DE2603640A1 - TWO-LAYER COVER - Google Patents
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Description
26033402603340
PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWANPATENT Attorney DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN
BÜRO: 8000 MÜNCHEN 83 · ELFENSTRASSE 32OFFICE: 8000 MUNICH 83 ELFENSTRASSE 32
L-96O3-GL-96O3-G
UNION CARBIDE CORPORATION 270 Park Avenue, New York, N.Y. 1ÖO17, V.St.A.UNION CARBIDE CORPORATION 270 Park Avenue, New York, N.Y. 1ÖO17, V.St.A.
ZweischichtüberzugTwo-layer coating
Die Erfindung befaßt sich mit einem Überzugssystem zum Schutz von metallischen Substraten in reduzierenden und sauerstofffreien Umgebungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Beschichtungsanordnung zum Schutz von metallischen Bauteilen in natrium- oder heliumgekühlten Kernreaktoren.The invention is concerned with a coating system for protecting metallic substrates in reducing and oxygen-free conditions Environments. In particular, the invention relates to a coating arrangement for protecting metallic components in sodium or helium cooled nuclear reactors.
Kernreaktoren enthalten Baugruppen, bei denen metallische Oberflächen vorgesehen sind, die sich gegeneinander bewegen sollen« Infolge der zwischen den metallischen Oberflächen vorhandenen Reibung können die Kräfte, die erforderlich sind, um die Bewegung einzuleiten und aufrechtzuerhalten, recht groß sein. Bei metallischen Einrichtungen in Kernreaktoren, bei denen flüssiges Natrium als Arbeits-Wärmeübergangsmedium vorgesehen istr machen sich hohe Reibungskräfte auf Grund des Vorhandenseins dieses aggressiven» bei hohen Temperaturen stark korrodierenden Mediums besonders störend bemerkbar.Nuclear reactors include assemblies where metallic surfaces are provided, which are to move against each other, "a result of the existing between the metallic surfaces of friction, the forces which are required to initiate the movement and maintain be quite large. In the case of metallic devices in nuclear reactors in which liquid sodium is provided as the working heat transfer medium, high frictional forces are particularly noticeable due to the presence of this aggressive medium, which is highly corrosive at high temperatures.
Von metallischen Oberflächen, die in Natrium bei erhöhter Tem-Of metallic surfaces, which in sodium at elevated temperatures
609832/0872609832/0872
OWQ4NAL INSPECTEDOWQ 4 NAL INSPECTED
FERNSPRECHER: 0811/6012039 - KABEL: ELECTRtCPATENT MÜNCHENTELEPHONE: 0811/6012039 - CABLE: ELECTRtCPATENT MUNICH
peratur eintauchen, werden Oxidfilme, die normalerweise auf praktisch allen Metallen vorhanden sind, durch Auflösen oder Reduktion abgetragen. Diese in den meisten anderen Umgebungen vorliegenden Filme vermindern die Reibung und verhindern eine Diffusionsbindung, indem sie die elementar metallischen Oberflächen voneinander getrennt halten. Es ist bekannt, daß keramische Werkstoffe wie Oxidfilme geringe Selbstkontakt-Reibungskoeffizienten haben und wegen der in hohem Grade gerichteten Ionenbindung keramischer Werkstoffe außer bei extrem hohen · Temperaturen und/oder Drücken keine Diffusionsbindung eingehen, Andere Filme können aus Hydraten von Oxiden oder absorbierten Gasmolekülen bestehen; wiederum ist die Bindung, die in diesen Fällen vorherrschend polar ist, in hohem Maße gerichtet und widerstandsfähig gegenüber einer Diffusionsbindung.immersed in temperature, oxide films, which are normally present on virtually all metals, dissolve or Reduction removed. These films, found in most other environments, reduce and prevent friction Diffusion bonding by making the elementary metallic surfaces keep separate from each other. It is known that ceramic materials such as oxide films have low self-contact coefficients of friction and because of the highly directed ionic bonding of ceramic materials, except for extremely high Temperatures and / or pressures do not enter into a diffusion bond, Other films can consist of hydrates of oxides or absorbed Gas molecules consist; again, the bond, which is predominantly polar in these cases, is highly directional and resistant to diffusion bonding.
