(57)【要約】【課題】  放射性材料からなるジルコニウム基合金製管材の外表面に先鋭な微小亀裂の、有効かつ現実的な加工方法を提供することを目的とする。【解決手段】  ジルコニウム基合金製部材外表面への微小亀裂の加工方法において、その亀裂を付加すべき位置に当該材料を室温で腐食させ得る腐食剤を接触させた状態で、当該場所に繰返し歪を負荷することによって、該管外表面に微小亀裂を加工形成する工程と、形成された微小亀裂の深さを明瞭にするための微小亀裂深さ明瞭化処理工程とから構成されることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニウム基合金製部材外表面への微小亀裂の加工方法において、その亀裂を付加すべき位置に当該材料を室温で腐食させ得る腐食剤を接触させた状態で、当該場所に繰返し歪を負荷することによって、該管外表面に微小亀裂を加工形成する工程と、形成された微小亀裂の深さを明瞭にするための微小亀裂深さ明瞭化処理工程とから構成されることを特徴とする、ジルコニウム基合金製部材外表面への予亀裂加工方法。
【請求項２】
前記腐食剤はハロゲン・アルコール溶液、好ましくはヨウ素・メチルアルコール溶液であることを特徴とする、請求項１記載のジルコニウム基合金製部材外表面への予亀裂加工方法。
【請求項３】
加工用部材が管状ジルカロイからなり、管を直径方向から繰返し圧縮することにより繰返し歪が負荷されることを特徴とする、請求項１記載のジルコニウム基合金製部材外表面への予亀裂加工方法。
【請求項４】
予亀裂の形成後にその予亀裂の深さを明確にさせるための処理が、ガス中での加熱処理、好ましくは大気中での加熱酸化処理であることを特徴とする、請求項１記載のジルコニウム基合金製部材外表面への予亀裂加工方法。
【請求項５】
予亀裂の形成後に同予亀裂の深さを明確にさせるための処理が、亀裂ギャップへの浸透性に優れた浸透液、好ましくは油性塗料を大気中で予亀裂に塗布することであることを特徴とする、請求項１記載のジルコニウム基合金製部材外表面への予亀裂加工方法。
【請求項６】
予亀裂の形成後に同予亀裂の深さを明確にさせるための処理が、予亀裂加工部を無電解メッキ液中に浸漬してメッキ材を予亀裂面に塗布することであることを特徴とする請求項１記載のジルコニウム基合金製部材外表面への予亀裂加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジルコニウム基合金製部材の材料特性試験に供する試験片を得るための、管状部材の表面に先鋭な微小亀裂を加工する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジルコニウム基合金製の部品外表面に、先鋭な微小亀裂を室温で加工・形成する必要がある場合がある。例えば原子炉の燃料被覆管等のジルコニウム基合金製の炉心構成要素は、炉内で使用中に中性子の照射を受け硬化すると共に、外表面層は冷却材により酸化され、その結果生成する水素の一部を吸収することにより材料中の水素濃度が上昇する。これらの現象が重畳して材料の機械的な特性が劣化する。
【０００３】
そこで、材料の改良のためには部材の劣化程度を定量化する必要がある。材料劣化の指標の一つに、先鋭な亀裂が材料中を進展するために必要な仕事量の大きさ（破壊靭性値）があり、同指標を試験により求めるためには、材料表面に先鋭な微小亀裂を加工した試験片を作製することおよび同予亀裂の深さの測定が可能なことが必須とされている。
【０００４】
ジルコニウム基合金表面への微小亀裂の加工については、これまでに公知の技術を基に考察すると、以下の６種の技術および技術概念を挙げることができる。
【０００５】
（１）工具鋼もしくはダイヤモンド等の硬質物質で対象物の外表面を切削除去することにより先鋭な微小亀裂を作製する方法（けがき法）
（２）回転させた薄肉円盤で対象物の表面に凹状の溝を切削する方法（切削法）
（３）レーザもしくは電子線のような高エネルギ光を対象物の表面に照射し、溶融蒸発させることにより先鋭な微小亀裂を作製する方法（溶融法）
（４）対象物に繰返し応力・ひずみを負荷し、疲労亀裂を設ける方法（疲労法）
（５）予め硬質工具で対象物の表面を切削した後、繰返し負荷により表面層に微小亀裂を加工する方法（ケカ゛キ法と疲労法の組み合わせ法）
