KR930012183B1

KR930012183B1 - 지르칼로이 관재의 소둔방법

Info

Publication number: KR930012183B1
Application number: KR1019860006407A
Authority: KR
Inventors: 죤 콤스톡 로버트; 알프레드 쟈콥슨 윌리엄; 셀리어 프란시스; 폴 사볼 죠오지
Original assignee: 웨스팅하우스 일레트릭 코오포레이숀; 씨. 에이. 새들로우
Priority date: 1985-08-02
Filing date: 1986-08-02
Publication date: 1993-12-24
Also published as: EP0213771A3; KR870002283A; EP0213771A2; US4717428A; CA1272108A; DE3689215T2; CN86105711A; DE3689215D1; ES2003867A6; EP0213771B1; JPS6233748A; JPH0717993B2

Abstract

내용 없음.

Description

지르칼로이 관재의 소둔방법

제1도는 본 발명의 일실시예에 적용되는 것과 같은 본 발명의 이론에 따라 유도 소둔온도와 냉각온도의 함수로서 도시한 최종 생성된 미세 조직의 그래프.

제2도는 본 발명에 따른 3개의 상이한 유도 주사속도(X, +, △)에 대해 소둔온도의 함수로서 도시한 항복강도(YS)와 한계 인장강도(UTS)의 그래프.

제3도는 본 발명에 따른 유도소둔을 수행하는데 사용되는 장치의 일실시예의 개략적인 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 관 5 : 유도코일

15 : 알루미늄 박스 20 : 안내관

22 : 제2관 26 : 냉각관

30 : 척(chuck) 32 : 롤러

본 발명은 냉각가공된 반응성 금속계 관을 유도가열에 의해 소둔하는 것에 관한 것으로 특히 냉간 필거제관법에 의해 가공된 지르코늄계 관재의 유도소둔에 관한 것이다.

지르칼로이-2 및 지르칼로이-4는 비등수형(BMR), 가압수형(PWR) 및 중수형 (HWR) 원자로와 같은 수냉형 원자로에 주로 사용되는 상업화된 합금으로서, 이러한 합금은 그것의 핵특성, 기계특성 및 고온에서의 수성 내식성에 의거하여 선택되어 왔다.

지르칼로이-2 및 지르칼로이-4의 발달역사는 미국 재료 시험 학회(ASLM)의 특별 기술 간행물(Special Technical Publication) 제368호(1964년) 제3-27면에 기재된 카스 스텐리(Kass Stanley)의 ＂지르칼로이의 빌달(The Development of the Zircaloys)＂과 릭코버(Rickover)등의 ＂원자로에 사용하기 위한 지르코늄 합금의 발달역사(History of the Divelopment of Ziconium Alloys for use in Nuclear Reactors)＂, 엔알 : 더 : 1975에 요약되어 있다. 또한 지르칼로이의 발달에 관해서는 미합중국 특허 제2772,964호, 제3,097,094호 및 제3,148,055호에 기재되어 있다.

상품화된 원자로에 사용되는 등급의 지르칼로이-2 합금은 1.2 내지 1.7중량%의주석, 0.007 내지 0.20중량%의 철, 0.05 내지 0.15중량%의 크롬 및 0.03 내지 0.08중량%의 니켈을 포함하는 지르코늄 합금이며, 상품화된 원자로에 사용되는 등급의 지르칼로이-4 합금은 1.2 내지 1.7중량의 주석, 0.18 내지 0.24중량%의 철 및 0.07 내지 0.13중량%의 크롬을 포함하는 지르코늄 합금이다. 대부분의 원자로에 사용되는 등급의 지르칼로이-2 및 지르칼로이-4의 화학 규격은 ASTM B350-80(각각 합금 UNS No. R60802 및 R60804용)에 제시된 요건을 기본적으로 만족한다. 이러한 요건 이외에도, 이들 합금의 산소함량은 전형적으로 900 내지 1600ppm, 특히 연료 피복용의 경우에는 약 1200±200ppm으로 되는 것이 요구된다. 또한, 이러한 합금을 개질시킨 것도 종종 사용된다. 이러한 개질예는 높은 연성을 필요로 하는 경우(예컨데, 격자용 박편 스트립)에 사용되는 저산소함유 합금을 포함한다. 소량이지만 한정된 규조 및 또는 탄소의 부가물을 함유하는 지르칼로이-2 및 지르칼로이-4 합금도 또한 상품화되어 사용되고 있다.

지르칼로이(즉, 지르칼로이-2 및 지르칼로이-4) 피복관은 통상적으로 주괴를 중간 크기의 빌렛 또는 로그(log)로 열간가공하는 단계: 상기 빌렛을 베타 고용체로 용체화 처리하는 단계; 중공의 빌렛을 기계가공하는 단계: 상기 중공의 빌렛을 중공의 원통형 압출물로 고온 알파 압출하는 단계: 및 다수의 냉간 필거 제거법에 의한 구경 감축 패스(전형적으로 패스당 약 50 내지 85%의 단면 수축률을 가지는 2 내지 5회의 구경 감축 패스)를 통해 거의 최종 크기의 피복관으로 상기 압출물을 감축시키고 각각의 구경감축 패스에 앞서 알파 재결정화 소둔을 수행하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조된다.

냉각가공된 거의 최종 크기의 피복관은 그후의 최종적으로 알파 소둔되며, 이 최종 소둔은 응력제거 소둔, 부분 재결정화 소둔 또는 완전 재결정화 소둔으로 될 수 있다. 이러한 최종적으로 수행되는 소둔의 형태는 연료 피복관재의 기계특성에 대한 설계자의 사양에 의거하여 선택된다. 이러한 공정의 실시예는 1979년 11월에 발간된 WARD-TM-869 및 1981년 1월에 발간된 WARD-TM-1289에 상세하게 기재되어 있다. 이러한 종래의 방법으로 제조된 지르칼로이 연료 피복관의 일부 특징은 영국 핵에너지 협회(British Nuclear Energy Society)가 1973년에 간행된 ＂핵연료 작업(Nuclear Fual Performance)＂의 제78.1 내지 78.4면에 수록된 로즈(Rose)등의 ＂지르칼로이 피복관의 품질 비용(Quality Costs of Zircaloy Cladding Tubes)＂에 기재되어 있다.

전술한 종래의 관재 제조방법에는, 냉간 필거 제관법에 의한 구경 감출 패스와 최종적인 알파 소둔 사이에 수행되는 알파 재결정화 소둔을 전형적으로 대량의 중간 크기 또는 최종 크기의 관재가 함께 소둔될 수 있는 대형의 진공로에서 수행되어 왔다. 일반적으로, 냉간 필거 제관법에 의해 가공된 자르칼로이 관재의 상기와 같은 배치식(batch)진공 소둔에 적용되는 온도는 다음과 같다. :즉, 실질적으로 재결정화가 없는 응력제거 소둔의 경우에는 450 내지 500℃이고, 부분 재결정화 소둔의 경우에는 500 내지 530℃이며, 완전 알파 재결정화 소둔의 경우에는 530 내지 760℃이다(그러나, 경우에 따라서 완전 알파 재결정화 소둔은 약790℃의 고온에서도 수행됨). 이러한 온도는 냉각가공의 정도 및 처리되는 지르칼로이의 정확한 조성에 따라 다소 변화될 수도 있다.

전술한 배치식 진공 알파 소둔중에는 노의 장입물 전체가 약 1 내지 4시간 또는 그 이상의 기간 동안 상기 선택된 온도로 유지되고, 그후에 소둔된 관재를 진공하에서 또는 아르곤 분위기에서 냉각하는 것이 통상 요구된다.

