JPS62992B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、摺動構造物に係り、特に原子炉の炉
心制御棒に使用するために優れた耐食性および耐
摩耗性が要求される燃料制御棒用ピンとローラの
ような摺動構造物に関する。 〔従来の技術〕 原子炉燃料制御棒の一例を第１図に示す。 図において、１は燃料制御棒の把手、２は本発
明の対象となるピンとローラとからなるガイドロ
ーラ、３は中性子吸収材を入れたステンレス管、
４はステンレス管３を内包するブレードである。 ガイドローラ２は、第２図に示すように、コバ
ルト（Co）基超合金製のローラ５と、同じくCo
基の鍛造材製のピン６とからなる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 このローラに使用されているCo基合金は、高
い炭素（C1.0％）と高いクロム（Cr28％）を含
んでいる。そのため炭化物が多く、従つて硬さが
高く、また高いクロム含量ゆえに高温高圧の純水
への耐腐食性にも優れ、ローラ材として優れた特
性を有している。一方、ピン材に使用されている
Co基鍛造合金は、鍛造性、加工性、溶接性が要
求されるので、Ｃが0.1％低く、またCrも20％と
低いが、やはり優れた耐摩耗性、耐食性を有す
る。 しかし、これらの合金は、ローラ材で約65％の
Coを、またピン材で約50％のCoを含むため、使
用中に両者の摩耗により摩耗粉を生じ、それが放
射化されて系内を循環し、また高温高圧の純水に
よる腐食で溶出したCoがやはり放射能により汚
染されて循環するという問題を生ずる。 本発明の目的は、耐摩耗性および耐食性が良好
で、かつCoの誘導放射能による問題を生じない
摺動構造物を提供することである。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するためには、摺動側部材と固
定側部材の材料が、Coを含まず、耐摩耗性に優
れ、かつ高温高圧の純水に対する耐食性に優れて
いること、さらにピン材は鍛造可能であること、
およびブレードに溶接固定するので溶接性にも優
れていることが要求される。 耐摩耗性を得るには合金が一定の硬さを有する
ことが要求される。合金の硬さは、(イ)析出物によ
る析出硬化、(ロ)基地の固溶硬化によつて得られ
る。(イ)の方法においては、炭化物によるものと金
属間化合物によるものが代表的であり、(ロ)の方法
においては、Mo、Ｗ等の固溶強化型元素が多く
含有させること、さらには冷間加工等による加工
硬化が効果的である。 また、高温高圧水に対する耐食性の点からは、
Cr量およびNi量、さらにはMo量が最も重要であ
り、またＣの量も重要となる。以上の点から、
Coを含まない適当な合金を選ぶ必要がある。 本発明者らは、上記のような観点から、 (1) ニツケル（Ni）基でチタン（Ti）とアルミ
ニウム（Al）を多く含み、かつCr量の多い、
いわゆるγ′強析出型超合金（Ni₃（Al、Ti）
を析出させた合金）、 (2) Ni基で炭化物の晶出または析出による硬化
型合金でＣが高く、かつCrがさらに高いも
の、 (3) Ni基でＢ型なる金属間化合物を析出、晶出
させたＣの高い合金、 (4) Ni―Cr―Fe基合金にMoを多く含有させ、さ
らに冷間加工を与えた合金、 (5) Fe基合金にTiとAlを含有させ、かつCrを充
分高く含有させた合金、 を選び、ローラ材として４種の合金とピン材とし
て３種の合金とを組合わせた場合について、それ
ぞれ純水中で摺動摩耗試験を行なつた。このよう
にしたのは、摺動側となるローラ材に適していて
も、固定側となるピン材には不適当な材料もあ
り、また摩耗特性上も両者の組合わせが重要とな
るからである。 その結果、ピン材としては、(5)のFe基合金に
TiとAlを含有させかつCr量を充分に高く含有さ
せた合金と、ローラ材としては、(4)のNi―Cr―
Fe基合金にMoを多く含有させかつ冷間加工を与
えた合金との組合わせが、最も優れていることを
見出した。 そこで、本発明は、上記目的を達成するため
に、C0.01〜0.3％、Ni30〜50％、Cr18〜24％、
Mo7〜10％、W3％以下、および残部Feからなる
合金に５〜40％の冷間加工を施した摺動側部材
と、重量でC0.01〜0.3％、Ni20〜30％、Cr15〜
20％、Mo0.5〜２％、Ti1〜３％、Al 0.1〜0.5
％、B0.2％以下、V1％以下、残部Feからなる固
定側部材との組合せからなる摺動構造物を提案す
るものである。 〔作 用〕 摺動側部材（ローラ材）および固定側部材（ピ
ン材）の成分限定理由は下記の通りである。 ＜摺動側部材＞ Ｃ：0.01〜0.3％ ＣはCrと結合して炭化物を形成し強度を向上
させる重要な元素である。しかし、Ｃ量が0.3％
を越えると、マトリツクスの耐食性が劣り、また
加工性も悪く、冷間加工、熱間加工で割れが生じ
る。また、0.01％未満では硬さが低下する場合が
あるので、Ｃ量は0.01〜0.3％の範囲に限定し
た。 Ni：30〜50％ Niはオーステナイト組織を形成し、耐食性を
改善する重要な成分である。Ni量が多いほど耐
食性が改善される。とくにNi量30％以上耐食性
が良い。30％以下では耐食性の効果が十分でな
い。一方、50％を越えると熱間加工性を低めると
共に材料原価が上昇するので、30〜50％の範囲で
添加する必要がある。 Cr：18〜24％ Crは強度、耐食性、耐酸化性を向上させる重
要な添加元素である。Cr量が18％未満であれ
ば、その効果が少なく、24％を越えると炭素との
結合が多くなつて脆化するので、Cr含有量は18
〜24％の範囲に限定した。 Mo：７〜10％ Moはオーステナイト基地を強化すると共に、
炭化物を形成して引張り強度等を向上させる元素
である。７％未満では、その効果が少なく、10％
を越えると、延性が低下し切削加工が困難になる
ため、Mo量を７〜10％の範囲に限定した。 Ｗ：３％以下 ＷはMoと同様、オーステナイト基地を強化す
ると共に、炭化物を形成して引張り強度等を向上
させる元素である。しかし、Ｗ量が３％を越える
と延性が低下し切削加工が困難になるため、その
上限値を３％とする。 加工度：５〜40％ 冷間加工は、その度合を40％越えて行なつても
加工度の割りに硬度が上昇しない。また、５％未
満の加工度では硬化が促進されないので、加工度
を５〜40％の範囲に限定した。 ＜固定側部材＞ Ｃ：0.01〜0.3％ ＣはCrと結合して炭化物を形成し強度を向上
させる重要な元素である。しかし、Ｃ量が0.3％
を越えると、マトリツクスの耐食性が劣り、ま
た、加工性も悪く冷間加工、熱間加工で割れが生
じる。0.01％未満では硬さが低下する場合がある
ので、Ｃ量は0.01〜0.3％の範囲に限定した。 Ni：20〜30％ Niはオーステナイト組織を形成し、耐食性を
改善する重要な成分である。しかし、20以下では
その効果が十分でない。一方、30％を越えると、
熱間加工性を低める。さらに溶接割れを高めるの
で、Ni量は20〜30％の範囲に限定した。 Cr：15〜20％ Crは強度、耐食性、耐酸化性を向上させる重
要な添加元素である。Cr量が15％未満であれ
ば、その効果が少なく、20％を越えると炭素との
結合が多くなつて脆化するので、Cr含有量は15
〜20％の範囲に限定した。 Mo：0.5〜２％ Moはオーステナイト基地を強化すると共に、
炭化物を形成して引張り強度等を向上させる元素
である。0.5％未満ではその効果が少なく、２％
を越えると延性が低下し切削加工が困難になるた
め、Mo量は0.5〜２％の範囲に限定した。 Ti：１〜３％及びAl：0.1〜0.5％ Ti及びAlはNiと化合して金属間化合物である
γ′相〔Ni₃（Al、Ti）〕を形成する析出硬化元素
である。このγ′相はオーステナイト基地との整
合性がよく、格子ひずみを生ずるので、強度の改
善に有効である。また、Tiは脱酸剤として作用
すると共に、上記のように強度、延性を向上させ
るに有効なγ′相を析出させる重要な元素であつ
て、１％未満ではその効果が少なく、３％を越え
ると、延性を低下させるη相が析出し易くなるた
め、Ti量を１〜３％の範囲に限定した。 一方、AlはTiと結合して金属化合物γ′相を析
出して強度を向上させる元素であるが、0.1％未
満ではこの効果が少なく、0.5％を越えると、か
えつて強度を低下させるため、単独添加のAl量
を0.1〜0.5％の範囲に限定した。 Ｂ：0.2％以下 Ｂは結晶粒界を著しく強化ししかも延性を改善
する元素であるが、多量に添加すると、鍛造性及
び耐酸化性に悪影響を及びすため、上限を0.2％
以下とした。 Ｖ：１％以下 ＶはVC等の析出物を生成する元素である。VC
は時効硬化性があるため、引張強さを向上させる
のに有効である。しかし、Ｖ量が増加すると、Ｖ
はCr₂O₃等の金属保護被覆に拡散して、その融点
を低めるため低酸化性に悪影響を及ぼす。そこで
Ｖ量は１％以下とした。 なお、前記(1)のNi基のγ′型、あるいは(2)の炭
化物析出型、さらには(3)のNi₃B金属間化合物析
出合金は、硬さは充分で耐食性にも優れていた
が、耐摩耗性は劣つていた。 〔実施例〕 以下、本発明を実施例および比較例によりさら
に詳細に説明する。 第１表に摺動摩耗試験に供した材料の化学成分
（重量％）を示す。第２表には材料に施した熱処
理と硬さを示す。ローラ材としてNo.１〜５の５
種、ピン材としてNo.６〜９の４種について試験し
た。ローラ材は摺動側に、ピン材は固定側に置い
て、純水中で摺動摩耗試験を行なつた。試験条件
は、室温と70℃の高温大気圧下で行なつたが、室
温と70℃との差はみられない。摺動サイクル28
回／min、摺動距離60mm／回、面圧25Kg／cm²で、
500回、2000回、5000回後にそれぞれの摩耗量を
測定した。 第３図〜第５図に試験結果を示す。 第３図においてローラ材No.１およびNo.２とピン
材No.８との組合わせの結果を示す。 No.１は、第１表に示すように、Niをベースと
し、Ti＋Alを7.5％と多くしたγ′析出硬化型合金
で、硬さは500Hである。No.８はFe基合金で、Ti
＋Alが2.2％とNo.１よりは低く、Niも26％で硬さ
は260Hと低い。この組合わせでは、No.１（ロー
ラ材）の摩耗量は比較的少ないが、No.８の固定側
（ピン材）の摩耗量が大きい。 No.２はNi基でＣとCrを多くした炭化物による
硬化合金であるが、No.８との組合わせの結果では
No.１の場合よりもやや摩耗量が多い。なお、No.８
の摩耗も大きいが、No.１の場合と変わらない。

【表】

〔発明の効果〕

本発明による摺動構造物は、合金組成として
Coを含まないので、例えば高温高圧の純水にさ
らされる原子炉炉心燃料制御棒に装備されるロー
ラおよびピンに使用した場合に、Coの誘導放射
のおそれがなく、また耐摩耗性と耐食性の両方に
優れており、構造上の信頼性が高くなる等の利点
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は原子炉燃料制御棒の構成を示す図、第
２図はそのガイドローラの構成を示す図、第３
図、第４図、第５図、および第６図はそれぞれ本
発明の実施例および比較例における摩耗試験の結
果を示す図である。 ５…摺動側部材（ローラ）、６…固定側部材
（ピン）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量でC0.01〜0.3％、Ni30〜50％、Cr18〜
   24％、Mo7〜10％、W3％以下、および残部Feか
   らなる合金に５〜40％の冷間加工を施した摺動側
   部材と、重量でC0.01〜0.3％、Ni20〜30％、
   Cr15〜20％、Mo0.5〜２％、Ti1〜３％、Al0.1〜
   0.5％、B0.2％以下、V1％以下、残部Feからなる
   固定側部材とからなることを特徴とする摺動構造
   物。