<Desc/Clms Page number 1>
Schmiedbarer, korrosionsbeständiger Stahl von hoher Neutronenabsorptionsfähigkeit
Die Erfindung bezieht sich auf einen schmiedbaren, korrosionsbeständigen Werkstoff von hoher Neutronenabsorptionsfähigkeit. Ein solcher Werkstoff eignet sich gut zur Herstellung von Kontroll- und Regelstäben in Kernreaktoren sowie von Strahlenschutzschirmen.
In einem Kernreaktor wird die Energieentwicklung direkt von dem Neutronenfluss beeinflusst und es ist deshalb notwendig, diesen Fluss kontrollieren und regeln zu können. Eine solche Kontrolle und Regelung geschieht häufig, indem man in den Neutronenfluss abschirmende Kontroll- und Regelstäbe einführt, welche eine hohe Neutronenabsorptionsfähigkeit aufweisen, weil sie einen Stoff mit grossem Absorptionsquerschnitt für Neutronen enthalten ; ein solcher Stoff ist z. B. Bor, welches im Gegensatz zu
EMI1.1
vorkommt.
Aus Festigkeitsgründen ist es jedoch nicht möglich, Kontroll- oder Regelstäbe aus reinem Bor oder einer einfachen chemischen Bor-Verbindung herzustellen, sondern in den meisten Fällen muss man mit Bor legierten Stahl verwenden, um die notwendige Festigkeit zu erhalten. Der Legierungsgehalt an Bor wird dabei durch die Tatsache begrenzt, dass grössere Borzusätze in äusserst augenfälliger Weise die
EMI1.2
jedoch bekannt, dass man durch gleichzeitigen Zusatz von Aluminium oder Silicium die Menge an Bor in einer Stahllegierung auf höchstens 4, 5% erhöhen und trotzdem eine einigermassen annehmbare Warmverformbarkeit noch erreichen kann.
Stähle der oben genannten Art haben jedoch eine relativ schlechte Korrosionsbeständigkeit und sind deshalb oft unverwendbar. Man hat deshalb versucht, austenitische nichtrostende Stähle vom Typ
EMI1.3
Gemäss der Erfindung werden diese Nachteile und Schwierigkeiten dadurch überwunden, dass ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0, 150/0, vorzugsweise höchstens 0, 10%, einem Chromgehalt von 15 bis 30%, vorzugsweise 18 bis 28%, einem Borgehalt von 2 bis 5%, einem Titangehalt, der mindestens 3, 1 x (Gew.-% Bor) bis 5,8 beträgt und höchstens 5% über diesem Mindestgehalt liegt, gegebenenfalls mit Gehalten an Silicium und Mangan bis zu je höchstens 2% sowie Verunreinigungselementen, wie Phosphor und Schwefel, und dem Rest aus Eisen als korrosionsbeständiger Werkstoff mit
<Desc/Clms Page number 2>
hoher Neutronenabsorptionsfähigkeit verwendet wird. Dieser Werkstoff ist auch schmiedbar ; er besitzt eine gute Warmverformbarkeit bis zu einem Borgehalt von etwa 5%.
Es ist zwar schon aus der USA-Patentschrift Nr. l, 493, 191 eine Legierung bekanntgeworden, von der angegeben ist, dass sie neben Chrom und Bor variierende Gehalte eines oder mehrerer der folgenden Metalle oder Metalloide : Aluminium, Beryllium, Calcium, Kobalt, Kupfer, Magnesium, Mangan, Molybdän, Nickel, Silicium, Wolfram, Titan, Uran, Vanadin oder Zirkonium enthalten kann, u. zw. in Mengen zwischen 0, 10 und 60%. Die Variationsmöglichkeiten waren hiebei jedoch so vielfältig und unbestimmt, dass ein Zusammenhang, wie ihn die Erfindung aufzeigt, nicht erkannt wurde.
In der folgenden Tabelle sind einige Beispiele für Stähle gemäss der Erfindung angeführt.
EMI2.1
<tb>
<tb>
Gehalte <SEP> %
<tb> Stahl <SEP> Nr. <SEP> Kohlenstoff <SEP> Chrom <SEP> Titan <SEP> Bor
<tb> 1 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 25, <SEP> 1 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> 25, <SEP> 1 <SEP> 6, <SEP> 0 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> 25, <SEP> 1 <SEP> 5, <SEP> 4 <SEP> 3, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 25, <SEP> 3 <SEP> 6, <SEP> 6 <SEP> 3, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 5 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 25, <SEP> 4 <SEP> 6, <SEP> 8 <SEP> 3, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 6 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 25, <SEP> 4 <SEP> 7, <SEP> 3 <SEP> 3, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 7 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 25, <SEP> 4 <SEP> 7, <SEP> 4 <SEP> 4, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 8 <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> 24, <SEP> 0 <SEP> 8, <SEP> 0 <SEP> 4,
<SEP> 4 <SEP>
<tb>
Sämtliche oben angegebenen Stähle wiesen eine gute Warmverformbarkeit auf und konnten ohne grössere Schwierigkeiten von Gussblöcken zu Stangen ausgeschmiedet werden. Das Schmieden wurde hiebei im Temperaturbereich von 950 bis 11000 C durchgeführt.
