KR102563401B1 - 핵 차폐 적용들을 위한 철 텅스텐 붕화탄화물 바디 - Google Patents

Abstract

본 개시 내용은 바디, 상기 바디의 제조 방법 및 원자로 (nuclear reactor) 에서의 핵 차폐를 위한 상기 바디의 용도에 관한 것이다. 상기 바디는 원자 퍼센트 (at%) 로, 붕소 21 ~ 41; 철 25 ~ 35; 크롬 2.0 ~ 4.0; 탄소 3 ~ 10; 및 잔부 텅스텐을 포함한다.

Description

핵 차폐 적용들을 위한 철 텅스텐 붕화탄화물 바디

본 개시 내용은 바디, 상기 바디의 제조 방법 및 원자로 (nuclear reactor) 에서의 핵 차폐를 위한 상기 바디의 용도에 관한 것이다.

1 인당 에너지 소비율은 현재 발전 용량 보다 더 크기 때문에 이것은 잠재적으로 에너지 격차를 해결할 수 있는 탄소 중립 전원 (carbon neutral power source) 으로서의 원자력의 가능성들에 대한 새로운 관심으로 이어졌다. 특히, 최근의 자석 기술의 진보는 실현 가능한 탄소-음의 전원 (feasible carbon-negative power source) 으로서의 제어된 융합의 가능성을 가까운 미래의 실질적인 대안으로 만든다. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) 및 JET (Joint European Torus) 와 같은 대형 원자로들 (reactors) 은 플라즈마 대면 구성 요소들에 대하여 베릴륨과 함께 텅스텐 금속을 사용할 계획이다. 하지만, 이 적용에서 텅스텐 금속을 사용하는데 문제가 있고, 텅스텐 금속은 대량으로 제조하기가 어렵고, 그리고, 또한, 텅스텐 및 베릴륨 둘 다는 고온들에서 위험한 산화물들을 형성할 수 있다. 따라서, 보다 저렴하고 안전한 대안들을 찾아야 한다.

어떠한 타입의 원자로를 설계할 때, 원자로 구성 요소들이 원자로에 의해서 발생된 고 중성자 플럭스 및 감마선들로부터 어떻게 보호되어야 하는지 고려되는 것이 중요하다. 방사선 차폐와 관련하여, 효율적인 생물학적 차폐가 필요하고 또한 전자 시스템들과 같은 원자로의 다른 부분들을 차폐할 수 있어야 한다. 차폐 재료는 짧은 거리에 걸쳐서 α선, β선 및 γ선 중성자들을 포함하는 광범위한 고 에너지의 방사성 종들에 대한 보호를 제공할 수 있어야 한다. 이들 조건들은 사용될 수 있는 재료들의 타입들에 대한 엄격한 제한들을 주문한다. 차폐 자체는 활성화에 저항력이 있고, 그리고 조사시 유해한 방사성 동위 원소들로 활성화되지 않아야 한다는 것이 또한 중요하다. 이것은 상당량들의 Ni 및 Co 를 함유하는 재료들이 조사시 활성화 위험들이 있기 때문에 사용될 수 없다는 것을 의미한다.

소형 모듈식 핵분열 원자로들 및 자기 구속 원자로들 (magnetic confinement reactors) 둘 다는 차세대 원자력 발전소들의 일부로서 제안된다. 소형 모듈식 원자력 발전소들은 현재 사용중인 대형 원자력 발전소들 보다 잠재적으로 더 안전하고 더 효율적이다. 자기 구속 핵융합 원자로들의 경우에, 이들은 극저온 냉각 구리 및/또는 고온 초전도체들 (HTS) 에 의존하여 자기장을 발생시키므로, 플라즈마 챔버와 냉 전도체들 (구리/HTS) 사이의 공간이 제한된다. 둘 다의 경우들에서, 이들 타입들의 원자로는 방사선 차폐를 위한 재료의 선택을 고려할 때 추가적인 도전을 제기하는데, 그 이유는 이들 원자로들의 기하학적 구조는 공간이 제한되므로 차폐 재료가 얇은 층들로 적용되어야 하고 여전히 차폐 효율을 유지해야 하기 때문이다.

