专利名称:原子反应堆部件的表面处理方法和使用该表面处理方法的原子反应堆部件的制造方法
技术领域：
本发明涉及加压水型原子反应堆用的燃料集合体，特别是涉及上部喷嘴的板簧(leaf spring)的表面处理方法。
背景技术：
图4是一般在加压水型原子反应堆中使用的燃料集合体的简图，图5是板簧的简图。在图4中，燃料集合体1由以下部分构成上下分离配置的上部喷嘴2和下部喷嘴3；多个栅格4，在上述喷嘴2和喷嘴3之间以规定间隔配置，并且具有由固定夹板(strap)形成的栅格空间；控制棒导向管5，以规定的配置插入贯通在栅格4的栅格空间内，并由栅格4的固定部固定，同时其各个上下端部与上部喷嘴2和下部喷嘴3连接；多个燃料棒6，由栅格4的支持部弹性地支持。燃料集合体1在炉心(未图示)内，由炉内结构体的上部炉心板7和下部炉心板8保持。
设在上部喷嘴2和上部炉心板7之间的板簧9配置在上部喷嘴2上。该板簧9具有这样的功能，即吸收燃料集合体1由于辐射而伸长、燃料集合体1和炉内结构体之间的热膨胀差，并防止从下方流入的冷却水使燃料集合体1上浮。
一般，燃料集合体1可以根据燃料棒6的排列数被分为17×17型、15×15型、14×14型等。图5作为一个例子，示出了17×17型的板簧9的结构。板簧9由上部弹簧10和下部弹簧11构成，下部弹簧11由两片板材构成。
图5(b)是由图5(a)的点划线所围的A部分的放大详细图，从该图中可以看出，上部弹簧10具有弯曲部12和铅直部13，铅直部13上设有台阶部14。在下部弹簧11上设有通孔15，当将上部弹簧10的铅直部13插入通孔15中时，上部弹簧10和下部弹簧11在台阶部14处接触，而成为一体的结构。
此外，为了固定在上部喷嘴2上，板簧9的基部16形成水平结构，即形成与上部喷嘴2的上表面平行的结构，并通过安装螺栓17固定在上部喷嘴2上。另一方面，板簧9为了产生压紧力，其上端(弯曲部12附近)形成与上部炉心板7接触的形状。因此，板簧9在其基部16附近以较大的角度向上方弯曲。为了获得必需的弹力，板簧9的材料使用耐力高的析出硬化型镍合金(例如铬镍铁合金(Inconel)718)。
一般，燃料集合体1在原子反应堆内浸渍在一次冷却材料中而使用，但板簧9在原子反应堆内使用时会产生应力，高温的一次冷却材料可能会使板簧9产生应力腐蚀裂纹(SCC)。此外，也应考虑与一次冷却材料接触的板簧材料的表面状态受到应力腐蚀裂纹(SCC)的影响。
以下利用图6，对现有技术中的板簧制造工艺进行说明。如上所述，由于板簧9的基部16固定在上部喷嘴2上，所以必须形成水平结构，但为了产生必要的压紧力，其上端形成与上部炉心板7接触的形状。因此，进行弯曲加工，使板簧9的基部16向上方弯曲(步骤1)。由于该弯曲加工以较大的角度进行，所以从加工性的角度考虑，必须在热处理(步骤2)之前进行。
但是，存在这样的问题，即由于在热处理前进行弯曲加工，所以在弯曲加工部分上会附着热处理产生的氧化膜，该氧化膜会导致形成缺铬(Cr)层。为了去除该氧化膜，通常对表面进行研磨处理，但由于是在弯曲加工(步骤1)之后进行的，难以用通常的磨削工艺进行研磨，所以现在都是对弯曲加工部不进行研磨。因此，在弯曲部除了由于弯曲加工而残留的加工硬化层，还由于该氧化膜而形成缺铬层，所以可能会降低板簧9的耐应力腐蚀裂纹特性(耐SCC特性)。
此外，板簧9的表面处理现在采用这样的方法，即在进行热处理(步骤2)后的最终机械加工之后(步骤3)，为了保证产品的美观，通过玻璃丸喷丸(GBB，glass bead blasting)处理来去除氧化膜。但是，通过该玻璃丸喷丸(GBB)去除金属部分的缺铬层是很困难的，如果进行过强的玻璃丸喷丸(GBB)，则担心会产生新的加工硬化层，这是所不希望的。
