KR101275105B1 - High Cr Ferritic/Martensitic steels having an improved creep resistance for in-core component materials in nuclear reactor, and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크리프 성능이 향상된 원자로 노심부품 소재용 고크롬 페라이트/마르텐사이트강 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 탄소 0.04~0.13 중량%, 규소 0.03~0.07 중량%, 망간 0.40~0.50 중량%, 니켈 0.40~0.50 중량%, 크롬 8.5~9.5 중량%, 몰리브덴 0.45~0.55 중량%, 바나듐 0.10~0.25 중량%, 탄탈륨 0.02~0.10 중량%, 니오븀 0.21~0.25 중량%, 텅스텐 1.5~3.0 중량%, 질소 0.015~0.025 중량%, 보론 0.01~0.02 중량% 및 철 잔부로 이루어지고, 코발트를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 특히 질소 및 보론 함량을 최적화하여 우수한 인장강도 및 크리프 성능을 나타내므로, 고온 및 고중성자조사량 조건에서 사용되는 제4세대 SFR 핵연료 재료로 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a high chromium ferritic / martensitic steel for the reactor core parts material with improved creep performance, and to a method of manufacturing the same, specifically, 0.04 to 0.13 wt% carbon, 0.03 to 0.07 wt% silicon, 0.40 to 0.50 wt% manganese, Nickel 0.40 to 0.50 wt%, Chromium 8.5 to 9.5 wt%, Molybdenum 0.45 to 0.55 wt%, Vanadium 0.10 to 0.25 wt%, Tantalum 0.02 to 0.10 wt%, Niobium 0.21 to 0.25 wt%, Tungsten 1.5 to 3.0 wt%, Nitrogen The present invention relates to a high chromium ferritic / martensitic steel made of 0.015 to 0.025% by weight, boron 0.01 to 0.02% by weight, and iron residue, and containing no cobalt. The high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention exhibits excellent tensile strength and creep performance by optimizing the nitrogen and boron content, in particular, and thus can be usefully used as the fourth generation SFR fuel material used in high temperature and high neutron irradiation conditions. have.

Description

크리프 성능이 향상된 원자로 노심부품 소재용 고크롬 페라이트/마르텐사이트강 및 이의 제조방법{High Cr Ferritic/Martensitic steels having an improved creep resistance for in-core component materials in nuclear reactor, and preparation method thereof}High Cr Ferritic / Martensitic steels having an improved creep resistance for in-core component materials in nuclear reactor, and preparation method

본 발명은 크리프 성능이 향상된 원자로 노심부품 소재용 고크롬 페라이트/마르텐사이트강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to high chromium ferrite / martensitic steel for reactor core part materials with improved creep performance and a method of manufacturing the same.

소듐냉각 고속로(Sodium-cooled Fast Reactor, SFR)는 고속중성자를 이용하는 방식으로 핵연료 증식특성이 있어서 원자력발전의 초창기부터 우라늄 자원의 효율적 이용이라는 측면에서 개발되었다. 최근에 들어서 제4세대(Gen IV) 원자로시스템 개발 프로그램에 나타난 바와 같이 사용후 핵연료의 활용과 초장수명 방사성 핵종의 소멸처리 활용으로 소듐냉각 고속로가 다시금 주목을 받고 있다.Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) has been developed in terms of efficient use of uranium resources since the early days of nuclear power generation because it has a characteristic of proliferating fuel using fast neutrons. In recent years, the sodium-cooled high-speed reactor is attracting attention again because of the use of spent fuel and the extinction treatment of ultra long-lived radionuclides, as shown in the Gen IV reactor system development program.

핵연료는 핵분열에 의한 에너지의 생산, 핵물질의 증식 및 폐기물의 소멸 등이 진행되는 소듐냉각 고속로의 핵심 요소이다. 따라서 방사성 핵분열생성물이 밀집되어 있는 핵연료의 안전성은 원자로의 안전성과 직결된다. Nuclear fuel is a key element of sodium cooling fast reactors that produce energy from fission, multiply nuclear material, and destroy waste. Therefore, the safety of nuclear fuel containing radioactive fission products is directly related to the safety of the reactor.

핵연료 피복관은 연료심을 밀봉하여 방사성물질의 외부 유출을 방지하는 역할을 하기 때문에, 핵연료 및 원자로의 안전성과 직결되는 가장 중요한 핵연료 부품이다. SFR 핵연료 피복관은 고온 및 고조사량의 가혹한 조건에서 사용된다. 따라서 고온에서 크리프 저항성이 우수하고, 높은 중성자 조사량까지 팽윤이 낮으면서, 연성이 유지되는 피복관이 개발되어야 한다. 이의 실현을 위해서는 높은 온도의 냉각재와 높은 중성자 조사량 조건에서 견딜 수 있는 고온/내방사성을 갖으며, 액체 소듐과의 양립성이 우수한 새로운 재료의 개발이 필요하다.
Since the fuel cladding serves to seal the fuel core to prevent the outflow of radioactive material, it is the most important fuel component directly related to the safety of the fuel and the reactor. SFR fuel cladding is used in high temperature and high dose harsh conditions. Therefore, a cladding tube having excellent creep resistance at high temperatures, low swelling up to a high neutron dose, and maintaining ductility should be developed. In order to realize this, it is necessary to develop a new material having high temperature / radiation resistance that can withstand high temperature coolant and high neutron irradiation conditions and excellent compatibility with liquid sodium.

최근, 제4세대 원자로 및 핵융합 원자로 주요부품의 후보재료로서 고온특성이 우수한 재료로 고크롬 함유의 페라이트-마르텐사이트계 강(Ferrite/Martensitic Steel, FMS)이 관심을 받고 있다.Recently, high chromium-containing ferrite-martensitic steel (FMS) has attracted attention as a material having excellent high temperature characteristics as a candidate material for major components of the fourth generation reactor and fusion reactor.

크롬 함량이 8~12 중량% 포함된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 오스텐나이트계 스테인레스 강(예, SS316, SS304)에 비해 우수한 열적 특성과 조사 팽윤 저항성 때문에 1970년대부터 고속 중성자(fast neutron)를 이용하는 고속증식로(fast breeder reactor) 노심의 중요한 부품인 핵연료 피복관, 이를 감싸는 랩퍼(wrapper) 또는 덕트(duct)용 재료로 사용되어 왔다. High chromium ferritic / martensitic steels containing 8 to 12% by weight of chromium are fast neutrons since the 1970s because of their superior thermal properties and irradiation swelling resistance compared to austenitic stainless steels (eg SS316 and SS304). Fast breeder reactors have been used as fuel cladding, an important part of the core, as a material for wrappers or ducts surrounding them.

고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 크게 9Cr-1Mo (ASME T9) 계열과 12Cr (AISI 410) 계열로 구분할 수 있으며, 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강이 개량되어온 과정을 도 1의 표를 통해 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 9Cr-1Mo 계열로는 600 ℃에서 105 시간 크립 파단 강도가 60 MPa급인 9Cr-2Mo (HCM 9), 9Cr-2MoVNb (EM12) 및 9Cr-1MoVNb (Tempaloy F-9)이 개발되었으며, 이 후 크립 파단 강도가 100 MPa 정도인 9Cr-1MoVNb(ASME T91)이 개발되었다. 또한, 일본의 Sumitomo 사에서는 ASME T91에서 Mo 성분을 감소시키고 W을 첨가하여 크립 파단 강도가 130 MPa 수준인 9Cr-0.5Mo-1.8WVNb (ASME T92)을 개발한 바 있으며, 크립 파단강도가 150 MPa 수준인 NF12 (11Cr-WCo-NiVNb) 합금도 개발되었다. The high chromium ferrite / martensite steels can be classified into 9Cr-1Mo (ASME T9) series and 12Cr (AISI 410) series, and the process of improving the high chromium ferrite / martensite steels is shown in the table of FIG. 1. As shown in FIG. 1, 9Cr-1Mo series includes 9Cr-2Mo (HCM 9), 9Cr-2MoVNb (EM12), and 9Cr-1MoVNb (Tempaloy F-9) having a creep rupture strength of 60 MPa for 105 hours at 600 ° C. Afterwards, 9Cr-1MoVNb (ASME T91) with a creep rupture strength of about 100 MPa was developed. In addition, Sumitomo of Japan has developed 9Cr-0.5Mo-1.8WVNb (ASME T92), which has a creep rupture strength of 130 MPa by reducing Mo content and adding W in ASME T91, and has a creep rupture strength of 150 MPa. A level NF12 (11Cr-WCo-NiVNb) alloy was also developed.

