KR20080065749A - Zirconium alloys having excellent resistance property in both water and steam reaction - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 니오븀 첨가량에 따른 지르코늄 합금의 부식 성질을 나타낸 그래프이고, 1 is a graph showing the corrosion properties of zirconium alloys according to the addition amount of niobium,
도 2는 구리 첨가량에 따른 지르코늄 합금의 부식 성질을 나타낸 그래프이며, 2 is a graph showing the corrosion properties of the zirconium alloy according to the amount of copper added,
도 3은 철 첨가량에 따른 지르코늄 합금의 부식 성질을 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing the corrosion properties of the zirconium alloy according to the iron addition amount.
본 발명은 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a zirconium alloy composition excellent in cooling water and water vapor corrosion resistance.
지르코늄 합금은 낮은 중성자 흡수 단면적과 우수한 내식성 및 기계적 특성을 가짐으로써 핵연료의 피복관, 핵연료집합체 지지격자 및 원자로 내 구조물의 재 료로 수 십년 동안 가압경수로(PWR, Pressurized Water Reactor) 및 비등경수로(BWR, Boiling Water Reactor) 원자로에서 널리 응용되어 왔다. 현재까지 개발된 지르코늄 합금 중에서 주석(Sn), 철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)을 포함하는 지르칼로이-2(Zircaloy-2, 주석 1.20∼1.70 중량%, 철 0.07∼0.20 중량%, 크롬 0.05∼1.15 중량%, 니켈 0.03∼0.08 중량%, 산소 900∼1500 ppm, 지르코늄 잔부) 및 지르칼로이-4(Zircaloy-4, 주석 1.20∼1.70 중량%, 철 0.18∼0.24 중량%, 크롬 0.07∼1.13 중량%, 산소 900∼1500 ppm, 니켈 <0.007 중량%, 지르코늄 잔부) 합금이 가장 널리 사용되고 있다.Zirconium alloys have a low neutron absorption cross-sectional area, excellent corrosion resistance and mechanical properties, and are materials for nuclear cladding, fuel assembly support grids, and structures within reactors for decades. Water Reactor has been widely applied in reactors. Of the zirconium alloys developed to date, Zircaloy-2, 1.20-1.70 wt% tin, 0.07-0.20 wt% iron, including tin (Sn), iron (Fe), chromium (Cr) and nickel (Ni) %, 0.05 to 1.15% chromium, 0.03 to 0.08% nickel, 900 to 1500 ppm oxygen, balance of zirconium) and zircaloy-4 (1.20 to 1.70% tin, 0.18 to 0.24% iron, chromium) 0.07 to 1.13 weight percent, 900 to 1500 ppm oxygen, nickel <0.007 weight percent, zirconium balance) alloys are most widely used.
그러나 최근 원자로의 경제성 향상의 일환으로 핵연료의 주기비 절감을 위하여 핵연료의 교체주기를 늘려 사용하는 고연소도 운전이 채택되고 있으며, 늘어난 핵연료의 교체주기만큼 핵연료가 고온, 고압의 냉각수 및 수증기와 반응하는 기간이 연장되어 기존의 지르칼로이-2 및 지르칼로이-4를 핵연료 피복관 재료로 사용하는 경우, 핵연료의 부식현상이 심화되는 문제가 대두되고 있다. Recently, however, as a part of improving the economic efficiency of nuclear reactors, high-burning operation, which uses more fuel replacement cycles, has been adopted to reduce the cycle cost of nuclear fuel.The fuel reacts with high-temperature, high-pressure cooling water and water vapor as much as the increased fuel replacement cycle. In this case, when the existing Zircaloy-2 and Zircaloy-4 are used as the fuel cladding material, the corrosion of the fuel is intensified.
따라서 상기 고온, 고압의 냉각수 및 수증기에 대한 부식 저항성이 우수하여 고연소도 핵연료 피복관으로 사용이 가능한 재료의 개발이 매우 절실한 실정이며, 이에 따라 부식 저항성이 향상된 지르코늄 합금을 개발하기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다. 이때, 지르코늄 합금의 부식저항성은 첨가원소의 종류, 첨가량, 가공조건, 열처리 조건 등에 의해 크게 영향을 받기 때문에, 우수한 부식 저항성을 갖는 최적의 조건을 확립하는 것이 무엇보다 중요하다.Therefore, it is very urgent to develop a material that can be used as a high-combustion nuclear fuel cladding because it has excellent corrosion resistance to the high temperature, high pressure cooling water and steam, and thus, many studies have been conducted to develop a zirconium alloy with improved corrosion resistance. It is becoming. At this time, since the corrosion resistance of the zirconium alloy is greatly influenced by the type, amount of addition, processing conditions, heat treatment conditions, etc. of the zirconium alloy, it is most important to establish the optimum conditions having excellent corrosion resistance.
미국 등록특허 제4,938,920에서는 종래의 지르칼로이-4보다 부식저항성이 향상된 합금을 개발하기 위하여 주석의 첨가량을 0~0.8 중량%로 감소시키고, 0~0.3 중량%의 바나듐과 0~1.0 중량%의 니오븀을 첨가하였으며, 1000~1600 ppm의 산소를 첨가하였다. 이때, 철의 첨가량은 0.2~0.8 중량%, 크롬의 첨가량은 0~0.4 중량%이며 철, 크롬 및 바나듐 함량의 총합은 0.25~1.0 중량%로 제한하였다. In US Patent No. 4,938,920, the amount of tin is reduced to 0 to 0.8% by weight, 0 to 0.3% by weight of vanadium and 0 to 1.0% by weight of niobium in order to develop an alloy with improved corrosion resistance than conventional Zircaloy-4. Was added, and 1000-1600 ppm of oxygen was added. At this time, the addition amount of iron is 0.2 ~ 0.8 wt%, the addition amount of chromium is 0 ~ 0.4 wt% and the total amount of iron, chromium and vanadium content is limited to 0.25 ~ 1.0 wt%.
미국 등록특허 제5,254,308호에서는 부식저항성 향상을 위하여 지르코늄 합금의 주석 함량을 낮춤에 따라 발생하는 기계적 성질의 저하를 방지하기 위하여 니오븀과 철을 포함한 합금이 개시되어 있다. 이 합금은 0.45~0.75 중량%의 주석과 0.4~0.53 중량%의 철, 0.2~0.3 중량%의 크롬과 0.3~0.5 중량%의 니오븀, 0.012~0.3 중량%의 니켈과 50~200 ppm의 규소 및 1000~2000 ppm의 산소로 구성되어 있다. 부식 성질에 영향을 줄 수 있는 철과 크롬의 비는 1.5로 조절하였고 니오븀의 함량은 수소 흡수성에 따라 결정하였으며, 니켈, 규소, 탄소 및 용질산소의 양을 미세하게 조절하여 우수한 부식 저항성과 강도를 갖도록 하였다. U. S. Patent No. 5,254, 308 discloses an alloy containing niobium and iron in order to prevent degradation of the mechanical properties caused by lowering the tin content of the zirconium alloy to improve corrosion resistance. This alloy contains 0.45-0.75 weight percent tin and 0.4-0.53 weight percent iron, 0.2-0.3 weight percent chromium and 0.3-0.5 weight percent niobium, 0.012-0.3 weight percent nickel and 50-200 ppm silicon and It is composed of 1000 ~ 2000 ppm oxygen. The ratio of iron and chromium, which may affect the corrosion properties, was adjusted to 1.5, and the niobium content was determined according to the hydrogen absorption, and the fine corrosion of the nickel, silicon, carbon, and solute oxygen was finely controlled to improve the corrosion resistance and strength. To have it.