전술한 배치식 진공 알파 소둔은 근본적으로 종래기술에 위해서는 충분히 해명될 수 없는 문제점을 발생시킨다. 이러한 문제점은 상기 배치식 알파 소둔 방법이 본빌적으로 열전달 상태가 열악하다는 것에 연관된 것이며, 이에 따라 대형관다발(예컨데, 약 600개 최종크기의 연료 피복관을 포함)의 외측관은 약 1시간 또는 2시간내에 선택된 소둔 온도에 도달하게 되는 반면에, 관다발의 중앙에 비치된 관은 7 내지 10시간(소둔을 완료하고 냉각을 시작해야 할 시기)이후에도 선택된 소둔 온도에 도달하지 못하거나, 그 온도에 간신히 도달하게 되거나, 30분전 또는 그보다 적은 시간전에 그 온도에 도달하는 정도에 지나지 않는다. 한 세트의 관다발의 개개의 관이 겪게 되는 실제 소둔 사이클시의 이러한 차이로 인하여 최종 생성된 연료 피복관의 성질은 관마다 상당히 변할 수 있다. 이러한 성질상의 변동은 응력제거 소둔 또는 부분 제결정화 소둔을 수행한 관의 경우 가장 현저하게 나타나며, 완전 재결정화 소둔을 수행하는 경우에는 그 변동의 정도가 작아지는 것을 기대할 수 있다. 그러나, 연료 피복관의 설계상 응력이 제거된 미세 조직 또는 부분적으로 재결정화된 미세 조직의 특성이 요구되는 경우에는, 완전 재결정화 소둔의 최종 소둔 방법을 채택할 수는 없다. 이러한 경우를 위하여 진공 소둔 사이클의 시간을 연장하는 것이 제안된 바 있으나, 이것은 관을 장입하여 가열을 시작할 때부터 냉각을 완료할 때까지 이미 약16시간정도 소요되는 장시간의 열처리에 시간과 에너지를 보다 부가시킨다는 점에서 많은 비용이 소요된다는 점에서 문제점을 가진다.

또 다른 종래의 지르칼로이 관재 제조 기술과 그 변형 기술의 예들은 WAPD-TM-585에 수록된 ＂지르칼로이-4 관재의 특성(Properties of Zircaloy-4 tubing)＂과 에드스트롬(Edstrom)등의 미합중국 특허 제3,487,675호와, 마틴라시(Matinlassi)의 미합중국 특허 제4,233,834호와, 나일러(Naylor)의 미합중국 특허 제 4,090,386호와, 호프벤스담(Hofvenstam)등의 미합중국 특허 제3,865,635호와, ASTM STP 754(1982년)의 제 75 내지 95면에 수록된 핵산업에서의 지르코늄에 관한 제5차 회의 보고서중의 앤더슨(Anderson) 등의 ＂중간 또는 최종 크기의 지르칼로이 피복관의 베타 소입(Bata Quenching of Zircaloy Claddinng Tubes in Intermediate or Final Size)＂과, 맥도날드(McDonald)등의 미합중국 특허 제571,122호(1982. 1. 29자로 출원되어 웨스팅하우스 일렉트릭 코오프레이숀에 양도되었다가 현재 포기된 미합중국 특허출원 제343,787호의 계속 출원) 및 사볼(Sabol)등의 미합중국 특허출원 제571,123호(1982, 1, 29자로 출원되어 웨스팅하우스 일렉트릭 코오트레이숀에 양도되었다가 현재 포기된 미합중국 특허출원 제343,788호의 계속 출원)과, 아미조(Amijo)등의 미합중국 특허 제4,372,817호와, 로젠바움(Rozenbaum)등의 미합중국 특허 제4,390,497호와, 베스터룬트 (Vesteriund)등의 미합중국 특허 제4,450,016호 및 제4,450,020호와, 베스터룬트 (Vesteriund)의 1983. 1. 14자로 공개된 프랑스 특허 공보 제2,509,510호에 기재되어 있다.

본 발명의 발명자는 전술한바와 같은 종래기술의 소둔 방식에 비하여 소둔 시간 및 처리의 균일성이 모두에 있어 상당한 개량을 제공하는 신규한 알파 소둔방법을 알아냈다.

본 발명에 따른 방법은 가공된 지르코늄계 물품을 유도가열을 사용하여 고온으로 급속히 가열한 후, 상기 물품을 냉각시키는 방법이다. 상기에서 사용되는 고온은 응력제거 조직, 부분 재결정화 조직, 또는 완전 알파 재결정화 조직을 제공하도록 선택되어진다. 선택된 고온에서의 유지시간은 1초 미만이며, 기본적으로 유지시간이 없도록 하는 것이 가장 적합하다.

본 발명의 일실시예에 따라 50 내지 85%로 냉간 필거 제관법에 의해 가공된 지르칼로이의 응력제거 소둔, 부분 재결정화 소둔, 또는 완전 재결정화의 소둔은 필거 제관법으로 가공된 관을 유도코일에 의해 주사하여 최대온도 ＂T₁＂까지 온도상승속도 ＂a＂로 급속하게 가열하는 것에 의해 달성될 수 있다. 유도코일로부터 나오는 순간에, 냉각속도 ＂|b|＂로 최소한 ＂T₁-75℃＂의 온도까지 관의 냉각이 바로 시작된다. ＂T₁＂과 ＂|b|＂는 다음의 조건 중 하나를 만적할 수 있도록 제어된다.

A. 응력제거 소둔

또는

B. 완전 재결정화 소둔

C. 완전 재결정화 소둔

상기 조건에서

A₀/A=냉각 필거 제관법에 의한 가공 전후의 관의 횡단면적비

본 발명에 따른 유도 가열에 의해 제공되는 급속 온도상승속도는 초당 167℃(300°F)를 초과하고, 적합하게는 초당 약 440℃(800°F)를 초과하며, 가장 적합하게는 초당 1667℃(3000°F))를 초과한다.

본 발명에 따른 냉각속도는 적합하게는 초당 2℃ 내지 556℃(1000°F))이며, 보다 적합하게는 초당 2℃ 내지 278℃(500°F)이다. 가장 적합한 냉각속도는 초당 2℃ 내지 56℃(100°F))이다. 온도상승속도는 냉각속도의 10배 이상이 되는 것이 적합하다.

70내지 85%로 냉간 필거 제관법에 의해 가공된 지르칼로이 관재는 본 발명에 따라 760 내지 900℃ 온도로 유도가열되어 그 온도에서의 유지시간 없이 이어서 초당 10℃ 내지 17℃(30°F)의 속도로 냉각됨으로써 적합하게 응력제거를 달성하게 된다.

또한,70 내지 85%로 냉간 필거 제관법에 의해 가공된 지르칼로이 관계는 본 발명에 따라 650 내지 760˚C온도로 유도가열되어 그 온도에서의 유지시간 없이 초당 10˚C내지 17˚C(30˚F)의 속도로 냉각됨으로써 부분 재결정화를 달성하게 된다.

또한, 70 내지 85%로 냉간 필거 제관법에 의해 가공된 지르칼로이 관계는 본 발명에 따라 760내지 900˚C온도로 유도가열되어 그 온도에서의 유지시간 없이 이어서 초당10˚C 8 내지 17˚C(30˚F) 의 속도로 냉각됨으로써 완전 알파 재결정화를 달성하게 된다.