12Cr 계열은 12Cr-1Mo-VW (HT9), 12Cr-1Mo-1WVNb (HCM12), 11Cr-0.4Mo-2WVNbCu (ASME T122)이 개발되었고, 크립 파단 강도가 150 MPa급인 11Cr-WCo-VNb (SAVE12) 강이 개발된 바 있다.
12Cr series has developed 12Cr-1Mo-VW (HT9), 12Cr-1Mo-1WVNb (HCM12), 11Cr-0.4Mo-2WVNbCu (ASME T122), and 11Cr-WCo-VNb (SAVE12) with creep breaking strength of 150 MPa Rivers have been developed.

한편, 도 1에 나타낸 바와 같이 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 개발 과정에 있어서, 합금원소로 Co가 첨가된 강의 크립 파단 강도가 우수한 것을 알 수 있으며, 유럽등록특허 EP 0806490 B1에서는 Co가 첨가되어 내열성 및 크립 파단 강도가 우수한 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강이 개시된 바 있다.Meanwhile, in the development process of high chromium ferrite / martensitic steel, as shown in FIG. 1, it can be seen that the creep rupture strength of the steel to which Co is added as an alloying element is excellent. In European Patent EP 0806490 B1, Co is added to provide heat resistance. And high chromium ferrite / martensitic steels with good creep rupture strength.

그러나, 상기 유럽등록특허 EP 0806490 B1에 개시된 바와 같이 Co 성분이 첨가된 페라이트/마르텐사이트 강을 원자로에 사용하는 경우, 고방사화 물질인 Co의 사용으로 인해 밀폐된 원자력 발전소 내에서 작업해야 하는 근무자의 안전문제가 대두되는 바, 원자력 특히 원자로 관련 소재로 부적합한 문제가 있다.
However, in the case of using a ferritic / martensitic steel with Co component added to the reactor as disclosed in EP 0806490 B1, workers who have to work in a closed nuclear power plant due to the use of Co, a highly radioactive material, As safety concerns arise, there are problems that are unsuitable for nuclear power, especially nuclear reactor-related materials.

한편, 핵융합 원자로 재료개발 프로그램이 본격적으로 시작한 1980년 대 중반에 저방사화(reduced-activation) 강에 대한 개념이 도입되어 저방사화 페라이트/마르텐사이트 강(RAFMS)에 대한 연구가 본격적으로 추진되었으며, 이때 출발점이 된 재료는 개량 9Cr-1Mo 강으로 알려진 ASTM Gr.91합금(주요 성분: 9% Cr-1% Mo-0.20% V-0.08% Nb)의 페라이트/마르텐사이트 강이다. 저방사화 페라이트/마르텐사이트 강은 고속 중성자 조사에 의해 발생하는 장수명 고준위 방사성 물질의 생성을 줄이기 위한 합금원소의 제한이 뒤따랐다. 즉, 저방사화 페라이트/마르텐사이트 강에서는 몰리브덴, 니오븀, 니켈, 구리, 질소의 첨가를 엄격히 제한했고, 이들 원소 대신에 텅스텐과 탄탈늄의 첨가가 제안되었다. 또한 α-상 안정화 원소인 탄소나 망간의 첨가량의 증가 없이 충격특성에 나쁜 영향을 미치는 δ-페라이트 상의 생성을 억제하는 방안으로 크롬 함량을 7~9%로 줄이는 합금이 선호되었다. 이와 같은 일련의 연구를 통해 일본에서는 F82H 합금(주요 성분: 8% Cr-2.0% W-0.25% V-0.04% Ta)과 JLF-1 합금(주요 성분: 9% Cr-2.0% W-0.25% V-0.05% Ta-0.02% Ti)이 새롭게 개발되었고 유럽에서는 EUROFER-97 합금(주요 성분: 9% Cr-1.1% W-0.20% V-0.12% Ta-0.01% Ti), 미국에서는 ORNL 9Cr-2WVTa(주요 성분: 9% Cr-2.0% W-0.25% V-0.07% Ta)이 개발되었다.
Meanwhile, the concept of reduced-activation steel was introduced in the mid-1980s when the nuclear fusion reactor material development program began in earnest, and research on low-radiation ferrite / martensite steel (RAFMS) was carried out in earnest. The starting material is ferritic / martensitic steel of ASTM Gr. 91 alloy (major component: 9% Cr-1% Mo-0.20% V-0.08% Nb), known as modified 9Cr-1Mo steel. Low-spinning ferritic / martensitic steels have been followed by limitations of alloying elements to reduce the production of long-lived, high-level radioactive materials produced by high-speed neutron irradiation. In other words, the addition of molybdenum, niobium, nickel, copper and nitrogen was strictly restricted in low-emission ferritic / martensitic steels, and the addition of tungsten and tantalum was proposed instead of these elements. In addition, alloys with a reduced chromium content of 7-9% were preferred as a way to suppress the formation of δ-ferrite phases that adversely affect the impact properties without increasing the amount of carbon or manganese, which is an α-phase stabilizing element. In this series of studies, in Japan, the F82H alloy (major component: 8% Cr-2.0% W-0.25% V-0.04% Ta) and JLF-1 alloy (major component: 9% Cr-2.0% W-0.25% V-0.05% Ta-0.02% Ti) has been newly developed and EUROFER-97 alloy (main component: 9% Cr-1.1% W-0.20% V-0.12% Ta-0.01% Ti) in Europe and ORNL 9Cr- in the US 2WVTa (main component: 9% Cr-2.0% W-0.25% V-0.07% Ta) was developed.

그러나, SFR 핵연료 피복관은 고온 및 고속의 중성자가 조사되는 가혹한 조건에서 사용되므로 고온에서 크리프 성능이 우수한 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 개발이 여전히 요구되고 있다.
However, SFR fuel cladding is used in harsh conditions where high temperature and high speed neutrons are irradiated, and there is still a need for the development of high chromium ferrite / martensitic steels having excellent creep performance at high temperatures.

이에 본 발명자들은 고온에서 우수한 크리프 성능을 나타내는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 개발하기 위하여 연구하던 중, 니오븀, 탄탈륨, 텅스텐, 질소, 보론 및 탄소 등의 합금 원소의 함량을 최적화하여 우수한 크리프 성능을 나타내는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have been researching to develop high chromium ferrite / martensitic steels exhibiting excellent creep performance at high temperature, and have optimized creep performance by optimizing the content of alloying elements such as niobium, tantalum, tungsten, nitrogen, boron, and carbon. The high chromium ferrite / martensitic steels shown were developed and the present invention was completed.

본 발명의 목적은 우수한 크리프 성능을 가지는 소듐냉각 고속로(SFR) 핵연료 재료용 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
It is an object of the present invention to provide a high chromium ferrite / martensitic steel for sodium cooled fast reactor (SFR) nuclear fuel materials having excellent creep performance and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소 0.04~0.13 중량%, 규소 0.03~0.07 중량%, 망간 0.40~0.50 중량%, 니켈 0.40~0.50 중량%, 크롬 8.5~9.5 중량%, 몰리브덴 0.45~0.55 중량%, 바나듐 0.10~0.25 중량%, 탄탈륨 0.02~0.10 중량%, 니오븀 0.21~0.25 중량%, 텅스텐 1.5~3.0 중량%, 질소 0.015~0.025 중량%, 보론 0.01~0.02 중량% 및 철 잔부를 포함하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is 0.04 to 0.13% by weight of carbon, 0.03 to 0.07% by weight of silicon, 0.40 to 0.50% by weight of manganese, 0.40 to 0.50% by weight of nickel, 8.5 to 9.5% by weight of chromium and 0.45 to 0.55% by weight of molybdenum %, 0.10 to 0.25% by weight of vanadium, 0.02 to 0.10% by weight of tantalum, 0.21 to 0.25% by weight of niobium, 1.5 to 3.0% by weight of tungsten, 0.015 to 0.025% by weight of nitrogen, 0.01 to 0.02% by weight of boron and iron balance Provides chromium ferrite / martensitic steels.