上述问题被认为是在低应力条件下产生应力腐蚀裂纹(SCC)的潜在原因。即，缺铬层使表面的耐腐蚀性恶化，而表面加工硬化层容易产生初期裂纹。
因此，本发明就是为了解决上述现有技术的问题而提出的，其主要目的是提供一种有效地去除表面层即缺铬层和加工硬化层的原子反应堆部件表面处理方法。
发明内容
为了实现上述目的，本发明的技术方案1提供一种原子反应堆部件的表面处理方法，在对上述原子反应堆部件进行弯曲加工之后进行热处理，由于该弯曲加工而形成加工硬化层，同时由于在该热处理中附着的氧化膜而形成缺铬层，其特征在于，为了从上述原子反应堆部件上去除上述加工硬化层和上述缺铬层，使用酸洗、研磨、电解研磨、放电加工、表面切削、表面脱氧·软化、湿喷丸和激光加工中的任意一种方法。
此外，本发明的技术方案2提供一种原子反应堆部件的表面处理方法，在对上述原子反应堆部件进行弯曲加工之后进行热处理，由于该弯曲加工而形成加工硬化层，同时由于在该热处理中附着的氧化膜而形成缺铬层，其特征在于，为了防止上述原子反应堆部件的加工硬化层和缺铬层与一次冷却材料的接触，而进行表面电镀。
通过上述表面加工方法进行表面处理，可以去除原子反应堆部件表面的缺铬层和表面加工硬化层，或者可以防止缺铬层和加工硬化层与一次冷却材料的接触。
优选进行表面处理，使得研磨量为1μm～100μm的范围内、表面粗糙度为0.1a～0.4a的范围。此外，还优选进行表面处理，使得研磨量为75μm、表面粗糙度为0.2a。作为应用本发明的原子反应堆部件，优选是设在加压水型原子反应堆用燃料集合体的上部喷嘴上的板簧。
根据本发明的另一方面，原子反应堆部件的制造方法由以下工艺构成(i)弯曲加工工艺，将上述原子反应堆部件弯曲至规定的角度；(ii)热处理工艺，对被弯曲加工后的上述原子反应堆部件进行热加工；(iii)表面处理工艺，用于从上述原子反应堆部件上去除由于上述弯曲加工而产生的加工硬化层和在上述热处理中附着的氧化膜而形成的缺铬层，或者用于防止上述原子反应堆部件的上述加工硬化层和缺铬层与一次冷却材料的接触；以及(iv)精加工工艺，精加工上述原子反应堆部件。
通过上述表面加工方法进行表面处理，可以去除原子反应堆部件表面的缺铬层和表面加工硬化层，或者可以防止缺铬层和加工硬化层与一次冷却材料的接触，从而可以形成难以产生应力腐蚀裂纹的原子反应堆部件。
优选从原子反应堆部件上去除由于在上述热处理中附着的氧化膜而形成的缺铬层的表面处理工艺是酸洗、研磨、电解研磨、放电加工、表面切削、表面脱氧·软化、湿喷丸和激光加工中的任意一种。此外，优选用于防止上述原子反应堆部件的加工硬化层和缺铬层与一次冷却材料的接触的表面处理工艺是表面电镀。
图1是表示本发明的制造工艺的图。
图2是表示时效处理之后的板簧(弯曲部)的元素分析结果的曲线图。
图3是表示时效处理之后的板簧(弯曲部)的板厚方向硬度分布测定的曲线图。
图4是表示一般在加压水型原子反应堆中使用的燃料集合体的简图。
图5是板簧的简图。
图6是表示现有的制造工艺的图。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明的优选实施方式进行说明。图中的同一标号表示同一或对应部分。
如上所述，在现有工艺中，由于在弯曲加工部残留了缺铬层和加工硬化层，所以为了提高耐应力腐蚀裂纹特性(耐SCC特性)，必须有效地去除该缺铬层和加工硬化层。在本发明中，为了获得足够的效果，并且不对加工成本产生不良影响，考虑以下用于去除缺铬层和加工硬化层的研磨条件。
