210

熱起電力法を用いた鋳造２相ステンレス鋼熱時効材のシャルピ衝撃値の評価
Estimation of Charpy Notch Toughness for Thermal Aging Specimens ofCast Duplex Stainless Steel Using Thermalelectric Power Measurement
石田仁志（Hitoshi Ishida）＊ 河口恭寛（Yasuhiro Kawaguchi）†

要約 加圧水型原子力発電所の１次冷却材管などに使用される鋳造２相ステンレス鋼は，熱時効によって材料特性が変化するので，設備の維持管理においてこれを非破壊的に評価することが望ましい．
本研究では，熱起電力によって，鋳造２相ステンレス鋼の熱時効の程度を評価する非破壊的評
価手法を確立するために，フェライト量，時効温度，時効時間の異なる供試体を用いて，試作した熱起電力測定装置により熱起電力の測定を行った．続いて，熱起電力と材料のシャルピ衝撃値との関係について調べた．
その結果，（1）熱時効に伴い熱起電力は増加し，フェライト量が大きいほど，その増加割合は大きく，時効温度が高いほど短い時効時間で熱起電力の増加が開始する．（2）熱時効によるフェライト相内の相分離に伴うCr濃度変調による衝撃値低下および熱起電力上昇により，熱時効により，衝撃値の低下とともに熱起電力が増加する．（3）同じフェライト量では熱起電力と衝撃値の関係は，時効温度によらず，同じである．（4）衝撃値について，熱時効が始まる領域では，誤差約100J/cm2で推定可能である．ことがわかった．したがって，鋳造２相ステンレス鋼に対し，その時効温度に係らず，そのフェライト量に応じて，熱起電力の測定により衝撃値の推定が可能であると結論できる．
キーワード

鋳造２相ステンレス鋼，熱時効，非破壊評価，熱起電力法，シャルピ衝撃値

Abstract
The material properties of cast duplex stainless steel, which is used for main coolant pipes ofPWR (pressurized water reactor) type nuclear power plants, change due to thermal aging. Therefore it isadvisable to evaluate these changes of material properties non-destructively for maintenance of the plantcomponent.
In order to establish a non-destructive evaluation procedure for the degree of thermal aging of cast duplex
stainless steel, thermoelectric power (TEP) measurements were carried out with a newly made TEP meterfor thermal aging specimens, with different ferrite contents, aging temperatures and aging periods. Thenthe relationship between TEP and notch toughness obtained by Charpy impact test was investigated.
As the results : (1) TEP increases due to thermal aging. The higher ferrite content, the higher TEP. The
higher aging temperature, the more rapidly TEP increases. (2) Because of the decrease of Charpy notch
toughness and the increase of TEP due to the fluctuation of Cr concentration caused by the phase separationof the ferrite phase, TEP increases by thermal aging as the Charpy notch toughness decreases. (3)Regardless of the aging temperature, the specimens with the same ferrite content have the same relationshipbetween Charpy notch toughness and TEP. (4) It is possible to estimate Charpy notch toughness with anerror of 100J/cm2 by TEP in the beginning of aging. Therefore, it can be concluded that we can estimate
Charpy notch toughness for cast duplex stainless steel by TEP depending on the ferrite content regardless ofthe aging temperature.
Keywords

cast duplex stainless steel, thermal aging, non-destructive evaluation, thermoelectric power, Charpy
notch toughness＊ （株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所† （株）
原子力安全システム研究所 技術システム研究所 現在 関西電力
（株）

211

はじめに1.

硬さ，引張強さ，シャルピ衝撃吸収エネルギなどの機械特性値の変化と熱起電力の変化の関係を求め，鋳造２相ステンレス鋼は，高い強度と靱性を持ち，特に延性脆性遷移温度とシャルピ吸収エネルギは熱耐食性に優れ，溶接性にも優れている．そのため，起電力との間に高い相関関係があることを確認して加圧水型原子力発電所（PWR）において，１次冷却（7）．
いる

