KR101776644B1 - 중성자 흡수능이 우수한 합금용 니켈-가돌리늄 모합금 - Google Patents

중성자 흡수능이 우수한 합금용 니켈-가돌리늄 모합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 니켈-가돌리늄 모합금을 이용하여 철-니켈-가돌리늄 합금을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 니켈-가돌리늄 모합금을 제조하는 단계 및 철 모재에 상기 니켈-가돌리늄 모합금을 첨가하여, 상기 철-니켈-가돌리늄 합금을 제조하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 니켈-가돌리늄 모합금은 상기 니켈-가돌리늄 모합금 총 중량 대비 10 내지 90wt%의 니켈 및 10 내지 90wt%의 가돌리늄으로 이루어지고, 상기 철-니켈-가돌리늄 합금을 제조하는 단계는 상기 철-니켈-가돌리늄 합금 총 중량 대비 80 내지 98wt%의 철 모재에 2 내지 20wt%의 니켈-가돌리늄 모합금을 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금의 제조방법을 제공한다.

Description

중성자 흡수능이 우수한 합금용 니켈-가돌리늄 모합금{Ni-Gd master alloy for alloy having excellent neutron absorption ability}
본 발명은, 중성자 흡수능이 우수한 합금용 니켈-가돌리늄 모합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 니켈-가돌리늄 모합금을 이용하여 철-니켈-가돌리늄 합금을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 핵 연료를 보관하기 위한 캐스크(cask)는 모재가 되는 소재 외에 중성자를 흡수할 수 있는 소재를 포함한다. 중성자를 흡수할 수 있는 소재로는 붕소가 있으며, 이와 관련된 선행문헌으로 미국 등록특허 제6602314호(발명의 명칭 : Aluminum composite material having neutron-absorbing ability)가 있다. 그러나 붕소는 장시간 중성자를 흡수할 경우 헬륨(He4 +)으로 변하면서 분해될 가능성이 있다.
중성자 흡수 소재로서 붕소 대신 가돌리늄을 이용하는 것을 고려할 수 있다. 이는 가돌리늄의 중성자 흡수능이 붕소의 중성자 흡수능보다 약 66배가 높은 것으로 알려져 있기 때문이다. 핵 연료 보관용 캐스크 소재는 가돌리늄 및 모재(예를 들어, 철 모재)를 함께 용융한 다음, 융융되어 생성된 용탕을 냉각함으로써 제조될 수 있다. 그러나 가돌리늄의 융점은 약 1323℃이기 때문에, 가돌리늄이 모재에 첨가될 경우, 용융되지 못한 가돌리늄이 모재에서 편석될 수 있다. 가돌리늄이 모재에서 균일하게 분포되지 않고 편석될 경우, 가돌리늄의 중성자 흡수능은 제대로 발휘되기 어렵다. 또한 가돌리늄은 산소와의 반응성이 높은 소재이다. 이는 가돌리늄 및 모재가 용융되는 과정에서, 가돌리늄이 대기 중 산소와 반응하여 대기로 증발되거나, 원하지 않는 상인 가돌리늄 산화물 상이 생성될 수 있다는 것을 의미한다.
