JAEA-Research 2006-027

ステンレス鋼表面硬化層の磁気特性に関する研究

日本原子力研究開発機構次世代原子力システム研究開発部門高屋茂、永江FBR 信頼性技術ユニット

勇二、青砥紀身（2006 年 2 月 7 日受理）

低炭素ステンレス鋼に発生する応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking: 以下 SCC）について、軽水炉プラントの SCC 対策技術の確立と安全性向上のため、SCC の発生・進展の詳細なメカニズムの解明が求められている。特に、低炭素ステンレス鋼の SCC は主として表面の加工硬化層を起点として発生・進展していることから、本研究では、SCC 発生機構解明に必要な知見を取得すため、表面硬化層の微細組織を対象に磁気特性の分析を行った。
高空間分解能で磁性相の観察が可能な磁気力顕微鏡（Magnetic Force Microscopy: 以下MFM）を用いて、SUS316 鋼の強切削加工材および未加工材の観察を行った結果、強切削加工材については加工面のほぼ全面で未加工材では見られなかった磁性相を確認することが出来た。強切削加工によって導入された磁性相は表面から約 10 µm の深さまでに存在し、特に最表面で MFM 信号が大きく変化していることから、最表面に最も大きな磁化が存在するか、あるいはこの領域で最も急激に磁化が変化していると考えられる。

本報告書は旧核燃料サイクル開発機構が旧日本原子力研究所との契約により実施した業務の成果である。
大洗研究開発センター（駐在）：〒311-1393 茨城県東茨城郡大洗町成田町 4002

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Study on Magnetic Property of Surface Hardening Zone of Stainless Steel

Shigeru TAKAYA, Yuji NAGAE, and Kazumi AOTOFBR Systems Reliability Research UnitAdvanced Nuclear System Research and Development DirectorateJapan Atomic Energy AgencyOarai-machi, Higashiibaraki-gun, Ibaraki-ken(Received February 7, 2006)It is needed to reveal the mechanism of occurrence and development of stress corrosion cracking(SCC) in low carbon stainless steels for establishing SCC countermeasure technology andenhancing safety of light water reactor plants. In this study, we analyzed magnetic property ofmicrostructure in the surface hardening zone because SCC cracks in low carbon steels initiatemainly in this zone. A strong cutting worked sample and a solution-annealed sample of SUS316Lsteel were prepared and Magnetic Force Microscopy (MFM) observation was conducted to showmagnetic phase in these samples with high spatial resolution. As result, we could detect magneticphase at almost whole surface of the strong cutting worked sample although such a magneticphase was not observed in a solution-annealed sample. The magnetic phase induced by strongcutting work existed from the surface to about 10 µm depth. Because the MFM signal changedsignificantly at the most surface, the largest magnetization would exist at the most surface or themagnetization would change dramatically at this region.

Keywords: Stress Corrosion Cracking, Surface Hardening Zone, Stainless Steel, MagneticProperty, Magnetic Force Microscopy

This report is the outcome of the practice carried out by Japan Nuclear Cycle Development Instituteunder the contract with Japan Atomic Energy Research Institute.
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目次1 はじめに .......................................................................................................................... 12 本論 ................................................................................................................................. 12-1 磁気力顕微鏡について .............................................................................................. 12-2 実験方法 ................................................................................................................... 42-2-1 試験片作成方法 .................................................................................................. 42-2-2

MFM 観察視野.................................................................................................... 4

2-2-3

MFM 観察方法.................................................................................................... 52-3 磁気力顕微鏡観察結果 .............................................................................................. 62-3-1 未加工材（SUS316L-N）観察結果...................................................................... 62-3-2 加工材（SUS316L-P2）観察結果 ........................................................................ 93 おわりに ........................................................................................................................ 17謝辞 .................................................................................................................................... 17参考文献 ............................................................................................................................. 17

Contents

1Introduction..................................................................................................................... 12

Main discussions.............................................................................................................. 12-1

Magnetic force microscopy (MFM) observation ........................................................... 12-2

Experiment procedures............................................................................................... 42-2-1Sample preparation ............................................................................................. 42-2-2

MFM observation fields....................................................................................... 42-2-3

MFM observation procedures............................................................................... 52-33MFM observation results.............................................................................................. 62-3-1

Observation results of the solution-annealed sample (SUS316L-N) .......................... 62-3-2

Observation results of the worked sample (SUS316L-P2)........................................ 9Conclusions..................................................................................................................... 17

Acknowledgment .................................................................................................................. 17References............................................................................................................................ 17iii