(缺铬层)首先，对于缺铬层，进行板簧的时效处理之后的铬浓度、氧浓度的元素分析。其结果如图2所示。在表面的0.2μm范围内，产生氧化物三氧化二铬。由于该氧化物的存在，可以观察到铬浓度、氧浓度均变高。从该氧化物开始更深向内部的部分中，铬浓度急剧下降，然后随着与表面的距离增大，铬浓度逐渐回复，但铬浓度与母材相比还是低。该铬浓度降低的范围是从表面开始约1μm的范围。
(弯曲加工硬化层)以下对弯曲加工硬化层进行说明，相对于弯曲加工后的板簧截面的板厚方向，用维氏微硬度计进行硬度试验。其结果如图3所示。从该结果可以看出，由于板簧弯曲，在50μm的范围内硬度增大。
从以上两种试验的结果可以看出，加工硬化层比缺铬层厚，从这一点考虑，可以确定研磨条件。因此，为了确实地研磨加工硬化层，研磨量应为50μm以上。但是，根据弯曲加工的程度，加工硬化层可能会小于50μm，所以为了包含上述铬浓度降低区，应进行最少1μm以上的研磨。
另一方面，当研磨量大时，由于热处理后的材料的硬度高，所以研磨时间变长，成本增大。因此，从成本的角度考虑，研磨量越小越好。因此，研磨量最好控制在100μm以下。
通过以上研究，研磨量和研磨后的表面粗糙度的最佳值和范围如下所述。
(最佳值) (范围)研磨量 75μm 1μm～100μm表面粗糙度 0.2a 0.1a～0.4a本发明的发明人验证了进行上述范围内的研磨的板簧与现有的板簧相比，其耐应力腐蚀裂纹特性(耐SCC特性)提高。
在本发明中，在精加工工艺之前，进行包含上述研磨的表面处理，由此可以防止板簧应力腐蚀裂纹(SCC)的发生。图1示出了应用本发明的板簧制造工艺。从该图可以看出，与现有的制造工艺(参照图6)的不同点在于，在热处理工艺(步骤2)和精加工工艺(步骤4)之间，进行包含研磨工艺(步骤3)的表面处理工艺。现将各种不同的表面处理方式列举如下，这其中的每一种方式都可以作为板簧热处理之后的表面处理工艺而被有效地应用，以适应上述板簧工作时的研磨条件。
(1)酸洗用硝酸等去除时效处理后的表面薄膜，即溶解去除板簧上包含容易产生应力腐蚀裂纹(SCC)的高应力部分的表面部分。为此，控制酸浓度、时间、温度等，以控制腐蚀量。
(2)研磨用机械工具或手工操作研磨去除时效处理后的表面薄膜，即测定热处理后的形状尺寸，求出各加工部位的加工量，然后进行研磨。或者根据加工部位，改变砂轮的形状和使用工具，然后进行研磨。
(3)电解研磨通过电解腐蚀去除时效处理后的表面薄膜，即在与金属相应的电解研磨液中，将对象物作为阳极，通以直流电流，从而使对象物的表面溶解。
(4)放电加工通过放电加工去除时效处理后的表面薄膜，即制作与板簧的形状相应的电极，通过电弧放电去除与电极相向的表面层。
(5)表面切削通过线切割(wire cutting)切削用厚板材制成的板簧至规定尺寸，使其整个表面变薄，从而去除表面层。
(6)表面脱氧·软化(deoxidation and softening)不是用机械方法从表面去除缺铬层，而是在不会达到热处理的低温条件下，使炉内为氢气氛(还原气氛)，而对板簧进行加热。由此，仅表面变为退火状态而被软化，从而提高了延展性，使表面加工硬化层消失。此外，由于板簧表面的含铬氧化物被还原，所以可以使铬返回金属母材中，从而使缺铬层消失。
(7)湿喷丸(wet blasting)不是干式玻璃丸喷丸(GBB)，而是通过以水+研磨材料+空气(压缩空气)的复合作用为特征的湿喷丸去除表面层。
