-
Legierung und Verfahren zu ihrer Herstellung.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung,
bei dem die Pulver der die Legierung bildenden Bestandteile innig gemischt und das
auf diese Weise erhaltene Gemisch in einen vorgewalzten Block gegeben und dieser
Walzblock mittels eines Deckels verschlossen wird, in dem ein Loch angebracht ist,
worauf die gesamte so erhaltene Anordnung einem Pressvorgang unterworfen, das Loch
des Deckels mittels eines Stopfens verschlossen und dann die gesamte komprimierte
Anordnung einem Stabzieh- bzw. Extrusionsvorgang unterzogen wird und anschließend
von dem beim Stabzieh- oder Extrusionsvorgang erhaltenen Erzeugnis die von dem Metall
des Walzblocks gebildete A'ußenschicht beseitigt wird.
-
Ein bekanntes Verfahren dieser Art dient zur Herstellung eines Ferriteisens,
das als Umhüllungsmaterial von Brennstäben schneller Reaktoren verwendet werden
kann und insbesondere für einen Brennt ab auf Carbidbasis (UC oder miC) geeignet
ist. Die Verwendung dieses Ferriteisens löst daS
Problem, das sich
durch die Erhöhung der Zerbrechlichkeit der üblichen Umhüllungsmaterialien bei einer
Bestrahlung mit Dosen in der Größenordnung von io23 nvt stellt. Dieses Ferridsen
wird durch Dispersion eines keramischen Oxyds in der Legierung der Matrize verstärkt.
-
Bei diesembekannten Verfahren traten jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich
der Abführung der Luft bei der Kompression der Pulver zwischen dem Walzblock und
seinem Deckel sowie hinsichtlich der Extrusion der von dem Walzbloek, seinem Inhalt,
d.h. den komprimierten Pulvern, und dem den Walzblock verschließenden Deckel gebildeten
Anordnung auf.
-
Ziel der Erfindung ist es vor allem, die Nachteile des bekannten Verfahrens
zu beseitigen und eine einfache, ohne Schwierigkeiten vor sich gehende Durchführung
der Press-und Extrusionsvorgänge zu ermöglichen. Es ist noch zu bemerken, daß das
erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Herstellung von Ferritstahl, sondern insbesondere
zur Herstellung von austenitischem Stahl und allgemein zur Herstellung von Metallegierungen,
z.B. Legierungen auf Nickelbasis, geeignet ist.
-
Zu diesem Zweck wird als Deckel ein Element verwendet, das aus einem
Metall besteht, welches bei der Temperatur des Extrusions- oder Ziehvorgangs weniger
verformbar ist als das in den Walzblock eingegebene und auf diese gleiche Temperatur
gebrachte Gemisch.ist.
-
Vorzugsweise wird als Deckel ein Element verwendet, das an der zum
Inneren des Walzblocks gerichteten Seite einen Hohlraum aufweist.
-
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erwindung wird
als Deckel ein Element verwendet, dessen Hohlraum in Höhe des Loches am tiefsten
ist.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Deckel
ein Element verwendet, das einen Hohlraum aufweist, der sich über die gesamte zum
Inneren des Walzblocks hingerichtete Fläche erstreckt.
-
Zinke wesentliche Bedingung dafür, , daß das vorstehend angegebene
Verfahren die Herstellung eines Ferritstahls mit ausgezeichneter qualität ermöglicht,
bei dem das Eisen, das andere Metall oder die anderen Metalle der Legierung und
das kermische Oxyd oder die keramischen Oxyde homogen verteilt sind, besteht darin,
daü die Ausgangsmaterialien innig geiaiscijt sind und zu Beginn in Form einet Pulvers
mit extrem kleinen Teilchen vorliegen. Die Erfüllung dieser Bedingung stößt auf
ziemlich große Schwierigkeiten.
-
Diese gleichen Schwierigkeiten treten übrigens bei jedem in der vorstehend
beschriebenen Weise durchgeführten Verfahrer zur herstellung einer Legierung auf,
da es bei jeder Herstellung einer Legierung mit ausgezeichneter Qualität unerläßlich
ist, das die in Pulverform vorliegenden Grundmaterialien innig gemischt werden und
zu Beginn in Form eines Pulvers mit extrem kleinen Teilchen vorhanden sind Gemä.
der Erfindung werden die in dieser Hinsicht auftretenden Schwierigkeiten dadurch
gelöst, daß die gemischten Pulver in einem Behälter, der in Schwingung versetzt
ist, mittels Kugeln gemahlen werden.
-
Gemä; einer vorteilhaften Ausführungsform wird dem Behälter eine exzeiitrische
Bewegung in seiner Eigenebene erteilt Gegenstand der Erfindung ist nicht nur-das
vorstehend beschriebene Verfahren, sondern gleichmaßen jede mittels dieses Verfahrens
erhaltene Legierung.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden
anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt: Figur 1 eine Schnittansicht einer
bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung einer Legierung verwendeten
Anordnung, die aus einem Walzblock, seinem Deckel und dem Stopfen für diesen Deckel
besteht, und die Fig. 2 bis 5 schematische Darstellungen des Vorgangs des Extrudierens
eines Walzblocks, seines Inhalts und seines Deckels.
-
In den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische
Elemente.
-
Das nachfolgend beschriebene Beispiel bezieht sich insbesondere auf
die Herstellung eines Ferritstahls, der als Hüllmaterial für Brennstäbe von schnellen
Reaktoren verwendet werden kann.
-
Die zur Herstellung dieses Stahls verwendeten Grundmaterialien liegen
in Pulverform vor.
-
Es sind wenigstens ein Eisen enthaltendes Pulver, wenigstens ein aus
einem keramischen Oxyd bestehendes Pulver und je nach Fall wenigstens ein Metallpulver
erforderlich, das dazu bestimmt ist, dem Stahl die speziellen Eigenschaften zu verlefrn.
-
Das das Eisen ehthaltende Pulver kann Eisenpulrer sein, z.B.
-
Eivencarbonylpulver von technischer Reinheit, d.h. mit einer Reinheit
von 99,95 %. Dieses Eisenpulver besitzt beispielsweise eine Feinheit von 2 bis 5;m.
-
Wenn das das Eisen enthaltende Grundmaterial ein Eisenpulver ist,
müssen die anderen Metalle in Pulverform beigegeben werden, um zusammen mit dem
Eisen den speziellen Stahl zu bilden. Beispielsweise wird Chrom in Pulverform beigefügt,
dessen Teilchen eine Abmessung von etwa 6 bis 10 µm besitzen.
-
Andere Metalle, die in Pulverform zugefügt werden können, sind insbesondere
Molybdän, Wolfram, Niobium und Vanadium.
-
Die Pulver dieser Metalle können sowohl einem Eisenpulver gs auch
einem Stahlpulver, z.B. einem Stahlpulver A.I.S.I.
-
410 beigefügt werden.
-
Da der Berritstahl, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
wird, ein keramisches Oxyd in der Legierung der Matrize enthalten muß, wird gleichermaßen
von wenigstens einem Grundmaterial Gebrauch gemacht, das aus einem Pulver eines
keramischen Oxyds besteht, z.B. aus Pulver von A1203, MgO, ZrO2, TiO2 oder 2rSiO4.
Diese Pulver müssen sehr fein sein und vorzugsweise eine Teilchengröße kleiner als
O,5jum besitzen.
-
Die Grund oder Rohmaterialien, die nicht in Form eines genügend feinen
Pulvers vorliegen, werden vor ihrem Einbringen in das Gemisch, dessen Herstellung
nachfolgend beschrieben wird, einer Aufbereitung unterzogen. Diese Aufbereitung
des Rohmaterials besteht beispielsweise in einem Mahlen mittels einer Eugelmuhle.
-
Es wurde bereits erwähnt, daß die Rohmaterialien zur Herstellung von
Ferritstahl aus wenigstens einem das Eisen enthaltenden Pulver, wenigstens einem
Pulver eines keramischen Oxyds und je nach Fall wenigstens einem Metallpulver bestehen.
Als Rohmaterialien können beispielsweise verwendet werden: 83 % Eisenpulver, 13
% Ohrompulver, 2 * Molybdänpulver und 2 % Titanoxydpulver.
-
Das Molybdän kann durch 1 * Wolfram und 0,5 % Niobium ersetzt oder
ergänzt werden. Das Titanoxid kann ganz oder mm Teil durch Magnesiumoxyd, Zirkoniumoxyd,
Aluminoumoxyd oder Zirkoniumsilicat ersetzt werden.
-
Der erste Schritt besteht im Wiegen der Metallpulver, d.h.
-
im Wiegen der Pulver von Eisen, Chrom, gegebenenfalls Molybdän, Wolfram
und Niobium.
-
Diese Metallpulver werden anschließend vorziigsweise während 20 Minuten
in einem V-Mischer innig gemischt. Da dieser in Mischer / der Technik bekannt ist,
wird er in diesem Zusammenhang nicht beschrieben.
-
Die Pulver keramischer Oxyde, d.h. von Nagnesiumoxyd, Xitanoxyd, Zirkoniumoxyd
oder Zirkoniumsilicat werden ebenfalls gewogen und sofern erforderlich getrocknet.
-
Die keramischen Oxydpulver werden dann von Hand in das aus dem V-Mischer
kommende Metallpulver gemischt.
-
Das auf diese Weise erhaltene Gemisch wird dann voræugsweise mittels
einer Kugelmühle gemahlen. Es wurden diesbezüglich Versuche mittels einer Mühle
mit einem Durchmesser von 230 mm durchgeführt, die sich mit einer Drehzahl in der
Größenordnung von 60 bis 80 Umdrehungen pro Minute dreht. Dieser Mahlvorgang wurde
etwa wahrend fünf Stunden durchgeführt. Für industrielle Anwendungszwecke wurden
größere Abmessungen verwendet, und die Drehzahl würde an diese Abmessungen angepaßt
werden.
-
Das aus der Zerkleinerungseinrichtung, bzw. der Mühle austretende
Gemisch wird dann nochmals gemahlen, wobei im wesentlichen die keramischen Oxyden
die sich zusammenballen können, zerdrückt werden sollen. Dieser Mahlvorgang
wird
vorzugsweise mittels eines Behälters durchgeführt, der beispielsweise die Form einer
Platte mit hochgestellten Rändern besitzt. Diese Platte wird in Schwingung versetzt,
und zwar vorzugsweise in eine exzentrische Drehung in ihrer eigenen Ebene. Auf dieser
Platte müssen ILugeln angeordnet sein, die bei der exzentrischen Drehung der Platte
auf dieser bewegt werden und die Oxyde zerdrücken. sinne Drehgeschwindigkeit von
200 Umdrehungen pro ilinute und eine Exzentrizität von 30 mm ergeben gute Resultate.
Dieser Mahlvorgang wird etwa wahren acht Stunden durchgeführt.
-
Nach diesem Vorgang liegen die Rohmaterialien in Form eines homogenen
Gemisches vor. Das keramische Oxydpulver liegt in Form sehr feiner Teilchen zwischen
den Eisenteilchen und den Teilchen der anderen lietalle vor.
-
Dieses Pulvergemisch wird in einen gewalzten Block aus Weicheisen
geschüttet. Dieser Walzblock wird mittels eines Deckels 2 verschlossen, der aus
einem hitzebeständigen Stahl, z.B. aus nichtrostendem Stahl 18/8 besteht. Für den
Walzblock ist Weicheisen und für den Deckel nichtrostender Stahl 18/E geeignet,
wenn das Pulvergemisch zur Bildung eines Ferritstahls bestimmt ist. Es ist selbstverständlich,
daß die Wahl der Materialien für den Walzblock 1 und den Deckel 2 von der herzustellenden
Legierung abhängt. Es ist wesentlich, daß bei der Temperatur, bie der die vorstehend
erwähnte Extrusion durchgeführt wird, das Material des Deckels 2 weniger leicht
verformbar ist als das in dem Walzblock -; enthaltene metallische 1-laterial.
-
In dem Deckel 2 ist eine zentrale öffnung 3 vorgesehen, die quer durch
den Deckel 2 führt. An der Außenseite des Deckels 2 ist die Öffnung 3 breiter und
ermöglicht die Einführung eines Stopfens 4. Die Aussenfläche 5 des Deckels 2 ist
eben.
-
Die Unterseite 6 des Deckels 2, d.h. die zum Walzblock hin gerichtete
Fläche ist in der Weise gekrümmt ausgebildet, daß der Deckel 2 einen zum Walzblock
hin gerichteten Hohlraum 7 besitzt. Dieser Hohlraum 7 ist in Höhe der oeffnung 3
am tiefsten.
-
Die aus dem Walzblock 1, dem in diesem Walzblock enthaltenen Pulvergemisch
und dem Deckel 2, dessen Öffnung 7 noch nicht durch den Stopfen 4 verschlossen ist,
bestehende Anordnung wird in kaltem Zustand einem ersten Pressvorgang unterzogen.
Durch diesen Vorgang tritt der Deckel 2 teilweise in den Walzkörper 1 ein. Der ausgeübte
Druck ist derart, daß die Pulver einem Druck in der Größenordnung von 3 kg/mm2 ausgesetzt
werden.
-
Durch diesen Druck wird die Luft aus den Pulvern getrieben.
-
Das Entweichen der Luft wird durch den Hohlraum 7 erleichtert, der
einen Trichter bildet und die aus den Pulvern austretende Lift zu der Öffnung 3
leitet. Aufgrund der speziellen Form der Fläche 6 des Deckels werden die sich in
der Nähe der zylindrischen Wand des Walzblocks befindenden Pulver koqrimiert bevor
die sich in der Mitte des Walzblocks befindenden Pulver zus ammengepr eßt werden.
Auf diese Weise bilde-t sich in der Pulvermasse ein Druckgradient aus, der die Luft
von der zylindrischen Wand zur Mitte und von dort in den von dem Hohlraum 7 gebildeten
Trichter und somit in die öffnung 3 leitet. Ein Deckel, dessen Innenfläche eben
wäre, hätte die Tendenz, einen größeren Druck auf die Mitte aus zuüben und würde
folglich die Abführung der Luft weniger vereinfachen.
-
Nach dem Kaltpressen wird der Stopfen 4 im oberen Teil des Deckels
2 angebracht. Die von dem Walzblock 1, seinem Inhalt und dem Deckel 2 gebildete
Anordnung wird dann in einem
Muffelofen bis auf eine Temperatur
in der Größenordnung von 7000C aufgeheizt. Die Dauer der Aufheizung liegt in der
Größenordnung einer Stunde, und diese Aufheizung kann in einer inerten Atmosphäre
durchgeführt werden. Die auf diese Weise aufgeheizte Anordnung wird anschließend
bei dieser Temperatur von 7000C in dem AuSnahmeraum einer Extrusions- oder Strangpresse
komprimiert. Zu Beginn besitzt der Walzblock 1 einen Durchmesser, der etwas geringer
als der Innendurchmesser des Aufnahmeraums der EXtrusionspresse ist, aber durch
die Kompression bei einer Temperatur von 70000 wird der Durchmesser des Walzblocks
1 größer. Der Druck, bei dem die erwähnte Anordnung in dem Aufnahmeraum der Extrusionspresse
der Temperatur von 7000C ausgesetzt wird, betragt 100 kg/mm2. Durch diesen Vorgang
wird das Pulvergemisch zu einer kompakten Metallmasse. Die durch die Aufheizung
und den Druck bei der Temperatur von 700°C noch aus den Pulvern austretende Luft
wird durch die Öffnung 3 bis zu dem Stopfen 4 geleitet und kann sich unterhalb dieses
Stopfens in dem Raum sammeln, der zwischen der Seite des Stopfens, die zu dem Walzblock
hin gerichtet ist, und dem schmalen Teil der Öffnung freigelassen ist.
-
Aufgrund des Druckes bei der Temperatur von 7000C tritt der Deckel
2 n6ch etwas mehr in das Innere des Walzblocks ein.
-
Der nächste Vorgang besteht darin, den Stopfen 4 mit dem Deckel 2
und diesen Deckel 2 mit dem Walzblock 1 zu verschweißen. Das Innere des Walzblocks
1, in dem sich die so gebildete Metallmasse befindet, bildet somit einen hermetisch
abgeschlossenen Raum.
-
Der Walzblock wird anschließend nochmals abgedreht, damit er von neuem
einfach in den Aufnabmeraum der Rxtrusions-oder
Strangpresse eingebracht
werden kann. Gleichzeitig wird der Kopf des Walzblocks entsprechend den Linien 9
konisch ausgebildet, so daß die Form dieses Walzblocks eine turbulenzfreie Extrusion
ermöglicht. Die von dem Walzblock, seinem Inhalt und seinem Deckel gebildete Anordnung
wird anschließend etwa während 20 Minuten auf eine Temperatur in der Größenordnung
von 11000C bis 12000C in Salzbädern aufgeheizt. Da der stopfen 4 bezüglich des Deckels
2 und der Deckel 2 bezüglich des Walzblocks 1 verschweißt sind, können die geschmolzenen
Salze nicht in das Innere des Walzblocks, wo sich die Netallmasse befinde-t, eindringen.
-
Mit der auf diese Temperatur aufgeheizten Anordnung wird anschließend
eine Extrusion vorgenommen. Vor allem im Verlauf dieses Vorgangs wirken sich die
Form des Deckels und die Tatsache aus, daß bei dieser Temperatur der Deckel weniger
verformbar ist als das in dem Walzblock enthaltene Material. Dies ist schematisch
in den Fig. 2 bis 5 dargestellt, in denen die Extrusionseinrichtung schematisch
mit 10, das Material des Walzblocks im Verlauf der Umformung mit 1, das Material
der in dem Walzblock enthaltenen Pulver mit 11 und das Material des Deckels mit
2 bezeichnet sind. Links von der Linie 12 sind die Relsivlagen vor der Extrusion
dargestellt. Rechts von dieser gleichen Linie sind in den verschiedenen Figuren
die relativen Lagen nach der Extrusion angegeben.
-
In den vier dargestellten Fällen befindet sich das Material 1 des
Walzblocks nach der Extrusion vor und auf der Oberfläche des Extrusionsprodukts.
Die Fig. 23 und 4 beziehen sich jedes Mal auf Vorgänge mit einem Deckel, dessen
zum Inneren des Walzblocks hin gerichtete Fläche 6 eben ist. Fig. 5 betrifft
den
Fall, daß der Deckel die in Fig. 1 dargestellte Form besitzt.
-
Im Fall der Fig. 2 ist der Verformungswiderstand bei der Temperatur
des Extrudierens für das Metall des Deckels 2 und für das Metall 1 im Inneren des
Walzblocks gleich. Im Verlauf der Extrusion tritt dann eine Verformung der die Grenze
zwischen den Metallen 11 und 2 bildenden Wand 6 auf, die allgemein ein Aussehen
entsprechend der Linie 6' besitzt. Die Form dieser Linie wird im wesentlichen durch
die Reibungen des Walzblocks an den Innenwänden des Aufnahmeraums und der Duse bestimmt.
-
Fig. 3 bezieht sich auf den Fall eines Metalls 11 im Inneren des Walzblocks,
das sich weniger leicht verformt als das Metall des Deckels 2. Die Verformung der
Grenzfläche 6 ist dann mehr ausgeprägt, weil sich das Material 2 einfacher verformt
Im Hinblick darauf, daß eine Legierung des Metalls 11 erhalten werden soll, führt
der Vorgang nach Fig. zu einem Extrusionsprodukt, das
aufgrund des von dem Metall des Deckels 2 gebildete@ kernes auf einer großen Länge
unbrauchbar ist.
-
Fig. 4 betrifft den Fall, daß bei der Temperatur der Extrusion das
metall des Deckels 2 sich weniger leicht verformt als das Metall 11 im Inneren des
Walzblocks. In diesem Fall verformt sich die Fläche 6 bei 6', aber in einer Weise,
die weniger ausgeprägt ist als im Fall der Fig. 3 und sogar im Fall der Fig. 2.
Derjenige Teil des Extrusionsprodukts, der aufgrund des Kerns aus dem Material des
Deckels 2 unbrauchbar ist, ist somit kürzer.
-
Fig. 4 betrifft bereits ein Verfahren gemäß der Erfindung, aber eine
bessere Ausführungsform der Erfindung ist in
Fig. 5 dargestellt,
welche übrigens der Darstellung in Fig. 1 entspricht. Im Fall der Fig. 5 verformt
sich das Metall des Deckels 2 - immer bei der Temperatur der Extrusion bzw. des
Strangpressens - weniger leicht als das Metall 11 im Inneren des Walzblocks, und
die Oberfläche 6' zwischen dem Metall des-Deckels und dem Metall 11 der gebildeten
Legierung besitzt nach der Extrusion das Aussehen einer ebenen Fläche, und zwar
aufgrund der Tatsache, daß der Deckel 2 einen zum Innern des Walzblocks hin gerichteten
Hohlraum aufweist.
-
Die Legierung, und somit im beschriebenen Beispiel der Ferritstahl,
liegt dann in Form eines Stabs vor, dessen Querschnitt durch die Form der Düse festgelegt
ist. Durch eine geeignete bekannte Technik kann die Legierung auch in Form eines
Rohres erhalten werden. Von dem Extrusionsproduk tird nur der Teil verwendet, dessen
Kern von der legierung gebildet ist,und von diesem Teil wird beispielsweise durch
Bearbeitung die Außenschicht entfernt, die von dem Metall des Walzblocks 1 gebildet
wrd.
-
Es wurde festgestellt, daß die Leistungsfähigkeit, bzw.
-
der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens weitaus größer als
der Wirkungsgrad des bekannten und in der Beachreibungseinleitung erwähnten Verfahrens
ist. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stahl ist sehr homogen
und von sehr feiner Körnigkeit.Das sich bildende Helium sammelt sich nicht längs
der Oberflächen der Körner an und bildet somit keine Stellen geringerer Festigkeit
in dem Stahl.
-
Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebene Ausführungsform beschränkt sie ist und daß / in verschiedenster Hinsicht
abgewandelt werden kann.
-
Beispielsweise ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht auf die Herstellung von Ferritstählen beschränkt, sondern kann allgemein zur
Herstellung von austenitischen Stählen und Metallegierungen, z.B. von Nickellegierungen,
verwendet werden.
-
Zur Herstellung der jeweiligen Legierung müssen offensichtlich nur
die geeigneten Pulver verwendet werden.
-
Die Form des in dem Deckel vorgesehenen Hohlraums muß gleichermaßen
an die Form des Erzeugnisses angepaßt werden, das durch die Extrusion, bzw. das
Strangpressen erhalten werden soll.
-
Die vorstehend erwähnten Abmessungen und Geschwindigkeiten bezehen
sich im allgemeinen auf Laborversuche. Bei den industriellen Anwendungen wird selbstverständlich
von Vorrichtungen mit geeigneten Abmessungen Gebrauch gemacht, die eine wirtschaftlich
gewinnbringende Produktion ermöglichen, und die Geschwindigkeiten sind diesen Abmessungen
angepaßt.
-
- Patentansprüche -