KR20090093483A - Zirconium alloy compositions having excellent corrosion resistance by the control of various metal-oxide and precipitate and preparation method thereof - Google Patents

Zirconium alloy compositions having excellent corrosion resistance by the control of various metal-oxide and precipitate and preparation method thereof

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Abstract

A zirconium alloying composition and a manufacturing method of the same are provided to have the excellent corrosion resistance by controlling the size of the deposition phase of the zircaloy. A zirconium alloying composition manufacturing method comprises followings. The mixture of the zirconium alloy composition element is dissolved and the ingot is manufactured. The manufactured ingot is forged in a beta domain. The forged ingot is cooled quickly after the solution treatment post-baking in the beta domain. The cooled ingot is heat-processed and extruded. The initial annealing is performed about the extruded intermediate product. The cold processing and middle heat treatment are repeated about the heat-treated intermediate product with the several occasions. The heat-treatment is performed at 560~650 °C for 15~40 minutes. The initial annealing is performed at 550~650 °C for 1~5 hours. The final heat-treatment is performed at 450~580°C for 2~10 hours.

Description

다양한 산소화합물 및 석출상의 제어를 통한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물 및 이의 제조방법{Zirconium alloy compositions having excellent corrosion resistance by the control of various metal-oxide and precipitate and preparation method thereof}Zirconium alloy compositions having excellent corrosion resistance by the control of various metal-oxide and precipitate and preparation method

본 발명은 다양한 산소화합물 및 석출상의 제어를 통한 내식성이 우수한 지르코늄 합금 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a zirconium alloy composition excellent in corrosion resistance through the control of various oxygen compounds and precipitated phase and a method for producing the same.

원자력발전소 핵연료 집합체에 사용되는 핵연료 피복관, 지지격자, 및 원자로 내 구조물은 고온/고압의 부식환경과 중성자 조사로 인하여 취화 및 부식물 성장현상으로 인한 기계적 성질의 저하를 수반하기 때문에 합금조성이 매우 중요하다. 이에, 상술한 낮은 중성자 흡수 단면적과 우수한 기계적 강도 및 내식성을 갖는 지르코늄 합금은 수 십년 동안 가압경수로(PWR, Pressurized Water Reactor) 및 비등경수로(BWR, Boiling Water Reactor) 원자로에서 널리 사용되어 왔다. 종래에 개발된 지르코늄 합금 중에서 주석(Sn), 철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)을 포함하는 지르칼로이-2(Zircaloy-2, 주석 1.20∼1.70 중량%, 철 0.07∼0.20 중량%, 크롬 0.05∼1.15 중량%, 니켈 0.03∼0.08 중량%, 산소 900∼1500 ppm, 지르코늄 잔부) 및 지르칼로이-4(Zircaloy-4, 주석 1.20∼1.70 중량%, 철 0.18∼0.24 중량%, 크롬 0.07∼1.13 중량%, 산소 900∼1500 ppm, 니켈 <0.007 중량%, 지르코늄 잔부) 합금이 가장 널리 사용되고 있다.The composition of the alloy is very important because the fuel cladding, support lattice, and reactor structures used in the nuclear fuel assembly are accompanied by deterioration of mechanical properties due to embrittlement and corrosive growth due to high temperature / high pressure corrosion environment and neutron irradiation. . Accordingly, the zirconium alloys having the low neutron absorption cross-sectional area and excellent mechanical strength and corrosion resistance have been widely used in pressurized water reactor (PWR) and boiling water reactor (BWR) reactors for decades. Zircaloy-2 (Zircaloy-2, 1.20-1.70 wt% tin, 0.07-0.20 wt% iron) containing tin (Sn), iron (Fe), chromium (Cr) and nickel (Ni) among conventionally developed zirconium alloys %, 0.05 to 1.15% chromium, 0.03 to 0.08% nickel, 900 to 1500 ppm oxygen, balance of zirconium) and zircaloy-4 (1.20 to 1.70% tin, 0.18 to 0.24% iron, chromium) 0.07 to 1.13 weight percent, 900 to 1500 ppm oxygen, nickel <0.007 weight percent, zirconium balance) alloys are most widely used.

그러나 최근 원자로의 경제성 향상의 일환으로 핵연료의 주기비 절감을 위하여 핵연료의 교체주기를 늘려 사용하는 고연소도/장주기 운전이 채택되고 있으며, 늘어난 핵연료의 교체주기만큼 핵연료가 고온, 고압의 냉각수 및 수증기와 반응하는 기간이 연장되어 기존의 지르칼로이-2및 지르칼로이-4를 핵연료 피복관 재료로 사용하는 경우, 핵연료의 부식현상이 심화하는 문제가 대두하고 있다. However, as part of improving the economic efficiency of nuclear reactors, high-combustion / long-cycle operation is used to increase the replacement cycle of nuclear fuel in order to reduce the cycle cost of nuclear fuel. When the reaction time is extended and the existing Zircaloy-2 and Zircaloy-4 are used as the fuel cladding material, there is a problem of intensifying the corrosion of the fuel.

따라서 상기 고온 및 고압의 냉각수 및 수증기에 대한 부식 저항성이 우수하여 고연소도/장주기용 핵연료 집합체로 사용가능한 재료의 개발이 매우 절실한 실정이며, 이에 따라 부식 저항성이 향상된 지르코늄 합금을 개발하기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다. 이때, 지르코늄 합금의 내식성은 첨가원소의 종류 첨가량, 가공조건, 열처리 조건 등에 의해 크게 영향을 받기 때문에, 우수한 내식성을 갖는 최적의 조건을 확립하는 것이 무엇보다 중요하다. Therefore, the development of a material that can be used as a high-combustion / long-cycle fuel assembly with excellent corrosion resistance against the high temperature and high pressure cooling water and water vapor is very urgent. Therefore, many studies to develop a zirconium alloy with improved corrosion resistance are needed. Are being performed. At this time, since the corrosion resistance of the zirconium alloy is greatly influenced by the kind addition amount of the element added, processing conditions, heat treatment conditions, etc., it is most important to establish the optimum conditions having excellent corrosion resistance.

지르코늄은 외형적으로 스테인리스강과 유사하며 열중성자 흡수단면적이 금속 중에서 가장 작으므로 원자로의 재료로 쓰인다. 일반적으로 지르코늄은 상온에서 안정하고 고온에서 반응성이 증가한다. 지르코늄에 소량의 주석, 철, 크롬 등을 첨가한 합금 지르칼로이는 내식성이 강하고, 또한 지르코늄을 첨가한 다른 합금도 내식성을 갖는다. 화학적으로 산화수 4가 상태가 안정하고 산화 지르코늄(IV)은 녹는점이 2715 ℃로 매우 높고 내식성, 저열팽창률을 갖는 재료이다. Zirconium is similar in appearance to stainless steel and is used as the material of nuclear reactor because its thermal neutron absorption area is the smallest among metals. In general, zirconium is stable at room temperature and increases its reactivity at high temperatures. Alloy zircaloys having a small amount of tin, iron, chromium or the like added to zirconium have high corrosion resistance, and other alloys containing zirconium also have corrosion resistance. Chemically stable tetravalent oxide state, zirconium oxide (IV) is a material having a very high melting point of 2715 ℃, corrosion resistance, low thermal expansion coefficient.

니오븀(Nb)은 은백색의 광택을 지닌 금속이나 육안으로는 산화막 때문에 청색으로 보이며 비중, 경도 등이 동과 비슷하나 부식에 강하며 변형이 쉬운 것이 특징이다. 융점이 2468 ℃로 매우 높으며 내열성, 열전도성 및 내석성이 양호하며 양극 산화 피막이 안정하다. 니오븀은 불용성의 금속원소로서 제강산업에서는 니오븀/철 합금(FeNb)의 형태가 사용된다. 니오븀 산화물은 니오븀 산업의 최종 생산물 제작에 사용된다. 여기에는 고성능 합금에 사용되는 니켈-니오븀 합금, 니오븀-지르코늄 합금, 니오븀-티타늄 합금, 순수한 니오븀 금속, 리튬-니오브산염 합금 등이 포함된다. Niobium (Nb) is a silvery white metal, but it looks blue due to its oxide film, and its specific gravity and hardness are similar to copper, but it is resistant to corrosion and easy to deform. It has a very high melting point of 2468 ℃, good heat resistance, thermal conductivity and stone resistance, and stable anodization film. Niobium is an insoluble metal element, and a form of niobium / iron alloy (FeNb) is used in the steelmaking industry. Niobium oxide is used to make final products for the niobium industry. These include nickel-niobium alloys, niobium-zirconium alloys, niobium-titanium alloys, pure niobium metals, lithium-niobate alloys, and the like used in high performance alloys.

