DE1191280B - Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Koerpern, insbesondere von Spaltstofftabletten fuer Atomreaktoren, aus pulverfoermigen Stoffen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

B 28 c

Deutsche Kl.: 80 a - 30

1191280
W28204 V/80 a
19. Juli 1960
15. April 1965

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Körpern, insbesondere von Spaltstofftabletten für Atomreaktoren, aus pulverförmigen Stoffen durch Pressen mit Hilfe von zwei in einen Formhohlraum aus entgegengesetzten Richtungen axial eingeführten Druckstempeln und durch anschließendes Sintern.

Das Verfahren zur Herstellung von Formungen aus pulverförmigen Rohstoffen umfaßt allgemein das Pressen des pulverförmigen Stoffes in die gewünschte Gestalt und die anschließende Sinterung des vorgeformten Teiles. Im Vergleich zu den Abmessungen des vorgeformten Teiles (des Grünlings) sind die dem Sinterofen entnommenen Formlinge stark geschrumpft. Das ist das Ergebnis der in dem Ofen entstehenden teilweisen Verschmelzung. Es ist einleuchtend, daß das Ausmaß und die Gleichmäßigkeit dieser Schrumpfung weitgehend von den Eigenschaften des Formlinge abhängen. Wenn der Formling locker, mit ausgedehnten Lunkern und Zwischenräumen gepreßt ist, wird die Schrumpfung dementsprechend größer sein, und wenn die Dichte des Formlinge nicht gleichmäßig ist, wird dementsprechend auch die Schrumpfung nicht gleichmäßig sein.

Es ist viel Mühe auf die Beherrschung der endgültigen Abmessungen der teilweise verschmolzenen oder gesinterten Formlinge verwendet worden, und sehr oft ist es wünschenswert, daß die Sinterung der letzte Schritt des Herstellungsverfahrens ist und daß der aus dem Ofen kommende Formling ohne weitere Bearbeitung, Oberflächenbehandlung oder andere Formgebung gebrauchsfertig ist.

Wenn der pulverförmige Stoff in eine allseitig geschlossene, nur oben offene Preßform eingesetzt ist, bei der auf den pulverförmigen Stoff durch einen durch die Öffnung in der Form eingeführten Stempel Druck ausgeübt wird, hat der Formling bekanntlich in der dem Stempel unmittelbar benachbarten Zone eine hohe Dichte und mit zunehmendem Abstand von dem Stempel Zonen mit geringerer Dichte. Auf Grund der auf diesem Verfahren beruhenden uneinheitlichen Dichte können auf diese Weise nur Formlinge, bei denen das Verhältnis Länge zu Durchmesser klein ist, mit zufriedenstellendem Ergebnis hergestellt werden. Eine Verbesserung wird durch die Verwendung einer Form erreicht, die oben und unten eine Öffnung und durch diese eingeführte, gleichzeitig arbeitende Druckstempel hat. Auf diese Weise wird der Druck gleichzeitig auf zwei Flächen des pulverförmigen Stoffes in der Preßform ausgeübt, so daß der Formling oben und unten eine Zone

Verfahren zur Herstellung von zylindrischen
Körpern, insbesondere voh Spaltstofftabletten
für Atomreaktoren, aus pulverförmigen Stoffen

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

James P. Glenn, Lynchburg, Va. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Juli 1959 (829122)

hoher Dichte hat und die Zone geringster Dichte in der Mitte der Längsachse liegt. Diese Mittelzone geringer Dichte nimmt an Bedeutung zu, je langer der Formling ist. Besonders in der Mitte des Formlings nimmt die Schrumpfung erhebliche Ausmaße an, wenn das Verhältnis Länge zu Durchmesser größer als 1 ist. Die aus solchen Formungen hergestellten Sinterkörper sind infolgedessen nicht genau zylindrisch, sondern in der Mitte mehr oder weniger stark eingeschnürt.

Zur Herstellung von Formungen aus pulverförmigen metallischen Stoffen mit Hilfe von Stempeln ist es bekannt, den Hohlraum der Form im mittleren Bereich größer auszuführen, damit in diesem Bereich eine größere Dichte entsteht als an den Enden des Formlinge. Zu diesem Zweck wird das metallische Pulver in der in ihrem mittleren Bereich erweiterten Form vorgeformt, dann gesintert und anschließend in die endgültige Form verdichtet. Dagegen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, aus pulverförmigen keramischen oder metallischen Stoffen zylindrische Körper, bei denen das Verhältnis Länge zu Durchmesser größer als 1 ist, mit gleichmäßiger Dichte und mit den vorgeschriebenen Endabmessungen in der Weise herzustellen, daß die während der Sinterung eintretende Schrumpfung bereits bei der Formgebung des Formlinge berücksich-

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tigt wird. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch durch den Durchgang 14 gezwängt, wie in Fig. 4

erreicht, daß der in an sich bekannter Weise in dargestellt.

einem im mittleren Bereich erweiterten Formhohl- Der tonnenförmige Formpreßling nach F i g. 3 hat raum gepreßte Formling in ungesintertem Zustand unmittelbar an den Stempeloberflächen Zonen größ- mit Hilfe eines der beiden Druckstempel durch eine 5 ter Dichte, während die Zone geringster Dichte in der verengten Stirnöffnungen des Formhohlraumes einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Form ausgestoßen wird, so daß die Dichte der mittleren lings und ungefähr mitten zwischen den Oberflächen Zone des Formlinge erhöht wird. Zur Durchführung der Stempel liegt. Je nach der Stärke der Wölbung des Verfahrens ist im wesentlichen ein tonnenartig kann das Auswerfen (F i g. 4) eine elastische Ver gewölbter Preßraum mit öffnungen für einander io formung entlang der Längsachse des Formlings gegenüberliegende, zusammenwirkende Stempel und oder aber gleichzeitig auch eine plastische Verfor- koaxial anschließendem Preßhals vorgesehen. Der mung hervorrufen.

pulverförmige Stoff wird zunächst durch die zu- Bei einer relativ flachen Wölbung in der Größen- sammenwirkenden Stempel in dem tonnenförmigen Ordnung von etwa 0,05 mm bei einem Formling Preßraum gepreßt, dann wird der so hergestellte 15 von 7,5 mm Durchmesser wurde nur eine elastische tonnenförmige Formling durch einen der Stempel Verformung beobachtet, und der Formling nahm die durch den Preßhals gezwängt, und schließlich wird Tonnenform im wesentlichen ohne Änderung der der tonnenförmige Formling in einem Ofen gesintert, Abmessungen wieder an, nachdem er durch den so daß sich Tabletten mit im wesentlichen gerader Trichter 15 ausgeworfen war.
zylindrischer Form und durchgehend gleichmäßiger 20 Bei einer größeren Wölbung in der Größenord-Dichte ergeben. nung von etwa 0,1 mm kann eine plastische Verfor-

Zum besseren Verständnis des Wesens der Er- mung zumindest in der Mittelzone eintreten, in der

findung sollen die folgende eingehende Beschreibung der Durchmesser des Formlings am größten ist. Bei

und die Zeichnung dienen, in der plastischer Verformung nimmt die Dichte in der

F i g. 1 ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße 25 durch die Pressung während des Ausstoßvorganges

Preßform ist, plastisch verformten Zone zu (und der Tonnendurch-

F i g. 2, 3 und 4 weitere Schnitte sind, die Einzel- messer ab). Jedoch wird der ausgeworfene Formling

schritte bei der Herstellung des Formlings darstellen, in jedem Falle von der Sinterung merklich tonnen-

Fig. 5 der Aufriß eines Formlings und artig gewölbt sein.

F i g. 6 der Aufriß eines gesinterten zylindrischen 30 Wenn eine solche plastische Teilverformung einKörpers ist. tritt, entsteht die größte zusätzliche Verdichtung

In F i g. 1 ist eine Preßform 10 mit einem tonnen- längs der Achse des Formlings in der Gegend der förmigen Hohlraum 11 dargestellt. Zur Verdeut- bereits erwähnten niedrigsten Dichte, weil eben in lichung ist die Tonnenwölbung des Preßraumes dieser Zone der tonnenförmige Formling seinen übertrieben. Ein zylindrischer Kanal 12 verbindet 35 größten Durchmesser hat. Es zeigt sich also, daß die den Boden der Form 10 mit dem Boden des Hohl- Kombination von tonnenförmigem Formling und raumes 11. Ein ähnlicher, jedoch kürzerer Kanal 13 zylindrischem Durchgang in bestimmten Fällen eine verbindet das obere Ende der Form mit dem obe- Zunahme der Dichte im Formling an der Stelle be- ren Ende des Hohlraumes 11. Der Kanal 13, der wirkt, wo die größte Dichte am meisten benötigt Hohlraum 11 und der Kanal 12 sind axial anein- 40 wird. Nach der Ausstoßung durch den trichterförmi- andergereiht. Der Kanal 13 enthält zwei Teile, einen gen Durchlaß ergibt sich ein Formling 18, der die zylindrischen Durchgang 14, der sich unmittelbai Gestalt einer Tonne hat (F i g. 5).
an das obere Ende des Hohlraumes 11 anschließt Die erfindungsgemäß hergestellten Formlinge und dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der haben also eine mehr oder weniger ausgeprägte größte Durchmesser des Preßraumes, und einen 45 Tonnenform, je nach dem Ausmaß der gegebenen trichterförmigen Durchlaß 15, der die Oberfläche falls eintretenden plastischen Verformung. Die vom der Form 10 mit dem oberen Ende des Preßhalses Sintern herrührende Schrumpfung ist am größten in 14 verbindet. Das zu pressende pulverförmige Mate- der in der Mitte des Formlings liegenden Zone mit rial wird durch den Trichter 15 in den Hohlraum 11 dem großen Durchmesser und der niedrigen Dichte gefüllt. Ein unterer Druckstempel 17 läßt sich im 50 und am geringsten in den Endzonen mit kleinem Kanal 12, ein oberer Druckstempel im Kanal 13 Durchmesser und hoher Dichte. Durch diesen Unterhin- und herbewegen. schied im Schrumpfungsgrad wird eine zylindrische

An Hand der Fig. 2 bis 6 soll nachstehend ein Tablette mit im wesentlichen geraden Seiten hergestellt. Arbeitsablauf der Einrichtung nach F i g. 1 beschrie- Es ist verständlich, daß die gesinterten Tabletten ben werden. Der untere Druckstempel 17 ist zu- 55 auf Grund kleiner, unkontrollierbarer Schwankungen nächst im Kanal 12 in die in F i g. 2 dargestellte im Material, im Druck oder anderer Faktoren gering-Hohe gebracht. Eine bestimmte Menge des pulverfügig von einer vollkommen zylindrischen Gestalt ab- förmigen Stoffes wird dann durch den Trichter 15 weichen können. Normalerweise betragen die Unterin den Hohlraum gefüllt, und zwar vorzugsweise schiede im Durchmesser entlang den Seiten einer etwas über das obere Ende des Hohlraumes 11 hin- 60 Tablette weniger als 0,025 mm und können nur aus bis in den Durchgang 14. Der obere Stempel 16 durch sorgfältige mikrometrische Messungen fest wird dann in die in F i g. 2 dargestellte Lage ge- gestellt werden. Im Vergleich zur bisherigen Praxis bracht. Dann wird der pulverförmige Stoff im Hohl- ergibt jedoch die vorliegende Erfindung eine große raum 11 durch beide Druckstempel gleichzeitig zu- Verbesserung insofern, als nahezu vollkommen sammengepreßt, wie in F i g. 3 dargestellt. Im nach- 65 zylindrische gesinterte Tabletten erzielt werden.
sten Schritt wird der obere Stempel 16 aus dem Die Vorzüge der Erfindung haben sich bei der Hohlraum herausgezogen. Daraufhin wird der ton- Herstellung von Spaltstofftabletten aus Urandioxyd nenförmige Formling 18 mit dem unteren Stempel 17 für Atomkernreaktoren gezeigt. Diese Spaltstoff-

tabletten werden in zylindrische Metallröhren eingesetzt. Hierbei ist es außerordentlich wichtig, daß eine möglichst enge Berührung zwischen den Tablettenwänden und dem Metallrohr besteht, damit die Wärme so gut wie möglich von den Tabletten, in denen sie während der Kernreaktion entsteht, zum Metallrohr und von dort zum Kühlmittel geleitet wird.

Für die Verwendung in Atomreaktoren geeignete Spaltstofftabletten können hergestellt werden aus Urandioxydpulver und etwa 1 bis 2% Gewichtsanteilen eines vorübergehend beständigen organischen Bindemittels, wie z. B. Metallseife, Harz, hochmolekularer Alkohol oder Glykol oder Derivate solcher Alkohole und Glykole, beispielsweise aus diesen dargestellte Acetate und Formaldehyde. Ein geeigneter pulverförmiger Spaltstoff enthält neben Urandioxyd etwa 1% Polyvinylacetat und etwa 0,25% Kalziumstearat als kurzfristig beständiges Bindemittel. Ein anderer Spaltstoff enthält 98% Urandioxyd und 2% festes Polyäthylenglykol mit einem Molekulargewicht von etwa 1000. Alle Teilangaben sind auf das Gewicht bezogen. Während der Sinterung bei einer Temperatur von 1300 bis 1700° C über 4 bis 24 Stunden verflüchtigen sich die unbeständigen organischen Bindemittel und entweichen aus dem Formling. Der größte Durchmesser der tonnenartigen Preßform für die Herstellung von Tabletten mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 7,5 mm soll um etwa 0,025 bis 0,1 mm größer sein als der untere und obere Durchmesser des Formlings. Zweckmäßigerweise ist jedoch der größte Durchmesser insgesamt um etwa 0,05 mm größer als der gewünschte Enddurchmesser des Formlings. So hatte z. B. eine Reihe von Formungen die folgenden Abmessungen: Länge 17,8 mm, Durchmesser an den Enden 8,865 mm, Durchmesser in der Mitte 8,915 mm.

Die folgende Tabelle gibt tatsächlich gewonnene Ergebnisse für Tabletten wieder, die nach der Sinterung endgültige Durchmesser von 7,785 bzw. 7,849 mm haben sollten. Es ist beachtenswert, daß die größte Abweichung vom gewünschten Durchmesser etwa 0,013 mm betrug.

Tabelle I

Urandioxydtabletten, gewonnen aus einer tonnenartigen Preßform mit einem gegenüber dem Durchmesser an den Enden um 0,05 mm größeren Durchmesser

in der Mitte

	Soll-	Länge	Ist-Durchmesser	oberes	Mitte	unteres
Tablette	Durch		Ende	mm	Ende
Nr.	messer	mm	mm	7,785	nun
	mm	16,6	7,785	7,785	7,810
1	7,785	16,2	7,785	7,785	7,798
2	7,785	16,2	7,785	7,849	7,810
3	7,785	17,0	7,849	7,849	7,849
1	7,849	16,9	7,849	7,849	7,849
2	7,849	17,1	7,849	7,849	7,849
3	7,849	17,0	7,849	7,849	7,849
4	7,849	17,1	7,849	7,849	7,849
5	7,849	17,1	7,849	7,849	7,849
6	7,849	17,0	7,849	7,849
7	7,849

Die folgende Tabelle gibt die durchschnittliche tonnen- oder sanduhrartige Wölbung an, die sich nach der Sinterung von Urandioxydformlingen mit einem Durchmesser von etwa 7,5 mm und einer Länge zwischen 15,2 und 17,8 mm einstellte, wenn ein unterschiedlicher Preßdruck ausgeübt wurde und dementsprechend Formlinge von unterschiedlicher Dichte entstanden. Der in der Tabelle angegebene Preßdruck ist der in den Zuleitungsrohren zur Presse herrschende Druck. Der hier angezeigte Druck von 6,33 bis 7,03 kp/cm² entspricht einem Druck von 2030 bis 8440 kp/cm² am Formling.

Tabelle II

»Wölbung« = Differenz zwischen dem Durchmesser in der Mitte
und dem Durchmesser an den Enden der Tabelle (+ bedeutet tonnenartige Form,

— bedeutet sanduhrartige Form)

Charge

Preßdruck
kp/cm²

Durchschnittliche Dichte des Preßlings

vor Sinterung g/cm³ nach Sinterung
g/cm³

Durchschnittliche Wölbung

nach Pressung
mm

nach Sinterung mm

XD 31W
XD 31W
XD 31W
XD 31W
10Bl ...
10Bl ...
SMMD ..
SMMD ..
SMMD ..

7,03

6,47

20,04

14,06

7,03

10,55

etwa 7,03

14,06

28,12

6,75
6,66
7,22
7,63
6,35
6,45
6,90
7,30
7,63 9,91

9,93

10,16

10,21

10,00

9,98

10,14

10,26

10,32

0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05

0,0

0,0

+0,013 +0,025 -0,025 -0,025 -0,013* + 0,013 +0,025

* 12 Stunden bei etwa 1700° C gesintert.

Es zeigt sich also, daß die Tabletten, wenn die drisch sind, während Formlinge mit einer Dichte Formlinge mit einem Durchmesser von 7,5 mm und 65 unter 6,6 g/cm³ nach der Sinterung eine Sanduhreiner Wölbung von 0,05 mm mit einem zur Erzeu- form haben, die sich mit abnehmender Dichte immer gung einer Dichte von 6,6 bis 7,1 g/cm³ ausreichen- stärker ausprägt, und Formlinge mit einer Dichte den Druck gepreßt werden, fast vollkommen zylin- von mehr als 7,1 g/cm³ nach der Sinterung leicht

tonnenartig gewölbt sind. In allen oben angeführten Beispielen ist jedoch die Abweichung von der vollkommenen Gestalt sehr gering.

Wie die Tabelle Π zeigt, ist die Abweichung vom gewünschten Durchmesser auf höchstens 0,025 mm begrenzt Außer Urandioxyd können in der gleichen Weise andere metallische Pulver gepreßt werden.
. Erfindungsgemäß ist ein einfaches und wirksames Verfahren zur Herstellung von gesinterten, lang gestreckten Formlängen mit einfachem, vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt und im wesentlichen ge raden Seiten aus pulverförmigen Stoffen dargelegt. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von relativ langen gesinterten Formungen mit einem Ver hältnis von Länge zu Durchmesser größer als 1 untet Beherrschung einer Durchmessertoleranz von ± 0,025 mm bei einem Durchmesser von 7,5 mm. Außerdem ist eine Preßform beschrieben worden, in der in einem Arbeitsgang sowohl eine axiale als auch eine radiale Pressung vorgenommen werden ao kann. Das Verfahren und die Einrichtung sind nicht auf eine einzige Stoffklasse beschränkt, sondern kön nen auch zur Formgebung von Formungen aus keramischen und metallischen Pulvern verwendet werden. Beispiele sind Zirkon, Porzellanpulver, Kie- seierde, Aluminiumsilikate, Kalzium, Bor und Me talle, wie Eisen, Wolfram, Nickel und Kobald-Nik- kel-Eisen, bekannt als Kovar. Selbstverständlich können ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken die oben beschriebenen Abmessungen zur Anpas- sung an besondere Preßstoffe geändert werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von zylindrisehen Körpern, insbesondere von Spaltstoff tabletten für Atomreaktoren, aus pulverförmigen Stoffen durch Pressen mit Hilfe von zwei in einen Formhohlraum aus entgegengesetzten Richtungen axial eingeführten Druckstempeln und durch anschließendes Sintern, dadurch gekennzeichnet, daß der in an sich bekannter Weise in einem mittleren Bereich erweiterten Formhohlraum gepreßte Formling in ungesintertem Zustand mit Hilfe eines der beiden Druckstempel durch eine der verengten Stirnöffnungen des Formhohlraumes ausgestoßen wird, so daß die Dichte der mittleren Zone des Formlinge erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Herstellung zylindrischer Spaltstofftabletten aus Urandioxydpulvei verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Urandioxydpulver als Bindemittel etwa l°/o Polyvinylalkohol und etwa 0,25% Kalziumstearat zugesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Urandioxydpulver als Bindemittel 2% Polyäthylenglykol zugesetzt werden.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Preßform (10) ein zylindrischer, einen Druckstempel (16) aufnehmender Kanal (13), ein tonnenförmiger Preßraum (11), ein zylindrischer, einen weiteren Druckstempel (11) aufnehmender Durchgang (12) und ein trichterförmiger Durchlaß (15) koaxial aneinandergereiht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 541977, 648 495;
britische Patentschrift Nr. 581700.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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