材管や１次冷却材ポンプケーシングなどの材料とし本研究では，さらに材質，製法，フェライト量，て290℃〜325℃で使用される．鋳造２相ステンレス

溶解・精錬方法，熱時効条件の異なる合計51種類の鋼は，オーステナイト相およびフェライト相の２相鋳造２相ステンレス鋼供試体の熱起電力測定を行い，から成り，このような温度に長時間さらされると靱熱起電力データを拡充し，データベース化すること（1-3）．したがって，とした．特に，熱時効条件において，時効温度350℃

この材料で構成される設備の維持管理においては，および450℃の供試体についての測定を行った．次に熱時効による材料の劣化を非破壊的に評価すること得られた熱起電力と供試体の機械特性値の一つであにより，その健全性を把握することが望ましい．

るシャルピ衝撃値との関係を求めた．そして，熱起性が低下することが知られている電力から鋳造２相ステンレス鋼のシャルピ衝撃値を

鋳造２相ステンレス鋼の熱時効は，フェライト相推定，評価することの可能性について検討した．

でスピノーダル分解により相分離が徐々に進行し，鉄原子の濃度がもとの組成より高い鉄リッチ相とクロム原子の濃度がもとの組成より高いクロムリッチ

2.

実験方法

2.1

供試体相が生成され，これによりフェライト相の硬さが上（4）．したが昇し，靱性が低下すると考えられている（3）って，これらの組織変化による材料物性を非破壊的本研究で使用した供試体の材質は，JIS SCS14Aまに検出することができれば，材料劣化を評価するこ

たはSCS13Aに相当するものである．供試体の製法，とが可能になると考えられる．
（5）

これまでの著者らの研究

化学成分，フェライト量，溶解・精錬方法及び固溶によると，鋳造２相ス化熱処理条件を表１に示す．

テンレス鋼の熱時効による材料物性の変化を検出す
（6）
（ 7）

が最も有

供試体は，表２に示すように，大気中で加熱温度効な手法であることが分かった．そこで，熱起電力350〜450℃，加熱時間0〜10,000時間の範囲で，熱時法により，熱時効させた鋳造２相ステンレス鋼供試

効処理を実施した．

るいくつかの手法の中で，熱起電力法

体を用いて，その熱起電力を測定し，熱時効に伴う

表１
名

称

材

質

製法

供試体の緒元
化学成分（wt%）

CSi

Mn

P

S

NiCrMoNフェライト量（vol%）A-1

SCS14A

遠心鋳造材

0.047

0.79

0.900

0.026

0.017

10.67

18.85

2.220.0056

7.3

B-1

↓

↓

0.039

1.07

0.084

0.023

0.008

9.28

18.80

2.140.0056

14.6C-1↓↓

0.044

1.460.680

0.029

0.016

9.57

20.02

2.23

0.005021.3

表１

供試体の緒元（続き）
固溶化熱処理条件

名称

溶解・精錬方法

A-1

電気炉＋AOD炉

1,070〜1,120℃ 1時間以上

水冷

B-1

電気炉＋AOD炉

1,070〜1,120℃ 1時間以上

水冷

C-1

電気炉＋AOD炉

1,070〜1,120℃ 1時間以上

水冷

加熱温度

保持時間

冷却方法

212

表２

供試体の熱時効条件

名 称 時効温度（℃）
A-1350B-1400450

C-1

コールドタッチ時 効 時 間（h）
0,100,300,1,000,3,000,10,000（0）, 100, 300, 1,000, 3,000, 10,000（0）, 1, 3, 10, 30, 100, 300

ホットチップ
供試体
測定部

2.2

図２

熱時効による機械特性変化の測定

制御部

ポータブルコンピュータ

試作した熱起電力測定装置

熱時効に伴う靱性の低下を示す機械特性のひとつ

本装置の２つの電極には，高純度（99.999％以上）である衝撃値を求めるため，シャルピ衝撃試験を行の銅を使用した．ホットチップは，直径40mm，長さった．温度150℃以下では，前川試験製作所製シャル15mmの円柱部と底面直径40mm，頂角140度の直円錐