따라서, 양호한 차폐를 달성하기 위하여 지나치게 큰 두께들로 적용될 필요가 없는 대안적인 차폐 재료를 찾는 것이 도전이다; 상기 대안적인 차폐 재료는 또한 핵융합 프로세스에 대한 노출로부터 임의의 유해한 부산물들을 형성하지 않아야 한다. 상기 대안적인 차폐 재료는 듀티 사이클의 종료시 이런 디바이스의 폐로 (decommissioning) 및 급유 (refuelling) 를 방해하도록 유해한 방사성 핵종들로 변환되는 원소들을 포함해서는 안된다. 결정적으로, 종래의 기술들을 사용하여 이 적용에 사용될 재료를 제조하는 것이 가능해야 한다. 이 적용에 가장 적합한 재료들은 또한 양호한 내산화성 및 양호한 열전도성을 가질 것이다.

따라서, 본 개시 내용은 원자 퍼센트 (at%) 로, 붕소 (B) 21 ~ 41; 철 (Fe) 25 ~ 35; 크롬 (Cr) 2 ~ 4; 탄소 (C) 3 ~ 10; 및 잔부 텅스텐 (W) 을 포함하는 바디를 제공한다. 본 개시 내용은 핵 차폐를 위한 최적의 특성들을 갖는 재료를 제공할 것이고, 상기 재료는 소결 가능하고, 가장 높은 가능한 밀도 및 가장 낮은 가능한 다공성을 갖는다.

본 발명자들은 놀랍게도 여기서 개시된 바와 같은 조성 범위들이 핵 차폐를 위한 가장 최적의 재료 특성들을 갖는 바디를 제조할 것이라는 것을 발견하였다. 따라서, 붕소와 텅스텐의 균형은 핵 차폐에 사용될 바디가 최적의 흡수 특성들을 갖도록 선택되었다.

본 개시 내용은 또한 바디의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 제조 방법은:

a. 원소들 B, Fe, Cr, C 및 W 를 포함하는 하나 이상의 분말들을 제공하는 단계;

b. 분말 혼합물을 얻기 위하여 유기 바인더와 함께 상기 하나 이상의 분말들을 밀링하는 단계;

c. 밀링된 분말 혼합물을 프레싱하는 단계; 및

d. 소결된 바디를 얻기 위하여 프레싱된 분말 혼합물을 소결하는 단계를 포함하고;

상기 하나 이상의 분말들은 원자 퍼센트로, 붕소 21 ~ 41; 철 25 ~ 35; 크롬 2 ~ 4; 탄소 3 ~ 10; 및 잔부 텅스텐을 포함하는 것을 특징으로 한다.

추가로, 본 개시 내용은 또한 원자로에서 핵 차폐를 위한 물체를 제조하기 위한 바디의 용도에 관한 것이다.

도 1 은 샘플 A 의 미세 조직의 광학 현미경 이미지를 개시한다.
도 2 는 샘플 B 의 미세 조직의 광학 현미경 이미지를 개시한다.
도 3 은 샘플 C 의 미세 조직의 광학 현미경 이미지를 개시한다.
도 4 는 샘플 G 의 미세 조직의 광학 현미경 이미지를 개시한다.

따라서, 본 개시 내용의 일 양태는 원자 퍼센트 (at%) 로, 붕소 (B) 21 ~ 41; 철 (Fe) 25 ~ 35; 크롬 (Cr) 2 ~ 4; 탄소 (C) 3 ~ 10; 및 잔부 텅스텐 (W) 을 포함하는 바디에 관한 것이다.

이 조성은 양호한 소결성, 양호한 기계적 특성들, 파괴를 회피하는 능력 및 연마하고 다공성 수준을 최소로 유지하는 가공 단계 동안 풀 아웃들 (pull-outs) 의 발생의 측면에서 가장 안정한 미세 조직들을 형성하는 것으로 밝혀졌다.

