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 1 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 2 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） 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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] 16