Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Profilen und Blechen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an Bor.
Borhaltige Aluminiumlegierungen sind zur Neutronenabsorption geeignet und werden aus diesem Grund bei der Herstellung von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Abfälle verwendet. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass das Bor in der Legierung in gleichmässig verteilter Form vorliegt.
Nach einem bekannten Verfahren wird das Bor in der Form von AlB2 in eine Aluminiumschmelze eingerührt und die auf diese Weise hergestellten Walz- oder Pressbarren zu Blechen bzw. Profilen weiterverarbeitet. Als nachteilig bei diesen Verfahren hat sich herausgestellt, dass eine gleichmässige Verteilung des eingerührten Aluminiumborids in der Schmelze und demzufolge auch im Blech bzw. Profil nur sehr schwer zu erzielen ist. Darüber hinaus ist dieses Verfahren nur zur Herstellung von Legierungen mit verhältnismässig kleinem Borgehalt geeignet. Durch die lange Kontaktzeit des AlB2 mit dem flüssigen Aluminium besteht die Wahrscheinlichkeit, dass sich Fremdphasen (z.B. Boride aus Magnesium, Eisen oder Zink) bilden und dadurch die Beständigkeit und die Eigenschaften des Materials unerwünscht beeinflussen.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Abfälle liegt in der Verwendung von borhaltigem Stahlblech, wobei dieses zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zusätzlich beispielsweise mit Kupfer plattiert werden muss. Ebenfalls sind Massnahmen zur Verbesserung des Korrosionsverhaltens nötig.
Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, welches die Herstellung von Profilen und Blechen aus einer borhaltigen Aluminiumlegierung mit gleichmässiger Verteilung des Bors in der Aluminiummatrix auf kostengünstige Weise ermöglicht. Das Material soll sich überdies während der Herstellung und der Gebrauchsdauer nicht in negativem Sinne verändern.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Schmelze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung versprüht und auf einer Unterlage in der Form eines kompakten Rohlings gesammelt wird, wobei der versprühten Schmelze vor deren Auftreffen auf der Unterlage mittels eines Trägergases borhaltige Partikel beigegeben werden und der Rohling anschliessend durch Strangpressen und/oder Walzen zum Profil bzw. Blech endgeformt wird. Im Gegensatz zu bekannten Einrührverfahren sind die borhaltigen Partikel nur während einer sehr kurzen Zeitdauer mit flüssigem Aluminium in Berührung.
Das angesprochene Herstellungsverfahren für einen Rohling mittels Sprühkompaktieren (spray deposition) ist an sich bekannt und beispielsweise in der US-A 3 826 301, auf welche ausdrücklich Bezug genommen wird, ausführlich beschrieben.
Zur Erzielung einer gleichmässigen Verteilung der borhaltigen Partikel sollten diese rieselfähig sein. Der Partikeldurchmesser liegt bevorzugt zwischen 1 und 100 mu m, insbesondere zwischen 5 und 20 mu m.
Besonders geeignet sind Partikel aus Borkarbid (B4C), jedoch können auch andere borhaltige Stoffe wie beispielsweise Bornitrid eingesetzt werden. Insbesondere Borkarbid besitzt die Eigenschaft, sich während der Herstellung und der Gebrauchsdauer chemisch nicht zu verändern und so die Eigenschaften im Laufe der Zeit nicht negativ zu beeinflussen.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Profile oder Bleche sind in hohem Masse geeignet zur Herstellung von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Abfälle sowie zum Schutz von Gerätschaften und Lebewesen vor Neutronenbestrahlung. Beim Einsatz von Borkarbid (B4C) liegt dessen Gehalt in der Aluminiumlegierung bevorzugt zwischen 2 und 30 Vol.-%.
