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문제 정의
- 본 연구의 목적은 SFR 핵연료 피복관 재료로 개발한 국산 중형 HT9 단조품에 대한 미세조직 및 기계적 성질을 평가, 분석하는데 있다. 위치에 따른 단조품의 미세조직 분석 및 미세 경도 평가와 아울러 냉각속도에 따른 단조품의 미세조직학적 특성에 대한 고찰을 수행하였다.
- 본 연구의 목적은 SFR 핵연료 피복관 재료로 개발한 국산 중형 HT9 단조품에 대한 미세조직 및 기계적 성질을 평가, 분석하는데 있다. 위치에 따른 단조품의 미세조직 분석 및 미세 경도 평가와 아울러 냉각속도에 따른 단조품의 미세조직학적 특성에 대한 고찰을 수행하였다.
제안 방법
- 가공한 HT9 단조품은 중심부를 기준으로 반경방향으로 12~15mm 간격으로 5 mm의 폭으로 절취하여 중심부위를 기준으로 미세조직 관찰 및 미세경도 값을 측정하였다. 시편은 최대 2400번 거칠기를 갖는 연마지를 사용하여 단계적으로 표면 연마한 후, 마지막으로 0.
- 앞 절에서 나타난 바와 같이 HT9 잉곳을 고온에서 열간단조 후에 공랭한 결과, 반경방향으로 서로 다른 분율의 페라이트 상이 관찰되었으며 이러한 페라이트 상의 존재가 단조품의 기계적 성질을 저하시키게 된다. 단조품 및 열처리한 HT9 시편에 대하여 반경방향으로 형성된 페라이트 상을 정량화하기 위하여 광학현미경으로 촬영한 화상에 대한 분석을 통하여 페라이트 상의 면적분율을 측정하였다. Fig.
- 표면 연마한 시편은 5% 질산에 2% 불산이 함유된 수용액에 일정시간 담궈 표면을 에칭한 후, 광학현미경을 이용한 미세조직 관찰을 수행하였다. 미세경도는 Akashi HM-122 비커스 미세경도기를 이용하여 중심부위부터 약 500 ㎛ 간격으로 500 g의 하중으로 측정하였다. 미세조직에서 관찰된 각 상의 면적분율을 정량화하기 위하여 화상분석 도구를 이용한 분석을 실시하였다.
- 미세경도는 Akashi HM-122 비커스 미세경도기를 이용하여 중심부위부터 약 500 ㎛ 간격으로 500 g의 하중으로 측정하였다. 미세조직에서 관찰된 각 상의 면적분율을 정량화하기 위하여 화상분석 도구를 이용한 분석을 실시하였다. 위치별로 현미경 사진을 무작위로 최소 5매 이상 추출하여 Matrox inspector 2.
- 가공한 HT9 단조품은 중심부를 기준으로 반경방향으로 12~15mm 간격으로 5 mm의 폭으로 절취하여 중심부위를 기준으로 미세조직 관찰 및 미세경도 값을 측정하였다. 시편은 최대 2400번 거칠기를 갖는 연마지를 사용하여 단계적으로 표면 연마한 후, 마지막으로 0.5㎛ 입도를 갖는 알루미나 현탁액을 사용하여 표면 마감처리 하였다. 표면 연마한 시편은 5% 질산에 2% 불산이 함유된 수용액에 일정시간 담궈 표면을 에칭한 후, 광학현미경을 이용한 미세조직 관찰을 수행하였다.
- 미세조직에서 관찰된 각 상의 면적분율을 정량화하기 위하여 화상분석 도구를 이용한 분석을 실시하였다. 위치별로 현미경 사진을 무작위로 최소 5매 이상 추출하여 Matrox inspector 2.1 모델을 이용하여 단조품에 대한 위치별 각 상의 면적분율을 측정하였다.
