DE1758402C2 - Vanadiumlegierung - Google Patents
VanadiumlegierungInfo
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Description
25
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine chiom- und/oder molybdänhaltige Vanadiumlegierung
mit niedrigem Titangehalt und auf den Titangehalt abgesämmten Gehalten an Sauerstoff, Stickstoff
ind Kohlenstoff. Formteile aus der erfindungsgemäßen
Vanadiumlegierung besitzen eine hohe Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen und eine
ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit gegenüber strömenden Natriumschmelzen. Die erfindungsgemäßen
Legierungen eignen sich insbesondere zur Verwendung in Kernreaktoren als Konstruktionsmaterial oder für
Hüllen von Brennstoffstäben.
Vanadiumlegierungen haben im Hinblick auf ihre Anwendung in der Reaktortechnik besondere Bedeutung
auf Grund ihrer günstigen neutronen-physikalischen Eigenschaften und guten Warmfestigkeit
erlangt. Es sind binäre Vanadiumlegierungen bekannt, die 5% Titan oder 2,8% Titan enthalten (Journal of
the Less-Common metals, Vol. 12, 1967, S. 280 bis 293). Von der Vanadiumlegierung mit 5% Titan ist
ein gutes Zeitstandverhalten aus Kurzzeitversuchen bekannt. Es sind ferner binäre Vanadiumlegierungen
bekannt, die 0,5 bis 20% Chrom oder Molybdän enthalten (französische Patentschriften 1 473 176,
1 473 177) sowie binäre Vanadiumlegierungen mit 0,2 bis 3% Silicium (französische Patentschrift
1 473 178). Derartige Legierungen sind als Konstruktionsmaterial in natriumgekühlten Kernreaktoren
vorgeschlagen. Diese Legierungen dürfen jedoch höchstens 500 ppm (0,05%) Sauerstoff und je 300 ppm
(0,03%) Stickstoff und Kohlenstoff enthalten, damit sie verarbeitbar sind. Die geringen Gehalte an den
genannten Elementen führen jedoch zu einer geringen mechanischen Festigkeit, vor allem bei hohen
Temperaturen. Binäre Vanadium- Chrom- und Vanadium-Molybdän-Legierungen
sind auch sehr grobkörnig. Schließlich sind ternäre Vanadiumlegierungen mit 1,2 bis 5,3% Zirkonium und 6 bis 20,5% Chrom
oder Molybdän bekannt, die für die Verwendung in der Reaktortechnik vorgeschlagen sind (USAEC-Report
WCAP — 3487-15; 1966).
Nach einem älteren Vorschlag werden insbesondere zur Verwendung als Strukturmaterial in schnellen
Kernreaktoren Vanadiumlegierungen vorgesehen, die aus 1 bis 4 Gewichtsprozent Zirkonium, 3 bis 20 Gewichtsprozent
wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe Niob, Chrom, Wolfram, Molybdän, Eisen,
Nickel und Tantal, bis zu 0,15 Gewichtsprozent Sauerstoff und Rest im wesentlichen Vanadium bestehen.
Der Gehalt dieser Legierungen an Kohlenstoff und Stickstoff ist auf den Zirkoniumgehalt abgestimmt
und kann jeweils etwa 0,04 bis 0,185 Gewichtsprozent
betragen (deutsche Offenlegungsschrift 1608 223).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vanadiumlegierung bereitzustellen, die eine hohe
Zeilstandfestigkeit im Langzeitversuch bei guter Korrosionsfestigkeit besitzt und die für den Einsatz insbesondere
in mit flüssigem Natrium gekühlten Kernreaktoren als Konstruktionsmaterial oder für Hüllelemente
mit für einen derartigen Einsatz interessierenden Zeitstandfestigkeiten von mehr als 10 000 Stunden
geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine im wesentlichen ternäre Vanadiumlegierung vor
Die erfindungsgemäße Vanadiumlegierung ist durch die folgende Zusammensetzung gekennzeichnet:
5 bis 20% Chrom und/oder Molybdän,
0,1 bis 3% Titan,
0,1 bis 3% Titan,
gegebenenfalls 0,1 bis 2%, vorzugsweise 0,5 bis 1,5% Silicium,
Rest Vanadium mit Gehalten an Kohlenstoff. Stickstoff und Sauerstoff jeweils von 100 bis
1500 ppm (0,01 bis 0,15%), insgesamt jedoch nicht mehr als 3000 ppm (0,3%), sowie mit
geringsten Mengen herstellungsbedingter Verunreinigungen.
Unter üblichen metallischen Verunreinigungen sind nach Art und Menge solche Metalle zu verstehen, die
durch die Herstellungsverfahren bedingt in dem Vanadium enthalten sind. Solche Verunreinigungen
sind in Mengen von höchstens je 1000 ppm (0,1%) enthalten, beispielsweise je bis 700 ppm (0,07%)
Eisen, Chrom und Nickel, bis 300 ppm (0,03%) Kupfer.
Durch den Zusatz der Elemente Chrom und/oder Molybdän wird vor allem die Beständigkeit der Legierungen
gegen Korrosion, z. B. durch flüssiges Natrii'tn
von 600 bis 800°C verbessert.
In den Vanidiumbasislegierungen des erfindungsgemäßen
Bereiches sind als nichtmetallische Stoffe die Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff
in Mengen von je 100 bis 1500 ppm, zusammen jedoch
nicht mehr als 3000 ppm enthalten. Vorzugsweise liegen diese Elemente in Mengen von 200 bis 600 ppm
Kohlenstoff, 200 bis 600 ppm Stickstoff und 400 bis 1000 ppm Sauerstoff vor. Die an sich versprödende
Wirkung dieser Elemente auf Vanadiumlegierungen wird durch den Zusatz von Titan weitgehend aufgehoben.
Die entstehenden Hartstoffphasen bewirken ferner eine Kornfeinung und eine Verbesserung der
Zeitstandfestigkeit.
Durch einen Zusatz von Silicium kann ferner eine weitere Steigerung der Festigkeitseigenschaften der
erfindungsgemäßen Legierung durch eine zusätzliche Aushärtung erzielt werden. Im allgemeinen genügen
bereits Zusätze von 0,1 bis 2% Silicium, vorzugsweise 0,5 bis 1,5% Silicium, um eine merkliche Steigerung
herbeizuführen. Durch den gegenüber bisher bekannten Vanadiumlegierungen geringeren Gehalt an Titan
sowie den Chrom- und/oder Molybdängehalt in den erfindungsgemäßen Legierungen wird überraschenderweise
eine Verbesserung der Zeitstandfestigkeit erreicht, wie aus den Werten der Tabelle I hervorgeht.
10000 Std-Zeitstandfestigkeit in kp/mm2 von Vanadiumlegierungen
bei 6500C in mit Titanspänen geget-
tertem Vakuum von < 10~5 Ton-Vanadium
+ 2% Titan 36
Vanadium + 2% Titan + 15% Niob 41
Vanadium + 2% Titan + 15% Chrom 40 Das Vanadium der drei Legierungen weist noch folgende Gehalte an Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff auf:
Vanadium + 2% Titan + 15% Chrom 40 Das Vanadium der drei Legierungen weist noch folgende Gehalte an Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff auf:
Sauerstoff: 600 bis 800 ppm (0,06 bis 0,08%)
Kohlenstoff: 400 bis 600 ppm (0,04 bis 0,06%)
Stickstoff: 300 bis 500 ppm (0,03 bis 0,05%)
Kohlenstoff: 400 bis 600 ppm (0,04 bis 0,06%)
Stickstoff: 300 bis 500 ppm (0,03 bis 0,05%)
Wie aus den Weiten der Tabelle I hervorgeht, sind die erfindungsgemäßen Legierungen den bekannten
Vanadium-Titan- und Vanadium-Niob-Legierungen hinsichtlich der Zeitstandfestigkeit nur wenig
unterlegen, haben gegenüber diesen aber eine erhebliche verbesserte Korrosionsbeständigkeit, z. B. gegenüber
strömendem Natrium von 600 bis 80Q0C,
wie nachstehende Tabelle II zeigt:
Tabelle II
Korrosive Gewichtsänderungen in strömendem Natrium nach 500 Stunden
Korrosive Gewichtsänderungen in strömendem Natrium nach 500 Stunden
Legierung (nom. Zusammensetzung)
Bekannte Legierung V — 3% Ti — 15% Nb
erfindungsgemäße Legierung V — 3% Ti — 15% Mo erfindungsgemäße Legierung V — 3% Ti — 16% Cr
erfindungsgemäße Legierung V — 3% Ti — 15% Mo erfindungsgemäße Legierung V — 3% Ti — 16% Cr
Gegenüber den niobhaltigen I egierungen ist außerdem der Einfangquerschnitt fur schnelle Neutronen
wesentlich geringer.
Die erfindungsgemäßen Vanadiumlegierungen können nach an sich bekannten metallurgischen Methoden,
beispielsweise durch Zusammenschmelzen unter Vakuum oder Edelgasatmosphäre, oder nach pulvermetallurgischen
Verfahren durch Sintern hergestellt werden. Als Schmelzofen eignen sich beispielsweise
Elektronenstrahl- oder Lichtbogenofen. Die Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Legierungen zu
Formteilen erfolgt gleichfalls nach an sich bekannten Methoden durch Walzen, Schmieden, Strangpressen
und/oder Ziehen.
Die Vanadiumlegierungen des erfindungsgemäßen Bereiches weisen Vorteile auf. Die überraschend hohe
Zeitstandfestigkeit, der kleine Neutroneneinfangquerschnitt, die hohe Korrosionsfestigkeit gegen flüssige,
strömende Alkalimetalle sowie ihre gute Verformbarkeit sind entscheidende Voraussetzungen für ihre
Verwendung als Werkstoff Tür Konstruktionsteile und füi Hüllmaterial für Brennstoffelemente in Kernreaktoren.
Die Vanadiumlegierung des erfindungsgemäßen Bereiches läßt sich überall dort mit besonderem Vorteil
als Werkstoff einsetzen, wo die hieraus gefertigten
Versuchstemperatur
550 C
550 C
600 C
Gewichtsänderung (mg/cm2)
-1,2
+ 0.19
-0.16
+ 0.19
-0.16
-0,8
+0,15
-0,02
-0,6
+0,37
+ 0,03
+0,37
+ 0,03
Bauelemente oder Formteile eine hohe Zeitstandfestigkeit bei Temperaturen zwischen 500 und 10000C,
vorzugsweise zwischen 600 und 800°C, gleichzeitig eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen flüssige,
strömende Alkalimetalle, insbesondere Natrium, ferner eine geringe Versprödungsnugung bei Neutronenbestrahlung
im Temperaturbereich zwischen 600 bis 8000C und eine geringe Neutronenabsorption aufweisen
müssen, wobei diese Eigenschaften aber auch einzeln von dem Werkstoff gefordert werden können.
Schließlich besitzen die Legierungen des erfindungsgemäßen Bereiches eine gute Verarbeitbarkeit in der
Wärme, da sie sich durch einen geringeren Verformungswiderstand als niobhaltige Legierungen auszeichnen.
Legierungen des erfindungsgemäßen Bereiches finden insbesondere Verwendung als Werkstoff zur Herstellung
von Konstruktionsteilen und für Hüllmaterial für Brennstoffelemente in Kernreaktoren, insbesondere
vom Typ des natriumgekühlten Kernreaktors. Ferner macht die gute Korrosionsbeständigkeit
der erfindungsgemäßen Legierung ihre Verwendung als Werkstoff im chemischen Apparatebau möglich,
während ihre hohe Wärmefestigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte als Werkstoff für Zwecke der Luft-
und Raumfahrt von Interesse ist,
Claims (2)
1. Vanadiumlegierung, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung
5 bis 20% Chrom und/oder Molybdän, 0,1 bis 3% Titan,
gegebenenfalls 0,1 bis 2%, vorzugsweise 0,5 bis 1,5% Silicium,
Rest Vanadium mit Gehalten an Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff jeweils von
0,01 bis 0,15%, insgesamt jedoch nicht mehr als 0,3%, sowie mit geringsten Mengen herstellungsbedingter
Verunreinigungen.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
der Kohlenstoffgehalt 0,02 bis 0,06%,
der Stickstoffgehalt 0,02 bis 0,06% und
der Sauerstoffgehalt 0,04 bis 0,1%
der Stickstoffgehalt 0,02 bis 0,06% und
der Sauerstoffgehalt 0,04 bis 0,1%
beträgt.
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