상기 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 바람직하게는 코발트를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다.
The high chromium ferrite / martensitic steel is preferably characterized in that it does not contain cobalt.

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 니오븀, 탄탈륨, 텅스텐, 질소, 보론, 및 탄소 등의 합금 원소의 함량을 최적화하여 우수한 인장강도 및 크리프 저항성을 나타내므로, 고온 및 고중성자량의 가혹한 조건에서 사용되는 제4세대 SFR 핵연료 재료로 유용하게 사용될 수 있다.
The high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention exhibits excellent tensile strength and creep resistance by optimizing the content of alloying elements such as niobium, tantalum, tungsten, nitrogen, boron, and carbon. It can be usefully used as the fourth generation SFR fuel material used in the conditions.

도 1은 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 개발과정을 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 650 ℃에서의 항복강도를 나타낸 그래프이고;
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 650 ℃에서의 인장강도를 나타낸 그래프이고;
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 650 ℃에서의 크리프 성능을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing the development of high chromium ferrite / martensitic steels;
2 is a graph showing the yield strength at 650 ℃ of high chromium ferrite / martensitic steel according to an embodiment of the present invention;
3 is a graph showing the tensile strength at 650 ℃ of high chromium ferrite / martensitic steel according to an embodiment of the present invention;
4 is a graph showing creep performance of high chromium ferrite / martensitic steel at 650 ° C. according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 탄소 0.04~0.13 중량%, 규소 0.03~0.07 중량%, 망간 0.40~0.50 중량%, 니켈 0.40~0.50 중량%, 크롬 8.5~9.5 중량%, 몰리브덴 0.45~0.55 중량%, 바나듐 0.10~0.25 중량%, 탄탈륨 0.02~0.10 중량%, 니오븀 0.21~0.25 중량%, 텅스텐 1.5~3.0 중량%, 질소 0.015~0.025 중량%, 보론 0.01~0.02 중량% 및 철 잔부를 포함하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제공한다.
The present invention comprises 0.04-0.13 wt% carbon, 0.03-0.07 wt% silicon, 0.40-0.50 wt% manganese, 0.40-0.50 wt% nickel, 8.5-9.5 wt% chromium, 0.45-0.55 wt% molybdenum, 0.10-0.25 wt% vanadium High chromium ferritic / martensitic steels containing%, tantalum 0.02-0.10 wt%, niobium 0.21-0.25 wt%, tungsten 1.5-3.0 wt%, nitrogen 0.015-0.025 wt%, boron 0.01-0.02 wt% and iron balance to provide.

또한, 본 발명은 탄소 0.04~0.13 중량%, 규소 0.03~0.07 중량%, 망간 0.40~0.50 중량%, 니켈 0.40~0.50 중량%, 크롬 8.5~9.5 중량%, 몰리브덴 0.45~0.55 중량%, 바나듐 0.10~0.25 중량%, 탄탈륨 0.02~0.10 중량%, 니오븀 0.21~0.25 중량%, 텅스텐 1.5~3.0 중량%, 질소 0.015~0.025 중량%, 보론 0.01~0.02 중량% 및 철 잔부를 포함하고, 바람직하게는 코발트를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제공한다.
In addition, the present invention is 0.04 to 0.13% by weight of carbon, 0.03 to 0.07% by weight of silicon, 0.40 to 0.50% by weight of manganese, 0.40 to 0.50% by weight of nickel, 8.5 to 9.5% by weight of chromium, 0.45 to 0.55% by weight of molybdenum and 0.10 to 0% of vanadium. 0.25 wt%, tantalum 0.02-0.10 wt%, niobium 0.21-0.25 wt%, tungsten 1.5-3.0 wt%, nitrogen 0.015-0.025 wt%, boron 0.01-0.02 wt% and the balance of iron, preferably cobalt It provides a high chromium ferrite / martensite steel, characterized in that it does not contain.

나아가, 본 발명은 탄소 0.04~0.13 중량%, 규소 0.03~0.07 중량%, 망간 0.40~0.50 중량%, 니켈 0.40~0.50 중량%, 크롬 8.5~9.5 중량%, 몰리브덴 0.45~0.55 중량%, 바나듐 0.10~0.25 중량%, 탄탈륨 0.02~0.10 중량%, 니오븀 0.21~0.25 중량%, 텅스텐 1.5~3.0 중량%, 질소 0.015~0.025 중량%, 보론 0.01~0.02 중량% 및 철 잔부를 본질적인 구성성분으로 하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제공한다. 상기 “본질적인”이라는 의미는 상기 구성성분 외에 제조공정 중에 불가피하게 포함되는 불순물이 포함될 수 있음을 의미하는 것이다.
Further, the present invention is 0.04 to 0.13% by weight of carbon, 0.03 to 0.07% by weight of silicon, 0.40 to 0.50% by weight of manganese, 0.40 to 0.50% by weight of nickel, 8.5 to 9.5% by weight of chromium, 0.45 to 0.55% by weight of molybdenum and 0.10 to 0% of vanadium. 0.25% by weight, 0.02 to 0.10% by weight of tantalum, 0.21 to 0.25% by weight of niobium, 1.5 to 3.0% by weight of tungsten, 0.015 to 0.025% by weight of nitrogen, 0.01 to 0.02% by weight of boron and high chromium ferrite as the essential components Provides martensitic steel. The term “essential” means that in addition to the components, impurities may be included inevitably included in the manufacturing process.

이하에서는 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 첨가되는 원소의 역할 및 효과를 살펴본다.
Hereinafter, the role and effect of the element added to the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention.

(1) 탄소(C)(1) carbon (C)

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 탄소는 탄화물을 형성하여 석출경화 효과를 나타내며, 바람직한 탄소의 함량은 0.04∼0.13 중량%이다. 상기 탄소의 함량이 0.04 중량% 미만이면 상온 기계적 강도가 낮아지고 인성도 나빠지며, 특히 Cr 당량이 증가하여 델타 페라이트가 생성되는 문제가 있고, 0.13 중량%를 초과하면 많은 탄화물이 생성되고 이러한 탄화물이 사용 도중 쉽게 조대화되어 석출물에 의한 강화효과를 잃게 되는 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, carbon forms carbide to exhibit precipitation hardening effect, and the preferred carbon content is 0.04 to 0.13% by weight. If the carbon content is less than 0.04% by weight, the room temperature mechanical strength is low and the toughness is also deteriorated. In particular, the Cr equivalent is increased, so that the delta ferrite is generated. When the carbon content is more than 0.13% by weight, many carbides are formed and such carbides are There is a problem that the coarsening during use loses the strengthening effect by the precipitate.

(2) 규소((2) silicon ( SiSi ))

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 규소는 내산화성을 향상시키는 역할을 하며, 제강시 탈산제로 작용한다. 바람직한 규소의 함량은 0.03∼0.07 중량%이다. 상기 규소의 함량이 0.03 중량% 미만이면 내식성이 낮아지는 문제가 있고, 0.07 중량%를 초과하면 인성을 저하시키는 laves 상의 생성을 촉진하는 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, silicon serves to improve oxidation resistance and acts as a deoxidizer during steelmaking. Preferred silicon content is 0.03 to 0.07 wt%. If the content of the silicon is less than 0.03% by weight, there is a problem that the corrosion resistance is lowered, and when the content of the silicon exceeds 0.07% by weight, there is a problem of promoting the production of laves phase to reduce the toughness.

