KR20000068776A - 중성자 조사로 인한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계스테인레스 강 - Google Patents

중성자 조사로 인한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계스테인레스 강 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스테인레스 강을 1,000 내지 1,180℃에서 고용화열처리를 받게한 후, 그렇게 처리된 강을 600 내지 750℃에서 숙성처리(aging treatment)를 받게함으로써 얻어지는, 중성자 조사에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강에 있어서, 상기 스테인레스 강이 중량0.08% 이하의 C와,중량2.0% 이하의 Mn과, 중량1.5% 이하의 Si와, 중량0.045% 이하의 P와, 중량0.030% 이하의 S와, 중량8.0 내지 22.0%의 Ni와, 중량16.0 내지 26.0%의 Cr과 나머지의Fe로 이루어지는 것을 특징으로하는 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강에 관한 것이다.

Description

중성자 조사로 인한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강{Austenitic Stainless Steel with Resistance to Deterioration by Neutron Irradiation}
경수로형 원자력발전소의 원자로 내부에서 구조재(볼트, 판 등)로서 사용되던 SUS 304 및 SUS 316과 같은 종래의 오스테나이트계 스테인레스 강은, 오랜기간동안 사용되거나 1 ×1021n/㎠ (E〉1MeV)또는 그 이상의 중성자를 쪼이면, Cr이 부족해지거나 입계(grain boundary)에서 Ni, Si, P, S 등을 농축하는 경향이 있었다. 이런 경우, 고하중응력이 발생하면 오스테나이트계 스테인레스 강은 경수로 환경하에서 응력부식균열(stress corrosion cracking; SCC)을 일으키는 경향이 있는 것으로 알려져왔다. 이러한 현상을 "조사영향 응력부식균열(irradiation-affected stress corrosion cracking; IASCC)"이라고 부른다. 그동안 IASCC 감도가 낮은 물질의 개발에 대한 강한 요구가 있어왔으나, 저IASCC 감도, 다시말해, 중성자 조사에 의한 열화(deterioration)에 대해 뛰어난 저항을 가진 물질이 여전히 산업화되지 못하고 있다.
경수로형 원자력발전소의 원자로 내부의 구조재로서, SUS 304 및 SUS 316과 같은 오스테나이트계 스테인레스 강이 사용되어왔다. 이러한 부재들이 오랜 기간 사용되거나 1 ×1021n/㎠ (E〉1MeV)또는 그 이상의 중성자를 쪼이게되면, 사용전에는 현출되지 않았거나 경미하게만 현출되었던 입계(grain boundary) 부근에서 성분요소의 농도가 더욱 악화되는 변화가 관찰된다. 다시말해, 입계 부근에서 Cr 및 Mo가 부족해지거나 Ni, Si, P 및 S와 같은 요소가 과다해진다. 이 현상을 "조사유발 분리(irradiation-induced segregation)"라고 한다. 앞에서 설명한 바와같이, 분리상태(segregational state)에서, 고하중응력이나 잔류응력이 있으면 고온 고압의 물, 즉, 경수로의 중성자 조사(照射)환경에서 응력부식균열(조사영향 응력부식균열: IASCC)이 초래되는 경향이 있다고 알려져 있다.
본 발명자는 합금 결정 형태를 최적화하기 위하여 특정구조의 스테인레스 강, 즉, Ni가 풍부한 스테인레스 강을 열처리하고, 그 강이 계속되는 다음 처리과정을 거치게함으로써, 중성자 조사로 인한 열화에 대해 뛰어난 저항을 가지는 물질로서, Ni가 풍부한 오스테나이트계 스테인레스 강을 개발하였고, 이미 이를 제안한 바 있다(일본특허공개공보 No. 9-125205).
본 발명은 예컨데, 경수로형 원자력 발전소 내부의 구조재로 사용되는 중성자 조사(照射)로 인한 열화에 대한 저항이 매우 뛰어난 오스테나이트계 스테인레스 강에 관한 것이다.
도 1은 중성자를 쬔 물질의 입자간 분리의 측정치로부터 추정된 합금의 입계에서의 Cr과 Ni의 농도와 SCC 감도간의 관계를 나타낸 도면; 도 2는 SCC 가속시험(SCC acceleration test)에 사용된 시험편의 모양과 크기를 나타낸 도면.
본 발명의 목적은, 앞서 언급한 선행기술상황을 고려하여, 높은 Ni 함유량을 가지는 high-Ni 스테인레스 강을 사용하지않고, JIS(일본 공업 규격)에 기본합금으로 명기되어있는 종래의 구조재 SUS 304, SUS 316, SUS 310S를 사용하고, 중성자 조사로 유발되는 열화에 대한 저항으로 인해 경수로 사용환경(고온 고압의 물)에서 응력 부식 균열(SCC)을 초래하지 않는 구조재를 제공하는 것이다.