미국 등록특허 제5,334,345호에서는 부식저항성 및 수소 흡수성을 향상시키기 위하여 1.0~2.0 중량%의 주석, 0.07~0.7 중량%의 철, 0.05~0.15 중량%의 크롬, 0.16~0.4 중량%의 니켈, 0.015~0.3 중량%의 니오븀, 20~500 ppm의 규소 및 900~1600 ppm의 산소로 이루어진 합금 조성물이 개시되어 있다.U.S. Patent No. 5,334,345 discloses 1.0 to 2.0 wt% tin, 0.07 to 0.7 wt% iron, 0.05 to 0.15 wt% chromium, 0.16 to 0.4 wt% nickel, 0.015 ~ to improve corrosion resistance and hydrogen absorption. An alloy composition is disclosed which consists of 0.3 wt% niobium, 20-500 ppm silicon and 900-1600 ppm oxygen.
미국 등록특허 제5,366,690호에서는 주로 주석, 질소 및 니오븀의 첨가량을 조절하였으며, 0~1.5 중량%의 주석, 0~0.24 중량%의 철, 0~0.15 중량%의 크롬, 0~2300 ppm의 질소, 0~100 ppm의 규소, 0~1600 ppm의 산소 및 0~0.5 중량%의 니오븀을 함유한 합금 조성물이 개시되어 있다.U.S. Patent No. 5,366,690 mainly regulates the amounts of tin, nitrogen and niobium added, 0 to 1.5 wt% tin, 0 to 0.24 wt% iron, 0 to 0.15 wt% chromium, 0 to 2300 ppm nitrogen, An alloy composition containing 0-100 ppm silicon, 0-1600 ppm oxygen and 0-0.5 wt% niobium is disclosed.
미국 등록특허 제5,211,774호에서는 중성자 조사환경에서 기계적 성질과 부식성질을 향상시키기 위한 지르코늄 합금 조성물이 개시되어 있다. 이 합금의 조성은 0.8~1.2 중량%의 주석, 0.2~0.5 중량%의 철, 0.1~0.4 중량%의 크롬, 0~0.6 중량%의 니오븀, 50~200 ppm의 규소 및 900~1800 ppm의 산소로 구성되어 있으며, 규소의 함량을 변화시켜 수소흡수성 및 부식저항성의 변화를 줄이고자 하였다. U.S. Patent No. 5,211,774 discloses a zirconium alloy composition for improving mechanical properties and corrosive properties in a neutron irradiation environment. The composition of this alloy is 0.8-1.2 wt% tin, 0.2-0.5 wt% iron, 0.1-0.4 wt% chromium, 0-0.6 wt% niobium, 50-200 ppm silicon and 900-1800 ppm oxygen It is composed of, to change the content of silicon to reduce the change in hydrogen absorption and corrosion resistance.
이와 같이 지르코늄 합금에 대한 종래의 기술은 지르칼로이-4 및 여러 지르코늄 합금의 개발이 주를 이루었으며, 부식저항성을 향상시키기 위하여 니오븀 및 철, 크롬 등을 첨가한 지르코늄 합금이 개발되었다. 그러나, 원자력발전소는 그 운전기간 중 운전변수에 따라 끊임없이 단상의 고온, 고압 냉각수 및 이상의 수증기 분위기에 노출되어 있기 때문에 종래기술보다 냉각수 및 수증기에 대한 부식 저항성이 높은 지르코늄 합금의 개발이 여전히 요구되고 있다.As described above, the prior art of zirconium alloys mainly includes development of zircaloy-4 and various zirconium alloys, and zirconium alloys containing niobium, iron, and chromium have been developed to improve corrosion resistance. However, since nuclear power plants are constantly exposed to single-phase high temperature, high pressure cooling water, and abnormal steam atmosphere depending on the operating variables during the operation period, there is still a need to develop a zirconium alloy having higher corrosion resistance to cooling water and steam than the prior art. .
이에 본 발명자들은 냉각수 및 수증기에 대한 부식 저항성이 높은 지르코늄 합금을 개발하기 위하여 연구하던 중, 높은 니오븀 함량에 미량의 크롬, 산소 및 규소를 포함하여 이루어지는 지르코늄 합금 조성물의 냉각수 및 증기에서의 부식 저항성이 종래 합금인 지르칼로이-4에 비하여 우수함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have been studying to develop a high corrosion resistance zirconium alloy for cooling water and water vapor, the corrosion resistance of the zirconium alloy composition containing a small amount of chromium, oxygen and silicon in a high niobium content Compared with the conventional alloy Zircaloy-4 was confirmed that the present invention was completed.
본 발명의 목적은 1.5 중량% 이상의 높은 니오븀 함량에 미량의 크롬, 산소 및 규소를 포함하여 이루어지는, 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a zirconium alloy composition excellent in cooling water and water vapor corrosion resistance comprising a small amount of chromium, oxygen and silicon in a high niobium content of 1.5% by weight or more.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 니오븀 1.5 ~ 2.0 중량%, 크롬 0.05 ~ 0.3 중량%, 산소 800 ~ 1500 ppm, 규소 60 ~ 100 ppm 및 잔부 지르코늄을 포함하는 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a zirconium alloy composition excellent in corrosion resistance to water and water vapor including niobium 1.5 to 2.0% by weight, chromium 0.05 to 0.3% by weight, oxygen 800 to 1500 ppm, silicon 60 to 100 ppm and the balance of zirconium. To provide.
또한, 본 발명은 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물에 있어서, 구리 0.01 ~ 0.5 중량% 또는 철 0.05 ~ 0.3 중량% 중 하나 이상을 더 포함하는 지르코늄 합금 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides a zirconium alloy composition further comprising at least one of 0.01 to 0.5% by weight of copper or 0.05 to 0.3% by weight of iron in the zirconium alloy composition excellent in cooling water and water vapor corrosion resistance.
나아가, 본 발명은 Furthermore, the present invention
합금 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳(ingot)을 제조하는 단계(단계 1);Mixing and then dissolving the alloying elements to produce an ingot (step 1);
상기 단계 1에서 제조된 잉곳을 β영역에서 열처리 및 냉각하는 단계(단계 2);Heat-treating and cooling the ingot prepared in step 1 in the β region (step 2);
상기 단계 2에서 냉각된 잉곳을 열간 압연하는 단계(단계 3); Hot rolling the ingot cooled in step 2 (step 3);
상기 단계 3에서 열간 압연된 잉곳을 냉각 압연 및 열처리하여 지르코늄 합금을 제조하는 단계(단계 4); 및Preparing a zirconium alloy by cold rolling and heat-treating the hot rolled ingot in step 3 (step 4); And
단계 4의 냉간 압연 후에 잔류 응력을 이완시키기 위하여 최종 열처리하는 단계(단계 5)를 포함하여 이루어지는 지르코늄 합금 조성물의 제조방법을 제공한다.It provides a method of producing a zirconium alloy composition comprising a final heat treatment (step 5) to relax the residual stress after the cold rolling of step 4.
또한, 본 발명은 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물의 제조방법에 있어서, 단계 1은 진공 아크용해 방법으로 잉곳을 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금 조성물의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a zirconium alloy composition excellent in cooling water and water vapor corrosion resistance, step 1 provides a method for producing a zirconium alloy composition, characterized in that for producing an ingot by vacuum arc melting method.
나아가, 본 발명은 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물의 제조방법에 있어서, 단계 2는 단계 1의 잉곳을 스테인리스 강판으로 시편을 봉입한 후, 1000 ~ 1200 ℃에서 10 ~ 30분 동안 열처리한 후, 물로 급냉시키는 단계인 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금 조성물의 제조방법을 제공한다.Furthermore, the present invention is a method for producing a zirconium alloy composition excellent in cooling water and water vapor corrosion resistance, step 2 is a step of encapsulating the ingot of step 1 with a stainless steel sheet, and then heat-treated at 1000 ~ 1200 ℃ for 10 to 30 minutes After that, it provides a method of producing a zirconium alloy composition, characterized in that the step of quenching with water.
또한, 본 발명은 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조 성물의 제조방법에 있어서, 단계 3은 단계 2에서 처리된 시편을 열간 압연의 온도를 550 ~ 750 ℃로 하여 10 ~ 30분 동안 예열하고, 압하율을 60 ~ 80%로 하여 열간 압연하는 단계인 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금 조성물의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method of producing a zirconium alloy composition excellent in cooling water and water vapor corrosion resistance, step 3 is preheating the specimen treated in step 2 at a temperature of 550 ~ 750 ℃ hot rolling for 10 to 30 minutes It provides a method for producing a zirconium alloy composition, characterized in that the step of hot rolling at a reduction ratio of 60 to 80%.
나아가, 본 발명은 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물의 제조방법에 있어서, 단계 4는 단계 3의 열간 압연된 시편을 550 ~ 640 ℃에서 20 ~ 40분 동안 소둔시킨 후, 40 ~ 60%의 압하율로 냉간 압연을 수행하고, 이후 560 ~ 600 ℃에서 1 ~ 3시간 동안 중간열처리를 하고 냉간 압연을 반복하여 수행하는 단계인 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금 조성물의 제조방법을 제공한다.Furthermore, the present invention is a method for producing a zirconium alloy composition excellent in cooling water and water vapor corrosion resistance, step 4 is annealing the hot-rolled specimen of step 3 for 20 to 40 minutes at 550 ~ 640 ℃, 40 to 60% Cold rolling is carried out at a reduction ratio of, and then the intermediate heat treatment for 1 to 3 hours at 560 ~ 600 ℃ provides a method for producing a zirconium alloy composition, characterized in that the step of performing repeated cold rolling.
또한, 본 발명은 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물의 제조방법에 있어서, 단계 4의 중간 열처리 및 냉간 압연은 3 ~ 5회 반복하는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금 조성물의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a zirconium alloy composition excellent in cooling water and water vapor corrosion resistance, the intermediate heat treatment and cold rolling of step 4 provides a method for producing a zirconium alloy composition, characterized in that repeated three to five times.
나아가, 본 발명은 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물의 제조방법에 있어서, 단계 5의 최종 열처리는 440 ~ 580 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금 조성물의 제조방법을 제공한다.Furthermore, the present invention provides a method for producing a zirconium alloy composition excellent in cooling water and water vapor corrosion resistance, wherein the final heat treatment of step 5 is carried out at 440 ~ 580 ℃.
본 명세서에 사용되는 "합금 조성물"은 합금 조성물뿐만 아니라 상기 합금 조성물로 이루어진 합금도 포함한다.As used herein, "alloy composition" includes alloys as well as alloys made of such alloy compositions.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 냉각수 및 수증기 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물은 니오븀 1.5 ~ 2.0 중량%; 크롬 0.05 ~ 0.3 중량%; 산소 800 ~ 1500 ppm; 규소 60 ~ 100 ppm; 및 잔부 지르코늄을 포함하여 이루어진다.Zirconium alloy composition excellent in cooling water and steam corrosion resistance according to the present invention is 1.5 to 2.0% by weight niobium; Chromium from 0.05 to 0.3 wt%; Oxygen 800-1500 ppm; Silicon 60-100 ppm; And the balance zirconium.
또한, 본 발명의 지르코늄 합금 조성물은 구리 0.01 ~ 0.5 중량% 또는 철 0.05 ~ 0.3 중량% 중 1 이상을 더 포함할 수 있다.In addition, the zirconium alloy composition of the present invention may further comprise at least one of 0.01 to 0.5% by weight of copper or 0.05 to 0.3% by weight of iron.
본 발명의 지르코늄 합금 조성물 중 바람직한 조성물은 구체적으로 하기와 같다:Preferred compositions of the zirconium alloy compositions of the present invention are specifically as follows:
1) 니오븀 1.5 ~ 2.0 중량%, 크롬 0.05 ~ 0.3 중량%, 산소 800 ~ 1500 ppm, 규소 60 ~ 100 ppm 및 잔부 지르코늄; 1) 1.5 to 2.0 wt% niobium, 0.05 to 0.3 wt% chromium, 800 to 1500 ppm oxygen, 60 to 100 ppm silicon and the balance zirconium;
2) 니오븀 1.5 ~ 2.0 중량%, 크롬 0.05 ~ 0.3 중량%, 구리 0.01 ~ 0.5 중량%, 산소 800 ~ 1500 ppm, 규소 60 ~ 100 ppm 및 잔부 지르코늄; 2) 1.5-2.0 wt% niobium, 0.05-0.3 wt% chromium, 0.01-0.5 wt% copper, 800-1500 ppm oxygen, 60-100 ppm silicon and the balance zirconium;
3) 니오븀 1.5 ~ 2.0 중량%, 크롬 0.05 ~ 0.3 중량%, 철 0.05 ~ 0.3 중량%, 산소 800 ~ 1500 ppm, 규소 60 ~ 100 ppm 및 잔부 지르코늄; 또는3) 1.5 to 2.0% niobium, 0.05 to 0.3% chromium, 0.05 to 0.3% iron, 800 to 1500 ppm oxygen, 60 to 100 ppm silicon and the balance zirconium; or
4) 니오븀 1.5 ~ 2.0 중량%, 크롬 0.05 ~ 0.3 중량%, 구리 0.01 ~ 0.5 중량%, 철 0.05 ~ 0.3 중량%, 산소 800 ~ 1500 ppm, 규소 60 ~ 100 ppm 및 잔부 지르코늄.4) Niobium 1.5-2.0 wt%, chromium 0.05-0.3 wt%, copper 0.01-0.5 wt%, iron 0.05-0.3 wt%, oxygen 800-1500 ppm, silicon 60-100 ppm and the balance zirconium.