Bei den praktisch atomar reinen Metalloberflächen in Natrium kommt es jedoch an jeder Berührungsstelle rasch zu einer Diffusionsbindung oder einem Selbstverschweißen, weil eine metallische Bindung nicht in .hohem Maße orientiert oder gerichtet ist und weil die Diffusionsbindung über die perfekt reinen Grenzflächen hinweg unbehindert erfolgen kann. Daraus folgt, daß jeder Metall-Metall-Kontakt verhindert werden muß, falls eine Relativbewegung zwischen derartigen Oberflächen in einer solchen Umgebung erforderlich ist.With the practically atomically pure metal surfaces in sodium, however, a diffusion bond quickly occurs at every point of contact or self-amalgamation, because a metallic bond is not oriented or directed to a high degree is and because the diffusion bond over the perfectly pure Boundaries can take place unhindered. It follows that any metal-to-metal contact must be prevented if relative movement is required between such surfaces in such an environment.
Der Erfindung liegt infolgedessen insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungssystem für metallische Substrate,The invention is therefore particularly the object based on a coating system for metallic substrates,
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die in einer reduzierenden oder sauerstofffreien Umgebung eingesetzt werden, zu schaffen, das ein Selbstverschweißen der aneinander anliegenden metallischen Oberflächen verhindert und gleichzeitig günstige Verschleiß- und Wärmeschockeigenschaften hat.which are used in a reducing or oxygen-free environment be to create that prevents self-welding of the metal surfaces abutting one another and at the same time has favorable wear and thermal shock properties.
Das praktischste Verfahren zum Verhindern eines Metall-Metall-Kontaktes besteht darin, die Oberflächen mit Werkstoffen zu beschichten, die einer Diffusionsbindung widerstehen und niedrige Reibungskoeffizienten haben. Derartige Überzüge müssen in Natrium praktisch unlöslich sein und dürfen mit Natrium keine anderen Verbindungen bilden. Der Überzug darf nicht durch eine chemische Umsetzung mit dem metallischen Substrat leiden. Die Überzüge müssen ferner verschleißfest sein, falls in stärkerem Maße Bewegungen zu erwarten sind. Da die Überzüge eine Anzahl von Arbeitsspielen, bei denen ein Übergang von Raumtemperatur auf die Arbeitstemperatur erfolgt, sowie Wärmeänderungen während des Arbeitens aushalten müssen, ist eine ausrei chende Wärmeschockfestigkeit erforderlich. Werden die Überzüge im Reaktorkern eingesetzt, müssen sie auch einer Bestrahlung standhalten.The most practical method of preventing metal-to-metal contact is to coat the surfaces with materials that resist diffusion bonding, and have low coefficient of friction. Such coatings must be practically insoluble in sodium and must not form other compounds with sodium. The coating must not suffer from a chemical reaction with the metallic substrate. The coatings must also be wear-resistant if greater movement is to be expected. Since the coatings have to withstand a number of work cycles in which a transition from room temperature to working temperature takes place, as well as heat changes during work, sufficient thermal shock resistance is required. If the coatings are used in the reactor core , they must also withstand irradiation.
