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문제 정의
- 5Zr/STS316L강에 대한 최적 마찰용 접재의 인장 강도는 Cu합금(430MPa)의 경우보다 약 8% 정도 높았다. 따라서 본 연구에서는 최적 마찰용 접 조건 하에서 용접된 시험편을 이용하여 다음의 검토를 행하였다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 원자로 부풉 등에 사용되는 Cu합금(Cu-1Cr-0.5Zr)과 STS316L의 봉대봉 이종재 마찰용접을 수행하여 최적 마찰용 접조건을 결정하고 Cu-1Cr-0.5Zr/STS316L 마찰용 접재의 고온인 장 시험과 단시간 고온 크리프 파단 시험을 수행하여, 고온인장 및 크리프 파단 특성을 검토하였다.
- 본 연구 중 마찰용접시험에 사용된 마찰용접 기계는 TOHO TH-25 연속 구동 브레이크형(continuous drive brake type)이며 , 크리프 시험기는 정적 및 동적 하중하의 고온 크리프 시험이 가능한 실험장치로써, 최고 온도 1,093℃의 고온 크리프, 응력 및 완화시험(stress and relaxation test)과 인장 및 압축시험이 가능한 미국 SATEC 사의 크리프 시험기(DLF-10, 5ton)를 사용하였다. 단시간 크리프 파단 시험의 연신은 신장계(extensometer) 와 LVDT(linear variable displacement transformer)로써 즉정하여 시험기 자체에 연결되어 있는 기록계를 통하여 크리프 곡선을 그렸다. 시험 편의 가열공정은 무부하상태에서 실험 온도(300, 400, 500℃)까지 약 9.
- 단시간 크리프 파단 시험의 연신은 신장계(extensometer) 와 LVDT(linear variable displacement transformer)로써 즉정하여 시험기 자체에 연결되어 있는 기록계를 통하여 크리프 곡선을 그렸다. 시험 편의 가열공정은 무부하상태에서 실험 온도(300, 400, 500℃)까지 약 9.6℃/min으로 가열하였으며, 부하를 걸기 전에 시험로(furnace)의 온도분포가 균일하게 유지되도록 각 실험 온도에서 30분간 온도를 유지시킨 후 하중을 작용시켜 크리프 파단 실험을 수행하였다. 또한, 실험 중에는 실험 온도의 ± 1℃범위 이내로 유지하면서 실험하였으며, 초기 연신율(initial strain)은 문헌7,8)에 의하여 하중을 가한 후 1분이 되었을 때의 연신율로 정의하였다.
- 본 실험에서 사용된 마찰용접의 변수는 회전수(n), 마찰가열압력(P1), 단조가압력(P2), 마찰가열시간(t1), 단조가압시간(t2)등이며, 이종 마찰용접재 Cu-1Cr-0.5Zr/STS316L의 마찰용접을 위한 최적 마찰가열 압력과 최적단조가압력을 결정하기 위하여 여러 문헌과 실험 데이터를 참고로 하여 마찰가열시간(t1) 3초, 가압시간(t2)6초, 회전수(n) 2000rpm으로 일정하게 하여 Table 3의 조건으로 마찰용접 을 수행하여 Table 4와 같은 상온에서의 인장 시험 결과를 얻었다. 이 결과로부터 최적의 P1, P2는 각각 80, 140MPa로 결정되었다.
- 원자로 부풉용 재료인 CulCr0.5Zr과 STS316L의 이종재 마찰용접을 수행하여 최적 마찰용 접조 을 결정하여, 고온인 장 시험과 단시간 고온 크리프 시험을 수행하여 고온인장 및 크리프 특성을 살펴보았다. 결론을 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 Cu합금(Cu-1Cr—0.5Zr)은 약 1%의 Cr과 약 0.5%의 Zr을 함유하는 합금으로 높은 강도와 우수한 열적-전기적 전도성을 가진 재료이다. 또한 스테인리스강(STS316L)은 저탄소 스테인리스 강으로 입계부식에 강하고, Mo의 첨가로 비산화성산에 강하고 공식에 강한 특성이 있는 재료이다.
- 본 연구 중 마찰용접시험에 사용된 마찰용접 기계는 TOHO TH-25 연속 구동 브레이크형(continuous drive brake type)이며 , 크리프 시험기는 정적 및 동적 하중하의 고온 크리프 시험이 가능한 실험장치로써, 최고 온도 1,093℃의 고온 크리프, 응력 및 완화시험(stress and relaxation test)과 인장 및 압축시험이 가능한 미국 SATEC 사의 크리프 시험기(DLF-10, 5ton)를 사용하였다. 단시간 크리프 파단 시험의 연신은 신장계(extensometer) 와 LVDT(linear variable displacement transformer)로써 즉정하여 시험기 자체에 연결되어 있는 기록계를 통하여 크리프 곡선을 그렸다.
