００１０】
請求項４の発明のニッケル基合金は、請求項１の発明のニッケル基合金の熱処理方法を実施し、かつＣｒの重量パーセントを１９％以上２１％以下、Ｎｂの重量パーセントを４．９％以上５．４％以下としている。
【００１１】
請求項５の発明の、ニッケル基合金を用いた原子力用部材は、請求項２乃至４のうち少なくとも何れか１項の発明のニッケル基合金を用いて製造したものである。
【００１２】
従って、請求項１から請求項４の発明においては、以上のような手段を講じることにより、高温高圧水中で優れた耐粒界型応力腐食割れ性を有し、例えば原子炉炉内のような高温高圧水中の環境下で長時間の使用に耐えることが可能なニッケル基合金を実現することができる。
【００１３】
また、請求項５の発明では、請求項２から請求項４のようなニッケル基合金を用いて製造した原子力用部材を燃料集合体や炉内構造物に適用することによって、高温高圧水中であっても、優れた耐粒界型応力腐食割れ性を有し、例えば原子炉炉内のような高温高圧水中の環境下であっても長時間の使用に耐えることが可能な原子力用部材を実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
本発明の実施の形態を図１から図１１、および表１から表２を用いて説明する。
【００１６】
【表１】
2004091816.tif 000003
【００１７】
本発明の実施の形態では、表１に化学成分（重量％）を示す試験組成１〜試験組成６の試作鍛造材を対象として、９５０℃から１０７０℃の温度で３時間保持した後空冷する固溶化熱処理を施した後、７６０℃の温度で５時間保持した後炉内冷却によって７６０℃から６５０℃まで降温し、更に６５０℃の温度で１時間保持した後空冷する時効処理を施した。
【００１８】
その後、１）低歪速度引張試験、２）粒界腐食試験、３）引張試験、４）結晶粒度測定を行った。なお、試験組成１はＪＩＳ規格に適合する標準材（ＮＣＦ７１８合金）、試験組成２は試験組成１よりもＮｂ量が少ない低Ｎｂ材、試験組成３はＮｂ量が試験組成２よりも多く試験組成４よりも少ない中Ｎｂ材、試験組成４は試験組成３よりもＮｂ量が多い高Ｎｂ材、試験組成５は試験組成１よりもＣｒ量が少ない低Ｃｒ材、試験組成６は試験組成１よりもＣｒ量が多い高Ｃｒ材である。
【００１９】
１）低歪速度引張試験
図１（ａ）に正面図を、図１（ｂ）に側面図を示すようなノッチ付きの試験片１２を用いて、軽水炉模擬環境下の高温高圧純水中（３６０℃、≦２１４ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）で低歪速度引張試験（引張速度：０．１μｍ／ｍｉｎ）を行った。その結果、図２および図３に示すように試験片１２の粒界破面率は、固溶化熱処理温度が高くなると減少するという傾向が認められた。また、固溶化熱処理温度が１０２５℃以上では、試験組成４（高Ｎｂ材）と試験組成５（低Ｃｒ材）とを除く何れの材料とも粒界破面率がほぼゼロとなった。一方、粒界破面率は、Ｎｂ量が増加するほど、またＣｒ量が減少するほど増大する傾向が認められた。
【００２０】
図１に示すようなノッチ付きの試験片１２を用いた低歪速度引張試験は、応力腐食割れ（以下、「ＳＣＣ」と称する。）に対する感受性を評価するための過酷な試験方法である。そこで、低歪速度引張試験でのＳＣＣ感受性のしきい値を粒界破面率で１０％以下と仮定すると、固溶化熱処理温度は９９５℃以上で、Ｃｒ量は重量割合で１９％以上２１％以下が、Ｎｂ量は重量割合で５．４％以下が望ましいことがわかる。
【００２１】
２）粒界腐食（コリオ）試験
粒界腐食（コリオ）試験（５Ｋｍｏｌ／ｍ３ＨＮＯ３＋０．０７７Ｋｍｏｌ／ｍ３Ｃｒ２Ｏ７２−溶液中で３時間の沸騰試験）を行った結果、得られた固溶化熱処理温度と腐食速度との関係を図４および図５に示す。図４および図５に示すように、腐食速度は、試験組成４（高Ｎｂ材）が、固溶化熱処理温度に関わらず他の試験組成の場合に比べて大きな値を示すことが認められた。その他の試験組成の腐食速度は、固溶化熱処理温度９８０℃の場合が大きく、固溶化熱処理温度が９９５℃から１０２５℃では９８０℃に比べて小さな値を示している。したがって、耐粒界腐食性の観点からは、固溶化熱処理温度は９９５℃以上で、Ｎｂ量は重量割合で５．４％以下が望ましいことがわかる。
【００２２】
３）引張試験
引張試験の結果を、固溶化熱処理温度と０．２％耐力との関係にまとめたグラフを図６および図７に、固溶化熱処理温度と引張強さとの関係にまとめたグラフを図８および図９にそれぞれ示す。
【００２３】
図６および図７に示すように、０．２％耐力は、固溶化熱処理温度が高くなると若干低下する傾向が認められるものの、図７に示すように、Ｃｒ量の変化に対してはほぼ同等で有意差が認められないが、図６に示すように、試験組成２（低Ｎｂ材）では試験組成１（標準材）よりも低強度で、ＪＩＳ規格を下回っている。また、図８および図９に示すように、引張強さは、固溶化熱処理温度が高くなると若干低下する傾向が認められるものの、図９に示すように、Ｃｒ量の変化に対してはほぼ同等で有意差が認められないが、図８に示すように、試験組成２（低Ｎｂ材）では試験組成１（標準材）よりも低強度で、ＪＩＳ規格を下回っている。したがって、引張試験の結果からは、固溶化熱処理温度は９８０℃以上で、Ｎｂ量は重量割合で４．９％以上が望ましいことがわかる。