JAEA-Research 2006-0271 はじめに近年、沸騰水型軽水炉プラントの炉心シュラウドや再循環系配管において、これまで耐SCC 性（応力腐食割れ，Stress Corrosion Cracking）に優れると考えられてきた低炭素ステンレス鋼で SCC が多数報告されており、SCC 対策技術の確立とプラントの安全性向上のために、SCC の発生・進展の詳細なメカニズムを解明することが強く求められている。これまでの研究により、炉心シュラウド、再循環系配管ともに接液表面に機械加工による硬化層が存在し、その硬化層を粒内型 SCC として発生した後、粒界型 SCC として主応力と垂直な方向に進展していくことが明らかになっている[1]。本研究では、SCC 発生の主原因のひとつである表面硬化層の微細組織を対象に磁気力顕微鏡を用いて磁気特性の分析を行い、SCC発生機構解明に関して必要な知見を取得する。

2 本論まず２−１で、今回低炭素ステンレス鋼表面硬化層の磁気特性を分析するために用いた磁気力顕微鏡の紹介を行う。次に２−２で、観察試験片と実験方法を説明する。最後に２−３で磁気力顕微鏡観察結果を示し、低炭素ステンレス鋼の加工硬化による磁気特性変化について考察する。
2-1 磁気力顕微鏡について磁気力顕微鏡（Magnetic Force Microscopy: 以下 MFM）は走査型プローブ顕微鏡の一種であり、50nm 以下の極めて高い空間分解能で磁性相を検出することが可能である。図１にMFM 探針の走査型電子顕微鏡写真を示す。ただし、実際に測定に使用される時とは上下が逆になっている。非磁性体のカンチレバーの先端に強磁性体がコーティングされた探針がついており、この磁性探針がプローブとして働く。図２に MFM の測定原理概念図を示す。
カンチレバーを強制振動させながら試験片上を移動させ、各測定点での探針に作用する力（あるいはその勾配）を測定することにより、関心のある領域での全体像を得る。探針に作用する力は、探針と試験片との相互作用によりカンチレバーの振動が変化するのをレーザー干渉計などの高感度センサを用いて検出する。ここで探針に作用する力としては、クーロン力やファンデルワールス力などの原子間力と磁気力が挙げられるが、探針-試験片表面間距離がごく短い場合には原子間力が、数十 nm 以上の場合には磁気力が主に検出されるため[2]、探針-試験片表面間距離を変えることにより、同じ磁性探針を用いて表面形状像(Atomic Force Microscopy image: 以下 AFM 像)と磁気力像を共に得ることが可能である。
MFM は現在、高密度ハードディスクの観察に広く使われているが、最近では SUS304 鋼の1

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図１

MFM 探針の走査型電子顕微鏡写真

図２

MFM の測定原理概念図

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JAEA-Research 2006-027の熱鋭敏化評価[3]など材料劣化評価の分野でも用いられ始めている。
本研究では、探針に働く力を検出する手法として位相差法を採用した MFM（セイコーインスツルメンツ社製SPI3700）を用いた。位相差法では、ピエゾ素子とカンチレバーの振動の位相差を測定する。カンチレバーの振幅が十分小さいときには、この位相差は次のように表すことができる。

∆θ =QF ′,k(1)

ここで、Q は共振の鋭さを表すパラメータ、k はカンチレバーのばね定数である。また F' は磁性探針に働く磁気力の垂直方向微分であり、次のように表すことが出来る（図３参照）。

F ′(r ) =∂F∂2= ∫ 2 M tip (r ′) ⋅ H sample (r + r ′) dV ′,∂z tip ∂z{}(2)

ここで、Mtip(r’) は磁性探針の磁化、Hsample(r+r’) は試験片がつくる磁場である[4]。後に示す MFM 像は各測定点での位相差（∆θ ）をプロットしたものだが、(1), (2)式に示すようにこの値が、試験片内の磁化が作る磁場の二階微分に対応していることに注意する必要がある。また磁性探針の磁化分布を定量的に正確に知ることが困難であるため、MFM 観察結果から試験片内の磁化、およびその磁化が作る磁場を逆解析し求めることも同様に困難である。

図３座標系

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JAEA-Research 2006-0272-2 実験方法2-2-1 試験片作成方法試験片は日本原子力研究所から提供されたものを用いた。素材は SUS316L ステンレス鋼であり、その化学組成を表１に示す。試験片表面には、万能フライス盤を用いた強機械切削加工により加工硬化層が導入されている。硬さ測定の結果等から、導入された加工硬化層の深さは表面から 100µm 程度と推定される。加工硬化層導入後、MFM 観察用に約7mm×3mm×1mmt の大きさに切断され、銅の電解メッキが施された。ここで銅メッキを行った理由としては、加工硬化層が導入された観察領域が試験片端部に近く、MFM 観察のために研磨する際に肩だれする心配があること、また MFM では試験片端部など高低差が激しい領域（> 〜1µm）での測定が困難であることが挙げられる。メッキ処理の後、0.05µm アルミナ研磨液を用いたバフ研磨までの機械研磨が行われた。
本研究では、断面が機械加工方向に平行な試験片（図３参照、試験片番号：SUS316L-P2）と、比較用の未加工材（試験片番号：SUS316L-N）の観察を行った。

