JPH08239739A - 耐食性に優れたNi基合金の熱処理方法 - Google Patents

耐食性に優れたNi基合金の熱処理方法

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JPH08239739A
JPH08239739A JP6708495A JP6708495A JPH08239739A JP H08239739 A JPH08239739 A JP H08239739A JP 6708495 A JP6708495 A JP 6708495A JP 6708495 A JP6708495 A JP 6708495A JP H08239739 A JPH08239739 A JP H08239739A
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治彦 梶村
Mamoru Inoue
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐粒界応力腐食割れ性に優れ、高温高圧水に
さらされる化学プラントや原子力(軽水炉)プラントの
熱交換器伝熱管の管材として最適のNi基合金を提供す
る。 【構成】 重量%で、C:0.015〜0.05%、S
i:0.5%以下、P:0.015%以下、Cr:35
%を超え40%以下、Ni:50〜57%、Al:0.
5%以下、残部は実質的にFeからなるNi基合金の製
造時の最終焼鈍において、1000〜1200℃の温度
域に加熱して1〜60分間保持した後、900〜500
℃の温度範囲を冷却速度1〜100℃/secで冷却す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、加圧水型原子力発電所
において使用される熱交換器伝熱管の管材として用いら
れる耐応力腐食割れ性に優れたNi基合金の熱処理方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、高温高圧水にさらされる化学プラ
ントや原子力(軽水炉)プラントの熱交換器伝熱管の管
材としては、例えば特開昭59−232246号公報に
開示されているような、Cr:25〜35%、Ni:4
0〜70%のAlloy690合金(商品名、60%N
i−30%Cr−9%Fe合金)などのNi基合金が使
用されている。
【0003】しかし、実際のプラントにおける水質環境
は、例えば280℃程度のpHが9.2〜9.5という
ような高温弱アルカリ環境であるが、伝熱管と管支持板
の隙間部でアルカリ濃縮が生じる懸念があり、このよう
な高温高濃度アルカリ環境下では、前記合金といえども
耐応力腐食割れ性(耐SCC性)が十分に確保できると
はいえない。
【0004】このような高温高濃度アルカリ環境下にお
ける耐応力腐食割れ性を向上させるため、特開昭59−
85850号公報や特開昭60−50134号公報に開
示された発明では、最終熱処理後に更に特殊熱処理とし
て、600〜750℃で0.1〜100時間保持した
後、徐冷するという2段階の熱処理を行なっている。
【0005】前記2段階の熱処理は、粒界にCrカーバ
イドを析出させると共に、Crカーバイドが析出したこ
とによる粒界近傍でのCr欠乏層を回復させるまで長時
間の処理が必要である。また、この熱処理は最終処理で
あり、処理後そのままでプラントに使用できるように、
酸化被膜の形成を防ぐため通常真空中で熱処理が行なわ
れる。このように、長時間を要する2段階の熱処理が必
要であり、また真空処理が行なわれるため、製造コスト
の高騰は避けられない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前記のごとく、従来の
耐応力腐食割れ性に優れたNi基合金の熱処理方法は、
いずれも2段階の熱処理が必要で処理に長時間を要し、
製造コストが高騰するという問題があった。
【0007】本発明は、前記従来の方法に見られる問題
点を排除し、高温高濃度アルカリ環境に下における耐応
力腐食割れ性に優れたNi基合金の熱処理方法を提供す
るものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、種々の合金について検討した結果、Crが35%を
超えたNi基合金では、前記従来方法のように2段階熱
処理を施さなくても、最終焼鈍における冷却時の冷却速
度を制御することにより、粒界Crカーバイドを析出さ
せ、しかも顕著なCr欠乏層の発生も押さえ得ることが
わかった。また更に、昇温時の加熱速度を制御すること
により、粒界Crカーバイドの析出量を増加させ、耐応
力腐食割れ性を向上できることがわかった。本発明は、
前記知見に基づいて完成されたものである。
【0009】すなわち、本発明の第1の耐食性に優れた
Ni基合金の熱処理方法は、重量%で、C:0.015
〜0.05%、Si:0.5%以下、P:0.015%
以下、Cr:35%を超え40%以下、Ni:50〜5
7%、Al:0.5%以下、残部は実質的にFeからな
るNi基合金の製造時の最終焼鈍において、1000〜