（６）また、当該技術分において通常の知識を有すれば、概念的には金属材料を局部的に腐食させて表面に凹状の溝を形成する方法を想定することができる（腐食法）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来技術の（１）を用いた場合、硬質材料からなる工具の先端の角度は大きく、通常の場合には20-30度以上にも達し、亀裂に相当する鋭角を得ることができず、必要な応力集中を生じさせるための亀裂の機能を果たさない。
【０００７】
また、従来技術の（２）の回転する薄肉切削刃を用いて表面に凹状の溝を切削する方法においても、実際の切削作業を行うためには厚さ0.15mm以上の回転刃が必要とされる。このような回転刃で切削した凹部の溝幅は少なくとも0.15mmであり、加工対象物の肉厚が約0.9mm以下であることを考慮すると、溝幅が被加工物の肉厚の６分の１にも達し、従って試料に必要な応力集中を生じさせるための先鋭な亀裂の条件には達しない。
【０００８】
また、従来技術の（３）で述べた、細束の高エネルギ光を被加工物外表面に照射して狭隘な凹状の溝を得ることは、原理的には可能ではあるが、レーザーもしくは電子線を照射させる装置が必要であり、特に放射性材料を加工するためには遮蔽・汚染防止の機能を持たせた施設内で実施することが必要である。併せて、深さ100μm、長さ数センチに渡る広範な面積の除去には装置を長時間運転することが必要であり、これらの点から放射性材料への適用は現実的とは言いがたい。
【０００９】
さらに従来技術（４）に属する技術は公知で、例えばJSME  S001-1981（日本機械学会基準  弾塑性破壊靭性  JIC試験方法）（非特許文献１）や特許公開平8-297080号公報（特許文献１）には、繰返し負荷による疲労により予亀裂を形成する手法および試験方法が公開されている。また、当該技術分野では円筒構造からなる試験用に、単に繰返し荷重を負荷するだけでは、期待した結果を得られない。例えば薄肉円筒からなる被加工物の２方向もしくは４方向から繰り返り圧縮等の負荷を与え、表面近傍に疲労亀裂を得ることが考えられるが、実際の疲労方式によって亀裂を加工すると、管内表面での歪振幅が外表面より大きいために不可避的に管内表面部に、最初の亀裂が形成される傾向にある。  またこの方法では、被加工物に塑性変形が残存することを避けるためには、低い外力を負荷する必要があり、このために数日以上に渡る長時間の負荷作業の継続が必要である。これらの点から、疲労負荷方式による亀裂の可能技術の応用は現実的とは言えない。  
なお、従来技術（５）のケガキ加工と疲労亀裂の組み合わせ技術においても、円筒状の被加工物の内表面側が不可避的に亀裂が生じやすい特性があり、外表面側に微小亀裂を設けるための有効かつ現実的な技術とは言い難い。
【００１０】
また、従来技術（６）に属する技術としては、特開昭６１−１９４３９５号公報（特許文献２）には、ジルコニウム合金からなる使用済み燃料被覆管を破壊させる手段として、ヨウ素・アルコール溶液中に浸漬する技術が公開されている。また、特開昭５８−８５２００号公報（特許文献３）および特開昭５３−１３９０９７号公報（特許文献４）には、ステンレス鋼やアルミニウム合金に亜鉛他の低融点金属を塗布後に加熱して材料に共晶を形成させることによって材料を脆化させる方法が記載されている。しかし、これらのいずれの腐食法もしくは脆化法は、対象としている材料を巨視的に脆化させるもので、本技術分野で問題にしている先鋭な予亀裂の形成手段として用いることはできない。
【００１１】
例えば、従来法による回転薄肉円盤による凹状溝の形状を示す被覆管横断面を図４に示す。工学的な可能な最小肉厚刃からなる円盤刃を用いても、凹部幅は肉厚の数分の１にも達し期待した機能を果たさないことが分かる。また従来技術から容易に類推可能な腐食法で形成した管外表面部の凹部を示す管横断面写真を図５に示す。図から、腐食液を限定して局所的に腐食させても、管横断面で見ると、半円状に腐食が進行しており、期待した機能を果たさないことが分かる。
【特許文献１】特開平８−２９７０８０号公報
【特許文献２】特開昭６１−１９４３９５号公報
【特許文献３】特開昭５８−８５２００号公報
【特許文献４】特開昭５３−１３９０９７号公報
【特許文献１】特開平８−２９７０８０号公報