원소들의 '원자 퍼센트 (at%)' 는 이에 따라 계산된다:

a. 해당 분말에서의 원소들의 분자량들을 사용하여 첨가된 각각의 분말에 대해 '원자 브레이크다운 백분율들 (atomic breakdown percentages)' 을 계산하고, 예를 들면, B₄C 의 경우, 상대 붕소 함량은 이하의 방식으로 계산된다: (4 x 분자량 B (10.81))/((분자량 탄소) (12.01) + (4 x 분자량 붕소 (10.81))) x 100 = 78.2 wt% B 이다. B₄C 에서의 C 에 대한 '원자 브레이크다운 백분율' 은 21.8 wt% 이다.

b. '원자 브레이크다운 백분율' 에 첨가된 해당 분말의 중량 (그램 단위) 을 곱하여 '원자 브레이크다운 (그램 단위)' 을 계산한다. 이 단계는 양을 조성 중의 각각의 원소에 존재하는 원자들의 중량으로 변환시킬 것이다.

c. '원자 브레이크다운 (그램 단위)' 를 취하고 이것을 원소의 몰 질량으로 나누어 '몰량' 을 계산한다. 이것으로부터, 조성 중의 각각의 원소들에 대한 원자들의 몰수들이 결정된다.

d. 각각의 원소에 대한 '몰량' 을 취하고 이것을 모든 '몰량들' 의 합으로 나누어 '원자 퍼센트 (at%)' 를 계산하여 각각의 원자 종들의 몰 분율을 백분율로 정규화한다.

상기 및 하기에 기재된 바와 같은 조성 범위들은 고밀도, 저 다공성 및 고 열전도성을 갖는 바디를 제공할 것이다. 이런 재료 특성들의 조합은 가장 높은 가능한 핵 차폐 용량을 제공한다. 고밀도는 중성자들 및 전자기 방사선을 흡수하는데 이용할 수 있는 가장 높은 가능한 원자들의 수라는 것을 의미한다. 재료에서의 임의의 기공들의 존재는 방사선 및 열을 흡수하는 바디의 능력에 해로운 영향을 미친다. 따라서, 가장 낮은 가능한 다공성을 갖는 것이 바람직하다. 원하지 않는 열의 축적을 제거하는데 필요한 전력을 줄이기 위해 고 열전도성을 갖는 바디를 얻는 것이 또한 유리하다.

일 실시 형태에 따르면, 본 개시 내용의 바디는 25 ~ 35 at%, 예를 들면, 28 ~ 32 at%, 예를 들면, 29 ~ 31 at% 의 Fe 함량을 갖는다. 이 조성은 양호한 소결성, 양호한 기계적 특성들, 파괴를 회피하는 능력 및 연마하고 다공성 수준을 최소로 유지하는 가공 단계 동안 풀 아웃들의 발생의 측면에서 가장 안정한 미세 조직들을 형성하는 것으로 밝혀졌다.

붕소 (B) 는 중성자들의 에너지를 흡수하여 이들 중성자들을 더 용이하게 차폐할 것이다. 본 개시 내용의 바디에서의 B 의 함량은 21 ~ 41 at% 이다. 최적의 차폐 용량을 위하여, B 함량은 중성자들을 느리게 하기 위하여 가능한 한 높아야 한다. B 함량이 너무 낮으면, 그 때 얻어진 바디는 양호한 차폐 용량을 갖지 못할 것이다. 다른 한편으로, B 함량이 너무 높으면, 얻어진 바디는 너무 취성일 것이고, 그리고 또한 γ선들과 같은 더 활동적인 종들에 대한 차폐를 제공하기에 불충분한 W 함량을 가질것이다.

크롬은 카본 싱크 (carbon sink) 로서 작용할 것이고, 그리고 이것은 또한 Fe 의 자성을 억제하고 내식성을 지원할 것이다. 내식성은 바디의 제조 중 산화 위험을 감소시키므로 중요하다.

탄소 (C) 는 그레인 리파이너 (grain refiner) 이다. C 함량이 너무 낮으면, 바람직하지 않은 취성상들, 이런 FeB 가 형성될 수 있고, 그리고 C 함량이 너무 높으면, 기공들 및 취성 탄소가 풍부한 상들이 바디에서 형성되는 경향이 더 높아지고, 이는 재료의 차폐 효율에 해로운 영향을 미칠것이다.