앞서 언급한 문제점을 해결하고자 본 발명자들은 오스테나이트계 스테인레스 강의 특성에 관한 다양한 조사를 행하였다. 그 결과, S. Dumbill 과 W. Hanks에 의해 측정된 중성자를 쬔 물질의 입자간 분리값(the value of the intergranular segregation)(Sixth International Symposium on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems-Water Reactors, 521(1993))에 기초하여 본 발명자들이 계산한 입계에서의 Cr과 Ni의 농도변화와, 본 발명자들이 그간 얻어낸 중성자를 쬔 SUS 304와 SUS 316의 SCC 검사 결과를 비교분석하면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 중성자 조사후 입계에서 Cr의 농도가 15% 이하이고, Ni의 농도가 20% 이상으로 될 때 앞서 설명한 IASCC가 발생하였다. 도 1의 사선 영역은 SCC가 발생하는 영역을 나타낸다.
본 발명자들은 이러한 IASCC 현상이 입계 성분요소농도가 합금600(JIS의 NCF600) 조성(composition)의 그것에 근접할 때 발생한다고 추정하였다. 자세히 설명하면, 이들은 중성자조사가 Cr농도를 낮추고, 조성의 입계Ni농도를 높이며, 이것이 그 조성을 합금 600(비조사물질; Ni≥72%, Cr=14∼17%)의 그것에 가깝게 하고, 그로써, 합금 600에서 자주 관찰되는 바와 같은, 응력부식균열(PWSCC: stess corrosion cracking which occurs in a primary water)이 고온 고압의 물에서 발생한다고 추정하였다. 그러나, 현재로서는 PWSCC의 발생메카니즘이 자세히 설명되지 못하고 있다.
종래의 Ni베이스 합금(Ni-based alloy){Incone 1750 (JIS의 NCF750) 또는 합금 690 (JIS의 NCF690)}은, 특정조건(특수 열처리)하에서 이들이 숙성처리(aging treatment)를 거치게하고, 그로써 입계내에서 매트릭스 상(phase)과 정합(整合)된 M23C6(M이 주로 Cr인 카바이드)를 침전시키고, 입계내에서 정합된 M23C6의 정합된 침전을 발생시킴으로써 강화된 입계와 개선된 PWSCC 저항을 가질 수 있는 것으로 알려져있다. 본 발명자들은 지금까지 Ni베이스 합금에 적용된 특수열처리가 종래의 SUS 304, SUS 316, SUS 310S에 적용될 때, 중성자 조사가 입계의 근방에서 조성의 Cr농도를 낮추고, Ni농도를 높이더라도, 입계내에서 매트릭스 상과 정합(整合)된 M23C6를 침전시킴으로써 입계가 강화될 수 있고, SCC 저항이 개선될 수 있다.
본 발명자들은 상기한 발견에 기초한 연구를 계속하여 SUS 304 또는 SUS 316을 기초합금으로 채용하고 합금결정형태와 이후 과정(냉간가공; cold working treatment)을 최적화하기위하여 특정조건하에서 고용화열처리와 숙성처리(열처리)를 조화시켜 사용함으로서 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 스테인레스 강을 1,000 내지 1,180℃에서 고용화열처리를 받게한 후, 그렇게 처리된 강을 600 내지 750℃에서 숙성처리를 받게함으로써 얻어지는 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항이 강한 오스테나이트계 스테인레스 강을 제공하는데, 여기서 상기 스테인레스 강은 중량0.08% 이하의 C와,중량2.0% 이하의 Mn과, 중량1.5% 이하의 Si와, 중량0.045% 이하의 P와, 중량0.030% 이하의 S와, 중량8.0 내지 22.0%의 Ni와, 중량16.0 내지 26.0%의 Cr과 나머지의 Fe(the balance of Fe)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인레스 강은 상기 스테인레스 강이 상기 고용화열처리와 상기 숙성처리의 사이에서 처리범위가 최대 30%에 이르는 냉간가공을 받게함으로써 얻어질 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 스테인레스 강은 중량3.0% 이하의 Mo를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 스테인레스 강은 JIS에 명기된 SUS 316일 수 있다. SUS 316이 사용되면, 상기 고용화열처리의 온도범위는 1,000 내지 1,150℃이다.
또한, 예컨데, 상기 스테인레스 강은 JIS에 명기된 SUS 304일 수 있다. SUS 304가 사용되면 상기 고용화열처리의 온도범위는 1,000 내지 1,150℃이다.
또한, 예컨데, 상기 스테인레스 강은 JIS에 명기된 SUS 310S일 수 있다. SUS 310S가 사용되면 상기 고용화열처리의 온도범위는 1,030 내지 1,180℃이다.
중성자 조사로 인한 열화에 저항력을 가지는, 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 강은 적어도 1 ×1022n/㎠ (E〉1MeV)의 중성자 조사에 노출된 후에도 경수로환경하에서, 보다 상세하게는, 약 270 내지 360℃/70 내지 160atm의 고온 고압의 물에서 뛰어난 SCC 저항을 가지는 물질이다. 원자로 내부에 사용되는 다른 구조재는 주로 SUS 304 또는 SUS 316과 같은 오스테나이트계 스테인레스 강이다. 따라서, 서로 다른 구조물질간 열팽창계수의 차이로 인한 응력을 줄이기 위해 SUS 304나 SUS 316과 비슷한 열팽창계수를 가지는 물질을 사용하는 것이 필요하다. 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인레스 강은 15 ×10-6내지 19 ×10-6/K의 열팽창계수를 보유하는데, 이는 16 ×10-6내지 18 ×10-6/K, 즉, 종래 사용되던 SUS 304 또는 SUS 316의 상온(20℃) 내지 400℃의 온도범위에서의 평균열팽창계수에 가깝다.
이러한 특성을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강의 예로는 베이스물질(base material)로서, JIS에 명기되어있고 중량%의 단위로 0.08%이하의 C, 2.0%이하의 Mn, 1.0%이하의 Si, 0.045%이하의 P, 0.030%이하의 S, 8.0 내지 10.5%의 Ni, 18.00 내지 20.00%의 Cr, 그리고 나머지의 Fe로 이루어진 SUS 304, JIS에 명기되어있고 중량%의 단위로 0.08%이하의 C, 2.0%이하의 Mn, 1.0%이하의 Si, 0.045%이하의 P, 0.030%이하의 S, 10.0 내지 14.0%의 Ni, 16.00 내지 18.00%의 Cr, 2.00 내지 3.00%의 Mo, 그리고 나머지의 Fe로 이루어진 SUS 316, 또는 JIS에 명기되어있고 중량%의 단위로 0.08%이하의 C, 2.00%이하의 Mn, 1.50%이하의 Si, 0.045%이하의 P, 0.030%이하의 S, 19.0 내지 22.0%의 Ni, 24.00 내지 26.00%의 Cr, 그리고 나머지의 Fe로 이루어진 SUS 310S를 사용하고, 이 강의 베이스를 1,000 내지 1,150℃(SUS 304 또는 SUS 316) 또는 1,030 내지 1,180℃(SUS 310S)에서 고용화열처리를 거치게하고, 필요하다면 상기한 온도에서의 고용화열처리 후 재결정점이하의 온도범위에서 처리과정의 최대 30%의 범위까지 냉간가공을 거치게하고, 그리고나서 이렇게 처리된 강을 최대 100시간까지 600 내지 750℃에서 숙성처리를 받게함으로써 얻어지는 오스테나이트계 스테인레스 강이 있다.
위에서 예시된 스테인레스 강에서, 매트릭스 상과 정합된 M23C6(M이 주로 Cr을 가지는 카바이드)의 침전이 입계에서 나타나고, 이것이 입계를 강화시키고 SCC저항을 향상시킬 수 있게 한다.
상기한 조성비를 가지는 SUS 304 또는 SUS 316은 1,000 내지 1,150℃에서 고용화열처리를 받게되고, 상기한 조성비를 가지는 SUS 310S는 1,030 내지 1,180℃에서 고용화열처리를 받게되며, 그로써 합금형태에서 분해된 원자가 매트릭스에서 고형용액을 형성한다. 이렇게 처리된 오스테나이트계 스테인레스 강은, 필요하다면 재결정점 이하의 온도범위에서 처리과정의 최대 30%의 범위까지 냉간가공을 받게 하여 결정입자 내에서 미끄럼 변형(sliding deformation)에 기인한 전위(dislocation)를 증식시키고, 그로인해 SCC저항의 손실없이 볼트재료나 그와 유사한 재료의 강도가 강화된다. 상기한 고용화열처리 다음의 600 내지 750℃에서의 가열처리(숙성처리)나 고용화열처리 및 냉간가공은 입계에서 매트릭스 상과 정합된 M23C6(M이 주로 Cr을 가지는 카바이드)의 침전을 가능케 하는데, 이것이 입계를 강화시키고 SCC저항을 향상시킨다. 또한, 필요하다면 본 발명이 적용되는 제품의 강도를 확보하기 위해 최대 30%의 냉간가공이 행해진다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 냉간가공의 정도는 그다지 클 필요가 없고, 최대 30%정도가 적당하다. 그 정도가 30%를 넘으면, 그로써 얻어진 스테인레스 강은 강도의 증가에도 불구하고 연성이 감소하므로 구조재로서 적합하지 못하다.