Alle in der Tabelle angegebenen Stähle wiesen auch eine ausserordentlich gute Korrosionsbeständigkeit auf. Um die angestrebte gute Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, erwies sich ein Chromgehalt von über 15% als notwendig.
Durch das Einhalten eines niedrigen Kohlenstoffgehaltes von weniger als 0, 15% wird die Warmverformbarkeit erleichtert und auf Grund des relativ hohen Chromzusatzes bleibt der Stahl innerhalb des gesamten vorkommenden Temperaturbereiches ferritisch.
Der überwiegende Teil des eingehenden Bors dürfte in Form von Titanborid vorliegen, jedoch ist es nicht möglich, theoretisch die Mindestmenge Titan vorauszubestimmen, welche zur Erreichung einer befriedigenden Warmverformbarkeit erforderlich ist. Der gefundene Zusammenhang zwischen dem Mindestgehalt an Titan und dem Borgehalt wurde deshalb als Resultat einer grossen Anzahl von Experimenten angegeben.
<Desc / Clms Page number 1>
Malleable, corrosion-resistant steel with high neutron absorption capacity
The invention relates to a malleable, corrosion-resistant material with high neutron absorption capacity. Such a material is well suited for the production of control and regulation rods in nuclear reactors as well as radiation protection screens.
In a nuclear reactor, the development of energy is directly influenced by the neutron flux and it is therefore necessary to be able to control and regulate this flux. Such control and regulation is often done by introducing shielding control and regulating rods into the neutron flux, which have a high neutron absorption capacity because they contain a substance with a large absorption cross-section for neutrons; such a substance is z. B. Boron, which in contrast to
EMI1.1
occurs.
For reasons of strength, however, it is not possible to manufacture control rods from pure boron or a simple chemical boron compound, but in most cases one must use steel alloyed with boron in order to obtain the necessary strength. The alloy content of boron is limited by the fact that larger additions of boron are extremely obvious
EMI1.2
However, it is known that the simultaneous addition of aluminum or silicon can increase the amount of boron in a steel alloy to at most 4.5% and still achieve a reasonably acceptable hot formability.
However, steels of the type mentioned above have a relatively poor corrosion resistance and are therefore often unusable. Attempts have therefore been made to use austenitic stainless steels of the type
EMI1.3
According to the invention, these disadvantages and difficulties are overcome in that a steel with a carbon content of at most 0.150/0, preferably at most 0.110%, a chromium content of 15 to 30%, preferably 18 to 28%, a boron content of 2 up to 5%, a titanium content that is at least 3.1 x (wt .-% boron) up to 5.8 and is no more than 5% above this minimum content, if necessary with contents of silicon and manganese up to a maximum of 2% each as well as impurity elements, like phosphorus and sulfur, and the rest of iron as a corrosion-resistant material
<Desc / Clms Page number 2>
high neutron absorptivity is used. This material is also malleable; it has good hot formability up to a boron content of about 5%.
An alloy has already become known from US Pat. No. 1,493,191, which is stated to have, in addition to chromium and boron, varying contents of one or more of the following metals or metalloids: aluminum, beryllium, calcium, cobalt, Copper, magnesium, manganese, molybdenum, nickel, silicon, tungsten, titanium, uranium, vanadium or zirconium, u. between 0, 10 and 60%. However, the possible variations were so diverse and indeterminate that a relationship such as that shown by the invention was not recognized.
Some examples of steels according to the invention are given in the following table.
EMI2.1
<tb>
<tb>
Content <SEP>%
<tb> steel <SEP> No. <SEP> carbon <SEP> chromium <SEP> titanium <SEP> boron
<tb> 1 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 25, <SEP> 1 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> 25, <SEP> 1 <SEP> 6, <SEP> 0 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> 25, <SEP> 1 <SEP> 5, <SEP> 4 <SEP> 3, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 25, <SEP> 3 <SEP> 6, <SEP> 6 <SEP> 3, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 5 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 25, <SEP> 4 <SEP> 6, <SEP> 8 <SEP> 3, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 6 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 25, <SEP> 4 <SEP> 7, <SEP> 3 <SEP> 3, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 7 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 25, <SEP> 4 <SEP> 7, <SEP> 4 <SEP> 4, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 8 <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> 24, <SEP> 0 <SEP> 8, <SEP> 0 <SEP> 4,
<SEP> 4 <SEP>
<tb>
All of the steels specified above exhibited good hot formability and could be forged from ingots into bars without major difficulties. The forging was carried out in the temperature range from 950 to 11000 C.
All of the steels given in the table also had extremely good corrosion resistance. A chromium content of over 15% was found to be necessary in order to achieve the desired good corrosion resistance.
By maintaining a low carbon content of less than 0.15%, hot formability is facilitated and due to the relatively high addition of chromium, the steel remains ferritic within the entire temperature range that occurs.
The major part of the incoming boron is likely to be in the form of titanium boride, but it is not possible to theoretically determine the minimum amount of titanium in advance which is necessary to achieve satisfactory hot formability. The relationship found between the minimum content of titanium and the boron content was therefore given as the result of a large number of experiments.