JPS58197215A - オ−ステナイト系ステンレス鋼の耐食性改善法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼が使用される
機器、配管等の耐食性を改善する金属材料表面の加工法
に関するものである。

一般に、原子炉再循環系配管等の腐食環境下で使用され
る金属材料については、耐食性の強いオーステナイト系
ステンレス鋼の使用されることが多いが、該オーステナ
イト系ステンレス鋼も引張応力下で使用された場合には
、応力腐食割れおよび疲労腐食割れの感受性の高くなる
ことが知られている。との引張応力による影響は、外部
からの応力の細円部応力によっても生ずるものであシ、
特に金属材料を加工したときに発生する残留応力は、溶
接、グラインダ加工、切削加工等一般に引張応力となる
から応力腐食割れについては不利な傾向となる。

そこで従来よシ、部材の残留応力を圧縮応力として応力
腐食割れ強度を向上させる工夫がなされており、例えば
溶接部については、溶接後の配管に冷却水を流し、部材
外表面を高周波加熱コイルで加熱後冷却する方法が提案
されている。

しかしこの方法は、圧力容器のノズルコーナーのように
板厚の厚いもの、或いは各種軸のように中央相１のもの
に対しては適用できないとい５Ｈ点がある。

また、前述したグラインダ加工、切削加工等が部材に対
して残留引張応力を生じさせるのに比べて、鍛造、圧延
加工と、表面加工法としてのエメＩＪ　−ヘ−／４’〜
研磨、ショットピーニングが残留圧縮応力を生じさせる
加工として知られているが、このうち前者の鍛造、圧延
加工は既に部材として形造られたものには使用できない
という問題がある。

したがって、オーステナイト系ステンレス鋼の応力腐食
割れ感受性を抑えるためには、前記したエメリーに−・
平−研磨やショットピーニングの加工を行なうことが、
前記ステンレス鋼の内表面残留応力を圧縮側とさせると
いう意味から有効であるということができる。

ところで、ここでオーステナイト系ステンレス鋼の耐食
性に関してはもう一つの問題がある。

すなわち、とのオーステナイト系ステンレス鋼が優れた
耐食性をもつのはオーステナイト相が単相で存在する場
合について言えるものであって、変態によってマルテン
サイト相が形成されると、とのマルテンサイト相自身は
オーステナイト相忙比べて耐食性に劣るために亀裂発生
の虞れが増大する他、オーステナイト相との相聞応力の
悪影響、両相での局部電位による腐食割れの促進の可能
性、更には熱応力を受ける場合において両相の線膨張率
の差が熱疲労を増大させて強度を低下させるなど、耐食
性低下を招致する種々の問題を生ずるという点である。

このマルテンサイト変態は、既知の如く焼入れや塑性加
工によって生ずることが知られ、後者については加工条
件にもよるが前記したエメリーペー・９−研磨やショッ
トピーニングの場合に、前者で約３０チ程度、後者で約
４２％程度がマルテンサイトに変態するとされている。

このため、前記したエメリーペーパー研磨やショットピ
ーニングを行なって金属内表面に残留圧縮応力を生じさ
せても、別にこの加工がマルテンサイト変態を生じさせ
る原因となれば応力腐食割れ強度や腐食疲労割れ強度の
改善に結びつかないことが考えられるから、前記加工は
マルテンサイト変態を生じない状態で行なうことが必要
となる。

そこでこの問題を考えるに、既知の如く、加工によシ歪
惹起マルテンサイト変態を生じさせるには温度条件があ
って、Ｍｄ点以下の温度でこれを行なうことが必要とさ
れているから、逆にこのＭｄ点以上の温度で残留圧縮応
力を生じさせるような前記加工を施せば、マルテンサイ
ト相を生成することなく所望する残留圧縮応力をオース
テナイト系ステンレス鋼で構成される部材に与えるとと
か（５） できることになる。

而して、オーステナイト系ステンレス鋼の応力腐食割れ
や腐食疲労割れを防止するためには、歪惹起マルテンサ
イトを生ずる温度の上限Ｍｄ点以上で、金属内表面に残
留圧縮応力を生じさせる塑性加工としてのエメリーペー
パー研磨やショットピーニングを行なうことが有効であ
るということができ、特にショットピーニングの方が表
面での残留圧縮応力が高く、かつ深い部分まで圧縮応力
に、なるという点で有利であるから、加工法としてはこ
のショットピーニングを主とし、更に必要に応じてエメ
リー（−・千−研磨を補助的に行なうことがよ込ものと
なる。