본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 첨부도면과 이후의 상세한 설명을 고찰함으로써 명료해질 것이다. 본 발명에 따라, 종래의 냉간 가공된 지르칼로이 물품의 알파 진공 소둔을 급속 유도 소둔으로 대체할 수 있다는 것을 알게 되었다. 지르칼로이 관재의 유도 소둔에서는, 코일로부터 나올 때의 관의 온도를 제어하고 이어서 냉각온도를 제어함으로써 각각의 관을 실질적으로 동일한 온도내력을 통해 주기적으로 처리하게 된다. 이러한 설명에 의하여, 모든 관의 온도내력이 독립적으로 제어되고 감시할 수 있기 때문에 일체의 관내부, 관과 관사이 및 관세트 사이에서 균일한 열처리를 할 수 있게 된다.

본 발명의 온도 사이클에서의 소둔처리 시간은 배치식 진공로 소둔의 경우에 소요되는 수시간에 비하여 초단위의 시간에 불과하다. 결과적으로, 시간이 보다 단축된 것을 보상할 수 있도록 배치식 진공로 소둔에서 일반적으로 사용되는 온도 보다 높은 온도가 요구된다. 그러나, 본 발명에 따른 단시간의 고온 유도 소둔은 생성되는 지르칼로이 관재의 특성에 유해한 영향을 주지 않는다는 것을 알게 되었다.

모든 가열 및 고온으로부터의 냉각은 표면 오염을 최소화시킬 수 있도록 보호 분위기(예컨데, 아르곤, 헬륨, 또는 질소)하에서 수행되는 것이 적합하다.

본 발명에 따라, 각각의 관은 유도가열 코일에 의해 주사되어 관 위의 각각의 지점이 먼저 540 내지 900℃의 온도, 적합하게는 590 내지 870℃의 온도까지 급속하게 가열되는 시간/온도 사이클을 점차적으로)즉, 차례로) 받게 된다.

온도상승속도는 167℃(300°F)/초를 초과하여, 보다 적합하게는 444℃(800°F)/초를 초과한다. 가장 적합한 것은 재료를 1667℃(3000°F)/초를 초과하는 속도로 가열하는 것이다. 이러한 온도상승속도는 요구되는 코일의 길이를 최소화시키는 동시에 관을 고속으로 코일을 통해 통과시킬 수 있다는 점(예컨데, 약 600인치/분이상)에서 선호된다.

코일을 나올 때의 재료는 최대온도에 있게 되고, 이때부터 바로 냉각을 수행하는 것이 적합하다. 냉각속도는 적합하게는 초당 2℃ 내지 556℃(1000°F), 보다 적합하게는 초당 2℃ 내지 278℃(500°F), 가장 적합하게는 초당 2℃ 내지 56℃(100°F)로 된다. 재료가 그 최고 온도의 약 75℃ 미만, 적합하게는 그 최고온도의 150℃미만으로 냉각된 이후에는 재료를 보다 더 급속하게 냉각시킬 수 있다. 그 이유는 이러한 상대적으로 낮은 온도에 있을 때 온도에 대한 시간의 작용은 응력제거나 재결정화의 정도를 크게 부가시키지 않기 때문이다.

이하의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 온도상승속도에 비하여 냉각속도를 상대적으로 느리게 함으로써 특정 소둔 사이클에 요구되는 최고온도를 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 시간/온도 사이클은 알파로부터 베타로 변태되는 것을 방지하도록 선택된 것이다. 고온에서의 시간을 짧게 함으로써 광학 금속조직학적으로 관찰될 정도의 알파로부터 베타로의 변태를 전혀 발생시키지 않고서 알파조직 및 베타조직에 통상 수반되는 온도범위(약 810 내지 900℃)내에서 알파 소둔을 수행할 수 있게 된다.

본 발명을 보다 상술하기 앞서, 이러한 상술을 위해 다음과 같이 용어들을 정의한다.

1. ＂알파 소둔＂이란 광학 금속조직학적으로 시험하였을 때 베타상 변태의 징후가 전혀 없는 응력제거 조직, 부분 재결정화 조직, 또는 완전 재결정화 조직을 생성하게 되는 모든 소둔 방법을 의미한다.

2. ＂응력제거 소둔＂이란 1체적%(또는 면적%) 미만의 대략 등축정계의 재결정화 입자를 생성하게 되는 알파 소둔 방법을 지칭한다.

3. ＂재결정화 소둔＂이란 1 내지 100체적%(또는 면적%) 미만의 대략 등축정계의 재결정화 입자를 생성하게 되는 알파 소둔 방법을 지칭한다.

4. ＂부분 재결정화 소둔＂이란 1 내지 95체적%(또는 면저%)의 대략 등축정계의 재결정화 입자를 생성하게 되는 알파 소둔 방법을 지칭한다.

5. ＂완전 재결정화 소둔＂이란 95체적%(또는 면적%) 이상의 등축정계의 재결정화 입자를 생성하게 되는 알파 소둔 방법을 지칭한다.

이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니지만, 다음과 같은 이론에 의해 본 발명에 대한 이해, 본 발명의 실시 및 본 발명으로부터 얻어지는 이점들을 보다 확실히 알 수 있을 것으로 생각된다.

냉각가공된 지르칼로이의 미세 조직에 미치는 알파 소둔 처리의 효과는 소둔시간 ＂t＂와 소둔 온도 ＂T＂ 양자 모두에 상관된다. 단일의 매개 변수로써 소둔 사이클을 기술할 수 있도록, 가로자롤리(Garozarolli) 등은 1981년 파리에서 개최된 사이클을 기술분야에서의 구조역학에 관한 제6차 국제회의 보고서 제 C2/2권의 ＂방사선 조사전후에 지르칼로이의 기계특성에 미치는 최종 소둔의 영향(Influence of Final Annealing on Mechanical Properties of Zircaloy and After Irradiation)＂에서 하기와 같이 표준화된 소둔시간 ＂A＂의 사용을 제안하였다.

여기에서,

t=시간(시)

Q=활성화 에너지(cal, mole^-1)

R=기체상수(1.987cal, mole^-1K^-1)

T=온도(°K)

상기 매개변수는 해당 공정에 필요한 활성화 에너지를 알고 있는 경우 회복 또는 재결정화와 같은 특정공정에 미치는 사이클의 효과를 특정화하는데 유용하다. 지르칼로이의 재결정화에서의 Q/R의 실험치는 40000 내지 41550°K의 범위에 있지만, 지르칼로이의 응력제거를 설명하는데는 다른값의 활성 에너지가 적합할 것이다.

특정온도에서의 유지시간을 시료를 가열 및 냉각시키는데 요구되는 시간과 비교할 수 있는 A의 보다 일반적인 형태는 다음과 같다.

여기에서, T는 시간 ＂t＂의 함수이고, t_l,t_f는 각각 소둔 사이클의 개시시간 및 원료시간이다. T₀부터 T₁까지의 일정한 가열속도를 ＂a＂, 온도 ＂T₁＂에서의 유지시간을 ＂t＂, 그리고 T₁으로부터 T₂까지의 일정한 냉각속도를 ＂b＂라고 가정하면, A는 다음과 같이 표현할 수 있다.

방정식(3)에서의 적분은 다음과 같이 바꾸어 표현할 수 있다.

여기에서

I(x)를 750°K(890°K)로부터 1200°K(1700°F)까지의 범위에 걸쳐 수치적으로 구하였다. 수치적 적분에는 0.1°K의 온도증분을 사용하였고, Q/R은 지르칼로이의 재결정화의 값인 40000°K로 취하였다)지르칼로이의 회복공정에 있어서의 Q/R의 실험치는 얻을 수 없었음). 수치적분의 결과를 표1에 요약하여 기재하였다.