미국 등록특허 제6602314호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 붕소가 중성자 흡수능이 열등하고 중성자 흡수능을 장시간 발휘할 수 없다는 제1문제점, 가돌리늄이 융점이 높고 산소와의 반응성이 높아 핵 연료 보관용 캐스크 소재와 같은 소재 제조 시 어려움이 있다는 제2문제점을 해결하려 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 문제점을 해결하기 위해 안출되는 본 발명은, 니켈-가돌리늄 모합금을 제조하는 단계 및 철 모재에 상기 니켈-가돌리늄 모합금을 첨가하여, 철-니켈-가돌리늄 합금을 제조하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 니켈-가돌리늄 모합금은 상기 니켈-가돌리늄 모합금 총 중량 대비 10 내지 90wt%의 니켈 및 10 내지 90wt%의 가돌리늄으로 이루어지고, 상기 철-니켈-가돌리늄 합금을 제조하는 단계는 상기 철-니켈-가돌리늄 합금 총 중량 대비 80 내지 98wt%의 철 모재에 2 내지 20wt%의 니켈-가돌리늄 모합금을 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 니켈-가돌리늄 모합금은 상기 니켈-가돌리늄 모합금 총 중량 대비 10 내지 20wt%의 니켈 및 80 내지 90wt%의 가돌리늄으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 니켈-가돌리늄 모합금을 제조하는 단계는, 니켈 및 가돌리늄을 진공용해로에 장입하는 단계, 상기 진공용해로의 내부를 10-5 내지 10- 4Torr의 진공도로 진공화하는 단계, 상기 진공용해로의 내부에 불활성 가스를 공급하는 단계, 상기 니켈 및 상기 가돌리늄을 가열 및 용해하여 니켈-가돌리늄 모합금 용탕을 형성하는 단계, 및 상기 니켈-가돌리늄 모합금 용탕을 상기 진공용해로로부터 취출한 후, 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 철-니켈-가돌리늄 합금을 제조하는 단계는, 상기 니켈-가돌리늄 모합금 및 철 모재를 진공용해로에 장입하는 단계, 상기 진공용해로의 내부를 10-5 내지 10- 4Torr의 진공도로 진공화하는 단계, 상기 진공용해로의 내부에 불활성 가스를 공급하는 단계, 상기 니켈-가돌리늄 모합금 및 상기 철 모재를 가열 및 용해하여 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕을 형성하는 단계, 및 상기 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕을 상기 진공용해로로부터 취출한 후, 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 진공용해로는 진공아크로, 진공유도로, 또는 진공저항로인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 불활성 가스는 아르곤 가스 또는 헬륨 가스인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은, 총 중량 대비 80 내지 98wt%의 철 모재에 2 내지 20wt%의 니켈-가돌리늄 모합금을 첨가하여 합금화된 것이고, 상기 니켈-가돌리늄 모합금은 상기 니켈-가돌리늄 모합금 총 중량 대비 10 내지 90wt%의 니켈 및 10 내지 90wt%의 가돌리늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금을 제공한다.
본 발명은, 가돌리늄보다 융점이 낮은 니켈-가돌리늄 모합금이 철 모재에 첨가되기 때문에 낮은 에너지로 철-니켈-가돌리늄 합금이 제조될 수 있다는 제1효과, 제조된 철-니켈-가돌리늄 합금의 중성자 흡수능이 우수하다는 제2효과, 제조된 철-니켈-가돌리늄 합금의 가공성이 우수하다는 제3효과, 붕소보다 중성자 흡수능이 높은 가돌리늄이 첨가되기 때문에 소량의 가돌리늄 첨가로도 충분한 중성자 흡수능을 가진 소재가 제조될 수 있다는 제4효과, 및 소량의 가돌리늄이 첨가되므로 부피가 작은 핵 연료 보관용 캐스크가 제조될 수 있다는 제5효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따르면 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 제조된 니켈-가돌리늄 모합금에 대한 XRD 분석 결과를 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에서 제조된 니켈-가돌리늄 모합금에 대한 DTA 결과를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에서 제조된 니켈-가돌리늄 모합금에 대한 SEM 이미지.
도 4는 본 발명의 실시예에서 제조된 철-니켈-가돌리늄 합금에 대한 XRD 분석 결과를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에서 제조된 철-니켈-가돌리늄 합금에 대한 SEM 이미지.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서, 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체에서, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 철-니켈-가돌리늄 합금의 제조방법을 각 단계별로 상술한다.
(I) 니켈-가돌리늄 모합금이 제조된다. 니켈-가돌리늄 모합금은 용해주조법 또는 분말야금법으로 제조될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 용해주조법으로 니켈-가돌리늄 모합금이 제조될 경우, 그 제조방법은 다음과 같을 수 있다.