ピ式竪型，温度200℃以上は東京衝機製シャルピ式竪を組合せた形状をしており，直円錐頂部は材料との型を使用した．供試体の大きさは，10mm×10mm×接触面として円錐軸と垂直に直径0.6mmの平面に加55mm（４号試験片）である．PWRの１次冷却材温工している．測定時には，取り付けられたヒーター度を考慮し，325℃での衝撃値を求めた．３回ずつのと制御装置により通常40℃に保持され，駆動機構に測定を行い，これらの平均値をその供試体の衝撃値より下降上昇し，材料との接触状態を一定に保つたとした．

め約30Nの押しつけ力で保持される．コールドタッチは，接触面となる底面が12mm×10mm，高さ５mm

2.3

熱起電力の測定であり，常温すなわち供試体表面の温度とほぼ等しくなっている．ホットチップとコールドタッチ間の図１に示すように，温度の異なる２つの銅製の電中心距離は測定開始時に33.5mmで，材料表面の異な極を異種金属の材料表面に押し当てると，２点間のった複数点での測定を行うため，ホットチップはコ

温度差ΔT のためゼーベック効果により熱電位差ΔV

ールドタッチから離れる方向へ，駆動機構により最が発生する．熱起電力法では，この両者を測定する．

大50mm移動することが可能である．

ここで，熱起電力（TEP）は，ΔV/ΔT で定義され，その単位はμV/ ℃である．

ホットチップとコールドタッチ の 中 に そ れ ぞ れ 埋
め込んだ白金測温抵抗体により２点間の温度差ΔTを検出し，ホットチップとコールドタッチから引き出

コールドタッチ（銅）ΔT

ホットチップ（銅）

熱起電力回路した導線で電位差 ΔV を検出して熱起電力を算出す
る．
標準的な測定条件は，供試体表面にホットチップを押し当ててから５秒間保持した後，15秒間の測定

供試体表面ΔT

図１

熱起電力測定の原理（サンプリング周期１Hz）を３回繰り返し，ホットチップを0.5mmずつ移動しての20点の計測とした．
熱時効供試体の測定において，ΔVは−42.7〜−1.1μVの計測値に対して標準偏差0.29〜1.81μV，ΔTは本研究で試作した熱起電力測定装置を図２に示す．
本装置は，原子力発電所の実際の配管での測定を考11.0〜16.8℃の計測値に対して標準偏差0.08〜0.91℃の結果が得られた．

慮し，材料表面に２つの電極（ホットチップとコールドタッチ）を，供試体表面に押し当てる構成とな

3.

実験結果及び考察

3.1

熱時効に伴うシャルピ衝撃値の変化っている．

各供試体の時効時間に伴う325℃における衝撃値の変化を図３に示す．各供試体のフェライト量により，

213（1）7〜10％，（2）15〜18％ および （3）21〜24％ の500を図示した．データ点は各供試体の衝撃値の平均値を示し，誤差棒は測定値の最大値と最小値を示す．
未時効材の衝撃値は，フェライト量の多いC-１供試体が最も高く，次いでB-１とA-１供試体となってい衝撃値（Ｊ/cm2）

３つに分けるとともに，（4）時効温度400℃での変化

る．時効時間に伴う衝撃値の低下量は，フェライト

300
200

A−1100

350℃
400℃
450℃
As received :0量が多いほど大きい．
時効温度350℃および400℃で熱時効させたフェラ

400

110As received

イト量が20％未満のA-１及びB-１供試体では，時効

100（1）フェライト量時間が300〜1,000時間を越えたあたりから衝撃値が低下するが，フェライト量が20％を超えるC-１供試体

1000

10000

100000時効時間（H）

7〜10％

500

する．時効温度450℃では，A-１およびB-１供試体については，時効時間が10〜100時間を越えたあたりから衝撃値が低下するが， C-１供試体については，熱時効を開始してすぐに衝撃値が低下する．また，時衝撃値（Ｊ/cm2）

については，時効時間100時間ですでに衝撃値が低下

効温度400℃でのC-１供試体は，時効時間10,000時間で，衝撃値の低下度合いが小さくなり，飽和の傾向（4）が見られ，山田ら

は，メスバウアー分光法による

400
300
200

B−1100

350℃
400℃
450℃
As received :0110

As received

フェライト相の内部磁場解析に基づく相分離反応率（2）フェライト量から，相分離反応が終盤にさしかかっていることと関連付けている．

熱起電力の測定結果

各供試体の時効時間に伴う熱起電力の変化を図４に示す．各供試体について，2.3項に記した測定条件によりそれぞれ２回の測定を行い，合計40点の測定値から，平均と標準偏差を求めた．各供試体のフェ10000