철(Fe)은 탄소나 기타의 원소를 함유시키면 강철(steel) 또는 강(鋼)이라고 한다. 원소 중 특히, 탄소는 철의 성질에 가장 큰 영향을 미치게 되는데 탄소원자가 철원자 사이에 끼어들어 철원자의 움직임을 억제하므로 탄소가 많이 결합될 수록 경도가 높아지게 되고 한편, 경도가 높아질수록 철은 쉽게 깨지게 된다. 이런 특성을 지닌 철은 다양한 원소들과 합금하여 사용하기도 한다. 철 합금 원소 중에 크롬(Cr)은 철의 표면에 크롬 피막을 형성시켜 내식성을 높이고, 니켈(Ni)은 철의 표면에 니켈 피막을 형성시켜 내식성을 높이고, 바나듐(V)은 경도 및 인장 강도 유지 및 연마 용이성을 부과하고, 몰리브덴(Mo)은 마찰력을 줄여 연마 용이성을 부과하고, 텅스텐(W)은 내마모성을 증가시키고, 망간(Mn)은 내식성 및 내마모성을 증가시키고, 티타늄(Ti)은 내식성을 증가시킨다. Iron (Fe) is called steel or steel when it contains carbon or other elements. Among the elements, carbon has the greatest influence on the properties of iron. Carbon atoms are intercalated between iron atoms to inhibit the movement of iron atoms, so the more carbon, the higher the hardness, and the higher the hardness, the more easily iron is broken. do. Iron with this property is often alloyed with various elements. In iron alloy elements, chromium (Cr) forms a chromium film on the surface of iron to increase corrosion resistance, and nickel (Ni) forms a nickel film on the surface of iron to increase corrosion resistance, and vanadium (V) maintains hardness and tensile strength. And the ease of polishing, molybdenum (Mo) to reduce the friction force imposes the ease of polishing, tungsten (W) increases the wear resistance, manganese (Mn) increases the corrosion resistance and wear resistance, titanium (Ti) corrosion resistance Increase.

크롬(Cr)은 상온에서 매우 안정적이고 공기 및 물에 침해되지 않는다. 염산과 묽은 황산에서는 수소를 발생하면서 녹아 크롬(II)염의 용액이 되는데, 공기 속의 산소에 의하여 빠르게 크롬(III)으로 산화된다. 질산, 크롬산, 인산, 염소산, 과염소산, 왕수 등의 산화성 산에 크롬을 담그면 금속 표면에 산화물의 단단한 박막층이 생겨서 부동태가 되어 용해되지 않는다. 상기의 특성으로 인해 크롬 및 크롬합금은 내식성을 갖게 된다. Chromium (Cr) is very stable at room temperature and does not interfere with air and water. In hydrochloric acid and dilute sulfuric acid, hydrogen is generated and dissolved to form a solution of chromium (II) salt, which is rapidly oxidized to chromium (III) by oxygen in the air. When chromium is immersed in oxidizing acids such as nitric acid, chromic acid, phosphoric acid, chloric acid, perchloric acid, and aqua regia, a solid thin film layer of oxide is formed on the metal surface, which becomes passive and does not dissolve. Due to the above properties, chromium and chromium alloys have corrosion resistance.

주석(Sn)은 공기 속에서는 잘 변하지 않으므로 철, 철강, 구리 등의 표면 처리에 이용한다. 주석도금의 대상은 식기, 미술공예품, 전자부품 등에 폭넓게 이용되고, 또한 땜질, 청동, 감마합금(減摩合金), 이융합금(易融合金) 등의 합금으로서의 용도로 이용된다. Since tin (Sn) does not change well in air, it is used for surface treatment of iron, steel, copper, and the like. The object of tin plating is widely used for tableware, art crafts, electronic parts, and the like, and also for use as an alloy such as soldering, bronze, gamma alloy, and fusible alloy.

미국 등록특허 제5,940,464호에서는 미국 등록특허 제5,648,995호에 비해 철의 중량이 약 20배가 증가한, 철 0.02~0.4 중량%, 니오븀 0.8~1.8 중량%, 주석 0.2~0.6 중량%, 탄소 30~180 ppm, 규소 10~120 ppm, 산소 600~1800 ppm 및 지르코늄 잔부로 구성된 합금 조성 및 제조공정이 개시되어 있으며, 내식성 및 크립 저항성을 향상시키고자 하였다.In US Patent No. 5,940,464, iron weight is about 20-fold higher than that of US Patent No. 5,648,995, 0.02 to 0.4 wt% iron, 0.8 to 1.8 wt% niobium, 0.2 to 0.6 wt% tin, and 30 to 180 ppm carbon. An alloy composition and manufacturing process including 10 to 120 ppm of silicon, 600 to 1800 ppm of oxygen, and zirconium residues are disclosed, and to improve corrosion resistance and creep resistance.

미국 등록특허 제5,211,774호에서는 철 0.2~0.5 중량%, 주석 0.8~1.2 중량%, 크롬 0.1~0.4 중량%, 니오븀 0.0~0.6 중량%, 규소 50~200 ppm, 산소 900~1800 ppm 및 지르코늄 잔부로 구성된 합금 조성 및 제조공정이 개시되어 있으며, 지르코늄 합금에서 규소의 첨가량을 변화시켜 수소흡수 및 공정차이에 따른 부식성을 감소시키고자 하였다. U.S. Patent No. 5,211,774 discloses 0.2-0.5 wt% iron, 0.8-1.2 wt% tin, 0.1-0.4 wt% chromium, 0.0-0.6 wt% niobium, 50-200 ppm silicon, 900-1800 ppm oxygen and the balance of zirconium. An alloy composition and a manufacturing process are disclosed, and the amount of silicon in the zirconium alloy is changed to reduce the hydrogen absorption and the corrosiveness due to the process difference.

미국 등록특허 제5,254,308호에서는 주석 함량의 감소에 따른 기계적 특성을 유지시키기 위한 합금으로 고농도의 철 0.4~0.53 중량%, 주석 0.45~0.75 중량%, 크롬 0.2~0.3 중량%, 니오븀 0.3~0.5 중량%, 니켈 0.012~0.030 중량%, 규소 50~200 ppm, 산소 1000~2000 ppm 및 지르코늄 잔부로 구성된 합금 조성을 개시하였다. 이때 철/크롬 비가 1.5가 되도록 하였으며, 첨가되는 니오븀의 첨가량은 수소흡수성에 영향을 주는 철의 첨가량에 따라 정하였고 니오븀, 규소, 탄소 및 산소의 첨가량은 우수한 부식저항성과 기계적 강도를 갖도록 구성되었다. In US Patent No. 5,254,308, an alloy for maintaining mechanical properties according to a decrease in tin content, 0.4 to 0.53 wt% of iron, 0.45 to 0.75 wt% of tin, 0.2 to 0.3 wt% of chromium, and 0.3 to 0.5 wt% of niobium An alloy composition consisting of 0.012 to 0.030 wt% nickel, 50 to 200 ppm silicon, 1000 to 2000 ppm oxygen, and zirconium balance was disclosed. At this time, the iron / chromium ratio was 1.5, and the amount of niobium added was determined according to the amount of iron affecting the hydrogen absorption, and the amount of niobium, silicon, carbon, and oxygen was configured to have excellent corrosion resistance and mechanical strength.

유럽 등록특허 제198,570호에서는 지르코늄-니오븀으로 이루어진 2원계 합금에서 니오븀 함량을 1.0~2.5 중량%로 제한하였고, 합금의 제조공정 중 도입되는 열처리 온도를 제시하여 내식성 향상을 할 수 있다고 하였다. EP 198,570 limits the niobium content to 1.0 to 2.5% by weight in binary alloys made of zirconium-niobium, suggesting that the corrosion resistance can be improved by presenting the heat treatment temperature introduced during the alloy manufacturing process.

