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JP2000001754A - オーステナイト合金とそれを用いた構造物 - Google Patents

オーステナイト合金とそれを用いた構造物

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Publication number
JP2000001754A
JP2000001754A JP10170739A JP17073998A JP2000001754A JP 2000001754 A JP2000001754 A JP 2000001754A JP 10170739 A JP10170739 A JP 10170739A JP 17073998 A JP17073998 A JP 17073998A JP 2000001754 A JP2000001754 A JP 2000001754A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
less
phase
austenitic alloy
alloy
corrosion cracking
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10170739A
Other languages
English (en)
Inventor
Mitsuo Chikazaki
充夫 近崎
Shizuo Matsushita
静雄 松下
Jiro Kuniya
治郎 国谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP10170739A priority Critical patent/JP2000001754A/ja
Publication of JP2000001754A publication Critical patent/JP2000001754A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、軽水炉等の各種バネ,ピン,
ネジ,ワッシャ等に使用するに好適な耐応力腐食割れ性
に優れた高強度オーステナイト合金及びそれを用いた構
造物を提供する。 【解決手段】本発明は、C0.05%以下,Si0.1%
以下,Mn0.3% 以下,Cr18〜22%,Fe30
〜50%,Ni25〜40%,Al0.2〜1.0%及び
Ti0.7〜2%,Nb1.8〜6.5%を含み、2Al
+Ti+1/2Nbが2〜4.5% であり、オーステナ
イト相基地に主としてγ″相が析出していることを特徴
とするオーステナイト合金及びそれを用いた原子炉炉内
構造物にある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、新規なオーステナ
イト合金とその製造法に係り、特に軽水炉あるいは新型
転換炉の炉内構造部材や燃料要素等に用いられる高強度
で耐応力腐食割れ性に優れた析出強化型Fe−Ni系合
金構造物に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、軽水炉等の炉内構造部材や燃料要
素等には、インコネルX−750(以下,X−750合
金と云う)と称する高強度の析出強化型Ni合金が多用
されている。ところがこのX−750合金は、熱処理条
件によっては前記用途の使用環境において応力腐食割れ
感受性を示すことがあった(特許第2554048 号,特許第
2554049 号)。すなわち、X−750合金は通常0.0
4〜0.06%のCを含有(規格は0.08%C 以下)
しており、溶体化処理後に約700℃での時効処理(以
下直接時効)を施すと、結晶粒界に主としてCr炭化物
236 が優先的に析出して応力腐食割れ感受性が増加
する。また、約840℃と約700℃での2段階の時効
処理(以下2段時効)を施すと、結晶粒界に主としてT
iに富む金属間化合物Ni3(Al,Ti,Nb)のη相
やγ′相が優先的に析出してやはり応力腐食割れ感受性
が増加する。
【0003】0.04〜0.06%のCを含有する通常の