【非特許文献１】JSME  S001-1981（日本機械学会基準  弾塑性破壊靭性  JIC試験方法）
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、ジルコニウム基合金製部材の外表面に先鋭な微小亀裂を加工し、同予亀裂の深さを認識可能にする方法に関するものである。例えば原子炉で使用するジルコニウム基合金からなる円筒状の管の機械的特性を、その合金で製作した試験片を使用して調べる方法においては、実際に原子炉で使用されたときに生じる懸念が考えられる亀裂形状を模擬して管状試験片の外表面に、先鋭な微小亀裂を室温で加工・形成し、かつ同材料の靭性評価試験後に靭性値を計算するために予亀裂の深さが必要である。そこで、本発明は、放射性材料からなるジルコニウム基合金製管材の外表面に先鋭な微小亀裂の、有効かつ現実的な加工方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
この目的に対応して、この発明のジルコニウム基合金製部材表面への微小亀裂の加工方法は、亀裂を付加すべき位置に当該材料を腐食させる物質を接触させた後に、当該場所に繰り返し歪を負荷し亀裂を形成させる工程と、形成した亀裂の深さを明確にする微小亀裂深さ明瞭化処理工程から構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
従来技術では、工具鋼もしくはダイヤモンド等の硬質物質で対象物の外表面を切削除去することにより先鋭な微小亀裂を作製する方法（けがき法）、回転させた薄肉円盤で対象物の表面に凹状の溝を切削する方法（切削法）、あるいは金属材料を局部的に腐食させて表面に凹状の溝を形成する方法（腐食法）があったが、これらの技術では図４、図５に例示したように、先鋭な予亀裂は得られない。また、レーザもしくは電子線のような高エネルギ光を対象物の表面に照射し、溶融蒸発させることにより先鋭な微小亀裂を作製する方法（溶融法）を用いてセル内で照射材を加工することは、工学的にかつ、経済的に実施が困難であった。
【００１５】
しかしながら、本発明は、現実に炉内で被覆管に形成される場合がある外面微小亀裂に酷似した、先端が先鋭の予亀裂を被覆管に形成することができ、被覆管の半径方向亀裂進展模擬試験を合理的な精度で実施可能とすることができる。さらに、予亀裂深さを識別可能な処理を加えているので、試験後に予亀裂の深さを計測することによって、試験負荷による亀裂の進展速度や、材料の靭性値等を計算で求めることが可能になり、試験片の品質を向上させることができる。すなわち、本発明によれば、外表面に微小な亀裂の加工が可能となり、従来、得ることができなかった原子炉で使用するジルコニウム基合金の脆性評価用の試験片の品質を上げ、かつ経済的に加工することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の一実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、この発明のジルコニウム基合金製部材表面への微小亀裂の加工方法を示す図であって、被加工物を腐食させる物質を塗布する工程１と、被加工物への繰返し負荷装置により予亀裂を加工する工程２、および当該予亀裂を明確にする亀裂明確化処理工程３から構成されている。
【００１８】
すなわち、被加工物を腐食させる物質を塗布する工程１は、ジルコニウム基合金製の被加工物４の外表面のうちの微小亀裂を設けようとする部位に腐食性の物質５を供給する工程であり、ジルコニウム基合金製の被加工物用の腐食性物質としては、ハロゲンのアルコール溶液、好ましくはヨウ素1wt%-メチルアルコール溶液が好ましい。
【００１９】
被加工物への繰返し負荷を与える装置は、被加工物４の外表面に直径方向に繰り返し圧縮を加える繰返し負荷用ロッド６を有しており、最大圧縮変位量を設定可能な繰返し圧縮機構と、0.05Hzから数Hzの繰返し速度とを備え、所定の繰返し数で負荷を停止させる機能を有している。
【００２０】
被加工物４と繰返し圧縮負荷用ロッド６とが接触する位置の被加工物外表面部にはケガキ棒によるスクラッチ（傷）を予め設けていることが好ましく、当該スクラッチの凹部に上記の腐食性物質５が塗布されており、その凹部が腐食性物質で覆われている。
【００２１】