표1의 수치적분을 보다 이용하기 쉬운 형태로 만드릭 위하여, 결과를 지수방정식에 적용시켰다. 방정식(4)의 적분에 근사히게 얻어진 실험식은 다음과 같다.

[표 1]

식4b 및 식 5의 평가

J(x)는 750K(890。F)로부터 1200˚K까지의 온도범위에 걸쳐 평가되었다.(표 1참조). 상기 온도 범위에 걸쳐 I(x)에 대한 J(x)의 최대 편차는 단지 3％이었고, 따라서 J(x)는 식(4b)의 표현으로 적합하다는 것을 알 수 있었다. J(x)를 구하는 목적은 시료의 선형적 가열 또는 냉각으로부터 얻어지는 소둔 매개변수에 대한 기여도를 계산하는데 유용한 표현을 제공하려는 것이었다.

식(4) 및 (5)를 이용하여 재결정화에 필요한 표준화된 소둔 시간 ＂A_RX＂를 다음과 같이 표현할 수 있다.

상기식(6)의 제1항은 가열중의 A_RX에 대한 기여도이고, 제2항은 유지기간중의 A_RX에 대한 기여도이며, 제3항은 냉각중의 A_RX에 대한 기여도이다. T₀＜＜T₁이고 T₂＜＜T₁이므로 J(T₀)와 J(T₂)의 기여도는 무시할 수 있으며, 따라서 A_RX는 다음과 같이 다시 표현할 수 있다.

냉각속도는 ＂b＂는 음이므로 냉각중의 A에 대한 전체 기여도(-J(T₁)/b)는 양이 된다는 것을 주지해야 한다.

본 발명에 따른 하기의 실시예에서 사용된 유도 소둔 사이클에서는 특정온도까지 급속히 가열하여 유지시간을 두지 않고 바로 이어서 상대적으로 천천히 냉각시키는 과정을 수행하였다. 실제로, 미세 조직상의 변화는 관의 냉각중에 서로 발생하였다. 상기 유도 수둔 사이클을 설명하기 위한 표준화된 소둔 시간 ＂A_RX＂를 식(7)을 계산하였다. 명목상, 가열속도를 1.7×10^6°K/시(850°F/초)로 가정하였고, 유지시간 ＂t＂는 0.0을 설정하였다. 또한, 냉각속도는 -6.0×10⁴내지 -4.0×^4°K/시(-30 내지 -20°F/초)로 가정하였다(가열속도는 관의 온도상승, 코일 길이 및 변위속도에 의거하여 예측하였음). 해당 소둔온도에 대한 기계특성과 금속조직학적 데이터를 얻게 되는 7가지 소둔온도에 대한 A_RX의 계산치를 표 Ⅱ에 요약하여 기재하였다.

[표 2]

평가에 있어서 유도가열 사이클에 대한 A_RX의 적당한 근사식은 가음과 같다.

이 근사식은 가열속도가 냉가속도 보다 훨씬 클 때, 즉 |a|＞＞|b|일 때 유효하다. 상기 7개의 소둔온도와 -6.0×10⁴내지 -4.0×10^4°(-30 내지 -20°F/초)의 범위에 있는 냉각속도 ＂b＂에 대하여 식(8)을 계산하여, 그 결과치를 역시 표Ⅱ에 기재하였다. 이 결과치를 식(7)을 사용하여 구한 A_RX값과 비교하면, 식(8)이 합리적인 근사식임을 알 수 있다.

유도 소둔 사이클에 대한 표준화된 소둔 시간을 계산하게 되 이유는 두가지이며, 그 첫 번째 이유는 유도소둔을 특정화하는데 있어 매개 변수를 2개(냉각속도와 소둔온도)에서 한 개로 감소시킨다는 것으로, 이에 상이한 냉각속도와 소둔온도의 영향을 단일 매개변수에 의해 정량화시킴으로써 상이한 소둔 온도 사이클을 직접 비교할 수 있게 된다.

A를 계산하는 두 번째의 이유는 단시간 동안의 고온 유도 소둔과 종래의 진공로 소둔을 비교할 수 있게 된다는 점이다. 그렇지만, 해결되어야 할 보다 큰 근본적인 문제는 아마도 이러한 매개변수가 실제로 전혀 상이한 열처리를 특정화하는데 적합한가의 여부라고 하겠다. 예컨데, 진공로 소둔은 처리온도에서 수시간 존재하지만, 본 발명에 따른 유도 소둔은 미세 조직상의 변화가 냉각중에 주로 발생하게 되는 순간적인 것이다. 따라서, 이와 같이 전혀 상이한 소둔 사이클을 단일 매개변수에 의해 설명될 수 있다는 것은 지르칼로이의 회복 또는 재결정화가 소둔 경로에 의존하는 것이 아니라 ＂A＂에 의존한다는 것을 입증할 수 있는 척도가 될 수 있을 것이다.

이미 설명한 바와 같이, 지르칼로이의 회복에 있어서 Q/R의 실험차는 응력제거 소둔을 특정화하는 소둔 매개변수 ＂A_SRA＂를 계산하는 경우에는 구할 수 없었다. 그러나, 이러한 매개변수에 대한 표현은 일단 회복에 대한 Q/R을 구하게 되면 A_RX를 구하는데 사용되는 식으로부터 전개될 수 있게 된다.

비록 A_SRA는 분명히 응력제거 소둔을 특정화하는 보다 중요한 매개변수이기는 하지만, A_RX로부터 하한 A*_RX(이 값 이상에서 재결정화가 개시됨)가 정의된다. 따라서, A*_RX는 응력제거 소둔과 재결정화의 개시 사이의 경계를 규정한다. 따라서, 응력 제거 소둔에 적용된 소둔 온도와 냉각속도는 A*_RX미만의 매개변수를 얻도록 결정되어야 한다.

스타인버그(Steinberg)등은 1984년 미국 재료 시험학회에서 프랭클린 (Franklin)등의 편집에 의해 발간한 ASTM STP 824호의 원자핵 기술 분야의 지르코늄에 관한 제6차 국제 심포지움 보고서 제106 내지 122면에 기재된 ＂지르칼로이 피복관의 기계적 성질에 관한 냉간가공 및 열처리의 영향을 설명하기 위한 분석적 접근 및 실험적 확인(Analytical Apporoaches and Experimental Verification to Describe the Influence of cold work and Heat Treatment on the Mechanical Properties of Zurcaloy Cladding Tubes)＂에서 소둔 매개변수 ＂A_RX＂와 냉간가공도 ＂

＂의 함수로서의 재결정화된 재료의 분율 ＂R＂에 관한 식을 유도하였으며, 그 식은 다음과 같다.

여기에서, A_RX=표준화된 소둔 시간(시), K=5.0×10²⁰시^-1,

=log_e(I/I₀)=log_e(A₀/A), I₀, A₀=냉간 구경 감축전의 길이 및 관단면적, I,A=냉간 구경 감축후의 갈이 및 판단면적.

식(9)의 유도에 사용된 데이터는 0.51 내지 1.44의 냉간 가공범위로 진공로 소둔된 지르칼로이 -4관으로부터 얻었다. 식(9)의 A_RX에 식(8)을 대입하여 0.01 내지 0.99범위의 재결정화 분율들에 대한 등분율선을 소둔 온도와 냉각속도의 함수로서 계산하였다.

의 값은 관재(외경 3.55mm(0.374인치) 벽두께 5.84mm(0.23인치)의 최종 냉간 구경 감축의 경우에 대해 계산하여 1.70을 얻었다. 상기 등분율선을 제1도에 도시하였으며, 제1도는 최종 생성된 미세조직을 유도 소둔 온도와 냉각속도 양자의 함수로서 도시한 그래프이다.

