CH516651A

CH516651A - Erzeugnis mit gegen Anfressen durch flüssiges Natrium widerstandsfähiger Oberfläche und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: CH516651A
Application number: CH1732767A
Authority: CH
Inventors: M Powers Richard
Original assignee: Atomic Energy Commission
Priority date: 1966-12-13
Filing date: 1967-12-11
Publication date: 1971-12-15
Also published as: SE317855B; US3496030A; FR1553152A; GB1165828A; DE1621527A1; BE707899A; DE1621527B2

Description

Erzeugnis mit gegen Anfressen durch flüssiges Natrium widerstandsfähiger Oberfläche und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Erzeugnis mit gegen Anfressen durch flüssiges Natrium widerstandsfähiger Oberflächen und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Es ist bekannt, dass das An- bzw. Festfressen von rotierenden Pumpenwellen in Lagerbuchsen, das Hängenbleiben von Ventilsitzen, welche sich in heissen Alkalimetallsystemen befinden, und insbesondere das Selbstverschweissen von rostfreiem Stahl in einer heissen Natriumumgebung oft zu beträchtlichen Schwierigkeiten führen. So wurden z. B. in einer Testserie rostfreie Chromstahlkugeln, welche sich gegenseitig berührten, in fliessendem Natrium bei 7000 C und unter der Wirkung einer äusscren Kraft von 5,26 kp auf je- den Auflagepunkt der Kugeln untersucht. Die Kugeln wurden danach einer Prüfung unterzogen, wobei es sich ergab, dass an den Kontaktstellen ausgeprägtes Sintern stattgefunden hatte. Dies zeigte deutlich, dass rostfreier Stahl herkömmlicher Art für solche Anwendungen, bei denen ein Anfressen vermieden werden muss, ungeeignet ist.

Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, Oberflächenüberzüge zu schaffen, welche gegen Anfressen gefeit sind und sich insbesondere für den Gebrauch in Lagern in flüssiger Natriumumgebung eignen, wobei diese Überzüge ein Sintern an Kontaktstellen verhindern sollen.

Das erfindungsgemässe, diesen Anforderungen genügende Erzeugnis zeichnet sich dadurch aus, dass die
Oberfläche eine innere Randschicht aus einer Legierung von Aluminium und einem übergangsmetall und eine äussere Randschicht aus mindestens einem Oxyd, mindestens einen der Legierungsbestandteile aufweist, wobei die äussere Randschicht für flüssiges Natrium undurchlässig und in flüssigem Natrium stabil ist
Das Verfahren zur Herstellung erfindungsgemässer Erzeugnisse zeichnet sich dadurch aus, dass auf das Erzeugnis eine Oberflächenschicht aus einer Legierung von Aluminium mit einem Übergangsmetall aufgebracht wird, und dass die Oberfläche zur Erzeugung einer aus mindestens einem Oxyd bestehenden äusseren Randschicht einer Temperatur von wenigstens 900 C ausgesetzt wird, wodurch eine Oberflächenschutzschicht entsteht.

Insbesondere kann es sich um die Anbringung eines Schutzüberzuges an einer Legierung von Aluminium und einem Übergangsmetall, wie beispielsweise Eisen oder Vanadium handeln, worin das Aluminium sich in fester Lösung befindet. Der Überzug kann durch Erhitzen der Legierung in einer oxydierenden Heliumatmosphäre, welche Dampf enthält, gebildet werden.

Durch diese Massnahmen werden Oberflächebfilme auf Legierungen vorgesehen, welche Selbstverschweissung an Kontaktstellen, wie beispielsweise im Falle von Lagern in geschmolzenen Natriumsystemen, ausschäessen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele von Legierungen gemäss der vorliegenden Erfindung dargestellt:
Beispiel 1
Die binäre Eisen-Aluminiumlegierung zeigt ausgedehnte feste Löslichkeit des Aluminiums im Eisen (ungefähr 50 a/o). In diesem System ist die erwartete nützliche hohe Aluminiumgrenze etwas niedriger, da hohe Aluminiumzusätze und die auf mögliche Bildung von Fe3 Al eingestellten festen Lösungen ein Sprödewerden zur Folge haben. Mit a/o werden Atom-Prozente bezeichnet.

