DE1261675B - Schmiedbare, korrosionsbestaendige Stahllegierung mit hoher Neutronenabsorptionsfaehigkeit - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22c

Deutsche KL: 40 b-39/16

Nummer: 1261675

Aktenzeichen: A 44712 VI a/40 b

Anmeldetag: 5. Dezember 1963

Auslegetag: 22. Februar 1968

Die vorliegende Erfindung betrifft eine schmiedbare, korrosionsbeständige Stahllegierung mit hoher Neutronenabsorptionsfähigkeit. Eine solche Stahllegierung eignet sich gut zur Herstellung von Kontroll- und Regelstäben in Kernreaktoren sowie von Strahlenschutzschirmen.

Die Erfindung hat es sich also zum Ziel gesetzt, eine Stahllegierung mit hoher Neutronenabsorptionsfähigkeit zu schaffen, die sich gleichzeitig durch gute Warmverformbarkeit auszeichnet.

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, und ein solcher Stoff ist Bor, welches im Gegensatz zu den meisten anderen Stoffen mit entsprechenden Eigenschaften außerdem billig ist. Der wirksame Bestandteil bie Bor ist das Isotop B¹⁰, welches in natürlichem Bor mit einem Gehalt von 18,9% vorkommt.

Aus Festigkeitsgründen ist es jedoch nicht möglich, Kontroll- oder Regelstäbe aus reinem Bor oder einer einfachen chemischen Verbindung von diesem herzustellen, sondern in den meisten Fällen ist man darauf angewiesen, Bor als Legierungselement in Stahl eingehen zu lassen, um die notwendige Festigkeit zu erhalten. Der Legierungsgehalt an Bor wird dabei jedoch durch die Tatsache begrenzt, daß größere Borzusätze in äußerst augenfälliger Weise die Warmverformbarkeit verschlechtern. So läßt sich aus Abb. 14 aus »Berg- und Hüttenmännische Monatshefte«, 103. Jahrgang, Juli 1958, Heft 7, S. 133, die Versprödung durch Borzusatz entnehmen, wobei bemerkenswert ist, daß auch bei höheren Temperaturen bei größeren Borgehalten völlig sprödes Verhalten zu beobachten ist. Als Folge dieser Tatsache wird in der linken Spalte auf S. 134 ausgeführt, daß die schwierige Warmverarbeitbarkeit höher borlegierter Stähle die Erzeugung von Stählen mit höheren Borgehalten wirtschaftlich nur als Guß zuläßt, und es wird auf besondere Vorsichtsmaßnahmen beim Gießen hingewiesen.

Alle Stähle, die mehr als 2 °/₀ Bor enthalten, werden in der Zahlentafel 12 des genannten Artikels als Gießstähle bezeichnet im Gegensatz zu den Stählen mit niedrigerem Borgehalt als 2%, die als schmiedbar oder walzbar angegeben sind.

Aus dieser Vorveröffentlichung ergibt sich für den

Schmiedbare, korrosionsbeständige Stahllegierung mit hoher Neutronenabsorptionsfähigkeit

Anmelder:

Aktiebolaget Bofors, Bofors (Schweden)

Vertreter:

Dipl.-Chem. Dr. W. Koch

und Dr.-Ing. R. Glawe, Patentanwälte,

2000 Hamburg 52, Waitzstr. 12

Als Erfinder benannt:

Karl Gerhard Sune Persson, Kedjeasen;

Paul Helmer Lindroth, Söderfors;

Lars Ivar Hellner, Karlskoga (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 8. Dezember 1962 (13 250)

Fachmann, daß man eine schmiedbare Stahllegierung nur mit geringeren Borgehalten als 2% herstellen kann.
Es ist ferner bekannt, daß man durch gleichzeitigen Zusatz von Aluminium oder Silicium die Menge Bor in einer Stahllegierung auf höchstens 4,5 °/₀ erhöhen und trotzdem eine einigermaßen annehmbare Warmverformbarkeit erreichen kann.
Derartige Stähle haben jedoch eine relativ schlechte Korrosionsbeständigkeit und sind auf Grund dessen oft nicht verwendbar. Man hat deshalb versucht, Bor als Legierungsbestandteil in aus austenitischen, nichtrostenden Stählen vom Typ 18 °/₀ Chrom — 8 % Nickel bestehende Grundmaterialien einzubringen.

Bei diesen Stählen ging ebenfalls die Warmverformbarkeit bei einem 2°/₀ übersteigenden Borgehalt ganz verloren.

Durch die erfindungsgemäße Stahllegierung wird nun aber eine besonders hohe Neutronenabsorptionsfähigkeit angestrebt, indem man 2,4 bis 5°/₀ Bor zusetzt, aber gleichzeitig werden die Eigenschaften dieses Stahls wesentlich verbessert, indem dieser Stahl trotz des hohen Borgehaltes schmiedbar ausgebildet wird und das sonst bei höheren Borgehalten beobachtete spröde Verhalten verbessert wird.

Demgemäß besteht die erfindungsgemäße Stahllegierung aus höchstens 0,15 % Kohlenstoff, 15 bis

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30 °/o Chrom, 2,4 bis 5 % Bor, wobei der prozentuale Titangehalt durch die Formel 3,1 Gewichtsprozent Bor bis 5,8 bis 3,1 Gewichtsprozent Bor bis 3 bestimmt ist, jeweüs bis zu 2% Silicium und Mangan, Rest Eisen und Verunreinigungen, wie Phosphor und Schwefel.

Aus der Zeichnung ergibt sich der zulässige Titangehaltsbereich; dabei wurde die Abstimmung von Bor und Titan graphisch dargestellt, indem als Ordinate die Titangehalte und als Abszisse die Borgehalte aufgetragen wurden.

Dabei ist es unerheblich, daß aus der USA.-Patentschrift 2 087 431 ein ähnlich zusammengesetzert Stahl bekannt ist, dem aber gerade die entscheidenden Zusätze, nämlich Bor und Titan, fehlen, denn es ließ sich aus dieser Patentschrift in keiner Weise entnehmen, daß sich die erfindungsgemäße Stahllegierung trotz ihres besonders hohen Borgehaltes als schmiedbar und besonders gut warmverformbar erweisen würde.

Vorteilhafterweise beträgt der Kohlenstoffgehalt der Stahllegierung 0,10 %.

Eine bevorzugte Stahllegierung enthält 18 bis 28 % Chrom.

In nachfolgender Tabelle sind einige Beispiele für Stahllegierungen gemäß vorliegender Erfindung aufgeführt.

Stahl Nr.	Kohlenstoff	Gehalte, ·/„	Titan	Bor
	= 0,03	Chrom	4,5	2,4
1	0,04	25,1	6,0	3,0
2	0,04	25,1	5,4	3,5
3	0,03	25,1 '	6,6	3,7
4	0,03	25,3	6,8	3,7
5	0,03	25,4	7,3	3;s
6	0,03	25,4	7,4	4,0
7-·	0,04	25,4	8,0	4,4
8	24,0

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Sämtliche oben angegebenen Stähle wiesen eine gute Warmverformbarkeit auf und konnten ohne größere Schwierigkeiten von Gußblöcken zu Stangen ausgeschmiedet werden. Das Schmieden wurde hierbei im Temperaturbereich von 950 bis HOO⁰C ausgeführt.

Alle in der Tabelle aufgenommenen Stähle wiesen auch eine außerordentlich gute Korrosionsbeständigkeit auf. Um die angestrebte gute Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, erwies sich ein Chromgehalt von über 15°/₀ 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 Temperaturbereichs 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 das Resultat einer großen Anzahl von Experimenten erhalten.

Die erfindungsgemäße Stahllegierung eignet sich insbesondere als Werkstoff für Kernreaktorstäbe und Strahlenschutzschirme.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schmiedbare, korrosionsbeständige Stahllegierung mit hoher Neutronenabsorptionsfähigkeit, bestehend aus höchstens 0,15 °/₀ Kohlenstoff, 15 bis 30% Chrom, 2,4 bis 5% Bor, wobei der prozentuale Titangehalt durch die Formel 3,1 Gewichtsprozent Bor bis 5,8 bis 3,1 Gewichtsprozent Bor bis 3 bestimmt ist, jeweüs bis zu 2 % Silicium und Mangan, Rest Eisen und Verunreinigungen, wie Phosphor und Schwefel.

2. Stahllegierung nach Anspruch 1, jedoch mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,10%.

3. Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, jedoch mit einem Chromgehalt von 18 bis 28%.

4. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 bis 3 als Werkstoff für Kernreaktorstäbe und Strahlenschutzschirme.

In Betracht gezogene Druckschriften;
USA.-Patentschrift Nr. 2 087 431;
Berg- und Hüttenmännische Monatshefte, 103. Jahrgang, 1958, Heft 7, S. 125 bis 136.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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