X−750合金では2段時効材に比較して直接時効材の
耐応力腐食割れ性が優れているので、一般には直接時効
材が用いられるが、上述したように耐応力腐食割れ性は
必ずしも十分であるとは云えず、より信頼性の高い部材
が要求されていた。なお、直接時効材における応力腐食
割れ感受性の原因は結晶粒界に析出したCr炭化物M23
6 と考えられているが、M236 の粒界析出を抑制す
るためにC含有量を低減すると、粒界析出物はM236
からη相やγ′相に変化して2段時効材と同様に耐応力
腐食割れ性が劣る結果となることが知られている。
【0004】特開昭62−199752号公報には応力割れ性に
優れたオーステナイト耐熱合金,特開平9−170054 号公
報にはガスタービン用オーステナイト合金が開示されて
いる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
に鑑み、軽水炉等の各種バネ,ピン,ネジ,ワッシャ等
に使用するに好適な耐応力腐食割れ性に優れた高強度オ
ーステナイト合金及びそれを用いた構造物を提供するこ
とにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、重量で、C
0.05%以下,Si0.1%以下,Mn0.3% 以下,
Cr18〜22%,Fe30〜50%,Ni25〜40
%,Al0.2〜1.0%及びTi0.7〜2% ,Nb
1.8〜6.5%を含み、2Al+Ti+1/2Nbが2
〜4.5% であり、オーステナイト相基地に主として
γ″相が析出していることを特徴とするオーステナイト
合金にある。
【0007】本発明は、更にMo3.5 重量%以下を含
むことを特徴とすること、又重量で、Co0.1%以
下,Cu0.1%以下,W0.1% 以下,V0.1% 以
下及びB0.001%以下であることを特徴とするオー
ステナイト合金にある。
【0008】本発明は、1/2Nb量がTi量又は2A
l量以上であることが好ましい。
【0009】本発明は、結晶粒界にCr炭化物,六方晶
η相又は斜方晶δ相が存在しないことが好ましい。
【0010】本発明は、重量で、C0.05%以下,S
i0.1%以下,Mn0.2% 以下,Cr18〜22
%,Fe30〜50%,Ni25〜40%,Al0.2
〜1.0%,Ti0.7〜2% 及びNb1.8〜6.5%
を含み、2Al+Ti+1/2Nb量が2〜4.5% で
あり、断面減少率で30%以上の冷間加工又は熱間加工
を施した後、好ましくは1000〜1200℃で溶体化
処理を施した後、好ましくは600〜800℃で時効処
理を施すことを特徴とするオーステナイト合金の製造法
にある。
【0011】また、前記溶体化処理時に未固溶のまま残
存した斜方晶δ相が粒状に分散しているのが好ましい。
【0012】本発明は、高温水環境下で他の部材と接触
し且つ引張り応力を受ける部材を有する構造物におい
て、該部材は重量比にてCr18〜22%,Fe30〜
50%,Ni25〜40%,Al0.2〜1%,Ti0.
7〜2%,NbとTaの合計1.8〜6.5%,C0.0
5%以下、好ましくは0.02%以下,Si0.1% 以
下,Mn0.2%以下,P0.01%以下,S0.01%
以下及び残部が不可避不純物からなり、オーステナイト
相基地に主としてγ″相が析出しており、2%≦2Al
+Ti+1/2Nb+1/4Ta≦4.5% の範囲内で
あり、好ましくは1/2Nb+1/4Ta≧Ti,2A
lを満足し、室温のヴィッカース硬さが300以上であ
ることを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れた構造物に
ある。
【0013】本発明の要素は、従来の高強度合金インコ
ネルX−750では結晶粒界にCr炭化物M236 やT
iに富む金属間化合物Ni3(Al,Ti,Nb)系の六
方晶η相等が優先的に析出して耐応力腐食割れ性が必ず
しも十分でなかったことに鑑み、Nbに富む金属間化
合物Ni3(Al,Ti,Nb,Ta)系の斜方晶δ相や
γ″相を主として結晶粒内に均一に析出・分散させるよ
うに、析出強化元素であるNb,Ti,Al等の含有量
を制御し、耐応力腐食割れ性の保持に有効なCr含有
量を18〜22%と高く保ち、耐応力腐食割れ性に好
ましくない影響を与えるSi,Mn,P,S,B等の含
有量を低減し、表面にCr酸化物を主体とした酸化皮
膜を形成させたことにより、高強度で高耐食なFe−N
i系合金構造物を得た点にある。
【0014】本発明の構造物では、主としてγ″相の析
出強化により高強度を得ているが、そのためには2%≦
2Al+Ti+1/2Nb+1/4Ta≦4.5%及び
1/2Nb+1/4Ta≧Ti,2Alを満足するのが
好ましい。2Al+Ti+1/2Nb+1/4Taが2
%未満では強度が不十分であり、この値が4.5% を超
えると析出強化性が飽和したり、延性や加工性が低下す
る。
【0015】この高強度Fe−Ni系合金構造物には、
3.5% 以下のMoを含有させることができる。
【0016】また、本発明のFe−Ni系合金構造物で
は、Fe含有量の増加と共にオーステナイト相基地中へ
のNi3(Al,Ti,Nb,Ta)の固溶限が減少し、
1000〜1200℃の溶体化処理後にNi3(Al,Ti,
Nb,Ta)が未固溶のまま残存しやすくなるが、溶体
化処理に先立って30%以上の冷間又は熱間加工を施す
ことにより溶体化処理時に未固溶のまま残存するδ相を
結晶粒内に均一に分散させてオーステナイト相基地の給
晶粒を微細に保つことができ、強度の低下を少なく抑え
ることができる。加工度が30%未満では、溶体化処理
後にδ相が板状あるいは棒状の形で局所的に存在しやす
くなり、応力腐食割れ進展速度が大きくなったり延性や
加工性が低下する。
【0017】さらに、本発明の構造物を酸化雰囲気中で
加熱すると表面にCr酸化物を主体とした酸化皮膜が形
成され、耐応力腐食割れ性をさらに向上させることがで
きる。なお、耐食性の向上にはNbの一部をTaで置換
することも有効で、これにより硫酸系水溶液中での耐食
性等を向上させることができる。
【0018】本発明合金における(Ni/Cr)比は
1.0〜2.0が好ましい。
【0019】本発明において、配合される各元素の配合
量について説明する。
【0020】Cは従来のX−750合金やステンレス鋼
では主にCrと結合してM236 なるCr炭化物を結晶
粒界に優先的に形成する。本発明の構造物ではCは主に
MC(MはNb,Ta,Ti等)炭化物等として存在
し、Cが0.05% を超えるとMC炭化物として固定さ
れるNb,Ta,Ti等が増加して逆に有効析出強化元
素含有量が減少する。従って、Cを0.05% 以下、好
ましくは0.02% 以下とした。特に、0.005〜0.
02%が好ましい。
【0021】Siは合金中の不純物として酸素を取除く
作用を持つが、反面0.1% を超えると耐応力腐食割れ
性が低下する。従って、Siを0.1% 以下とした。好
ましくは0.01〜0.05%である。
【0022】Mnは合金中の不純物としてのSを取除く
作用を持つが、反面0.3% を超えると耐応力腐食割れ
性が低下する。従ってMnを0.3% 以下とした。好ま
しくは0.01〜0.2%である。
【0023】Crは耐応力腐食割れ性を保持する上で最
も重要な元素であり、18%以上含有させる必要がある
が22%を超えるとNi3(Al,Ti,Nb)の固溶限
が減少して析出強化性が飽和し、また延性を損なう。従
って、Crを18〜22%、好ましくは18.5〜22
%とした。
【0024】NiはAl,Ti,Nb,Taと結合して
Ni3(Al,Ti,Nb,Ta)なるγ″相を主に析出
して強度を高くする。γ″相による明らかな析出強化性
を与えるためにはNiを25〜40%とし、好ましくは
25〜39%とし、Alを0.2% 以上、Tiを0.7
% 以上およびNbとTaの合計を1.8% 以上含有さ
せる必要があり、NbやTaの量を増加させ、かつAl
及びTiを添加することにより高強度のFe−Ni系合
金を得ることができる。なお、Alを1%,Tiを2
%,NbとTaの合計を6.5% を超えて添加しても、
Fe−Ni系合金ではNi3(Al,Ti,Nb,Ta)
の固溶限が限られているために析出強化性が飽和した
り、延性や加工性が低下する。従って、Alを0.2〜