(I-1) 니켈 및 가돌리늄이 진공용해로에 장입된다. 작업자는 덩어리 상태의 니켈 및 덩어리 상태의 가돌리늄을 적당히 해머로 분쇄한 다음, 분쇄된 니켈 및 가돌리늄을 혼합하여 진공용해로에 장입할 수 있다. 이때 분쇄된 니켈 및 가돌리늄은 분말 상태일 필요는 없다. 진공용해로는 진공아크로, 진공유도로, 또는 진공저항로일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 진공아크로는 진공 분위기에서 고온의 아크 에너지로 금속이나 합금을 용해할 수 있는 장치이다. 진공유도로는 진공 분위기에서 유도 가열로 금속이나 합금을 용해할 수 있는 장치이다. 그리고 진공저항로는 진공 분위기에서 저항 가열로 금속이나 합금을 용해할 수 있는 장치이다. 이러한 장치들은 모두 공지된 것들이므로 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 장입되는 니켈 및 가돌리늄 전체 중량에 대하여, 니켈의 함량은 10 내지 90wt%를 제안하고, 가돌리늄의 함량은 10 내지 90wt%를 제안한다. 니켈의 함량이 90wt%를 초과하고 가돌리늄의 함량이 10wt% 미만일 경우, 가돌리늄의 중성자 흡수 기능이 떨어질 수 있다. 니켈의 함량이 10wt% 미만이고 가돌리늄의 함량이 90wt%를 초과하면, 니켈-가돌리늄 모합금의 융점이 높아, 철-니켈-가돌리늄 합금 주조 시 니켈-가돌리늄 모합금의 일부가 용융되지 않을 수 있다. 니켈 및 가돌리늄 전체 중량에 대하여, 니켈의 함량은 10 내지 20wt%이고 가돌리늄의 함량은 80 내지 90wt%인 것이 더욱 바람직하다. 가돌리늄의 함량이 80 내지 90wt%인 니켈-가돌리늄 모합금의 융점은 가돌리늄의 함량이 10wt% 이상 80wt% 미만인 니켈-가돌리늄 모합금의 융점보다 낮다. 모합금을 이용한 철-니켈-가돌리늄 합금 주조 공정에서 모합금의 융점이 낮으면, 모합금을 이루는 성분들의 편석 가능성이 낮고, 낮은 에너지로 철-니켈-가돌리늄 합금을 주조하는 것이 가능하다. 또한 가돌리늄의 함량이 80 내지 90wt%인 니켈-가돌리늄 모합금이 이용되어 제조된 철-니켈-가돌리늄 합금은 가공성 및 중성자 흡수능이 우수하다. 이러한 장점들은 뒤의 실시예에서 확인될 수 있다.
(I-2) 진공용해로의 내부가 10-5 내지 10- 4Torr의 진공도로 진공화된다. 작업자는 진공용해로를 조작하여 진공용해로 내부의 진공도를 설정할 수 있다. 설정된 진공도로 내부가 진공화된 진공용해로는 니켈 및 가돌리늄의 용해를 저해하는 물질들(수분, 산소, 기타 불순물 등)을 진공용해로 밖으로 배출할 수 있다. 진공도는 10-5 내지 10- 4Torr를 제안한다. 진공도가 10- 4Torr를 초과하면, 진공용해로 내부에 잔존하는 수분, 산소 등으로 인해 불필요한 반응(예를 들어, 가돌리늄의 산화)이 진행될 수 있다. 그러나 진공도가 10- 5Torr 미만으로 설정된다고 해서, 진공도가 10-5Torr 이상일 때보다, 특별히 더 중성자 흡수능이 우수한 니켈-가돌리늄 모합금이 제조되는 것은 아니다.
(I-3) 진공용해로의 내부에 불활성 가스가 공급된다. 작업자는 진공용해로에 연결된 불활성 가스관의 밸브를 열어서 진공용해로 내부에 불활성 가스가 공급되도록 할 수 있다. 불활성 가스는 아르곤 가스 또는 헬륨 가스일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 불활성 가스는 진공용해로 내부에 충전(充塡)되면서, 진공용해로 내부에 남아있는 수분 및 공기를 외부로 배출할 수 있다(퍼징, purging). 불활성 가스는 진공용해로 내부로, 빠른 유속으로 여러 번, 공급됨으로써 퍼징을 효과적으로 수행할 수 있다.
(I-4) 니켈 및 가돌리늄이 가열 및 용해되어 니켈-가돌리늄 모합금 용탕이 형성된다. 작업자는 진공용해로를 조작하여 진공용해로 내부의 온도를 설정할 수 있다. 설정된 온도에서 니켈 및 가돌리늄이 가열 및 용해된다. 니켈 및 가돌리늄은 용해되어 니켈-가돌리늄 모합금 용탕을 형성한다.
(I-5) 니켈-가돌리늄 모합금 용탕이 진공용해로로부터 취출된 후, 냉각된다. 작업자는 니켈-가돌리늄 모합금 용탕을 진공용해로로부터 취출한 다음, 이를 소정의 금형에 주입할 수 있다. 금형에 주입된 니켈-가돌리늄 모합금 용탕은 자연적으로 냉각될 수 있다. 니켈-가돌리늄 모합금 용탕은 냉각되어 니켈-가돌리늄 모합금이 된다. 니켈-가돌리늄 모합금은 앞에서 제안된 대로 니켈-가돌리늄 모합금 총 중량 대비 10 내지 90wt%의 니켈 및 10 내지 90wt%의 가돌리늄으로 이루어진다.
(II) 철 모재에 니켈-가돌리늄 모합금이 첨가되어, 철-니켈-가돌리늄 합금이 제조된다. 철-니켈-가돌리늄 합금 전체 중량에 대하여, 가돌리늄의 함량은 2wt%를 제안한다. 가돌리늄은 붕소에 비해 중성자 흡수능이 높아서, 2wt%의 가돌리늄이 철-니켈-가돌리늄 합금의 중성자 흡수능에 충분히 기여할 수 있다. 앞에서 니켈-가돌리늄 모합금의 조성을 10 내지 90wt%의 니켈 및 10 내지 90wt%의 가돌리늄으로 제안하였다. 제안된 니켈-가돌리늄 모합금의 조성을 표로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112016083900719-pat00001
철-니켈-가돌리늄 합금에서 가돌리늄의 함량을, 앞에서 제안된 대로, 2wt%로 정하고 상기 표 1에 나타난 조성을 고려하면, 철-니켈-가돌리늄 합금의 조성은 다음 표와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016083900719-pat00002
표 2에서 Ni-Gd 함량은 2.2 내지 20wt%의 범위로 나타난다. Ni-Gd 함량을 어림잡아 2 내지 20wt%의 범위로 정할 수 있다. 따라서 본 (II)단계에서, 철-니켈-가돌리늄 합금 총 중량 대비 80 내지 98wt%의 철 모재에, 철-니켈-가돌리늄 합금 총 중량 대비 2 내지 20wt%의 니켈-가돌리늄(Ni-Gd) 모합금을 첨가하는 것을 제안한다. 한편 철-니켈-가돌리늄 합금은 용해주조법 또는 분말야금법으로 제조될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 용해주조법으로 철-니켈-가돌리늄 합금이 제조될 경우, 그 제조방법은 다음과 같을 수 있다.
(II-1) 니켈-가돌리늄 모합금 및 철 모재가 진공용해로에 장입된다. 작업자는 덩어리 상태의 니켈-가돌리늄 모합금을 적당히 해머로 분쇄할 수 있다. 이때 분쇄된 니켈-가돌리늄 모합금은 분말 상태일 필요는 없다. 작업자는 분쇄된 니켈-가돌리늄 모합금 및 덩어리 상태의 철 모재를 혼합하여 진공용해로에 장입할 수 있다. 진공용해로는 진공아크로, 진공유도로, 또는 진공저항로일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 앞에서 제안된 대로, 니켈-가돌리늄 모합금과 철 모재의 전체 중량에 대하여, 2 내지 20wt%의 니켈-가돌리늄 모합금 및 80 내지 98wt%의 철 모재를 장입하는 것이 바람직하다.
(II-2) 진공용해로의 내부가 10-5 내지 10- 4Torr의 진공도로 진공화된다. 작업자는 진공용해로를 조작하여 진공용해로 내부의 진공도를 설정할 수 있다. 설정된 진공도로 내부가 진공화된 진공용해로는 수분, 산소, 기타 불순물 등을 진공용해로 밖으로 배출할 수 있다. 진공도는 10-5 내지 10- 4Torr를 제안한다. 진공도가 10-4Torr를 초과하면, 진공용해로 내부에 잔존하는 수분, 산소 등으로 인해 불필요한 반응(예를 들어, 니켈-가돌리늄 모합금의 산화)이 진행될 수 있다. 그러나 진공도가 10- 5Torr 미만으로 설정된다고 해서, 진공도가 10- 5Torr 이상일 때보다, 특별히 더 중성자 흡수능이 우수한 철-니켈-가돌리늄 합금이 제조되는 것은 아니다.