이와 같이, 원자력발전소의 핵연료 집합체 재료로 사용되는 지르코늄 합금의 내식성과 기계적 특성을 개선시키기 위한 노력은 계속 진행되고 있으나, 발전소의 경제성 향상을 위하여 핵연료의 장전주기가 길어지고 목표 연소도가 증가되고 있는 고연소도/장주기 운전 추세를 고려할 때, 고연소도/장주기 운전에서 핵연료의 건전성을 확보할 수 있는 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금이 지속적으로 요구된다.As such, efforts are being made to improve the corrosion resistance and mechanical properties of zirconium alloys used as nuclear fuel assembly materials in nuclear power plants. In view of the trend of high combustion / long cycle operation, there is a continuing need for a zirconium alloy having excellent corrosion resistance to ensure the integrity of nuclear fuel in high combustion / long cycle operation.

이에, 본 발명자들은 지르코늄 합금으로 만들어지는 핵연료피복관, 지지격자 및 구조물 등의 고연소도/장주기 운전 하에서 가장 문제가 되는 부식가속현상을 개선하기 위한 연구를 수행하던 중, 니오븀 1.05~1.45 중량%; 철 0.1~0.7 중량% 또는 크롬 0.05~0.6 중량% 중 어느 1종 또는 철 0.1~0.7 중량% 및 크롬 0.05~0.6 중량%; 및 지르코늄 잔부를 함유하는 지르코늄 합금 조성물이 첨가 원소의 종류, 첨가량 및 열처리 온도를 적절히 조절하여, 산화과정 중에 형성되는 산소화합물의 종류를 다양화하고 상기 지르코늄 합금의 석출상의 크기를 제어하여 우수한 내식성을 나타내는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다. Thus, the inventors of the present invention, while conducting research to improve the corrosion acceleration phenomenon which is the most problematic under high combustion / long cycle operation of nuclear fuel coating tube, support grid and structure made of zirconium alloy, 1.05 ~ 1.45% by weight; 0.1-0.7 wt% iron or 0.05-0.6 wt% chromium, or 0.1-0.7 wt% iron and 0.05-0.6 wt% chromium; And a zirconium alloy composition containing a balance of zirconium, by appropriately adjusting the type, amount and heat treatment temperature of the additive element, diversifying the type of oxygen compound formed during the oxidation process and controlling the size of the precipitated phase of the zirconium alloy for excellent corrosion resistance. It confirmed that it shows and completed this invention.

본 발명의 목적은 고연소도/장주기 운전 중에 사용되는 핵연료피복관, 지지격자, 구조물 등의 재료로 사용될 수 있는 다양한 산소화합물 및 석출상의 제어를 통해 우수한 내식성을 나타내는 지르코늄 합금 조성물을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a zirconium alloy composition exhibiting excellent corrosion resistance through the control of various oxygen compounds and precipitation phases that can be used as materials for fuel coating tubes, support grids, structures, etc. used during high combustion / long cycle operation.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 지르코늄 합금 조성물의 제조방법을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention to provide a method for producing the zirconium alloy composition.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다양한 산소화합물 및 석출상의 제어를 통해 우수한 내식성을 나타내는 니오븀 1.05~1.45 중량%; 철 0.1~0.7 중량% 또는 크롬 0.05~0.6 중량% 중 어느 1종 또는 철 0.1~0.7 중량% 및 크롬 0.05~0.6 중량%; 및 지르코늄 잔부 및 추가적으로 주석 0.12 중량%를 함유하는 지르코늄 합금 조성물 및 이의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is 1.05 ~ 1.45% by weight niobium exhibiting excellent corrosion resistance through the control of various oxygen compounds and precipitated phase; 0.1-0.7 wt% iron or 0.05-0.6 wt% chromium, or 0.1-0.7 wt% iron and 0.05-0.6 wt% chromium; And a zirconium balance and additionally 0.12% by weight of tin and a method for preparing the same.

본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물은 첨가 원소의 종류, 첨가량 및 열처리 온도를 적절히 조절하여, 산화과정 중에 형성되는 산소화합물의 종류를 다양화하고 본 발명에 따른 지르코늄 합금의 석출상의 크기를 제어하여 우수한 내식성을 갖으므로, 경수로 및 중수로 원전의 핵연료피복관, 지지격자, 노심구조물 재료 등으로 유용하게 사용될 수 있다.The zirconium alloy composition according to the present invention has excellent corrosion resistance by appropriately adjusting the type, amount and heat treatment temperature of the additive element, diversifying the type of oxygen compound formed during the oxidation process and controlling the size of the precipitated phase of the zirconium alloy according to the present invention. Since it has a, it can be usefully used as nuclear fuel coating pipe, support grid, core structure material, etc. of light and heavy reactors.

도 1은 본 발명에 따른 금속 및 산화막 계면에서의 산화막 내의 응력의 상태를 나타낸 모식도(L/S:낮은 응력 영역, H/S:높은 응력 영역)이다. 1 is a schematic diagram showing the state of the stress in the oxide film at the metal and oxide film interface (L / S: low stress region, H / S: high stress region) according to the present invention.

본 발명은 고연소도/장주기 운전 중에 사용되는 핵연료피복관, 지지격자, 구조물 등의 재료로 사용될 수 있는 다양한 산소화합물 및 석출상의 제어를 통해 우수한 내식성을 갖는 하기의 지르코늄 합금 조성물을 제공한다.The present invention provides the following zirconium alloy composition having excellent corrosion resistance through the control of various oxygen compounds and precipitation phases that can be used as materials for fuel coated pipes, support grids, structures, etc. used during high combustion / long cycle operation.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명은 니오븀 1.05~1.45 중량%; 철 0.1~0.7 중량% 또는 크롬 0.05~0.6 중량% 중 어느 1종 또는 철 0.1~0.7 중량% 및 크롬 0.05~0.6 중량% 및 지르코늄 잔부를 함유하는 지르코늄 합금 조성물을 제공한다.The present invention is 1.05 ~ 1.45 wt% niobium; It provides a zirconium alloy composition containing any one of 0.1 to 0.7% by weight of iron or 0.05 to 0.6% by weight of chromium or 0.1 to 0.7% by weight of iron and 0.05 to 0.6% by weight of chromium and the balance of zirconium.

상기 지르코늄 합금 조성물은 추가적으로 주석 0.12 중량%를 더 함유하여 구성될 수 있다.The zirconium alloy composition may additionally contain 0.12% by weight of tin.

본 발명에 따른 상기 지르코늄 합금 조성물은 니오븀 1.15~1.25 중량%; 철 0.12~0.45 중량% 또는 크롬 0.05~0.45 중량% 중 어느 1종 또는 철 0.12~0.45 중량% 및 크롬 0.05~0.45 중량% 및 지르코늄 잔부를 함유하여 구성되는 것이 바람직하다. The zirconium alloy composition according to the present invention is 1.15 to 1.25% by weight niobium; It is preferably composed of 0.12 to 0.45% by weight of iron or 0.05 to 0.45% by weight of chromium, or 0.12 to 0.45% by weight of iron and 0.05 to 0.45% by weight of chromium and the balance of zirconium.

상기 지르코늄 합금 조성물은 추가적으로 주석 0.12 중량%를 더 함유하여 구성될 수 있다.The zirconium alloy composition may additionally contain 0.12% by weight of tin.