바디의 잔부를 구성하는 텅스텐 (W) 은 중성자들에 대해 양호한 차폐를 제공할 것이고, 그리고 또한 텅스텐이 풍부한 환경은 치밀화에 유리하다. W 가 주로 WC 의 형태로 첨가되는 경우, 그 때 W 는 C 및 Fe(Cr) 에 의해서 소모된다. 이것은 W 의 양이 충분하지 않으면 유리 C 가 남게 된다는 것을 의미한다. 유리 W 가 존재하는 경우, 얻어지는 바디는 저밀도 및 다공성 미세 조직을 가질 것이다. 따라서, W 는 주로 W 금속의 형태로 첨가된다. 하지만, 유기 바인더로서 사용되고 프레싱 보조제로서 작용하는 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 또는 WC 밀링 매체들 픽업으로 인한 조성의 변화들에 대응하기 위하여, 총 조성의 일부로서 계산된 5 wt% 이하와 같은 WC 의 형태로의 소량의 W 를 첨가하는 것이 유리할 수도 있다. WC 는 또한 B₄C 로부터 탄소를 흡수하기 위해 WC/WB₂ 성장을 위한 핵 형성 종자 (nucleation seed) 로서 작용할 수 있다.

본 개시 내용에서, 양호한 소결성을 갖는 바디는 15 ~ 22% 와 같은 3 차원 수축을 가질 것이고, 그리고 상기 바디는 소결 후 프레싱된 분말 샘플로부터 치밀한 소결된 조직을 가질 것이다.

일 실시 형태에서, 상기 또는 하기에 규정된 바와 같은 바디에서, Fe 의 적어도 95 at% 는 붕화물, 금속간 붕화물 또는 금속간 탄화물의 형태이다.

일 실시 형태에서, 상기 또는 하기에 규정된 바와 같은 바디에서, Cr 의 적어도 95 at% 는 붕화물, 금속간 붕화물 또는 금속간 탄화물의 형태이다.

일 실시 형태에서, 상기 또는 하기에 규정된 바와 같은 바디에서, Fe 의 5 at% 미만은 FeCr 의 형태이다.

초경합금 재료가 중성자들에 의해서 충격을 받게 되면, "버블들" 이 '경질상-금속 바인더상' 경계들에서 형성되는 것이 관찰되었다. 이어서, 이들 "버블들" 은 축적되어 기공이 될 수 있다; 기공들의 존재는 이들의 존재가 재료의 차폐 효율을 감소시키기 때문에 핵 차폐 재료에서 바람직하지 않다. 따라서, 금속 바인더상을 함유하지 않는 재료를 갖는 것이 유리할 수도 있다. 초경합금과 대조적으로, 본 개시 내용의 경우에, 소결 동안 모든 B₄C 및 W 는 FeCr 과 반응하여 금속 바인더상이 없는 바디가 제조된다. 따라서, 본 개시 내용의 바디는 초경합금이 아니다. 일반적으로, Fe 및 Cr 함유 분말들이 첨가될 때 초경합금의 경우, 조성은 탄소에 대하여 화학량론적으로 균형을 이루어 제공되고, Fe 및 Cr 의 대부분은 소결 후 FeCr 금속 바인더상을 형성하고, 예를 들면, 적어도 95 at% 의 Fe 및 적어도 95 at% 의 Cr 은 FeCr 금속 바인더상의 형태로 존재하고, 그리고 금속간 탄화물로서 미량의 Fe 및 미량의 Cr 만이 존재할 것이다. 대신에, 본 개시 내용의 바디의 경우, 대부분의, 예를 들면, 적어도 95 at% 의 Fe 및 적어도 95 at% 의 Cr 은 붕화물, 예를 들면, FeB 또는 Fe₂B, 또는 금속간 붕화물, 예를 들면, B₈Fe₅W₇, 또는 금속간 탄화물의 형태로 존재한다. 게다가, FeCr 금속 바인더상이 형성되지 않거나 5 at% 미만과 같은 미량의 FeCr 금속 바인더상만이 형성되므로, 본 개시 내용의 바디는 금속 바인더상이 없는 것으로 고려될 수도 있다.

