高温強度に優れる 酸化物分散強化型（ODS）フェライト鋼

高温環境での機械強度に優れた
酸化物分散強化型（ODS）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
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研究の背景（従来技術と問題点）
（~50×1026n/m2;E>0.1MeV）
 高温強度
（~700℃）
に優れる燃料被覆管の開発が
不可欠
燃料被覆管の使用条件
700
被覆管温度（℃）
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
600
500
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
オ
｜
ス
テ
ナ
イ
ト
鋼
の
使
用
範
囲
フェライト鋼の使用範囲
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
（MA）
真空封入
熱間押出押出棒材
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
5
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
1,000
冷間圧延（加工率≒50％）
1回目 2回目
100
冷却速度（℃/hr）
ODSフェライト鋼の
連続冷却変態（CCT）線図
3回目 4回目
400
最終熱処理
350
素管
焼戻しマルテンサイト相
18,000
硬さ（Hv）
AC3
1000
500
450
300
1回目 2回目 3回目
中間熱処理
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
7
ODSフェライト鋼の強度特性（1）
100
1500
引張強さ（MPa）
SUS316
ODS鋼
SUS316
ODS鋼
80
破断伸び（%）
1000
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
8
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
10000
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
9
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
10
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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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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