숙성처리가 600℃ 이하의 온도에서 행해지면 오랜시간 가열하더라도 입계에서의 매트릭스 상과 정합된 M23C6를 충분히 침전할 수 없고, 따라서 목적하는 SCC 저항을 얻을 수 없다. 반대로, 숙성온도가 750℃를 초과하면, 매트릭스 상과 정합된 M23C6가 다시 고형용액을 형성하고 침전은 발생하지않는다. 따라서, M23C6의 충분한 침전을 유발하는 바람직한 온도 범위는 600 내지 750℃이다. 짧은 시간동안의 숙성처리가 600 내지 750℃의 온도범위내에서는 효과적이지만, M23C6을 충분히 침전하고 높은 SCC저항을 얻기위하여는 이 처리를 최소 한시간 동안 실행하는 것이 바람직하다. 보편적으로, 이 처리에 있어 최대 100시간 정도면 충분하다. 또한, 필요하다면, 본 발명이 적용될 제품의 강도를 확보하기 위하여 최대 30%의 냉간가공이 행하여진다.
조사영향 응력부식균열(IASCC)이 고하중응력과 중성자 조사에 의한 물질의 열화와 거의 동시에 발생한다고 생각할 수 있기 때문에, 본 발명은 물질이 중성자 조사에 노출되더라도 IASCC가 쉽게 발생하지 않는 범위내로 열화를 억제하고자, 미리 물질의 조성비와 금속조직학적 구조를 조절하는데 목적이 있다. 다시 말해, 가열처리 후에도 종래물질과의 열팽창계수의 차이를 최소화시키기 위하여 SUS 304, SUS 316, 또는 SUS 310S를 베이스 합금으로 사용하고, IASCC가 쉽게 발생하지않는 침전상태를 입계의 카바이드에 부여한 점에 본 발명의 특징이 있다.
(실시예)
시험될 네가지 종류의 물질이 다음과 같이 준비되었다. 두 종류는 표 1에 보인 화학조성비를 가지는 SUS 304 와 SUS 316 각각을 한시간 동안 1,050℃에서 고용화열처리를 거치게한 다음, 표 2내지 9에서 보인 온도에서 100시간동안 숙성처리(열처리)를 받게함으로써 얻어졌다.
나머지 두 종류는 상기와 비슷한 방식의 고용화열처리 후에, 그와 같이 처리된 강을 10 내지 30% 범위의 냉간가공을 받게하였고, 뒤이어 표 2 내지 9에 나타낸 온도에서 100시간동안 숙성처리(열처리)를 함으로써 얻어졌다.
이러한 네 종류의 시험편은 도 2(도 2에서, 단위는 mm이다)에 나타낸 모양과 크기를 갖는 시험편이 되도록 처리되었고, 재료 시험을 위해 원자로를 사용함으로써 320℃에서 적어도 5 ×1022n/㎠ (E〉1Mev)의 중성자 조사가 뒤이어 행해졌다. 그리고, 응력부식균열가속시험이, 시뮬레이션된 경수로환경(고온 고압의 물이고 360℃ , 160kgf/㎠G 에서)하에서 0.1 ㎛/min의 변형률로 행해졌다. 덧붙여, 이 물질들은 조사(照射)없이는 SCC 감도를 보이지 않으므로, 평가를 위하여 조사(照射)된 물질이 공급되었다.
화학조성비(중량%), 나머지(balance): Fe
C Si Mn P S Ni Cr Mo
SUS 306 0.06 0.55 1.52 0.02 0.021 8 18 -
SUS 316 0.04 0.75 1.65 0.018 0.011 12 16 2.6
SUS 310S 0.02 0.32 1.14 0.024 0.001 19.58 24.31 -
시험 결과는 표 2 내지 9에 나타내었다. 표 2 내지 9에서 보인 바와 같이, 상온 내지 400℃에서 상기와 같이 얻어진 시험편의 평균 열팽창계수는 SUS 304시리즈에 대하여는 15.7 ×10-6내지 16.8 ×10-6/K의 범위이고, SUS 316시리즈에 대하여는 16.2 ×10-6내지 17.7 ×10-6/K의 범위이다. 표 2의 "카바이드 M23C6의 침전상태"에서, M23C6이 트랜스미션 일렉트론 마이크로스코프(TEM) 및 일렉트론 마이크로스코프(SEM)를 통한 관찰의 결과로서 입계에서 M23C6가 반연속적으로(semi-continuously) 침전될 때, 카바이드의 침전이 "관측된다"고 하였다. 침전이 발견되지 않거나, 입자의 거칠은 성장이 발견되고, 따라서 침전이 반연속적이지 않으면, 카바이드의 침전이 "관측되지 않는다"고 하였다. "IGSCC"는 입자간 응력부식균열을 의미하고, "IGSCC 파쇄율(fracture ratio)"은 [(∑입계에서 파쇄영역의 넓이)/(∑시험편의 파쇄영역의 총 넓이)] ×100 (%)으로 나타내어지는 값을 의미한다. "SCC 감도"는 응력부식균열가속시험후의 깨진 표면의 입자간 파쇄율에 기초하여 평가된다. IGSCC 파쇄율이 5%를 넘으면, 그 물질은 "민감하다"(A)고 판단된다. 반대로, 5% 이하일 땐 그 물질은 "민감하지않다"(B)고 판단된다. 또한, "SSRT"는 저변형율 인장시험을 뜻한다.