10000015〜18％400300200

C−1100

350℃
400℃
450℃
As received :0

ライト量により，（1）7〜10％，（2）15〜18％ および（3）21〜24％ の３つに分けるとともに，（4）時効温

1000

500

衝撃値（Ｊ/cm2）

3.2

100

時効時間（H）

110As received

100（3）フェライト量

度400℃での変化を図示した．

1000

10000

100000時効時間（H）

21〜24％

時効時間の増加に伴い，熱起電力は増加する．こ500

ピノーダル分解による相分離に伴い，Cr濃度の高い領域と低い領域が生成されるCr濃度変調により，熱（8）．また，フェライト起電力が上昇するとされている量が多いほど，時効時間に伴う変化が大きく，時効温度が高いほど，熱起電力の上昇が，短い時効時間において開始する．
各時効材での熱起電力の標準偏差を同図中に誤差棒で示している．これらは，0.02〜0.08μV/℃であり，衝撃値（Ｊ/cm2）のことは，熱時効によって，フェライト相内でのス

400
300
200
100

A−1B−1C−10
1As received

熱時効にともなう熱起電力の変化量に比べ十分小さ
い．

10100

1000

10000

時効時間（H）（4）時効温度 400℃
図３

熱時効に伴う衝撃値の変化

100000214

500-1.0-1.5350℃
400℃
450℃
As received :衝撃値（Ｊ/cm2）

熱起電力（μV/℃）

A−1-2.0-2.5

400
300
200
100-3.0
10As received

100

1000

10000

100000-3.0-2.5

時効時間（H）（1）フェライト量-2.0-1.5

熱起電力（μV/℃）

7〜10％（1）フェライト量

-1.0

7〜10％

500

B−1350℃
400℃
450℃
As received :衝撃値（Ｊ/cm2）

熱起電力（μV/℃）

350℃
400℃
450℃
As received :01-1.5A−1-2.0-2.5

400
300
200
100-3.0110

As received

1001000

10000

B−1350℃
400℃
450℃
As received :0100000-3.0

時効時間（H）-2.5-2.0-1.5

熱起電力（μV/℃）（2）フェライト量

15〜18％（2）フェライト量

15〜18％-1.0-1.5

500

350℃
400℃
450℃
As received :衝撃値（Ｊ/cm2）

熱起電力（μV/℃）

C−1-2.0-2.5

400
300
200
100-3.0110

As received

1001000

10000

100000-3.0

熱起電力（μV/℃）-2.5-2.0-1.5

熱起電力（μV/℃）

21〜24％（3）フェライト量

-1.0
-1.5

350℃
400℃
450℃
As received :0

時効時間（H）（3）フェライト量

C−1

図５

A−1
B−1
C−1-2.0

3.3

21〜24％

熱時効に伴う熱起電力と衝撃値の関係

熱時効に伴う熱起電力と衝撃値の関係-2.5

各供試体の熱起電力と衝撃値の関係を図５に示す．
ここでも各供試体のフェライト量により，（1）7〜-3.0
1

As received

図４

10

100

1000

10000

時効時間（H）

10000010％，（2）15〜18％および（3）21〜24％ の３つに分けて図示した．図中には，3.2項および3.3項でそれぞ（4）時効温度 400℃れ示した衝撃値の最大値と最小値，熱起電力の標準

熱時効に伴う熱起電力の変化偏差を誤差棒で示している．全体を通じて，熱時効215に伴う衝撃値の低下は，熱起電力の増加として表れ（3）同じフェライト量では熱起電力と衝撃値の関係ていることがわかる．このことは，熱時効による相分離に伴い，フェライト相内のCr高濃度領域でのCrは，時効温度によらず，同じである．
（4）衝撃値について，熱時効が始まる領域では，誤濃度増加およびFe高濃度領域でのCr濃度減少によるフェライト相硬さの上昇が，シャルピ衝撃値の低下（4）を引き起こすことと，3.2項で述べたフェライト相（8）内でのCr濃度変調による熱起電力変化が，このような関係に現れているものである．
フェライト量が同じ供試体では，時効温度によら差約100J/cm2で推定可能である．
これらの結果から，PWRの１次冷却材管等に使用される鋳造２相ステンレス鋼に対して，その時効温度に係らず，おおよそのフェライト量に応じて，熱起電力の測定により，シャルピ衝撃値を誤差約100J/cm2で推定できる．