제1도의 좌측 상부는 완전 재결정화(즉, ＞99% Rx가 기대될 수 있는 소둔 온도와 냉각속도를 규정하는 반면, 우측하부는 실질적으로 재결정화가 발생하지 않는(즉, ＜1% Rx) 소둔 온도와 냉각속도를 규정하고 있다. 또한, 제1도의 중앙에 있는 밴드는 재결정화 소둔(1 내지 99% Rx)에 적합한 매개변수를 나타내고 있다. 또한, 제1도에는 표Ⅵ에 기재된 기계특성과 금속 조직학적 데이터를 얻게 하는 7개의 유도 소둔처리(406cm/분(160인치/분)이하)를 특정화하는 소둔온도(±5.6℃(±10°F)와 냉각속도(약 11.1∼16.7℃/초)(20∼30°F/초)를 나타내는 직사각형부가 포함되어 있다.

제1도는 진공로 소둔에 의해 처리된 재료에서 얻어진 실험 데이터를 기반으로 하여 재결정화에 관한 유도 소둔의 매개변수(소둔온도와 냉각속도)를 예측할 수 있다는 점에서 중요하다. 상기 등분율선은 표준화된 소둔 시간 ＂A_RX＂가 소둔 사이클과 무관한 유일한 매개변수라는 전제로부터 계산되었다. ＂A_RX＂의 유일성에 대한 실험적인 확인은 제1도에 도시된 유도소둔처리에 의해 주어졌다. 부분 재결정화는 677℃(1250°F) 및 705℃(1300°F)에서 소둔된 시료에서 관찰되었으며, 652℃(1205°F)이하의 온도에서 소둔된 시료에서는 광학 현미경 또는 실온에서의 인장특성에 의해 측정되는 바와 같은 재결정화의 증거는 전혀 찾아 볼 수 없었다. 약 650℃(약 1200°F)이하의 소둔온도에서는 재결정화가 약 1%이하로 이루어진다는 가정을 해결하는 데에는 TEM(투과전자 현미경)과 같은 보다 고감도의 기술이 필요할 수 있다. 확실하지는 않지만, 상기 관찰결과는 상기에서 예측한 유도 소둔 처리된 지르칼로이의 재결정화가 거동과 특히 잘 일치하는 것으로 판단된다.

이러한 관찰결과의 예측사이의 양호한 일치성은 단일의 매개변수에 의해 진공로 소둔 및 유도소둔 양자 모두에 대한 지르칼로이의 재결정화 거둥을 적합하게 설명할 수 있다는 것을 보여주는 것이다. 즉, 이것의 의미는 단일의 활성화 에너지(Q/R=40000°K 또는 Q=79480 cal/mole)를 사용하여 광범위한 온도범위에 걸친 재결정화를 설명할 수 있다는 것으로, 이것은 진공로 소둔 및 유도 소둔 양자 모두의 재결정화가 기구가 동일하다는 것을 시사하는 것이다.

비록 ＂A_SRA＂에 관한 표현을 구할 수는 없었지만, 유도 소둔중에 제어해야할 중요한 매개변수는 응력제거의 경우나 재결정화의 경우에 관곈없이 관이 코일로부터 나올때의 관의 온도 및 그 이후의 냉각속도라는 것을 A_RX의 유도식으로부터 명확히 알 수 없다(식(8) 참조). 흥미있는 것은, 이들 매개변수는 어느 것도 생산속도와 직접적인 종속관계를 가지지 않는다는 것이다. 이것은 소둔온도와 냉각속도를 동일하게 유지하면, 예컨데 406cm/분(160인치/분)의 속도 또는 1524cm(600인치/분)의 속도로 유도 소둔처리한 관에 대해 동일한 물리특성을 기대할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 물리특성과 생산속도 사이의 무관성에 관한 증거는 제2도에 주어져 있다. 제2도에는 YS(항복강도)와 UTS(한계 인장강도)가 190∼203cm/분(75∼80인치/분)의 속도로 소둔처리된 관(+), 343∼427cm/분(134∼168인치/분)의 속도로 소둔처리된 관(x), 및 1346∼1676cm/분(530∼660인치/분)의 속도로 소둔처리된 관(▽) 각각에 대해 소둔 온도의 함수로서 도시되어 있다. 3세트의 데이터들은 서로 잘 일치되고 있다.

상기 결과는 생산 속도가 유도 가열중에 발생하는 금속조직학적 변화에 별다른 영향을 주지 않는다는 것을 보여주는 것이다. 상기 실시예들은 본 발명에 따른 유도처리가 지르칼로이 관재의 응력제거, 부분 재결정화 및 완전 재결정화에 사용될 수 있다는 것을 명확하게 설명해 주는 것이다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 명확히 설명하기 위해 주어진 것으로, 순전히 본 발명을 예시하기 위한 것임을 알아야 한다.

최종크기(외경 9.5mm(0.374인치)×벽두께 0.58cm(1.023인치)의 지르칼로이 -4 관재를 최대출력이 24kW인 RF(무선주파수) 발생기를 사용하여 유도 소둔하였다. RF발생기의 주파수는 얇은벽을 가진 지르칼로이의 관재의 벽을 관통하여 가열하는데 적합하다. 제3도에 개략적으로 도시한 바와 같이, 유도소둔은 아르곤 분위기중에서 다중 권취 코일(5)를 통해 지르칼로이 관(1)을 이송 및 회전시킴으로써 수행하였다.

427℃(800°F) 내지 871℃(1600°F)의 온도 범위를 가지는 IRCON G 시리즈 고온계(10)을 사용하여 코일(5)로부터 나오는 지르칼로이 관(1)의 온도를 감시하였다.

IRCON R 시리즈 2색 고온계에 의해 측정할 때 관이 750℃(1300°F)의 온도로 가열되고, G시리즈 고온계에서 750℃(1300°F)를 읽을 수 있도록 복사율 설정장치를 조정함으로써 복사율을 0.30 내지 0.35의 범위로 조절하였다. 상기 고온계들은 미합중국 일리노이주 나일주에 소재하는 스퀘어 디 켐패니(Square D Company)의 자회사인 어콘 인코오포레이티드(IRGON. Inc.)에서 시판되고 있는 것이다.

유도 코일(5)는 불활성 분위기실의 역할을 하는 알루미늄 박스(15)의 내측에 장착되었고, 코일(5)의 입구측에는 코일에 대해 지르칼로이 관(1)을 일렬로 정렬시킬 수 있도록 테프론재의 삽입물을 구비한 안내관(9)이 설치되었다. 또한, 아르곤 정화관(24)와 수냉관(26)의 뒤에는 제2관(22)가 설치된다. 알루미늄박스(15)의 입,출구측에 배치된 각각 세 개의 조오를 가지는 조절가능한 척(30)에 의해 지르칼로이 관을 부가적으로 지지하였다. 척(30)의 각 조오는 44.98cm(1.75인치)의 직경을 가진 롤러로서, 관이 척을 통하여 자유록제 회전될수 있게 해 주는 동시에 척이 계속 지르칼로이 관의 중간 지지체로서 작용하게 해 준다. 코일이 입구측에 배치된 롤러는 테프론으로 형성되어 있는 반면에, 코일의 출구측에 배치된 롤러는 고온 에폭시 수지로 형성되어 있다. 알루미늄박스의 입구측 부근에 설치되는 부가적인 지지체는 자유회전가능한 3세트의 고정롤러(32)와 알루미늄 박스로부터 멀리 떨어진 위치에 있는 자유 회전 가능한 2세트의 롤러로 구성된다.

코일의 출구측에 배치된 수냉관(26)은 지르칼로이 관을 공기에 노출시키기 전에 지르칼로이 관의 냉각을 보조한다(주: 물은 지르칼로이 관에 접촉하지 않음). 수냉관(26)의 내부 및 불활성 분위기실내에서는 아르곤 가스의 정화를 계속하여 관의 외벽면에서의 산화를 최소한으로 유지하였다. 그러나, 지르칼로이관이 알루미늄 박스로부터 나올 때 관의 벽외면상의 얇은 산화막이 형성되기 때문에 관(1)을 충분히 냉각시키는 시스템은 현재로서는 불가능하였다. 이 산화막은 추후에 관의 외벽면을 산으로 세척하고 연마시켜 제거하였다. 또한, 지르칼로이 관의 내벽면에서의 산화물의 형성을 방지할 수 있도록 지르칼로이 관의 내부에 대해서도 아르곤 정화작업이 수행되었다.

지르칼로이 관의 이송 및 회전은 소둔실의 출구측에 설치한 2개의 변속가능한 직류 모터(35 및 40)에 의해 수행되었다. 이 2개의 모터는 이송모터(35)와 기어 시스템에 의해 구동될 때 트랙(50)을 따랄 이동하는 알루미늄관(45)을 정착되었다. 제2변속직류모터(40)은 지르칼로이 관(1)과 맞불리는 척(42)를 구비하며, 지르칼로이 관(1)을 2500RPM까지의 회전수로 회전시키게 된다. 모터(35)에 의해 구동되는 체인(52)에는 자유회전가능한 한쌍의 롤러(60)을 정착하였으며, 이 롤러(60)은 지르칼로이 관(1)을 지지하고 이 지르칼로이 관(1)을 따라 이동하도록 구성되었다.

필거 제관법으로 가공된 지르칼로이 -4 피복관의 유비 유도 열처리를 203cm/분(80인치/분) 공칭 이송속도로 수행하였으며, 이때의 유도가열 매개변수를 표 Ⅲ에 요약하여 기재하였다. 또한, 표Ⅳ에 기재된 바와 같이, 593℃(1100°F)와 649℃(1200°F) 사이에서 소둔처리된 관부분에 대해 실온에서의 인장특성을 측정하였다.

관 취급 시스템과 코일의 구성을 적당히 변경한 후, 340 내지 423cm/분(134 내지 168인치/분)의 공칭 이송속도로 제2회의 유도소둔을 수행하고, 이때의 유도가열 매개변수를 표Ⅲ에 요약하여 기재하였다. 전형적으로, 유도 소둔은 소정의 소둔 온도를 얻도록 출력을 일정하게 하고 관속도를 조절하여 수행하였다.

전체 길이 394cm(1556인치)의 24개의 필거 재관법에 의해 가공된 관을 얻었으며, 본 발명에 따른 실험실 규모의 관 취급 시스템에서는 관의 단지 일부분(∼224cm(∼88인치))에 대해서만 유도 소둔이 수행될 수 있도록 제한되어 있다. 유도 소둔 온도는 521℃(970°F) 내지 732℃(1350°F)의 범위에 있었으며, 관의 길이방향에 따른 온도제어는 대체로 ±5.6℃(±10°F)였다. 각각의 관에 대한 이러한 소둔 온도, 이송속도 및 회전속도를 표Ⅴ에 요약하여 기재하였다.

지르칼로이 관은 복사손실 및 냉각관의 아르곤 정화 작용에 의해 제공되는 바와 같은 강제 대류에 의해 냉각되었다. 이러한 냉각속도는 다음과 같은 방삭으로 예측되었다. 즉, 지르칼로이 관의 온도를 상승시키고 코일의 출력을 차단한 후에, 상기 지르칼로이 관의 가열된 부분을 고온계 아래에 재배치시켜 관의 온도를 시간의 함수로서 감시하였다. 이러한 방식으로 측정된 냉각속도는 11 내지 16.7℃/초(20 내지 30°F/초)의 범위에 있었다. 아르곤 흐름을 일정하게 유지시키고 냉각관의 기하학적 형상을 일정하게 하는 것 이외에는 유도 소둔중에 냉각속도를 제어(또는 측정)하기 위한 별도의 시도를 하지 않았다.

유도 소둔에 연이어, 지르칼로이 관에 대해 최종 마감작업 및 후기 UT 검사를 수행하였다. 지르칼로이 관의 외면상 산화물을 산세척에 의해서는 완전히 제거할 수 없었으나, 후속적으로 연마 가공한 5개의 지르칼로이 관의 표면은 외관상 허용가능한 정도였다.

실온에서의 인장특성은 563℃(1045°F) 내지 705℃(1300°F)의 온도 범위에서 소둔 처리된 7개의 지르칼로이 관으로부터 절취한 시료들에 대해 측정하였으며, 각각의 관으로부터 3개씩 시료를 인장실험하여 관의 길이에 따른 변화를 확인하는 동시에 인장특성을 소둔 온도의 함수로써 확립하였다. 이러한 3개의 시료는 소둔된 관의 길이에 따름 시작부, 중간부 및 후단부를 각각 대표한다. 관은 산세척후의 상태로 시험되었다.

미세척과 이에 대응하는 인장특성과의 상관 관계를 구하기 위하여, 7개의 소둔 온도를 대표하는 금속조직 시료들을 준비하였으며, 그 결과를 Ⅵ에 표??시하였다. 처리된 3개의 지르칼로이 -4관 주괴의 화학조성은 표Ⅶ에 기재하였다.

[표 3]

[표 4]

[표 5]

*이 관들에 대해서는 실온에서의 인장시험과 광학 현미경 검사에 의해 평가하였음.

[표 6]

주:1.관24 및 관8의 온도 차트를 검사한 결과,인장시료24-1 및 8-3은 유도 소둔된 피복관재의 특징을 가지는 구역으로부터 얻어진 것이 아니었음.

2.표Ⅵ와 표Ⅸ에 기재된 인장시험은 ASTM E-8에 따라 수행하였음.

항복될 때까지 크로스헤드의 속도를 0.127mm/mm/분(0.005인치/인치/분)으로 하여 수행하고,그후

1.27mm/mm/분(0.050인치/인치/분)의 속도에서 2＂의 게이지 길이를 사용하여 수행하였음.

3.SPA:응력제거 소둔된 상태.

4.PRA:부분 재결정화 소둔된 상태.

[표 7]

*모든 합금원소는 중량%(w/o)로 표시됨.불순물은 ppm으로 표시됨.

냉간 필거 제관법에 의해 가공된 최종크기의 연료 피복관재로서의 지르칼로이-4의 3번 로트(Lot 6082, vyⅦ(참조)를 최종적으로 유도 소둔하였다.

이들 실시예의 세트에서는 필거 제관법에 의해 가공된 14개의 관을 표Ⅲ의 제3란에 기재된 바와 같은 코일과 주파수를 사용하여 1524cm/분(600인치/분)의 공칭 생산속도로 유도 소둔하였다. 유도 소둔의 매개변순은 응력제거 소둔관 또는 부분 재결정화 소둔관에 대해 표Ⅷ에 요약하여 기재하였다.

또한, 제3도에 도시된 것과 유사한 시스템을 사용하여 순차적으로 관들을 수둔하였다. 관온도는 IRON(G시리이즈)고온계를 사용하여 감시되였다. 기재된 온도는 고온계를 0.29의 복사율로 설정한 것과 상응한다. 모든 소둔은 아르곤 분의기중에서 수행하였다.