다음의 내용은 표 2 내지 9로 설명된다. IASCC 저항에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 여겨지는 입자간 파쇄율(IGSCC 파쇄율)은 시험되는 물질에 있어 0에 가까운 것이 적절하다(바람직하게는, 5% 이하). 또한, 매트릭스 상과 정합된 M23C6가 입계에서 침전된 시험물질은 600 내지 750℃의 온도범위와 5 내지 100시간의 지속범위 내에서 숙성처리를 함으로써 얻어진다. 트랜스미션 일렉트론 마이크로스코프 (TEM)와 일렉트론 마이크로스코프 (SEM)를 이용함으로써, 이 시험물질들에서 M23C6가 충분한 침전(반연속적 침전)을 보였음이 확인되었다. 이 시험물들은 냉간가공에 관계없이 뛰어난 SCC 저항을 가짐을 알 수 있다.
시험물질 냉간가공율(%) 숙성처리 조건 카바이드M23C6의 침전상태 IGSCC 파쇄율(%) SCC 감도 열팽창계수(×10-6/K)
온도(℃) 시간(h)
SUS 304 0 열처리안함 - 관측안됨 75 A 16.2
500 1 관측안됨 71 A 16.5
5 관측안됨 65 A 16.3
10 관측안됨 53 A 16.1
50 관측안됨 39 A 16.0
100 관측안됨 30 A 16.5
600 1 관측안됨 15 A 16.2
5 관측됨 0 B 16.2
10 관측됨 0 B 16.5
50 관측됨 0 B 16.2
100 관측됨 0 B 16.3
700 1 관측됨 3 B 16.4
5 관측됨 0 B 16.5
10 관측됨 0 B 16.2
50 관측됨 0 B 16.1
100 관측됨 0 B 16.2
750 1 관측됨 1 B 15.9
5 관측됨 0 B 16.4
10 관측됨 0 B 16.2
50 관측됨 0 B 16.5
100 관측됨 0 B 16.2
800 1 관측안됨 8 A 16.7
5 관측안됨 17 A 15.8
10 관측안됨 15 A 16.0
50 관측안됨 20 A 16.3
100 관측안됨 14 A 16.1
SCC 감도(A:민감함, B:민감하지 않음)
시험물질 냉간가공율(%) 숙성처리 조건 카바이드 M23C6의 침전상태 IGSCC 파쇄율(%) SCC 감도 열팽창계수(×10-6/K)
온도(℃) 시간(h)
SUS 304 10 열처리안함 - 관측안됨 65 A 15.8
500 1 관측안됨 55 A 16.1
5 관측안됨 50 A 16.2
10 관측안됨 58 A 16.5
50 관측안됨 43 A 16.7
100 관측안됨 28 A 16.0
600 1 관측됨 2 B 16.3
5 관측됨 0 B 16.4
10 관측됨 0 B 16.2
50 관측됨 0 B 16.1
100 관측됨 0 B 16.8
700 1 관측됨 1 B 16.2
5 관측됨 0 B 16.1
10 관측됨 0 B 15.8
50 관측됨 0 B 15.9
100 관측됨 0 B 16.3
750 1 관측됨 0 B 16.1
5 관측됨 0 B 16.2
10 관측됨 0 B 16.3
50 관측됨 0 B 16.8
100 관측됨 0 B 16.5
800 1 관측안됨 10 A 16.6
5 관측안됨 5 A 15.8
10 관측안됨 8 A 16.1
50 관측안됨 15 A 16.5
100 관측안됨 19 A 16.3
SCC 감도(A:민감함, B:민감하지 않음)
시험물질 냉간가공율(%) 숙성처리 조건 카바이드 M23C6의 침전상태 IGSCC 파쇄율(%) SCC 감도 열팽창계수(×10-6/K)
온도(℃) 시간(h)
SUS 304 20 열처리안함 - 관측안됨 52 A 16.3
500 1 관측안됨 50 A 16.2
5 관측안됨 60 A 16.2
10 관측안됨 45 A 16.2
50 관측안됨 16 A 16.5
100 관측됨 4 B 16.8
600 1 관측됨 3 B 16.3
5 관측됨 1 B 16.7
10 관측됨 0 B 16.4
50 관측됨 0 B 15.8
100 관측됨 0 B 15.9
700 1 관측됨 0 B 16.5
5 관측됨 0 B 16.3
10 관측됨 0 B 16.4
50 관측됨 0 B 16.3
100 관측됨 0 B 16.2
750 1 관측됨 0 B 16.1
5 관측됨 0 B 16.6
10 관측됨 0 B 16.2
50 관측됨 0 B 16.6