ところで、以上のようなオーステナイト系ステンレス鋼
の耐食性改善手法につき更に詳細に検討してみると、シ
ョットピーニングで加工された金属表面の平均的な残留
応力は高い圧縮応力となっているのであるが、局所的に
は残留引張応力となっている部分のあることが考察され
た。

これは、ショットピーニングした表面近傍の残（６） 留応力分布を測定した結果をみると、表面から０．１〜
０．２間の深さで残留圧縮応力は極大値を示して表面で
はこれよりもある程度近い値となっているから、塑性変
形の不均一さのために表面近傍では局所的に非常に低い
残留圧縮応力、ないし残留引張応力となっている部分の
あることが示唆されるためである。

本発明は以上のような実状に鑑み、ショットピーニング
によって金属内表面に残留圧縮応力を付与する加工にお
いて、その塑性加工の不均一さに起因する前述した問題
点は、ショット径を順次小径のものに移行させてピーニ
ングを行なうととにより補正できることを見い出してな
されたものである。

而して本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼を歪惹
起マルテンサイト変態の生ずる上限温度Ｍｄ点よりも高
い温度で塑性加工し、その表面に残留圧縮応力を付与さ
せるにあたり、その塑性加工法としてショットピーニン
グを採用すると共に、ショット径を大径のものから小径
のものに順次移行させてピーニングを行ない前記オース
テナイト系ステンレス鋼の耐食性を改善することを特徴
とするものである。

ｋお、ショットピーニングによシ加工された金属表面は
、更にエメリーペーパー研磨によって表面凹凸がなくな
るまで研磨するととて一層良好な残留圧縮応力状態とな
ることが確認されている。

また、オーステナイト系ステンレス鋼で構成される部材
のうち、軸のキー溝部等はその形状から割れの発生し易
い部分であり、このコーナ一部に対して前記ショットピ
ーニングの加工をそのまま施すと該コーナ一部の肩が垂
れ、ここが新たな割れの起点になることが考えられる。

したがってこれを防止するためには、部材の機能上にお
いて支障とならない範囲で前記コーナ一部の角を丸めて
おき、ショット径の小さなものでピーニングを行なって
加工硬化させながら順次ショット径を大きくしていくこ
とにより、肩の垂れを防止して高い残留圧縮応力を付与
し、この後ショット径を順次小径のものに移行しながら
ピーニングを行なって表面の塑性加工の不均一性を補正
し、更に必要に応じてエメリーペーパー研磨を施すよう
にすればよい。

以下図面を参照して、本発明を更に詳細に説明する。

第１図はオーステナイト系ステンレス鋼で構成される部
材（以下単に部材と称する）を旋削加工した場合の部材
表面深さ方向に関しての応力分布の一例を示しておυ、
同図から、部材表面では１００　ｋｇ”／　２に近い大
きな引張力の状態となシ、簡 約１５μｍの深さで残留応力は圧縮側となって約４０μ
ｍ付近で極小となった後、略零付近まで圧縮応力は漸減
していることが理解されよう。ことで表面で現われる高
い引張応力′が応力腐食割れの点で不利となるととは既
に述べた通りである。

第２図は、前記した旋削加工後の部材表面をす３２０の
二メリーペーパーで研磨したときの研磨回数と、部材表
面の残留応力変化の関係を示したものであり、前記した
部材表面の高い引張応力も研磨によって低下し、研磨５
回で圧縮側となった（９） 後、研磨２０回程度で圧縮応力３０　”ｆ４２程となっ
て飽和している。

そしてこのようなエメリー（−パー研磨を充分行なった
ときの部材表面の深さ方向での残留応力分布は、第１図
と第２図を重畳した第３図の形となシ、同第３図から理
解されるように、エメリーペーパー研磨による加工法で
は残留応力を圧縮側に補正する加工層が極めて薄い状態
となっている。

第４図は、前記した旋削加工した部材をショット径０．
５簡のものでピーニングした場合の部材深さ方向に関し
ての残留応力分布を示したものであり、同図から、部材
表面で約４５ｋｇ°ｆ４２の圧縮応力とな軌約１００μ
ｍの深さで７０　”’／−２の圧縮応力の極大値となっ
た後漸減するが、約７００μｍ・の深さでも圧縮側とな
っていることが理解されよう。なお同図で部材表面近傍
の圧縮応力が若干低くなっているのは、塑性加工による
表面粗さのために若干開放されているため等の理由が考
えられるが、この点については後述する。

