高温強度に優れる 酸化物分散強化型(ODS)フェライト鋼

高温強度に優れる
酸化物分散強化型(ODS)フェライト鋼
日本原子力研究開発機構
次世代高速炉サイクル研究開発センター
燃料サイクル技術開発部 燃料材料開発グループ
皆藤 威二
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はじめに(鉄鋼材料の強化機構)
現実の鉄鋼材料は種々の欠陥を含み、その機械的性質は材料欠陥の
1つである「転位」の動きやすさと関係あり。つまり、転位の動きを抑制す
ることで強度の向上が可能
鉄鋼材料の4大強化機構(=転位の動きを抑制する方法)*
①固溶強化:固溶原子(合金元素や不純物元素)による強化
②粒子強化:第2相粒子による強化
炭窒化物,金属間化合物等の析出物
酸化物粒子 等
③転位強化:転位密度の増加による強化
④結晶粒微細化強化
*)谷野 満,鈴木 茂、「鉄鋼材料の科学 鉄に凝縮されたテクノロジー」、内田老鶴圃(2001年)より
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研究の背景(従来技術と問題点)
安全性・経済性に優れる高速炉
の実現に向けて、
 耐中性子照射特性
 高温強度
(~700℃)
に優れる燃料被覆管の開発が
不可欠
700
被覆管温度(℃)
(~50×1026n/m2;E>0.1MeV)
燃料被覆管の使用条件
600
500
オ
|
ス
テ
ナ
イ
ト
鋼
の
使
用
範
囲
フェライト鋼の使用範囲
400
既存の材料では左記使用条
件範囲をカバーしきれないため、
酸化物分散強化型(ODS)
フェライト鋼を開発
20
30
40
50×1026
高速中性子照射量(n/m2;E>0.1MeV)
実用化段階の高速炉燃料被覆管の使用条件
(検討例)
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ODSフェライト鋼の特徴
 焼戻しマルテンサイトを主とする母
相(基本組成:Fe-0.13C9Cr-2W-0.2Ti)を選定
 オーステナイト鋼に比べて、
• 優れた耐照射特性
• 低い熱膨張係数
• 高い熱伝導度
 熱的に安定な酸化物(Y2O3)
粒子の微細分散により、基地組織
を安定化
高温・長時間環境下における強
度特性の向上
Y2O3粒子
(数nm)
20nm
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ODSフェライト鋼の強度特性(1)
100
1500
SUS316
ODS鋼
80
1000
破断伸び(%)
引張強さ(MPa)
SUS316
ODS鋼
500
60
40
20
0
0
200
400
600
試験温度(℃)
引張強さ
800
1000
0
0
200
400
600
800
1000
試験温度(℃)
破断伸び
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ODSフェライト鋼の強度特性(2)
相当応力(MPa)
SUS316*
ODS鋼
未破断
100
高強度フェライト鋼(11Cr-0.2C-1.5Mo-V,Nb)
10
10
100
1000
10000
100000
破断時間(h)
700℃におけるクリープ強度
*) SUS316のクリープ強度データは物質・材料研究機構の「クリープデータシートNo.6B」より引用
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ODSフェライト鋼の強度特性(3)
10
全歪み範囲(%)
ODS鋼
1
改良9Cr-1Mo鋼
0.1 2
10
10
3
10
4
10
5
10
6
破損繰返し数(cycles)
700℃における疲労強度
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ODSフェライト鋼の強度特性(まとめ)
 原子力機構で開発したODSフェライト鋼(基本組成:Fe-0.13C9Cr-2W-0.2Ti-0.35Y2O3)は、フェライト鋼で世界最高レベルの
クリープ強度,優れた疲労特性を有する。
 代表的なオーステナイト鋼であるSUS316と比べても高温・長時間環
境下において優れた強度特性を有する。
 その他にも以下の特性を有する。
• 低い熱膨張係数
• 高い熱伝導度 等
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ODSフェライト鋼の基本製造工程(1)
 上工程(固化工程)
• Y2O3粒子を微細かつ均一に分散させることがポイント
• 従来の溶解鋳造法では製造不可のため、機械的に合金化(メカ
ニカルアロイング(Mechanical Alloying:MA))する粉末
冶金法を採用
• 粉末を軟鋼性カプセルに充填・脱気した後、熱間押出により丸棒を
製造
原料粉末
機械的合金化
真空封入
熱間押出押出棒材
(MA)
MA粉末
合金粉末
(Fe-0.13C-9Cr-2W-0.2Ti)
酸化物粉末
(0.35Y2O3)
軟鋼製カプセル
アトライター
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ODSフェライト鋼の基本製造工程(2)
 下工程(製管工程)
• 丸棒から機械加工により素管を製造
• 冷間圧延により薄肉・細径管に加工
機械加工素管
冷間圧延
中間/最終熱処理
被覆管
(4回繰返し)
α/γ相変態の利用により加工性を向上
AC3点を超える1050℃で熱処理を施した後、冷却速度150℃/hr程度で
徐冷することで軟化フェライト相が得られる。
薄肉・細径管(肉厚0.4mm×外径6.9mm)の
製造が可能
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ODSフェライト鋼の基本製造工程(3)
温度(℃)
AC1
γ+α
軟化フェライト相
Ms
γ+α’
0
Mf
硬さ(Hv)
AC3
1000
500
450
3回目 4回目
最終熱処理
350
1回目 2回目 3回目
素管
300
1,000
1回目 2回目
400
焼戻しマルテンサイト相
18,000
冷間圧延(加工率≒50%)
中間熱処理
100
冷却速度(℃/hr)
ODSフェライト鋼の
連続冷却変態(CCT)線図
1050℃×30min
 炉冷(150℃/hr)
オーステナイト(γ)領域からの冷却速度を遅くすることで
軟化したフェライト(α)相が得られることに着目
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想定される用途
 700℃程度の高温で使用される部材
 (できれば)接合の必要のない単体部材
例えば、ねじ(ボルト,ナット)等
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実用化に向けた課題
 量産技術開発
• ODSフェライト鋼の基本的な製造技術はほぼ確立してい
るが、量産に向けた技術開発,装置整備が必要
 想定される用途に適した加工技術開発
• 冷間圧延による薄肉・細径管の製造は可能だが、冷間
抽伸等による細径の線材への加工は未確認
 接合技術開発
• 強度加圧抵抗接合技術の開発を進めており、被覆管に
端栓を接合する技術についてはほぼ確立しているが、接
合の必要のない単体部品への適用を推奨
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企業への期待
 ODSフェライト鋼の適用部位検討(非原子力分野への適
用を期待)
 量産技術開発
• MA工程:アトライター大型化,転動ボールミル導入 等
 加工技術開発
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本技術に関する知的財産権
発明の名称 :高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分
散強化型鋼およびその製造方法
登録番号
:第4413549号
発明者
:大塚 智史,鵜飼 重治,皆藤 威二,成田
健,藤原 優行
出願人
:核燃料サイクル開発機構(現 日本原子力研
究開発機構),㈱コベルコ科研
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お問合せ先
独立行政法人日本原子力研究開発機構
研究連携成果展開部
phone:029-282-6934
e-mail:[email protected]
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