100 관측됨 0 B 16.2
800 1 관측안됨 18 A 16.8
5 관측안됨 20 A 15.7
10 관측안됨 17 A 16.5
50 관측안됨 13 A 16.3
100 관측안됨 6 A 16.3
SCC 감도(A:민감함, B:민감하지 않음)
시험물질 냉간가공율(%) 숙성처리 조건 카바이드 M23C6의 침전상태 IGSCC 파쇄율(%) SCC 감도 열팽창계수(×10-6/K)
온도(℃) 시간(h)
SUS 304 30 열처리안함 - 관측안됨 55 A 16.3
500 1 관측안됨 55 A 16.2
5 관측안됨 60 A 16.2
10 관측안됨 20 A 16.2
50 관측됨 4 B 16.5
100 관측됨 2 B 16.7
600 1 관측됨 1 B 16.3
5 관측됨 0 B 16.5
10 관측됨 0 B 16.4
50 관측됨 0 B 15.9
100 관측됨 0 B 16.3
700 1 관측됨 0 B 16.5
5 관측됨 0 B 16.3
10 관측됨 0 B 16.7
50 관측됨 0 B 16.3
100 관측됨 0 B 16.2
750 1 관측됨 0 B 16.3
5 관측됨 0 B 16.7
10 관측됨 0 B 16.8
50 관측됨 0 B 16.6
100 관측됨 0 B 16.5
800 1 관측안됨 13 A 16.4
5 관측안됨 15 A 15.8
10 관측안됨 20 A 16.3
50 관측안됨 15 A 16.5
100 관측안됨 8 A 16.7
SCC 감도(A:민감함, B:민감하지 않음)
시험물질 냉간가공율(%) 숙성처리 조건 카바이드 M23C6의 침전상태 IGSCC 파쇄율(%) SCC 감도 열팽창계수(×10-6/K)
온도(℃) 시간(h)
SUS 316 0 열처리안함 - 관측안됨 65 A 17.2
500 1 관측안됨 63 A 17.2
5 관측안됨 57 A 17.1
10 관측안됨 70 A 17.2
50 관측안됨 36 A 17.4
100 관측안됨 23 A 16.9
600 1 관측안됨 12 A 16.8
5 관측됨 0 B 17.3
10 관측됨 0 B 17.5
50 관측됨 0 B 17.4
100 관측됨 0 B 17.3
700 1 관측됨 3 B 17.1
5 관측됨 0 B 17.0
10 관측됨 0 B 17.2
50 관측됨 0 B 16.8
100 관측됨 0 B 16.5
750 1 관측됨 2 B 16.4
5 관측됨 0 B 16.8
10 관측됨 0 B 16.5
50 관측됨 0 B 16.4
100 관측됨 0 B 16.3
800 1 관측안됨 15 A 16.4
5 관측안됨 18 A 16.2
10 관측안됨 23 A 16.3
50 관측안됨 21 A 16.5
100 관측안됨 15 A 16.8
SCC 감도(A:민감함, B:민감하지 않음)
시험물질 냉간가공율(%) 숙성처리 조건 카바이드 M23C6의 침전상태 IGSCC 파쇄율(%) SCC 감도 열팽창계수(×10-6/K)
온도(℃) 시간(h)
SUS 316 10 열처리안함 - 관측안됨 70 A 17.3
500 1 관측안됨 55 A 17.5
5 관측안됨 52 A 17.2
10 관측안됨 46 A 16.9
50 관측안됨 31 A 17.3
100 관측안됨 8 A 17.3
600 1 관측됨 1 B 17.3
5 관측됨 0 B 17.2
10 관측됨 0 B 17.4
50 관측됨 0 B 17.1
100 관측됨 0 B 17.0
700 1 관측됨 1 B 17.3
5 관측됨 0 B 17.6
10 관측됨 0 B 17.4
50 관측됨 0 B 16.3
100 관측됨 0 B 16.5
750 1 관측됨 0 B 16.8
5 관측됨 0 B 16.7
10 관측됨 0 B 16.6
50 관측됨 0 B 16.5
100 관측됨 0 B 16.4
800 1 관측안됨 20 A 16.8
5 관측안됨 17 A 16.2
10 관측안됨 22 A 16.5
50 관측안됨 13 A 16.5
100 관측안됨 17 A 16.3
SCC 감도(A:민감함, B:민감하지 않음)
시험물질 냉간가공율(%) 숙성처리 조건 카바이드 M23C6의 침전상태 IGSCC 파쇄율(%) SCC 감도 열팽창계수(×10-6/K)
온도(℃) 시간(h)
SUS 316 20 열처리안함 - 관측안됨 55 A 17.3
500 1 관측안됨 55 A 17.6
5 관측안됨 60 A 17.4
10 관측안됨 45 A 16.8
50 관측안됨 20 A 16.5
100 관측됨 4 B 16.8
600 1 관측됨 3 B 17.4
5 관측됨 1 B 17.3
10 관측됨 0 B 17.5
50 관측됨 0 B 17.2
100 관측됨 0 B 15.9
700 1 관측됨 0 B 17.3
5 관측됨 0 B 17.5
10 관측됨 0 B 17.2
50 관측됨 0 B 16.3
100 관측됨 0 B 17.3
750 1 관측됨 0 B 17.6
5 관측됨 0 B 17.4
10 관측됨 0 B 16.3
50 관측됨 0 B 17.3
100 관측됨 0 B 17.6
800 1 관측안됨 18 A 17.4
5 관측안됨 20 A 16.3
10 관측안됨 17 A 17.3
50 관측안됨 13 A 17.5
100 관측안됨 6 A 17.2
SCC 감도(A:민감함, B:민감하지 않음)
시험물질 냉간가공율(%) 숙성처리 조건 카바이드 M23C6의 침전상태 IGSCC 파쇄율(%) SCC 감도 열팽창계수(×10-6/K)
온도(℃) 시간(h)
SUS 316 30 열처리안함 - 관측안됨 75 A 17.5
500 1 관측안됨 70 A 17.3
5 관측안됨 65 A 17.5
10 관측안됨 18 A 17.2
50 관측안됨 3 B 17.3
100 관측안됨 2 B 17.5
600 1 관측안됨 2 B 16.8
5 관측됨 0 B 17.4
10 관측됨 0 B 17.3
50 관측됨 0 B 17.5
100 관측됨 0 B 17.2
700 1 관측됨 0 B 17.4
5 관측됨 0 B 17.3
10 관측됨 0 B 17.5
50 관측됨 0 B 16.8
100 관측됨 0 B 17.7
750 1 관측됨 0 B 16.8
5 관측됨 0 B 17.3
10 관측됨 0 B 16.9
50 관측됨 0 B 16.8
100 관측됨 0 B 17.3
800 1 관측안됨 5 A 17.2
5 관측안됨 13 A 17.3
10 관측안됨 18 A 17.5
50 관측안됨 21 A 17.3
100 관측안됨 16 A 16.8
SCC 감도(A:민감함, B:민감하지 않음)
또한, 시험된 두 종류의 물질은 다음과 같았다. 한 종류는 표 1에 나타낸 화학조성비를 가지는 SUS 310S를 한 시간동안 1,050℃에서 고용화열처리를 하고, 뒤이어 표 10에 나타낸 온도에서 100시간동안 숙성처리(열처리)를 함으로써 얻어졌다.
다른 종류는 고용화열처리에 이어 비슷한 방법으로 상기와 같이 처리된 강에 약 20%의 냉간가공을 하고, 뒤이어 표 10에 나타낸 온도에서 100시간동안 숙성처리를 함으로써 얻어졌다.
이들 두 종류의 시험물질들은 도 2(도 2에서의 단위는 mm)에 나타낸 모양과 크기를 가지는 시험편으로 가공되었고, 뒤이어 물질 시험을 위해 원자로를 사용함으로써 320℃에서 적어도 5 ×1022n/㎠ (E〉1MeV)의 중성자를 쬐었다. 그리고나서, 응력부식균열가속시험이 시뮬레이션된 경수로환경(고온 고압의 물이고, 360℃, 214 kgf/㎠G에서)하에서 0.5㎛/min의 변형률로 행하여졌다. 시험결과를 표 10에 나타내었다
시험물질 숙성처리 조건 카바이드 M23C6의 침전상태 IGSCC 파쇄율 SCC 감도
310S 스테인레스 강 열처리 안함 관측안됨 46 A
500℃×100h 관측안됨 39 A
550℃×100h 관측안됨 28 A
600℃×100h 관측됨 4 B
650℃×100h 관측됨 2 B
700℃×100h 관측됨 1 B
750℃×100h 관측됨 3 B
800℃×100h 관측안됨 19 A
310S 스테인레스 강 +냉간가공 (20%) 열처리 안함 관측안됨 43 A
500℃×100h 관측안됨 37 A
550℃×100h 관측안됨 24 A
600℃×100h 관측됨 3 B
650℃×100h 관측됨 1 B
700℃×100h 관측됨 0 B
750℃×100h 관측됨 1 B
800℃×100h 관측안됨 16 A
SCC 감도(A:민감함, B:민감하지 않음)
표 10에서 용어 "카바이드 M23C6의 침전", "IGSCC 파쇄율" 및 "SCC 감도"는 각각 표 2 내지 9에서의 용어와 유사하다.
표 10으로부터 다음 내용이 이해될 수 있다. 시험물질에 있어 IASCC 저항에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 여겨지는 입자간 파쇄율(IGSCC 파쇄율)이 0에 가까운 것이 적당하다(바람직하게는, 5% 이하). 또한, 매트릭스 상과 정합(整合)된 M23C6가 입계 내에 침전되어 있는 시험물질은 100시간동안 600 내지 750℃의 온도범위 내에서 숙성처리함으로써 얻어진다. 트랜스미션 일렉트론 마이크로스코프(TEM) 및 일렉트론 마이크로스코프(SEM)를 이용하여, 이들 시험물질들에서 M23C6가 충분한 침전을 보였음이 확인되었다. 이들 시험물질들은 냉간가공에 무관하게 뛰어난 SCC 저항을 가짐을 알 수 있다.
중성자 조사로 인한 열화(deterioration)에 대한 저항을 가지는 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 강은, 중성자 조사로 인한 열화에 대한 저항이 탁월하다. 보다 자세히는, 본 발명의 스테인레스 강은 발전소 수명이 다할 때까지 경수로가 노출될 수 있는 최대 방사선량인 약 1 ×1022n/㎠ (E〉1 MeV)의 중성자 조사에 노출된 후에도, 경수로의 물환경(water environment of a light water reactor)에서 응력부식균열(SCC)이 쉽사리 발생하지 않는다. 따라서, 경수로의 핵심재로 사용되는 본 발명의 스테인레스 강은 원자로의 수명이 다할 때까지 IASCC 발생 가능성없이 작동수행이 가능하게 하고, 그로써 원자로는 보다 향상된 신뢰도를 가질 수 있다.
다시 말해, 중성자 조사로 인한 열화에 대한 저항을 가지는 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 강은 1 ×1022n/㎠ (E〉1 MeV)까지의 중성자 조사에 노출되더라도, 270 내지 350℃/70 내지 160atm의 고온 고압의 물에서 응력부식균열저항이 탁월하고, 상온부터 400℃내에서 15 ×10-6내지 19 ×10-6/K 범위의 평균열팽창계수를 가진다.
또한, 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인레스 강은 종래에 사용되던 SUS 304나 SUS 316을 베이스합금으로 사용하여 제조될 수 있어, 종래의 제조법에 사용되던 것과 동일한 물질이 채용될 수 있다. 본 발명의 스테인레스 강은 중성자 조사로 인한 열화에 대한 저항을 강화시키기 위해 열처리를 하더라도, 이 스테인레스 강은 실제 원자로에 사용되는 SUS 304나 SUS 316와 거의 유사한 열팽창계수를 가지므로 물질간의 열팽창계수차로 인한 응력발생이 초래되지 않는다는 추가적 장점도 있다.

Claims (6)

  1. 스테인레스 강을 1,000 내지 1,180℃에서 고용화열처리를 받게한 후, 그렇게 처리된 강을 600 내지 750℃에서 숙성처리를 받게함으로써 얻어지는, 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강에 있어서, 상기 스테인레스 강은 중량0.08% 이하의 C와, 중량2.0% 이하의 Mn과, 중량1.5% 이하의 Si와, 중량0.045% 이하의 P와, 중량0.030% 이하의 S와, 중량8.0 내지 22.0%의 Ni와, 중량16.0 내지 26.0%의 Cr과 나머지의 Fe로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중성자 조사(照射)에 의한 열화(deterioration)에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스테인레스 강이 상기 고용화열처리와 상기 숙성처리의 사이에서 처리범위가 최대 30%에 이르는 냉간가공을 받게하는 것을 특징으로 하는 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  3. 제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 중량3.0% 이하의 Mo를 추가로 포함하는 것을 특징으로하는 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  4. 제 1항에 따라, 1,000 내지 1,150℃에서 상기 고용화열처리에 의해 얻어지는 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강에 있어서, 상기 스테인레스 강이 일본공업규격(JIS)에 명기된 SUS 304인 것을 특징으로 하는 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  5. 제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 따라, 1,000 내지 1,150℃에서 상기 고용화열처리에 의해 얻어진 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강에 있어서, 상기 스테인레스 강은 일본공업규격(JIS)에 명기된 SUS 316인 것을 특징으로하는 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강.
  6. 제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 따라, 1,030 내지 1,180℃에서 상기 고용화열처리에 의해 얻어진 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강에 있어서, 상기 스테인레스 강은 일본공업규격(JIS)에 명기된 SUS 310S인 것을 특징으로하는 중성자 조사(照射)에 의한 열화에 대한 저항을 가지는 오스테나이트계 스테인레스 강.
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