소둔후, 모든 관에 대해 초음파 검사를 수행하고 통상의 최종 마감 작업을 수행하였다. 유도 소둔처리된 관의 인장특성은 표Ⅸ에 기재되어 있다.

[표 8]

[표 9]

상기 실시예들은 응력제거 소둔 및 부분 재결정화 소둔을 위한 것이었으며, 이하의 실시예들은 완전 재결정화 소둔을 목적으로 하는 것이다.

지르칼로이-4 관재의 종래 제조방법에서는, 예컨데 공청크기가 외경 31.8mm(1.25인치)×벽두께 5.1mm(0.2인치)로 될 때까지 냉간 필거 제관법에 의해 가공을 수행하고, 그 후에 약 677℃(125°F)에서 약 3.5시간동안 통상의 진공 중간 소둔을 수행한다. 이러한 진공 소둔에 의해 평균 ASTM 입자크기수가 7 또는 이보다 미세한, 일반적으로 ASTM번호 11∼12를 가지는 재결정화된 입자구조가 생성된다. 그후, 이러한 재료는 외경 17.8mm(0.70인치)의 크기를 가지게 될 때까지 냉간 팔거 제관법에 의해 가공되며, 이때 재료는 통상적으로 또 다른 진공 중간 소둔에 의해 처리된다. 그러나, 본 발명에 따라 이러한 진공 중간 소둔은 유도 완전 재결정화 소둔으로 대체되었다. 냉간 필거 제관법에 의해 가공된 관은 제3도에 도시된 시스템과 유사한 것으로서 보다 큰 외경의 관재를 수용할 수 있도록 개조된 시스템에서 유도 소둔되었다. 이때, 유도 가열은 10kHz의 주파수로 수행하였으며. 사용한 코일은 6.4mm(1/4인치)×12.7mm(1/3인치)의 사각형 관의 6권선 코일이었다(코일의 반경방향 크기는 12.7mm(1/2인치)임).

이 코일은 38.1mm(1 1/2인치)의 내경, 63.5mm(2 1/2인치)의 외경 및 약 82.6mm(3.25인치)의 길이를 가지고 있었다. 완전 재결정화 소둔은 표Ⅹ에 기재된 2세트의 매개변수를 사용하여 수행하였다. 관을 냉간 필거 제관법에 의해 가공한 종래 방법에 따라 진공 최종 소둔을 수행하거나, 아니면 적합하게는 본 발명에 따라 유도 최종 소둔을 수행함으로써 기본적인 관의 제조를 완료하게 된다. 또한, 추가의 진공 중간 소둔을 본 발명에 따른 유도 소둔으로 대체하는 것도 생각할 수 있다. 실제로, 모든 진공 소둔을 유도 소둔으로 대체하는 것도 고려할 수 있다.

[표 10]

최종의 상세한 실시에에서는, 필거 체관법에 의해 가공된 지르칼로이 - 4 관(로트 4690?????? 외경 31.8mm(1.25인치)??벽두께 5.1mm(0.2인치), 그 화학조성은 표 XV 참조)을 제 3도에 도시된 것과 유사한 시스템으로 유도가열에 의해 베타 처리하였다. 이 경우에 사용한 코일은 6.4mm(1/4인치)??12.7mm(1/2인치)의 직사각형 관(반경방햐의 크기가 12.7mm(1/2인치))의 5회 권선 코일이었으며, 50.8mm(2인치)의 내경, 76.2mm(3인치)의 외경 및 66.7mm(2 5/8인치)의 길이를 가진 것이다. 상기 코일을 최대 출력 정격 150kw의 10kHz 고주파 발생기에 접속시켰다. 아르곤 정화관과 수냉관은 물분사식 급냉링으로 대체되었으며, 이급냉링은 내경측 둘레를 따라 균일하게 간격을 두고 배치된 10개의 구멍을 가지고 있어, 7.6ℓ/분(2갤론/분)의 유속으로 물을 관이 유도코일로부터 나오기 시작하여 유도코일 출구로부터 약 8.4㎝(3.3인치) 이격되는 지점에서 가열된관의 표면상에 살포하게 된다. 상기 급냉링에 의한 급냉속도는 대략 약 900 내지 1000℃/초인 것으로 추정되었다.

또한, 제 2안내자(22) 이외에도 소둔실내에 출구측 조절이 자유로운 척(30)을 배치하였다. 이러한 시스템을 사용하여 3개의 중간크기의 관을 표 XI에 기재된 매개변수에 따라 베타 처리하였다.

[표 11]

*관이 코일을 나올 때로부터 급냉처리를 받을 때까지의 시간

이와같이 베타처리된 관을 후속으로 외경 17.8mm(0.7인치)??벽두께 1.78mm(0.07인치)의 크기를 가지도록 냉각 필거 제관법에 의해 가공하였으며, 그후에 일부관에 대하여 본 발명에 의한 유도 중간 소둔에 관한 상기 실시예들을 통해 설명한 바와같은 장치를 사용하여 유도 재결정화 소둔을 수행하였다.

이 경우에 적용한 소둔 매개변수를 표 XII에 기재하였다.

[표 12]

그후, 관을 최종크기의 연료(외경 9.5mm(0.374인치)??벽두께 0.58mm(0.02인치))으로 냉간 필거제관법에 의해 가공하였다. 이렇게 가공되면, 관은 적합하게 본 발명에 따른 유도 소둔 기술을 사용하여 응력제거 소둔, 부분 재결정화 소둔, 또는 완전 재결정화 소둔을 수행할 수 있다.

이러한 재료의 시료를 최종적으로 진공 응력 제거 소둔(약 466℃(870°F)에서 약 7.5 내지 9.5시간)을 수행하였다. 이러한 재료의 500℃, 105㎏/㎠1500psi)에서 24시간의 부식특성을 표 XIII에 기재하였다. 모든 시료는 시험후 기본적으로 흑색의 연속 산화물막(즉, 주요 표면상에 결절이 없는)을 가지고 있었다.

[표 13]

유사한 방식으로, 지르칼이 -2-의 중간크기의 관(외경 28.5mm(1.12인치)??벽두께 15.7mm(0.62인치))을 베타처리하고, 냉간 필거 제관법에 의해 가공하고, 본 발명에 따라849℃(1560°F)에서 유도 소둔하고(외경 17.0mm(0.67인치)??벽두께 2.54mm(0.1)인치의 관에 대해), 최종크기로 냉간 필거 제관법에 의해 가공하고, 그후에 진공 응력 제거 소둔을 수행하였다.(최종크기는 외경 12.2mm(0.482인치)??내경 10.6mm(0.418인치)였음). 그리고 난후, 이재료의 시료를 500℃, 105㎏/㎠(1500psi)의 증기로 24시간동안 부식시험하였다. 시험후의 검사에서, 모든 시료는 주요 표면상에 기본적으로 흑색의 연속산화막을 가지고 있었다.

결과적인 중량증가령을 표 XIV에 기재하였다.

중간 및/또는 최종 소둔으로서의 베타처리 후의 본 발명에 따라 유도 소둔을 사용하게 되면, 베타 처리후 종래의 진공 소둔을 사용한 경우에 관찰되는 것보다 석출입자가 조대하지 않은 석출물이 생성된다. 따라서, 베타 처리후에 수행하던 종래의 진공 소둔을 본 발명의 유도 소둔으로 대체하게 되면, 지르칼로이의 부식특성이 향상되는 것을 기대할 수 있다.

주:합금원소는 중량%로 표시하였으며,모든 불순물은 ppm으로 표시하였음.