ここで第３図と第４図を対比すると、部材表面（１０） に残留圧縮応力を付与する加工としてのエメリーヘー・
り一研磨とショットピーニングは、後者ショットピーニ
ングの方が残留圧縮応力が高く、かつ深い所まで圧縮側
となるので、応力腐食割れ等の耐食性改善法として有利
であることは明らかであシ、前者エメリーペーパー研磨
については、必要に応じてこれを補助的に採用すること
がよい。

また、これらの加工については、加工時の温度条件によ
って部材にマルテンサイト変態を生じさせることがあっ
て、との変態によって生じたマルテンサイト相は既に述
べたように応力腐食割れ強度の上では不利な傾向のもの
となるから、前記したショットピーニング、エメリ−ヘ
−ノ＋−研磨ハ、部材の歪惹起マルテンサイト変態を生
じさせる上限温度Ｍｄ点よυも高い温度で行たっている
ことは言うまでもない。

次ぎに、第４図の説明において、部材表面近傍、１ の残留圧縮応力が若干低くな鬼ているのは表面粗さのた
め若干開放しているためとした点につき述べると、第５
図に示すように、ショットピーニングを充分時間をかけ
て行なった場合にも、局所的には表面にショットが当ら
ない部分（第５図の符号２の部分）があると考えられ、
ショットが当った真下の部分（第５図の符号１の部分）
は表面に平行する方向に引張を受けるような形で変形す
るので、結果として充分大きな残留圧縮応力となるが、
他方前記ショットの当らなかった部分ではこの場合反対
に圧縮変形を受けることになるから、結果として部材表
面に残留引張応力が残されることも考えられ、これが結
局部材表面の平均的残留圧縮応力の低下として現われる
ことになっていると理解されるのである。

この傾向は、ショット径が大きいものほど大きく生じ、
このことは小径のショットを部材表面に、当てた場合と
して示した第６図との対比からも明らかであろう。

したがって小径のショットを用いてピーニングを行なえ
ば、表面粗さに基づく前述の難点も解消されるが、反面
、付与すべき残留圧縮応力の大きさ、および部材の深い
所までの圧縮応力付与のためにはショット径が大きい方
が有利である。

これらのととからして、本発明においては、初めに所定
の大径ショットを用いてピーニングすることによシ、付
与する残留圧縮応力の大きさ、圧縮応力側とする深さに
ついて、望ましい応力分布の状態を定め、この後、大径
のショットを用いた場合の難点となる部材表面の粗さを
、ピーニングするショット径を順次小径のものに移行さ
せることによって補正し、更には、必要に応じて最終段
階の表面加工としてエメリーペーパー研磨を施すように
したのである。

第７図は、このようにしてピーニングするショット径を
順次小さくしていき（本例では、図の符号＆、１ｂ１ｅ
ｌｄに対応してショット径を、０．５　ｍ。

０．３ｍ　、　０．２ｍ　、　Ｏ１１箭とした）、最終
段階としてエメリーペー・や−研磨（図の符号ｅ）した
場合の部材深さ方向に関しての応力分布を示しておシ同
図から明らかであるように、部材表面近傍の残留圧縮応
力は順次増大して、結果として部材表面の残留応力が均
一化されることが解かる。これら（１３） の加工を、いずれも温度条件Ｍｄ点以上で行なっている
ことは言うまでもない。

なお、前記第７図の応力分布において、深さ０、１　ｍ
以上の所では初めの０．５　ｖｍ径のショットによって
加工硬化を生ずるために、以後の小径ショットによるピ
ーニングでは殆んど変化は生じていない。

以上述べた本発明方法におけるショット径を順次大径の
ものから小径のものに移行させるについては、その順次
段階のショット径変化、必要な順次段数を、対象となる
部材の形状・組成等に応じて適宜選定して行なえばよい
。　。

第８図は、本発明を適用する対象部材の一つであるオー
ステナイト系ステンレス鋼で構成される゛キー溝をもっ
た軸を示しているが、このような段差部があってコーナ
一部分を有する部材に対しては、前述し゛たショット径
を大径のものから順次小径のものに移行させるというシ
ョットピーニングの加工をそのまま適用するには問題を
生ずる。