본 개시 내용의 또 다른 양태는 바디의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 제조 방법은:

a. 원소들 B, Fe, Cr, C 및 W 를 포함하는 하나 이상의 분말들을 제공하는 단계;

b. 분말 혼합물을 얻기 위하여 유기 바인더와 함께 상기 하나 이상의 분말들을 밀링하는 단계;

c. 밀링된 분말 혼합물을 프레싱하는 단계; 및

d. 소결된 바디를 얻기 위하여 프레싱된 분말 혼합물을 소결하는 단계를 포함하고;

상기 하나 이상의 분말들은 원자 퍼센트로,

붕소 21 ~ 41;

철 25 ~ 35;

크롬 2 ~ 4;

탄소 3 ~ 10;

및 잔부 텅스텐을 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나 이상의 분말들은 일반적으로 볼 밀을 사용함으로써 유기 바인더와 함께 밀링된다. 유기 바인더는 프레싱을 돕기 위해 첨가되고, 그리고 일반적으로 PEG 34 와 같은 폴리(에틸렌 글리콜) (PEG) 이다. 일반적으로, 이어서 분말은 프레싱 방법, 예를 들면, TOX 프레스를 사용함으로써 성형된다. 이어서, 프레싱 후, 분말 혼합물은, 예를 들면, Sinter HIP furnace 를 사용하여 소결된다. 하지만, 다른 밀링, 성형 및 소결 방법들이 사용될 수 있고, 그리고 여기서 기술된 바와 같은 본 개시 내용의 방법에 다른 프레싱 보조제들이 사용될 수 있다.

또한, 상기 소결하는 단계 전에 예비 소결 단계를 또한 추가하는 것이 유용할 수도 있음을 이해해야 한다.

본 개시 내용에서, 용어 "분말" 은 고체 물질의 미세하고 건조한 입자들을 지칭한다.

일 실시 형태에서, 상기 또는 하기 규정된 소결 방법은 반응성 소결 프로세스이다. 본 개시 내용에서, 용어 "반응성 소결" 은 화학 반응들이 소결 프로세스 동안 원 위치에서 일어나서 소결된 바디에 존재하는 상들의 조합이 분말 형태로 제공된 원소들 및/또는 화합물들의 조합과 비교하여 상이하다는 것을 의미한다. 이것은 초경합금 또는 서밋의 제조에 일반적으로 사용되는 종래의 액체 스테이지 소결과 상이한데, 그 이유는 종래의 액체 스테이지 소결에서, 소결된 재료에 존재하는 상들의 조합이 분말 형태로 첨가된 원소들 및 화합물들의 원래 조합과 동일하기 때문이다. 종래의 액상 소결 탄화물들은 액상 지점 아래에서 일부 고체 상태 치밀화 반응들을 갖지만, 치밀화의 대부분은 고체 상태 상호 작용 기간 동안 보다 오히려 액상 온도 범위에서 발생하고, 이는 본 개시 내용에 개시된 재료의 바디에는 해당되지 않는다.

본 개시 내용의 경우, 소결 프로세스는 1450℃ ~ 1520℃ 의 온도에서, 그리고 아르곤 분위기에서 진공 또는 SinterHIPing (일반적으로 ~ 50 bar 에서) 에서 수행될 수도 있다. 반응은 가열시 분말 혼합물 내에서 발생한다. 소결 사이클 동안, 먼저 유기 바인더가 제거된다. 이어서, 초기 반응들은 일반적으로 약 550℃ 에서 고체 상태에서 발생한다. 추가의 반응들은 1000℃ 이상에서 더 안정한 상들을 형성하면서 준안정상들을 형성하는 약 800℃ 에서 발생하기 시작한다. 소결 프로세스 동안, 존재하는 WC 및 B₄C 는 소모되고, 그리고 FeB, WB 및 WB₂ 를 포함하는 다양한 혼합상들이 형성된다. 다른 더 복잡한 Fe_xW_yB_z상들도 또한 존재할 수도 있다. 이 프로세스가 텅스텐 탄화물계 초경합금들의 종래의 액상 소결과 유사한 질량 손실 및 3 차원 수축을 갖기 때문에, 반응성 소결 프로세스를 사용하여 양호한 수축 및 치수 제어가 가능하다. 반응성 소결 프로세스는 소결 후에 형성되는 임의의 금속 바인더가 없는 바디를 생성한다. 중요하게는, 바디들은 표준 산업 소결 장비 및 프로세스들을 사용하여 제조될 수도 있다.

일 실시 형태에서, 붕소는 B₄C 분말의 형태로 첨가된다. 첨가량은 첨가된 하나 이상의 분말들의 총량을 기준으로 4 wt% ~ 9 wt% 이다. B₄C 의 양이 4 wt% 미만인 경우, 이 때 유용한 붕소가 풍부한 차폐 재료가 달성되지 않는데, 그 이유는 결과로 얻어진 재료가 불량하게 소결되고, 상당한 박리를 겪게 되고, 그리고 매우 취성적이기 때문이다. B₄C 의 첨가량이 9 wt% 를 초과하는 경우, 붕소와의 반응에 이용 가능한 W 금속이 불충분해질 가능성이 있기 때문에 다공성의 위험이 증가되므로 소결성에 문제가 있다. 공극률이 차폐 효율에 영향을 줄 수 있으므로 가능한 한 적은 공극률을 유지하는 것이 중요하다. 붕소는 대안적으로 FeB, WB, 원소 B 또는 CrB 의 등가량으로 첨가될 수 있다.

본 개시 내용에서, 용어 "중량 퍼센트" (wt %) 는 제공된 분말의 총량과 비교하여 칭량된 하나 이상의 분말들의 상대적 중량들을 지칭한다.

일 실시 형태에서, 상기 또는 하기 규정된 방법에서, 철 및 크롬은 FeCr 분말의 형태로 17 ~ 26 wt%의 양으로 첨가된다. FeCr 의 첨가량은 바디에서 Fe 의 최적 원자량을 얻도록 선택된다. 일 실시 형태에 따르면, 첨가된 FeCr 분말의 Cr 함량은 FeCr 의 총량의 2 ~ 20 wt%, 예를 들면 2 ~ 8 wt% 이다. 다시 말해서, 조성에 첨가된 FeCr 의 양이 20 wt% 인 경우, 이 때 이것의 0.4 ~ 4 wt% 가 Cr 이고, 나머지는 Fe 이다. FeCr 은 이것이 Fe 존재로부터의 산화 및 부식 위험을 감소시키기 때문에 일반적으로 사전 합금된 형태로 첨가된다. Cr 은 또한 Cr₃C₂ 또는 Cr 금속의 형태로 첨가될 수도 있다. FeCr 이 2 wt% 미만의 Cr 로 이루어지는 경우, 가공 동안 산화 위험이 증가되고, 그리고 소결된 바디는 내식성이 감소될 것이다. 하지만, FeCr 의 양이 20 wt% 초과의 Cr 로 이루어지는 경우, Cr 의 농도는 너무 높아지고, 그리고 이것으로 인해 혼입된 B 량에서 순 감소가 일어나게 되어 바디의 차폐 효율을 감소시킨다. Fe8Cr (FeCr 이 8 wt% Cr 함량을 가짐을 의미) 은 W-B-FeCr 재료들의 제조에 사용되는 FeCr 의 가장 공통적인 조성이다.

일 실시 형태에 따르면, 상기 또는 하기에 규정된 바와 같은 방법에서, W 는 W 및 선택적으로 WC, 예를 들면 선택적으로 <5 wt% WC 의 형태로 첨가된다.

상기 또는 하기에 개시된 조성 범위들 내에서, 특정 조성들은 특정 타입의 원자로에서 사용하기 위한 또는 원자로의 특정 부분을 위한 가장 최적의 바디 특성들을 위해 선택될 수도 있다. 예를 들면, 바디의 주요 목적이 상당한 감마선 및 고속 중성자 우발물 (fast neutron contingent) 을 갖는 플럭스에 대해 차폐하는 것이라면 보다 W 가 풍부한 조성이 선택될 수도 있다. 다른 한편으로는, 바디의 주요 목적이 느린 중성자들이 가장 널리 퍼져 있는 우발물인 플럭스에 대해 차폐하는 것이라면, 보다 붕소가 풍부한 조성이 선택될 수도 있다.

이하의 실시예들은 예시적이고 비 제한적인 실시예들이다.

실시예들

실험들에서 볼 수 있는 바와 같이, W 금속이 WC 보다 오히려 주성분으로서 사용되는 재료들은 훨씬 더 유망한 결과를 보여주었습니다.