Einige keramische Werkstoffe könnten sich für diese Art von Überzug anbieten, da sie ein Selbstverschweißen verhindern. Leider haben die meisten keramischen Werkstoffe jedoch eine geringe Wärmeschockfestigkeit, insbesondere wenn sie in Form eines Überzuges auf ein Metall aufgebracht werden. Die Wärme-Some ceramic materials might work for this type of Offer a coating as they prevent self-welding. Unfortunately, most ceramic materials have a low one Thermal shock resistance, especially when in the form of a Coating can be applied to a metal. The heat-
609832/08 7 2609832/08 7 2
-A--A-
schockfestigkeit eines Überzugssystems (Überzug plus Substrat) hängt von den jeweiligen und den relativen Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten sowie von den Wärmekapazitäten, der Wärmeleitfähigkeit und den mechanischen Eigenschaften der Komponenten ab. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von keramischen Werkstoffen sind wesentlich kleiner als diejenigen von Metallen. Daher kann beim Erhitzen von metallischen Bauteilen, die mit einem keramischen Werkstoff beschichtet sind, leicht eine Beanspruchung erreicht werden, die größer als die mechanische Festigkeit des Überzuges ist, so daß der Überzug reißt und absplittert. Die geringe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität von keramischen Werkstoffen behindern ihr Vermögen, thermische Beanspruchungen und damit während Temperaturänderungen erzeugte örtliche Beanspruchungen rasch zu verteilen. Angesichts dieser Faktoren konnten keramische Überzüge nicht erfolgreich auf Bauteilen vorgesehen werden, die sich in flüssigem Natrium befinden. Wegen ihrer schlechten Kerbschlagzähigkeit werden keramische Werkstoffe und insbesondere keramische Überzüge auch leicht mechanisch beschädigt, so daß der Überzug reißt und abblättert und damit seine Schutzfunktion verliert.shock resistance of a coating system (coating plus substrate) depends on the respective and the relative coefficients of thermal expansion the individual components as well as the thermal capacities, thermal conductivity and mechanical properties of the components. The coefficient of thermal expansion of ceramic materials are much smaller than those of metals. Therefore, when heating metallic Components that are coated with a ceramic material, a stress can easily be achieved that is greater than the mechanical strength of the coating so that the coating will crack and chip. The low thermal conductivity and heat capacity of ceramic materials impede their ability to deal with thermal stresses and thus during temperature changes to distribute generated local stresses quickly. Given these factors, ceramic coatings cannot be successfully deployed on components that are in liquid sodium. Because of their poor impact strength Ceramic materials and especially ceramic coatings are also easily mechanically damaged, so that the coating cracks and flakes off and thus loses its protective function.
Als Überzüge aufgebrachte Cermete erwiesen sich als vielversprechend für die Lösung von Reibungs- und Verschleißproblemen in Natriumsystemen. Cermete stellen ein mindestens zweiphasiges System dar, das überwiegend aus einer keramischen Komponente sowie aus einer metallischen Komponente (Bindemittel) besteht.Cermets applied as coatings have shown promise for solving friction and wear problems in sodium systems. Cermets represent an at least two-phase System that mainly consists of a ceramic component and a metallic component (binder).
609832/Ob 7 2 ORIGINAL INSPECTED609832 / Ob 7 2 ORIGINAL INSPECTED
26C-:4026C-: 40
Der Volumenanteil der metallischen Komponente kann entsprechend eingestellt werden, um die Eigenschaften der Cermete zu verbessern. Cermete haben von Haus aus eine gegenüber keramischen Werkstoffen verbesserte Wärmeschockfestigkeit. Das Vorhandensein der metallischen Phase verbessert auch erheblich die Kerbschlagzähigkeit, während die Verschleißfestigkeit des keramischen Werkstoffes weitgehend erhalten bleibt. Ein derartiges System, das sich in der Lage zeigte, als Cermetüberzug die Reibung und den Verschleiß von gegeneinander gleitenden Bauteilen in heißem Natrium zu vermindern, ist ein im Detonationskanonenverfahren aufgebrachter Überzug aus Cr-,C? plusThe volume fraction of the metallic component can be adjusted accordingly in order to improve the properties of the cermets. Cermets inherently have better thermal shock resistance than ceramic materials. The presence of the metallic phase also significantly improves the notched impact strength, while the wear resistance of the ceramic material is largely retained. Such a system showed to be able to reduce as Cermetüberzug the friction and wear of mutually sliding components in hot sodium, is applied in the detonation gun process coating of Cr, C? plus
15 Vol.% Nickel-Chrom. In der Tabelle 1 sind die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von im Plasmaverfahren und im Detonationskanonenverfahren auf rostfreien Stahl 316 aufgebrachten Überzügen aus Cr3C plus Nickel-Chrom mit denjenigen von unbeschichtetem, in Selbstkontaktverschleiß stehendem rostfreiem Stahl 316 verglichen. Bei dem rostfreien Stahl 316 handelt es sich um einen Stahl mit einer Sollzusammensetzung von etwa15 vol.% Nickel-chromium. Table 1 compares the friction and wear properties of coatings of Cr 3 C plus nickel-chromium applied to stainless steel 316 by the plasma process and by the detonation gun process with those of uncoated stainless steel 316 which is in self-contact wear. The 316 stainless steel is a steel with a target composition of about
16 bis 18 Gew.% Chrom, IQ bis 14 Gew.% Nickel, 2 Gew.% Mangan, 2 bis 3 Gew.% Molybdän, 1 Gew.% Silicium, 0,08 Gew.% Kohlenstoff, Rest Eisen.16 to 18 % by weight of chromium, IQ to 14% by weight of nickel, 2% by weight of manganese, 2 to 3% by weight of molybdenum, 1 % by weight of silicon, 0.08% by weight of carbon, the remainder being iron.