この問題は既に述べているように、初期の大径（１４） ショットによってコーナ一部の肩が垂れ（第９図参照）
、第９図の矢印３ないし４に示す部分から亀裂を発生さ
せる虞れが大きくなるからである。

そこでこのようなコーナ一部を有する部材に対してショ
ット径を大径のものから小径のものに順次移行させなが
らショットピーニングするという加工を行なうにあたっ
ては、この加工に先立って為まずコーナ一部の肩を例え
ば最大ショット径の５０〜７０％程度の曲率半径で丸め
る前処理加工を施しく第１０図参照）、次ぎにショット
ピーニングを小径のものから始めて順次最大径のものに
至るまで移行させんから、該コーナ一部分を徐々に加工
硬化させてその肩が垂れるのを防ぎ、この後、表面の粗
さが局所的な残留引張応力を残すことの原因となる点を
補正解消するために、前記第７図で示したと同様の手法
、すなわちショット径を大径のものから小径のものに順
次移行させながらショットピーニングを行ない、更に必
要に応じてエメリーペーパー研磨を行なうようにすれば
よく、このことによってショットピーニングによるコー
ナ一部の肩の垂れの問題は効果的に解消されるものとな
った。

以上の説明から理解されるように、本発明によれば、例
えば原子炉機器、配管等のように腐食環境下で使用され
るオーステナイト系ステンレス鋼の応力腐食割れの防止
、腐食疲労強度の増大など耐食性の向上に効果があり、
特に原子カプラントのような装置類に対しての信頼性の
向上、運転時間の延長、定期検査等の保守点検作業頻度
の低減などには極めて有益なものとなシ、その有用性は
犬なるものである。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれもオーステディト系ステンレス鋼によって
構成される部材の加工による残留応力変化、又は応力分
布を説明するだめの図であシ、第１図は部材表面を旋削
加工した場合の表面近傍の残留応力分布図、第２図は旋
削加工後の部材表面をエメリーペーパー研磨したときの
研磨回数と表面残留応力変化の関係を示しだ図、第３図
は同研磨後の部材表面近傍の残留応力分布図、第４図は
旋削加工後にショットピーニングを行なったときの部材
表面近傍の残留応力分布図、第５図は大径のショットで
ピーニングしたときの部材表面性状を示す図、第６図は
小径のショットでピーニングしたときの部材表面性状を
示す図、第７図は本発明を適用した場合の部材表面近傍
の残留応力分布の変化を示した図、第８図はキー溝を有
する軸の断面図、第９図はショットピーニングによって
コーナ一部分の肩が垂れた状態を示す図、第１０図はシ
ョットピーニングに先立ってコーナ一部の角を丸めた状
態を示す図である。 １ニジヨツトの当たる部分 ２ニジヨツトの当らない部分 （１７） １ ０　　　　ノｏｏ　　　　：２ｏｏ　　　　、３ｏ。 着　Ｑ　（ｐが） ｋ升磨回数 第５図 ０妥４ １χ 第８図 第６図 第７図 ３鼠で仏プ） 第９図 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）オーステナイト系ステンレス鋼を、歪惹起マルテ
   ンサイト変態の生ずる上限温度Ｍｄ点よシも高い温度で
   塑性加工し、その表面に残留圧縮応力を付与させるオー
   ステナイト系ステンレス鋼の表面加工法において、前記
   塑性加工としてショットピーニングを採用すると共に、
   そのピーニングするショット径を大径のものから小径の
   ものに順次移行させることを特徴とするオーステナイト
   系ステンレス鋼の耐食性改善法。
2. （２）　　オーステ”ナイト系ステンレス鋼を、歪惹起
   マルテンサイト変態の生ずる上限温度Ｍｄ点よシも高い
   温度で塑性加、工し、その表面に残留圧縮応力を付与さ
   せるオーステナイト系ステンレス鋼の表面加工法におい
   て、６前記塑性加工としてショットピーニングを採用す
   ると興に、前記ステンレス鋼で構成される部材のコーナ
   一部に対しては、そのコーナ一部の曲率・半径を大きく
   した後、前記ピーニングするショット径を小径のものか
   ら大径のものに移行させ更にこの後小径のものに順次移
   行させることを特徴とするオーステナイト系ステンレス
   鋼の耐食性改善法。