실시예에서 사용된 재료들은 표준 실험실 분말 야금법들을 사용하여 제조되었다. 모든 실시예들에서, FeCr 은 Fe8Cr 의 형태였고 (FeCr 은 8 wt% Cr 함량을 가짐을 의미), 그리고 붕소 공급원은 목표 그레인 크기가 8μm 인 B₄C 의 형태였다. 분말들은 표 1 에 나타낸 양들에 따라 칭량되었고, 그리고 2 시간 동안 에탄올 및 물 중에서 9:1 분말:밀링 매체들의 비율로 PEG3400 유기 바인더 및 텅스텐 탄화물 매체들과 함께 밀링되었다. 이어서, 분말은 건조되었고, 체질되었고, 그리고 TOX 프레스 또는 스플릿 다이에 의해서 100 MPa 의 목표 압력으로 프레싱되었다. 이어서, 프레싱된 샘플들은 50 bar 에서 진공 (DMK) 사이클을 사용하여 1 시간 동안 1450℃ ~ 1520℃ 의 온도에서 소결되었다. 더 높은 소결 온도들은 결정 품질 및 기계적 특성들을 개선하기 위해 더 높은 붕소 함유 샘플들 중 일부에 사용되었고, 세부 사항들은 하기 표 1 에 제공된다. 샘플들의 단면들은 최종 스테이지 연마로서 콜로이드 실리카에 의한 습식 그라인딩 및 순차적인 미세 다이아몬드 연마를 사용하여 연마되었다. 이어서, 샘플들은 광학 및 주사 전자 현미경 (SEM) 으로 검사되었다. 하기 표 1 은 시험된 분말 샘플들의 중량 백분율들 및 소결된 샘플들의 조성 (원자 퍼센트 단위) 을 포함하는 시험된 실시예들의 요약을 나타내고, 그리고 표 2 는 소결 후 각각의 예시적인 재료의 특성들을 나타낸다.

표 2 의 특성들은 밀도의 경우 ISO 3369:1975, 그리고 경도의 경우 ISO 3878:1983 에 따라 측정되었다. '이론적인 밀도와 비교되는 밀도 (%)' 는 측정 밀도를 이론적인 밀도로 나눈 것에 100 을 곱한 것으로 정의된다. 본 개시 내용에서, 이것은 여기서 개시된 붕화물계 화합물들에 대해 측정되는 대략적으로 이론적인 밀도이고, 반응성 소결 동안 발생하는 상당한 양의 상 변형이 존재한다. 이론적인 밀도는 소결 전 시약들의 가중 평균 밀도인 것으로 정의된다.

많은 실시예들에서, 이론적인 밀도와 비교되는 밀도는 100% 보다 더 크고, 이것은 소결 프로세스 동안 탄소 손실이 있기 때문인 것으로 가정된다.

샘플들 A, B 및 C 는 본 개시 내용의 조성 범위들을 벗어나고 소결 후 조직들이 더 불량해지는 비교 조성들을 나타낸다. 샘플들 D, E 및 F 는 본 발명의 범위에 속하고 가장 최적화된 소결 조직들을 갖는 조성들의 실시예들을 나타낸다.

샘플 A 의 광학 현미경 이미지는 도 1 에 나타내어진다. 샘플 A 는 너무 많은 Fe, 너무 적은 B, 그리고 너무 적은 C 를 갖는다. 샘플은 취성이고; 이것은 또한 불량하게 소결되고 연마시 쉽게 파괴된다. 미세 조직에서 길고 얇은 특징부들 (2) 은 불량한 탈지 (poor debinding) 를 나타낸다.

샘플 B 의 광학 현미경 이미지는 도 2 에 나타내어진다. 샘플 B 는 너무 많은 Fe, 그리고 너무 적은 W 를 갖는다. 미세 조직에 보이드들이 존재하고 (4), 그리고 취성 파괴가 현저하다.

샘플 C 의 광학 현미경 이미지는 도 3 에 나타내어진다. 샘플 C 는 너무 적은 Fe 를 갖는다. 이 샘플은 매우 다공성이고, 그리고 미세 조직에 보이드들이 존재한다 (4).

샘플들 D, E 및 F 는 본 개시 내용의 조성 범위들 내에 속한다. 이들 샘플들은 일반적으로 '더 높은 밀도/이론적인 밀도', 더 적은 기공들 및 보이드들을 갖고, 그리고 파괴되기 쉽지 않다. 본 개시 내용의 범위 내에 속하는 샘플의 예시적인 미세 조직은 도 4 에 나타내어진다.

본 개시 내용의 바디의 조직 및 특성들은 초경합금 보다 세라믹과 더 유사하다. 전자 백스캐터 회절 (EBSD) 분석은 본 개시 내용의 바디의 조직이 WB 및 WC 와 같은 미량의 다른 상들을 갖지만 금속 바인더상은 갖지 않는 철 붕화물에 의해서 분리된 철 텅스텐 붕화물의 영역들이 지배적이라는 증거를 보여준다. 따라서, 본 개시 내용의 바디의 경우, "버블링 (bubbling)" 의 경우 발생할 수 있는 '경질상-금속 바인더상' 경계들이 존재하지 않는다.

Zeiss Supra 55VP FEGSEM 을 사용하여 샘플들 E 및 F 에서 완료된 (EBSD) 분석으로부터 검출된 상들의 결과들은 표 3 에 나타내어진다. '미량' 은 <2% 존재비 (abundance) 를 지칭하고, '상당량 (significant)' 은 2 ~ 15% 존재비를 지칭하고, '과잉량 (abundant)' 은 >15% 존재비를 지칭하고, "주도적인 양 (dominant)" 은 >25% 존재비를 지칭한다. 상이한 상들의 존재비들을 정량화할 수 있는 EBSD 기술의 정확도 내에서, 상기 분석은 FeCr 의 존재가 검출 가능하게 존재하지 않는 것으로, 즉 <5 at% 인 것으로 나타났다. Fe 의 존재는 Fe₂B, FeB 및 B₈Fe₅W₇ 의 형태들로 검출되었고, 즉 >95 at% 의 Fe 가 붕화물, 금속간 붕화물 또는 금속간 탄화물의 형태로 존재한다.

Claims (11)

1. 원자 퍼센트 (at.%) 로,
   붕소 21 ~ 41;
   철 25 ~ 35;
   크롬 2 ~ 4;
   탄소 3 ~ 10;
   및 잔부 텅스텐을 포함하고,
   상기 Cr 의 적어도 95 at.% 는 붕화물, 금속간 붕화물 또는 금속간 탄화물의 형태인, 바디.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 Fe 의 적어도 95 at.% 는 붕화물, 금속간 붕화물 또는 금속간 탄화물의 형태인, 바디.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 Fe 의 5 at.% 미만은 FeCr 의 형태인, 바디.
5. 바디의 제조 방법으로서,
   a. B, Fe, Cr, C 및 W 를 포함하는 하나 이상의 분말들을 제공하는 단계;
   b. 분말 혼합물을 얻기 위하여 유기 바인더와 함께 상기 하나 이상의 분말들을 밀링하는 단계;
   c. 밀링된 상기 분말 혼합물을 프레싱하는 단계; 및
   d. 소결된 바디를 얻기 위하여 프레싱된 상기 분말 혼합물을 소결하는 단계를 포함하고,
   단계 a 에서 첨가된 상기 하나 이상의 분말들은 원자 퍼센트 (at.%) 로,
   붕소 21 ~ 41;
   철 25 ~ 35;
   크롬 2 ~ 4;
   탄소 3 ~ 10;
   및 잔부 텅스텐을 포함하고,
   상기 Cr 의 적어도 95 at.% 는 붕화물, 금속간 붕화물 또는 금속간 탄화물의 형태인, 바디의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 소결하는 단계는 반응성 소결 프로세스인, 바디의 제조 방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 붕소는 B₄C 의 형태로 첨가되는, 바디의 제조 방법.
8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 철 및 상기 크롬은 FeCr 의 형태로 첨가되는, 바디의 제조 방법.
9. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 W 는 W 및 선택적으로 WC 의 형태로 첨가되는, 바디의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    첨가된 상기 WC 의 양은 5 wt.% 미만인, 바디의 제조 방법.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 바디는 원자로에서의 핵 차폐를 위한 물체를 제조하기 위해 사용되는, 바디.

Images