そこで、上記繰返し負荷用ロッド６により、被加工物４に繰返し圧縮を加え、その繰返し圧縮が所定の繰返し数に達したら、負荷装置から被加工物４をはずし、水中もしくはアセトン等の洗浄剤中に数分浸漬して、腐食剤を除去する。
【００２２】
そこで、加工形成した微小亀裂の深さを識別し易いように、亀裂加工後の処理を加える。一例として亀裂明確化処理工程３において、当該加工物４を大気中で例えば300℃の高温に数時間晒す。加工物の材料組織を保持するために高温に晒せない場合には、微小亀裂の狭隘な空間部に浸入し易い物質、例えば無電解銅メッキ液や、油性塗料および亀裂検出観察に用いる浸透液中に浸漬させることにより、同等の効果を得ることができる。しかして、このような微小亀裂深さの識別用の処理の後、亀裂進展試験に供する。
【実験例】
【００２３】
原子炉で使用するジルカロイ−２燃料被覆管の外表面に長さ10mm深さ約40μｍのケガキ傷を１本設けた後に、同ケガキ傷部に直径10mmの負荷棒を接触させた。当該被覆管と押し棒が接触している領域にヨウ素１wt％・メチルアルコール溶液をスポイドで表面が覆われるまで供給した。同ヨウ素・アルコール溶液は被覆管ケガキ傷と押し棒とが接触している領域に容易に浸透し、これらの接触部分を覆った。同接触領域に浸透したヨウ素・アルコール溶液の量は微小なので大気中では蒸発するので、３０分おきにスポイドで補給した。
【００２４】
上記押し棒を0.05Hzの速度で400回ほど当該被覆管の直径を0.4mm圧縮させた。同繰返し圧縮負荷後に同被覆管を負荷装置から取り外し、外表面を水洗後に油性塗料（油性インキ）を予亀裂部表面に塗布した。このようにして加工した被覆管の横断面の顕微鏡写真を図２（ａ）に示す。図２（ｂ）は上記予亀裂部の拡大図である。従来技術の疲労法では管状構造物の場合には、単純に繰返し圧縮負荷を与えると不可避的に内表面に疲労亀裂が形成されるが、本発明の技術を用いると外表面側に予亀裂を加工することが可能になる。本発明の工程では加工した微小亀裂の深さを試験後の破面観察から容易に読み取り可能な処理が施してあり、加工で形成した亀裂部には、ヨウ素・アルコール溶液中で形成したことを意味する特徴的な破面、もしくは油性塗料とが認められ、表面から最も深い位置が、予亀裂の深さとして求められる。また、無電解メッキ液中に浸漬した場合には、破面にニッケル粒子等のメッキ材料が残留しており、この深さから予亀裂の深さを把握できる。
【００２５】
図３は、水素を添加した燃料被覆管について予亀裂加工工程の後に、油性メッキ塗布処理し、内圧試験により破壊した被覆管を予亀裂部で分離して形成した両破断面を示す写真である。図からから加工した予亀裂部が黒色に変色しており、同黒色部から予亀裂の形状および深さを同定することができた。
【００２６】
なお、本実施例では、微小亀裂の識別を容易にする工程として、油性塗料の塗布と無電解メッキ液中への浸漬例を示したが、加熱による被覆管材料の変化が無視できる場合には、高温ガス、水蒸気、大気中での加熱処理によっても同等な効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のジルコニウム基合金製部材外表面に予亀裂を加工する工程を示すブロック図。
【図２】（ａ）は本発明の実施例により得られたジルコニウム基合金からなる管状構造物の横断面の顕微鏡写真、（ｂ）は図２（ａ）の予亀裂部の拡大図。
【図３】本発明の実施例により得られたジルコニウム基合金からなる管状構造物の予亀裂部で分離して形成した両破断面を示す管縦断面写真。
【図４】従来の技術（切削法）により加工された凹部を示すジルコニウム基合金からなる管状構造物の横断面概念図。
【図５】従来の技術（腐食法）により加工された凹部を示すジルコニウム基合金からなる管状構造物の横断面の顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００２８】
１  被加工物を腐食させる物質を塗布する工程
２  被加工物への繰返し負荷装置により予亀裂を加工する工程
３  当該予亀裂を明確にする亀裂明確化処理工程
４  被加工物
５  腐食性の物質
６  繰返し負荷用ロッド
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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