(II-3) 진공용해로의 내부에 불활성 가스가 공급된다. 작업자는 진공용해로에 연결된 불활성 가스관의 밸브를 열어서 진공용해로 내부에 불활성 가스가 공급되도록 할 수 있다. 불활성 가스는 아르곤 가스 또는 헬륨 가스일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 불활성 가스는 진공용해로 내부에 충전(充塡)되면서, 진공용해로 내부에 남아있는 수분 및 공기를 외부로 배출할 수 있다(퍼징, purging). 불활성 가스는 진공용해로 내부로, 빠른 유속으로 여러 번, 공급됨으로써 퍼징을 효과적으로 수행할 수 있다.
(II-4) 니켈-가돌리늄 모합금 및 철 모재가 가열 및 용해되어 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕이 형성된다. 작업자는 진공용해로를 조작하여 진공용해로 내부의 온도를 설정할 수 있다. 설정된 온도에서 니켈-가돌리늄 모합금 및 철 모재가 가열 및 용해된다. 니켈-가돌리늄 모합금 및 철 모재는 용해되어 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕을 형성한다.
(II-5) 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕이 진공용해로로부터 취출된 후, 냉각된다. 작업자는 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕을 진공용해로로부터 취출한 다음, 이를 소정의 금형에 주입할 수 있다. 금형에 주입된 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕은 소정의 냉각 수단(예를 들어, 냉각수, 냉매 등)에 의해 냉각될 수 있다. 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕은 냉각되어 철-니켈-가돌리늄 합금이 된다.
[실시예 - 철-니켈-가돌리늄 합금의 제조]
<니켈-가돌리늄 모합금의 제조>
순도 99.9%의 니켈 시편 및 순도 99.9%의 가돌리늄 시편을 준비하였다. 니켈 시편 및 가돌리늄 시편의 무게를 칭량하여, 88wt%의 니켈 시편 및 12wt%의 가돌리늄 시편을 준비하였다. 진공유도로 내의 도가니에 준비된 니켈 시편 및 가돌리늄 시편을 장입하였다. 다음으로, 진공유도로의 내부를 5×10- 5Torr의 진공도로 진공화하였다. 다음으로, 진공유도로 내부에 아르곤 가스를 3회 공급하여 퍼징을 수행하였다. 다음으로, 공급되는 아르곤 가스의 유량을 낮추어 진공유도로의 내부가 450 내지 500Torr로 유지되게 하였다. 다음으로, 진공유도로 내부의 도가니를 둘러싸는 유도코일에 전력을 공급하여, 니켈 시편 및 가돌리늄 시편을 1500℃에서 1시간 동안 가열 및 용해하였다. 그 결과, 도가니에 니켈-가돌리늄 모합금 용탕이 형성되었다. 니켈-가돌리늄 모합금 용탕을 진공유도로에서 취출한 다음, 이를 미리 준비된 금형에 주입하여 자연 냉각을 하였다. 니켈-가돌리늄 모합금 용탕이 냉각되어, 88wt%의 니켈 및 12wt%의 가돌리늄으로 이루어지는 니켈-가돌리늄 모합금(이하, 12Gd 모합금이라고 함)이 제조되었다.
위와 같은 방법으로, 34wt%의 니켈 및 66wt%의 가돌리늄으로 이루어지는 니켈-가돌리늄 모합금(이하, 66Gd 모합금이라고 함)을 제조하였다. 또한 위와 같은 방법으로, 16wt%의 니켈 및 84wt%의 가돌리늄으로 이루어지는 니켈-가돌리늄 모합금(이하, 84Gd 모합금이라고 함)을 제조하였다.
<제조된 니켈-가돌리늄 모합금에 대한 XRD 분석>
제조된 12Gd 모합금, 66Gd 모합금, 및 84Gd 모합금에 대하여 XRD(X-Ray Diffraction) 분석을 수행하였다. 12Gd 모합금에 대한 XRD 분석 결과는 도 1(a)에 도시되어 있다. 66Gd 모합금에 대한 XRD 분석 결과는 도 1(b)에 도시되어 있다. 그리고 84Gd 모합금에 대한 XRD 분석 결과는 도 1(c)에 도시되어 있다. 12Gd 모합금에서는 Ni17Gd2상(주상) 및 Ni상이 발견되었다. 66Gd 및 84Gd 모합금에서는, NiGd상이 주상으로 발견되었고 NiGd3상이 소량 발견되었다.