- 이러한 단조품 시편에 대한 기계적 성질을 정량적으로 평가하기 위하여 단조품을 반경방향 및 길이방향으로 절취한 후 표점거리 25 mm와 두께 1 mm 인장시험편으로 가공하여 ASTM E8에 따라 상온 및 정상상태의 SFR 핵연료 설계온도인 650℃에서 인장시험을 수행하였다. Fig.
- 열간단조 후 공랭되는 과정 중에 위치에 따른 냉각 성능의 차이에 따라 반경방향으로 페라이트 상의 분율이 변화하게 된 것으로 사료된다. 이러한 위치에 따른 페라이트 상형성 기구를 배제하기 위하여 단조품에서 중심부를 기준으로 반경방향으로 12~15mm 간격으로 5 mm의 폭으로 절취한 후 진공 분위기에서 1050℃ 1시간 노말라이징 (Normalizing) 및 750℃에서 1시간 템퍼링 (Tempering) 처리 후 반경방향으로 미세조직 변화를 관찰하였다. Fig.
- 핵연료 피복관은 합금용해 및 단조 후 중공빌렛(hollow billet)을 제조하여 열간압출 및 필거링, 복수의 냉간인발 및 열처리 공정을 통하여 만들어진다. 이러한 피복관 시제품 제작에 필요한 제반 기술을 개발하고자 국내 산업체와 연계하여 1.1톤 규모의 중형 HT9 합금을 제조하였다. 실험실 규모로 HT9 합금을 용해하여 피복관 제조 관련 제반 연구를 수행한 바 있으나[9] 시제품 규모의 중형 HT9 단조품에 대한 금속조 직학적 이해는 아직 부족한 실정이다.
- 차세대 원자로인 SFR 핵연료 피복관으로 유력하게 고려되고 있는 중형 크기의 HT9강 (12Cr-1MoWV)을 제조하였으며 냉각속도에 따른 위치별 미세조직의 변화와 함께 미세 경도를 통하여 기계적 물성의 변화를 평가하였다. 160 mm 환봉으로 열간단조 후 공랭한 결과, 조성에 의한 소량의 델타 페라이트 (2~3%)의 형성과 함께 중심부위에서 최대 15% 의 변태 페라이트가 형성되었으며 반경방향으로 갈수록 그 분율이 감소하였다.
- 3%의 변태 페라이트를 함유하다가 외부로 갈수록 그 분율이 낮아지기 시작하여 약 2~4%의 변태 페라이트 상을 갖게 된다. 측정한 값의 신뢰성을 확인하기 위하여 해당 제원에 맞는 냉각곡선을 모델링한 후에 시간-온도-변태 선도(TTT diagram)에 대입하여 비교하였다. 반지름 R을 갖는 환봉이 냉각할 경우, 시간 t에 따른 환봉 내 반경 r의 온도분포는 이론상 다음의 관계식을 따른다[11].
- 5㎛ 입도를 갖는 알루미나 현탁액을 사용하여 표면 마감처리 하였다. 표면 연마한 시편은 5% 질산에 2% 불산이 함유된 수용액에 일정시간 담궈 표면을 에칭한 후, 광학현미경을 이용한 미세조직 관찰을 수행하였다. 미세경도는 Akashi HM-122 비커스 미세경도기를 이용하여 중심부위부터 약 500 ㎛ 간격으로 500 g의 하중으로 측정하였다.
대상 데이터
- Table 1은 시험재료의 화학조성을 나타낸 표이다. 시험재료는 1.1톤의 규모로 포스코특수강(주)에서 진공유도 용해하여 잉고트로 제조하였다. 제조된 잉고트는 표면을 연마한 후, 1170℃에서 가열 및 열간 단조 후 공랭하여 직경이 160 mm에 길이가 7 m를 갖는 HT9 환봉으로 가공하였다.