(3) 망간((3) manganese ( MnMn ))

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 망간은 경화능을 향상시키는 역할을 하며, 바람직한 망간의 함량은 0.40∼0.50 중량%이다. 상기 망간의 함량이 0.40 중량% 미만이면 경화능에 문제가 있고, 0.50 중량%를 초과하면 크리프 저항성을 저하시키는 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, manganese serves to improve the hardenability, and the preferred manganese content is 0.40 to 0.50% by weight. If the content of the manganese is less than 0.40% by weight, there is a problem in the hardenability, and if the content of the manganese exceeds 0.50% by weight, there is a problem of lowering creep resistance.

(4) 니켈((4) nickel ( NiNi ))

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 니켈은 크롬(Cr) 당량을 증가시켜 델타 페라이트의 생성을 억제하는 역할을 하며, 바람직한 니켈의 함량은 0.40∼0.50 중량%이다. 상기 니켈의 함량이 0.40 중량% 미만이면 인성에 취약한 델타 페라이트를 생성시키는 문제가 있고, 0.50 중량%를 초과하면 망간과 마찬가지로 크리프 저항성을 악화시키는 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the invention, nickel serves to increase the chromium (Cr) equivalent to inhibit the production of delta ferrite, and the preferred nickel content is 0.40 to 0.50% by weight. If the content of nickel is less than 0.40% by weight, there is a problem of generating delta ferrite vulnerable to toughness, and if the content of nickel is more than 0.50% by weight, there is a problem of deteriorating creep resistance like manganese.

(5) 크롬((5) chrome ( CrCr ))

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 크롬은 내식성과 고온 강도를 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 바람직한 크롬의 함량은 8.5∼9.5 중량%이다. 상기 크롬의 함량이 8.5 중량% 미만이면 고온 산화 및 부식에 대한 저항성이 낮아지는 문제가 있고, 9.5 중량%를 초과하면 크리프 저항성이 저하되는 문제가 있다.
In the high chromium ferritic / martensitic steels according to the invention, chromium is known to increase corrosion resistance and high temperature strength, and the preferred chromium content is 8.5 to 9.5% by weight. If the content of chromium is less than 8.5% by weight, there is a problem that the resistance to high temperature oxidation and corrosion is lowered, and if it is more than 9.5% by weight, creep resistance is deteriorated.

(6) 몰리브덴((6) molybdenum ( MoMo ))

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 몰리브덴은 고용강화 효과를 나타내는 원소로서, 바람직한 몰리브덴의 함량은 0.45∼0.55 중량%이다. 몰리브덴의 함량은 텅스텐 함량과 상호 관계가 있어, 텅스텐을 첨가한 강에서는 상기 몰리브덴의 함량이 0.45 중량% 미만이면 크롬 당량을 낮추어 델타 페라이트가 생성되는 문제가 있고, 0.55 중량%를 초과하면 취성이 있는 Laves 상을 대량 생성시키는 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, molybdenum is an element exhibiting a solid solution strengthening effect, and a preferable molybdenum content is 0.45 to 0.55 wt%. The content of molybdenum is correlated with the content of tungsten, and in the steel with tungsten, when the content of molybdenum is less than 0.45% by weight, the chromium equivalent is lowered to produce delta ferrite. There is a problem of mass producing Laves images.

(7) 바나듐(V)(7) vanadium (V)

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 바나듐은 석출경화를 나타내는 합금원소로서, 바람직한 바나듐의 함량은 0.1∼0.25 중량%이다. 상기 바나듐의 함량이 0.1 중량% 미만이면 석출물의 생성 위치를 감소시켜 탄화물이 균일하게 분포하지 못해 결과적으로 조대한 탄화물이 형성되어 크리프 저항성을 악화시키는 문제가 있고, 0.25 중량%를 초과하면 기지 중의 고용 탄소 및 질소를 모두 소모하여, 사용 도중 다른 형태의 탄화물이 생성되는 것을 어렵게 하는 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, vanadium is an alloying element exhibiting precipitation hardening, and a preferable content of vanadium is 0.1 to 0.25% by weight. If the content of the vanadium is less than 0.1% by weight, the formation position of the precipitate is reduced, and the carbides are not uniformly distributed, resulting in coarse carbides resulting in worse creep resistance. There is a problem of consuming both carbon and nitrogen, making it difficult to produce other forms of carbide during use.

(8) 니오븀((8) niobium ( NbNb ))

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 니오븀은 석출경화를 나타내는 합금원소로서, 바람직한 니오븀의 함량은 0.21∼0.25 중량%이다. 상기 니오븀의 함량이 0.21 중량% 미만이면 충분한 니오븀 석출물을 형성하지 못하여 노말라이징 처리시 오스테나이트 결정립 성장을 일으켜 기계적 성능을 저하시키는 문제가 있고, 0.25 중량%를 초과하면 노말라이징 처리 시의 미고용 니오븀의 함량이 증가하여 크리프 저항성에 효과적인 바나듐 석출량을 감소시키고 기지 중에 고용 탄소를 소모하여 M23C6와 같은 탄화물 석출량을 감소시켜 장시간 크리프 저항성을 저하시키는 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, niobium is an alloying element exhibiting precipitation hardening, and a preferable niobium content is 0.21 to 0.25 wt%. If the content of niobium is less than 0.21% by weight, sufficient niobium precipitates may not be formed, resulting in austenite grain growth during normalizing and deteriorating mechanical performance. If the content of niobium exceeds 0.25% by weight, unused niobium during normalizing Increasing the content of the vanadium to reduce the effective amount of vanadium precipitates, and the consumption of carbon in the matrix to reduce the amount of carbide precipitation such as M23C6 has a problem of lowering the creep resistance for a long time.

(9) 탄탈륨((9) tantalum ( TaTa ))

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 탄탈륨은 저방사화 원소로서 니오븀 석출물에 함유되어 석출강화 효과를 나타내는 역할을 한다. 본 발명에 있어서, 상기 탄탈륨은 우수한 기계적 특성을 나타내기 위하여 0.02∼0.10 중량%로 첨가하는 것이 바람직하며, 상기 0.10 중량%를 초과하면 니오븀의 과다 첨가와 동일한 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, tantalum is contained in the niobium precipitate as a low emissive element and serves to exhibit a precipitation strengthening effect. In the present invention, the tantalum is preferably added in an amount of 0.02 to 0.10% by weight in order to exhibit excellent mechanical properties, and when it exceeds 0.10% by weight, there is the same problem as an excessive addition of niobium.

(10) 텅스텐(W)(10) Tungsten (W)

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 텅스텐은 대표적인 고용강화 합금 원소로서, 바람직한 텅스텐의 함량은 1.5∼3.0 중량%이다. 상기 텅스텐의 함량이 1.5 중량% 미만이면 효과적인 고용강화에 문제가 있고, 3.0 중량%를 초과하면 장시간 크리프 저항성과 인성을 악화시키는 것으로 알려진 Laves상이 생성되는 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, tungsten is a representative solid solution hardened alloy element, and the preferred content of tungsten is 1.5 to 3.0% by weight. If the content of tungsten is less than 1.5% by weight, there is a problem in effective solid solution strengthening, and if it exceeds 3.0% by weight, there is a problem in that Laves phase is known to worsen creep resistance and toughness for a long time.

(11) 질소(N)(11) nitrogen (N)

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 질소는 질화물을 형성하든지 침입형으로 고용되어 강도를 높이는 역할을 한다. 그러나 보론이 일정량 이상 첨가된 강에서는 첨가된 질소가 보론 질화물을 형성하여 크리프 성능을 악화시키는 현상이 나타난다. 따라서 보론이 첨가된 강에서 바람직한 질소의 함량은 0.015∼0.025 중량%이다. 상기 질소의 함량이 0.015 중량% 미만이면 내식성이 낮아지는 문제가 있고, 0.025 중량%를 초과하면 보론 질화물을 형성하여 크리프 성능이 급격히 저하하는 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, nitrogen forms a nitride or invades so as to increase the strength. However, in steels with more than a certain amount of boron, the added nitrogen forms boron nitride, which degrades creep performance. Therefore, the preferred nitrogen content in the boron-added steel is 0.015 to 0.025% by weight. If the content of nitrogen is less than 0.015% by weight, there is a problem that the corrosion resistance is lowered, and if the content of nitrogen exceeds 0.025% by weight, boron nitride is formed to cause a sharp decrease in creep performance.