우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금을 얻기 위해서, 주상정 형태의 산화막이 부식속도를 결정하는 주요인으로 작용한다는 사실로부터, 본 발명의 지르코늄 합금 조성물이 산화막 내에서 주상정이 넓은 층으로 오랫동안 유지되도록함으로써 내식성을 향상시켜야 하고(도 1), 주상정 형태의 산화막은 산화막에 작용되는 압축응력에 의해 형성되고 안정화되므로, 산화막 내에 압축응력에 지속적으로 작용할 수 있는 산소화합물을 형성시켜야한다. 상술한 요건을 만족할 수 있는 원소로서, 니오븀(Nb), 철(Fe) 및 크롬(Cr)은 주요 합금원소로 평가되고, 주석(Sn)은 부차적인 합금원소로 평가된다.In order to obtain a zirconium alloy having excellent corrosion resistance, the zirconium alloy composition of the present invention improves the corrosion resistance by allowing the zirconium alloy composition of the present invention to be maintained in a wide layer in the oxide film for a long time. be (Fig. 1), the columnar shape of the oxide film is so formed by the compressive stress acting on the oxide film stability, it is necessary to form an oxygen-containing compounds that can continue to act in the compressive stress in the oxide film. As elements that can satisfy the above requirements, niobium (Nb), iron (Fe), and chromium (Cr) are evaluated as major alloying elements, and tin (Sn) is evaluated as secondary alloying elements.

본 발명에 따른 상기 지르코늄 합금 조성물은 산화과정에서 생성되는 다양한 금속산화물을 포함한다. 상기 금속산화물은 니오븀 산화물, 철 산화물, 크롬 산화물 등이며, 이들 중 상기 니오븀 산화물은 NbO, Nb2O3, Nb3O5 등이 바람직하고, 상기 철 산화물은 FeO, Fe3O4, Fe2O3 등이 바람직하고, 상기 크롬 산화물은 CrO, Cr2O3 등이 바람직하고, 상기 주석 산화물은 SnO인 것이 바람직하다.The zirconium alloy composition according to the present invention includes various metal oxides produced during the oxidation process. The metal oxides are niobium oxide, iron oxide, chromium oxide, and the like, of which niobium oxide is NbO, Nb 2 O 3 , Nb 3 O 5 Etc., and the iron oxide is FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 Etc. are preferable, and the chromium oxide is preferably CrO, Cr 2 O 3 or the like, and the tin oxide is preferably SnO.

본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물의 각 성분 원소들을 이하에서 구체적으로 살펴본다.Each component element of the zirconium alloy composition according to the present invention will be described in detail below.

니오븀(Nb)은 지르코늄 합금의 부식 저항성을 크게 향상시키는 역할을 한다. 그러나 고농도(0.3%) 이상으로 첨가되면 특정한 열처리 온도와 시간을 도입하여 석출물의 크기와 조성을 제어해야만 내식성의 향상을 기대할 수 있다[Y.H. Jeong et al. J. Nucl Mater. vol 317 p.1]. 기지 내에 고용되고 적정량의 석출상을 형성하도록하는 니오븀량을 고려할 때, 니오븀의 함량은 1.05~1.45 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. Niobium (Nb) serves to greatly improve the corrosion resistance of the zirconium alloy. However, if it is added at a high concentration (0.3%) or more, it is necessary to control the size and composition of the precipitate by introducing a specific heat treatment temperature and time to improve the corrosion resistance [Y.H. Jeong et al. J. Nucl Mater. vol 317 p. 1]. In view of the amount of niobium that is dissolved in the matrix and forms an appropriate amount of precipitated phase, the content of niobium preferably includes 1.05 to 1.45 wt%.

철(Fe)은 지르코늄 합금의 내식성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로 0.3 중량%이상 첨가되면 내식성이 향상되는 것으로 연구되었다[A. Seibold er al.; Proceedings, International KTGENS Topical Meeting on Nuclear Fuel, TOPFUEL 95, Wurzburg, Germany, 12-15 March 1995, vol 2, p.117]. 이에 본 발명에서는 상기 지르코늄 합금 조성물에 철 함량은 0.1 중량% 이상으로 첨가하였다. 그러나 상기 철 함량이 0.7 중량%를 초과하면 가공성에 문제가 있기 때문에 본 발명의 지르코늄 합금의 철 함량은 0.1~0.7 중량%인 것이 바람직하다.Iron (Fe) is an element added to improve the corrosion resistance of zirconium alloys and has been studied to improve the corrosion resistance when added to more than 0.3% by weight [A. Seibold er al .; Proceedings, International KTGENS Topical Meeting on Nuclear Fuel, TOPFUEL 95, Wurzburg, Germany, 12-15 March 1995, vol 2, p. 117]. Therefore, in the present invention, the iron content in the zirconium alloy composition was added in more than 0.1% by weight. However, when the iron content exceeds 0.7% by weight, there is a problem in workability, so the iron content of the zirconium alloy of the present invention is preferably 0.1 to 0.7% by weight.

크롬(Cr)은 철과 마찬가지로 합금의 내식성을 증가시키는 주요원소로 0.2% 이상 첨가되어야 내식성이 향상되는 것으로 알려져 있다[F. Garzarolli et al. ASTM-STP 1245 (1994) p.709]. 그러나 본 발명에서는 지르코늄 합금이 니오븀과 크롬이 함께 선택될 경우, 고농도의 니오븀이 사용됨에 따라 크롬의 최소 첨가량은 0.05 중량%인 것이 바람직하다.Chromium (Cr), like iron, is a major element that increases the corrosion resistance of alloys. It is known that corrosion resistance is improved when added at least 0.2% [F. Garzarolli et al. ASTM-STP 1245 (1994) p. 709]. However, in the present invention, when the zirconium alloy is selected together with niobium and chromium, it is preferable that the minimum amount of chromium is 0.05% by weight as a high concentration of niobium is used.

주석(Sn)은 지르코늄 합금에서 α-상 안정화 원소로 알려져 있으며, 고용강화에 의해 기계적 강도를 향상시키는 작용을 한다. 그러나, 첨가량이 과도하게 증가되면 내식성을 감소시키므로, 내식성 감소에 큰 영향을 주지 않는 0.12 중량% 로 첨가하는 것이 바람직하다. Tin (Sn) is known as an α-phase stabilizing element in zirconium alloys, and serves to improve mechanical strength by solid solution strengthening. However, excessively increasing the amount decreases the corrosion resistance, and therefore, it is preferable to add it at 0.12% by weight, which does not significantly affect the reduction of the corrosion resistance.

또한, 본 발명은 하기의 단계 1 내지 7을 포함하여 이루어지는 지르코늄 합금 조성물의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a zirconium alloy composition comprising the following steps 1 to 7.

상기 지르코늄 합금 조성 원소의 혼합물을 용해하여 주괴를 제조하는 단계(단계 1);Dissolving the mixture of the zirconium alloy composition elements to produce an ingot (step 1);

상기 단계 1에서 제조된 주괴를 β영역에서 단조하는 단계(단계 2);Forging the ingot prepared in step 1 in the β region (step 2);

상기 단계 2에서 단조된 주괴를 β영역에서 용체화 열처리 후 급냉하는 단계(단계 3); Quenching the ingot forged in the step 2 after the solution heat treatment in the β region (step 3);

상기 단계 3에서 냉각된 주괴를 열가공하여 압출하는 단계(단계 4);Thermally extruding the ingot cooled in step 3 (step 4);

상기 단계 4에서 압출된 중간제품에 대해 최초 열처리를 수행하는 단계(단계 5);Performing an initial heat treatment on the intermediate product extruded in step 4 (step 5);

상기 단계 5에서 열처리된 중간제품을 냉간가공 및 중간 열처리를 수회 반복하여 수행하는 단계(단계 6); 및Performing the cold working and intermediate heat treatment several times on the intermediate product heat-treated in step 5 (step 6); And

상기 단계 6에서 열처리된 중간제품을 냉간가공한 후, 최종 열처리를 수행하는 단계(단계 7)를 포함하여 이루어지는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 지르코늄 합금 조성물의 제조방법을 제공한다.After cold working the intermediate product heat-treated in step 6, and performing a final heat treatment (step 7) comprising a variety of metal oxides and the excellent corrosion resistance by controlling the size of the precipitated phase comprising the step 1 to Provided is a method for producing the zirconium alloy composition of claim 14.

이하, 본 발명의 제조 방법을 단계별로 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be described in more detail step by step.

먼저, 단계 1은 상기 지르코늄 합금 조성 원소의 혼합물을 용해하여 만든 주괴를 제조하는 단계이다.First, step 1 is a step of preparing an ingot made by melting the mixture of the zirconium alloy composition elements.