ず，熱起電力と衝撃値の関係はそれぞれ同じ領域に分布している．このことは，その時効温度にかかわ文献

らず，フェライト量と熱起電力測定により，鋳造２相ステンレス鋼の熱時効に対する評価が可能であると考えられるので，これについて考察する．

（1）A.Trautwein, W.Gysel,

Influence of long-timeaging of CF8 and CF8M cast stainless steel at

衝撃値のばらつきは，未時効材の衝撃値から低下

temperatures between 300 and 500℃ on impact

を始めるこれらの領域，すなわち200〜400J/cm2の領

toughness and structural properties , Stainless

域では，約100J/cm と衝撃値の変化に比べて小さく

Steel Casting, ASTM STP, 165-189 (1982).

2はないが，これらに対する熱起電力はフェライト量（2）O.K. Chopra,

Estimation of mechanicalによって異なる領域で変化する．すなわち、フェラ

properties of cast stainless steels during thermal

イト量7〜10％，15〜18％，21〜24％に対して，それaging in LWR systems , SmiRT 13, 349-354

ぞれ−2.3〜−2.8μV/℃，−2.0〜−2.6μV/℃，−1.5(1995).

〜−2.3μV/℃の領域で変化している．このことから，（3）桑野寿， 構造材料の経年劣化の機構と寿命予測

フェライト量に応じて，熱起電力から衝撃値の推定２相ステンレス鋼の時効脆化と寿命予測 , まてが誤差約100J/cm で可能である．

りあ，35, 7, 747-752 (1996).

2以上のことから，PWRの１次冷却材管等に使用される鋳造２相ステンレス鋼に対して，その時効温度に係らず，おおよそのフェライト量に応じて，熱起電力の測定により，シャルピ衝撃値の推定が可能である．

（4）山田卓陽，根岸和生, 工藤大介, 桑野寿,

２相ス

テンレス鋼の熱時効機構に関する研究 , INSS
Journal, Vol.7, 145-158(2000).
（5）河口恭寛，岡野行光， 非破壊手法による鋳造２相ステンレス鋼の熱時効評価 , 日本機械学会論
文集 (A編)，66, 655, 462-469 (2001).

4.

おわりに（6）J. P. Massoud, J.F. Coste, J. M. Leborgne,
Thermal aging of PWR duplex stainless steel

鋳造２相ステンレス鋼の熱時効に伴う材料変化をcomponents development of a thermoelectrical

非破壊的に評価するために，熱起電力法により，熱technique as a non destructive evaluation method

時効させた供試体について測定を行い，シャルピ衝of aging , Proc. 7th International Conference on

撃値と熱起電力の関係を検討した．以下に得られた

Nuclear Engineering, 19-23 April 1999, Tokyo,

主な結果を示す．

Japan, ICONE-7243 (1999).

（1）熱時効に伴い熱起電力は増加し，フェライト量（7）河口恭寛，山中伸介， 熱起電力法を用いた鋳造が大きいほど，その増加割合は大きく，時効温２相ステンレス鋼の熱時効による材料劣化の非度が高いほど短い時効時間で熱起電力の増加が開始する．

破壊評価 , 日本金属学会誌，66, 4, 377-383 (2002).
（8）河口恭寛，山中伸介， 鋳造２相ステンレス鋼の（2）熱時効によるフェライト相内の相分離に伴うCr

熱時効に伴うフェライト相のCr濃度変調による濃度変調による衝撃値低下および熱起電力上昇

熱起電力の変化 , 日本金属学会誌，66, 8, 840-848

により，衝撃値の低下が，熱起電力の増加とし(2002).て現れる．