AT273514B - Verfahren zur Herstellung von Körpern aus Metall-Metalloxyd-Verbundwerkstoffen oder Legierrungen in disperser Phase - Google Patents

Description

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   Verfahren zur Herstellung von Körpern aus   Metall-Metalloxyd-Verbundwerkstoffen   oder
Legierungen in disperser Phase 
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Körpern aus Metall-Metalloxyd-Verbundwerkstoffen oder Legierungen in disperser Phase und insbesondere von Aluminium-Tonerde-Verbundwerkstoffen. 



   Der im allgemeinen verwendete Aluminium-Tonerde-Verbundwerkstoff in bekanntlich gesintertes   Al-AlO, eine   metallurgische Zusammensetzung vom Typ der Legierung in disperser Phase, die viel- 
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 stimmter Kernreaktortypen, bietet. 



   Dieses Material wird hauptsächlich wie folgt hergestellt : Aluminiumpulver wird teilweise   zu AlzO 3   oxydiert. Der Gewichtsanteil von Al2O3 in dem oxydierten Pulver kann zwischen 2 und 20% schwanken. 



  Das oxydierte Pulver wird zuerst kaltgepresst und dann gesintert, um einen Block oder Knüppel zubilden. 



   Vor dem Sintern wird das gepresste Pulver vorzugsweise entgast. Der gesinterte Block oder Knüppel wird dann in wenigstens einem Strangpressverfahren metallurgisch weiterverarbeitet, um die erforderlichen Eigenschaften eines Halbfabrikats oder Fertigerzeugnisses zu erzielen. 



   Von der Herstellung von Kernbrennstoffhüllen unter Verwendung dieses   Al-Al205- Werkstoffes ist   es bekannt, dass dieser Werkstoff gute mechanische Eigenschaften hinsichtlich der Wärmefestigkeit besitzt, was auch durch Dauerversuche bewiesen werden konnte. 



   Doch beschränkt sich die Verwendung dieses Werkstoffes aus Mangel an Warmdehnbarkeit gegenwärtig auf die Herstellung einer Brennstoffelementumhüllung in Form einer formstarren Hülse. 



   Beispielsweise führten mit Proben von gesintertem   Al-A1,     0, bei 4500C durchgeführte Zug-und   Dauerstandversuche zu den folgenden Mittelwerten. 



     Beispiel l :   (Stranggepresste Stangen aus gesintertem   Al-A120,   mit einem Tonerdegehalt von 4%). 
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<tb> 
<tb> 



  Zugversuche <SEP> (Schneller <SEP> Zug)
<tb> Zugfestigkeit <SEP> : <SEP> R <SEP> = <SEP> 6 <SEP> kg/mm2
<tb> 0,2% <SEP> Dehnung-Streckgrenze <SEP> $0,2 <SEP> = <SEP> 5,5 <SEP> kg/mm2
<tb> Gesamtdehnung <SEP> %(1,=5d0) <SEP> A5 <SEP> = <SEP> 6%
<tb> 
 

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   !Beispiel 2: (Stranggepresste Stangen aus gesintertem Al-Al2O3 mit einem Tonerdegehalt von 7%). 



   Zugversuche (Schneller Zug) 
Zugfestigkeit : R = 8 kg/mm2 
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 gehalt von 7%). 



   Zugversuche (Schneller Zug)
Zugfestigkeit R = 8, 5 kg/mm2
Gesamtdehnung   (1 0 = 5 do) Ag   =   4%  
Berstversuch
Berstspannung a = 7 kg/mm2 
Der Wert der Bruchdehnung   Ag,   der für   Al-Al. O -Werkstoffe   auch unterschiedlichen Oxydgehaltes im allgemeinen unter 1% liegt, ist typisch für die sehr geringe Warm-Kriechdehnbarkeit des Werkstoffes. 



    Daherbesteht ein Interesse, diese Warm-Kriechdehnbarkeit, mit der nichtsdestoweniger die oben er-    wähnten guten mechanischen Eigenschaften einhergehen, zu verbessern, soweit es die Verwendung dieses Werkstoffes für Kernzwecke betrifft, um aus diesem Werkstoff Brennstoffelementverkleidungen herzustellen, die die Form und Eigenschaften widerstandsfähiger und dehnbarer Hüllen besitzen. 



   Das   erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung   von Körpern aus Metall-Metalloxyd-Verbundwerkstoffen oder Legierungen in disperser Phase, insbesondere aus Al-Al2O3-Verbundwerkstoffen mit 2   bis20   Gew.-% Al2O3-Gehalt, bei dem im wesentlichen Metallpulver als Ausgangsmaterial verwendet wird, das einer gesteuerten Oxydation bis zur Erlangung des gewünschten Oxydationsgrades unterzogen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Körper durch ein an sichbekanntes Aufspritzen auf einen rotierenden 

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 Träger hergestellt werden, und   die Körper anschliessend   einer metallurgischen Umformung durch mechanische Bearbeitung unterzogen werden.

   Es können oxydierte   Al-AIO-Pulver   oder auch halbfertiger, gesinterter und warmgepresster Verbundwerkstoff   AI-AI, 0,   verwendet werden, wobei letzterer von dem ursprünglichen Durchmesser eines Blocks, Knüppels oder Stabs durch Drahtstrangpressen und anschlie- ssendes Drahtziehen zu Draht von geringem Durchmesser reduziert wird. 



   Der aus den Blöcken, deren Durchmesser normalerweise zwischen 70 und 20 mm liegt, erhaltene Draht für das Metallspritzen hat einen Durchmesser zwischen 1 und 10 mm. 



   Das Metallspritzen wird in einer zwischen 50 und 250 mm schwankenden Entfernung zum Träger ausgeführt. 



   Die Spritzrichtung zur Trägeroberfläche kann in bezug auf   die Rotationsachse des Trägers senkrecht   oder parallel sein, wobei die Parallelrichtung bevorzugt wird. 



   Der Spritzvorgang erfolgt kontinuierlich bei einer Temperatur von wenigstens   8000C,   wobei die Flugzeit eines Teilchens zwischen der Pistole und der Spritzfläche innerhalb eines Zeitraumes von Sekundenbruchteilen bis zu einigen Sekunden gelegen ist. 



   Der vorbereitete Knüppel wird einer thermischen Entgasung und Oxydstabilisierung in einem Vakuumofen unterzogen. 



   Diese Arbeitsgänge sind bei Temperaturen zwischen 550 und 6250C und einem Restdruck zwischen 10-2 und   10-5   Torr über eine Zeitdauer von 10 bis 30 h, vorzugsweise von 20 bis 24 h, durchzuführen. 



   Die Halbfabrikate oder Fertigerzeugnisse, wie beispielsweise Stangen, glatte oder gerippte Hüllen (mit   Quer-,     Längs- oder wendelförmigen   Rippen) werden insbesondere durch bekannte   metallurg-   sche Produktionsverfahren, wie beispielsweise Strangpressen und eventuell Ziehen mit Zwischenglühen, hergestellt. 



   Die Erfindung wird im folgenden an Hand von vier Ausführungsbeispielen erläutert. 



   Ausführungsbeispiele 1 und 2   (40/0 AI-AI 0 ; 7% AI-AI 0)    
Ein im normalen Herstellungsgang erzeugter Block oder Knüppel aus gesintertem   AI-AI   Material   mit4 oder 70/0   Tonerde und einem Durchmesser von 70 mm wurde bei einer Temperatur von etwa 5700C durch eine Pressdüse stranggepresst, um Stangen von 5 mm Durchmesser zu erhalten, die dann bei Raumtemperatur gezogen wurden, um in drei oder vier Durchläufen 3 mm starke Drähteherzustellen. 



   Diese Drähte wurden mit einer Metallspritzpistole gespritzt, um einen neuen Knüppel   herzustel-   len. Als Träger wird eine Kernstange verwendet, die sich mit 10 bis 70 Umdr/min dreht. 



   Das Metallspritzen erfolgte unter den folgenden Arbeitsbedingungen : 
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<tb> 
<tb> Durchflussgeschwindigkeit, <SEP> Sauerstoff <SEP> 50 <SEP> l/min
<tb> Durchflussgeschwindigkeit, <SEP> Acetylen <SEP> 50 <SEP> l/min
<tb> Pressluftdruck <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> kg/cm2 <SEP> 
<tb> Spritzentfernung <SEP> etwa <SEP> 100 <SEP> mm
<tb> Spritzrichtung <SEP> rechtwinkelig <SEP> zur <SEP> Achse <SEP> des
<tb> herzustellenden <SEP> Knüppels.
<tb> 
 



   Der Spritzvorgang wurde abgebrochen, als ein Knüppel von etwa 2 cm Dicke hergestellt war, die ausreichte, um auf der Drehbank eine vollkommen zylindrische Oberfläche herzustellen. 



   Nach dem Zylindrischdrehen oder-schleifen wurde der Spritzvorgang fortgesetzt,   bis ein Knüppel   von etwa 70 mm Durchmesser fertiggestellt war. Dieser Knüppel wurde auf einer Drehbank auf einen Durchmesser von 68, 4 mm gedreht und dann in einem Ofen unter einem Hochvakuum von   10 - 5 Torr   durch Erhitzen auf eine Temperatur von 6000C während einer Dauer von 20 h entgast. 



   Der entgaste Knüppel wurde dann bei 2500C durch eine Pressdüse stranggepresst, um Stangen von 20 mm Durchmesser herzustellen. 



    Strangpressdaien   
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<tb> 
<tb> Behälterdurchmesser <SEP> 70 <SEP> mm
<tb> 
 

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<tb> 
<tb> Behältertemperatur <SEP> 500 C
<tb> Düsentemperatur <SEP> 4800C
<tb> Strangpressverhältnis <SEP> 12,3
<tb> Strangpressgeschwindigkeit <SEP> 7,38 <SEP> m/min
<tb> 
 
Im Falle des 4%igen Al-Al2O3 wurden die Zug- und Kriechversuche bei 4500C durchgeführt und die folgenden Mittelwerte erhalten :

   
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<tb> 
<tb> Zugversuch <SEP> (Schneller <SEP> Zug)
<tb> Zugfestigkeit <SEP> R <SEP> = <SEP> 6 <SEP> kg/mm2
<tb> 0, <SEP> 2-Grenze <SEP> S <SEP> 2 <SEP> = <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> kg/mm2 <SEP> 
<tb> Gesamtdehnung <SEP> in <SEP> % <SEP> (10 <SEP> = <SEP> 5 <SEP> ) <SEP> A <SEP> 5 <SEP> = <SEP> 15%
<tb> Kriechversuch <SEP> über <SEP> 1000 <SEP> h
<tb> 
 
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 ten Werten gehalten wurden, während Kriech- und Zugdehnung viel höher geworden sind, insbesondere der Wert As der Kriechdehnung wurde von weniger als 1% auf etwa   150/0   erhöht. 



   Im Falle des   7T !) igenAl-Al,20,   wurden die Kriechversuche bei 4500C durchgeführt und die folgenden Mittelwerte erhalten : 
Kriechversuch über 1000 h 
 EMI4.5 
 
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 etwa 4, 5%, erhöht wurde. 



   Ausführungsbeispiel 3 (auf ein Al-Rohr aufgespritztes   7% iges Al-Al O)   
Die Umformung des Ausgangsmaterials zu Draht und die Arbeitsbedingungen beim Metallspritzen sind die gleichen wie bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2 der Erfindung. Statt auf einen massiven Knüppelkern eine Kernstange, die sich mit 10 bis 70 Umdr/min dreht wurde der Verbundwerkstoff jedoch auf ein drehendes Aluminiumrohr (10 bis 70 Umdr/min) aufgespritzt, bis ein Knüppel von etwa 70 mm Aussendurchmesser hergestellt war. Dieser Knüppel wurde dann auf 68, 4 mm Aussendurchmesser und 25, 75 mm Innendurchmesser gedreht. Ausserdem wurde der Knüppel während 20 h bei einer Temperatur von 6000C in einem Vakuumofen   (10-5   mm Hg) entgast. 



   Das   entgaste Knüppelrohr   wurde dann durch eine Düse bei 5750C stranggepresst, um ein schrauben - 

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 linienförmig geripptes Rohr zu erzeugen. 
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<tb> 
<tb> 



  Str <SEP> angpressd <SEP> aten <SEP> : <SEP> 
<tb> Behälterdurchmesser <SEP> 70 <SEP> mm
<tb> Behältertemperatur <SEP> 5500C
<tb> Düsentemperatur <SEP> 5400C
<tb> Strangpressverhältnis <SEP> 25
<tb> Strangpressgeschwindigkeit <SEP> 25 <SEP> m/min
<tb> 
 
Die mechanischen Versuche wurden bei   450 C   durchgeführt und ergaben die folgenden Mittelwerte :
Zugversuch (Schneller Zug) 
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<tb> 
<tb> Zugfestigkeit <SEP> R <SEP> = <SEP> 9 <SEP> kg/mm2
<tb> Gesamtdehnung <SEP> in <SEP> % <SEP> (10 <SEP> = <SEP> 5 <SEP> d0) <SEP> A5 <SEP> = <SEP> 4%
<tb> Schneller <SEP> Berstversuch <SEP> bei <SEP> 4500C <SEP> :

   <SEP> 
<tb> Berstspannung <SEP> a <SEP> = <SEP> 8 <SEP> kg/mm <SEP> ! <SEP> 
<tb> 
 
Ausführungsbeispiel 4 (parallel zur Knüppelachse aufgespritztes tiges   Al- Al2 Os)   
Auch in diesem Fall gelten für das Drahtstrangpressen und die Arbeitsbedingungen beim Spritzen die oben angegebenen Daten. Doch während bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 senkrecht zur Knüppelachse gespritzt wurde, erfolgte es in diesem Fall parallel zu dieser Achse auf eine Scheibe, diesich mit 30 Umdr/min dreht. In dieser Weise wurde ein massiver Knüppel von 70 mm Durchmesser und 
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   Auch die Umformung des Knüppels zu einer Stange von 20 mm Durchmesser erfolgte entsprechend den für die Ausführungsbeispiele 1 und 2 angegebenen Daten. 



   Die dann bei 4500C durchgeführten Kriechversuche ergaben die folgenden Mittelwerte : 
Kriechversuch (300 h) 
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Die Dehnung vor dem Bruch betrug etwa 2,   50/0.   



   Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Warmfestigkeitseigenschaften des Werkstoffes auch in den Ausführungsbeispielen 3 und 4 beibehalten wurden, während die Kriechdehnung viel höher wurde. 



  Der Wert   A.   erhöht sich von weniger als 1% auf etwa 4%, wobei die Dehnung vor dem Bruch viel höher als bei normalen stranggepressten   Al-Al, s-Stangen   ist. 



   Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, vielmehr ist sie auch auf andere Verbindungen, wie beispielsweise Magnesium-Magnesiumoxyd Zusammensetzungen, anwendbar. 

**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Herstellung von Körpern aus Metall- Metal1oxyd- Verbundwerkstoffen oder Legie- <Desc/Clms Page number 6> EMI6.1