(12) 보론(B)(12) Boron (B)

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강에 있어서, 보론은 입계에 편석하여 입계강화 작용을 하여 고온 크리프 저항성을 향상시키며, 바람직한 보론의 함량은 0.01∼0.02 중량%이다. 상기 보론의 함량이 0.01 중량% 미만이면 효과적인 입계 강화를 얻을 수 없는 문제가 있고, 0.02 중량%를 초과하면 제조성에 문제가 있다.
In the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, boron segregates at grain boundaries to strengthen grain boundaries, thereby improving high temperature creep resistance, and the preferred boron content is 0.01 to 0.02% by weight. If the boron content is less than 0.01% by weight, effective grain boundary strengthening may not be obtained. If the boron content is more than 0.02% by weight, there is a problem in manufacturability.

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 페라이트/마르텐사이트 강의 내열성 및 크립 파단 강도를 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있지만 원자로에 사용하는 경우, 방사화 에너지가 매우 큰 문제가 있는 코발트(Co)를 포함하지 않으며, 종래의 원자로 부품의 소재로 사용되었던 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강과 비교하여 볼 때 매우 우수한 인장강도 및 크리프 저항성을 나타내므로, 원자력 발전소용 재료, 특히 원자로의 부품(예를 들어, 원자로의 노심부품 등)으로 이용이 가능하다. 나아가, 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 페라이트/마르텐사이트 강은 고온 및 고중성자량의 가혹한 조건에서 사용되는 제4세대 소듐냉각고속로(SFR)의 부품으로 예를 들면 제4세대 SFR 노심부품으로 유용하게 이용될 수 있다.The high chromium ferrite / martensitic steels according to the present invention are known to improve the heat resistance and creep rupture strength of ferrite / martensitic steels, but when used in nuclear reactors, cobalt (Co), which has a very large problem of radioactive energy, is used. It is not included and exhibits very good tensile strength and creep resistance compared to the high chromium ferrite / martensitic steels used as materials for conventional reactor components, and therefore, for nuclear power plant materials, in particular components of nuclear reactors (e.g., reactors) Core parts, etc.). Furthermore, the high chromium ferritic / martensitic steels according to the invention are ferritic / martensitic steels as parts of the fourth generation sodium cooling fasteners (SFR) used in harsh conditions of high temperature and high neutron weight, for example fourth generation It can be usefully used as SFR core parts.

이때, 상기 노심은 원자로의 중심부를 나타내는 표현으로써 핵분열 반응이 이루어지는 부분을 의미하고, 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강이 이용될 수 있는 상기 노심부품으로는 핵연료 피복관, 덕트, 와이어 랩 등이 있으며, 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강으로 제조된 상기 노심부품들을 이용함으로써 고온 및 고중성자량의 가혹한 조건에서도 핵연료가 안전하게 핵분열 반응을 일으키도록 보호해 주고, 방사성 물질이 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있으며, 우수한 액체소듐과의 양립성과 기계적 특성을 나타내어 고온 및 고중성자조사량 환경에서 장기간 사용할 수 있다.
In this case, the core refers to the portion of the nuclear fission reaction to represent the center of the nuclear reactor, the core component that can be used for the high chromium ferrite / martensite steel according to the present invention nuclear fuel cladding tube, duct, wire wrap, etc. By using the core parts made of high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention, it protects nuclear fuel safely from fission reaction even in harsh conditions of high temperature and high neutron weight, and radioactive material leaks to the outside. It can be prevented and exhibits compatibility and mechanical properties with excellent liquid sodium, so that it can be used for a long time in high temperature and high neutron irradiation environment.

본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 당업계에 널리 알려진 통상적인 방법을 사용하여 제조할 수 있으며, 바람직하게는 The high chromium ferritic / martensitic steels according to the invention can be produced using conventional methods well known in the art, preferably

합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 열간 압연된 잉곳을 노말라이징(Normalizing) 처리한 후 공냉시키는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하는 단계(단계 4)를 포함하는 방법으로 제조할 수 있다.Mixing and dissolving the alloying composition elements to produce an ingot (step 1); Hot rolling the ingot prepared in step 1 (step 2); Cooling the ingot hot rolled in the step 2 after the normalizing (Normalizing) process (step 3); And by tempering (Tempering) the alloy subjected to the normalized in step 3 can be produced by a method comprising the step of producing a high chromium ferrite / martensite steel by air cooling (step 4).

또한, 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 필요한 형태의 핵연료 부품(예를 들면, 소듐냉각 고속로의 핵연료 피복관 또는 덕트)으로 제조하기 위하여 상기 단계 3의 템퍼링 처리 후에 추가적 중간열처리 및 냉간가공을 수회 반복수행한 후 최종 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
Further intermediate heat treatment and cold treatment after the tempering treatment of step 3 above to produce the high chromium ferrite / martensitic steels according to the invention from the fuel components of the required type (e.g., fuel cladding or ducts in sodium cooling fast reactors). After repeating the process several times may further comprise the step of the final heat treatment.

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 합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계이다.First, step 1 is a step of preparing an ingot by mixing and melting the alloy composition elements.

상기 합금 조성 원소로는 탄소, 규소, 망간, 니켈, 크롬, 바나듐, 탄탈륨, 니오븀, 텅스텐, 질소, 보론, 잔부 철을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 탄소 0.04∼0.13 중량%, 규소 0.03∼0.07 중량%, 망간 0.40∼0.50 중량%, 니켈 0.40∼0.50 중량%, 크롬 8.5∼9.5 중량%, 몰리브덴 0.45∼0.55 중량%, 바나듐 0.10∼0.25 중량%, 탄탈륨 0.02∼0.10 중량%, 니오븀 0.21∼0.25 중량%, 텅스텐 1.5∼3.0 중량%, 질소 0.015∼0.025 중량%, 보론 0.01∼0.02 중량% 및 철 잔부를 포함한다.
As the alloy composition element, carbon, silicon, manganese, nickel, chromium, vanadium, tantalum, niobium, tungsten, nitrogen, boron, and balance iron may be used. Specifically, 0.04 to 0.13 wt% carbon and 0.03 to 0.07 wt% silicon. %, Manganese 0.40 to 0.50 weight%, nickel 0.40 to 0.50 weight%, chromium 8.5 to 9.5 weight%, molybdenum 0.45 to 0.55 weight%, vanadium 0.10 to 0.25 weight%, tantalum 0.02 to 0.10 weight%, niobium 0.21 to 0.25 weight% , Tungsten 1.5-3.0 wt%, nitrogen 0.015-0.025 wt%, boron 0.01-0.02 wt% and iron balance.

상기 잉곳 제조를 위하여 진공유도용해(VIM) 방법을 사용할 수 있다.Vacuum induction (VIM) method can be used for the production of the ingot.

구체적으로는 용해챔버를 고진공(1×10-5 내지 0.5 torr) 분위기에서 유도전류를 가해서 1차적으로 합금원소를 용해한 후 알루미늄 또는 규소와 같은 탈산제를 투입한다. 미량원소, 특히 질소 등은 용해가 거의 완료되는 시점에서 용탕에 장입한 후 성분분석용 시료를 채취한다. 용해가 완료되면 1500 ℃에서 직육면체 형틀에 용탕을 부어 출탕을 수행하며, 표면의 산화층은 기계적 가공을 수행하여 잉곳을 제조한다.
Specifically, an induction current is applied to the melting chamber in a high vacuum (1 × 10 −5 to 0.5 torr) atmosphere to first dissolve the alloying element, and then a deoxidizer such as aluminum or silicon is added thereto. Trace elements, especially nitrogen, are charged to the molten metal at the point when dissolution is almost complete, and then a sample for component analysis is collected. After dissolution is completed, the molten metal is poured into a cuboid at 1500 ° C. to perform tapping, and an oxide layer on the surface is subjected to mechanical processing to prepare an ingot.

다음으로 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계이다.Next, step 2 is a step of hot rolling the ingot prepared in step 1.