본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물에 있어서, 사용되는 금속 원소는 니오븀, 크롬, 구리 또는 철과 잔부 지르코늄으로 구성되어 있다. 주석의 첨가는 기계적 성질을 향상시키지만 내식성을 저하시키므로 본 발명에서는 주석의 함량을 제한하며 니오븀을 지르코늄 기지내에 고용도 이상으로 첨가함으로써 지르코늄 기지에 고용(固溶, solid solution) 강화 뿐만 아니라 석출물의 형성에 따른 석출강화를 통하여 지르코늄의 기계적 성질을 개선하고자 하였다. 상기 조성물에 사용되는 금속 원소의 개수가 많아질수록 중성자 조사중에 예기치 못한 지르코늄 석출물 상이 지르코늄 기지내에 형성되어 지르코늄의 내식성을 저하시킬 수 있으므로, 금속 원소는 지르코늄을 제외하고 4개 이하로 제한된다.In the zirconium alloy composition according to the present invention, the metal element used is composed of niobium, chromium, copper or iron and the balance zirconium. Since the addition of tin improves mechanical properties but lowers corrosion resistance, in the present invention, the content of tin is limited in the present invention, and niobium is added to the zirconium base so that the solid solution is not only enhanced to solid solution, but also formation of precipitates. We tried to improve the mechanical properties of zirconium by strengthening the precipitation. As the number of metal elements used in the composition increases, an unexpected zirconium precipitate phase may be formed in the zirconium base during neutron irradiation, thereby reducing the corrosion resistance of zirconium. Therefore, the metal elements are limited to four or less except zirconium.
이하에서는 본 발명에서 첨가되는 원소의 역할 및 효과를 살펴본다.Hereinafter, look at the role and effects of the elements added in the present invention.
(1) 니오븀((1) niobium ( NbNb ))
니오븀은 지르코늄의 베타(β)상 안정화 원소로 알려져 있다. 니오븀이 부식에 미치는 영향은 서로 다른 결과가 있다. 일반적으로 니오븀이 0.5 중량% 이하(저 니오븀 함량) 또는 1.0 중량% 이상(고 니오븀 함량)으로 첨가될 때 그 부식성질이 개선된다고 알려져 있다. Niobium is known as the beta (β) phase stabilizing element of zirconium. The effects of niobium on corrosion have different consequences. It is generally known that when niobium is added at 0.5 wt% or less (low niobium content) or 1.0 wt% or more (high niobium content) its corrosiveness is improved.
니오븀을 지르코늄 기지 내에 고용도 이상으로 첨가하는 것은 지르코늄 기지에 고용 강화뿐만 아니라 석출물의 형성에 따른 석출 강화를 통하여 지르코늄의 기계적 성질이 향상된다. The addition of niobium in the zirconium base beyond the high solubility improves the mechanical properties of the zirconium through the strengthening of the solid solution in the zirconium base as well as the precipitation strengthening due to the formation of precipitates.
도 1은 지르코늄 합금에 있어서 니오븀의 함량에 따른 부식저항성의 정도를 나타내는 그래프로서, 구체적으로는 지르코늄에 0.4 ~ 0.6 중량%의 주석, 및 0.1 ~ 0.2 중량%의 철 또는 크롬을 첨가한 지르코늄 합금에 니오븀의 첨가량을 증가시키면서 400 ℃ 수증기 분위기에서 400일 동안 부식시킨 후, 시편의 무게 증가를 측정함으로써 부식정도를 정량적으로 평가하여 나타낸 그래프이다. 1 is a graph showing the degree of corrosion resistance according to the content of niobium in a zirconium alloy, specifically, in a zirconium alloy in which 0.4 to 0.6 wt% tin and 0.1 to 0.2 wt% iron or chromium are added to zirconium. It is a graph showing the quantitative evaluation of the corrosion by measuring the weight increase of the specimen after corrosion for 400 days in a steam atmosphere of 400 ℃ while increasing the amount of niobium.
도 1에 나타낸 바와 같이, 니오븀 함량이 높을수록 부식저항성이 증가하며, 특히 1.5 중량% 이상의 높은 니오븀 함량에서도 지르코늄 합금의 부식성질이 향상된다. 그러나, 니오븀의 농도가 너무 높아서 많은 양의 석출물이 형성될 경우에는 니오븀 첨가 합금의 부식성질은 열처리 온도에 따라 민감하게 바뀔 수 있으므로 본 발명에서는 니오븀의 함량을 1.5 ~ 2.0 중량%로 첨가한다.As shown in Fig . 1 , the higher the niobium content, the higher the corrosion resistance. In particular, even at a high niobium content of 1.5% by weight or more, the corrosion property of the zirconium alloy is improved. However, when the concentration of niobium is too high to form a large amount of precipitates, the corrosive nature of the niobium-added alloy may be sensitively changed depending on the heat treatment temperature. In the present invention, the niobium content is added at 1.5 to 2.0% by weight.
(2) 크롬((2) chrome ( CrCr ))
크롬은 지르코늄 합금의 내식성을 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 본 발명에 있어서 바람직한 크롬의 함량은 0.05 ~ 0.3 중량%이다. 상기 크롬의 함량이 0.05 중량% 미만이면 내식성이 낮아지는 문제가 있고, 0.3 중량%을 초과하면 가공성이 저하되는 문제가 있다.Chromium is known to increase the corrosion resistance of zirconium alloys, the preferred content of chromium in the present invention is 0.05 to 0.3% by weight. If the content of chromium is less than 0.05% by weight, there is a problem that the corrosion resistance is lowered, and when the content of chromium is more than 0.3% by weight, workability is lowered.