Eine typische binäre Legierung nahe der nützlichen oberen Aluminiumgrenze wurde wie folgt hergestellt:
Aluminium hoher Reinheit (20,45 g) wurde in einem atmosphäreninaktiven kalten Kupfergefässofen mit 193 g Eisen hoher Reinheit ohne messbaren Ge- wichtsverlust fünf Mal bogengeschmolzen. Die resultierende Legierung entsprach 17,97 a/o Al und 82,03 a/o Fe. Die Legierung wurde dann in Teile von 0,93# 0,05 g geschnitten, was Bruchstücke von 6,35 mm ergab, welche dann in halbkugelförmigen Hohlräumen eines Kupferblockes zu nahezu kugelförmigen Legierungskügelchen geschmolzen wurden.

Die Proben w uurden dann herausgenommen und in einem Al2-O3-Schiffchen während 3 1/2 Stunden unter einer durch Einblasen in Wasser bei 0 C mit Wasser gesättigten Aunosphäre auf 1000 C erhitzt und rasch in trockenem 112 + He abgekühlt. Dabei resultierte ein relativ fest haftender Film von Al2O3 auf den Kugeloberflächen und ein Gewichtsgewinn von 0,0001 g/0,93 g Kugelgewicht oder ungefähr 0,0001 g/cmê Legierungsoberfläche als Folge der Oxydation.

Darauf wurden die Kugeln unter 5,26 kp Belastung in fliessendem Natrium bei 7000 C getestet, und die nachher durchgeführte Prüfung zeigte, dass sie nicht aneinander hafteten.

Beispiel 2
Eine zweite Gruppe von Fe-Al-Legierungs-Kugeln wurde gemäss dem vorhergehenden Beispiel hergestellt und oxydiert, ausser dass es sich hier um eine Zusammensetzung ton 10 a/o Al-90 a/o Fe handelte. Die entstandenen Kugcln wurden auf ähnliche Art unter 5,26 kp Belastung in fliessendem Natrium bei 700 C getestet, und auch diese Kugeln klebten nicht aneinander.

Beispiel 3
Eine weitere Gruppe von Fe-Al Legierungskugeln wurde wie in den vorstehenden Beispielen hergestellt.

Aber diesmal wurden die Kugeln durch Vorbehandlung während 8 Stunden bei 10000 C in einer mit Wasser bei 0 C gesättigten Atmosphäre von H2 + He oxydiert. Darauf erfolgte ein Spülen mit trockenem H2 + He bei 1000 C vor dem Abschrecken, zum Erzeugen eines Schutzfilmes mit Al2O3 über die Oberfläche. Die Prüfungen zeigten, wie vorstehend erwähnt, dass die erhaltenen Kugeln in der Natrium-Alkali-Umgebung nicht zusammcngesintert waren. Es wird jedoch angenommen, dass, falls der Schutzfilm durch Abrieb in einem heissen Natriumsystem entfernt würde, die Behebung des Schadens durch Reaktion mit Spuren Sauerstoff (d. h. 10-500 ppm) im Natrium länger dauern würde als dies bei einer 15 oder 20 a/o Aluminiumlegierung der Fall wäre.

Um einen selbstregenerierenden Schutzüberzug oder eine ebensolche Sperrschicht zu erhalten, ist es, so nimmt man an, wünschenswert, eine Legierung mit einer Aluminiummenge zu verwenden, die dem maximalen Gehalt nahekommt, welcher für die mechanischen Eigenschaften in diesem speziellen Fall der Anwendung der Legierung zulässig ist.

Beispiel 4
Eine Gruppe von Al-V-Legierungskugeln wurde wie in den vorstehenden Beispielen mit einer Zusammensetzung von 9,5 a/o Al und 90,5 a/o V aus den reinen Elementen durch Bogenschmelzen hergestellt und dann für eine Stunde in einer mit Wasser bei 0 C gesättigten Atmosphäre von He H2 bei ungefähr 10000 C oxydiert und dann in trockenem Helium abgekühlt, um eine Hydrierung des Vanadiums zu verhindern und um eine gleichmässig graue Oberfläche herzustellen. Diese Kugeln wurden wie in den vorstehenden Beispielen in Natrium von 700 C getestet, und es wurde festgestellt, dass die Kugeln nicht aneinander hafteten.

Die obere Grenze für den Aluminiumgehalt dieser Legierungen wird als die maximale Löslichkeit von Aluminium im Hauptelement bei 6000 C oder darüber betrachtet. Wegen schlechter Bearbeitbarkeit (Sprödheit) von gesättigten festen Lösungen von Aluminium in diesen Elementen ist es i. a. wünschenswert, weniger als den maximalen Aluminiumgehalt zu verwenden.

Charakteristische Grenzen von Zusammensetzungen für eine Menge von Aluminiumlegierungen, welche für die Anwendung in heissem Natrium geeignet sind, werden in der folgenden Tabelle angegeben.

System Atom%-Al
Al-Fe 3 bis 35
Al-V 3bis40
Al-Cr 3bis 15
Al-Ni 3bis 10
Al-Cu 3 bis 15
Al-Mo 2 bis 4
Al-W 2bis 8
Es geht daraus hervor, dass es möglich ist, Legierungen herzustellen, welche die Fähigkeit aufweisen, in heisser Natriumatmosphäre wirksam zu sein. Diese Legierungen können benützt werden, um Gegenstände, wie z. B. Lager, mit gegen Anfressen widerstandsfä higen Oberflächen zu bilden, oder sie können als Über- zugsmaterialien für andcre Materialien vor dem Über- ziehen verwendet werden, falls dies für die spezielle Anwendung erwünscht und geeignet erscheint.

Durch den beschriebenen Legierungstyp und eine entsprechende Lagerkonstruktion können die oben erwähnten Probleme gelöst werden. Eine Hauptanforderung, welche im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Lösung an die Legierung gestellt wird, ist der Gebrauch eines Üvergangsmetalls mit Aluminium, in welchem das Aluminium eine beträchtliche, feste Löslichkeit aufweist. In einer Ausführung bewirkt die Anwesenheit von genügend Aluminium in der Legierung eine Schutzschicht, welche hauptsächlich aus Al203 besteht. Diese Schutzschicht, welche in der Metallmasse unlöslich und für diese undurchdringlich ist und mindestens teilweise an der Legierung anhaftet, bildet die Hauptschranke gegen das Sintern oder Anhaften bzw.

Anfressen der belasteten Einheiten aneinander. In einem Legierungssystem wie z. B. Cr-Al, wo eine wechselseitige feste Löslichkeit existiert, muss in dem resultierenden, festen Lösungsoxyd, Cr2O3-Al2O3 eine Schutzschicht von Al2O3 in einem beträchtlichen Ausmass vorhanden sein, damit die Legierung als Lagermaterial in einem heissen Alkalimetallsystem gebraucht werden kann.

Zusätzlich wird beim Gebrauch einer solchen Legierung als Schutzschicht für das Trennen von flüssigem Natrium von seinem Behälter der Massenaustausch zwischen dem flüssigen Metall und dem Behältermaterial vermindert oder verhütet.

Die Anwesenheit von zusätzlichen Nebenelementen in der festen Legierungslösung ändert die Resultate nicht oder trägt nicht wesentlich zur Verbesserung der Anfress-Eigenschaften der Legierung bei. Sie kann aber andererseits eine Verminderung der Anfress-Eigenschaften oder Schutzeigenschaften für die feste binäre Aluminium-Übergangs-Lösung bewirken.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

I. Erzeugnis mit gegen Anfressen durch flüssiges Natrium widerstandsfähiger Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eine innere Randschicht aus einer Legierung von Aluminium und einem Übergangsmetall und eine äussere Randschicht aus mindestens einem Oxyd mindestens einer der Legierungsbestandteile aufweist, wobei die äussere Randschicht für flüssiges Natrium undurchlässig und in flüssigem Natrium stabil ist.

II. Verfahren zum Herstellen von Erzeugnissen nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Erzeugnis eine Oberflächenschicht aus einer Legierung von Aluminium mit einem Übergangsmetall aufgebracht wird, und dass die Oberfläche zur Erzeugung einer aus mindestens einem Oxyd bestehenden äusseren Randschicht einer Temperatur von wenigstens 900 C ausgesetzt wird, wodurch eine Oberflächenschutzschicht entsteht.

UNTERANSPRÜCHE 1. Erzeugnis nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsmetall aus Eisen besteht und einen Aluminiumgehalt von 3 bis 35 Atom Prozenten aufweist, wobei die äussere Randschicht im wesentlichen aus Al203 besteht.

2. Erzeugnis nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsmetall aus Vanadium besteht und ein Aluminiumgehalt von ungefähr 3 bis 40 Atom-Prozenten vorhanden ist.

3. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass man als Übergangsmetall Eisen und einen Aluminiumgehalt von 3 bis 35 Atom-Prozenten wählt.

4. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung des Erzeugnisses in einer Atmosphäre von Wasserstoff und Helium, welche vorgängig mit Wasserdampf bei 0 C gesättigt wurde, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass man als Übergangsmetall Vanadium und einen Aluminiumgehalt von 3 bis 40 Atom-Prozenten wählt.