KR950013827B1 - 지르코늄 합금판의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

지르코늄 합금판의 제조 방법

도면은 본 발명의 방법이 적용되는 판의 개략 도시도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 판 12 : 보스(boss).

본 발명은 원자로내 환경(가압수형 원자로에서 1차 회로의 붕소 함유수)에 대한 내식성과 고온에서의 기계적 특성이 지속되어야 하는 원자로 구조부재용 지르코늄 합금판의 제조방법에 관한 것이다.

지르코늄 기초 합금은 특히 상품명"지르칼로이(zircaloy)"로 잘 알려져 있으며 원자로에 광범위하게 사용되고 있다. 그중에서 현재 광범위하게 사용되고 있는 "지르칼로이 4"는 지르코늄에 부가하여 주석, 철 및 크롬을 포함하고, 니켈 함량은 그에 반해 통상 70ppm 이하로 극히 낮다. "지르칼로이 4"는 또한 불가피한 불순물에 더하여 첨가원소, 특히 탄소를 포함하는데, 안정된 상태에서 80 내지 270ppm의 탄소는 기계적 특성을 향상시킨다.

종래부터 지르코늄 기초합금의 기계적 또는 화학적 성질을 향상시키기 위한 많은 처리법이 제안되어 왔다. 이러한 처리법은 프랑스 특허 제1,525,276호, 제1,327,734호, 제2,307,884호, 제2,019,129호 및 제2,219,979호에 기재된 것을 예로 들 수 있다. 대부분의 처리법은 합금에 고온 크리프에 대한 고저항을 부여하여 이러한 합금으로 형성된 피복재가 파열되는 위험성을 적합하게 감소시키는 것이다. 그러나 이러한 결과는 일반적으로 합금의 다른 특성을 회생시키면서 얻어졌고, 특히 합금을 시이트로 냉간 가공할 때에 바람직하지 않은 영향을 미쳤다.

그밖에 영국 특허 제997,761호는 "지르칼로이 4"와는 전혀 다른 니오브를 함유하는, 지르코늄 합금을 개선시키기 위한 방법을 특별히 설명하고 있다. 여기에는 산소를 도입하는 단계와, 산소도입과 밀접하게 관련된 시효처리(aging) 단계와, 그후의

칭 단계가 본질적으로 포함되어 있다. 또한 프랑스 특허 제1,307,550호는 내식성을 향상시키기 위하여 니오브를 함유하는 지르코늄 합금의 열처리에 대해서 설명하고 있다. 그러나 이것은 결정화 온도 이상에서 수행되는 것으로 나타나 있다.

본 발명의 목적은 최종 단계가 스트립의 냉간 가공으로 구성되는 개량된 판제조방법을 제공하는 것이고, 특히 본 목적을 위해서 프레싱 및 스탬핑과 같은 냉간가공 작업에 의한 최종형상화가 가능하도록 전연성 및 품질이 만족스러운 판을 성형하는데 요구되는 두 특성 모두를 갖는 스트립을 제공하는 것이다.

상기 목적을 위해, 열간 압연으로 스트립을 성형하고, 고속 냉간 해머링으로 냉간 압연하여 소정 두께의 판을 형성한 후 절단하여, 냉간 성형하며, 내부 인장력을 제거하기 위해 지르코늄 기초 합금의 재결정화 온도 이하의 온도에서 재가열하는 방법을 제공한다.

특히 핵연료 요소를 유지하기 위한 그리드에 판이 일체로 형성되고 또 그 요소와 결합하기 위한 보스를 갖는 경우에는, 지진중 나타나는 힘에 견디기 위한 높은 기계적 강도를 달성하고 크리프를 없애기 위하여 판은 스트립의 압연 방향에 대해 가로방향으로 절단한다.

본 발명은 특히 "지르칼로이 4"타입의 합금에 적용할 수 있는데, 이러한 경우 재가열은 440 내지 490℃에서 2 내지 100시간, 일반적으로는 460℃에서 24시간동안 행한다. 이와 같은 처리는 냉간 해머링된 금속의 성질에 근접한 성질을 제공하는데, "지르칼로이 4"의 재결정은 500℃에서 시작한다.

본 발명은 본원에서 참조하는 프랑스 특허 제2,533,352호의 주요부를 이루는 종류의 그리드용으로 의도한 판을 형성하는데 특히 유용한 방법에 대한 하기의 설명으로부터 더 잘 이해할 수 있을 것이다.

도면을 참조하면, 판(10)은 2개의 냉간 경로(스탭핑 및 펀칭)에서 프레싱함으로써 형성된 보스(12)를 규칙적인 간격으로 포함한다. 이러한 판은 통상 두께가 0.3 또는 0.4㎜로서 그리드의 내부 스페이서를 형성하는데, 그리드의 프레임은 보통 더 두꺼운 0.6 또는 0.8㎜의 스트립으로 만들어진다.

일단 성형된 판은 방사선하에서 횡방향 치수 증가가 적어야 하고 기계적 강도가 높아야 하며 보스의 크리프가 없어야 한다. 이러한 상태를 충족시키기 위하여 판(10)으로 절단되는 스트립은 315℃에서 다음의 최소 특성을 가져야 하는 것으로 추정된다.

0.2%에서 탄성응력한계 E : 250MPa

파괴하중 : 280MPa

더우기 상온에서의 인장하에 균일하게 분포된 연신률은 최소 4%로 하여 특히 도면에 도시한 종류의 보스(12)를 형성하기 위하여 스탬핑 및 벤딩에 의한 형상화가 허용되도록 한다. 이러한 연신률은 냉간가공에 의해 발생된 전위의 대부분을 제거하기 위해 재가열함으로써 지르칼로이를 완전히 재결정화하여 얻을 수 있는 것으로서, 즉 315℃에서 기계적 특성이 감소되고, 특히 0.2%에서 탄성 응력 한계가 약 90MPa로 떨어지는데, 이러한 기계적 특성의 저하는 그리드에 핵연료요소를 장입하는 동안 판의 영구적인 소성변형을 일으킨다. 방사선에의 노출에 따르는 감성작용의 가속화는 연료 소자를 유지하는 힘을 감소시킨다.

본 발명의 방법은 공칭함량이 주석 1.5%, 철 0.21% 크롬 0.10%인 지르칼로이 4를 사용할 경우 냉간 변형성질과 방사선에의 노출하의 고온시의 저항 사이에 만족스러운 절충을 제공하는데, 그 방법의 연속 공정은 이후 설명한다.

진공 또는 불활성 분위기에서 용해하여 얻은 지르칼로이 4잉곳(ingot)을 일반적으로 사용하고 β영역으로 부터 압연 또는 단조로써 변형시켜 두께가 약 100㎜인 빌렛을 얻는다. 850 내지 950℃의 온도에서 프랑스 특허 제1,525,276호에 기재된 종류의 α 및 β상 열간 압연 공정을 이용하면 두께가 20 내지 30㎜로 감소된다. 이렇게 얻는 스트립은 β상에서 균질화시키고

칭한 다음 열간 압연하여 두께를 예컨대 6㎜로 감소 시킨다. 일련의 냉간 압연, 그리스(grease)제거, 진공하의 재가열, 그리고 최종적으로 재결정화의 단계에 의하면 상기 언급한 판 두께가 요망되는 경우에 스페이서 플레이트에 대해서는 0.9㎜, 프레임 플레이트에 대해서는 1.25㎜의 판 두께가 얻어질 수 있다.

그런다음 최종의 기계적 처리는 냉간 해머링 비율이 적어도 35%인 냉간 압연으로 행하는데, 이에 따라 두께는 1.25㎜ 내지 0.6㎜ 또는 0.9㎜ 내지 0.4㎜로 된다. 1축 변형되는 이러한 냉간 해머링 비율은 냉간 압연동안 발휘된 인장력과 두께 방향에서의 압축 사이에 일정비율이 유지되도록 하는 현재 시판중인 장비를 사용하여 50%로 증가될 수도 있다.

이렇게 얻은 스트립은 원자로에서 결과적인 거동의 관점에서 보면 극히 양호한 기계적 화학적 성질을 갖는다. 그러나 그 전연성은 냉간 스탬핑 하기에는 불충분하다. 이러한 전연성은 스트립을 장기간, 통상 24시간 동안 460℃의 온도, 즉 재결정화가 시작되는 그 이하의 온도에서 응력을 제거하기 위해 재가열함으로써 개선되고 또 충분하게 된다. 다른 고온 처리 공정과 마찬가지로 이러한 재가열은 산화를 피하기 위해 진공층중에서 행한다.

이렇게 얻은 스트립은 1) 수직 평면으로부터 기준평면으로, 즉 수직 방향으로부터 압연 방향으로 15 내지 20

의 편향과 2) 압연방향에 평행한 방향의

두가지를 갖는 구조를 갖는다.

이와 같은 구조의 부재는 압연 방향으로 변형하기 좋고, 또 스트립의 길이 방향에서 보다는 스트립의 가로 방향으로 더 약해지는 방사선 조사하의 성장에 유리하다. 이러한 특성을 고려하여 판은 방사선 조사하의 연신을 제한하고 또 다공성과 균열이 없는 압연체를 얻기 위해 가로방향으로 전달된다.

스트립은 결과적으로 현재 보통 사용되는 조립체용 판의 길이와 동일한 폭, 즉 240㎜의 폭을 갖도록 성형된다.

Claims (2)

1. 연료 조립체내에 핵연료 요소를 유지하기 위한 그리드용 지르코늄 기초 합금판의 제조 방법에 있어서, 상기 지르코늄 합금판은 지르코늄 및 불가피한 불순물에 부가하여 주석, 철, 크롬을 함유하고 가능한 80 내지 270ppm의 탄소를 함유하는 β상의 잉곳을 열간 압연하여 제조되며, 상기 방법은, 열간 압연에 의해 지르코늄 합금 스트립을 성형하는 단계와, 상기 스트립을 냉간 압연하는 단계와, 상기 냉간 압연된 스트립을 내부 응력이 제거되기에 충분한 시간 동안 재결정화 온도 이하의 온도에서 재가열하여 인장응력을 제거하는 단계와, 기계적 강도를 높이고 크리프를 낮추기 위해 상기 스트립의 판을 판 길이가 스트립의 압연 방향에 대해 가로방향으로 되도록 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금판의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 재가열은 440 내지 490℃의 온도에서 2 내지 100시간동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금판의 제조 방법.

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