(3) 산소(O)(3) oxygen (O)
산소는 지르코늄 기지에 용해되어 고용강화를 유발하여 지르코늄 합금의 기계적 강도를 향상시키는 역할을 한다. 상기 산소의 함량은 800 ~ 1500 ppm이 바람 직하며, 산소 함유량이 800 ppm 미만이면 기계적 성질이 저하되는 문제가 있고, 1500 ppm을 초과하면, 경화현상으로 인하여 가공성이 나빠지는 문제가 있다.Oxygen dissolves in the zirconium base and causes solid solution strengthening, thereby enhancing the mechanical strength of the zirconium alloy. The oxygen content is preferably 800 to 1500 ppm, and if the oxygen content is less than 800 ppm, there is a problem that the mechanical properties are deteriorated. If the oxygen content is more than 1500 ppm, there is a problem that workability is deteriorated due to curing.
(4) 규소((4) silicon ( SiSi ))
규소는 지르코늄 기지에서 수소 흡수성을 줄이고 시간에 따라 부식량이 급증하는 천이현상을 지연시키는 역할을 한다. 상기 규소의 함량은 60 ~ 100 ppm이 바람직하며, 규소의 함량이 60 ppm 미만이면 내식성이 낮아지는 문제가 있고, 100 ppm을 초과하면 내식성이 낮아지는 문제가 있다.Silicon plays a role in reducing the hydrogen absorption at the zirconium base and retarding the transition of the corrosion with time. The content of the silicon is preferably 60 to 100 ppm, if the silicon content is less than 60 ppm has a problem of low corrosion resistance, if it exceeds 100 ppm there is a problem of low corrosion resistance.
(5) 구리((5) copper ( CuCu ))
구리는 지르코늄 합금의 내식성을 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 미량 첨가시에도 그 내식성이 증가한다.Copper is known to increase the corrosion resistance of zirconium alloys and its corrosion resistance increases even with minor additions.
도 2는 지르코늄 합금에 있어서 구리의 함량에 따른 부식저항성의 정도를 나타내는 그래프로서, 구체적으로는 지르코늄에 1.0 중량%의 니오븀, 0.2 ~ 1.0 중량%의 주석, 및 0.1 ~ 0.2 중량%의 철 또는 크롬을 첨가한 지르코늄 합금에 구리의 첨가량을 증가시키면서 400 ℃ 수증기 분위기에서 400일 동안 부식시킨 후, 시편의 무게 증가를 측정함으로써 부식정도를 정량적으로 평가하여 나타낸 그래프이다. 2 is a graph showing the degree of corrosion resistance according to the copper content in the zirconium alloy, specifically, 1.0 wt% niobium, 0.2-1.0 wt% tin, and 0.1-0.2 wt% iron or chromium in zirconium It is a graph showing the quantitative evaluation of the corrosion by measuring the weight increase of the specimen after corrosion for 400 days in a 400 ℃ steam atmosphere while increasing the amount of copper added to the added zirconium alloy.
도 2에 나타낸 바와 같이, 0.01 중량% 이상의 소량의 첨가로 지르코늄 합금의 부식성질이 크게 향상됨을 알 수 있으며, 0.5 중량% 이상 첨가시 내식성의 증가효과가 감소함을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 구리의 함량을 0.01 ~ 0.5 중 량%로 첨가한다.As shown in Figure 2 , it can be seen that the addition of a small amount of 0.01% by weight or more greatly improve the corrosive properties of the zirconium alloy, the addition of 0.5% by weight or more can be seen that the effect of increasing the corrosion resistance is reduced. Therefore, in the present invention, the copper content is added in 0.01 to 0.5% by weight.
(6) 철((6) iron ( FeFe ))
철은 지르코늄 합금의 내식성을 증가시키며, 특히 지르코늄 합금의 석출물 조성을 변화시켜 그 내식성을 증가시킨다. Iron increases the corrosion resistance of zirconium alloys and, in particular, changes the precipitate composition of zirconium alloys to increase their corrosion resistance.
도 3은 지르코늄 합금에 있어서 철 함량에 따른 부식저항성의 정도를 나타내는 그래프로서, 구체적으로는 지르코늄에 0.8 중량% 이하의 니오븀, 0.2 ~ 1.0 중량%의 주석을 첨가한 지르코늄 합금에 구리의 첨가량을 증가시키면서 400 ℃ 수증기 분위기에서 400일 동안 부식시킨 후, 시편의 무게 증가를 측정함으로써 부식정도를 정량적으로 평가하여 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing the degree of corrosion resistance according to the iron content in the zirconium alloy, specifically, the addition amount of copper to the zirconium alloy containing 0.8 wt% or less of niobium and 0.2 to 1.0 wt% of tin is increased. After corrosion for 400 days in a 400 ℃ steam atmosphere while measuring the weight of the specimen by measuring the degree of corrosion quantitatively shows the graph.
도 3에 나타낸 바와 같이, 0.05 중량% 이상의 소량의 첨가로 지르코늄 합금의 부식성질이 크게 향상됨을 알 수 있으며, 0.3 중량% 이상 첨가시 내식성의 증가효과가 감소함을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 구리의 함량을 0.05 ~ 0.3 중량%로 첨가한다.As shown in Figure 3 , it can be seen that the addition of a small amount of 0.05% by weight or more greatly improve the corrosive properties of the zirconium alloy, the addition of 0.3% by weight or more can be seen that the effect of increasing the corrosion resistance is reduced. Therefore, in the present invention, the copper content is added at 0.05 to 0.3% by weight.
본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물은 당업계에 널리 알려진 통상적인 방법을 사용하여 제조할 수 있으며, 바람직하게는 The zirconium alloy composition according to the present invention may be prepared using conventional methods well known in the art, and preferably
합금 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계(단계 1);Mixing and melting the alloying elements to produce an ingot (step 1);
상기 단계 1에서 제조된 잉곳을 β영역에서 열처리 및 냉각하는 단계(단계 2);Heat-treating and cooling the ingot prepared in step 1 in the β region (step 2);
상기 단계 2에서 냉각된 잉곳을 열간 압연하는 단계(단계 3); Hot rolling the ingot cooled in step 2 (step 3);
상기 단계 3에서 열간 압연된 잉곳을 냉각 압연 및 열처리하여 지르코늄 합금을 제조하는 단계(단계 4); 및Preparing a zirconium alloy by cold rolling and heat-treating the hot rolled ingot in step 3 (step 4); And
단계 4의 냉간 압연 후에 잔류 응력을 이완시키기 위하여 최종 열처리하는 단계(단계 5)Final heat treatment to relax residual stress after cold rolling of step 4 (step 5)
를 포함하여 이루어지는 방법으로 제조할 수 있다.It can be produced by a method comprising a.
이하, 본 발명의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be described in detail step by step.
먼저, 단계 1은 니오븀을 비롯한 철, 크롬, 구리, 산소, 규소 등의 합금원소를 일정 비율로 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계이다.First, step 1 is a step of mixing the alloying elements such as iron, chromium, copper, oxygen, silicon, such as niobium in a predetermined ratio and then dissolve to prepare an ingot.