성능/효과
- 5Zr/STS316L의 마찰용접을 위한 최적 마찰가열 압력과 최적단조가압력을 결정하기 위하여 여러 문헌과 실험 데이터를 참고로 하여 마찰가열시간(t1) 3초, 가압시간(t2)6초, 회전수(n) 2000rpm으로 일정하게 하여 Table 3의 조건으로 마찰용접 을 수행하여 Table 4와 같은 상온에서의 인장 시험 결과를 얻었다. 이 결과로부터 최적의 P1, P2는 각각 80, 140MPa로 결정되었다.
- 3에 나타낸다. 모재의 경도값은 STS316L이 CulCr0.5Zr보다 높게 나타났으며, STS316L측의 용접계면(weld interface)에서 최고의 경도치를 보였다. 이는 용접면 부근에서 마찰용 접시 국부가열과 급냉 및 단조 효과에 의한 경도치의 상승이라 사료된다.
- 4는 마찰용 접재의 인장파단의 마크로 사진을 보여준다. 연신율은 상온에서 30%, 400℃에서 10%, 500℃에서 16%로 이는 마찰열에 의한 취성화와 고온에서의 Cu합금측 열 영향부의 취화로, 고온(400, 500℃)에서 상온보다 연신율이 낮온 것으로 사료되며, 500℃에서는 400℃보다 연신율이 더 높은 결과를 보였다. 이는 고온연화 현상이 일어난 것으로 사료된다.
- 그리고 Table 5는 300°C, 400℃, 500℃에서 단시간 크리프 파단 시험을 통하여 얻은 결과의 데이터를 응력(σ, MPa), 초기 변형률(ε0, %), 파단시간 tr(h)과 함께 나타내었다. 이상에서 알 수 있듯이 대체로 크리프 변형은 작용 응력이 클수록 증가함을 알 수 있고, 크리프 변형 거동은 시험조건, 즉 온도, 응력 등에 따라 변한다는 것을 알 수 있다. 그리고 동일 온도 하에서 응력이 증가함에 따라 초기연신율 온 모두 증가하는 것으로 나타났다.
- 이상에서 알 수 있듯이 대체로 크리프 변형은 작용 응력이 클수록 증가함을 알 수 있고, 크리프 변형 거동은 시험조건, 즉 온도, 응력 등에 따라 변한다는 것을 알 수 있다. 그리고 동일 온도 하에서 응력이 증가함에 따라 초기연신율 온 모두 증가하는 것으로 나타났다. 이는 타 재료의 마찰용 접재의 경우와 같은 결과를 보여주고 있다.
- 1.실험으로부터 구한 CulCr0.5Zr/STS316L의 최적 마찰용 접조건은 마찰가열 시간 3초, 가압시간 6초, 회전수 2000rpm으로 일정하게 하여 구한 최적의 P1, P2 각각 80, 140MPa로 결정되었다.
- 2.상온에서는 마찰용 접재가 모재 Cu—1Cr—0.5Zr 합금의 경우보다 인장강도가 약 8% 높게 나타났으나, 300에서 600℃의 온도 범위에서는 오히려 더 낮게 나타났다. 또한 고온에서 온도의 증가에 따라 강도는 선형적으로 감소하는 경향이었다.
- 3. Cu-1Cr-0.5Zr/STS316L 마찰용 접재의 경도는 STS316L측이 Cu-1Cr-0.5Zr측보다 높게 나타났으며, STS316L측의 용접계면에서 최고치를 보였다.
- 4.마찰용접재에 대한 단시간 크리프 시험에서 응력과 파단시간 사이에는 멱수법칙이 존재함을 알 수 있으며, 즉 양대 수 좌표 평면상에서는 직선의 상관관계가 성립하였고 그 기울기는 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향이었다.
- 5. 응력과 초기 연신율 사이에도 양대 수 좌표 경면 상에서 직선의 상관관계가 성립하였으며, 초기 연신율은 응력이 높아질수록 증가하였다.
- 6.크리프 파단 시간과 초기 연신율 사이에도 어떤 상관관계가 존재하는 것처럼 보였으며, 본 실험의 동일 온도에서 초기 연신율이 증가하면 파단시간이 감소하는 경향을 보였다. 그러나 이에 대한 고찰이 더욱 요구된다.
후속연구
- 이들 재료는 원자로 내의 고온 및 부식과 방사선의 분위기에 노출될 뿐 아니라, 특히 고온(300 ~500℃)에서의 크리프가 문제로 될 수 있다. 그러므로 이들 용접재에 대한 고온의 기계적 성질은 물론, 크리프 특성 및 크리프 안전수 명 예측에 관한 연구가 필요하다.
- , 특히 마찰용 접재에 대한 고온인장 및 크리프 특성에 대한 연구는 국내외적으로 거의 없는 실정이다. 그러므로 고온에 대한 인장성질과 크리프 특성 및 수명을 예측할 수 있다면, 부품의 설계, 제작, 유지 및 관리 보수를 위한 중요한 참고자료가 될 것으로 기대된다.
- 의 연구결과와 도 매우 유사하다. 그러나 초기 연신율의 정의와 본 실험에 대한 외력의 크기 등에 의하여 실제 장시간에서도 이와 같이 초기 연신율과 파단시간과의 상관이 성립할 것인지는 앞으로 연구할 필요가 있다.
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