상기 주괴는 진공 아크용해(Vacuum arc remelting, VAR)방법에 의해 제조되는 것이 바람직하며, 구체적으로는 챔버 내에 진공 상태를 1×10-5 토르(torr)로 유지한 후 아르곤(Ar) 가스를 0.1~0.3 토르(torr)로 주입하고, 500~1000 Å의 전류를 가하여 용해한 후, 냉각시켜 버튼 등의 형태로 주괴를 제조한다.The ingot is preferably manufactured by a vacuum arc remelting (VAR) method, specifically, after maintaining a vacuum state in the chamber at 1 × 10 -5 torr, and argon (Ar) gas is 0.1 Ingot is injected into ˜0.3 torr, melted by applying a current of 500 to 1000 mA, and then cooled to prepare an ingot in the form of a button or the like.

이때, 불순물이 편석되거나 합금 조성이 주괴 내에 불균일하게 분포되는 것을 막기 위하여 3~5회 반복하여 용해시키는 것이 바람직하다. 냉각과정에서는 시편 표면에서 산화현상이 발생하는 것을 방지하기 위하여 아르곤 등의 비활성 기체를 주입하여 냉각하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable to dissolve repeatedly three to five times in order to prevent impurities from segregation or uneven distribution of the alloy composition in the ingot. In the cooling process, in order to prevent the occurrence of oxidation on the surface of the specimen, it is preferable to cool by injecting an inert gas such as argon.

다음으로, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 주괴를 β상 영역에서 단조하는 단계이다. Next, step 2 is a step of forging the ingot prepared in step 1 in the β-phase region.

이 단계에서는 상기 제조된 주괴 내의 주조조직을 파괴하기 위하여 1000 ℃ 이상인 β상 영역에서 단조함으로써 성취될 수 있으며, 이때 단조는 1000~1200 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 만일 상기 단조온도가 1000 ℃ 미만이면, 주괴조직이 쉽게 파괴되지 않는 문제가 있고, 1200 ℃를 초과하면 열처리비용이 높아지는 문제가 있다.In this step, it can be achieved by forging in the β-phase region of 1000 ℃ or more in order to break the cast structure in the prepared ingot, wherein the forging is preferably performed at 1000 ~ 1200 ℃. If the forging temperature is less than 1000 ℃, there is a problem that the ingot structure is not easily destroyed, if the temperature exceeds 1200 ℃ there is a problem that the heat treatment cost increases.

다음으로, 단계 3은 상기 단계 2에서 단조된 주괴를 β상 영역에서 용체화 열처리를 수행한 후 급냉시키는 단계이다.Next, step 3 is a step of quenching the ingot forged in the step 2 after the solution heat treatment in the β-phase region.

이 단계는 주괴 내의 합금 조성을 균질화하고 미세한 석출물을 얻기 위하여 상기 주괴를 β영역에서 용체화 열처리 및 냉각시킨다. 이때 시편의 산화현상을 방지하기 위하여 스테인리스 강판으로 시편을 봉입한 후, 열처리는 1000~1200에서 50~70분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 열처리 후에는 물을 이용하여 β상 영역에서 400 ℃이하로 냉각하는 것이 바람직하다.This step homogenizes the alloy composition in the ingot and cools and melts the ingot in the β region to obtain fine precipitates. In this case, after the specimen is sealed with a stainless steel sheet in order to prevent oxidation of the specimen, heat treatment is preferably performed at 1000 to 1200 for 50 to 70 minutes. After the heat treatment, the water is preferably cooled to 400 ° C. or lower in the β-phase region.

다음으로, 단계 4는 상기 단계 3에서 냉각된 주괴를 열간가공하여 압출하는 단계이다.Next, step 4 is a step of hot working and extruding the ingot cooled in the step 3.

상기 단계 3에서 냉각된 주괴는 열간가공(hot working)하여 냉간가공에 적합한 중간제품(extruded shell)을 제조한다. 상기 단계 4의 열간가공은 560~650 ℃에서 15~40분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 온도를 벗어나는 경우에는 다음 단계의 가공에 적합한 중간제품을 얻기 어렵다. The ingot cooled in step 3 is hot working to produce an extruded shell suitable for cold working. The hot working of step 4 is preferably performed for 15 to 40 minutes at 560 ~ 650 ℃. If it is out of this temperature, it is difficult to obtain an intermediate product suitable for the next step of processing.

다음으로, 단계 5는 상기 단계 4에서 압출된 중간제품에 대해 최초 열처리를 수행하는 단계이다.Next, step 5 is a step of performing an initial heat treatment for the intermediate product extruded in step 4.

상기 열처리는 550~650 ℃에서 1~5시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 최초 열처리 온도가 580 ℃ 미만이면 가공성에 문제가 있고, 650 ℃를 초과하면 조대한 석출상의 형성으로 내식성이 저하되는 문제가 있다. The heat treatment is preferably performed for 1 to 5 hours at 550 ~ 650 ℃. If the initial heat treatment temperature is less than 580 ° C., there is a problem in workability, while if the initial heat treatment temperature is higher than 650 ° C., there is a problem that corrosion resistance is lowered due to the formation of coarse precipitated phase.

다음으로, 단계 6은 상기 단계 5에서 열처리된 중간제품에 대하여 냉간가공 및 중간 열처리를 수회 반복 수행하여 지르코늄 합금 조성물을 제조하는 단계이다.Next, step 6 is a step of manufacturing a zirconium alloy composition by repeatedly performing cold working and intermediate heat treatment for the intermediate product heat-treated in step 5 several times.

상기 단계 6의 냉간가공 및 중간 열처리는 상기 단계 5에서 열처리된 중간제품을 2~5회 냉간가공을 수행하고, 상기 냉간가공 사이에 1~4회의 중간 열처리를 수행함으로써 이루어질 수 있다. 이때 상기 중간 열처리는 550~650 ℃에서 3~5시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도가 550 ℃ 미만이면, 가공성에 문제가 있고, 650 ℃를 초과하면 조대한 석출상의 형성으로 내식성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 상기 냉간가공 수행시 냉간가공량은 50~85%가 바람직하다. 구체적으로는 1차 냉간가공량은 60~80%, 2차 냉간가공량은 60~85%, 3차 냉간가공량은 65~85%가 되도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 만일 상기 냉간가공량이 50% 미만이면, 원하는 두께의 제품을 얻을수 없는 문제가 있고, 85%를 초과하면 가공성에 문제가 있다. The cold working and the intermediate heat treatment of step 6 may be performed by cold working the intermediate product heat-treated in step 5 two to five times, and performing one to four intermediate heat treatments between the cold workings. At this time, the intermediate heat treatment is preferably performed for 3 to 5 hours at 550 ~ 650 ℃. If the heat treatment temperature is less than 550 ° C., there is a problem in workability. If the heat treatment temperature is higher than 650 ° C., there is a problem that corrosion resistance is lowered due to the formation of coarse precipitated phase. In addition, the cold working amount when performing the cold working is preferably 50 ~ 85%. Specifically, the primary cold working amount is more preferably 60 to 80%, the secondary cold working amount is 60 to 85%, and the third cold working amount is 65 to 85%. If the cold working amount is less than 50%, there is a problem that a product of a desired thickness cannot be obtained, and if it exceeds 85%, there is a problem in workability.

다음으로 단계 7은 상기 단계 6에서 열처리된 중간제품을 냉간가공한 후, 최종 열처리를 수행하는 단계이다.Next, step 7 is a step of performing a final heat treatment after cold working the intermediate product heat-treated in step 6 above.

상기 조성물의 냉간가공은 크립 저항성을 증가시키기 위하여 수행한다. 이때 상기 최종 열처리는 진공에서 이루어지는 것이 바람직하며, 450~580 ℃에서 2~10시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 온도가 450 ℃ 미만이면 크립 저항성이 감소되는 문제가 있고, 580 ℃를 초과하면 기계적 강도가 저하되는 문제가 있다. 또한 상기의 열처리 시간이 2시간 미만이면 가공조직이 남아있는 문제가 있고, 10시간을 초과하면 석출상이 조대해져 내식성이 저하되는 문제가 있다.  Cold working of the composition is carried out to increase creep resistance. At this time, the final heat treatment is preferably made in a vacuum, it is preferably carried out for 2 to 10 hours at 450 ~ 580 ℃. If the temperature is less than 450 ℃ there is a problem that the creep resistance is reduced, and if it exceeds 580 ℃ there is a problem that the mechanical strength is lowered. In addition, when the heat treatment time is less than 2 hours, there is a problem that the processed structure remains, and when more than 10 hours, the precipitated phase becomes coarse and corrosion resistance is deteriorated.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by Examples and Experimental Examples. However, the following Examples and Experimental Examples are only illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.

<< 실시예Example 1> 지르코늄 합금 조성물의 제조 1> Preparation of Zirconium Alloy Composition

(1) (One) 주괴ingot 제조 Produce

니오븀 1.2 중량%, 철 0.2 중량% 및 지르코늄 잔부를 진공 아크 용해(VAR)방법을 이용하여 주괴를 제조하였다. 사용된 지르코늄은 ASTM B349에 명기된 원자력급 스펀지(sponge) 지르코늄이 사용되었고 합금원소는 99.99% 이상의 고순도 제품이 사용되었다. 불순물이 편석되거나 합금조성이 불균일하게 분포하는 것을 방지하기 위하여 4회의 반복용해를 실시하였으며, 용해시 산화되는 것을 방지하기 위하여 챔버 내에 진공을 1×10-5 토르(torr)까지 충분히 유지한 다음 고순도(99.99%) 아르곤 가스를 주입한 상태에서 인가전류 500 Å로 가해, 냉각수 압력 1 kgf/cm2, 직경 60 mm의 수냉 구리 도가니에서 상기 주괴을 제조하였다.1.2 wt% niobium, 0.2 wt% iron and the balance of zirconium were prepared by vacuum arc melting (VAR) method. The zirconium used was a nuclear grade sponge zirconium as specified in ASTM B349, and the alloy element was a high purity product of 99.99% or more. In order to prevent impurities from segregating or unevenly distributed alloy composition, four times of dissolution were performed, and in order to prevent oxidation during dissolution, the vacuum was sufficiently maintained in the chamber to 1 × 10 -5 torr and then high purity (99.99%) The ingot was prepared in a water-cooled copper crucible having a cooling water pressure of 1 kgf / cm 2 and a diameter of 60 mm by applying an applied current of 500 kPa while injecting (99.99%) argon gas.

(2)(2) β-단조 β-forging

상기 제조된 주괴 내의 주조조직을 파괴하기 위하여 1100 ℃의 β상 영역에서 단조를 수행하였다.Forging was performed in the β phase region at 1100 ° C. in order to break the cast structure in the prepared ingot.

(3) β-(3) β- 소입Hardening

상기 제조된 주괴 내의 주조조직을 파괴하기 위하여 1050 ℃의 β상 영역에서 15분 동안 용체화 열처리를 수행하였다. 열처리가 완료된 후 상기 주괴를 실온의 물이 가득찬 수조에 떨어뜨리는 방법으로 급냉시켜 마르텐사이트(martensite) 조직 또는 위드만슈테텐(widmanstatten) 조직을 형성시켰다. The solution heat treatment was performed for 15 minutes in the β-phase region of 1050 ℃ to break the cast structure in the prepared ingot. After the heat treatment was completed, the ingot was quenched by dropping it into a water-filled water bath at room temperature to form martensite tissue or widmanstatten tissue.

(4) 열간 가공(4) hot working

상기 β-소입된 재료를 중공 빌레트로 가공한 후 630 ℃에서 15분 동안 열간 압출하여 냉간가공에 적합한 중간제품을 제조하였다.The β-sintered material was processed into a hollow billet and then hot extruded at 630 ° C. for 15 minutes to prepare an intermediate product suitable for cold working.

(5) 최초 열처리(5) initial heat treatment

상기 열간 압출된 재료는 580 ℃에서 3시간 동안 최초 열처리를 수행하였다. The hot extruded material was subjected to initial heat treatment at 580 ° C. for 3 hours.

(6) 냉간 가공 및 중간 열처리(6) cold working and intermediate heat treatment

최초 열처리한 상기 중간제품을 냉간 가공하고, 580 ℃에서 3시간 동안 중간 열처리를 수행하였다.The intermediate product, which was initially heat treated, was cold worked and subjected to an intermediate heat treatment at 580 ° C. for 3 hours.

(7) 최종 열처리(7) final heat treatment

중간 열처리한 상기 중간제품을 냉간가공하고, 진공 상태의 510 ℃에서 3시간 동안 최종열처리를 수행하였다.The intermediate product after the intermediate heat treatment was cold worked, and the final heat treatment was performed at 510 ° C. for 3 hours in a vacuum state.

<< 실시예Example 2~18>  2-18>

지르코늄 합금 조성물을 구성하는 화학적 조성 및 단계별 열처리 조건을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 상기 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물을 제조하였다. 상기 지르코늄 합금 조성물을 구성하는 화학적 조성 및 단계별 열처리 조건은 하기 표 1에 나타내었다. A zirconium alloy composition having the excellent corrosion resistance was prepared in the same manner as in Example 1 except for the chemical composition constituting the zirconium alloy composition and the stepwise heat treatment conditions. The chemical composition and the stepwise heat treatment conditions constituting the zirconium alloy composition are shown in Table 1 below.

<< 비교예Comparative example 1~6>  1-6>

지르코늄 합금 조성물을 구성하는 화학적 조성 및 단계별 열처리 조건을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 상기 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물을 제조하였다. 상기 지르코늄 합금 조성물을 구성하는 화학적 조성 및 단계별 열처리 조건은 하기 표 1에 나타내었다. A zirconium alloy composition having the excellent corrosion resistance was prepared in the same manner as in Example 1 except for the chemical composition constituting the zirconium alloy composition and the stepwise heat treatment conditions. The chemical composition and the stepwise heat treatment conditions constituting the zirconium alloy composition are shown in Table 1 below.

구분division 화학적 조성Chemical composition 단계별 열처리 조건Step by step heat treatment conditions 니오븀(중량%)Niobium (wt%) 철(중량%)Iron (% by weight) 크롬(중량%)Chromium (% by weight) 주석(중량%)Tin (% by weight) 지르코늄(중량%)Zirconium (wt%) 최초열처리(h:시간)Initial heat treatment (h: hour) 중간열처리(h:시간)Intermediate heat treatment (h: hour) 최종열처리(h:시간)Final heat treatment (h: hour) 실시예 1Example 1 1.21.2 0.20.2 -- -- 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 2Example 2 1.21.2 0.20.2 -- -- 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 3Example 3 1.21.2 0.350.35 -- -- 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 4Example 4 1.21.2 0.350.35 -- -- 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 5Example 5 1.21.2 0.60.6 -- -- 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 6Example 6 1.21.2 0.60.6 -- -- 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 7Example 7 1.21.2 0.60.6 -- 0.120.12 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 8Example 8 1.21.2 0.60.6 -- 0.120.12 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 9Example 9 1.21.2 -- 0.10.1 -- 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 10Example 10 1.21.2 -- 0.10.1 -- 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 11Example 11 1.21.2 -- 0.30.3 -- 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 12Example 12 1.21.2 -- 0.30.3 -- 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 13Example 13 1.21.2 -- 0.30.3 0.120.12 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 14Example 14 1.21.2 -- 0.30.3 0.120.12 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 15Example 15 1.21.2 -- 0.50.5 -- 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 16Example 16 1.21.2 -- 0.50.5 -- 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 17Example 17 1.21.2 0.350.35 0.30.3 -- 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 실시예 18Example 18 1.21.2 0.350.35 0.30.3 0.120.12 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 비교예 1Comparative Example 1 1.21.2 0.850.85 -- -- 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 비교예 2Comparative Example 2 1.21.2 -- 0.750.75 -- 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 비교예 3Comparative Example 3 0.80.8 -- -- -- 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 비교예 4Comparative Example 4 0.80.8 -- -- -- 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 비교예 5Comparative Example 5 0.50.5 -- -- 1.01.0 잔부Balance 580 ℃x3h580 ℃ x3h 580 ℃x3h580 ℃ x3h 510 ℃x3h510 ℃ x3h 비교예 6Comparative Example 6 0.50.5 -- -- 1.01.0 잔부Balance 600 ℃x2h600 ℃ x2h 600 ℃x2h600 ℃ x2h 510 ℃x3h510 ℃ x3h

<< 실험예Experimental Example 1> 지르코늄 합금 조성물의 1> Zirconium Alloy Composition 제조성 Manufacturability

본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물의 제조성은 실시예 1~18 및 비교예1~6에 대한 제조공정을 관찰하는 방법으로 수행되었다. The manufacturability of the zirconium alloy composition according to the present invention was carried out by observing the manufacturing process for Examples 1-18 and Comparative Examples 1-6.

실시예 1~18 및 비교예 3~6은 본 발명에서 수행된 열처리 및 가공공정 중에 손상 없이 원활하게 제조되었으나, 비교예 1 및 2는 제조공정 수행 과정에서 심하게 파손되었다. 상기 현상에 의해, 니오븀 1.2 중량%가 첨가된 합금에 철 0.85 중량% 또는 크롬 0.75 중량% 이상으로 첨가하면, 우수한 제조성의 확보가 어려우므로 철 또는 크롬의 합량을 과도하게 증가시키는 것은 바람직하지 않음을 알 수 있다.Examples 1 to 18 and Comparative Examples 3 to 6 were prepared smoothly without damage during the heat treatment and processing process performed in the present invention, Comparative Examples 1 and 2 were severely damaged during the manufacturing process. By the above development, when 0.85% by weight of iron or 0.75% by weight of chromium is added to the alloy to which 1.2% by weight of niobium is added, it is difficult to secure excellent manufacturability. It can be seen that it is not desirable to excessively increase the total amount of iron or chromium.

<< 실험예Experimental Example 2> 부식 실험 2> corrosion test

본 발명에 따른 니오븀 함유 지르코늄 합금 조성물의 내식성을 알아보기 위해, 하기와 같은 부식 실험을 수행하였다. In order to determine the corrosion resistance of the niobium-containing zirconium alloy composition according to the present invention, the following corrosion experiment was performed.

상기 실시예 1~18 및 비교예 3~6의 지르코늄 합금을 길이 25×15×1 mm의 시편으로 제작한 후, 물:질산:불산(HF)의 부피비가 50:40:10인 용액에 담궈 표면의 불순물과 표면에 미세하게 존재하는 결함을 제거하였다. 상기 표면처리된 시편은 오토클래이브에 장입직전에 표면적과 초기무게를 측정하였다. 이후 360 ℃ 냉각수 및 360 ℃ 70 ppm Li에서 90일 동안 부식시킨 후, 시편의 무게 증가를 측정함으로써, 부식정도를 표면적 대비 무게증가량을 계산하여 정량적으로 평가하였다. 상기 부식 실험결과를 표 2에 나타내었다. The zirconium alloys of Examples 1 to 18 and Comparative Examples 3 to 6 were prepared into specimens having a length of 25 × 15 × 1 mm, and then immersed in a solution having a volume ratio of water: nitric acid: hydrofluoric acid (HF) of 50:40:10. Impurities on the surface and defects present on the surface are removed. The surface treated specimens were measured for surface area and initial weight just prior to loading into the autoclave. After corrosion for 90 days in 360 ℃ cooling water and 360 ℃ 70 ppm Li, by measuring the weight increase of the specimen, the degree of corrosion was quantitatively evaluated by calculating the weight increase relative to the surface area. The corrosion test results are shown in Table 2.

표 2를 통해 본 발명에 따른 지르코늄 합금 조성물로 이루어진 실시예 1~16은 냉각수환경에서의 무게 증가량이 27~32 mg/dm2로써 비교예 3~6(33~35 mg/dm2)보다 무게 증가량이 적고 내식성이 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 70 ppm LiOH에서도 실시예 1~16이 29~42 mg/dm2를 나타냄으로써 비교예 3~6(44~50 mg/dm2)보다 무게 증가량이 적고 내식성이 우수한 것을 알 수 있다.Examples 1 to 16 made of the zirconium alloy composition according to the present invention through Table 2 weight increase in the cooling water environment 27 ~ 32 mg / dm 2 as compared to Comparative Examples 3 ~ 6 (33 ~ 35 mg / dm 2 ) It can be seen that the amount of increase is small and the corrosion resistance is excellent. In addition, it can be seen that excellent in Examples 1 to 16 are low in Comparative Example 29 and by indicating the 42 mg / dm 2 3 ~ 6 (44 ~ 50 mg / dm 2) the weight increase in corrosion resistance than 70 ppm LiOH.

또한, 석출물의 크기를 제어하기 위해 수행된 열처리 온도에 따른 내식성의 영향을 판단하기 위해 실시예 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 및 17과 실시예 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 및 18의 부식성능을 비교해보면, 본 발명의 지르코늄 합금 조성물의 제조방법 중 최초열처리 및 중간열처리를 580 ℃에서 수행한 경우가 600 ℃에서 수행한 경우보다 석출상의 평균 크기 감소로 인하여 무게증가량이 2~3 mg/dm2이 감소하는 것을 알 수 있다. 이에, 본 발명의 지르코늄 합금 조성물의 제조방법의 중간 열처리 온도의 제어가 매우 중요함을 알 수 있다. 최초열처리 및 중간열처리리 온도가 너무 낮으면 석출상의 크기가 제어되어 내식성의 증가 가능성은 있으나 가공이 어렵고, 최초열처리 및 중간열처리 온도가 너무 높으면 석출상의 평균 크기가 조대하게 되어 내식성의 감소 가능성이 있으므로, 적합한 최초열처리 및 중간열처리 온도는 550~650 ℃가 바람직함을 알 수 있다.In addition, Examples 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 and 17 and Examples 2, 4, 6, to determine the influence of the corrosion resistance according to the heat treatment temperature performed to control the size of the precipitate Comparing the corrosion performance of 8, 10, 12, 14, 16 and 18, the first and the intermediate heat treatment of the method of manufacturing the zirconium alloy composition of the present invention performed at 580 ℃ than in the case of 600 ℃ It can be seen that the weight gain decreases by 2 to 3 mg / dm 2 due to the decrease in average size. Thus, it can be seen that the control of the intermediate heat treatment temperature of the method for producing a zirconium alloy composition of the present invention is very important. If the initial heat treatment and the intermediate heat treatment temperature are too low, the size of the precipitated phase is controlled to increase the corrosion resistance, but it is difficult to process. Suitable initial heat treatment and intermediate heat treatment temperature is 550 ~ 650 ℃ it can be seen that preferred.

구분division 무게증가량(mg/dm2)Weight increase (mg / dm 2 ) 360 ℃ 냉각수360 ℃ cooling water 360 ℃ 70 ppm Li 360 ℃ 70 ppm Li 실시예 1Example 1 29.5929.59 30.4930.49 실시예 2Example 2 32.2832.28 33.3333.33 실시예 3Example 3 29.5129.51 29.9429.94 실시예 4Example 4 31.9431.94 31.1831.18 실시예 5Example 5 29.4429.44 30.7430.74 실시예 6Example 6 31.0431.04 31.4731.47 실시예 7Example 7 30.1830.18 31.1731.17 실시예 8Example 8 32.4232.42 32.6232.62 실시예 9Example 9 27.9427.94 36.9536.95 실시예 10Example 10 31.4331.43 41.5441.54 실시예 11Example 11 28.3228.32 38.9438.94 실시예 12Example 12 31.5131.51 42.3342.33 실시예 13Example 13 28.4328.43 36.6036.60 실시예 14Example 14 31.5431.54 42.2642.26 실시예 15Example 15 29.2129.21 36.3736.37 실시예 16Example 16 30.7230.72 39.5739.57 실시예 17Example 17 29.3329.33 35.5235.52 실시예 18Example 18 30.2430.24 38.7238.72 비교예 3Comparative Example 3 33.2433.24 47.5147.51 비교예 4Comparative Example 4 34.1234.12 50.2250.22 비교예 5Comparative Example 5 35.1535.15 44.4744.47 비교예 6Comparative Example 6 35.2235.22 44.5344.53

Claims (18)

