DE1290726B

DE1290726B - Verfahren zum Herstellen von duennwandigen Gegenstaenden aus gegossenem Beryllium oder Berylliumgusslegierungen

Info

Publication number: DE1290726B
Application number: DEC34178A
Authority: DE
Inventors: Mallen Jose; Weisz Michel
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1963-10-25
Filing date: 1964-10-23
Publication date: 1969-03-13
Also published as: GB1085804A; SE310947B; NL6411480A; ES305279A1; BE654077A; CH433778A; US3333994A; LU47164A1; IL22204A; FR1381453A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen Gegenständen aus Beryllium oder Berylliumlegierungen, bei dem gegossene Barren, gegebenenfalls nach einer Warmbearbeitung, stranggepreßt und die Fertigprodukte insbesondere im Flugwesen, bei der Raumschiffahrt und in der Atomenergie-Technik verwendet werden. Sie betrifft vor allem ein Verfahren zur Herstellung von Rohren aus Beryllium, und zwar von Rohren, die zur Umhüllung von Brennstoffelementen für Atomreaktoren geeignet sind.

Seit der Verwendung von Beryllium für das Flugwesen, dann für die Raumschiffahrt und schließlich als Atomtechnik-Werkstoff — wobei die physikalischen Eigenschaften des Berylliums vor allem auf diesen Gebieten zur Geltung kommen — wurden die gewünschten Gegenstände vorzugsweise aus Blöcken oder Barren gesinterten Berylliums hergestellt. Nur gewisse Stücke einfacher Form, wie Bleche und zum Teil auch Rohre, konnten aus gegossenem Metall gewonnen werden; es war zudem jedoch notwendig, sie einem Kornverfeinerungsverfahren zu unterziehen, damit der Werkstoff brauchbare mechanische Eigenschaften erhielt. Es ist bekannt, einen zuvor stranggepreßten Berylliumstab bei etwa 425° C weiter zu verformen, ohne daß die Quer-Duktilität bei niedrigen Temperaturen wesentlich beeinflußt wird.

Man hat daher versucht, die Duktilität der Berylliumrohre auf andere Weise zu verbessern. Aus diesem Grunde ist man bei der Herstellung solcher Rohre von der Pulvermetallurgie ausgegangen, da bei niedriger Temperatur gesintertes Metall eine viel feineres Korn als gegossenes Metall und eine wesentlich bessere Längs-Duktilität (in Verformungsrichtung) besitzt.

Trotz zahlreicher Bemühungen, die dreidimensionale Duktilität zu erhöhen, haben jedoch Rohre dieser Art bestimmten Erfordernissen von Umhüllungen für Kernbrennstoffe nicht genügt.

Unter den zahlreichen Beanspruchungen, die sich während des Betriebs eines Reaktors ergeben, muß die Umhüllung eines Brennstoffstabes, d. h. eines kleinen Stabes mit geringem Durchmesser gegenüber seiner Länge, mit einem angemessenen Sicherheitszuschlag im besonderen die Beanspruchungen aus- halten, die sich aus den durch ihre Verbindung mit dem Brennstoff bedingten thermischen Belastungen ergeben.

Bei ständigem Betrieb hat die Umhüllung eine Temperatur, die von ihrer Einsetzstelle im Reaktor, von der Neutronenbilanz des Reaktors, von der Geschwindigkeit des Kühlmediums usw. bestimmt wird: normalerweise ist sie genügend heiß, so daß die mechanischen Spannungen nachlassen.

Beim Übergangsbetrieb, vor allem bei der Abkühlung, ist die Situation auf Grund der in der Umhüllung entstandenen thermischen Spannungen kritischer. In dieser Hinsicht kommt der Temperatur des Kühlmediums beim Eintritt — in gewöhnlichen Fällen beträgt sie 200 bis 250° C — eine große Bedeutung zu.

Es hat sich herausgestellt, daß das größte Problem für die Verwendbarkeit einer Umhüllung eine ausreichende Quer-Duktilität bei niedriger Temperatur ist, um das Brechen oder Aufreißen zu vermeiden.

Die pulvermetallurgisch hergestellten Rohre hatten keine ausreichende Quer-Duktilität. Man hat sich also darum bemüht, Rohre mit dieser wesentlichen Form der Duktilität zu erzielen, und hat schließlich entdeckt, daß die Längs-Duktilität und die Korngröße nur eine sekundäre Bedeutung besitzen.

Das Ziel der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Beryllium oder Berylliumlegierungen, insbesondere von Rohren, welches besser als die bisherigen Verfahren den verschiedenen Erfordernissen der Praxis entspricht, indem es vor allem die Gewinnung von weniger spröden Gegenständen ermöglicht, die nach längerer Erwärmung bei etwa 700° C keine Qualitätseinbußen erleiden, wesentlich weniger Einschlüsse, wenig intergranuläre Fehler und vor allem eine absolut bessere Quer-Duktilität besitzen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale gelöst:

a) Der Barren aus Beryllium oder einer Berylliumlegierung wird im Gußzustand direkt oder nach einer Kompressionsbehandlung einem Strangpressen schwachen Verformungsgrades unterworfen;

b) der schwach verformte Barren wird stärker als beim ersten Strangpressen durch ein zweites Strangpressen oder Walzen verformt;

c) anschließend wird ein Lauwarmziehen vorgenommen;

d) gemäß a) und b) verformte oder zusätzlich gemäß c) gezogene Gegenstände werden unter Anwendung einer bestimmten Verformung durch Entspannung bei einer nahe ihrer Rekristallisationstemperatur liegenden Temperatur gerichtet;

e) die so gerichteten Gegenstände werden einer gesteuerten Rekristallisationsglühung unterworfen.

Neben diesem wesentlichen Teil des Verfahrens besteht die Erfindung noch aus gewissen weiteren Verfahrensschritten, die vorzugsweise gleichzeitig, entweder einzeln oder in allen möglichen technischen Kombinationen, anwendbar sind und nach denen

das erste und/oder zweite Strangpressen schlagartig (mit hoher Geschwindigkeit) vorgenommen wird (werden);

das erste Strangpressen unter einer dünnen Hülle, das zweite Strangpressen unter einer dicken Hülle vorgenommen wird;

der Verpressungsgrad beim Strangpressen insgesamt mindestens gleich 50 °/o ist.

Die Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung und durch die Beispiele besser veranschaulicht; sie wird dadurch keineswegs in ihrem Umfang beschränkt. In der nachstehenden Beschreibung wird auf die Figur Bezug genommen, die in Abhängigkeit der Temperatur die Quer-Duktilität des durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Berylliums und des gesinterten Berylliums zeigt.

Die Verwendung des gegossenen Werkstoffs an Stelle des wie üblich gesinterten ist eine der wichtigsten Maßnahmen der Erfindung, da der gegossene und anschließend verformte Werkstoff praktisch frei von Wärmebrüchigkeit und sein Gefüge günstiger als

das des gesinterten und verformten Werkstoffs ist, sich eine längere Glühbehandlung bei 600 oder 700° C für den Gußwerkstoff vorteilhaft auswirkt, während sie für den Sinterwerkstoff schädlich sein würde, eine Röntgenaufnahme weniger Einschlüsse bei ersterem zeigt und er schließlich, obwohl sein Aussehen und seine Oberflächenbeschaffenheit weniger gut scheinen, weniger schadhafte Stellen aufweist, z. B. winzige Risse zwischen den Körnern, die bei Rohren die Quer-Duktilität beeinträchtigen.

Die nachstehende Tabelle zeigt einen Vergleich der Längs- und Quer-Duktilität zwischen Platinen aus gesintertem und gegossenem Beryllium:

Gesinterte, stranggepreßte
Platine

Gegossene, stranggepreßte
Platine

Mindesttemperatur

zur Erzielung einer Dehnung von lO°/o längs (D₁) quer (D_r)

50⁰C 140° C

über400°C 25O⁰C

Da die Quer-Duktilität für Rohre, insbesondere für Hüllrohre, erheblich wichtiger ist als die Längs-Duktilität, kann man aus der Tabelle die Überlegenheit des gegossenen Berylliums feststellen.

Nach der Wahl des Gußwerkstoffs wirkt die Verformungsbehandlung als Faktor zweiter Ordnung. Man kann unterschiedliche Methoden anwenden, wie z. B. schlagartiges Strangpressen oder die bekannte Art des Strangpressens unter einer Hülle, wobei die zweite Methode größere Rohrlängen mit besonders homogenem Gefüge ergibt.

Man kann außerdem gemäß der Erfindung die Rohre einem Lauwarmziehen unterwerfen, was die Oberflächenbeschaffenheit verbessert und die Rekristallisierung rascher ablaufen läßt. Auf diese Weise sind Querschnittsabnahmen von 10 bis 15 ⁰Zo bei 450° C ohne ein Zwischenglühen möglich.

Anschließend werden die so bearbeiteten Rohre einer Entspannungsbehandlung unterworfen, worauf ein Glühen bei einer Temperatur erfolgt, die sich der Rekristallisationstemperatur nähert, also zwischen 550 und 750° C. Dieser Vorgang verbessert die Fließgrenze bei höheren Temperaturen sowie die Duktilität des Berylliums.

Fm nachfolgenden wird ein Beispiel für die Herstellung von Rohren aus Beryllium nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angegeben.

Ein Gußbarren wird 2 Minuten lang bei 650° C unter einem Druck von 10,2 t/cm² gepreßt, wobei kleine, eventuell vorhandene Lunker beseitigt werden.

Im Verlauf eines ersten Strangpressens bei 950° C wird ein Block unter einer 2 mm dicken Hülle aus Flußstahl mit einem Verpressungsgrad von 6% verformt.

Der auf diese Weise gewonnene Stab wird in Stücke geschnitten und durchbohrt, um die für das Strangpressen der Rohre bestimmten Blöcke zu liefern.

Ein zweites Strangpressen wird daraufhin bei 950° C mit einer Geschwindigkeit von 27 mm/sec und mit einem Verpressungsgrad von 15% durchgeführt.

Das Richten der Rohre erfolgt anschließend durch Verformung unter Zug, wobei eine wesentliche Entspannung bei 650° C während einer halben Stunde auftritt; dann wird bei 750° C 4 Stunden lang geglüht. Wie bereits weiter oben erwähnt, ist der erfindungsgemäß hergestellte Gegenstand duktiler und weniger spröde als ein gleich zusammengesetzter Gegenstand aus einem Sinterwerkstoff, was auch aus einem Vergleich der Kurven A und B der Zeichnung hervorgeht. Die Kurvet gibt die Quer-Duktilität eines erfindungsgemäß hergestellten Rohres, die Kurve B diejenige eines gesinterten Rohres aus Beryllium wieder.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen Gegenständen aus Beryllium oder einer Berylliumlegierung, bei dem gegossene Barren, gegebenenfalls nach einer Warmbearbeitung, stranggepreßt werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale:

c) anschließend wird ein Lauwarmziehen vorgenommen;

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Strangpressen schlagartig vorgenommen wird (werden).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff beim ersten Strangpressen unter einer dünnen Hülle, beim zweiten Strangpressen dagegen unter einer dicken Hülle verformt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verpressungsgrad beim Strangpressen insgesamt mindestens gleich 50% ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen