DE1284815B - Verfahren zum Umkleiden einer Metallplatte mit einem Metallmantel - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umkleiden einer Metallplatte mit einem Metallmantel, insbesondere einer Platte aus einer Uran-Zirkon-Legierung mit einem Zirkonmantel, durch Warmwalzen eines aus Seitenteilen, Endteilen und Deckplatten zusammengesetzten, die Metallplatte mit die unterschiedliche Ausdehnung beim Warmwalzen berücksichtigendem Spiel umgebenden Metallmantels, dessen Teile unter Wärme und Druck sowie unter Gasspülung zu einem Verbundkörper zusammengeschweißt werden.
• Das Umkleiden einer Metallplatte mit einem Metallmantel, das Gasspülen und das Verschweißen des Metallmantels mit der Metallplatte unter Anwendung von Wärme und Druck ist bekannt (USA.-Patentschrift 2 059 584).
• Das Umkleiden einer Metallplatte mit einem Metallmantel nach der »Bilderrahmen«-Technik durch Walzen ist besonders für die Umkleidung von UrankernenfürNeutronenreaktor-BrennelementemitZirkon vorteilhaft. Dabei wird der Urankern in einen- Rahmen eingesetzt, der durch Ausschneiden einer Öffnung in einer Platte aus Metallmantelmaterial hergestellt wurde, worauf man auf beide Kernseiten Deckbleche auflegt, den Verbundkörper in einen verschlossenen und evakuierten Stahlmantel einbringt und den ganzen Körper erhitzt und walzt.
• Das luftdichte Einschließen der Plattierungspartner in einer bestimmten gegenseitigen Anordnung, die sie im Fertigerzeugnis haben sollen, in einem Blechmantel, das Warmwalzen des so erhaltenen Pakets und das Entfernen des Blechmantels zur Freilegung des fertig plattierten Erzeugnisses ist ebenfalls bekannt (Willi M a c h u , Metallische Überzüge, 3. Auflage 1948, Akademische Verlagsgesellschaft, Leipzig, S. 104,105, 516 und 517).
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bindung zwischen der Metallplatte und dem Metallmantel zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Enden der Metallplatte abgeschrägt sind, die diese Enden umgebenden Endteile des Metallmantels ein den abgeschrägten Enden entsprechendes Gegenprofil aufweisen und in einer Richtung gewalzt sind, die senkrecht zur Walzrichtung der Metallplatte im Verbundkörper liegt, und daß der so ausgebildete Verbundkörper in bekannter Weise nach allseitigem Umgeben mit einem Stahlmantel warmgewalzt und der Stahlmantel wieder entfernt wird.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Zirkonendteile des Metallmantels sich stärker in x-Richtung als in anderen Richtungen ausdehnen, wenn sie in y-Richtung gewalzt werden, nachdem sie vorher einem Walzen in x-Richtung unterworfen waren. Die Richtungen x und y stehen senkrecht aufeinander. Diese Wirkung wird erfindungsgemäß dazu ausgenutzt, daß beim Walzen des Verbundkörpers eine größere Ausdehnung der Endteile des Zirkonmantels entweder gegen die Seitenteile oder gegen die Deckplatten erzielt wird, wodurch die Haftung dieser Endteile mit den entsprechenden Teilen des Zirkonmantels verbessert wird.
• Die Erfindung ist anschließend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine mit einem Metallmantel umkleidete Metallplatte vor dem Walzen, F i g. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 von F i g. 1, F i g. 3 in Draufsicht, teils geschnitten, die Anordnung des die Metallplatte umkleidenden Metallmantels nach F i g. 1 in dem Stahlmantel, F i g. 4 einen Schnitt nach Linie 4-4 von F i g. 3, F i g. 5 einen Schnitt nach Line;5-5 von F i g. 3, F i g. 6 in isometrischer Darstellung die Orientierung verschiedener in einem Stab angeordneter Endteile für die Anordnung gemäß F i g. 1, unter Angabe der Walzrichtung x des Stabes und der Walzrichtung y der Anordnung gemäß F i g. 1.
• Der in den Zeichnungen dargestellte Verbundkörper 10 weist eine Metallplatte 12 aus einer Uranlegierung auf, die vorzugsweise 5 Gewichtsprozent Zirkon und 11/2, Gewichtsprozent Niob enthält. Es können auch Uranselbst oder andere Uranlegierungen, wie Uran-Zirkön-,'lUran-Niob- oder Uran-Molybdän-Legierungen verwendet werden. Die Metallplatte 12 ist von zwei Seitenteilen 14 und zwei Endteilen 16 eingerahmt, welche zwischen den Seitenteilen liegen und diese an den beiden Enden auseinanderhalten (F i g. 3). Jedes Endteil 16 ist mit einer V-förmigen Nut 18 (F i g. 1) versehen, welche das abgeschrägte Ende 13 der Metallplatte 12 aufnimmt. In einem der Endteile 16 ist eine Öffnung 20- vorgesehen, an welche eine nicht eingezeichnete Gasquelle oder Vakuumpumpe angeschlossen werden kann. Die Endteile 16 werden aus gewalztem Stabmaterial 21 gearbeitet und sind, wie in F i g. 6 gezeigt ist, so orientiert, daß die Walzrichtung bei ihrer Fertigung beim Vereinigen der Endteile mit der Metallplatte 12 senkrecht zur Längsrichtung der Metallplatte 12 liegt. Auf die gerahmte Metallplatte 12, die Seitenteile 14 und die Endteile 16 werden Deckplatten 22 aufgelegt, die so bemessen sind, daß der dabei gebildete Raum 24 in jeder Richtung etwas größer als die eingeschlossene Metallplatte 12 ist. Diese größere Bemessung des Raumes 24 erfolgt, um die Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten des Metallplatten- und des Metallmantelwerkstoffes auszugleichen und ein Werfen des Metallmantels bei dem späteren Erhitzen zu verhindern. Die Seitenteile 14, die Endteile 16 und die Deckplatten 22, welche den Metallmantel bilden, werden aus Zirkon oder einer Zirkon-Zinn-Legierung gefertigt, z. B. einer Legierung, die folgende Zusammensetzung hat:

  Zinn ..................... 1,2 bis 1,6

  Eisen ..................... 0,08 bis 0,17

  Chrom ................... 0,06 bis 0,14

  Nickel .................... 0,03 bis 0,07

  Stickstoff ................. maximal 0,009

  Zirkon .................... Rest

  Die abgeschrägten Enden 13 der Metallplatte 12 und die V-förmigen Nuten 18 in den Endteilen 16 bilden eine Übergangszone zwischen den Endteilen und der Metallplatte, mit welcher die Auswirkung des leichten Unterschiedes in den Walzeigenschaften von Metallplatte und Endteil ausgeglichen und dadurch bei der anschließenden Walzbearbeitung eine dichte Bindung zwischen der Metallplatte und den Endteilen erhalten wird. Die Endteile werden in bezug auf die Walzrichtung bei ihrer Herstellung in der oben beschriebenen Weise orientiert, so daß eine wirksame Bindung zwischen den Endteilen 16 und den Seitenteilen 14 und auch den Deckplatten 22 beim Walzen der Metallplatte 12 sichergestellt ist. Wird beispielsweise ein im in x-Richtung gewalzten Stab 21 (F i g. 6) endseitig liegender Endteil 16 verwendet, so erfolgt die größere Ausdehnung in x-Richtung gegen die Deckplatten 22, und die verbesserte Bindung wird gegenüber den Deckplatten erzielt. Wird andererseits einer der beiden in F i g. 6 parallelliegenden Endteile 16 verwendet, so erfolgt die größere Ausdehnung in x-Richtung gegen die Seitenteile 14, und es wird infolgedessen die Bindung gegenüber den Seitenteilen verbessert. Durch diese bevorzugte Orientierung wird die Walzanisotropie der dicht gepackten hexagonalen Metallkristalle in der Weise ausgenutzt, daß eine maximale Ausdehnung der Endteile 16 in der gewünschten Richtung erfolgt. Hinsichtlich der Walzanisotropie von Metallen wird auf Charles S. B a r -r e t t , »Structure of Metals«, McGraw Hill, New York, Toronto, London, 1952, 2. Ausgabe, S. 521 bis 537, verwiesen.
• Der fertige Verbundkörper 10 wird zwischen nicht eingezeichnete wassergekühlte Platten gebracht, worauf man senkrecht zu den Plattenflächen und senkrecht zu den Seitenteilen einen Druck ausübt. Während sich die Metallplatte unter Druck befindet, wird durch die Öffnung 20 in den Raum 24 ein inertes Gas, wie Argon, eingeleitet, um eine Verunreinigung der Innenflächen der aus der obigen Zirkon-Zinn-Legierung bestehenden Teile durch die Luft zu verhindern. Während sich die Metallplatte unter Druck befindet und das Spülgas eingeleitet wird, werden alle von aneinanderliegenden Teilen aus der Legierung gebildeten Nahtstellen durch Verschmelzen miteinander verbunden, wozu man vorzugsweise mit Inertgas abgeschirmte Wolframlichtbogen-Schweißbrenner verwendet. Man entlastet dann den auf die Metallplatte wirkenden Druck und evakuiert den Raum 24 von Spülgas und Luft. Wenn die Evakuierung nicht ausreicht, um das gesamte inerte Spülgas zu entfernen, kann es vorzuziehen sein, ein- oder mehrmals mit Luft zu spülen, so daß das in dem Raum 24 zurückbleibende Gas aus Luft besteht. Wenn ein inertes Gas in ausreichenden Mengen in diesem Raum eingeschlossen wird, so bilden sich zwischen Metallplatte und Metallmantel Blasen, während die Luft beim anschließenden Vorerhitzen des Verbundkörpers für die Walzbehandlung in der zirkonhaltigen Umkleidung und, in einem gewissen Umfang, in dem Urankern gelöst wird. Hierauf wird ein Stift 25 aus dem Werkstoff des Metallmantels in die Öffnung 20 eingesetzt und in dieser, vorzugsweise durch Vakuumlichtbogenschweißung, eingeschweißt, um das Innere des Verbundkörpers vollkommen gegen die Atmosphäre abzudichten.
• Nach dem Verschließen und Evakuieren wird der Verbundkörper 10 in einen aus vier Stücken bestehenden, kanalförmigen Stahlmantel 26 (F i g. 3, 4 und 5) eingesetzt, der vorzugsweise aus Stahl der Zusammensetzung 0,15 bis 0,250/0 Kohlenstoff, 0,30 bis 0,60 °/o Mangan, 0,045 °/o (maximal) Phosphor, 0,055 °/o (maximal) Schwefel, Rest Eisen, besteht. Der Stahlmantel 26 enthält zwei U-förmige Teile 28, die zusammen eine Kammer 30 bilden, in welche der Verbundkörper 10 paßt. In die beiden Enden der Kammer 30 werden Stopfen 32 eingesetzt, wodurch der Verbundkörper 10 vollständig in dem Stahlmantel 26 eingeschlossen wird. Jeder Teil des Stahlmantels 26 ist derart abgefast, daß die zusammentreffenden Flächen der Teile längs der Stahlmantelaußenseite V-förmige Nuten 34 bilden, die innen durch Heliare-Schweißung verschlossen und dann nach der üblichen Technik der Lichtbogenschweißung vollständig ausgefüllt werden. Der Stahlmantel 26 hat den Zweck, die atmosphärische Verunreinigung des aus der Zirkon-Zinn-Legierung bestehenden Metallmantels während des Erhitzens und Walzens zu verhindern und den Verbundkörper 10 während des Walzens insbesondere gegen ein Auseinanderwalzen zu sichern.
• Der ummantelte Verbundkörper wird dann erhitzt und auf die gewünschte Masse gewalzt. Vorzugsweise wird der Verbundkörper 2 Stunden auf eine Walztemperatur zwischen 750 und 900°C erhitzt, wobei 850°C einen geeigneten Mittelwert darstellen, und in zwölf Walzgängen einer 80°/oigen Dickenverminderung unterworfen, und zwar erfolgt in den ersten Durchgängen eine geringe Dickenminderung (2,5 °/o), um eine Verschiebung der Verbundkörperteile auf das Mindestmaß herabzusetzen, während die Dickenminderung in den letzten Walzgängen auf 17 °/o erhöht wird. Vorzugsweise wird nach je zwei Walzgängen während 18 Minuten erneut erhitzt, ausgenommen den ersten und den letzten Walzgang. Nach dem Walzen wird der Verbundkörper 10, der sich noch in dem Stahlmantel 26 befindet, vorzugsweise einer Behandlung unterworfen, durch welche er formbeständig wird. Der Stahlmantel kann abgeschert oder abgehobelt werden, die Kanten der Metallplatte 12 werden radiographisch festgestellt, um die Metallplatte auf die gewünschte Gesamtbreite und -länge arbeiten zu können.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Umkleiden einer Metallplatte mit einem Metallmantel, insbesondere einer Platte aus einer Uran-Zirkon-Legierung mit einem Zirkonmantel, durch Warmwalzen eines aus Seitenteilen, Endteilen und Deckplatten zusammengesetzten, die Metallplatte mit die unterschiedliche Ausdehnung beim Warmwalzen berücksichtigendem Spiel umgebenden Metallmantels, dessen Teile unter Wärme und Druck sowie unter Gasspülung zu einemVerbundkörper zusammengeschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Metallplatte abgeschrägt sind, die diese Enden umgebenden Endteile des Metallmantels ein den abgeschrägten Enden entsprechendes Gegenprofil aufweisen und in einer Richtung gewalzt sind, die senkrecht zur Walzrichtung der Metallplatte im Verbundkörper liegt, und daß der so ausgebildete Verbundkörper in bekannter Weise nach allseitigem Umgeben mit einem Stahlmantel warmgewalzt und der Stahlmantel wieder entfernt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallplatte verwendet wird, deren Endkanten ein V-förmiges Profil aufweisen.