1200℃の温度域に加熱して1〜60分間保持した
後、900〜500℃の温度範囲を冷却速度1〜100
℃/secで冷却することにある。
【0010】また、本発明の第2の耐食性に優れたNi
基合金の熱処理方法は、重量%で、C:0.015〜
0.05%、Si:0.5%以下、P:0.015%以
下、Cr:35%を超え40%以下、Ni:50〜57
%、Al:0.5%以下、残部は実質的にFeからなる
Ni基合金の製造時の最終焼鈍において、昇温速度15
0〜500℃/minで1000〜1200℃の温度域
に加熱して1〜60分間保持した後、900〜500℃
の温度範囲を冷却速度1〜100℃/secで冷却する
ことにある。
【0011】
【作用】本発明によれば、2段階熱処理を施さなくて
も、最終焼鈍における冷却時の冷却速度を制御すること
により、粒界Crカーバイドを十分に析出させ、しかも
顕著なCr欠乏層の発生も押さえることができ、優れた
耐応力腐食割れ性が得られる。また、更に、昇温時の加
熱速度を制御することにより、粒界Crカーバイドの析
出量を増加させ、耐応力腐食割れ性をより一層向上でき
る。しかも、2段階熱処理を必要としないため、処理時
間が節減され製造コストの低減に有効である。
【0012】本発明において使用する合金の化学成分組
成を限定したのは次の理由による。Cは、粒界でのCr
カーバイドを析出するのに必須の元素であり、所要の析
出量を得るには0.015%以上が必要である。しか
し、0.05%を超えると強度が高くなりすぎ、製管性
が低下すると共に、最終焼鈍におけるCrカーバイドの
粒界析出によりCr欠乏層の形成が起こり耐応力腐食割
れ性が劣化する。そのため、0.015〜0.05%に
限定した。
【0013】Siは、脱酸のため必要な元素であるが、
0.3%を超えると高Crフェライトのa’相の析出が
加速されるので上限は0.3%とした。しかし、少なす
ぎると脱酸効果が不十分となるので、0.05%以上含
有することが望ましい。
【0014】Mnは、Siと同様に脱酸のため必要な元
素であり、0.5%以下を含有させる。
【0015】Pは、不純物として含まれるが、粒界に偏
析して耐応力腐食割れ性を劣化させるため、0.015
%以下に限定した。
【0016】Crは、Ni基合金の耐応力腐食割れ性を
維持するのに必要不可欠な元素であり、35%未満では
高温高圧水にさらされる熱交換器伝熱管として要求され
る耐食性が確保できず、また40%を超えると高Crフ
ェライトのa’相の析出が加速されるため、35〜40
%に限定した。
【0017】Niは、合金の主成分であり、組織を安定
させ、高Crフェライトのa’相の析出を抑制するため
50%以上の含有が必要である。また、耐食性の点から
は上限を定める必要はないが、Cr等他の合金元素の添
加割合を考慮して上限を57%とし、50〜57%に限
定した。
【0018】Alは、Si及びMnと同様に脱酸作用を
有する元素であるが、0.5%を超えると合金の清浄度
を低下させるため、0.5%以下に限定した。しかし、
添加量が少なすぎると脱酸効果が十分でなく熱間加工性
の劣化を招くので0.05%以上を含有することが望ま
しい。
【0019】前記以外の成分元素としてTiがあるが、
TiはNと化合してTiNあるいはTi(C,N)とし
てBを固定し、熱間加工性の改善あるいは強度の向上に
有効な元素であり、0.5%以下含有させることが望ま
しい。
【0020】次に、本発明における熱処理を限定した理
由について説明する。焼鈍温度は、1000℃未満では
十分な焼鈍効果が得られず、かつ固溶していない炭化物
量が多く強度が高くなりすぎることと、固溶C量が少な
くなるため冷却速度の制御による粒界への炭化物析出量
が現象するため、十分な耐食性が確保でず、また120
0℃を超えると結晶粒径が大きくなりすぎ、強度の低下
を招くため、1000〜1200℃に限定した。また、
この際の焼鈍時間は、1分未満ではCの固溶が十分に得
られないため、1分以上保持する必要がある。しかし、
60分を超えて長く保持しても焼鈍効果には変わりが見
られないので、1分〜60分とした。
【0021】焼鈍後の冷却速度は、Cr炭化物が析出し
やすい900〜500℃の温度域を制御する必要があ
る。その冷却速度が1℃/sec未満では、粒界への炭
化物析出が多くなるが、析出に伴い粒界近傍でCr欠乏
層が形成されるので、1℃/sec以上の冷却速度が必
要である。しかし、100℃/secを超えると粒界へ
のCr炭化物の析出が不十分となり耐食性が低下する。
そのため、900〜500℃の温度域での冷却速度は1
〜100℃/secに限定した。
【0022】前記のごとく、炭化物析出の観点からは焼
鈍時の冷却速度が最も重要であるが、焼鈍温度に加熱す
る際の昇温速度を制御することにより、更にCr炭化物
の析出量を増加させ、耐食性の向上が図れる。一般に、
連続炉での焼鈍では、昇温温度は比較的に遅い(100
℃/min程度)が、昇温温度が遅いと500〜900
℃の温度域で昇温中にCr炭化物が析出し、その後再結
晶や粒成長が起こる。このため、粒内にCr炭化物が数
多く析出した状態となる。このため、粒界への炭化物析
出量を増加させ、耐食性を更に向上させるには、最終焼
鈍時の昇温速度は150℃/min以上とする必要があ
る。しかし、500℃/minを超えると効果が飽和
し、昇温用装置のコストが高くなるので上限は500℃
/minとした。
【0023】
【実施例】表1に化学組成を示した本発明の対象合金
a、b、c、dと本発明の対象外の比較合金e、f、g
を真空溶解により溶製した鋳塊に、鍛造、熱間圧延、中
間熱処理及び冷間圧延等を施して、それぞれ最終板厚3
mmの冷間圧延板に仕上げた。そして、表2に示す種々
の条件により最終焼鈍を施した。更に、これらの処理材
から寸法が2×10×40(mm)の腐食試験片と試験
片の平行部寸法が2×3×20(mm)の低歪速度応力
腐食割れ試験片を作製し、下記要領で粒界腐食試験と低
歪速度応力腐食割れ試験(SSRT)を行なった。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】(1) 粒界腐食試験 Crカーバイドの粒界析出により形成される粒界でのC
r欠乏層を検出するため、65%HNO3+0.2g/
1Cr6+溶液を用いて、沸騰,24時間の浸漬試験を行
なった。この試験では、Cr欠乏層がある場合には腐食
速度が大きくなる。
【0027】(2) 低歪速度応力腐食割れ試験 耐粒界応力腐食割れ性を検出するため、20%NaOH
水溶液中320℃で定電位低歪速度応力腐食割れ試験を
行なった。電位は、最も応力腐食割れ感受性が高くなる
(腐食電位+100mV)に保った。この環境では、引
張り速度は遅い方が応力腐食割れ感受性が高まるので、
8×10-7-1の歪速度に設定して試験を行なった。破
断後の破面を走査型電子顕微鏡で観察した。その破断面
の粒界破面率により耐粒界応力腐食割れ性を評価した。
【0028】その試験結果を表2に示す。比較例11と
してあげたC量が少ないe合金は、本発明と同様の適切
な焼鈍を施しても粒界破面率が大きく耐粒界応力腐食割
れ性が劣る。また、比較例12のC量が多いf合金は、
Crカーバイドの析出が多くなり粒界腐食試験での腐食
速度が大きく、かつ粒界破面率もCr欠乏沿うの生成に
より大きい。更に、比較例13のCr含有量が少ないg
合金は、腐食速度及び粒界破面率が共に大きく耐粒界応
力腐食割れ性の向上は見られない。
【0029】また、本発明のb合金を使用して、本発明
の焼鈍条件から焼鈍温度が外れている比較例14、焼鈍
時間が短い比較例15、焼鈍後の冷却速度が0.5℃/
secと遅い比較例16及び冷却速度が200℃/se
cと大きい比較例17は、いずれも粒界破面率が大きく
耐粒界応力腐食割れ性の向上は見られない。
【0030】一方、本発明のa〜d合金を使用して、本
発明の焼鈍条件で焼鈍した実施例1〜10は、いずれも
粒界破面率は小さく、耐粒界応力腐食割れ性の向上が達
成されていることがわかる。
【0031】
【発明の効果】この発明によれば、耐粒界応力腐食割れ
性の優れたNi基合金を得ることができ、高温高圧水に
さらされる化学プラントや原子力(軽水炉)プラントの
熱交換器伝熱管の管材として最適の合金を提供できる。
また、2段階熱処理を必要としないため、処理時間が節
減され製造コストを低減できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梶村 治彦 大阪府大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 井上 守 大阪府大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友金属工業株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、C:0.015〜0.05
    %、Si:0.5%以下、P:0.015%以下、C
    r:35%を超え40%以下、Ni:50〜57%、A
    l:0.5%以下、残部は実質的にFeからなるNi基
    合金の製造時の最終焼鈍において、1000〜1200
    ℃の温度域に加熱して1〜60分間保持した後、900
    〜500℃の温度範囲を冷却速度1〜100℃/sec
    で冷却することを特徴とする耐食性に優れたNi基合金
    の熱処理方法。
  2. 【請求項2】 重量%で、C:0.015〜0.05
    %、Si:0.5%以下、P:0.015%以下、C
    r:35%を超え40%以下、Ni:50〜57%、A
    l:0.5%以下、残部は実質的にFeからなるNi基
    合金の製造時の最終焼鈍において、昇温速度150〜5
    00℃/minで1000〜1200℃の温度域に加熱
    して1〜60分間保持した後、900〜500℃の温度
    範囲を冷却速度1〜100℃/secで冷却することを
    特徴とする耐食性に優れたNi基合金の熱処理方法。
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