表 1 使用したステンレス鋼の化学組成

SUS316L

2-2-2

CSiMn

PS

Ni

CrMo

Co

0.008

0.43

0.83

0.023

0.001

12.55

17.54

2.110.02

MFM 観察視野

観察視野は、事前に日本原子力研究所によってなされた光学顕微鏡観察結果に基づいて、銅メッキの密着が良好であり、また研磨傷の少ない領域から選んだ。観察視野数等の観察条件は表２に示すとおりである。

表２試験片番号

鋼種

試験片の種類と観察視野

試験片断面方向

観察条件

視野数50µm 角以上の広視野316L-N

SUS316L

未加工材

及び 10µm 角の狭視野

1着磁前後で観察316L-P2

SUS316L

加工方向に平行4同上2

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図３2-2-3

加工材の MFM 観察面

MFM 観察方法

MFM 観察は室温大気中で行った。用いたカンチレバーのバネ定数は約 15N/m、Q 値は約360±10 である。MFM 観察時の試験片表面-カンチレバー振動中心間の距離（リフトオフ）は、SUS316L-P2 の 100µm 角の観察のときのみ着磁前後とも約 80nm、その他の場合は全て約 100nm である。ただし、この程度のリフトオフの差は結果にほとんど影響しないと考えてよい。
まず簡易消磁器を用いて試験片の消磁を行った後に MFM 測定し、次に 0.4T 程度の永久磁石を用いて試験片厚さ方向に着磁した後に再度同じ領域で MFM 観察を行った。

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JAEA-Research 2006-0272-3 磁気力顕微鏡観察結果2-3-1 未加工材（SUS316L-N）観察結果まず未加工材（SUS316L-N）に関する観察結果を示す。図 4 に示した領域で観察を行った。図 5, 6 に視野面積が 100µm 角、10µｍ角の消磁後の AFM/MFM 観察結果をそれぞれ示す。図 5 に示した消磁後 100µm 角の観察結果では、試験片内部の丸で囲んだ領域において介在物と思われる磁化領域が確認できるが、加工面においては特に磁気特性変化は見受けられなかった。一方、図 6 の消磁後 10µm 角の観察結果では、加工面で MFM 像が変化していることがわかる。ただし、その変化の仕方は、研磨傷によるものと同様である。
次に、図 7, 8 に着磁後の AFM/MFM 観察結果を示す。図 7 において、試験片内部に存在する磁化は着磁により明瞭になったものの、加工面ではほとんど変化は見られない。図 8に関しても、同様に変化は見られなかった。
これらのことから、強切削加工を施していない面には磁性相は存在していないことがわかる。

図４SUS316L-N の MFM 観察領域

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JAEA-Research 2006-027(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図５ SUS316L 未加工材消磁後の AFM/MFM 観察結果（100µm 角）(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図６ SUS316L 未加工材消磁後の AFM/MFM 観察結果（10µm 角）

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JAEA-Research 2006-027(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図７ SUS316L 未加工材着磁後の AFM/MFM 観察結果（100µm 角）(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図８ SUS316L 未加工材着磁後の AFM/MFM 観察結果（10µm 角）