Als Matrixwerkstoff kann je nach geforderten Festigkeitseigenschaften Reinaluminium oder irgendeine Aluminiumlegierung verwendet werden, beispielsweise eine Legierung des Typs AlMg3.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Eine Aluminiumlegierungsschmelze entsprechend der Zusammensetzung des Werkstoffs AlMg3 wurde nach dem vorstehend erwähnten Verfahren versprüht, wobei der versprühten Schmelze gleichzeitig 4 bzw. 10 Vol.-% B4C-Pulver (325 mesh, mittlerer Partikeldurchmesser < 10 mu m) beigemischt wurde. Die Rohlinge wurden anschliessend zu Profilen rechteckigen Querschnitts stranggepresst, anschliessend durch Kaltwalzen quer zur Pressrichtung mit einem Kaltwalzgrad von 70% zu Blechen weiterverarbeitet (Zustand w) und ein Teil der Bleche entfestigungsgeglüht (Zustand E).
Die mechanischen Eigenschaften von 1 mm dicken Blechen sind nachfolgend zusammengestellt.
<tb><TABLE> Columns=5
<tb>Head Col 01 AL=L: Zugversuch bei Raumtemperatur
<tb>Head Col 02 to 04 AL=L: B4C-Anteil im Blech (Vol.-%)
<tb>Head Col 05 AL=L: Zustand
<tb>SubHead Col 02 AL=L>0%:
<tb>SubHead Col 03 AL=L>4%:
<tb>SubHead Col 04 AL=L>10%:
<tb> <SEP>Zugfestigkeit Rm <SEP>306 <SEP>324 <SEP>327 <SEP>w
<tb> <SEP>(MPa) <SEP>236 <SEP>238 <SEP>177 <SEP>E
<tb> <SEP>0.2% Streckgrenze <SEP>292 <SEP>311 <SEP>316 <SEP>w
<tb> <SEP>(MPa) <SEP>156 <SEP>157 <SEP>127 <SEP>E
<tb> <SEP>Bruchdehnung A50 (%) <SEP>4.2 <SEP>2.5 <SEP>1.2 <SEP>w
<tb> <SEP>14.7 <SEP>12.2 <SEP>2.6 <SEP>E
<tb> <SEP>E-Modul (GPa) <SEP>69 <SEP>73 <SEP>85 <SEP>w
<tb> <SEP>71 <SEP>73 <SEP>81 <SEP>E
<tb> <SEP>Abrasion (nach TABER, 500 g/Rolle, Reibfläche 2626 mm<2>)
<tb> <SEP>Gewichtsverlust (mg) <SEP>105 <SEP>80 <SEP>70 <SEP>w
<tb> <SEP>nach 300 Umdrehungen <SEP>115 <SEP>90 <SEP>67 <SEP>E
<tb></TABLE>
Metallographische Untersuchungen zeigten eine gleichmässige Verteilung der B4C-Partikel in der Aluminiummatrix. Kerntechnische Untersuchungen bestätigen diesen Befund und zeigen ausserdem, dass die aufgrund des errechneten spezifischen Borgehalts, des Neutronenabsorptionsquerschnitts von Bor und der Materialdicke zu erwartende Abschwächung der Neutronenstrahlung tatsächlich erreicht wird.
The invention relates to a process for the production of profiles and sheets made of aluminum or an aluminum alloy containing boron.
Boron-containing aluminum alloys are suitable for neutron absorption and are therefore used in the manufacture of transport and storage containers for radioactive waste. It is particularly important that the boron is present in the alloy in an evenly distributed form.
According to a known method, the boron in the form of AlB2 is stirred into an aluminum melt and the rolled or pressed bars produced in this way are further processed into sheets or profiles. It has been found to be disadvantageous in these processes that uniform distribution of the stirred-in aluminum boride in the melt and consequently also in the sheet metal or profile is very difficult to achieve. In addition, this process is only suitable for the production of alloys with a relatively small boron content. Due to the long contact time of the AlB2 with the liquid aluminum, there is a likelihood that foreign phases (e.g. borides made of magnesium, iron or zinc) will form and thereby have an undesirable effect on the resistance and properties of the material.
Another possibility for the production of transport and storage containers for radioactive waste lies in the use of steel sheet containing boron, which must additionally be plated with copper, for example, in order to improve the thermal conductivity. Measures to improve the corrosion behavior are also necessary.
In view of these circumstances, the inventor has set itself the goal of providing a method of the type mentioned at the outset, which enables the production of profiles and sheets from a boron-containing aluminum alloy with uniform distribution of the boron in the aluminum matrix in a cost-effective manner. In addition, the material should not change in a negative sense during the manufacture and the period of use.
According to the invention, the object is achieved by spraying a melt of aluminum or an aluminum alloy and collecting it on a base in the form of a compact blank, boron-containing particles being added to the sprayed melt before it hits the base by means of a carrier gas, and then the blank is finally shaped by extrusion and / or rolling to form a profile or sheet. In contrast to known stirring methods, the boron-containing particles are only in contact with liquid aluminum for a very short period of time.
The mentioned production method for a blank by means of spray compacting (spray deposition) is known per se and is described in detail, for example, in US Pat. No. 3,826,301, to which express reference is made.
In order to achieve a uniform distribution of the boron-containing particles, they should be free-flowing. The particle diameter is preferably between 1 and 100 μm, in particular between 5 and 20 μm.
Particles of boron carbide (B4C) are particularly suitable, but other boron-containing substances such as boron nitride can also be used. Boron carbide in particular has the property that it does not change chemically during manufacture and in use and thus does not adversely affect the properties over time.
The profiles or sheets produced by the process according to the invention are highly suitable for the production of transport and storage containers for radioactive waste and for the protection of equipment and living beings from neutron radiation. When using boron carbide (B4C), its content in the aluminum alloy is preferably between 2 and 30% by volume.
Depending on the required strength properties, pure aluminum or any aluminum alloy can be used as the matrix material, for example an alloy of the type AlMg3.
Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments.
An aluminum alloy melt corresponding to the composition of the material AlMg3 was sprayed according to the above-mentioned method, 4 or 10% by volume of B4C powder (325 mesh, average particle diameter <10 μm) being simultaneously mixed into the sprayed melt. The blanks were then extruded into profiles with a rectangular cross-section, then further processed into sheets by cold rolling transversely to the pressing direction with a degree of cold rolling of 70% (condition w) and part of the sheets annealed (condition E).
The mechanical properties of 1 mm thick sheets are summarized below.
<tb> <TABLE> Columns = 5
<tb> Head Col 01 AL = L: tensile test at room temperature
<tb> Head Col 02 to 04 AL = L: B4C content in the sheet (vol.%)
<tb> Head Col 05 AL = L: condition
<tb> SubHead Col 02 AL = L> 0%:
<tb> SubHead Col 03 AL = L> 4%:
<tb> SubHead Col 04 AL = L> 10%:
<tb> <SEP> tensile strength Rm <SEP> 306 <SEP> 324 <SEP> 327 <SEP> w
<tb> <SEP> (MPa) <SEP> 236 <SEP> 238 <SEP> 177 <SEP> E
<tb> <SEP> 0.2% yield strength <SEP> 292 <SEP> 311 <SEP> 316 <SEP> w
<tb> <SEP> (MPa) <SEP> 156 <SEP> 157 <SEP> 127 <SEP> E
<tb> <SEP> Elongation at break A50 (%) <SEP> 4.2 <SEP> 2.5 <SEP> 1.2 <SEP> w
<tb> <SEP> 14.7 <SEP> 12.2 <SEP> 2.6 <SEP> E
<tb> <SEP> E-module (GPa) <SEP> 69 <SEP> 73 <SEP> 85 <SEP> w
<tb> <SEP> 71 <SEP> 73 <SEP> 81 <SEP> E
<tb> <SEP> abrasion (according to TABER, 500 g / roll, friction surface 2626 mm <2>)
<tb> <SEP> weight loss (mg) <SEP> 105 <SEP> 80 <SEP> 70 <SEP> w
<tb> <SEP> after 300 revolutions <SEP> 115 <SEP> 90 <SEP> 67 <SEP> E
<tb> </TABLE>
Metallographic investigations showed an even distribution of the B4C particles in the aluminum matrix. Nuclear tests confirm this finding and also show that the attenuation of the neutron radiation to be expected due to the calculated specific boron content, the neutron absorption cross section of boron and the material thickness is actually achieved.