상기 열간 압연을 통하여 열간 가공에 적합한 열간 가공품을 제조한다. 이때 열간 압연은 1100∼1200 ℃의 온도에서 0.5∼2시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 만일 상기 범위를 벗어나는 경우, 즉 1100 ℃ 미만에서는 용체화 열처리(solution annealing)의 목적을 충분히 달성할 수 없으며, 1200 ℃을 초과하면 prior-γ상 결정립의 크기가 너무 증가하여 최종 제품의 기계적 특성을 저하시키는 문제를 야기시킬 수 있다.
Through the hot rolling to produce a hot workpiece suitable for hot working. At this time, the hot rolling is preferably carried out for 0.5 to 2 hours at a temperature of 1100 ~ 1200 ℃. If it is out of the above range, that is, below 1100 ° C., the purpose of solution annealing cannot be sufficiently achieved, and if it exceeds 1200 ° C., the size of the prior-γ phase grains will increase so that the mechanical properties of the final product may be increased. Can cause deterioration problems.

다음으로 단계 3은 상기 단계 2에서 열간 가공된 제품을 노말라이징(Normalizing) 처리한 후 공냉시키는 단계이다.Next, step 3 is a step of air cooling after normalizing the product hot-processed in step 2.

상기 노말라이징 처리는 1000∼1100 ℃의 γ상 온도영역에서 0.5∼2시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 이는 열간 가공된 제품에 원치 않게 생성된 석출상을 재용해시키고 냉각온도를 조절하여 석출물의 크기와 양을 제어하기 위함이다.
The normalizing treatment is preferably performed for 0.5 to 2 hours in a γ-phase temperature range of 1000 to 1100 ° C., which re-dissolves an undesired precipitated phase in a hot processed product and adjusts the cooling temperature to control the size of the precipitate. This is to control the amount.

다음으로, 단계 4는 상기 단계 3에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하는 단계이다.Next, step 4 is a step of manufacturing a high chromium ferrite / martensitic steel by tempering the alloy normalized in step 3 and then air cooled.

상기 템퍼링 처리는 600∼800 ℃에서 1∼3시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 이는 원하는 안정한 석출상을 미세하고 균일하게 생성시키기 위함이다.
The tempering treatment is preferably performed at 600 to 800 ° C. for 1 to 3 hours, in order to produce a fine and uniformly desired stable precipitated phase.

이와 같은 방법에 의하여 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조할 수 있다.
By such a method it is possible to produce high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention.

또한, 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 SFR 핵연료 부품으로 제조하기 위하여 필요시 상기 단계 3의 열처리 후에 추가적 중간열처리 및 냉간가공을 수회 반복수행한 후 최종 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, in order to manufacture the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention as SFR fuel parts, after the heat treatment in Step 3, the additional heat treatment and cold working may be further repeated, followed by a final heat treatment. have.

구체적으로는 상기 추가적 중간열처리를 600∼800 ℃에서 1∼3시간 동안 수행하고 연속해서 냉간가공을 수행하는 것을 2∼4회에 걸쳐 수행한 후, 최종열처리를 600∼800 ℃에서 1∼3시간 동안 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이드 강을 제조할 수 있다.
Specifically, the additional intermediate heat treatment is performed for 1 to 3 hours at 600 to 800 ° C., and the cold working is continuously performed for 2 to 4 times, and then the final heat treatment is performed for 1 to 3 hours at 600 to 800 ° C. Can be carried out to produce high chromium ferrite / martenside steels.

상기 방법으로 제조된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 650 ℃의 고온에서 우수한 인장강도 값 및 우수한 크리프 성능을 나타냄으로써 종래 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강과 비교하여 볼 때 매우 우수한 기계적 특성을 나타내므로 고온 및 고조사량의 가혹한 조건에서 사용되는 제4세대 원자로인 소듐냉각 고속로의 주요 노심 부품인 핵연료 피복관, 덕트 및 와이어 랩 등의 재료로 매우 유용하게 사용될 수 있다.
The high chromium ferrite / martensitic steels produced by the above method exhibited excellent tensile strength values and excellent creep performance at high temperatures of 650 ° C., thus exhibiting very good mechanical properties compared to conventional high chromium ferrite / martensitic steels. It can be very useful for materials such as fuel cladding, ducts and wire wraps, which are the main core components of the Sodium Cooling High-Speed Reactor, the fourth-generation reactor used in high-irradiation harsh conditions.

한편, 본 발명의 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강으로 첨가되는 보론은 입계 강화 원소로서 적절량을 첨가하면 기지내에 고용 상태로 존재하면서 고온에서 장시간 사용시 입계의 이동을 억제함으로서 고크롬 페라이트/마르텐사이트강의 크리프 성능을 향상시킬 수 있다. 그러나 보론과 함께 일정량 이상의 질소를 첨가하면 보론이 질소와 결합하여 보론 질화물을 쉽게 형성하는데, 이 석출물의 생성으로 보론에 의한 입계 강화효과가 크게 감소할 뿐 아니라 석출된 보론 질화물도 석출 강화 효과를 나타내지 못하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트강의 크리프 성능을 저하시킨다. 따라서 보론 첨가에 의한 크리프 성능 향상을 위해서는 일정량 이상의 보론을 첨가할 뿐 아니라, 질소 함량을 일정량 이하로 제한하는 것이 필요하다.
On the other hand, boron added to the high chromium ferrite / martensitic steel of the present invention is a high grain ferritic / martensitic steel by suppressing the movement of the grain boundary when used at a high temperature for a long time at high temperature when an appropriate amount is added as a grain boundary strengthening element. It can improve creep performance. However, when a certain amount of nitrogen is added together with boron, boron is easily combined with nitrogen to form boron nitride, and the formation of this precipitate greatly reduces the grain boundary strengthening effect of boron and also precipitates boron nitride. The creep performance of high chromium ferrite / martensitic steels is deteriorated. Therefore, in order to improve creep performance by addition of boron, it is necessary to not only add a certain amount of boron, but also limit the nitrogen content to a certain amount or less.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.

그러나 하기의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐이므로, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
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.

<실시예 1> 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 제조Example 1 Fabrication of High Chromium Ferrite / Martensitic Steels

시험재로서 탄소 0.065 중량%, 규소 0.043 중량%, 망간 0.45 중량%, 니켈 0.44 중량%, 크롬 9.04 중량%, 몰리브덴 0.5 중량%, 바나듐 0.2 중량%, 탄탈륨 0.05 중량%, 니오븀 0.21 중량%, 텅스텐 1.99 중량%, 질소 0.02 중량%, 보론 0.015 중량% 및 잔부 철을 진공유도 용해로에서 30 ㎏ 잉곳으로 제조하였다. 상기 잉곳을 1150 ℃에서 2시간 동안 유지시킨 후, 열간 압연하여 최종 두께를 15 ㎜로 하였다.
Test materials 0.065% carbon, 0.043% silicon, 0.45% manganese, 0.44% nickel, 0.44% chromium, 9.04% chromium, 0.5% molybdenum, 0.2% vanadium, 0.05% tantanium, 0.21% niobium, tungsten 1.99 Weight percent, 0.02 weight percent nitrogen, 0.015 weight percent boron and the balance iron were prepared in a 30 kg ingot in a vacuum induction furnace. The ingot was held at 1150 ° C. for 2 hours and then hot rolled to give a final thickness of 15 mm.

이후 하기와 같은 열처리를 수행하였다. Since the following heat treatment was performed.

구체적으로 상기 합금을 1050 ℃에서 1시간 동안 노말라이징(Normalizing) 처리한 후 공냉시켰다.Specifically, the alloy was normalized at 1050 ° C. for 1 hour and then air cooled.

이후, 상기 노말라이징 처리된 합금을 750 ℃에서 2시간 동안 템퍼링(Tempering) 처리를 수행하여 공냉시킴으로써 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.Thereafter, the normalized alloy was air cooled by performing a tempering treatment at 750 ° C. for 2 hours to prepare a high chromium ferrite / martensitic steel.

상기 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 추가적으로 600∼800 ℃에서 1∼3시간 동안 중간 열처리와 냉간 가공을 연속해서 2∼4회 반복수행한 후, 최종열처리를 600∼800 ℃에서 1∼3시간 동안 수행하여 최종제품의 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
The high chromium ferritic / martensitic steel is additionally subjected to repeated repeated two to four times of intermediate heat treatment and cold working for 1 to 3 hours at 600 to 800 ° C., followed by final heat treatment at 600 to 800 ° C. for 1 to 3 hours. To produce a high chromium ferrite / martensitic steel in the final product.

<실시예 2><Example 2>

시험재로서 탄소 0.069 중량%, 규소 0.042 중량%, 망간 0.452 중량%, 니켈 0.450 중량%, 크롬 9.1 중량%, 몰리브덴 0.51 중량%, 바나듐 0.107 중량%, 탄탈륨 0.05 중량%, 니오븀 0.21 중량%, 텅스텐 2.0 중량%, 질소 0.02 중량%, 보론 0.015 중량% 및 잔부 철을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 수행하여 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하였다.
As test materials, carbon 0.069%, silicon 0.042%, manganese 0.452%, nickel 0.450%, chromium 9.1%, molybdenum 0.51%, vanadium 0.107%, tantalum 0.05%, niobium 0.21%, tungsten 2.0 A high chromium ferritic / martensitic steel was prepared in the same manner as in Example 1 except for using the wt%, 0.02 wt% nitrogen, 0.015 wt% boron and the balance iron.

<비교예 1> &Lt; Comparative Example 1 &

종래 시판되는 ASTM Gr.92 합금을 사용하였다.A commercially available ASTM Gr.92 alloy was used.

(조성: 탄소 0.096 중량%, 규소 0.060 중량%, 망간 0.44 중량%, 니켈 0.19 중량%, 크롬 8.95 중량%, 몰리브덴 0.48 중량%, 바나듐 0.204 중량%, 니오븀 0.055 중량%, 텅스텐 1.9 중량%, 질소 0.045 중량% 및 잔부 철)
Composition: 0.096 wt% carbon, 0.060 wt% silicon, 0.44 wt% manganese, 0.19 wt% nickel, 8.95 wt% nickel, molybdenum 0.48 wt%, vanadium 0.204 wt%, niobium 0.055 wt%, tungsten 1.9 wt%, nitrogen 0.045 Weight percent and balance iron)

<비교예 2>Comparative Example 2

종래 시판되는 HT9 합금을 사용하였다.A commercially available HT9 alloy was used.

(조성: 탄소 0.192 중량%, 규소 0.14 중량%, 망간 0.490 중량%, 니켈 0.484 중량%, 크롬 12.05 중량%, 몰리브덴 1.00 중량%, 바나듐 0.304 중량%, 니오븀 0.022 중량%, 텅스텐 0.496 중량%, 질소 0.011 중량% 및 잔부 철)
(Composition: Carbon 0.192%, Silicon 0.14%, Manganese 0.490%, Nickel 0.484%, Chromium 12.05%, Molybdenum 1.00%, Vanadium 0.304%, Niobium 0.022%, Tungsten 0.496%, Nitrogen 0.011 Weight percent and balance iron)

상기 실시예 1∼2 및 비교예 1∼2에서 제조된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 조성을 하기 표 1에 정리하였다.
The compositions of the high chromium ferrite / martensitic steels prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 are summarized in Table 1 below.


구분

division
조성 (중량%)Composition (% by weight)
CC SiSi MnMn NiNi CrCr MoMo VV TaTa NbNb WW NN BB 실시예 1Example 1 0.0650.065 0.0430.043 0.450.45 0.440.44 9.049.04 0.50.5 0.20.2 0.050.05 0.210.21 1.991.99 0.020.02 0.0150.015 실시예 2Example 2 0.0690.069 0.0420.042 0.4520.452 0.4500.450 9.19.1 0.510.51 0.1070.107 0.050.05 0.210.21 2.02.0 0.020.02 0.0150.015 비교예 1Comparative Example 1 0.0960.096 0.0600.060 0.440.44 0.190.19 8.958.95 0.480.48 0.2040.204 -- 0.0550.055 1.91.9 0.0450.045 -- 비교예 2Comparative Example 2 0.1920.192 0.140.14 0.4900.490 0.4840.484 12.0512.05 1.01.0 0.3040.304 -- 0.0220.022 0.4960.496 0.0110.011 --

<실험예> 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 특성 측정Experimental Example Measurement of High Chromium Ferrite / Martensitic Steels

(1) 항복강도 및 (1) yield strength and 인장강도The tensile strength 측정 Measure

실시예 1∼2 및 비교예 1∼2에서 제조된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 고온에서의 특성을 측정하기 위하여 650 ℃에서 인장시험(ASTM E 8M-08)을 통하여 항복강도 및 인장강도를 측정하고 그 결과를 표 2 및 도 1, 도 2에 나타내었다.
Yield strength and tensile strength were measured by a tensile test (ASTM E 8M-08) at 650 ° C. to measure the high-temperature characteristics of the high chromium ferritic / martensitic steels prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2. The results are shown in Table 2 and FIGS. 1 and 2.

구분division 항복강도(MPa)Yield strength (MPa) 인장강도(MPa)Tensile Strength (MPa) 실시예 1Example 1 333333 347347 실시예 2Example 2 329329 342342 비교예 1Comparative Example 1 272272 292292 비교예 2Comparative Example 2 323323 356356

표 2 및 도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 약 330 MPa의 항복강도 및 약 340 ~ 350 MPa의 인장강도를 나타냄으로써 종래 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강(Gr. 92 합금; 비교예 1, 272 MPa의 항복강도 및 292 MPa의 인장강도)과 비교하여 볼 때 뛰어난 항복강도 및 인장강도를 나타내었다.As shown in Table 2 and FIGS. 1 and 2, the high chromium ferrite / martensite steel according to the present invention exhibits a yield strength of about 330 MPa and a tensile strength of about 340 to 350 MPa. It showed excellent yield strength and tensile strength when compared with steel (Gr. 92 alloy; Comparative Example 1, yield strength of 272 MPa and tensile strength of 292 MPa).

따라서, 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 650 ℃의 고온에서도 높은 항복강도 및 인장강도를 나타냄으로써 고온 및 고중성자조사량의 가혹한 조건에서 사용되는 제4세대 SFR 핵연료 재료로 유용하게 사용될 수 있다.
Therefore, the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention exhibits high yield strength and tensile strength even at high temperatures of 650 ° C., so that it can be usefully used as the fourth generation SFR fuel material used in the harsh conditions of high temperature and high neutron irradiation. have.

(2) (2) 연신률Elongation 측정 Measure

실시예 1 및 2에서 제조된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 고온에서의 특성을 측정하기 위하여 650 ℃에서 인장시험(ASTM E 8M-08)을 통하여 연신률을 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.
In order to measure the high-temperature characteristics of the high chromium ferrite / martensitic steels prepared in Examples 1 and 2, the elongation was measured through a tensile test (ASTM E 8M-08) at 650 ° C. and the results are shown in Table 3.

구분division 연신률 (%)Elongation (%) 실시예 1Example 1 18.818.8 실시예 2Example 2 18.518.5

표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 약 18 % 이상의 연신률을 나타냄으로써 고온 및 고중성자조사량의 가혹한 조건에서 사용되는 제4세대 SFR 핵연료 재료로 유용하게 사용될 수 있다.
As shown in Table 3, the high chromium ferrite / martensitic steels prepared according to Examples 1 and 2 of the present invention exhibited elongation of at least about 18%, thereby being used in the fourth generation SFRs used under the harsh conditions of high temperature and high neutron irradiation. It can be usefully used as a fuel material.