<제조된 니켈-가돌리늄 모합금에 대한 DTA>
제조된 12Gd 모합금, 66Gd 모합금, 및 84Gd 모합금에 대하여 DTA(Differential Thermal Analysis)를 수행하였다. 12Gd 모합금에 대한 DTA 결과는 도 2(a)에 도시되어 있다. 66Gd 모합금에 대한 DTA 결과는 도 2(b)에 도시되어 있다. 그리고 84Gd 모합금에 대한 DTA 결과는 도 2(c)에 도시되어 있다. 각 DTA 결과로부터 공정 반응이 일어나는 반응 온도를 확인하였다. 상기 반응 온도 및 상기 반응 온도에서 일어나는 반응을 다음 표 3으로 나타내었다. 상기 반응 온도에서 일어나는 반응은 공지된 Ni-Gd Phase Diagram을 참조하여 알아냈다.
Figure 112016083900719-pat00003
표 3에 대하여 설명하면 다음과 같다. 12Gd 모합금의 경우 Ni17Gd2상 또는 Ni상이 1260℃에서 액상(L)으로 된다. 66Gd 모합금의 경우 NiGd상 또는 Ni2Gd상이 880℃에서 액상으로 된다. 그리고 84Gd 모합금의 경우 Ni2Gd3상이 700℃에서 액상으로 된다.
표 3에 나타난 바와 같이, 세 모합금들의 융점들은 모두 가돌리늄의 융점보다 낮다. 따라서 가돌리늄을 함유하는 모합금을 철 모재에 첨가하는 것이 순 가돌리늄을 철 모재에 첨가하는 것보다 에너지 측면에서 바람직하다는 것을 알 수 있다. 게다가 84Gd 모합금의 융점이 700℃로 세 모합금들 중 가장 낮다는 것을 알 수 있다.
<제조된 니켈-가돌리늄 모합금에 대한 미세조직 분석>
제조된 12Gd 모합금, 66Gd 모합금, 및 84Gd 모합금의 표면을 박리하여, 이것들을 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 촬영하였다. 도 3(a)에는 12Gd 모합금의 SEM 이미지가 나타나 있다. 도 3(b)에는 66Gd 모합금의 SEM 이미지가 나타나 있다. 그리고 도 3(c)에는 84Gd 모합금의 SEM 이미지가 나타나 있다. 도 3에 나타난 바와 같이, 세 모합금들 모두에서 상들이 균일하게 분포되어 있다. 도 3(a)에 따르면, 12Gd 모합금은 Ni상, Ni17Gd2상, 및 Gd2O3상을 포함한다. 도 3(b)에 따르면, 66Gd 모합금은 Ni2Gd상 및 NiGd상을 포함한다. 그리고 도 3(c)에 따르면, 84Gd 모합금은 NiGd상, Ni2Gd3상, 및 NiGd3상을 포함한다.
<철-니켈-가돌리늄 합금의 제조>
순도 99.9%의 철 모재 시편 및 앞에서 제조된 12Gd 모합금을 준비하였다. 철 모재 시편 및 12Gd 모합금의 무게를 칭량하여, 83.3wt%의 철 모재 시편 및 16.7wt%의 12Gd 모합금을 준비하였다. 철 모재 시편을 진공유도로 내의 도가니에 장입하였다. 그리고 12Gd 모합금을 진공유도로 내의 추가 장입장치에 장입하였다. 다음으로, 진공유도로의 내부를 5×10- 5Torr의 진공도로 진공화하였다. 다음으로, 진공유도로 내부에 아르곤 가스를 3회 공급하여 퍼징을 수행하였다. 다음으로, 공급되는 아르곤 가스의 유량을 낮추어 진공유도로의 내부가 450 내지 500Torr로 유지되게 하였다. 다음으로, 진공유도로 내부의 도가니를 둘러싸는 유도코일에 전력을 공급하여, 철 모재 시편을 1650℃에서 1시간 동안 가열 및 용해하였다. 그리고 철 모재 시편이 완전히 용융되었을 때, 추가 장입장치에 장입되어 있던 12Gd 모합금을 도가니에 첨가한 다음, 2분간 도가니를 방치하였다. 그 결과, 도가니에 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕이 형성되었다. 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕을 진공유도로에서 취출한 다음, 이를 미리 준비된 금형에 주입하였다. 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕이 냉각되어, 12Gd 모합금이 이용된 철-니켈-가돌리늄 합금(이하, 12Gd 합금이라고 함)이 제조되었다.