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JAEA-Research 2006-0272-3-2 加工材（SUS316L-P2）観察結果加工材に関しては、図 9, 10 に示した 2 視野での観察を行った。図 11〜14 に視野１での消磁後および着磁後の観察結果を、また図 15〜18 に視野２での消磁後および着磁後の観察結果をそれぞれ示す。図中の白い矢印は、着磁前後の結果の比較をする際の観察領域のずれの目安として書き入れた。未加工材の場合とは明らかに異なり、観察箇所に関してはほぼ全ての面で幅 5〜10µm の磁性相の存在を確認することが出来た。ここで、MFM 像の変化が磁性相の存在によるものであると判断できる理由として、10µm 角の結果（特に図 18）で明瞭な磁区構造が見られること、および消磁状態に比べて着磁後に位相差が大きくなっていることが挙げられる。この磁性相は、未加工材では見られなかったことから、強切削加工により導入されたものである。
図 19 に視野２の 10µm 角での観察結果に関して、着磁前後での MFM 像の比較を示す。
着磁により全体的に磁区構造が明瞭になっているが、特に SUS316L 表面で大きく MFM 像が変化しており、次に SUS316L 内部の磁性相と非磁性相の境界（磁区構造が見える領域と見えない領域の境界）で変化していることがわかる。このことは図 20 に示した着磁前後での MFM 信号プロファイルの比較からもわかる。ただし、このプロファイル比較は図 16, 18中の矢印で示したラインで行った。また、同ラインで AFM 信号と着磁後の MFM 信号のプロファイル比較を示した図 21 からも、SUS316L 表面で大きく変化している様子がわかる。
先にも述べたように、MFM 信号である位相差は磁場の二階微分であるため、試験片内部の磁化の大きさを正確に知ることは難しいが、試験片内部の磁性/非磁性の境界に比べて、加工面でより急激に磁化の大きさが変化している、あるいは磁化の値がそもそも大きいと考えられる。この傾向は、硬さ測定の結果と定性的に一致しているものの、磁気特性変化が起こった原因や、磁気特性と歪み量等他の物理量との定量的な関係を明らかにするためには透過型電子顕微鏡観察など他の手法による観察も併せて行う必要がある。

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図９SUS316L-P2 視野１の観察領域（100µm 角）

図 10

SUS316L-P2 視野２の観察領域（50µm 角）

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JAEA-Research 2006-027(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図 11 SUS316L 加工材消磁後の AFM/MFM 観察結果（視野１：100µm 角）(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図 12 SUS316L 加工材消磁後の AFM/MFM 観察結果（視野１：10µm 角）

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JAEA-Research 2006-027(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図 13 SUS316L 加工材着磁後の AFM/MFM 観察結果（視野１：10µm 角）(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図 14 SUS316L 加工材着磁後の AFM/MFM 観察結果（視野１：10µm 角）

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JAEA-Research 2006-027(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図 15 SUS316L 加工材消磁後の AFM/MFM 観察結果（視野２：50µm 角）(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図 1６ SUS316L 加工材消磁後の AFM/MFM 観察結果（視野２：10µm 角）

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JAEA-Research 2006-027(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図 17 SUS316L 加工材着磁後の AFM/MFM 観察結果（視野２：50µm 角）(a) AFM 像（形状像）(b) MFM 像（磁気像）

図 18 SUS316L 加工材着磁後の AFM/MFM 観察結果（視野２：10µm 角）

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JAEA-Research 2006-027(a) 着磁前(b) 着磁後

図 19 着磁前後での MFM 像の比較（SUS316L-P2，視野２）

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図 20 着磁前後での MFM 信号プロファイルの比較（SUS316L-P2，視野２）

図 21

AFM 信号および着磁後 MFM 信号のプロファイル比較（SUS316L-P2，視野２）

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JAEA-Research 2006-0273 おわりに低炭素ステンレス鋼 SUS316L の強切削加工材および未加工材の着磁前後での磁気力顕微鏡観察を行った。未加工材に関しては、試験片表面で磁性相の存在は確認されなかったが、強切削加工材に関しては、加工面ほぼ全面で表面から約 10µm の深さまで磁性相を観察することが出来た。このことから、加工材で見られた磁性相は強切削加工により導入されたものである。特に、最表層 2 µm の領域で MFM 信号が大きく変化していることから、この領域に内部に比べて大きな磁化が存在するか、あるいは他の領域に比べて急激に磁化の大きさが変化していると考えられる。この傾向は、硬さ試験の結果と定性的に一致している。
ただし、この磁気特性変化が起こった原因や、磁気特性と歪み量等他の物理量との定量的な関係を明らかにするためには透過型電子顕微鏡観察など他の手法による観察も併せて行う必要がある。

謝辞本研究はＢＷＲ電力７社委託による（社）腐食防食協会の「高温純水における低炭素ステンレス鋼のＳＣＣメカニズム研究」の一環として実施されたものである。

参考文献[1] 鈴木俊一, 日本材料学会第 268 回疲労部門委員会・第 111 回破壊力学部門委員会合同委員会研究討論会資料, 52,32 (2004).
[2] C. Schönenberger, S.F. Alvarado, S.E. Lambert and I.L. Sanders, J. Appl. Phys., 67, 7278 (1990).
[3] S. Takaya, T. Suzuki, Y. Matsumoto, K. Demachi, M. Uesaka, J. Nucl. Mater., 327,19 (2004).
[4] D. Ruger, H.J. Mamin, P. Guethner, S.E.Lambert, J.E. Stern, I.McFadyen, and T. Yogi, J. Appl. Phys.,68 1169 (1990).

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