수치범위는 주괴의 여러위치로부터 얻은 시험 결과치의 범위를 나타내며,괄호안의 수치는 관 외곽상에서 측정된 것임.

전술한 실시예에서 입자크기를 베타 입자크기 이전으로 감소시키기 위해서는 베타 처리 온도에서의 시간을 감소시켜야 한다는 것을 생각할 수 있다. 이것은 예컨데 급냉링을 유도 코일의 단부에 근접하도록 이동시키고, 관의 이송속도를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 따라서, 관은 유도 코일을 나올때로부터 2초 이내에, 보다 적합하게는 1초 이내에 급냉시켜야할 것으로 생각된다. 또한, 벽 전체를 통한 베타 처리는 벽일부분에 대한 베터 처리로 대체될 수 있다. 또한, 베타처리는 최종 크기가 되기 훨씬 이전의 다수의 냉간 필거 제관법에 의한 가공단계중 적어도 한 단계를 수행하는 도중의 최종 공정 직전에 수행할 수 있다.

이상의 설명 및 실시예에서는 본 발명을 냉간 필거 제관법에 의해 가공된 지르칼로이 관재에 적용하는 것으로 설명하였다. 당업자는 본발명에 따른 소둔 매개변수가 냉간 필거 체관법에 의한 가공 이전의 지르칼로이의 미세조직과 본문에서 설명한 소둔 공정과 동시에 발생하는 석출 경화반응에 의해 영향을 받을 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본문에서 설명한 소둔 매개변수는 처리될 재료의 정확한 조성에도 영향을 받을 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다. 본 발명에 따른 방법은 지르칼로이 -2 및 지르칼로이 -4가 아닌 지르코늄 및 지르코늄 합금 관재에도 적용할 수 있을 것이나, 이 경웅도 재료의 소둔 속도의 차이에 기인하여 적당한 변경을 하여 적용하는 것이 필요할 것이다. 특히, 본 발명은 내면에 결합된 지르코늄층 또는 다른 펠릿 피복 상호 반응 저항성 재료층을 가진 지르칼로이관에도 적용될 수 있을 것이다. 이 경우에도 유도 소둔에 의해 라이너의 입자크기에 대한 제어 및 응력 제거된 또는 부분 재결정화된 지르칼로이에 접합되는 완전 재결정화된 라어너를 재생가능하게 제조할 수 있는 능력이 개선될 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 제조된 관은 상승된 온도에서 서로 상하로 적재된 관의 중량 때문에 원하는 둥근단면이 변형될 수 있는 배치식 진공 소둔로에서 소둔된 관고 비교할 때 품질이 향상될 수 있다.

지금까지 설명한 실시에서는 제한된 실험설비로 인해 각각의 관의 전길이의 일부에 대해서만 유도 소둔을 수행할 수 있었다. 그러나, 당업자는 전술한 설명을 근거로 하여 각각의 관의 전길이에 걸쳐 유도 소둔을 수행할 수 있는 설비를 제작할 수 있을 것이다.

이상의 실시예는 본 발명으로부터 얻을 수 있는 이점을 분명하게 예시하고 있다. 본 발명의 다른 실시예는 명세서를 고찰하거나 본 발명을 직접 실행함으로써 당업자에게 명확해질 것이다. 이상의 실시예는 단지 예시를 위한 것이며, 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 이후의 특허청구의 범위에 기재된 것이다.

Claims

70％ 내지 85％ 냉간가공된 지르칼로이 관재의 알파 소둔 방법으로서, 상기 냉간가공된 지르칼로이 관재를 주사유도코일을 사용하여 초당 444℃를 초과하는 속도로 540℃와 900℃ 사이의 온도까지 급속가열하는 단계; 1초 미만 동안 상기 온도를 유지하는 단계 ; 및 그후 상기 지르칼로이 관재가 상기 코일로부터 나올 때 초당 2℃와 56℃ 사이의 속도로 상기 지르칼로이 관재를 냉각시키는 단계를 포함하여 상기 지르칼로이 관재의 미세 조직이 주로 냉각중에 변화되도록 함으로써 상기 미세 조직을 보다 양호하게 제어하는 것을 특징으로 하는 70℃ 내지 85℃ 냉간가공된 지르칼로이 관재의 알파 소둔방법.
70% 내지 85% 냉간가공된 지르칼로이 관재의 알파 소둔 방법으로서, 상기 냉간가공된 지르칼로이 관재를 주사유도코일을 사용하여 초당 1667℃를 초과하는 속도로 540℃와 900℃ 사이의 온도까지 급속가열하는 단계; 1초 미만동안 상기 온도를 유지하는 단계; 및 그후 상기 지르칼로이 관재가 상기 코일로 부터 나올 때 초당 2℃를 초과하지만 상기 가열속도의 1/10 미만인 속도로 상기 지르칼로이 관재를 냉각시켜 상기 지르칼로이 관재의 미세 조직이 주로 냉각중에 변화되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 70℃내지 85℃ 냉간가공된 지르칼로이 관재의 알파 소둔방법.
70% 내지 85% 냉간가공된 지르칼로이 관재의 알파 소둔 방법으로서, 상기 냉간가공된 지르칼로이 관재를 주사유도코일을 사용하여 초당 444℃을 초과하는 속도로 540℃와 900℃ 사이의 온도까지 급소가열하는 단계 ; 1초 미만동안 상기 온도를 유지하는 단계; 및 그후 상기 지르칼로이 관재가 상기 코일로부터 나올 때 초당 2℃와 56℃ 사이의 속도로 상기 지르칼로이 관재의 알파 소둔방법.
지르칼로이 관재의 응력 제거 소둔 방법으로서, 냉간 필거 제관법에 의해 가공된 지르칼로이 관을 출력상태의 유도코일을 따라 주사하여 초당 444℃를 초과하는 온도 상승 속도(a)로 최대온도(T₁)까지 상기관을 가열하는 단계; 1초 미만동안 상기 온도를 유지하는 단계; 상기 관이 상기 코일로부터 나오자마자 즉시 냉각속도(
)로 T₁-75℃ 이하의 온도까지 상기 관을 냉각시키는 단계 : Ao/A가 2와 6,7 사이에 있고 a≥10
일 때

의 조건을 만족하도록 T₁및
를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지르칼로이 관재의 응력제거 소둔방법.
지그칼로이 관재의 재결정화 소둔방법으로서, 냉간 필거 재관법에 의해 가공된 지르칼로이 관을 출력상태의 유도코일을 따라 주사하여 초당 444℃를 초과하는 온도 상승 속도(a)로 최대온도(T₁)까지 상기 관을 가열하는 단계: 1초 미만 동안 상기 온도를 유지하는 단계 ; 상기 관이 상기 코일로부터 나오자마자 즉시 냉각속도(
)로 T₁-75℃ 이하의 온도까지 상기 관을 냉각시키는 단계; Ao/A가 2와 6,7 사이에 있고≥10
일 때

의 조건을 만족하도록 T₁및
를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지르칼로이 관재의 응력제거 소둔방법.
제5항에 있어서,

의 조건을 만족하도록 상기 공정을 제어함으로서, 상기 소둔 방법에 의해 부분 재결정화된 미세 조직이 생성되는 것을 특징으로 하는 지르칼로이 관재의 재결정화 소둔방법.
제5항에 있어서,

의 조건을 만족하도록 상기 공정을 제어함으로서, 상기 소둔 방법에 의해 부분 재결정화된 미세 조직이 생성되는 것을 특징으로 하는 지르칼로이 관재의 재결정화 소둔방법.