성능/효과
- 차세대 원자로인 SFR 핵연료 피복관으로 유력하게 고려되고 있는 중형 크기의 HT9강 (12Cr-1MoWV)을 제조하였으며 냉각속도에 따른 위치별 미세조직의 변화와 함께 미세 경도를 통하여 기계적 물성의 변화를 평가하였다. 160 mm 환봉으로 열간단조 후 공랭한 결과, 조성에 의한 소량의 델타 페라이트 (2~3%)의 형성과 함께 중심부위에서 최대 15% 의 변태 페라이트가 형성되었으며 반경방향으로 갈수록 그 분율이 감소하였다. 환봉직경 변화에 따른 민감도 평가 결과, 환봉의 직경을 160 mm에서 120 mm로 감소시켰을 때 중심부위에서 변태에 의한 페라이트가 형성되지 않음을 예측하였다.
- 열간압출가공량은 공정 전 후 면적비의 변화를 이용하여 평가할 수 있으며 동일한 형상 및 축척으로 변화할 경우, 가공 전후의 반경 변화로 근사하여 평가할 수 있다. 냉간 인발 이전에 성형하는 피복관 중간제품의 제원이 약직경 19 mm로 가공 되는 것을 감안하면 본 연구에서 환봉의 크기를 160 mm에 서 120 mm로 감소시킬 때 가공량이 88%에서 84%로 그 감소폭이 크지 않아 앞서 상술한 석출물 형성기구에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 예상한다.
- 본 연구에서 사용한 합금조성을 바탕으로 계산한 크롬 당량과 니켈 당량은 각각 13.38과 6.36으로 이를 Schaeffler diagram에 대입시 약 2~3%의 델타 페라이트가 형성될 수 있는 것으로 조사되었으며 본 연구에서 얻은 값과 그 경향이 일치하였다[8]. 열간단조 후 냉각한 재료의 경우 조성에 의한 델타 페라이트 상 외에 열전달 차이에 의하여 형성되 는 변태 페라이트 상을 함유한 반면, 열간 단조품에서 일부 채취하여 노말라이징 및 템퍼링 수행한 시편은 고른 냉각에 따라 변태 페라이트 형성이 억제되고 조성에 의한 델타 페라이트 상만 함유할 것으로 생각된다.
- 중 심부위인 1 mm 위치에서 페라이트 상이 기지조직처럼 형성되어 있으며 마르텐사이트 상이 섬처럼 형성되어 있는 것이 관찰되었다. 중심부위에서 멀어질수록 페라이트 상의 분율이 감소하는 것이 관찰되었으며 단조품 외면에서는 기지조직으로 형성된 마르텐사이트 상 경계에 페라이트 상이 발달된 것이 관찰되었다. 열간단조 후 공랭되는 과정 중에 위치에 따른 냉각 성능의 차이에 따라 반경방향으로 페라이트 상의 분율이 변화하게 된 것으로 사료된다.
- 160 mm 환봉으로 열간단조 후 공랭한 결과, 조성에 의한 소량의 델타 페라이트 (2~3%)의 형성과 함께 중심부위에서 최대 15% 의 변태 페라이트가 형성되었으며 반경방향으로 갈수록 그 분율이 감소하였다. 환봉직경 변화에 따른 민감도 평가 결과, 환봉의 직경을 160 mm에서 120 mm로 감소시켰을 때 중심부위에서 변태에 의한 페라이트가 형성되지 않음을 예측하였다.
후속연구
- 이와 같이 160 mm 환봉으로 열간단조 후 냉각시 변태에 의한 페라이트가 환봉 중심부에서 필연적으로 형성되며 이러한 페라이트는 기계적 물성을 저하시키는 요인으로 작용 할 뿐만 아니라 형성된 페라이트를 제거하기 위한 부가적인 열처리 공정이 필요한 단점이 발생한다. 이에 환봉의 크기를 줄여 냉각능력을 개선하면 nose를 피하여 냉각시켜 변태 페라이트 형성을 억제시킬 수 있을 것으로 예상된다. 환봉 크기의 변화에 따른 중심부위의 온도변화를 Fig.
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