(8)激光加工通过激光照射，去除板簧的加工指定范围内的表面层。
(9)表面电镀对板簧进行电镀，防止表面的缺铬层和一次冷却材料接触。
通过在热处理之后进行上述9种表面加工方法，可以去除现有技术中存在问题的板簧表面的缺铬层和加工硬化层，或者可以防止缺铬层和加工硬化层与一次冷却材料的接触。
通过本发明的表面加工方法进行表面处理，可以去除由于热处理产生的板簧表面的缺铬层和表面加工硬化层，或者防止缺铬层和加工硬化层与一次冷却材料的接触，从而防止产生应力腐蚀裂纹(SCC)。
权利要求
1.一种原子反应堆部件的表面处理方法，在对上述原子反应堆部件进行弯曲加工之后进行热处理，从而由于该弯曲加工而形成加工硬化层，同时由于在该热处理中附着的氧化膜而形成缺铬层，为了从上述原子反应堆部件上去除上述加工硬化层和上述缺铬层，使用酸洗、研磨、电解研磨、放电加工、表面切削、表面脱氧·软化、湿喷丸和激光加工中的任意一种方法。
2.一种原子反应堆部件的表面处理方法，在对上述原子反应堆部件进行弯曲加工之后进行热处理，从而由于该弯曲加工而形成加工硬化层，同时由于在该热处理中附着的氧化膜而形成缺铬层，为了防止上述原子反应堆部件的加工硬化层和缺铬层与一次冷却材料的接触，而进行表面电镀。
3.根据权利要求
1或2所述的表面处理方法，进行表面处理，使得研磨量为1μm～100μm的范围、表面粗糙度为0.1a～0.4a的范围。
4.根据权利要求
3所述的表面处理方法，进行表面处理，使得研磨量为75μm、表面粗糙度为0.2a。
5.根据权利要求
1至4任意一项所述的表面处理方法，上述原子反应堆部件是设在加压水型原子反应堆用燃料集合体的上部喷嘴上的板簧。
6.一种原子反应堆部件的制造方法，由以下工艺构成弯曲加工工艺，将上述原子反应堆部件弯曲至规定的角度；热处理工艺，对被弯曲加工后的上述原子反应堆部件进行热处理；表面处理工艺，用于从上述原子反应堆部件上去除由于上述弯曲加工而产生的加工硬化层和由于在上述热处理中附着的氧化膜而形成的缺铬层，或者用于防止上述原子反应堆部件的上述加工硬化层和缺铬层与一次冷却材料的接触；以及精加工工艺，精加工上述原子反应堆部件。
7.根据权利要求
6所述的制造方法，从原子反应堆部件上去除由于在上述热处理中附着的氧化膜而形成的缺铬层的表面处理工艺是酸洗、研磨、电解研磨、放电加工、表面切削、表面脱氧·软化、湿喷丸和激光加工中的任意一种。
8.根据权利要求
6所述的制造方法，用于防止上述原子反应堆部件的加工硬化层和缺铬层与一次冷却材料的接触的表面处理工艺是表面电镀。
专利摘要
本发明提供一种原子反应堆部件的表面处理方法，用于有效地去除被认为是在低应力条件下产生应力腐蚀裂纹(SCC)的原因的表面层即缺铬层和加工硬化层。本发明的原子反应堆部件的表面处理方法，在对上述原子反应堆部件进行弯曲加工(步骤1)之后进行热处理(步骤2)，由于该弯曲加工而形成加工硬化层，同时由于在该热处理中附着的氧化膜而形成缺铬层，为了从上述原子反应堆部件上去除上述加工硬化层和上述缺铬层，使用酸洗、研磨、电解研磨、放电加工、表面切削、表面脱氧·软化、湿喷丸和激光加工中的任意一种方法(步骤3)。
文档编号G21C3/30GKCN1553457SQ03140713
公开日2004年12月8日 申请日期2003年5月30日
发明者茂中一树, 清水纯太郎, 太郎 申请人:三菱重工业株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan