KR102477329B1 - 강 조성물들을 균질화하기 위한 방법 - Google Patents

강 조성물들을 균질화하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는, 열간 가공 이전에, 강 조성물들의 초기 균질화를 긴밀하게 제어함에 의해, 강들의 성능 및 일관성을 개선하기 위한 방법들을 설명한다. 전통적인 오스테나이트화 기법들이, 강 조성물 내부의 다양한 성분들에 대한 확산을 고려하지 않으며, 그리고 그에 따라 강 조성물을 완전히 균질화시킬 수 없다는 것을 예시하는, 실험적 데이터가, 제공된다. 본 개시에서 설명되는 방법들에서, 강 잉곳을 오스테나이트화하는 초기 단계는, 잉곳 전체에 걸친 상이한 성분들의 더욱 균질한 분포를 달성하기 위해 변경된다. 개선된 방법은, 순수 오스테나이트 상 온도 범위의 상반부 이내의 온도로 강 조성물을 가열하는 것, 및 강 조성물을 그러한 온도에서, 강의 적어도 하나의 적어도 하나의 구성성분에 대한 강 조성물의 오스테나이트 상 내의 확산도에 기초하여 결정되는 기간 동안, 유지하는 것을 포함한다.

Description

강 조성물들을 균질화하기 위한 방법
본 출원은, PCT 국제출원으로서 2017년 6월 1일 출원되었으며, 그리고 양자 모두 그들 전체가 본 명세서에 참조로 통합되는 것인, 2017년 2월 28일 출원된 "강 조성물들을 균질화하기 위한 방법"으로 명칭이 부여된 미국 가출원번호 제62/464,723호, 및 2017년 5월 31일 출원된 "강 조성물들을 균질화하기 위한 방법"으로 명칭이 부여된 미국 출원번호 제15/609,377호의 우선권의 이익을 주장한다.
본 발명은, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법에 관한 것이다.
강은, 다양한 응용분야에서 유용한, 철과 탄소의 합금들을 지칭한다. 지난 30년의 개발은, 8 - 9 중량%의 Cr을 갖는 강의 버전들에 1차적으로 집중되어 왔다. 많은 수의 강들이 개발되어 온 가운데, 매우 적은 수가, 상업적으로 실행 가능했었다.
본 발명은, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법으로서, 상한을 갖는 오스테나이트 상 온도 범위를 갖는 강 조성물을 제조하기 위해 복수의 성분을 용융시키는 것으로서, 각 성분은 확산도를 갖는 것인, 용융시키는 것; 순수 오스테나이트 상 온도 범위의 상반부 이내의 제1 온도로 강 조성물을 가열하는 것; 강 조성물의 오스테나이트 상 내에서의 복수의 성분 중의 적어도 하나의 확산도에 기초하여 결정되는 제1 기간 동안, 상기 제1 온도에서 강 조성물을 유지하는 것; 및 강 조성물을 가공하는 것을 포함하는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법을 제공한다.
본 출원의 일부를 형성하는 뒤따르는 그려진 도면들은, 설명되는 기술에 대한 예시이며 그리고, 어떤 방식으로도 청구되는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않고, 그러한 범위는 본 명세서에 첨부되는 청구범위에 기초하게 될 것이다. 특허 또는 출원 파일은, 컬러로 제작된 적어도 하나의 도면을 포함한다. 컬러 도면(들)을 갖는 이러한 특허 또는 특허 출원 공개의 사본들은, 요청 및 필요한 비용의 지불 시, 특허청에 의해 제공될 것이다.
도 1은, 높은 수준의, 그리고 제강 프로세스에 적합한, 개선된 균질화의 방법에 대한 실시예를 예시한다.
도 2는, Thermo-calc™ 소프트웨어에 의해 계산된, 공칭 HT9 강(Fe-XCr-0.2C)에 대한 의사 이원 상태도를 예시한다.
도 3은 균질화 작업에 대한 실시예를 예시한다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는, 5 분 및 15 분 동안 1050 ℃에서 단지 노멀라이징만 된 미세구조를 도시한다.
도 5(a) 및 도 5(b)는, 심지어 2시간 동안 1050 ℃에서 또는 1시간 동안 1075 ℃에서의 히트 A에 대해, 미세구조가 완전히 균질화되지 않거나 또는 밴드(banding)가 완전히 제거되지 않은 것을 도시한다.
도 6(a) 및 도 6(b)는, 더 어두운 밴드들이 더 높은 밀도 및/또는 더 큰 크기의 탄화물을 나타내는, 히트 D에서의 여러 상이한 노멀라이징되고-탬퍼링된 미세구조들을 도시한다.
도 7(a) 및 도 7(b)는, 히트 D HT9에 대한 여러 단지 노멀라이징만 된 현미경 사진들을 도시한다.
도 8(a) 및 도 8(b)는, 수퍼피크럴(superpicral) 및 칼링의 넘버 2(Kalling's No. 2) 양자에 의한 히트 A의 샘플 상에 에칭된 동일한 열처리 조건 사이에서 더 높은 배율 비교를 도시한다.
도 9(a) 내지 도 9(f)는, 결과적으로 생성되는 플레이트 재료 및 봉 재료가 히트 G의 플레이트 제품 및 튜브 제품 양자 모두에 대한 측정 가능한 Cr 편석(segregation)을 여전히 갖는다는 것을, 예시한다.
도 10(a) 및 도 10(b)는, 히트 CH 및 히트 DH의 플레이트 제품 및 튜브 제품을 제조하기 위해 사용되는, 주요 프로세스 단계들의 프로세스 개요를 도시한다.
도 11은, 조사(irradiation)에 의해 생성되는 공동(void)들 상의 깊이 효과를 예시하는, 대표적인 투과형 전자 현미경(TEM) 이미지를 예시한다.
도 12는, 팽창(swelling)이 히트들에 대해 생성되는 것을 도시한다.
도 13은, 공동들이 흑색 특징들로 나타나는, 480 ℃에서 0.2 appm He/dpa를 동반하는 가운데 188 dpa까지의 조사 이후의, 4가지 히트 내의 공동 미세구조의 TEM 모음을 도시한다.
도 14는, 460 ℃에서 0.015 appm He/dpa를 동반하는 가운데 188 dpa까지의 조사 이후의, 4가지 히트 내의 공동 미세구조의 TEM 모음을 도시한다.
도 15(a) 내지 도 15(c)는, 복수의 연료 요소로 이루어지는 핵연료 조립체의 실시예에 대한 개략적 형태의 부분 절개 사시도들을 제공한다.
도 16은, 외피를 갖도록 구성되는, 외피 및 튜브 열교환기를 도시한다.
도 17은 개방형 임펠러, 반-개방형 임펠러, 및 폐쇄형 임펠러를 도시한다.
도 18은, 이상에 설명된 강 실시예들로 제조될 수 있는, 구조적 부재들 및 체결 요소들을 도시한다.
도 19는 진행파 원자로의 실시예를 도시한다.
도 20은, 원치 않는 δ-페라이트의 결과적인 형성을 도시하는, 순수 오스테나이트 상 위의 온도에서 균질화되는 HT9의 히트의 이미지이다.
강들을 경화시키는 하나의 전통적인 방법은, 철 상이 페라이트로부터 오스테나이트로 변화하는 온도로, 즉 결정 구조가 BCC(체심 입방형)로부터 FCC(면심 입방형)로 변화하는 온도로, 강 잉곳을 가열하는 것이다. 강을 오스테나이트로 가열하는 작용은, 오스테나이트화로 지칭된다. 오스테나이트 상에서, 강은, 상당히 더 많은 탄소를 용해시킬 수 있다. 오스테나이트 상 온도 범위는, 조성에 의존하여 변화하며, 그리고 일반적으로 열역학적 계산에 의해 결정되지만, 또한 특정 조성물들에 대해 실험적으로 확인될 수 있을 것이다. 오스테나이트 상 온도 범위에 도달한 이후에, 온도는 이어서, 강 조성물의 전부가 완전히 오스테나이트 상으로 전이되는 것을 보장하기에 충분할 정도로 긴, 일반적으로 실험적으로 결정되는, 일정 기간 동안 유지된다. 일단 완전한 오스테나이트화가 달성되면, 재료는 이어서, 높은 냉각 속도로 담금질되고, 따라서 탄소는, 탄화물 석출물들을 형성할 시간을 갖지 못한다. 이는, 강이, 결정 격자가 BCC 대신에 BCT(체심 정방형)이 되는, 마르텐사이트 상으로 전이되도록 야기한다. 이러한 프로세스 이후에, 강은, 열간 가공되고, 노멀라이징되며 그리고, 최종 형상 및 경도를 달성하기 위해, 템퍼링될 수 있을 것이다.
강들의 일관성 및 강도가 열간 가공 이전에 강 조성물들의 초기 균질화를 더욱 긴밀하게 제어함에 의해 개선될 수 있다는 것을 보여주는, 실험들이 실행된 바 있다. 실험들은, 전통적인 오스테나이트화 기법들이, 강 조성물 내부의 다양한 성분들에 대한 확산을 고려하지 않으며, 그리고 그에 따라 강 조성물을 완전히 균질화시킬 수 없다는 것을 보여준다.
본 개시에서 설명되는 방법들에서, 강 잉곳을 오스테나이트화하는 초기 단계는, 잉곳 전체에 걸친 상이한 성분들의 균질한 분포를 달성하기 위해 변경된다. 이상에 논의된 전통적인 오스테나이트화 기법들을 본 명세서에 설명되는 본 발명의 방법들과 구별하기 위해, 본 명세서에 설명되는 방법들을 사용하는 초기 단계는, 균질화 단계로 또는, 간단히, 균질화로 지칭될 것이다.
도 1은, 높은 수준의, 그리고 제강 프로세스에 적합한, 개선된 균질화의 방법에 대한 실시예를 예시한다. 예시된 방법(100)에서, 초기 강 조성물이, 초기 용융 및 잉곳 생성 작업(102)에서, 요구되는 강 조성물을 획득하기 위해 필요한 비율로 다양한 성분들을 조합함에 의해, 생성된다. 이는, 진공 유도 용융(vacuum induction melting: VIM) 또는 VIM에 뒤따르는 아르곤-산소 탈탄(argon-oxygen decarburization: AOD)을 사용하는 것과 같은, 임의의 적당한 기법을 사용하여 실행될 수 있을 것이다. 예를 들어 진공 아크 재용융(VAR) 또는 전자-슬래그 재용융(ESR) 또는 소모 전극 진공 아크 재용융(CEVAR) 또는 전자 빔 용융(EBM)에 의한, 불순물들을 감소시키기 위한 추가적인 정련이, 실행되거나 또는 실행되지 않을 수 있을 것이다. 분말 야금 응융에서 강의 사용을 위한 분말 제조를 위한 불활성 가스 무화(inert gas atomization)가 또한, VIM을 뒤따를 수 있을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 용융은, 일정 기간 동안 진공 유도로(vacuum induction furnace) 내에서의 강 조성물의 하나 이상의 잉곳의 VIM, 잉곳들을 전극들로 단조하는 것, 및 CEVAR 노(furnace) 내에서 잉곳들을 재용융시키는 것을 포함할 수 있을 것이다. 다른 용융 방법들이 또한 적합할 수 있다.
초기 용융 및 잉곳 생성 작업(102)은, 강 조성물 중의 적어도 일부가 오스테나이트 상을 형성하는 온도로, 강 조성물의 온도를 상승시키는 것을 포함한다. 도 2는, Thermo-calc™ 소프트웨어에 의해 계산된, 공칭 HT9 강(Fe-XCr-0.2C)에 대한 의사 이원 상태도를 예시한다. 도 2에서, 오스테나이트 상은, 감마 'γ' 부호에 의해, 그리고 강 조성물의 일부 또는 전부가 오스테나이트 상인 것으로 나타나는 온도 범위들에 의해 지시된다. 일부 실시예에서, 초기 용융 작업은, 강 조성물이 초기 용융 이후에, 오스테나이트화 온도로 상승되며 그리고 일정 기간 동안 유지되고, 그 도중에 강 조성물 중의 적어도 일부가 그 도중에 오스테나이트 상으로 전이되는 것인, 특정 오스테나이트화 작업을 포함할 수 있을 것이다.
초기 용융 및 잉곳 생성 작업(102)은, 최종 고체 강 제품을 제조하는 것의 일부로서 강의 추가적인 처리를 포함할 수 있을 것이다. 이는, 강 잉곳을 요구되는 형태로 만들기 위한, 단조, 기계 가공, 절단, 연마, 필거링(pilgering), 또는 임의의 다른 조작들을 포함할 수 있을 것이다. 어떤 경우든, 초기 용융 및 잉곳 생성 작업(102)의 생성물은, 강 조성물의 강 잉곳, 강편(billet), 플레이트, 튜브와 같은, 강 요소이다. 이러한 작업(102)의 일부로서, 강 요소는, 요구되는 제품 형상으로 가공될 수 있을 것이다. 가공은, 요구되는 제품에 의존하여, 광범위하거나 최소화될 수 있을 것이다.
초기 용융 및 잉곳 생성 작업(102) 이후에, 강 요소는 이어서, 균질화 작업(104)에서 균질화된다. 예시된 작업(104)에서, 강 요소는, 강 요소를 그러한 강 조성물에 대한 오스테나이트 상 온도 범위 이내의 목표 온도로 가열함에 의해, 그리고 강 조성물 내의 성분들 중의 하나 이상의 확산도에 기초하여 결정되는 균질화 유지 시간 동안, 상기 목표 온도에서 강 요소를 유지함에 의해, 균질화된다.
균질화 작업(104), 목표 온도는, 강 조성물에 기초하여 선택되고, 이때, 변화하는 강 조성에 대해, 오스테나이트 상 온도 범위는 강 조성의 함수이다. 일 실시예에서, 온도는, 가능한 한 높도록 그러나 여전히 오스테나이트화 온도 범위 이내에서 선택된다.
도 2는, Thermo-calc™ 소프트웨어에 의해 계산된, 공칭 HT9 강(Fe-XCr-0.2C)에 대한 의사 이원 상태도를 예시한다. 오스테나이트 상 온도 범위는, 오로지 'γ' 상의 구역으로서 예시된다. 온도 선택은, 도 3을 참조하여 더욱 상세하게 논의된다.
목표 온도로 가열한 이후에, 강 조성물은 이어서, 균질화 작업(104)에서, 그러한 온도에서 유지된다. 강 조성물 내의 다양한 성분들이 완전히 용해되며 그리고 오스테나이트 상의 균질한 강 조성물을 획득하기 위해 잉곳 전체에 걸쳐 이동하는 것이, 이러한 기간 도중이다. 온도는, 강 내의 성분들의 확산성들 및 달성될 목표 확산 거리에 의존하여 결정되는, 기간("균질화 유지 시간" 또는, 단순히, "유지 시간"으로 지칭됨) 동안 유지된다. 확산 거리(d)는, 조성물의 임의의 주어진 성분에 대한 시간(t) 및 목표 온도(T)의 함수로서, 뒤따르는 방정식에 의해 계산될 수 있을 것이다:
Figure 112019095412678-pct00001
여기서 D는, 오스테나이트 상 철(γ-Fe) 내의 성분의 확산 계수이고, Q는 γ-Fe 내의 성분의 활성화 에너지이며, 그리고 k는 볼츠만 상수이다.
일 실시예에서, 사용되는 유지 시간은, 선택된 성분에 대한 요구되는 확산 거리를 달성하기 위해 확산 방정식으로부터 계산되는 시간일 수 있을 것이다. 임의의 강 내에, Cr, Mo, Mn, V, W, Ni, Si, Co, Nb, N, 등과 같은, 복수의 성분이 존재함에 따라, 임의의 주어진 거리에 대한, 특정 성분에 대한, 계산된 시간은, 해당 성분의 확산 계수 및 활성화 에너지의 함수일 것이다. 그에 따라, 온도 유지 작업(104)에서 사용될 특정 균질화 유지 시간을 결정하기 위해, 성분 및 목표 확산 거리가 먼저 선택된다.
성분 선택을 위해, 방법(100)의 하나의 실시예에서, 강 조성물 내의 최소 확산 성분이 선택된다. 대안적으로, 유지 시간은, 그의 균질한 분포가 특별한 관심사인 선택된 성분에 대한 유지 시간일 수 있을 것이다. 예를 들어, 선택된 성분은, 이전 작업에 기초하여 가장 편석되기 쉬운 성분일 수 있으며, 또는 균질화 작업(104) 이전에 결정되는 바와 같은 잉곳 내의 가장 편석된 성분일 수 있을 것이다.
목표 확산 거리 선택을 위해, 일 실시예에서, 요구되는 확산 거리는, 고체 잉곳 또는 플레이트의 높이, 폭, 및 길이의, 또는 강 튜브의 벽 두께의, 최소값 또는 최대값과 같은, 강 요소의 물리적 치수에 기초하여 선택될 수 있을 것이다. 이러한 실시예의 예로서, 장축(L)(즉, 잉곳의 2개의 표면 사이에 그려질 수 있는 가장 긴 직선)을 갖는, 고체 3-차원 잉곳에 대해, 작업(104)에서의 유지 시간은, 확산 거리(d)가 잉곳의 장축(L)과 동등해지는, 그러한 시간(t)일 수 있을 것이다. 다른 방식으로, 유지 시간(t)은, 비율 d/L =1을 사용하여 선택된 성분에 대한 이상의 방정식에 의해 결정되는, 그러한 시간이다. 대안적인 실시예에서, 유지 시간은, 0.5, 0.75, 0.9, 1.0, 1.1, 1.25, 1.5, 2.0, 또는 2.5보다 크거나 같은, 비율 d/L로부터 생성되는 그러한 시간일 수 있을 것이다. 대안적으로, 확산 거리는, 고체 3-차원 잉곳의 단축(S)에 기초하여 선택될 수 있으며, 그리고 0.5, 0.75, 0.9, 1.0, 1.1, 1.25, 1.5, 2.0, 2.5보다 크거나 같은, 비율 d/S가 사용된다.
대안적인 실시예에서, 요구되는 확산 거리는, 균질화 작업(104) 이전의 강 요소에서 또는 동일한 조성의 강 요소들의 이전의 배치들(batches)에서 관찰되는 특성들에 기초하여 선택될 수 있을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 균질화될 강 요소는, 조성의 하나 이상의 성분의 밴드(banding) 또는 분할(segmentation)과 같은, 요소 내부에서 관찰 가능한 이방성 또는 이질성을 나타낼 수 있을 것이다. 요구되는 확산 거리는 이때, 균질화하기 위해 그리고 관찰된 이질성을 제거하기 위해, 예를 들어, 강 요소의 성분의 편석 밴드들(segregation bands)을 제거하기 위해, 관찰된 현상에 기초하게 될 수 있을 것이다. 예를 들어, 특정 성분의 밴드들의 형태의 분할이, 잉곳 내에서 관찰될 수 있을 것이다. 아래의 예가, Cr 밴드의 형태의, HT9 강에 대한 그러한 관찰된 이방성을 설명한다. 요구되는 확산 거리는 이때, 특정 성분에 대한 관찰된 밴드들(B) 사이의 거리의 함수로서, 선택될 수 있을 것이다. 다른 방식으로, 균질화 유지 시간(t)은, 밴드를 나타내는 성분에 대한 비율 d/B =1을 사용하여 계산되는, 그러한 시간이다. 대안적인 실시예에서, 유지 시간은, 그에 대한 비율 d/B가 0.5, 0.75, 0.9, 1.0, 1.1, 1.25, 1.5, 2.0, 또는 2.5보다 크거나 같은 것인, 그러한 시간일 수 있을 것이다.
균질화 유지 시간에 대한 상한이 또한, 균질화 방법(100) 도중에 과도하게 큰 오스테나이트의 결정립들의 성장을 방지하기 위해, 선택될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 상한은, 오스테나이트의 결정립 크기에 기초하여, 예를 들어, 그들의 장축에서, 1000 ㎛, 500 ㎛, 100 ㎛, 또는 심지어 50 ㎛보다 더 큰 오스테나이트 결정립들이 존재하지 않는 유지 시간으로, 선택된다. 대안적인 실시예에서, 유지 시간의 범위의 상한은, 목표 거리 비율(예를 들어, d/L, d/S, d/B, 등)에 대한 선택된 확산 거리에 기초하여 선택될 수 있을 것이다. 예를 들어, 유지 시간의 상한은, 그에 대한 비율 d/B가 10.0, 5.0, 4.0, 2.5, 2.0 또는 심지어 1.5인, 시간(t) 보다 작거나 같을 수 있을 것이다.
그에 따라, 일 실시예에서, 균질화 작업(104)에서 사용되는 균질화 유지 시간은, 선택된 성분에 대해, 확산 거리(d)에 대해, 이상의 방정식을 사용하여 계산되는 시간의 길이이고, 여기서 d는, 특성 길이(B)를 갖는 관찰된 이방성에 기초하여 선택되며, 따라서, 비율 d/B는, d/B = 0.5, 0.75, 0.9, 1.0, 1.1, 1.25, 1.5, 2.0, 또는 2.5의 하한으로부터, d/B = 10.0, 5.0, 4.0, 2.5, 2.0 또는 심지어 1.5의 상한까지이다(물론 상한이 하한보다 작은 그러한 조합들은 배제됨).
균질화 유지 시간이 만료된 이후에, 균질화된 강 요소는 이어서, 가공 온도로 냉각되며 그리고, 요구되는 바에 따른 최종 형태로, 열간 가공 또는 냉간 가공에 의해, 가공된다. 이는, 가공 작업(106)에 의해 예시된다. 가공 작업(106)은, 어닐링, 기계 가공, 산화물 제거, 압연, 필거링, 밀링, 및 압출과 같은 강 가공과 통상적으로 연계되는, 하나 이상의 보조 단계를 더 포함할 수 있을 것이다.
균질화된 그리고 가공된 강 요소는 이어서, 최종 처리 작업(108)으로 도시되는 바와 같은, 최종 처리에 종속된다. 이는, 현재 당해 기술분야에 공지된 또는 나중에 개발될, 임의의 최종 처리 프로세스들을 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 강 조성물의 최종 속성들을 달성하기 위한 노멀라이징 및 탬퍼링을 포함하는, 최종 처리 작업(108)이, 사용될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 최종 처리 작업(108)은, 본 명세서에 참조로 통합되는, "연료 요소를 위한 철-기반 조성물"로 명칭이 부여된, Hackett 등에게 허여된, 미국 특허 제9,303,295호에 설명되는 방법들 중의 하나 이상을 포함할 수 있을 것이다. 최종 처리 이후에, 강 조성물 제품은 이어서, 실온으로 냉각되며, 그리고 사용을 위해 준비된다. 이는, 냉각 작업(110)에 의해 예시된다.
균질화 작업(104)은, 가공 작업(106)에 대한 입력물로서 매우 균질한 잉곳을 생성한다. 가공 작업 자체가 강 요소를 얼마간 비균질화할 것임에 따라, 최종 제품의 궁극적인 균질성은, 가공 작업(106) 이전에 잉곳의 균질성을 개선함에 의해 개선된다. 비록 최종 처리 작업(108)이 강 조성물을 부분적으로 재-균질화하는 것을 지원할 수 있지만, 단지 매우 많은 재-균질화는, 제조 프로세스에서 이러한 단계에서만 실행될 수 있다. 따라서, 방법(100)은, 사용되는 최종 처리와 무관하게, 최종 강 제품의 개선된 균질성을 그리고, 그에 따라 더 강한 강 요소 야기한다. 방법(100)은 또한, 가공 작업(106) 이전의 개선된 균질화 없이 달성될 수 있는 것과 비교하여, 최종 제품에서, 동일한 성능을, 예를 들어, 기계적 속성들 및 조사 성능을, 획득하기 위해, 더 짧은 및/또는 더 적은 비용의 최종 처리들이 사용되는 것을, 허용할 수 있을 것이다.
도 3은 도 1의 균질화 작업(104)에 대한 실시예를 예시한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 강 요소가, 균질화를 위해 제공되며 그리고 이러한 요소는, 검사 작업(302)에서 이질성에 대해 검사된다. 일 실시예에서, 검사 작업(302)은, 템퍼링된 마르텐사이트 및 δ-Fe 결정립들에 대한 것과 같은, 라스 미세구조(lath microstructure)를 드러내기 위해 에칭제로 강 요소를 처리한 이후에, 강 요소의 미세구조를 광학적으로 검사하는 것을 포함할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 에칭제 처리는, 침지 또는 면봉 에칭 이전의 기계적 폴리싱을 포함할 수 있을 것이다. 사용되는 에칭제들은, 특정 미세구조들을 드러내기 위해 선택될 수 있을 것이다. 탄소강 및 합금강의 현미경 시험을 지원하기 위한, 당해 기술분야에서 공지되고 사용되는 많은 상이한 에칭제들 및 에칭 기법들이 존재한다. 에칭제의 예들이, 1) 20% 수성 NaOH 혼합물을 사용하는, 전해 NaOH, 2) 수퍼피크럴, 3) 빌렐라(Vilella)의 시약, 4) 칼링의 넘버 2, 및 5) 피크르산, 소듐 도데실벤젠설포네이트, 소듐 클로라이드 및 소듐 설페이트의 용액들을 포함한다.
광학적 검사는, 미세구조 내의 결정립들을 관찰할 수 있는, 임의의 공지의 기법에 의해 실행될 수 있다. 전자 탐침 미시적 분석(EPMA)이, 하나의 그러한 기법의 예이다. 실시예 및 수반되는 강 조성물들에 의존하여, 광 광학 현미경 검사 또는 주사 전자 현미경 검사(SEM)가 또한, 적절한 방법들일 수 있을 것이다.
검사 작업(302)은, 검사되는 강 요소 내부의 강 조성의 성분들의 불균질한 분포, 또는 이질성을 확인하는 것이다. 검출된 이질성에 대해, 이질성의 성분 및 이질성의 특성 거리(B)가, 특성화 작업(304)에서 결정된다. 특성 거리는, 성분(예를 들어, Cr-풍부 밴드들)의 높은 농도 또는 낮은 농도의 구역들 사이의 거리, 또는 강 요소 내부의 재료의 상이한 상들을 갖는 구역들(예를 들어, δ-페라이트 결정립들의 비교적 높은 밀도를 갖는 구역들 또는 비교적 큰 δ-페라이트 결정립들을 갖는 구역들) 사이의 거리일 수 있을 것이다. 그러한 구역들은, 예들에서 관찰되는 것들과 같은, 밴드들의, 또는 더욱 일반적으로, 강 요소 전체에 걸쳐 분포되는 포켓들 또는 영역들의, 형태를 취할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 특성 거리는, 높은 농도의 인접한 구역들 사이의 복수의 거리를 측정함에 의해 그리고 특성 거리로서 측정된 거리들의 평균을 사용함에 의해, 결정될 수 있을 것이다.
대안적인 실시예에서, 불균질한 분포가 모델링될 수 있으며 그리고, 불균질하게 분포되는 성분의 원자들이 균질한 분포를 달성하기 위해 이동할 필요가 있는 거리의 평균적인 양을 나타내는 특성 거리가, 결정될 수 있을 것이다. 그러한 특성화 기법들은, 당해 기술분야에 공지되어 있으며, 그리고 현재 공지된 또는 이후에 개발될 임의의 적절한 기법이, 사용될 수 있을 것이다. 또 다른 대안적인 실시예에서, 특성 거리는, 관찰된 결정립 크기들에 기초하는 거리일 수 있을 것이다.
검사 작업(302)에서, 예를 들어 2개의 상이한 성분들이 상이한 밴드를 나타낼 때, 하나 초과의 이질성이 관찰될 수 있을 것이다. 이러한 실시예에서, 복수 세트의 성분 및 특성 거리가, 특성화 작업(304) 도중에 결정될 수 있을 것이다. 이러한 실시예에서, 가장 긴 유지 시간은, 양자 모두의 성분의 균질화를 보장하도록, 균질화 방법(300) 도중의 사용을 위해 선택될 수 있을 것이다. 그러나, 오스테나이트의 결정립 크기를 최소화하는 것이 중요한, 대안적인 실시예에서, 더욱 확산성의 성분에 대해 더 짧은 균질화 유지 시간을 사용하는 것이, 더욱 바람직한 것으로 간주될 수 있을 것이다.
다음으로, 균질화 유지 시간은, 유지 시간 계산 작업(306)에서, 하나 이상의 검출된 이질성에 대해 계산된다. 도 1을 참조하여 이상에 설명된 바와 같이, 유지 시간을 계산하기 위한 하나의 방정식은 아래와 같다:
Figure 112019095412678-pct00002
여기서 d는, 조성의 임의의 성분에 대한 확산 거리이고, t는, 목표 온도에서의 유지 시간(t)이며, D는, 오스테나이트 상 철(γ-Fe) 내의 성분의 확산 계수이고, Q는, γ-Fe 내의 성분의 활성화 에너지이며, 그리고 k는, 볼츠만 상수이다. 따라서, 성분, 목표 온도 및 요구되는 확산 거리가 주어지면, 적합한 유지 시간(t)이, 계산될 수 있다.
이러한 실시예에서, 요구되는 확산 거리는, 이질성의 특성 거리에 기초하여 결정된다. 일 실시예에서, 요구되는 거리는, 특성 거리(B)의 함수이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 요구되는 확산 거리는, 특성 거리이도록 선택된다. 달리 표현하면, d/B =1 이다. 대안적인 실시예에서, 유지 시간은, 그에 대한 비율 d/B가 0.5, 0.75, 0.9, 1.0, 1.1, 1.25, 1.5, 2.0, 또는 2.5보다 크거나 같은 것인, 그러한 시간일 수 있을 것이다. 이상에 언급된 바와 같이, 균질화 유지 시간에 대한 상한이 또한, 균질화 방법(300) 도중에 과도하게 큰 오스테나이트의 결정립들의 성장을 방지하기 위해, 선택될 수 있을 것이다.
방법(300)은, 균질화 온도 선택 작업(308)에서, 강 조성에 대한 오스테나이트 상 온도 범위 이내에서 목표 온도를 선택하는 것을 더 포함한다. 비록 본 실시예에서 유지 시간 계산 작업(306)에 뒤따르는 것으로 예시되지만, 온도 선택 작업(308)은, 가열 작업(310) 이전에 언제든지 실행될 수 있을 것이다.
이상에 논의된 바와 같이, 목표 온도는, 오스테나이트 상 온도 범위의 상단 이내에 놓이도록 선택된다. 이는 일반적으로, 강 요소 내부의 성분들의 이동성을 개선하며, 그리고 그에 따라, 균질화를 허용하기 위해 필요한 유지 시간을 감소시킨다. 일 실시예에서, 목표 온도는, 오스테나이트 상 온도 범위의 상위 50% 이내, 상위 25% 이내, 상위 20% 이내, 상위 15% 이내, 상위 10% 이내, 상위 5% 이내, 또는 심지어 상위 1% 이내에 놓인다.
예를 들어, 도 2는, Thermo-calc™ 소프트웨어에 의해 계산된, 공칭 HT9 강(Fe-XCr-0.2C)에 대한 의사 이원 상태도를 예시한다. 상태도는, 12.5 중량% Cr에 대해, 오스테나이트 상(상태도에서 부호 'γ'에 의해 식별됨) 온도 범위가, 약 1000 ℃ 내지 1200 ℃ 라는 것을, 예시한다. HT9 조성물에 대한 가열 작업(310)에서, 목표 온도는, 오스테나이트 상 온도 범위의 상위 50%(즉, 1100 내지 1200 ℃) 이내, 상위 25%(즉, 1150 내지 1200 ℃) 이내, 상위 20%(즉, 1160 내지 1200 ℃) 이내, 상위 15%(즉, 1170 내지 1200 ℃) 이내, 상위 10%(즉, 1180 내지 1200 ℃) 이내, 상위 5%(즉, 1190 내지 1200 ℃) 이내, 또는 심지어 상위 1%(즉, 1198 내지 1200 ℃) 이내에 놓이도록, 선택될 것이다.
그러나, 너무 높은 목표 온도가, 강 조성물의 균질화에 해로울 수 있는, δ-페라이트 상(상태도에서 부호 'α'에 의해 식별됨)의 결정립들이 형성되는 것을 허용할 수 있다는 것이, 확인된 바 있다. 이상적인 조건 하에서, 목표 온도는, δ-페라이트 상이 생성되지 않는, 특정 강 조성에 대한 가장 높은 온도, 말하자면, 계산된 또는 실험적으로 결정된 오스테나이트 상 온도 범위의 상한 이하일 것이다. 그러나, 현재 제조 기술의 실세계 한계 및 처리 기법들에서의 내재된 오차 한계를 고려하기 위해, 오스테나이트 상 온도 범위의 상한 미만인, 목표 온도에 대한 상한이, δ-페라이트의 형성에 대한 안전 한계(margin of safety)를 제공하기 위해 선택될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 목표 온도의 용인 가능한 범위의 상한은, 계산된 오스테나이트 상 온도 범위의 상한보다 5 ℃ 낮도록 선택될 수 있을 것이다. 더 큰 안전 한계가, 계산된 오스테나이트 상 온도 범위의 상한보다 10 ℃, 15 ℃, 또는 심지어 20 ℃ 낮을 수 있을 것이다. 대안적인 실시예에서, 안전 한계는, 오스테나이트 상 온도 범위의 상한의 온도에 기초하게 될 수 있을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 안전 한계는, 계산된 오스테나이트 상 온도 범위의 상한보다 0.01%, 0.02%, 0.025%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06%, 0.07%, 또는 심지어 0.075% 낮을 수 있을 것이다. 예를 들어, 계산된 오스테나이트 상 온도 범위의 상한이 1250 ℃이며 그리고 안전 한계는 0.02%라면, 이때 균질화 온도는, 1225 ℃일 것이다.
방법(300)은, 가열 작업(310)에서 선택된 균질화 온도로 강 요소를 가열한다. 이는, 임의의 바람직한 유형의 노 내에서 실행될 수 있고, 불활성 분위기 하에서 실행될 수 있으며, 그리고 임의의 요구되는 압력에서 실행될 수 있을 것이다. 강 요소는 이어서, 온도 유지 작업(312)에서, 계산된 균질화 유지 시간 동안 목표 온도에서 유지된다. 이 시점에, 균질화는 완료되며 그리고, 강 요소는 냉각될 수 있으며 그리고 이어서 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이 추가로 처리될 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 방법(300)의 초기 특성화 단계 및 계산 단계 중의 일부가, 강 조성물을 특성화하기 위해 대표적인 강 요소에 관해 실행될 수 있을 것이다. 이어서, 가열 작업 및 유지 작업은, 추가적인 특성화 없이, 그러한 특정 조성의 임의의 강 요소들에 대해 적용된다. 예를 들어, 강 요소가, 강의 큰 히트의 일부분으로 이루어질 수 있으며, 그리고 이어서, 강의 상기 히트의 나머지로 이루어지는 강 요소들에 대한 적절한 균질화 파라미터들(온도, 유지 시간)을 결정하기 위해, 특성화 작업 및 계산 작업에, 예를 들어, 검사 작업(302), 특성화 작업(304), 계산 작업(306), 및 선택 작업(308)에 종속될 수 있을 것이다. 마찬가지로, 동일한 균질화 파라미터들이, 이후에 생성되는 그러나 분석된 강 요소와 같은 동일한 또는 거의 동일한 강 조성을 갖는, 부가적인 히트들에 대해 사용될 수 있을 것이다.
예들
HT9 강의 샘플들이, 제조되었으며 그리고, 균질화 시간 및 온도의 변동의 영향을 결정하기 위해 그리고 확산 거리에 대해 균질화 시간 및 온도를 상관시키기 위해 평가되었다. 뒤따르는 표 1은, 평가되는 HT9 강들에 대한 표이다. 먼저, 조성 A, 조성 B 및 조성 D인, HT9 강의 3가지 합금 유형이, 50kVA 타입 진공 유도로 내에서 용융되었다. 이러한 잉곳들의 조성들은, HT9 강의 공칭 조성(합금 히트 A)(Alloy Heat A), HT9 강 내의 아래쪽 범위의 Cr 등가 조성(합금 히트 B), 및 HT9 강 내에 수정된 Mo 성분을 갖는 위쪽 범위의 Cr 등가 조성(합금 히트 D)을 포함한다.
Figure 112019095412678-pct00003
3가지 히트 A, 히트 B, 및 히트 D 각각의 50 kg VIM 잉곳이, 주조 조직을 균질화하기 위해 1,200 ℃에서 48시간 동안 가열되었으며, 그리고 이어서 대략 70t×100w×450L(mm)로 단조되었다. 균질화를 위한 노의 온도는, PID 온도 컨트롤러에 의해 그리고 교정된 열전대를 사용함에 의해, 제어되었다. 단조된 플레이트들은 이어서, 1,200 ℃에서 2시간 동안 침지되었으며, 그리고 70t×100w×450L(mm)로부터 대략 24t×110w×1,050L(mm)로 열간 압연되었다.
열간 압연된 강 플레이트들의 일부분이, 표면 기계 가공을 용이하게 만들기 위해 이어서 800 ℃에서 1시간 동안 어닐링되었으며, 그리고 측면당 대략 0.3mm가, 임의의 산화물 막을 제거하기 위해 플레이트 표면에서 기계 가공되었다. 플레이트는 이어서, 복수의 단계에 의해 5.4 mm의 두께로 냉간 압연되었다. 냉간 압연 도중의 중간 회차들에서, 플레이트는, 냉간 가공 구조를 연화시키기 위해, 800 ℃에서 1시간 동안 어닐링되었다. 다시, 노 온도는, 중간 열처리를 위해, 노의 PID 온도 컨트롤러에 의해 그리고 교정된 열전대를 사용함에 의해, 제어된다.
냉간 압연 이후에, 플레이트들은, 절단을 용이하게 만들기 위해 800 ℃에서 1시간 동안 어닐링되었으며, 그리고 최종 열처리를 위해 더 작은 조각들로 절단되었다. 절단 이후에, 최종 열처리가, 각 히트로부터의 더 작은 조각들 중의 하나에 관해 실행되었다. 시편들은, 노멀라이징을 위해, 개별적으로 30 분 동안 1,000 ℃ 및 1,025 ℃에서, 5 분, 15 분, 30 분 및 60 분 동안 1,050 ℃에서, 15 분 및 30 분 동안 1,075 ℃에서, 그리고 10 분 동안 1,100 ℃에서, 열처리되었으며, 그리고 이어서 마르텐사이트 구조를 획득하기 위해 실온으로 공기 냉각되었다. 노의 온도는, 노멀라이징 열처리를 위해, PID 온도 컨트롤러에 의해 그리고 교정된 열전대를 사용함에 의해, 제어되었다. 더불어, 새로운 열전대들이, 열처리 배치(heat treatment batch) 내의 조각들 중의 하나의 표면 상에, 스팟 용접에 의해 부착되었다. 열전대들에 부착되는 조각을 포함하는 배치는, 노멀라이징 온도의 노 내에 투입되었으며, 그리고 최종 노멀라이징 열처리 시간은, 조각 상에 부착되는 열전대들이 노멀라이징 온도에 도달된 이후에, 집계되기 시작했다. 규정된 시간 이후에, 배치는, 노 밖으로 반출되었다.
노멀라이징된 시편들은, 마르텐사이트 구조를 탬퍼링하기 위해, 625 ℃에서 3시간 동안, 650 ℃에서 1시간 및 3시간 동안, 675 ℃에서 2시간 동안, 700 ℃에서 1시간 및 2시간 동안, 725 ℃에서 0.5 시간 동안 그리고 750 ℃에서 0.5시간 동안 열처리되었으며, 그리고 이어서, 실온으로 공기 냉각되었다. 노의 온도는, 최종 탬퍼링 열처리를 위해, PID 온도 컨트롤러에 의해 그리고 교정된 열전대를 사용함에 의해, 제어되었다. 다시, 배치 내의 시편들 중의 하나는, 이상에 설명된 바와 같이 부착된 열전대들을 갖는 조각을 포함했다. 배치는, 탬퍼링 온도로 유지되는 노 내에 투입되었으며, 그리고 최종 탬퍼링 처리 시간은, 조각 상에 부착되는 열전대들이 탬퍼링 온도에 도달된 이후에, 집계되기 시작했다. 30 분 동안 유지된 이후에, 탬퍼링된 배치는, 노 밖으로 반출되었다.
강 요소 샘플 준비는, 1200 그릿(grit)까지 SiC에 의한 기계적 폴리싱에 의해 시작되었고, 3 ㎛ 다이아몬드 페이스트에 의한 폴리싱이 뒤따랐으며, 그리고 Leco 사의 0.05 ㎛ 콜로이드질 실리카에 의한 마감이 뒤따랐다. 샘플들은 이어서, 뒤따르는 것 중의 하나로 에칭되었다: 1) 전해 NaOH(20% 수용성 NaOH 혼합물을 사용함, 샘플은, 흑연 반대 전극으로부터 대략 1인치의 거리에 Pt-끝단 핀셋(Pt-tipped tweezers)에 의해 유지되며, 그리고 20 V를 사용하여 20 초 동안 잠기게 됨), 2) 수퍼피크럴(100 mL 에탄올 용액 내의 4 g 피크르산 및 4 mL의 HCl을 사용함, 20 이하의 에칭 시간을 동반함), 3) 빌렐라의 시약(100 mL 에탄올 용액 내의 5 mL 염산과 함께 1 g 피크르산을 사용함, 면봉 에칭을 사용함) 및 4) 칼링의 넘버 2(100 mL 에탄올 용액 내의 100 mL HCl 및 5 g CuCl2를 사용함, 침지 또는 면봉 에칭이 뒤따름).
이전의 오스테나이트 입계들을 위한 에칭 용액은, 2.7 리터의 총 용액 체적에 대한 나머지는 증류수인 가운데, 54 g 피크르산, 135 g의 소듐 도데실벤젠설포네이트(C12H25C6H4SO3Na), 4.05 g의 소듐 클로라이드, 1.90 g의 소듐 설페이트로 구성되었다. 시편들은 이어서, 대략 1분 동안, 또는 입계들을 드러내기 위해 필요한 만큼, 용액 내에 침지되었다. 입계들을 에칭하는 것은, S 및 P의 극도로 낮은 농도 때문에, 이러한 높은 순도(예를 들어, 작은 배치) 히트들에서 특히 어려웠다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는, 5 분 및 15 분 동안 1050 ℃에서 단지 노멀라이징만 된 미세구조를 도시한다. 이미지들은, 히트 A에 대한 것이고, 좌측에서 우측으로 신장되는 밴드 구역들을 도시하며, 그리고, 에칭 속도에 영향을 미치는 것으로 보이는, 조성 구배(composition gradient)(전자 탐침 미시적 분석(EPMA)에 의해 확인됨)를 나타낸다. 도 4(a)는, 1050 ℃에서, 5 분 동안의, 도 4(b)는, 15 분 동안의, 도 4(c)는, 30 분 동안의, 열처리를 도시한다. 현미경 사진에서의 좌측에서 우측으로의 방향은, 플레이트들이 제작될 때 사용된, 압연 방향에 대응한다. 샘플의 일부 구역들은, 예상된 바에 따라 에칭된 가운데, 다른 구역들은 그렇지 않았다. 밴드의 가자 명확한 예가, 도 4(c)에 도시되는, 1050 ℃에서, 30 분 동안의 오스테나이트화에 대해 도시된다. 각각의 이러한 경우들에서, 에칭 밴드들은, HT9 샘플이 완전히 균질화되지 않았다는 것을 지시한다.
이러한 결과들과 일관되게, 5 분 동안 1038 ℃에서의 균질화가 완전한 마르텐사이트 구조를 야기하기에 충분했다는 것을, FFTF MOTA 프로그램으로부터의 HT9 보관된 샘플이 또한 보여준다는 것이, 알려져 있다. 도 4(c)는, 균질화 온도에서 시간을 30 분까지 단순히 증가시키는 것이, HT9를 균질화하기에 충분하다는 것을, 제안한다.
도 5(a) 및 도 5(b)는, 심지어 2시간 동안 1050 ℃(도 5(a))에서 또는 1시간 동안 1075 ℃(도 5(b))에서의 히트 A에 대해, 미세구조가 완전히 균질화되지 않거나 또는 밴드가 완전히 제거되지 않은 것을 도시한다. 도 5(a) 및 도 5(b)의 감지하지 어려운 대비 차이의 밴드들은, 비균질성이 지속된다는 것을 시사한다.
도 4 및 도 5는 단지 노멀라이징만 된 미세구조들인 가운데, 밴드는 또한, 노멀라이징되고-탬퍼링된 미세구조에서도 드러난다. 750 ℃에서, 30 분 동안의 탬퍼링 처리는, 밴드를 가장 명확하게 보여준다. 밴드들은 오스테나이트화 이후에 잔류하는 더 높은 Cr 농도의 영역들이며, 그리고 후속 템퍼링 처리는 이러한 영역들에서 더 많은 크롬 풍부 M23C6 탄화물 석출물을 야기한다는 것이, 추측된다.
도 6(a) 및 도 6(b)는, 더 어두운 밴드들이 더 높은 밀도 및/또는 더 큰 크기의 탄화물을 나타내는, 히트 D에서의 여러 상이한 노멀라이징되고-탬퍼링된 미세구조들을 도시한다. 도 6(a)는, 1050 ℃에서 30 분 동안 노멀라이징되고, 공기 냉각되며, 그리고 750 ℃에서 30 분 동안 탬퍼링된, HT9의 이미지를 도시한다. 도 6(b)는, 1075 ℃에서 15 분 동안 노멀라이징되고, 공기 냉각되며, 그리고 750 ℃에서 30 분 동안 탬퍼링된, HT9의 이미지를 도시한다. 더 높은 탄화물 농도 및 더 낮은 탄화물 농도의 이러한 밴드들은, HT9 재료의 기계적 속성에 그리고, 아마도, 조사 성능에 영향을 미칠 수 있다.
도 7(a) 및 도 7(b)는, 히트 D HT9에 대한 여러 단지 노멀라이징만 된 현미경 사진들을 도시한다. 그들의 경계 주변에 탄화물의 어두운 링을 갖는 그들의 뭉툭한 형상 또는 렌즈 형상에 의해 지시되는, δ-페라이트 결정립들은, 투명하다. 밴드들 내에서 가공 방향을 따라 정렬되는 δ-페라이트 결정립들의 경향은, 이러한 구역들이, δ- 페라이트 형태를 보다 쉽게 만드는 크롬 조성 구배(섹션 5.3 참조)를 갖기 쉽다는 것을, 지시한다(크롬은 강한 페라이트 안정제임). 본질적으로, 히트 D는, 히트 A에서 밴드를 생성한 것과 동일한 크롬 조성 구배에 대한 부가적인 증거를 제공했다.
도 8(a) 및 도 8(b)는, 수퍼피크럴 및 칼링의 넘버 2 양자에 의한 히트 A의 샘플 상에 에칭된 동일한 열처리 조건 사이에서 더 높은 배율 비교를 도시한다. 다시, 이는, 밴드 구조를 갖는 수퍼피크럴 에칭(도 8(a))에 대해 그리고 과하게 에칭된 구조를 갖는 칼링의 넘버 2 에칭(도 8(b))에 대해, 1050 ℃에서 30 분 동안 오스테나이트화가 뒤따랐다. 전자는, 크게 에칭되지 않고 잔류하는 밴드들을 갖는 마르텐사이트 라스 구조를 드러내는 가운데, 후자는, 일부의 마르텐사이트 라스 구조를 드러내지만 일반적으로 과하게 에칭된 조건 때문에 덜 상세하게 보여주는, 이미지에서의 적은 대비를 보여준다.
이러한 연구의 일부로서, 히트 G로 지정된, HT9 히트가, 제작되었다. 히트 G는, 뒤따르는 조성을 가졌다: C 0.20 중량%; Si 0.21 중량%; Mn 0.64 중량%; P 0.004 중량%; S 0.002 중량%; Cr 11.47 중량%; Mo 0.89 중량%; Ni 0.56 중량%; V 0.312 중량%; W 0.48 중량%; Nb < 0.004 중량%; 그리고 N 0.0206 중량%. 히트 G로부터의 튜브 재료 및 플레이트 재료의 제작 도중에, 플레이트들 및 튜브들이 그로부터 제작되는 잉곳 재료의 부분들이, 분할되었고 분석되었다. 플레이트 및 튜브 양자 모두를 위해, 잉곳은, 1200 ℃에서 2 시간 동안 균질화되었고, 열간 단조가 뒤따랐다. 플레이트 재료의 경우에, 잉곳은 이어서, 잉곳(200 mm 직경)으로부터 70 mm로 단조되었고, 1200 ℃에서 2시간 동안의 고온 침지에 의해 균질화된 다음, 25 mm 두께로 열간 압연되었으며 그리고 700 ℃에서 1 시간 동안 연화되었다. 튜브 재료의 경우에, 35 mm 직경을 갖는 라운드형으로 단조되었고, 1100 ℃에서 1 시간 동안의 침지에 의한 균질화가 뒤따랐으며, 그리고 700 ℃에서 1 시간 동안 연화되었다. 이러한 균질화 시간들 및 온도들은, 현재 관련 산업에서 사용되는 전형적인 값들을 나타낸다.
결과적으로 생성되는 플레이트 재료 및 봉 재료는 여전히, 히트 G의 플레이트 제품 및 튜브 제품 양자 모두에 대해 도 9(a) 내지 도9(f)에 도시된 바와 같이, 측정 가능한 Cr 편석을 갖는다. 단조된 그리고 열간 압연된 제품에 대한 원소 맵핑(elemental mapping)의 결과는, 심지어 1200 ℃에서 2 시간 동안의 균질화 이후에도, 상당한 Cr 편석을 나타냈다. 임의의 특정 이론에 구속되지 않고, 이는, 균질화 작업 도중에 δ-페라이트 상의 형성을 야기하는, 도 2에 도시된 바와 같은 순수 오스테나이트 상 온도 범위 위의 균질화 온도로 인한 것이었다고, 여겨진다.
도 20은 이러한 결론에 대한 증거를 제공한다. 도 20은, 진공 유도 용융, 진공 아크 재용융, 및 1200 ℃에서 48 시간 동안의 균질화 이후의, HT9 강을 도시한다. 이미지는, 200x 배율로 종방향 배향의 샘플을 보여준다. 단순히 균질화 시간을 오랫동안 유지하는 것이, 온도를 또한 제어하지 않는 가운데, δ-페라이트의 형성을 방지하기에 불충분하다는 것을 나타내는, 페라이트(δ-페라이트) 및 마르텐사이트의 2중 상이, 확인될 수 있다. 이 경우, 2중 상 미세구조는, 1200 ℃가 이러한 특정 HT9 히트에 대한 단일 상 온도 범위가 아니라는, 증거이다.
도 9(a) 및 도 9(b)의 검사에 기초하여, Cr 밴드는, 불균질하게 분포된 성분으로 확인되었으며 그리고, 이 경우에 밴드들 사이의 평균 거리인, 특성 거리는, 100 ㎛인 것으로 결정되었다. 그러한 정보로부터, 2개의 예에서 Cr에 대한 d/B 비율은, 1100 ℃에서 1 시간 동안의 균질화에 대해 d/B = 0.2이며, 그리고 1200 ℃에서 2 시간 동안의 균질화에 대해 d/B = 0.5인 것으로 결정되었다. 이러한 결과는, Cr은 균질화 도중에 강 요소 전체에 걸쳐 확산되기에 충분한 시간을 갖지 못했고, 따라서 밴드가 관찰된다는 것을, 나타낸다.
Cr 편석을 제거하기 위한 해법을 결정하기 위해, 열간 압연된 플레이트 및 단조된 봉은, Cr 편석에 관한 증가된 d/B 비율의 영향을 관찰하기 위해, 1180 ℃에서 20 시간 동안 그리고 48 시간 동안, 2번 균질화되었다. 이러한 열처리 이후의 EPMA/WDS 맵핑으로부터의 결과들이, 도 9(c) 내지 도 9(f)에 도시된다.
도 9(a) 내지 도 9(f)는, 25 mm 두께로 열간 압연된 히트 G 플레이트내의, 또는 35 mm 직경으로 단조된 봉(또한 막대로 지칭됨) 내의, Cr 함량에 대한 EPMA/WDS 맵핑을 예시한다. 도 9(a)는 700 ℃에서 1 시간 동안 노멀라이징된 플레이트에 대한 것이다. 도 9(b)는 1100 ℃에서 1 시간 동안 노멀라이징되고, 700 ℃에서 1 시간 동안 탬퍼링된 봉에 대한 것이다. 도 9(c)는 1180 ℃에서 20 시간 동안 노멀라이징된 플레이트에 대한 것이다. 도 9(d)는 1180 ℃에서 20 시간 동안 노멀라이징된 봉에 대한 것이다. 도 9(e)는 1180 ℃에서 48 시간 동안 노멀라이징된 플레이트에 대한 것이다. 도 9(f)는 1180 ℃에서 48 시간 동안 노멀라이징된 봉에 대한 것이다.
편석이 d/B=1.5에 대응하는 20 시간(도 9(c) 및 도 9(d)) 이후에 대부분 제거되는 가운데, 일부의 밴드가 여전히 관찰된다. 2.2의 d/B 비율에 대응하는, 1180 ℃에서 48 시간 동안의 균질화는, 더욱 더 효과적인 것으로 생각되었다.
이러한 예들에 대한 d/B 비율들의 계산은, 아래의 표 2에 제공된다. 이러한 계산들은, 특성 길이(B)를 100 ㎛로 설정한 가운데, 오스테나이트 상 내부의 예들에 대한 강 조성물 내의 Cr의 확산에 대해 이루어졌다.
Figure 112019095412678-pct00004
이러한 계산들로부터, 성분에 대한 d/B 비율을 1.5 이상으로 선택하는 것이, 가공 및 열처리 이전에 강 조성물의 더 큰 균질성으로, 그리고 그에 따라 일반적인 균질화 시간 및 온도들에서 관찰된 것 보다 더 양호한 품질의 제품으로, 이어진다는 것이, 실험적으로 확인될 수 있다. 분석은 추가로, 부가적인 개선이, 1180 ℃에서 48 시간 동안의 균질화에서의 밴드의 명백한 제거에 의해 입증되는 바와 같이, d/B를, 2.2와 같은, 2.0 이상으로 증가시킴에 의해 이루어질 수 있다는 것을, 보여준다.
예들은, 더욱 철저한 균질화 처리를 위한 부가적인 비용에 의해 또한 결정될 것임에 따라, 최적 d/B 비율을 확인하지 못한다. 그러나, 예들은, d/B ≤ 0.5인 것이 비교적 더 열악한 강 요소를 생성하며 그리고 d/B > 0.5인 것이 개선된 결과를 제공한다는 것을, 입증한다. 더불어, d/B ≥ 1.0, 1.5, 2.0 그리고 심지어 2.2인 것이, 점진적으로 더 양호한 결과를 제공한다. 1180 ℃에서 48 시간 동안의 균질화에서의 밴드의 명백한 제거를 고려하면, d/B > 2.2인 것이, 원소가 이 지점에서 완전히 균질화될 수 있기 때문에, 강 요소의 성능에 관한 임의의 부가적인 개선을 제공하지 못할 수 있을 것이다.
상기 방법을 사용하여 생산되는 강들의 팽창 성능
이상에 설명된 방법의 실시예들이, 공지의 기존 샘플들에 대한 공동 팽창 성능에 관한 개선을 조사하기 위한, HT9 강의 여러 히트들을 제조하기 위해 사용되었다. 히트 FD(상기한 히트 D와 동일한 강 샘플, 명료함을 위해 이름만 변경됨), 히트 CH, 및 히트 DH로 식별되는, HT9 강의 3가지 히트가, 준비되었다. 히트 CH 및 히트 DH는, 동일한 강 조성물이며, 그리고 단지 최종 열처리에서의 약간의 변화에 관해서만 상이하다. 기존의 HT9와 본 명세서에 설명되는 조성의 실시예들 사이의 상대적인 비교를 위해, 고속 플럭스 테스트 설비(FFTF) 내에 사용되는 ACO-3 덕트로부터의 히트 84425의 기존의 HT9 샘플이, 동일한 계획을 사용하여 팽창에 대해 테스트되었다.
각 히트의 최종 플레이트 제품에 대한 실제 조성은, 분석에 의해 결정되었으며, 그리고 표 3에 나타난다. 기존의 샘플의 실제 조성이, 또한 결정되었으며, 그리고 마찬가지로 표 3에 제시된다.
Figure 112019095412678-pct00005
샘플 준비
히트 FD는, 앞선 논의에서 히트 D로 지정된 것과 동일한 강 히트이며 그리고 그의 준비는, 이상에 설명되었다. ACO-3 샘플의 준비에 관한 정보는, 저널 오브 뉴클리어 머티리얼즈 432(2013)의 페이지 1-8의, 변 택상 등에 의한, FFTF의 연료 덕트로부터의 고 선량 HT9 강에서의 파괴 인성의 조사 선량(Irradiation Dose) 및 온도 의존성에서, 확인될 수 있다.
도 10(a) 및 도 10(b)는, 히트 CH 및 히트 DH의 플레이트 제품 및 튜브 제품을 제조하기 위해 사용되는, 주요 프로세스 단계들의 프로세스 개요를 도시한다. 초기 처리 단계들(진공 유도 용융(VIM), 진공 아크 재용융(VAR) 및 균질화)이, 양자 모두의 히트들에 적용되었다. 히트 CH 및 히트 DH의 제조 도중에, d/B = 2.2가, 플레이트의 열간 압연 이후 또는 튜브에 대한 2차 또는 3차 냉간 압연 단계 이후에 실행된, 1180 ℃에서 48 시간 동안의 균질화 처리를 결정하기 위해 사용되었다.
중이온 조사 테스트(Heavy ion irradiation testing)가, 조성의 팽창 성능을 결정하기 위해, 3가지 히트 각각의 플레이트들 및 기존 제어 샘플에 관해 실행되었다. 조사는, (N,α) 반응들로부터의 He의 생성 및 중성자 환경에서의 공동들의 후속 형성을 시뮬레이션하기 위해, 이중 이온(Fe++ 및 He++) 조사 빔을 사용하여, 이온 빔 실험실 내에서 실행되었다. 강력한 5 MeV Fe++ 이온 및 저 전류 He++ 이온이, 440, 460, 및 480 ℃의 온도에서 188 dpa의 조사 선량 레벨까지 강 샘플들에 지향되었다. ~ 2 MeV He++ 이온들이, 그들의 에너지를 낮추기 위해 그리고 강 내의 적절한 깊이에 He+를 축적하기 위해, ~ 3 ㎛의 두께를 갖는 Al 포일을 관통하여 전달된다. 정확한 He++ 빔 에너지는, Al 포일의 정확한 두께에 의존한다. Al 포일은, 빔의 입사각을 변경하기 위해 그리고 300 - 1000 nm의 범위로 강 내에서의 주입(implantation)의 깊이를 수정하기 위해, He++ 빔에 대해 회전된다. 입사각은, 강 내에 300 - 1000 nm의 대략 균일한(±10%) He 농도를 누증적으로 제공하는 5가지 별개의 깊이 프로파일을 제공하도록, 각 입사각에 대해 상이한 유지 시간을 동반하는 가운데, 5개의 상이한 간격으로, 0 - 60° 범위에서 변화한다.
조사는, 3 MV 팰레트론 가속기를 사용하여, 3가지 히트들 및 기존 제어 샘플에 관해 실행되었다. 샘플들은, 샘플들 상에서 ~100-400 nA의 일반적인 빔 전류를 갖는 초점이 흐려진 5 MeV Fe++ 이온 빔 및, x에서 0.255kHz 및 y에서 1.055kHz로 래스터 스캔된, 3mm 직경의 집속된 ~ 2 MeV He++ 빔의 조합을 사용하여 조사되었다. 각각의 조사 이전에, 스테이지는, 1 x 10-7 torr 미만의 압력으로 탈기되었다. 빔 전류는, 샘플들의 바로 전방에서 패러데이 컵을 사용하여 매 30-60 분마다 기록되었으며, 그리고 전하량(전류 x 시간)은, 퀵 킨친-피스(Quick Kinchin-Pease) 모드 및 40eV 변위 에너지를 사용하여 600 nm의 깊이에서의 물질 내의 이온들의 정지 범위(SRIM: Stoping Range of Ion in Matter) 계산의 손상율(damage rate) 출력에 기초하는, 선량으로 변환되었다.
샘플들은, 조사 이전에, SiC 페이퍼를 사용하여 # 4000의 미세 그릿까지 기계적으로 폴리싱되었고, 이어서 최대 0.25 ㎛의 다이아몬드 용액에 의한 최종 폴리싱, 0.02 콜로이드질 실리카 용액에 의한 최종 기계적 폴리싱이 뒤따랐다. 기계적 폴리싱 이후에, 시편들은, 시편과 백금 메시 음극 사이에 35V의 인가 전위를 동반하는 가운데, -40 ℃ 내지 -50 ℃ 사이의 온도에서 90% 메탄올 및 10% 과염소산 용액 내에서 20 초 동안, 전해 폴리싱되었다.
온도 제어는, 가열된 다음 조사 온도에서 2-차원 이미징 고온계(two-dimensional imaging pyrometer)를 교정하기 위해 사용되는, 조사 샘플들에 부착되는 일련의 열전대들을 사용함에 의해 달성되었다. 온도는, 이미징 고온계를 사용하여, 조사 전체에 걸쳐 ± 10 ℃까지 제어되었다.
조사된 샘플 준비는, 각 샘플의 조사된 표면으로부터의 단면 집속 이온 빔(FIB) 리프트아웃(liftouts)을 사용하여 달성되었다. 리프트아웃 방법은, 전체 조사 손상 구역이 이미지화되는 것을 허용하며, 그리고 공동 이미징 분석이 오로지 요구되는 깊이에서 일관적으로 실행되는 것을 허용한다.
도 11은, 조사에 의해 생성되는 공동들 상의 깊이 효과를 예시하는, 대표적인 투과형 전자 현미경(TEM) 이미지를 예시한다. 공동 이미징은, JEOL 2100F TEM에서 실행되었다. 공동 측정은, 도 11에 나타난 바와 같이, 오로지 샘플 내로 300 - 700 nm의 손상 영역 깊이 이내에 놓이는 공동들만을 포함했다. 이러한 방식으로 분석을 실행함에 의해, 표면 효과에 의해 영향을 받을 수 있으며 표면 조성을 변경하는, 표면(0 - 300 nm)의 모든 공동은, 고려되지 않았다. 따라서, 역시, Fe++ 이온의 자기-침입형 주입(self-interstitial implantation)에 의해 영향을 받을 수 있는, 손상 곡선의 단부의 모든 공동(> 700 nm)은, 고려되지 않았다. 손상 곡선의 단부의 자기-침입형 이온들은, 공동 핵생성을 야기하는 일으키는 공석/침입 바이어스(vacancy/interstitial bias)에 영향을 미침으로써, 공동 핵생성을 억제하는 경향이 있다.
샘플 두께는, 제로 에너지 손실 분율을 측정하고 샘플 두께를 결정하기 위한, 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 사용하여 측정되었다. 샘플 두께 및 이미지 면적을 사용하여, 공동 밀도 및 팽창 측정이, 이루어질 수 있다.
이상에 언급된 바와 같이, 조사는, 이상에 설명된 실시예들의 조성에 대한 상대적 팽창 비교를 위해, FFTF로부터의 보관된 ACO-3 덕트 HT9 재료로부터의 샘플을 포함했다. 중이온 조사는, 상이한 히트들 사이에서의 팽창 거동에 관한 상대적 비교를 생성하기 위해, 이상에 설명된 4가지 히트(CH, DH, FD, 및 ACO-3)에 관해 실행되었다. 팽창 응답은 또한, 공동들의 TEM 이미징에 기초하여 ~ 0.3% 팽창을 입증한, 443 ℃에서 155 dpa의 선량까지 조사된, FFTF 프로그램으로부터의 ACO-3 덕트 벽으로부터의 HT9의 보관품(archive)(히트 84425)에 비교될 수 있다.
본 발명의 조성들의 실시예들과 기존의 ACO-3 강 사이의 팽창 성능에 관한 차이를 정량화하기 위해, 도 12에서의 팽창% 데이터는, 본 발명에 참조로 통합되는, 저널 오브 뉴클리어 머티리얼즈 480(2016)의 페이지 159 - 176의, 게토 이. 등에 의한, 논문 "자기-이온 조사된 페라이트-마르텐사이트 강들 내의 매우 높은 손상 레벨에서의 공동 팽창 및 미세구조 진화"의 섹션 2.2에서 확인되는 프로세스를 사용하여 결정되었다. 팽창%가 본 개시에서 사용될 때는 언제나, 팽창%는, 통합된 섹션에서 확인되는 프로세스에 의해 계산된다.
도 12는, 팽창이 히트들에 대해 생성되는 것을 도시한다. 도 12는, 보관된 ACO-3에 대한 조성 실시예들의 공동 팽창 성능에 관한 차이를, 분명하게 도시한다. 440 ℃ 및 500 ℃의 낮은 온도 및 높은 온도에서, 작은 팽창이, 히트들 중의 임의의 것 내에서 검출 가능했다. 그러나, 460 ℃ 및 480 ℃의 온도에서, 본 발명의 조성의 3가지 히트들은 각각, 기존의 ACO-3 강에 비해 팽창에 관한 상당한 개선을 보여준다.
도 13은, 공동들이 흑색 특징들로 나타나는, 480 ℃에서 0.2 appm He/dpa를 동반하는 가운데 188 dpa까지의 조사 이후의, 4가지 히트 내의 공동 미세구조의 TEM 모음을 도시한다. ACO-3 샘플은, 반면에 많은 공동들의 큰 무리를 갖는, 공동들에 대한 불균질한 분포를 보여주었다. 본 발명의 조성의 히트들은 각각, ACO-3에 비해 분명한 개선을 보여준다. ACO-3과 본 발명의 조성의 히트들 사이의 차이는, 현저하며, 그리고 ACO-3과 본 명세서에 설명되는 강 조성물들의 실시예들 사이의 공동 품기(void incubation)에 관한 차이를 반영한다.
도 14는, 460 ℃에서 0.015 appm He/dpa를 동반하는 가운데 188 dpa까지의 조사 이후의, 4가지 히트 내의 공동 미세구조의 TEM 모음을 도시한다. 다시, 본 발명의 조성의 히트들은 각각, ACO-3에 비해 분명한 개선을 보여준다.
곳에 따라서, 농도들, 양들, 및 다른 수치적 데이터는, 범위 형식으로 본 명세서에서 표현되거나 제시되었다. 그러한 범위 형식은 단지 편리함 및 간결함을 위해 사용되며, 그리고 그에 따라, 범위의 한계들로서 명시적으로 인용되는 수치적 값들을 포함할 뿐만 아니라, 그러한 범위 내에 포함되는 모든 개별적인 수치적 값들 또는 하위-범위들을, 마치 각 수치적 값 및 하위 범위가 명시적으로 인용되는 것처럼, 또한 포함하는 것으로, 유연하게 해석되어야 한다는 것이, 이해되어야 한다. 예시로서, "4 퍼센트 내지 7 퍼센트"는, 4 퍼센트 내지 7 퍼센트의 명시적으로 인용되는 값들을 포함할 뿐만 아니라, 지시된 범위 이내의 개별적인 값들 및 하위 범위들을 또한 포함하는 것으로 해석되어야만 한다. 그에 따라, 이러한 수치적 범위 내에, 4.5, 5.25 및 6과 같은 개별적인 값들, 그리고 4-5, 5-7, 및 5.5-6.5와 같은 하위 범위들, 등이 포함된다. 이러한 동일한 원리가, 단지 하나의 수치적 값을 인용하는 범위들에 적용된다. 범위들은, 형식 9.0-12.0으로 특정될 때, 범위의 한계들을 포함한다(즉, 9.0-12.0은, 9.0을 갖는 조성들 및 12.0을 갖는 조성들을 포함함). 더불어, 그러한 해석은, 설명되는 특징들 또는 범위의 폭과 무관하게, 적용되어야만 한다.
기술의 넓은 범위를 기술하는 수치적 범위들 및 파라미터들이 근사값들임에도 불구하고, 특정 예들에서 기술되는 수치적 값들은, 가능한 한 정확하게 보고된다. 그러나, 임의의 수치적 값은, 그들의 개별적인 시험 측정들에서 확인되는 표준 편차로부터 필연적으로 야기되는, 어떤 오류들을 본질적으로 포함한다.
산업적 용도
본 명세서에 설명되는 방법들을 사용하여 제조되는 잘 균질화된 강들은, 고온 성능이 유익한 임의의 용도를 위해 적합하다. 부가적으로, 팽창 저항성, 크리프 강도 및 파괴 인성이 유익한 용도들이 또한, 본 명세서에 설명되는 강들에 적합할 수 있을 것이다. 특히, 이상에 설명되는 실시예들을 사용하여 제조되는 강은, 강이 핵 방사선에 노출되는 임의의 용도를 위한, 개선된 성능을 구비할 수 있을 것이다. 예를 들어, 원자로 노심 구성요소들, 격납 용기들, 배관들, 및 구조적 지지체들이, 본 명세서에 설명되는 강들의 고온 용도들의 예들이다.
본 명세서에 설명되는 실시예들을 사용하여 제조되는 강의 하나의 특정 용도가, 핵연료를 위한 피복재로서의 용도이다. 연료 피복은, 연료 요소들(때때로 또한 "연료 봉들" 또는 "연료 핀들"로 지칭됨)의 외측 층을 지칭한다. 피복은, 핵분열 생성물이 연료로부터 원자로 내로 탈출하는 것을 방지한다. 핵연료 피복을 위해 개발된 강들은, 높은 중성자속(neutron fluxes) 및 고온에 노출되며, 그리고 그에 따라, 여러 공통적 요건: 즉, 우수한 팽창 저항성, 높은 조사 더하기 열적 크리프 강도, 및 탁월한 상 안정성을 갖는다. 공동 팽창(Void swelling)은, 구성요소에 대한 대규모 치수 변화(팽창)를 야기할 수 있는, 나노 규모 캐비티들 내로 공석 결함들(vacancy defects)이 축적되는 경향이다. 이러한 변화들은, 구성 요소 기능성을 손상시키기에 상당히 충분해질 수 있다. 한편, 조사 크리프는, 가해진 응력이 결함 플럭스를 위한 추진력인, 열적 크리프와 유사하다. 그러나, 결함들의 근원은, 조사에 의해 생성되고 직접적으로 온도에 의존하지 않으며, 그리고 조사 크리프는 일반적으로, 응력에 선형으로 의존하게 되도록 수용된다. 조사 크리프의 영향은, 열적 크리프와 동일하지만, 크리프 변형은, 치수적 변화들을 야기한다.
높은 중성자속을 견딜 필요성의 예가, 304 및 316의 통상적 등급들과 같은, 오스테나이트계 스테인리스 강들의 거동에 의해 예시된다. 이러한 강들이 원자로 환경에서 장기간 보아 온 적용예를 갖지만, 용액-어닐링된 상태는, 심지어 단지 소수의 원자당 변위수(displacements per atom: dpa)만을 야기하는 짧은 조사 시간 이후에도, 공동 팽창 속도가, 원자당 변위수당 1%만큼 높을 수 있음에 따라, 대부분의 원자로 적용예를 위해 부족한 것으로 빠르게 인식되었다. 재료 내의 조사 선량은, 재료 내의 모든 원자가 그의 격자 위치(lattice site)에서 튀어나온 횟수의 측정 값인, 원자당 변위수(dpa)로 측정된다. 많은 개선예들이, 고 선량 적용을 위해, 팽창 저항성을 개선하도록, 오스테나이트계 스테인리스 강들로 이루어져 왔지만, 이들은, 치수 안정성을 유지할 수 없으며 그리고 매우 높은 선량에서 연료 피복을 위한 성능 요건을 만족시킬 수 없다. 대부분의 원자들은 지속적 손상 없이 그들의 격자 위치로 신속하게 복귀하기 때문에, 원자는, 벌크 특성들이 상당히 저하되기 이전에, 평균적으로 복수회 변위될 수 있다. D9(316 + Ti 및 다른 용질 첨가물들, 항상 20% 냉간 가공 조건에서 제작됨)과 같은, 수정된 오스테나이트계 스테인리스 강이, 벌크 팽창이 심각하게 제한되기 이전에, 약 100 dpa의 조사 손상을 견딜 수 있다.
그러나, 많은 현대의 원자로 설계들은, 수정된 오스테나이트계 스테인리스 강들로 이루어진 것들 위의, 개선된 성능을 갖는 연료 피복으로부터 이익을 취할 것이다. 실시예에서, 200, 300, 400, 또는 500 dpa, 또는 그보다 큰 정도의 피크 조사 선량을 견딜 수 있는, 원자로 노심 구성요소들이, 그리고 구체적으로 연료 피복이, 유익할 수 있을 것이다. 지금, 현재 이용 가능한 그러한 강들이 존재하지 않으며, 그리고 그에 따라, 원자로 설계는, 현재 이용 가능한 강들의 더 낮은 성능을 고려하도록 제한된다. 예를 들어, 본 명세서에 설명되는 강들의 실시예들은, 최대 40년 또는 그보다 긴 연료 수명 동안 사용 상태를 유지하도록, 강에 대해, 550 ℃ 또는 그보다 높은 공칭 원자로 출구 온도에서, 충분한 크리프 저항성을 구비할 수 있을 것이다. 마찬가지로, 실시예들은, 최대 40년 또는 그보다 긴 연료 수명 동안 5% 이하의 체적 팽창을 나타내는, 유사하게 개선된 팽창 저항성 및, 최대 360 ℃의 온도에서의 조사 이후에 파괴 또는 파단에 저항하기에 충분한 파괴 인성을 구비할 수 있을 것이다.
도 15(a)는, 복수의 연료 요소로 이루어지는 핵연료 조립체의 실시예에 대한 개략적 형태의 부분 절개 사시도들을 제공한다. 도 15(a)는, 하나의 실시예에 따른, 핵연료 조립체(10)에 대한 부분적 도면을 제공한다. 연료 조립체는, 핵 분열성의 핵연료 조립체(fissile nuclear fuel assembly) 또는 핵분열 물질로 변환될 수 있는 핵연료 조립체(fertile nuclear fuel assembly)일 수 있을 것이다. 조립체는, 프레임 또는 하우징(16) 내의 연료 요소들(또는 "연료 봉들" 또는 "연료 핀들")(11)을 포함할 수 있을 것이다. 연료 요소(11)의 외부 둘레에서의 순환을 허용하기 위해, 나선형 리브(12)가, 요소(11)의 외부 둘레에서 이격 공간 및 순환 경로를 보장하기 위해, 제공될 수 있을 것이다.
도 15(b)는, 하나의 실시예에 따른, 연료 요소(11)에 대한 부분적 도면을 제공한다. 이러한 실시예에 도시된 바와 같이, 연료 요소(11)는, 피복재(13), 연료(14), 그리고, 일부의 경우에, 적어도 하나의 틈새(15)를 구비할 수 있을 것이다.
연료는, 외측 피복재(13)에 의해 캐비티 내부에서 밀봉될 수 있을 것이다. 일부의 경우에, 복수의 연료 소재들이, 도 15(b)에 도시된 바와 같이, 축 방향으로 적층될 수 있지만, 그러나 이것이 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 연료 요소가, 단지 하나의 연료 소재만을 수용할 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 비록 틈새(들)가 반드시 존재해야 하는 것은 아니지만, 틈새(들)(15)가, 연료 소재와 피복재 사이에 존재할 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 틈새는, 가압된 헬륨 분위기와 같은 가압 분위기로, 채워진다. 부가적인 실시예에서, 틈새는, 나트륨으로 채워질 수 있을 것이다.
연료가, 임의의 핵분열 가능한 물질을 함유할 수 있을 것이다. 핵분열 가능한 물질이, 금속 및/또는 금속 합금을 함유할 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 연료는, 금속 연료일 수 있을 것이다. 금속 연료가, 핵 분열 원자로의 증식-및-연소(breed-and-burn) 프로세스에 바람직한, 비교적 높은 중금속 부하 및 탁월한 중성자 경제(neutron economy)를 제공할 수 있다는 것이, 인식될 수 있다. 적용예에 의존하여, 연료는, U, Th, Am, Np, 및 Pu로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있을 것이다. 용어 "원소"는, 본 명세서에서 화학 기호에 의해 나타나는 것으로서, 주기율표에서 확인되는 것들을 지칭할 수 있으며, 이는, "연료 요소"의 "요소"와 혼동되지 않아야 한다.
도 15(c)는, 하나 이상의 라이너가 피복과 연료 사이에 제공되는, 연료 요소의 실시예를 도시한다. 일부의 경우에, 특히 높은 번-업(burn-up)에서, 연료 및 피복의 원소들이 확산하여, 그로 인해(예를 들어, 연료 및/또는 피복 층의 탈 합금화 또는 저하된 기계적 특성을 갖는 새로운 합금의 형성에 의한) 바람직하지 않은 합금화를 그리고 그에 따라 연료 및 피복의 소재의 열화를 야기하도록 하는, 경향을 보일 수 있다. 도시된 바와 같은, 라이너(16)는, 원소들의 그러한 원자간 확산을 완화시키기 위한, 연료(14)와 피복(13) 사이의 장벽 층으로서 역할을 할 수 있을 것이다. 예를 들어, 라이너(16)는, 예를 들어, 이질적인(그리고 때때로 바람직하지 않은) 원소들에 의한 연료 및/또는 피복재의 열화를 방지하도록, 연료와 피복재의 원소들 사이의 원자간 확산을 완화시키기 위해 사용될 수 있을 것이다. 라이너(16)는, 하나의 층 또는 복수의 층, 예를 들어 적어도 2, 3, 4, 5, 6개, 또는 그보다 많은 층을 포함할 수 있을 것이다. 라이너가 복수의 층을 포함하는 경우에, 이러한 층들은, 동일한 또는 상이한 재료를 함유할 수 있으며, 및/또는 동일한 또는 상이한 특성들을 구비할 수 있을 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 층들 중의 적어도 일부는, 라이너(16)의 일부 층들이 상이한 재료들을 포함하는 가운데, 피복과 동일한 강을 포함할 수 있을 것이다.
열 교환기 외피들, 튜브들, 및 튜브 시트들은, 이상에 설명되는 강 실시예들로 제조될 수 있는 공정 장비 구성요소들의 다른 예이다. 도 16은, 외피를 갖도록 구성되는, 외피 및 튜브 열교환기를 도시한다. 교환기(800)는, 외피(802), 한 세트의 U-자 형상 튜브(804), 튜브 시트(806), 다수의 배플(808) 및 여러 접속 포트들(810)을 포함한다. 이러한 구성요소들 중의 임의의 것 및 모두는, 이상에 설명되는 고온, 복사 저항성 강 실시예들로 제조될 수 있다. 부가적으로, 도 16은, 하나의 유형의 열교환기이지만, 본 명세서에 개시되는 강 실시예들은, 예를 들어, 공냉 열교환기들, 이중-파이프 열교환기들, 및 플레이트-및-프레임 열교환기들과 같은, 임의의 열교환기 설계에 적합하다.
펌프 임펠러들이, 이상에 설명되는 강 실시예들로 제조될 수 있는, 공정 장비의 부품의 다른 예이다. 일부 원자로 설계에서, 펌프 임펠러들은, 원자로 노심 내부에 놓일 수 있으며 그리고 높은 선량의 방사선에 종속될 수 있을 것이다. 도 17은 개방형 임펠러, 반-개방형 임펠러, 및 폐쇄형 임펠러를 도시한다. 개방형 임펠러(902)는, 단지 허브(906)에 부착되는 블레이드들(904)로 구성된다. 반-개방형 임펠러(908)의 실시예는, 블레이드들(912) 및 허브(914)의 일 측면에 부착되는 원형 플레이트(910)를 갖도록 구성된다. 폐쇄형 임펠러(916)는, 블레이드들(918)의 양 측면 상에 부착되는 원형 플레이트들(920)을 구비한다. 도 17은, 임펠러 설계들에 대한 단지 소수의 대표적인 실시예들을 도시하지만, 본 명세서에 개시되는 강 실시예들은, 예를 들어, 와류 임펠러들, 원심 스크류 임펠러들, 프로펠러들, 파쇄기(shredder) 임펠러들, 폐쇄 채널 임펠러들, 혼합 유동 임펠러들, 레이디얼 임펠러들, 세미-액시얼 임펠러들 및 액시얼 임펠러들과 같은, 임의의 임펠러 설계에 적합하다는 것이, 이해될 것이다.
구조적 부재들 및 체결구들이, 이상에 설명되는 강 실시예들로 제조될 수 있는, 구성요소들의 또 다른 예들이다. 본 명세서에 개시되는 강 실시예들로 이루어지는, 그의 예들이 도 18에 도시되는 것인, 너트들, 볼트들, U-자형 볼트들, 와셔들, 및 리벳들이, 고온 환경들에서 그리고 또한 고 방사선 선량 환경들에서, 특히 유용할 것이다.
도 19는, 이상에 설명된 기법들을 사용하여 제조될 때 그의 성능이 개선될 수 있는, 다수의 강 구성요소를 예시하는, 진행파 원자로의 실시예를 도시한다. 도 19는, 원자로 헤드부, 원자로 용기, 방호 용기, 및 격납 돔과 같은, 진행파 원자로의 많은 주요 구성요소들을 식별하지만, 구조적 부재들, 플랜지들, 커버 플레이트들, 배관, 레일, 프레임, 연결 봉들, 및 지지체들과 같은, 많은 보조적 원자로 구성요소들을 또한 예시한다. 도 19에 예시되는 원자로 구성요소들 중의 임의의 것, 그리고 특히 원자로 노심 내부 또는 근처에 위치하게 되는 그러한 구성요소들은, 이상에 설명되는 방법들의 실시예들을 사용하여 제조될 수 있다.
진행파 원자로(1900)는, 원자로 및 방호 용기(1904)의 바닥에 위치하게 되는 원자로 노심(1908) 내에 다수의 핵연료 핀들을 유지하도록 설계된다. 원자로 헤드부(1902)는, 원자로 및 방호 용기(1904) 내부에, 방사성 물질들을 밀봉한다. 도시된 실시예에서, 원자로 노심(1908)은, 단지 원자로 헤드부(1902)를 통해서만 접근될 수 있다. 예를 들어, 용기-내 연료 취급 기계(1916)가, 제공된다. 연료 취급 기계(1916)는, 원자로 헤드부(1902) 내에 위치하게 되는 한 세트의 크고 작은 회전 플러그들(1918)을 통해, 연료 핀들 및 다른 도구들이 노심(1908)으로부터 들어올려지는 것을 그리고 용기로부터 제거되는 것을 허용한다. 이러한 설계는, 용기(1904)가 일원화되는 것을 그리고 어떠한 관통도 동반하지 않는 것을 허용한다.
열적 차폐체가 또한, 원자로 헤드부(1902) 위의 격납 돔(1906) 내의 영역의 온도를 감소시키기 위해, 원자로 헤드부(1902)의 아래에 제공될 수 있을 것이다. 이러한 영역은, 도시된 바와 같이 격납 돔(1906) 내의 하나 이상의 헤치(1920)에 의해 접근될 수 있을 것이다. 부가적인 접근 해치들이 또한, 도시된 바와 같은 격납 돔(1906) 내부의 상이한 위치들에 제공될 수 있을 것이다.
작동 온도에서 액체인 나트륨이, 원자로 노심(1908)으로부터 열을 제거하기 위한 1차적 냉각제이다. 원자로 및 방호 용기(1904)는, 어떤 레벨까지, 펌프들(1910)을 사용하여 원자로 노심(1908)을 통해 순환되는 나트륨으로 채워진다. 2개의 나트륨 펌프(1910)가 제공된다. 각 펌프(1910)는, 원자로 노심(1908)에 인접하게 위치하게 되는, 원자로 헤드부(1902)를 통해 원자로 헤드부(1902) 위에 위치하게 되는 모터(1910C)로 연장되는 샤프트(1910B)에 의해 연결되는, 임펠러(1910A)를 포함한다.
펌프들(1910)은, 원자로 및 방호 용기(1904) 내부에 위치하게 되는 하나 이상의 중간 열교환기(1912)를 통해, 나트륨을 순환시킨다. 중간 열교환기들(1912)은, 1차적 나트륨 냉각제로부터 2차적 냉각제로 열을 전달한다. 신선한 2차적 냉각제가,(하나 이상의 2차적 냉각제 유입구(1922)를 경유하여) 격납 돔(1906) 및 원자로 헤드부(1902)를 통해, 2차적 냉각제가 가열되는 곳인, 중간 열교환기들(1912)로 수송된다. 가열된 2차적 냉각제는 이어서, 하나 이상의 2차적 냉각제 배출구(1924)를 경유하여, 원자로 헤드부(1902)를 통해 그리고 격납 돔(1906) 밖으로 다시 흘러 나간다. 실시예에서, 가열된 2차적 냉각제는, 발전 시스템으로 전달되는 증기를 생성하기 위해 사용된다. 2차적 냉각제는, 나트륨 냉각제 또는, 마그네슘 나트륨 냉각제와 같은 어떤 다른 염 냉각제일 수 있을 것이다.
첨부된 청구범위에도 불구하고, 본 개시는, 뒤따르는 항목들에 의해 또한 한정된다:
항목 1. 강 조성물을 균질화하기 위한 방법으로서:
상한을 갖는 오스테나이트 상 온도 범위를 갖는 강 조성물을 제조하기 위해 복수의 성분을 용융시키는 것으로서, 각 성분은 확산도를 갖는 것인, 용융시키는 것;
순수 오스테나이트 상 온도 범위의 상반부 이내의 제1 온도로 강 조성물을 가열하는 것;
강 조성물의 오스테나이트 상 내에서의 복수의 성분 중의 적어도 하나의 확산도에 기초하여 결정되는 제1 기간 동안, 상기 제1 온도에서 강 조성물을 유지하는 것; 및
강 조성물을 가공하는 것
을 포함하는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 2. 항목 1에 있어서,
상기 제1 온도는, 오스테나이트 상 온도 범위의 상위 25% 이내, 상위 20% 이내, 상위 15% 이내, 상위 10% 이내, 상위 5% 이내, 또는 상위 1% 이내에 놓이도록 선택되는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 3. 항목 1 또는 항목 2에 있어서,
상기 제1 온도는, 계산된 오스테나이트 상 온도 범위의 상기 상한보다 5, 10, 15, 또는 20 ℃ 낮도록 선택되는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 4. 항목 1 내지 항목 3 중 어느 한 항목에 있어서,
복수의 성분 중의 하나의 요구되는 확산 거리 및 확산도에 기초하여, 상기 제1 기간을 계산하는 것을 더 포함하는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 5. 항목 1 내지 항목 4 중 어느 한 항목에 있어서,
적어도 부분적으로, 뒤따르는 방정식을 사용하여, 상기 제1 기간(t)을 계산하는 것을 더 포함하고,
Figure 112019095412678-pct00006
상기 방정식에서, d는, 선택된 성분에 대한 사전결정된 요구되는 확산 거리이고, T는, 제1 온도이며, D는, 오스테나이트 상 철(γ-Fe) 내의 선택된 성분에 대한 확산 계수이고, Q는, γ-Fe 내의 선택된 성분의 활성화 에너지이며, 그리고 k는, 볼츠만 상수인 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 6. 항목 1 내지 항목 5 중 어느 한 항목에 있어서,
가열 작업 이전에 강 조성물 내의 제1 성분의 불균질한 분포를 관찰하는 것을 더 포함하며; 그리고
상기 제1 기간을 계산하는 것은, 계산 작업에서의 사용을 위한 불균질하게 분포된 제1 성분을 선택하는 것을 더 포함하는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 7. 항목 1 내지 항목 6 중 어느 한 항목에 있어서,
가열 작업 이전에 강 조성물 내의 제1 성분의 불균질한 분포에 대한 특성 거리를 결정하는 것을 더 포함하며; 그리고
상기 제1 기간을 계산하는 것은, 불균질한 분포에 대한 특성 거리에 기초하여, 요구되는 확산 거리(d)를 선택하는 것을 더 포함하는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 8. 항목 1 내지 항목 7 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 제1 기간을 계산하는 것은:
가열 작업 이전에 강 조성물 내의 제1 성분의 불균질한 분포에 대한 특성 거리(B)를 결정하는 것을 더 포함하며; 그리고
상기 제1 기간을 계산하는 것은, 요구되는 비율의 d/B에 기초하여, 요구되는 확산 거리(d)를 선택하는 것을 더 포함하는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 9. 항목 8에 있어서,
상기 요구되는 비율의 d/B는, d/B ≥ 0.75, ≥ 0.9, ≥ 1.0, ≥ 1.1, ≥ 1.25, ≥ 1.5, ≥ 2.0, 또는 ≥ 2.5의 하한으로부터, d/B ≤ 10.0, ≤ 5.0, ≤ 4.0, ≤ 2.5, ≤ 2.0 또는 ≤ 1.5의 상한까지인 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 10. 항목 1 내지 항목 9 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 제1 기간은, 유지 작업 도중에 생성되는 강 조성물 내의 오스테나이트의 생성되는 결정립 크기에 기초하여 선택되는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 11. 항목 1 내지 항목 10 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 제1 기간은, 장축이 1000 ㎛, 500 ㎛, 100 ㎛, 또는 50 ㎛ 보다 더 큰 오스테나이트 결정립을 갖지 않는 강 조성물을 달성하도록 선택되는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
항목 12. 강 제품으로서,
항목 1 내지 항목 11 중 어느 한 항목의 방법에 의해 제조되는 것인, 강 제품.
항목 13. 강 조성물로 이루어지는 강 요소를 균질화하기 위한 방법으로서:
강 조성물의 제1 강 요소를 검사하는 것;
강 조성물의 적어도 제1 성분의 제1 강 요소 내에서의 불균질한 분포를 관찰하는 것;
불균질한 분포에 대한 특성 거리를 결정하는 것;
강 조성물에 대한 오스테나이트 상 온도 범위 내에서 균질화 온도를 선택하는 것;
불균질한 분포에 대한 특성 거리, 강 조성물 내에서의 상기 제1 성분의 확산도, 및 선택된 균질화 온도에 기초하여, 균질화 유지 시간을 계산하는 것;
강 조성물의 제2 강 요소들을 상기 균질화 온도로 가열하는 것; 및
상기 균질화 유지 시간에 기초한 제1 기간 동안, 상기 균질화 온도에서 상기 제2 강 요소들을 유지하는 것
을 포함하는 것인, 강 요소를 균질화하기 위한 방법.
항목 14. 항목 13에 있어서,
상기 제1 강 요소 내의 불균질한 분포를 관찰하는 것은, 상기 제1 강 요소 내부에서 상기 제1 성분에 대한 상이한 농도의 구역들을 확인하는 것을 포함하는 것인, 강 요소를 균질화하기 위한 방법.
항목 15. 항목 13 또는 항목 14에 있어서,
상기 불균질한 분포에 대한 특성 거리를 결정하는 것은:
상기 제1 강 요소 내부에서 상기 제1 성분에 대한 상이한 농도의 구역들 사이의 거리를 측정하는 것을 더 포함하는 것인, 강 요소를 균질화하기 위한 방법.
항목 16. 항목 13 내지 항목 15 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 불균질한 분포에 대한 특성 거리를 결정하는 것은:
상기 제1 강 요소 내부에서 상기 제1 성분에 대한 높은 농도의 구역들 사이의 복수의 거리를 측정하는 것;
상기 높은 농도의 구역들 사이의 평균 거리를 선택하는 것; 및
상기 특성 거리로서 상기 평균 거리를 사용하는 것
을 더 포함하는 것인, 강 요소를 균질화하기 위한 방법.
항목 17. 항목 13 내지 항목 16 중 어느 한 항목에 있어서,
유지 작업 이후에, 상기 제2 강 요소들을 하나 이상의 강 제품으로 가공하는 것을 더 포함하는 것인, 강 요소를 균질화하기 위한 방법.
항목 18. 항목 13 내지 항목 17 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 불균질한 분포에 대한 특성 거리를 결정하는 것은, 상기 제1 성분의 불균질한 분포에 대한 특성 거리(B)를 결정하는 것을 포함하며, 그리고 상기 균질화 유지 시간을 계산하는 것은, 요구되는 비율의 d/B에 기초하여, 요구되는 확산 거리(d)를 선택하는 것을 더 포함하는 것인, 강 요소를 균질화하기 위한 방법.
항목 19. 항목 18에 있어서,
상기 요구되는 비율의 d/B는, d/B ≥ 0.75, ≥ 0.9, ≥ 1.0, ≥ 1.1, ≥ 1.25, ≥ 1.5, ≥ 2.0, 또는 ≥ 2.5의 하한으로부터, d/B ≤ 10.0, ≤ 5.0, ≤ 4.0, ≤ 2.5, ≤ 2.0 또는 ≤ 1.5의 상한까지인 것인, 강 요소를 균질화하기 위한 방법.
항목 20. 제조 물품으로서,
항목 13 내지 항목 19 중 어느 한 항목의 방법을 통해 제조되는 강 요소를 포함하는 것인, 제조 물품.
본 명세서에서 설명되는 시스템들 및 방법들은, 그 자체로 본질적인 것들뿐만 아니라 언급된 목적들 및 이점들을 달성하기에 매우 적합하다는 것이 명백할 것이다. 비록 다양한 실시예들이 본 개시의 목적들을 위해 설명되었지만, 또한 본 개시에 의해 예상되는 범위 이내에 속하는, 다양한 변경들 및 수정들이, 이루어질 수 있을 것이다. 당업자에서 그 자체로 쉽게 제안될 그리고 본 개시의 사상에 포함되는, 수많은 다른 변경들이, 이루어질 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 강 조성물을 균질화하기 위한 방법으로서:
    강 조성물을 제조하기 위해 복수의 성분을 용융시키는 단계로서, 상기 강 조성물은 상한을 갖는 오스테나이트 상 온도 범위를 갖고, 각 성분은 확산도를 갖는 것인, 용융시키는 단계;
    상기 강 조성물을 검사하여 상기 강 조성물 내의 Cr 성분의 불균질한 분포를 관찰하는 단계;
    상기 Cr 성분의 불균질한 분포에 대한 특성 거리(B)를 결정하는 단계;
    상기 특성 거리(B)에 기초하여 균질화 유지 시간으로서 제1 기간(t)을 계산하는 단계;
    상기 오스테나이트 상 온도 범위의 상반부 이내의 제1 온도로 강 조성물을 가열하는 단계;
    상기 제1 기간(t) 동안, 상기 제1 온도에서 강 조성물을 유지하는 단계; 및
    강 조성물을 가공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 강 조성물은 공칭 HT9 강(Fe-XCr-0.2C)이고,
    상기 제1 기간(t)은, 적어도 상기 강 조성물에 포함되는 Cr 의 확산도에 기초하여, 적어도 부분적으로, 뒤따르는 방정식을 사용하여 계산되고,
    Figure 112022095573007-pct00031

    상기 방정식에서, d는 Cr 성분에 대한 사전결정된 요구되는 확산 거리이고, T는 제1 온도이며, D는 오스테나이트 상 철(γ-Fe) 내의 Cr 성분에 대한 확산 계수이고, Q는 γ-Fe 내의 Cr 성분의 활성화 에너지이며, 그리고 k는 볼츠만 상수이며,
    상기 요구되는 확산 거리(d)는 요구되는 d/B 비에 기초하여 선택되고, 상기 요구되는 d/B 는 0.75 이상 10.0 이하인 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 온도는, 오스테나이트 상 온도 범위의 상위 25% 이내에 놓이도록 선택되는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 온도는, 상기 오스테나이트 상 온도 범위의 상한보다 5, 10, 15, 또는 20 ℃ 낮도록 선택되는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 기간은, 유지 작업 도중에 생성되는 강 조성물 내의 오스테나이트의 결과적으로 발생하는 결정립 크기에 기초하여 선택되는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 기간은, 장축이 1000 ㎛, 500 ㎛, 100 ㎛, 또는 50 ㎛ 보다 더 큰 오스테나이트 결정립을 갖지 않는 강 조성물을 달성하도록 선택되는 것인, 강 조성물을 균질화하기 위한 방법.
  12. 강 제품으로서,
    제 1항 내지 제 3항, 제 10항 및 제 11항 중 어느 한 항의 방법을 사용하여 제조되는 것인, 강 제품.
  13. 강 조성물로 이루어지는 강 요소를 균질화하기 위한 방법으로서:
    강 조성물의 제1 강 요소를 검사하는 단계;
    강 조성물의 Cr 성분의 제1 강 요소 내에서의 불균질한 분포를 관찰하는 단계;
    상기 Cr 성분의 불균질한 분포에 대한 특성 거리(B)를 결정하는 단계;
    강 조성물에 대한 오스테나이트 상 온도 범위 내에서 균질화 온도를 선택하는 단계;
    불균질한 분포에 대한 특성 거리(B), 강 조성물 내에서의 Cr 성분의 확산도, 및 선택된 균질화 온도에 기초하여, 균질화 유지 시간(t)을 계산하는 단계;
    강 조성물의 제2 강 요소들을 상기 균질화 온도로 가열하는 단계; 및
    상기 균질화 유지 시간(t) 동안, 상기 균질화 온도에서 상기 제2 강 요소들을 유지하는 단계
    를 포함하고,
    상기 강 조성물은 공칭 HT9 강(Fe-XCr-0.2C)이고,
    상기 균질화 유지 시간(t)은 적어도 상기 강 조성물에 포함되는 Cr 의 확산도에 기초하여, 적어도 부분적으로, 뒤따르는 방정식을 사용하여 계산되고,
    Figure 112022095573007-pct00032

    상기 방정식에서, d는 Cr 성분에 대한 사전결정된 요구되는 확산 거리이고, T는 균질화 온도이며, D는 오스테나이트 상 철(γ-Fe) 내의 Cr 성분에 대한 확산 계수이고, Q는 γ-Fe 내의 Cr 성분의 활성화 에너지이며, 그리고 k는 볼츠만 상수이며,
    상기 균질화 유지 시간(t)을 계산하는 것은 요구되는 d/B 비에 기초하여 요구되는 확산 거리(d)를 선택하는 것을 더 포함하고, 상기 요구되는 d/B 비는 0.75 이상 10.0 이하인 것인, 강 요소를 균질화하기 위한 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 13항에 있어서,
    유지 작업 이후에, 상기 제2 강 요소들을 하나 이상의 강 제품으로 가공하는 것을 더 포함하는 것인, 강 요소를 균질화하기 위한 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제조 물품으로서,
    제 13항의 방법을 통해 제조되는 강을 포함하는 것인, 제조 물품.
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