ピッティング損傷を受けた表面改質処理ステンレス鋼の曲げ疲労強度

Bending fatigue strength of surface modified stainless steel with pitting damage

直江 崇   ; 粉川 広行  ; 涌井 隆  ; 二川 正敏  ; 竹内 博次*

Naoe, Takashi; Kogawa, Hiroyuki; Wakui, Takashi; Futakawa, Masatoshi; Takeuchi, Hirotsugu*

液体水銀を核破砕標的に用いたMW級の核破砕中性子源がJ-PARCに設置される。大強度のパルス陽子線が25Hzで水銀に入射すると、水銀を包含するターゲット容器には、水銀の熱膨張によって励起される圧力波により繰り返し応力が負荷される。同時に、圧力波の伝播過程で生じるキャビテーション気泡の崩壊により、ターゲット容器の内壁にはピッティング損傷が付加される。これまでに、表面硬化処理を施すことで、ピッティング損傷をある程度抑制できることを確認している。しかしながら、界面強度が不十分のため、百万回を超える局所衝撃負荷によりき裂や剥離が生じることが明らかとなった。本報では、これまでの実験に基づいて、プラズマ浸炭とプラズマ窒化処理を階層的に処理した新たな表面改質処理を開発した。本改質処理材に対して、ピッティング損傷を付加し、曲げ疲労試験を行った結果、表面改質によるピッティング損傷抑制効果と疲労強度の向上を確認した。

A liquid mercury target system for MW-class spallation neutron source is installed in J-PARC. High power proton beams bombard the mercury at 25 Hz, the mercury target vessel suffers the repeated stress due to the pressure waves induced by thermal expansion of the mercury. Cavitation will be generated in the propagation of pressure waves, and pitting damage will be formed on the inner wall of the target vessel by the cavitation bubble collapse. In previous research, it was confirmed that the surface hardening treatment is effective to suppress the pitting damage at some level, although crack and/or separation occurred due to poor interface strength. A novel surface modification technique was developed based on the previous research. The bending fatigue tests on modified stainless steels with pitting damage were performed. As results, damage suppression and fatigue limit improvement due to the modification were confirmed.