니오븀 1.05~1.45 중량%; 철 0.1~0.7 중량% 또는 크롬 0.05~0.6 중량% 중 어느 1종 또는 철 0.1~0.7 중량% 및 크롬 0.05~0.6 중량%; 및 지르코늄 잔부를 함유하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.Niobium 1.05-1.45 wt%; 0.1-0.7 wt% iron or 0.05-0.6 wt% chromium, or 0.1-0.7 wt% iron and 0.05-0.6 wt% chromium; And a zirconium alloy composition having excellent corrosion resistance by diversification of types of metal oxides containing zirconium residues and size control of precipitated phases. 제1항에 있어서, 상기 지르코늄 합금 조성물은 주석 0.12 중량%를 더 함유하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.The zirconium alloy composition according to claim 1, wherein the zirconium alloy composition has excellent corrosion resistance by varying the type of metal oxide further containing 0.12% by weight of tin and controlling the size of the precipitated phase. 제1항에 있어서, 상기 지르코늄 합금 조성물은 니오븀 1.15~1.25 중량%, 철 0.12~0.45 중량% 및 지르코늄 잔부를 함유하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.The zirconium alloy according to claim 1, wherein the zirconium alloy composition has excellent corrosion resistance by varying the type of metal oxide containing 1.15 to 1.25 wt% of niobium, 0.12 to 0.45 wt% of iron, and zirconium balance and controlling the size of the precipitated phase. Composition. 제3항에 있어서, 상기 지르코늄 합금 조성물은 주석 0.12 중량%를 더 함유하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.4. The zirconium alloy composition according to claim 3, wherein the zirconium alloy composition has excellent corrosion resistance by varying the type of metal oxide further containing 0.12% by weight of tin and controlling the size of the precipitated phase. 제1항에 있어서, 상기 지르코늄 합금 조성물은 니오븀 1.15~1.25 중량%, 크롬 0.05~0.45 중량% 및 지르코늄 잔부를 함유하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.The zirconium alloy according to claim 1, wherein the zirconium alloy composition has excellent corrosion resistance by varying the type of metal oxide containing 1.15 to 1.25 wt% of niobium, 0.05 to 0.45 wt% of chromium, and zirconium balance and controlling the size of the precipitated phase. Composition. 제5항에 있어서, 상기 지르코늄 합금 조성물은 주석 0.12 중량%를 더 함유하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.The zirconium alloy composition according to claim 5, wherein the zirconium alloy composition has excellent corrosion resistance by varying the type of metal oxide further containing 0.12% by weight of tin and controlling the size of the precipitated phase. 제1항에 있어서, 상기 지르코늄 합금 조성물은 니오븀 1.05~1.45 중량%, 철 0.10~0.45 중량%, 크롬 0.05~0.45 중량% 및 지르코늄 잔부를 함유하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.The zirconium alloy composition according to claim 1, wherein the zirconium alloy composition is used for varying the size of the type of metal oxide containing 1.05 to 1.45% by weight of niobium, 0.10 to 0.45% by weight of iron, 0.05 to 0.45% by weight of chromium and the balance of zirconium and controlling the size of the precipitated phase. Zirconium alloy composition having excellent corrosion resistance. 제7항에 있어서, 상기 지르코늄 합금 조성물은 주석 0.12 중량%를 더 함유하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.The zirconium alloy composition according to claim 7, wherein the zirconium alloy composition has excellent corrosion resistance by varying the type of metal oxide further containing 0.12% by weight of tin and controlling the size of the precipitated phase. 제1항에 있어서, 상기 지르코늄 합금 조성물의 금속산화물은 니오븀 산화물, 철 산화물 및 크롬 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.The method of claim 1, wherein the metal oxide of the zirconium alloy composition is selected from the group consisting of niobium oxide, iron oxide and chromium oxide having a variety of metal oxides and having excellent corrosion resistance by controlling the size of the precipitated phase. Zirconium alloy composition. 제9항에 있어서, 상기 지르코늄 합금 조성물의 금속산화물은 주석 산화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.10. The zirconium alloy composition according to claim 9, wherein the metal oxide of the zirconium alloy composition further comprises tin oxide. 제9항에 있어서, 상기 니오븀 산화물은 NbO, Nb2O3 및 Nb3O5로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.10. The method of claim 9, wherein the niobium oxide is selected from the group consisting of NbO, Nb 2 O 3 and Nb 3 O 5 Zirconium having excellent corrosion resistance by diversification of the type of metal oxide and controlling the size of the precipitated phase. Alloy composition. 제9항에 있어서, 상기 철 산화물은 FeO, Fe2O3 및 Fe2O4로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.The method of claim 9, wherein the iron oxide is selected from the group consisting of FeO, Fe 2 O 3 and Fe 2 O 4 Zirconium having excellent corrosion resistance by varying the type of metal oxide and control the size of the precipitated phase. Alloy composition. 제9항에 있어서, 상기 크롬 산화물은 CrO, Cr2O3 또는 이들의 혼합인 것을 특징으로 하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.10. The zirconium alloy composition according to claim 9, wherein the chromium oxide is CrO, Cr 2 O 3 or a mixture thereof. 제10항에 있어서, 상기 주석 산화물은 SnO인 것을 특징으로 하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물.The zirconium alloy composition according to claim 10, wherein the tin oxide is SnO, wherein the tin oxide is SnO. 제1항 또는 제2항의 지르코늄 합금 조성 원소의 혼합물을 용해하여 주괴를 제조하는 단계(단계 1);Dissolving the mixture of the zirconium alloy composition elements of claim 1 or 2 to produce an ingot (step 1); 상기 단계 1에서 제조된 주괴를 β영역에서 단조하는 단계(단계 2);Forging the ingot prepared in step 1 in the β region (step 2); 상기 단계 2에서 단조된 주괴를 β영역에서 용체화 열처리 후 급냉하는 단계(단계 3); Quenching the ingot forged in the step 2 after the solution heat treatment in the β region (step 3); 상기 단계 3에서 냉각된 주괴를 열가공하여 압출하는 단계(단계 4);Thermally extruding the ingot cooled in step 3 (step 4); 상기 단계 4에서 압출된 중간제품에 대해 최초 열처리를 수행하는 단계(단계 5);Performing an initial heat treatment on the intermediate product extruded in step 4 (step 5); 상기 단계 5에서 열처리된 중간제품을 냉간가공 및 중간 열처리를 수회 반복하여 수행하는 단계(단계 6); 및Performing the cold working and intermediate heat treatment several times on the intermediate product heat-treated in step 5 (step 6); And 상기 단계 6에서 열처리된 중간제품을 냉간가공한 후, 최종 열처리를 수행하는 단계(단계 7)를 포함하여 이루어지는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 지르코늄 합금 조성물의 제조방법.After cold working the intermediate product heat-treated in the step 6, and performing a final heat treatment (step 7) comprising a variety of types of metal oxides and having excellent corrosion resistance by controlling the size of the precipitate phase The method for producing the zirconium alloy composition of claim 14. 제15항에 있어서, 상기 단계 4의 열간가공은 560~650 ℃에서 15~40분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 지르코늄 합금 조성물의 제조방법.The method according to claim 15, wherein the hot working of step 4 is performed for 15 to 40 minutes at 560 to 650 ° C., and has excellent corrosion resistance by controlling the size of the precipitated phase and diversifying the type of metal oxide. The method for producing the zirconium alloy composition of claim 14. 제15항에 있어서, 상기 단계 5의 열처리는 550~650 ℃에서 1~5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 지르코늄 합금 조성물의 제조방법.The method according to claim 15, wherein the heat treatment of step 5 is performed for 1 to 5 hours at 550 to 650 ° C. The method for producing the zirconium alloy composition of claim 14. 제15항에 있어서, 상기 단계 7의 최종 열처리는 450~580 ℃에서 2~10시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 종류의 다양화 및 석출상의 크기 제어에 의한 우수한 내식성을 갖는 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 지르코늄 합금 조성물의 제조방법.16. The method according to claim 15, wherein the final heat treatment of step 7 is performed for 2 to 10 hours at 450 to 580 ° C, and has excellent corrosion resistance by varying the type of metal oxide and controlling the size of the precipitated phase. The method for producing the zirconium alloy composition of claim 14.
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