1% 、好ましくは0.35〜0.7% 、Tiを0.7〜
2%、好ましくは0.7〜1.49%、NbとTaの合計
を1.8〜6.5%とした。尚、TaはNbと一緒に製造
されるもので、NbとTaとを別々に分離したもの、し
ないものでもよい。
【0025】本発明では、Si,Mnと同様にP,Sも
耐応力腐食割れ性に悪影響を及ぼすため、PおよびSは
0.01% 以下にするのが好ましい。
【0026】MoはCrにより高められた耐応力腐食割
れ性を補完し、耐孔食性,耐すきま腐食性を向上させる
ので、含有させることが好ましいが、3.5% を超える
と析出強化性が低下したり延性や加工性を阻害する。添
加する場合には1.0〜3.5%が好ましい。
【0027】また、本発明においては、熱間加工性,冷
間加工性の改善のために、通常用いられるHf,Y等の
希土類紫素、あるいはMg,Caを0.1% まで含有さ
せても、得られる性能に影響を及ぼすことはない。たと
えば、Mg,Caの場合、熱間・冷間加工性を改善する
には、0.0004〜0.1%添加するのがよい。
【0028】
【発明の実施の形態】〔実施例1〕表1は代表的な本発
明の実施例および比較例の化学組成を示す。実施例材A
〜Eおよび比較例材F〜Jは、いずれも二重真空溶解し
て得たインゴットを熱間鍛造,圧延した後、1000〜
1200℃で溶体化処理し、次いで600〜800℃で
時効する熱処理を施して高温水中隙間つき定ひずみ応力
腐食割れ試験(以下、隙間SCC試験と云う)および室
温における硬さ測定を行った。いずれの合金も、P及び
S量は0.01%以下である。
【0029】
【表1】
【0030】図1に隙間SCC試験の概要を示す。試験
には厚さ1mmの板状試験片1を用いた。ステンレス鋼製
ホルダ2をボルト3で締めつけ、均一曲げ歪(2%)を
付与すると共に、凸側表面にグラファイト・ウール4を
挟んで隙間を形成させた状態で高温水中に浸漬した。こ
の高温水は288℃で約8ppm の溶存酸素を含む再生循
環純水である。500時間連続浸漬後に取り出した試験
片の断面を顕微鏡観察し、隙間SCCの割れ深さを測定
した。
【0031】実施例材A〜Eおよび比較例材F〜Iはい
ずれもオーステナイト相基地に主としてγ″相を有する
組織、また比較例材Jは主としてγ′相を有する組織で
あった。
【0032】隙間SCC試験および硬さ測定結果を表2
に示す。本発明の実施例材A〜Eでは、いずれも硬さが
300以上で、隙間割れ深さは20μm以下となり良好
な耐応力腐食割れ性を示した。
【0033】
【表2】
【0034】一方、比較材F〜JのうちF,Gでは耐応
力腐食割れ性は良好であるが、硬さは300以下で不十
分となった。FはNi含有量が少なく、GはCr含有量
が多く、いずれもγ″相による析出硬化が十分進行しな
かったと考えられる。比較材HはCr,Niともに本発
明の範囲内であるが、(2Al+Ti,1/2Nb)の
値が4.76% と本発明の適正範囲を超えており、加工
性が悪く健全な隙間SCC試験片を作製できなかった。
比較材Iは硬さは300以上となるが、Cr含有量が少
なく隙間割れ深さが50μmを超えた。また、比較材J
では従来の高強度X−750合金と同様のγ′相による
析出強化が認められ、硬さは300を超えるが、耐応力
腐食割れ性が十分でない。
【0035】〔実施例2〕表3は本発明の他の実施例を
示す。二重真空溶解して得たインゴットを熱間鍛造,圧
延した後、実施例1と同様の熱処理を施して隙間SCC
試験および室温における硬さ測定を行った。いずれの合
金も、Mn0.2%以下,Si0.1%以下,P0.01
%以下,S0.01%以下である。
【0036】
【表3】
【0037】
【表4】
【0038】隙間SCC試験および硬さ測定結果を表4
に示す。本発明の実施例材K〜Mは、上記実施例材Aに
おけるNbの一部をTaで置換したものである。Nbの
一部をTaで置換すると、最高硬さ(強度)が得られる
時効処理温度が高温側に移動して得られる硬さの値が3
89〜402と大きくなる。また、実施例材K〜Mは隙
間SCC試験における割れ深さも20μm以下となり良
好な耐応力腐食割れ性を示す。NbとTaの合計を6.
5% 超えて添加しても析出強化性は飽和する傾向で、
強度向上は期待できないことを確認している。
【0039】以上のように、本発明によれば、軽水炉等
の高温水中で高応力や隙間条件が伴う使用条件下におい
ても応力腐食割れを生じることのない高強度で高耐食な
Fe−Ni系合金構造物が得られる。なお、本発明のF
e−Ni系合金では析出強化元素であるAl,Ti,N
b,Ta等の含有量を2%≦2Al+Ti+1/2Nb
+1/4Ta≦4.5% に制限しているが、オーステナ
イト相基地中へのNi3(Al,Ti,Nb,Ta)の固
溶限がFe含有量の少ないNi系の析出強化型合金に比
較して小さいため、1000〜1200℃の溶体化処理
後に未固溶のNi3(Al,Ti,Nb,Ta)がしばし
ば残存するが、その場合には溶体化処理に先立って30
%以上の冷間又は熱間加工を施して、未固溶相をオース
テナイト相基地中に均一に分散させることが必要で、こ
れにより強度と耐食性とを両立させることができる。ま
た、部材表面に酸化皮膜を形成させることにより、耐食
性を一層向上させることができる。
【0040】さらに、本発明の合金にMgおよびCaの
少なくとも1種を0.0004〜0.1%含有させても何ら
その有効性を失なうものではない。また、B含有量を1
0ppm 以下とすれば、応力腐食割れ感受性が一層小さく
保たれることを確認している。
【0041】〔実施例3〕図2は実施例1及び2のオー
ステナイト合金を用いたBWR原子炉内構造物の断面図
である。図中、Aは燃料集合体の上部への適用個所、B
はジェットポンプへの適用個所、Cは燃料集合体の下部
への適用個所、Dは制御棒駆動機構への適用個所を示す
ものである。
【0042】図3は前述Aの燃料集合体の上部への適用
例であるキャップスクリュウ6,スプリング7及びガー
ド8を示す断面図である。いずれの部品も実施例1及び
2に記載のオーステナイト合金を熱間又は冷間加工後に
最終形状に加工した後に、時効処理したものである。時
効処理は大気中で行い、表面に緻密な酸化皮膜を形成さ
せたものである。
【0043】図4(a)は前述Cの燃料集合体の下部へ
の適用例であるスプリング10を示す断面図及び(b)
はその平面図である。スプリング10は下部タイプレー
ト11にボルト19によって固定され、チャネルボック
ス9に接触している。本実施例でのスプリング10も前
述と同様に製造される。(b)に示す様にスプリング1
0は下部で8ケに分割されているが、上部では全体で一
体につながっている。
【0044】図5は前述Bのジェットポンプへの適用例
であるビーム12を示す断面図である。ビーム12はジ
ェットポンプのエルボ管13に設けられた押え21に支
持され、ボルト・ナット20によって下から押し上げる
形で曲げ力を受けて固定されている。この曲げ力は強力
であるので、これに用いる材料は高強度で、耐応力割れ
性が高いものでなければならない。ビーム12は前述A
と同様に製造される。図6は前述Dの制御棒駆動機構へ
の適用例であるエクスパンションスプリング16の適用
状況を示す断面図である。図7はそのエクスパンション
スプリング16の斜視図である。エクスパンションスプ
リング16は前述と同様に冷間加工後、最終形状の円柱
状に加工した後に、大気中にて時効処理を施して用いら
れる。エクスパンションスプリング16はそのバネ力に
よってインデックスチューブ14にその内周面にグラフ
ァイトシール15を3分割してインデックスチューブ1
4に密着させるものである。
【0045】図8は同じく制御棒駆動機構への適用例で
あるコイルバネからなるガータスプリング17の適用状
況を示す断面図である。図9はガータスプリング17の
正面図である。ガータスプリング17はそのバネ力によ
ってピストンチューブ18の外周面にグラファイトシー
ル15を密着させるものである。グラファイトシール1
5は図に示す様に6分割されているので、それを押える
ものである。ガータスプリング17はエクスパンション
スプリング16と同様に製造される。
【0046】本実施例はインターナルポンプを使用する
ABWRへの適用も可能であり、原子炉の安全性をより
高めることができる。
【0047】
【発明の効果】本発明によれば、軽水炉あるいは新型転
換炉の炉内構造部材や燃料要素等に用いられる高強度構
造物の耐応力腐食割れ性を向上することができ、軽水炉
等の機器の安全性を高め、その寿命を延長することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】隙間SCC試験例の説明図。
【図2】原子炉炉内構造物の断面図。
【図3】燃料集合体の上部への適用例を示す断面図。
【図4】燃料集合体の下部への適用例を示す断面図。
【図5】ジェットポンプへの適用例を示す断面図。
【図6】制御棒駆動機構への適用例を示す断面図。
【図7】エクスパンションスプリングの斜視図。
【図8】制御棒駆動機構への適用例を示す断面図。
【図9】ガータスプリングの正面図。
【符号の説明】
1…試験片、2…ステンレス鋼製ホルダー、3,19…
ボルト、4…グラファイト・ウール、5…原子炉圧力容
器、6…キャップスクリュウ、7,10…スプリング、
8…ガード、9…チャンネルボックス、11…タイプレ
ート、12…ビーム、13…エルボ管、14…インデッ
クスチューブ、15…グラファイトシール、16…エク
スパンションスプリング、17…ガータスプリング、1
8…ピストンチューブ。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量で、C0.05%以下,Si0.1%以
    下,Mn0.3%以下,Cr18〜22%,Fe30〜
    50%,Ni25〜40%,Al0.2〜1.0%及びT
    i0.7〜2%,Nb1.8〜6.5%を含み、2Al+
    Ti+1/2Nbが2〜4.5%であり、オーステナイト
    相基地に主としてγ″相が析出していることを特徴とす
    るオーステナイト合金。
  2. 【請求項2】請求項1において、Mo3.5 重量%以下
    を含むことを特徴とするオーステナイト合金。
  3. 【請求項3】請求項1又は2において、重量で、Co
    0.1%以下,Cu0.1%以下,W0.1% 以下,V
    0.1%以下及びB0.001%以下であることを特徴と
    するオーステナイト合金。
  4. 【請求項4】請求項1〜3のいずれかにおいて、1/2
    Nb量がTi量又は2Al量以上であることを特徴とす
    るオーステナイト合金。
  5. 【請求項5】請求項1〜4のいずれかにおいて、結晶粒
    界にCr炭化物,六方晶η相又は斜方晶δ相が存在しな
    いことを特徴とするオーステナイト合金。
  6. 【請求項6】重量で、C0.05%以下,Si0.1%以
    下,Mn0.2%以下,Cr18〜22%,Fe30〜
    50%,Ni25〜40%,Al0.2〜1.0%,Ti
    0.7〜2%及びNb1.8〜6.5%を含み、2Al+T
    i+1/2Nb量が2〜4.5%であり、断面減少率で3
    0%以上の冷間加工又は熱間加工を施した後、溶体化処
    理を施した後、時効処理を施すことを特徴とするオース
    テナイト合金の製造法。
  7. 【請求項7】請求項6において、前記溶体化処理時に未
    固溶のまま残存した斜方晶δ相が粒状に分散させること
    を特徴とするオーステナイト合金の製造法。
  8. 【請求項8】高温水環境下で他の部材と接触し且つ曲げ
    又は引張り応力を受ける部材を有する構造物において、
    前記部材は請求項1〜5のいずれかに記載のオーステナ
    イト合金よりなることを特徴とする構造物。
  9. 【請求項9】請求項8において、前記部材は軽水炉内で
    他の部材と接触し引張り応力が付加されているバネ,ピ
    ン,ネジ,ワッシャの少なくとも1つであることを特徴
    とする構造物。
  10. 【請求項10】請求項8又は9において、前記部材の表
    面にCr酸化物を主体とした酸化皮膜が形成されている
    ことを特徴とする構造物。
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