(3) 크리프 성능 측정(3) creep performance measurement

실시예 1∼2 및 비교예 1∼2에 따라 제조된 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 고온에서의 크리프 성능을 측정하기 위하여 650 ℃의 온도에서 150 MPa의 응력을 가했을 때와 140 MPa의 응력, 130 MPa의 응력 및 120 MPa의 응력을 가했을 때의 파단시간을 각각 측정하고 그 결과를 표 4 및 도 3에 나타내었다
In order to measure the creep performance at high temperatures of the high chromium ferritic / martensitic steels prepared according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, when a stress of 150 MPa was applied at a temperature of 650 ° C. and a stress of 140 MPa, 130 The break time at the time of applying the stress of MPa and the stress of 120 MPa was measured and the results are shown in Table 4 and FIG. 3.

구분
division
크리프 저항성 (시간)Creep Resistance (Hour)
120 MPa120 MPa 130 MPa130 MPa 140 MPa140 MPa 150MPa150 MPa 실시예 1Example 1 -- 68896889 52165216 30713071 실시예 2Example 2 48964896 42904290 29282928 17501750 비교예 1Comparative Example 1 26412641 20122012 814814 451451 비교예 2Comparative Example 2 852852 261261 148148 --

표 4 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2에 의해 제조되는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 파단시간이 비교예 1 및 2에 비해 훨씬 긴 시간을 나타냄으로써 비교예 1 및 2의 종래 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강과 비교하여 볼 때 우수한 크리프 성능을 나타내었다.As shown in Table 4 and FIG. 3, the high chromium ferrite / martensitic steels produced by Examples 1 and 2 of the present invention exhibited much longer time than the breakdown than Comparative Examples 1 and 2. Compared with the conventional high chromium ferritic / martensitic steel of 2, it showed excellent creep performance.

따라서, 본 발명에 따른 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 650 ℃의 고온에서도 향상된 크리프 성능을 나타냄으로써 고온 및 고중성자조사량의 가혹한 조건에서 사용되는 제4세대 SFR 핵연료 재료로 유용하게 사용될 수 있다.
Therefore, the high chromium ferrite / martensitic steel according to the present invention exhibits improved creep performance even at high temperatures of 650 ° C., and thus can be usefully used as the fourth generation SFR fuel material used in the harsh conditions of high temperature and high neutron irradiation.

Claims (12)

탄소 0.04~0.13 중량%, 규소 0.03~0.07 중량%, 망간 0.40~0.50 중량%, 니켈 0.40~0.50 중량%, 크롬 8.5~9.5 중량%, 몰리브덴 0.45~0.55 중량%, 바나듐 0.10~0.25 중량%, 탄탈륨 0.02~0.10 중량%, 니오븀 0.21~0.25 중량%, 텅스텐 1.5~3.0 중량%, 질소 0.015~0.025 중량%, 보론 0.01~0.02 중량%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강.
0.04 to 0.13 wt% carbon, 0.03 to 0.07 wt% silicon, 0.40 to 0.50 wt% manganese, 0.40 to 0.50 wt% nickel, 8.5 to 9.5 wt% chromium, 0.45 to 0.55 wt% molybdenum, 0.10 to 0.25 wt% vanadium, tantalum High chromium ferrite, comprising 0.02 to 0.10% by weight, niobium 0.21 to 0.25% by weight, tungsten 1.5 to 3.0% by weight, nitrogen 0.015 to 0.025% by weight, boron 0.01 to 0.02% by weight, remaining iron and other unavoidable impurities Martensite River.
제1항에 있어서, 상기 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강은 코발트를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강.
The high chromium ferrite / martensitic steel of claim 1, wherein the high chromium ferrite / martensite steel does not comprise cobalt.
탄소 0.04~0.13 중량%, 규소 0.03~0.07 중량%, 망간 0.40~0.50 중량%, 니켈 0.40~0.50 중량%, 크롬 8.5~9.5 중량%, 몰리브덴 0.45~0.55 중량%, 바나듐 0.10~0.25 중량%, 탄탈륨 0.02~0.10 중량%, 니오븀 0.21~0.25 중량%, 텅스텐 1.5~3.0 중량%, 질소 0.015~0.025 중량%, 보론 0.01~0.02 중량% 및 철 잔부로 본질적으로 이루어지는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강.
0.04 to 0.13 wt% carbon, 0.03 to 0.07 wt% silicon, 0.40 to 0.50 wt% manganese, 0.40 to 0.50 wt% nickel, 8.5 to 9.5 wt% chromium, 0.45 to 0.55 wt% molybdenum, 0.10 to 0.25 wt% vanadium, tantalum High chromium ferritic / martensitic steel consisting essentially of 0.02 to 0.10 wt%, niobium 0.21 to 0.25 wt%, tungsten 1.5 to 3.0 wt%, nitrogen, 0.015 to 0.025 wt%, boron 0.01 to 0.02 wt% and iron balance.
합금 조성 원소를 혼합한 후 용해하여 잉곳을 제조하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 제조된 잉곳을 열간 압연하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 열간 압연된 잉곳을 노말라이징(Normalizing) 처리한 후 공냉시키는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 노말라이징 처리된 합금을 템퍼링(Tempering) 처리한 후 공냉시킴으로써 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 제조하는 단계(단계 4)를 포함하는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 제조방법.
Mixing and dissolving the alloying composition elements to produce an ingot (step 1);
Hot rolling the ingot prepared in step 1 (step 2);
Cooling the ingot hot rolled in the step 2 after the normalizing (Normalizing) process (step 3); And
The high chromium of any one of claims 1 to 3 comprising the step of preparing a high chromium ferrite / martensitic steel by tempering the alloy subjected to the normalizing treatment in step 3 and then air-cooling (step 4). Method for producing ferritic / martensitic steels.
제4항에 있어서, 상기 단계 1의 잉곳은 진공유도용해(VIM) 방법을 사용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 제조방법.
5. The method of claim 4, wherein the ingot of step 1 is manufactured using a vacuum induction melting (VIM) method. 6.
제4항에 있어서, 상기 단계 2의 열간 압연은 1100~1200 ℃의 온도에서 0.5~2시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 제조방법.
5. The method of claim 4, wherein the hot rolling of Step 2 is performed at a temperature of 1100 to 1200 ° C. for 0.5 to 2 hours. 6.
제4항에 있어서, 상기 단계 3의 노말라이징 처리는 1000~1100 ℃에서 0.5~2시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 제조방법.
5. The method of claim 4, wherein the normalizing treatment of step 3 is performed at 1000 to 1100 ° C. for 0.5 to 2 hours. 6.
제4항에 있어서, 상기 단계 4의 템퍼링 처리는 600~800 ℃에서 1~3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 제조방법.
5. The method of claim 4, wherein the tempering treatment of step 4 is performed at 600 to 800 ° C. for 1 to 3 hours. 6.
제4항에 있어서, 상기 단계 4를 수행한 후, 추가적 중간열처리를 600~800 ℃에서 1~3시간 동안 수행하고 연속해서 냉간가공을 수행하는 것을 2~4회에 걸쳐 수행한 후, 최종열처리를 600~800 ℃에서 1~3시간 동안 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강의 제조방법.
According to claim 4, after performing step 4, the additional intermediate heat treatment is performed for 1 to 3 hours at 600 ~ 800 ℃ and successively cold working is performed two to four times, and then the final heat treatment Method for producing a high chromium ferrite / martensitic steel further comprises the step of performing for 1 to 3 hours at 600 ~ 800 ℃.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 고크롬 페라이트/마르텐사이트 강을 이용한 원자로의 노심 부품.
A core part of a nuclear reactor using the high chromium ferrite / martensitic steel of claim 1.
제10항에 있어서, 상기 원자로는 소듐냉각고속로(SFR)인 것을 특징으로 하는 원자로의 노심 부품.
11. The core part of a nuclear reactor of claim 10, wherein said reactor is a sodium cooling fast reactor (SFR).
제10항에 있어서, 상기 노심 부품은 핵연료 피복관, 덕트 및 와이어 랩으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원자로의 노심 부품.





The core part of a nuclear reactor according to claim 10, wherein said core part is any one selected from the group consisting of a fuel cladding tube, a duct, and a wire wrap.





KR1020110079032A 2010-10-26 2011-08-09 High Cr Ferritic/Martensitic steels having an improved creep resistance for in-core component materials in nuclear reactor, and preparation method thereof KR101275105B1 (en)

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