상기 잉곳은 진공 아크용해(vacuum arc remelting, VAR) 방법을 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 챔버 내에 저진공상태, 바람직하게는 1 × 10-5 내지 0.5 torr, 더 바람직하게는 0.1 ~ 0.3 torr에서 800 ~ 1200 A, 더 바람직하게는 900 ~ 1100 A의 전류를 가하여 용해한 후, 냉각시켜 버튼 등의 형태로 잉곳을 제조한다.The ingot is preferably using a vacuum arc remelting (VAR) method, specifically low vacuum in the chamber, preferably 1 × 10 -5 to 0.5 torr, more preferably 0.1 to 0.3 torr At 800-1200 A, more preferably 900-1100 A by applying a current to dissolve, and then cooled to prepare an ingot in the form of a button or the like.
이때, 불순물이 편석되거나 합금 조성이 버튼 내에 불균일하게 분포되는 것을 막기 위하여 여러 번, 바람직하게는 3 ~ 7회, 더 바람직하게는 4 ~ 6번 정도 반복하여 용해시키는 것이 바람직하다. 냉각과정에서는 시편 표면에서 산화현상이 발생하는 것을 방지하기 위하여 아르곤 등의 비활성 기체를 주입하여 냉각하는 것 이 바람직하다.At this time, in order to prevent impurities from segregation or uneven distribution of the alloy composition in the button, dissolving is repeated several times, preferably 3 to 7 times, more preferably about 4 to 6 times. In the cooling process, it is preferable to cool by injecting an inert gas such as argon to prevent oxidation from occurring on the surface of the specimen.
다음으로, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 잉곳을 β영역에서 열처리 및 냉각하는 단계이다.Next, step 2 is a step of heat treatment and cooling the ingot prepared in step 1 in the β region.
잉곳 내의 합금 조성을 균질화하고 미세한 석출물을 얻기 위하여 상기 잉곳을 β영역에서 열처리 및 냉각시킨다. 이때 시편의 산화현상을 방지하기 위하여 스테인리스 강판으로 시편을 봉입한 후, 바람직하게는 1000 ~ 1200 ℃, 더 바람직하게는 1020 ~ 1070 ℃에서 열처리하며, 이때, 열처리 시간은 10 ~ 30분 정도가 바람직하며, 15 ~ 25분이 더욱 바람직하다. 열처리 후에는 실온의 물로 급냉하는 것이 바람직하다.The ingot is heat treated and cooled in the β region to homogenize the alloy composition in the ingot and to obtain fine precipitates. At this time, after the specimen is sealed with a stainless steel sheet in order to prevent oxidation of the specimen, preferably heat treatment at 1000 ~ 1200 ℃, more preferably 1020 ~ 1070 ℃, the heat treatment time is preferably 10 to 30 minutes 15-25 minutes are more preferable. It is preferable to quench with water of room temperature after heat processing.
다음으로, 단계 3은 상기 단계 2에서 처리된 시편을 열간 압연하는 단계이다. 구체적으로, 상기 열간 압연의 온도를 바람직하게는 550 ~ 750 ℃, 더 바람직하게는 600 ~ 700 ℃로 하여 10 ~ 30분, 바람직하게는 15 ~ 25분 동안 예열하고, 압하율을 60 ~ 80%, 바람직하게는 65 ~ 75%로 하여 압연하는 것이 바람직하다. Next, step 3 is a step of hot rolling the specimen treated in step 2. Specifically, the temperature of the hot rolling is preferably 550 ~ 750 ℃, more preferably 600 ~ 700 ℃ to preheat for 10 to 30 minutes, preferably 15 to 25 minutes, the reduction ratio is 60 to 80% Preferably, it is 65 to 75% and it is preferable to roll.
열간 압연 후 피복을 제거한 후 산세용액을 이용하여 β-열처리나 열간 압연시 발생한 산화막을 제거하는 것이 바람직하며, 산세 후에도 국부적으로 남아 있는 산화막은 전동 와이어 브러쉬(wire brush) 등을 이용한 기계적 방법으로 제거할 수 있다.After removing the coating after hot rolling, it is preferable to remove the oxide film generated during β-heat treatment or hot rolling by using a pickling solution, and the oxide film remaining after pickling is removed by a mechanical method using an electric wire brush. can do.
다음으로 단계 4는 상기 단계 3에서 열간 압연된 시편을 냉각 압연 및 열처리하여 지르코늄 합금을 제조하는 단계이다.Next, step 4 is a step of producing a zirconium alloy by cold rolling and heat treatment of the hot-rolled specimen in step 3.
상기 열간 압연된 시편은 바람직하게는 550 ~ 640 ℃, 더 바람직하게는 570 ~ 620 ℃에서 20 ~ 40분, 바람직하게는 25 ~ 35분 동안 소둔(annealing)시킨 후, 40 ~ 60%의 압하율로 냉간 압연을 수행하며, 이후 560 ~ 600 ℃에서 1 ~ 3시간 동안 중간열처리를 하고 냉간 압연을 반복하여 수행한다. 이때 중간 열처리 및 냉간 압연은 여러 번, 바람직하게는 3 ~ 5번 반복하는 것이 좋다.The hot rolled specimen is preferably annealed at 550 to 640 ° C., more preferably at 570 to 620 ° C. for 20 to 40 minutes, preferably 25 to 35 minutes, and then a reduction ratio of 40 to 60%. Cold rolling is carried out to, followed by intermediate heat treatment for 1 to 3 hours at 560 ~ 600 ℃ and repeated cold rolling. At this time, the intermediate heat treatment and cold rolling may be repeated several times, preferably three to five times.
다음으로 단계 5는 단계 4의 냉간 압연 후에 잔류 응력을 이완시키기 위하여 최종 열처리하는 단계이다.Step 5 is the final heat treatment after the cold rolling of step 4 to relax the residual stress.
상기 최종 열처리는 440 ~ 580 ℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 이와 같은 방법에 의하여 본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물을 제조할 수 있다.The final heat treatment is preferably performed at 440 ~ 580 ℃, it is possible to produce a zirconium alloy composition according to the present invention by such a method.
상기 원소 및 함량을 포함하여 이루어지는 본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물은 부식 시험 결과 종래에 사용되던 지르칼로이-4의 냉각수 및 수증기 부식 저항성보다 부식 저항성이 우수하기 때문에(표 2 참조), 원자력 발전소의 고연소도 핵연료 피복관, 지지격자, 구조물 등에 유용하게 사용할 수 있다.Since the zirconium alloy composition according to the present invention comprising the above elements and contents is superior in corrosion resistance than the cooling water and steam corrosion resistance of Zircaloy-4, which is conventionally used as a result of the corrosion test (see Table 2), Combustion can also be usefully used for fuel cladding, support grids, structures, and the like.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐이므로, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are only examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
<< 실시예Example 1> 지르코늄 합금의 제조 1> Manufacture of Zirconium Alloy
(1) (One) 잉곳Ingot (( IngotIngot ) 제조) Produce
니오븀 1.5 중량%, 크롬 0.05 중량%, 산소 1200 ppm, 규소 80 ppm 및 지르코늄 잔부를 진공 아크 용해(VAR) 방법을 이용하여 400 g의 버튼 형태로 용해를 수행하였다. 불순물이 편석되거나 합금조성이 불균일하게 분포하는 것을 방지하기 위하여 5회의 반복용해를 실시하였으며, 용해시 산화되는 것을 방지하기 위하여 0.2 torr까지 진공을 충분히 형성한 다음 챔버 내에 아르곤 가스를 주입하여 인가전류 1000 A, 냉각수 압력 1 kgf/cm2, 직경 60 mm의 수냉 구리 도가니에서 용해를 약 3.5분 동안 실시하였다. 용해 후 시편이 냉각되는 동안 시편 표면의 산화를 억제하기 위하여 진공을 다시 0.2 torr로 유지한 후 아르곤 가스를 주입하여 냉각시켰다. Dissolution of niobium 1.5% by weight, 0.05% by weight of chromium, 1200 ppm of oxygen, 80 ppm of silicon and the balance of zirconium was carried out in the form of a button of 400 g using the vacuum arc dissolution (VAR) method. In order to prevent impurities from segregating or unevenly distributed alloy composition, five times of dissolution were performed. In order to prevent oxidation during dissolution, sufficient vacuum was formed to 0.2 torr, and then argon gas was injected into the chamber to apply an applied current of 1000. A, dissolution was carried out in a water-cooled copper crucible with a cooling water pressure of 1 kgf / cm 2 and a diameter of 60 mm for about 3.5 minutes. After dissolution, the specimen was cooled to 0.2 torr in order to suppress oxidation of the surface of the specimen, and then cooled by injecting argon gas.
(2) β-열처리(2) β-heat treatment
β영역에서 용체화처리하여 잉곳 내의 합금조성을 균질화하기 위하여 β열처리를 수행하였다. 시편의 산화방지를 위하여 1 mm 두께의 스테인레스 강판으로 시편을 피복(cladding)하여 1050℃에서 20분 동안 유지한 후 100ℓ의 물이 담긴 욕조에 떨어뜨린 후 봉으로 교반하여 수냉시켰다. β heat treatment was performed to homogenize the alloy composition in the ingot by solution treatment in the β region. In order to prevent oxidation of the specimen, the specimen was clad with a stainless steel plate having a thickness of 1 mm, held at 1050 ° C. for 20 minutes, dropped in a bath containing 100 L of water, and stirred with a rod to cool water.
(3) 열간 압연(3) hot rolling
열간 압연은 100 톤 규모의 압연기를 사용하여 실시하였다. 650 ℃에서 20분 동안 예열한 후 1 패스(pass)에 약 70%의 압하율로 압연하였다. 열간 압연 후 피복을 제거한 후 불산:질산:물=5:45:50의 부피비의 산세용액을 이용하여 β-열처리나 열간 압연시 발생한 산화막을 제거하였다. 또한, 산세 후에도 국부적으로 남아 있는 산화막은 전동 와이어 브러쉬(wire brush)를 이용하여 기계적으로 완전히 제거하였다.Hot rolling was performed using the rolling machine of a 100 ton scale. After preheating at 650 ° C. for 20 minutes, it was rolled at a pass rate of about 70% in one pass. After removing the coating after hot rolling, an oxide film generated during β-heat treatment or hot rolling was removed using a pickling solution having a volume ratio of hydrofluoric acid: nitric acid: water = 5: 45: 50. In addition, the oxide film remaining locally after pickling was completely removed mechanically using an electric wire brush.
(4) 냉간 압연 및 중간 열처리(4) cold rolling and intermediate heat treatment
열간압연 후 잔류하는 응력을 제거하고 1차 냉간가공시 시편의 파손을 막기 위하여 590℃에서 30분 동안 소둔(annealing)한 후 70 톤 용량의 압연기를 이용하여 1 패스에 약 0.5 mm 두께 감소로 50% 압하율로 1차 냉간압연을 수행하였다. 1차 압연 후 580℃에서 2시간 동안 중간 재결정 열처리를 한 후 압하율 45%로 2차 냉간 압연을 수행하였다. 2차 압연 후 580℃에서 2시간 동안 중간 재결정 열처리를 한 후 압하율 50%로 3차 냉간 압연을 수행하였다. In order to remove the residual stress after hot rolling and to prevent the specimen from being damaged during the first cold working, it was annealed at 590 ° C for 30 minutes and then reduced to about 0.5 mm thickness in one pass using a 70 ton rolling mill. Primary cold rolling was performed at% reduction. After the first rolling, an intermediate recrystallization heat treatment was performed at 580 ° C. for 2 hours, and the second cold rolling was performed at a rolling reduction of 45%. After the second rolling, the intermediate recrystallization heat treatment was performed at 580 ° C. for 2 hours, and the third cold rolling was performed at a rolling reduction of 50%.
(5) 최종 열처리(5) final heat treatment
냉간압연 후 발생한 응력을 이완시키고자 470℃에서 3시간 동안 최종 열처리를 실시하여 지르코늄 합금을 제조하였다.A zirconium alloy was prepared by performing a final heat treatment at 470 ° C. for 3 hours to relax the stress generated after cold rolling.
<< 실시예Example 2> 2>
지르코늄 합금 조성물의 비율이 니오븀 1.5 중량%; 크롬 0.1 중량%; 산소 1200 ppm; 규소 80 ppm; 및 잔부 지르코늄인 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 수행하였다.The proportion of zirconium alloy composition is 1.5% by weight of niobium; 0.1 weight percent chromium; 1200 ppm oxygen;
<< 실시예Example 3> 3>
지르코늄 합금 조성물의 비율이 니오븀 1.5 중량%; 크롬 0.1 중량%; 철 0.1 중량%; 산소 1200 ppm; 규소 80 ppm; 및 잔부 지르코늄인 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 수행하였다.The proportion of zirconium alloy composition is 1.5% by weight of niobium; 0.1 weight percent chromium; 0.1 weight percent iron; 1200 ppm oxygen;
<< 실시예Example 4> 4>
지르코늄 합금 조성물의 비율이 니오븀 1.8 중량%; 크롬 0.2 중량%; 철 0.2 중량%; 산소 1200 ppm; 규소 80 ppm; 및 잔부 지르코늄인 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 수행하였다.The proportion of zirconium alloy composition is 1.8 wt% niobium; 0.2 wt% chromium; Iron 0.2% by weight; 1200 ppm oxygen;
<< 실시예Example 5> 5>
지르코늄 합금 조성물의 비율이 니오븀 2.0 중량%; 크롬 0.1 중량%; 철 0.1 중량%; 산소 1200 ppm; 규소 80 ppm; 및 잔부 지르코늄인 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 수행하였다.The proportion of zirconium alloy composition is 2.0% by weight of niobium; 0.1 weight percent chromium; 0.1 weight percent iron; 1200 ppm oxygen;
<< 실시예Example 6> 6>
지르코늄 합금 조성물의 비율이 니오븀 1.5 중량%; 크롬 0.1 중량%; 구리 0.05 중량%; 산소 1200 ppm; 규소 80 ppm; 및 잔부 지르코늄인 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 수행하였다.The proportion of zirconium alloy composition is 1.5% by weight of niobium; 0.1 weight percent chromium; 0.05 weight percent copper; 1200 ppm oxygen;
<< 실시예Example 7> 7>
지르코늄 합금 조성물의 비율이 니오븀 1.8 중량%; 크롬 0.2 중량%; 구리 0.1 중량%; 산소 1200 ppm; 규소 80 ppm; 및 잔부 지르코늄인 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 수행하였다.The proportion of zirconium alloy composition is 1.8 wt% niobium; 0.2 wt% chromium; 0.1 wt% copper; 1200 ppm oxygen;
<< 실시예Example 8> 8>
지르코늄 합금 조성물의 비율이 니오븀 1.5 중량%; 크롬 0.05 중량%; 구리 0.1 중량%; 철 0.1 중량%; 산소 1200 ppm; 규소 80 ppm; 및 잔부 지르코늄인 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 수행하였다.The proportion of zirconium alloy composition is 1.5% by weight of niobium; 0.05% by weight of chromium; 0.1 wt% copper; 0.1 weight percent iron; 1200 ppm oxygen;
<< 실시예Example 9> 9>
지르코늄 합금 조성물의 비율이 니오븀 1.8 중량%; 크롬 0.1 중량%; 구리 0.1 중량%; 철 0.05 중량%; 산소 1200 ppm; 규소 80 ppm; 및 잔부 지르코늄인 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 수행하였다.The proportion of zirconium alloy composition is 1.8 wt% niobium; 0.1 weight percent chromium; 0.1 wt% copper; Iron 0.05% by weight; 1200 ppm oxygen;
<< 실시예Example 10> 10>
지르코늄 합금 조성물의 비율이 니오븀 2.0 중량%; 크롬 0.1 중량%; 구리 0.05 중량%; 철 0.1 중량%; 산소 1200 ppm; 규소 80 ppm; 및 잔부 지르코늄인 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 수행하였다.The proportion of zirconium alloy composition is 2.0% by weight of niobium; 0.1 weight percent chromium; 0.05 weight percent copper; 0.1 weight percent iron; 1200 ppm oxygen;
상술한 지르코늄 합금 조성물을 표 1에 나타내었다.The zirconium alloy composition described above is shown in Table 1.
<< 비교예Comparative example 1> 1>
종래의 상용 피복관으로 사용되는 지르칼로이-4를 사용하였다.Zircaloy-4 used as a conventional commercial cladding tube was used.
<< 실험예Experimental Example 1> 부식 시험 1> corrosion test
본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물의 부식 저항성을 알아보기 위해, 하기와 같은 부식 실험을 수행하였다.In order to determine the corrosion resistance of the zirconium alloy composition according to the present invention, the following corrosion experiment was performed.
상기 실시예 1 ~ 10 의 및 비교예 1의 지르코늄 합금을 15 × 25 × 0.7 mm 크기로 부식시편을 제작한 다음 그리드 1200까지 기계적으로 연마한 후 불산(HF):질산:물의 부피비가 10:45:50인 용액에 담궈 표면의 불순물과 표면에 미세하게 존재하는 결함을 제거하였다. 상기 표면처리된 합금을 오토클래이브에 장입직전에 표면적과 초기무게를 측정하였다. 이후 360 ℃의 물과 400 ℃(10.3MPa) 수증기 분위기를 갖는 오토클래이브에 장입된 시편은 각각 500일 및 400일 동안 부식시킨 후, 시편의 무게 증가를 측정함으로써, 부식정도를 정량적으로 평가하였다. 상기 부식시험 결과를 표 2에 나타내었다.The zirconium alloys of Examples 1 to 10 and Comparative Example 1 were manufactured to have corrosion specimens having a size of 15 × 25 × 0.7 mm, and then mechanically polished to grid 1200. Dipping in a: 50 solution removes impurities on the surface and defects present on the surface. The surface area and initial weight were measured immediately before the surface-treated alloy was placed in an autoclave. Then, the specimen loaded in an autoclave having 360 ° C. water and 400 ° C. (10.3 MPa) steam atmosphere was corroded for 500 days and 400 days, and then the degree of corrosion was quantitatively evaluated by measuring the weight increase of the specimen. . The corrosion test results are shown in Table 2.
표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물로 이루어진 실시예 1 ~ 10의 지르코늄 합금은 물에 대한 부식 정도가 99 ~ 102 mg/dm2 를 나타냄으로써 비교예의 지르칼로이-4(135 mg/dm2)보다 낮음을 알 수 있으며, 수증기에 대한 부식 정도에 있어서도 121 ~ 143 mg/dm2으로써, 지르칼로이-4(180 mg/dm2)보다 부식 정도가 낮음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물은 물에 대한 부식 저항성과 수증기에 대한 부식 저항성이 우수하므로, 원자력발전소의 고연소도 핵연료 피복관, 지지격자, 구조물 등에 유용하게 사용될 수 있다.As shown in Table 2, the zirconium alloys of Examples 1 to 10 of the zirconium alloy composition according to the present invention exhibited a corrosion degree of water of 99 to 102 mg / dm 2, thereby indicating the zircaloy-4 of the comparative example (135 mg). / dm 2 It can be seen that the lower than, even in the degree of corrosion of water vapor as 121 ~ 143 mg / dm 2 , it can be seen that the corrosion degree is lower than Zircaloy-4 (180 mg / dm 2 ). Therefore, the zirconium alloy composition according to the present invention has excellent corrosion resistance to water and corrosion resistance to water vapor, and therefore, high combustion of a nuclear power plant may be usefully used in nuclear fuel cladding, support grids, structures, and the like.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물은 냉각수 및 증기에서의 부식저항성이 종래의 합금인 지르칼로이-4에 비하여 우수하기 때문에, 원자력 발전소의 고연소도 핵연료 피복관, 지지격자, 구조물 등에 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the zirconium alloy composition according to the present invention has excellent corrosion resistance in cooling water and steam compared to the conventional alloy Zircaloy-4, and thus the high-combustion fuel cladding tube, support grid, structure, etc. of a nuclear power plant. It can be usefully used.
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