12Gd 합금 제조방법과 같은 방법으로, 84Gd 모합금이 이용된 철-니켈-가돌리늄 합금(이하, 84Gd 합금이라고 함)을 제조하였다. 97.6%의 철 모재 시편에 2.4wt%의 84Gd 모합금을 추가하여 84Gd 합금을 제조하였다.
[비교예 - 철-가돌리늄 합금의 제조]
순도 99.9%의 철 모재 시편 및 순도 99.9%의 순 가돌리늄 시편을 준비하였다. 철 모재 시편 및 순 가돌리늄 시편의 무게를 칭량하여, 98wt%의 철 모재 시편 및 2wt%의 순 가돌리늄 시편을 준비하였다. 철 모재 시편을 진공유도로 내의 도가니에 장입하였다. 그리고 순 가돌리늄 시편을 진공유도로 내의 추가 장입장치에 장입하였다. 다음으로, 진공유도로의 내부를 5×10- 5Torr의 진공도로 진공화하였다. 다음으로, 진공유도로 내부에 아르곤 가스를 3회 공급하여 퍼징을 수행하였다. 다음으로, 공급되는 아르곤 가스의 유량을 낮추어 진공유도로의 내부가 450 내지 500Torr로 유지되게 하였다. 다음으로, 진공유도로 내부의 도가니를 둘러싸는 유도코일에 전력을 공급하여, 철 모재 시편을 1650℃에서 1시간 동안 가열 및 용해하였다. 그리고 철 모재 시편이 완전히 용융되었을 때, 추가 장입장치에 장입되어 있던 순 가돌리늄 시편을 도가니에 첨가한 다음, 2분간 도가니를 방치하였다. 그 결과, 도가니에 철-가돌리늄 합금 용탕이 형성되었다. 철-가돌리늄 합금 용탕을 진공유도로에서 취출한 다음, 이를 미리 준비된 금형에 주입하였다. 마지막으로, 철-가돌리늄 합금 용탕을 냉매를 이용하여 냉각하였다. 철-가돌리늄 합금 용탕이 냉각되어, 철-가돌리늄 합금이 제조되었다.
[실험예 1 - XRD 분석]
12Gd 합금, 84Gd 합금, 및 철-가돌리늄 합금에 대하여 XRD 분석을 수행하였다. 12Gd 합금에 대한 XRD 분석 결과는 도 4(a)에 도시되어 있다. 84Gd 합금에 대한 XRD 분석 결과는 도 4(b)에 도시되어 있다. 그리고 철-가돌리늄 합금에 대한 XRD 분석 결과는 도 4(c)에 도시되어 있다. 세 합금들에서 모두 Fe상 및 Fe17Gd2상이 발견되었다. 따라서 XRD 분석만으로 세 합금들의 중성자 흡수능이나 가공성을 파악할 수는 없었다.
[실험예 2 - 미세조직 분석]
12Gd 합금, 84Gd 합금, 및 철-가돌리늄 합금의 표면을 박리하여, 이것들을 SEM으로 촬영하였다. 도 5(a)에는 12Gd 합금의 SEM 이미지가 나타나 있다. 도 5(b)에는 84Gd 합금의 SEM 이미지가 나타나 있다. 그리고 도 5(c)에는 철-가돌리늄 합금의 SEM 이미지가 나타나 있다. 도 5의 이미지들에서 흰 색 부분은 가돌리늄 화합물 상(예를 들어, Fe17Gd2상, NiGd상 등)을 나타낸다. 도 5(a) 및 도 5(c)에 따르면, 12Gd 합금 및 철-가돌리늄 합금은 dendrite arm spacing 구조를 갖는다. 이에 비해, 도 5(b)에 따르면, 84Gd 합금은 가돌리늄 화합물이 선형으로 이어지고 각 선들은 분리된 구조를 갖는다. 가돌리늄은 철에 비해 취성을 많이 가지므로, 가돌리늄 화합물이 복잡하게 이어진 구조를 가지는 12Gd 합금이나 철-가돌리늄 합금은 깨지기 쉽다. 그러나 84Gd 합금은 그 구조가 비교적 단순하여 가공성이 우수하다. 또한 도 5에 따르면, 84Gd 합금에서 가돌리늄 화합물 상이 가장 균일하게 분포된다. 따라서 84Gd 합금이 12Gd 합금이나 철-가돌리늄 합금보다 중성자 흡수능이 우수하다는 것을 예상할 수 있다.