【００２４】
４）結晶粒度測定
結晶粒度測定の結果を、固溶化熱処理温度と結晶粒度番号との関係にまとめたグラフを図１０および図１１にそれぞれ示す。結晶粒度番号は、何れの試験組成に対しても、固溶化熱処理温度が高くなると共に小さくなる傾向を示している。固溶化熱処理温度が１０７０℃以上では、いずれの試験組成も結晶粒度番号が５以下となっている。結晶粒度番号が小さいことは望ましくないため、固溶化熱処理温度としては１０４０℃以下が望ましいことがわかる。
【００２５】
５）固溶化熱処理
以上のことから、固溶化熱処理温度としては、９９５℃〜１０４０℃が望ましいことがわかる。一方、固溶化熱処理時間は、ここでは一例として３時間としている。
【００２６】
そこで、固溶化熱処理温度が９９５℃〜１０４０℃の場合の固溶化熱処理時間を以下に示すようなラルソン・ミラーのパラメータＰを用いて検討した。
【００２７】
Ｐ＝Ｔ（ｃ＋Ｌｏｇｔ）
ただし、Ｐ：パラメータ、Ｔ：絶対温度（Ｋ）、ｃ＝定数（ここでは２３）、ｔ：時間（ｈｒ）である。ここで行なった固溶化熱処理条件および加熱時間を変化させた場合について下式のラルソン・ミラーのパラメータで整理した結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
2004091816.tif 000004
【００２９】
表２に示すように、１０４０℃の温度で３時間加熱した場合のパラメータは３０８２５で、９９５℃の温度で３時間加熱した場合のパラメータは２９７６９である。９９５℃の温度で２０時間加熱した場合のパラメータは３０８１４で、１０４０℃の温度で３時間加熱した場合のパラメータ（３０８２５）とほぼ同等である。一方、１０４０℃の温度で３０分間加熱した場合のパラメータは２９８０４で、９９５℃の温度で３時間加熱した場合のパラメータ（２９７６９）とほぼ同等である。
【００３０】
したがって、固溶化熱処理時間としては、３０分〜２０時間が望ましいことがわかる。
【００３１】
以上のことから、耐粒界型応力腐食割れ性に優れた析出強化型のニッケル基合金としては、Ｃｒの重量パーセントが１９％以上２１％以下、Ｎｂの重量パーセントが４．９％以上５．４％以下であり、その他はＮＣＦ７１８合金と同等の化学組成を有するものがよい。
【００３２】
また、このようなニッケル基合金の熱処理方法としては、９９５℃〜１０４０℃の温度で、３０分〜２０時間加熱する固溶化熱処理をすればよい。
【００３３】
したがって、このようなニッケル基合金によって製造されたスプリング、ベローズ、燃料支持格子、ボルトなどの原子力用部材を、燃料集合体や原子炉炉内構造物に用いることによって、高温高圧水中であっても、優れた耐粒界型応力腐食割れ性を有し、原子炉炉内の高温高圧水中の環境下で長時間の使用に耐えることが可能となる。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＮＣＦ７１８合金よりもさらに高温高圧水中で優れた耐粒界型応力腐食割れ性を有し、もって、高温高圧水中の環境下で長時間の使用に耐えることが可能なニッケル基合金、ニッケル基合金の熱処理方法、およびニッケル基合金を用いた原子力用部材を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験片の形状を示す正面図および側面図
【図２】固溶化熱処理温度と粒界破面率との関係を示す図（Ｎｂ量に対する傾向）
【図３】固溶化熱処理温度と粒界破面率との関係を示す図（Ｃｒ量に対する傾向）
【図４】固溶化熱処理温度と腐食速度との関係を示す図（Ｎｂ量に対する傾向）
【図５】固溶化熱処理温度と腐食速度との関係を示す図（Ｃｒ量に対する傾向）
【図６】固溶化熱処理温度と０．２％耐力との関係を示す図（Ｎｂ量に対する傾向）
【図７】固溶化熱処理温度と０．２％耐力との関係を示す図（Ｃｒ量に対する傾向）
【図８】固溶化熱処理温度と引張強さとの関係を示す図（Ｎｂ量に対する傾向）
【図９】固溶化熱処理温度と引張強さとの関係を示す図（Ｃｒ量に対する傾向）
【図１０】固溶化熱処理温度と結晶粒度番号との関係を示す図（Ｎｂ量に対する傾向）
【図１１】固溶化熱処理温度と結晶粒度番号との関係を示す図（Ｃｒ量に対する傾向）
【符号の説明】
１２…試験片
【図１】
2004091816.tif 000005
【図２】
2004091816.tif 000006
【図３】
2004091816.tif 000007
【図４】
2004091816.tif 000008
【図５】
2004091816.tif 000009
【図６】
2004091816.tif 000010
【図７】
2004091816.tif 000011
【図８】
2004091816.tif 000012
【図９】
2004091816.tif 000013
【図１０】
2004091816.tif 000014
【図１１】
2004091816.tif 000015