[결론]
(i) 84Gd 모합금은 융점이 낮으므로 에너지 측면에서 철-니켈-가돌리늄 합금 제조를 위한 모합금으로 바람직하고, (ii) 84Gd 합금은 가공성 및 중성자 흡수능이 우수하다는 것을 확인하였다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

Claims (8)

  1. (I) 니켈-가돌리늄 모합금을 제조하는 단계; 및
    (II) 철 모재에 상기 니켈-가돌리늄 모합금을 첨가하여, 철-니켈-가돌리늄 합금을 제조하는 단계;
    를 포함하여 이루어지고,
    상기 니켈-가돌리늄 모합금은 상기 니켈-가돌리늄 모합금 총 중량 대비 10 내지 90wt%의 니켈 및 10 내지 90wt%의 가돌리늄으로 이루어지고,
    상기 (II)단계는 상기 철-니켈-가돌리늄 합금 총 중량 대비 80 내지 98wt%의 철 모재에 2 내지 20wt%의 니켈-가돌리늄 모합금을 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 니켈-가돌리늄 모합금은 상기 니켈-가돌리늄 모합금 총 중량 대비 10 내지 20wt%의 니켈 및 80 내지 90wt%의 가돌리늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (I)단계는,
    (I-1) 니켈 및 가돌리늄을 진공용해로에 장입하는 단계;
    (I-2) 상기 진공용해로의 내부를 10-5 내지 10- 4Torr의 진공도로 진공화하는 단계;
    (I-3) 상기 진공용해로의 내부에 불활성 가스를 공급하는 단계;
    (I-4) 상기 니켈 및 상기 가돌리늄을 가열 및 용해하여 니켈-가돌리늄 모합금 용탕을 형성하는 단계; 및
    (I-5) 상기 니켈-가돌리늄 모합금 용탕을 상기 진공용해로로부터 취출한 후, 냉각하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 (II)단계는,
    (II-1) 상기 니켈-가돌리늄 모합금 및 철 모재를 진공용해로에 장입하는 단계;
    (II-2) 상기 진공용해로의 내부를 10-5 내지 10- 4Torr의 진공도로 진공화하는 단계;
    (II-3) 상기 진공용해로의 내부에 불활성 가스를 공급하는 단계;
    (II-4) 상기 니켈-가돌리늄 모합금 및 상기 철 모재를 가열 및 용해하여 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕을 형성하는 단계; 및
    (II-5) 상기 철-니켈-가돌리늄 합금 용탕을 상기 진공용해로로부터 취출한 후, 냉각하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금의 제조방법.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 진공용해로는 진공아크로, 진공유도로, 또는 진공저항로인 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금의 제조방법.
  6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤 가스 또는 헬륨 가스인 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금의 제조방법.
  7. 총 중량 대비 80 내지 98wt%의 철 모재에 2 내지 20wt%의 니켈-가돌리늄 모합금을 첨가하여 합금화된 것이고,
    상기 니켈-가돌리늄 모합금은 상기 니켈-가돌리늄 모합금 총 중량 대비 10 내지 90wt%의 니켈 및 10 내지 90wt%의 가돌리늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 니켈-가돌리늄 모합금은 상기 니켈-가돌리늄 모합금 총 중량 대비 10 내지 20wt%의 니켈 및 80 내지 90wt%의 가돌리늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철-니켈-가돌리늄 합금.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002212716A (ja) 1999-12-08 2002-07-31 Mitsubishi Materials Corp 高スパッタ電力ですぐれた耐割損性を発揮する光磁気記録媒体の記録層形成用焼結スパッタリングターゲット材
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Title
논문/ 한국방사성폐기물학회 2015 춘계학술논문요약집 (2015년 5월) PP.123-124

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