In der Tabelle 1 sind drei Reibungskoeffizienten angegeben. Der statische ader Haftreibungskoeffizient ist der Reibungskoeffizient, der im Augenblick einer unmittelbar bevorstehenden Bewegung zu beobachten ist. Der dynamische oder Gleitreibungskoeffizient ist der Reibungskoeffizient! der nach BeginnTable 1 shows three coefficients of friction. The static vein coefficient of static friction is the friction coefficient, which can be observed at the moment of imminent motion. The dynamic or sliding coefficient of friction is the coefficient of friction! the one after the beginning
ORtQiNAL INSPECTED 609832/0872 ORWiwu-ORtQiNAL INSPECTED 609832/0872 ORWiwu-
2603Ϊ402603Ϊ40
der Bewegung zu beobachten ist. Der Abreißreibungskoeffizient ist im wesentlichen in der gleichen Weise wie der Haftreibungskoeffizient definiert, mit der Ausnahme, daß er für gewöhnlich zeitabhängig ist. Die Tabelle 1 läßt auch erkennen, daß der im Plasmaverfahren aufgebrachte Überzug aus Cr^C9 plus Nickel-Chrom nicht die gleiche Wärmeschockfestigkeit hat und Strahlenschäden erleidet; die Reibungs- und Verschleißeigenschaften sind jedoch sehr günstig, was nahelegt, daß dieser Überzug in einem Natriumsystem noch immer in Bereichen brauchbar sein kann, wo die Temperaturänderungen und die Bestrahlungseffekte vernachlässigbar klein oder überhaupt nicht vorhanden sind.the movement can be observed. The coefficient of friction at break is defined in much the same way as the coefficient of static friction, except that it is usually time dependent. Table 1 also shows that the coating of Cr ^ C 9 plus nickel-chromium applied in the plasma process does not have the same thermal shock resistance and suffers radiation damage; however, the friction and wear properties are very favorable, suggesting that this coating may still be useful in a sodium system in areas where the temperature changes and the effects of radiation are negligibly small or non-existent.
609832/08 7 2609832/08 7 2
2 e O ■■■ 3 4 Q2 e O ■■■ 3 4 Q
- 7 Tabelle 1- 7 Table 1
teter rost
freier Stahl
316Unbeschich
dead rust
free steel
316
Verf. mit Cr3C2
plus Nickel-
Chrom beschich
teter rostfrei
er Stahl 316In the Det.-Kan.-
Avail. With Cr3C2
plus nickel
Chrome coated
teter rustproof
he steel 316
mit Cr3C2 plus
Nickel-Chrom
beschichteter
rostfreier
Stahl 316In the plasma
with Cr3C2 plus
Nickel-chromium
coated
stainless
Steel 316
geschwindig-
keit /am/Q Corrosive
speedy
ability / on / Q
koeffizientStatic friction
coefficient
koeffizientSliding friction
coefficient
koeffizientTear-off friction
coefficient
schwindigk-eitWear and tear
dizziness
lässigbarnegate
permeable
lässigbarnegate
permeable
meßpiele bis
zum AusfallNumber of heat
measuring up to
to failure
anwend
barnot
applicable
bar
effekte -
Gesamtfluß bis
zum AusfallIrradiation
effects -
Total flow up to
to failure
tronen/cm2 > 3x1O 22 New
trons / cm 2
tronen/cm2 1x10 22 New
trons / cm 2
Die Reibungs-, Verschleiß- und Korrosionswerte gemäß Tabelle für rostfreien Stahl 316 beschichtet mit Cr3C2 plus Nickel-Chrom sind für die meisten gegenwärtigen Reaktorausbildungen recht brauchbar. Für neue, weiterentwickelte Reaktoren sind jedoch verbesserte Überzüge erforderlich. Insbesondere werden Überzüge mit niedrigeren Reibungskoeffizienten benötigt.The table friction, wear and corrosion values for 316 stainless steel coated with Cr 3 C 2 plus nickel-chromium are quite useful for most current reactor designs. However, improved coatings are required for new, more advanced reactors. In particular, there is a need for coatings with lower coefficients of friction.
609832/08 7 2609832/08 7 2
OfflötNAL INSPK)TH)OfflötNAL INSPK) TH)
26C-.;. 4026C -.;. 40
Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß eine Kombination einer Cermetschicht mit einer dünnen Auflage von reinem Chromcarbid zu ausgezeichneten Reibungs- und Verschleißeigenschaften führt, und daß bei geeigneter Einstellung der Dicke der Chromcarbidauflage innerhalb eines gegebenen Bereichs auch eine hervorragende Wärmeschockfestigkeit und mechanische Festigkeit des Überzugs aufrechterhalten werden können. Zur Ausbildung dieses Aufbaus können zahlreiche Verfahren herangezogen werden; am einfachsten ist es, einen Doppeltüberzug aufzubringen, der aus zwei gesonderten Schichten besteht.The invention is based on the finding that a combination a cermet layer with a thin layer of pure Chromium carbide for excellent friction and wear properties leads, and that with a suitable adjustment of the thickness of the chromium carbide coating within a given range as well excellent thermal shock resistance and mechanical strength of the coating can be maintained. For training Numerous methods can be used with this structure; the easiest way is to apply a double coat, which consists of two separate layers.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind eine Cermetinnenschicht, die aus einem Pulvergemisch aus Cr_Cp und einer Nickel-Chrom-Legierung mit 20 Gew.% Chrom gefertigt ist, sowie eine Außenschicht vorgesehen, die aus Cr_C?- Pulver hergestellt ist. Berücksichtigt man alle thermischen, mechanischen und verschleißbezogenen Faktoren, folgt, daß die Innenschicht eine Dicke von 25 bis 380 /um und die Außenschicht eine Dicke von 12 bis 13O /um haben sollte. Bei der Innenschicht kann der Anteil der Nickel-Chrom-Legierung zwischen 10 und 3O Gew.% liegen. Entsprechend den mechanischen Anforderungen ist eine gewisse Variation des Chromgehalts möglich. Es ist bekannt, daß Cr-C2 beim Aufbringen im Plasma- oder Detonationskanonenverfahren als Gemisch der Carbidphasen kristallisiert. Beim typischen Einsatz in natriumgekühlten Reaktoren erfolgt jedoch die Umwandlung in den thermodynamisch stabilen Zustand sehr langsam und über eine ausgedehnte Zeitspanne; der ÜberzugAccording to a preferred embodiment of the invention, a cermet inner layer, which is made from a powder mixture of Cr_Cp and a nickel-chromium alloy with 20% by weight of chromium, and an outer layer made of Cr_C ? - Powder is made. Taking into account all thermal, mechanical and wear-related factors, it follows that the inner layer should have a thickness of 25 to 380 μm and the outer layer should have a thickness of 12 to 130 μm. The proportion of nickel-chromium alloy in the inner layer can be between 10 and 30% by weight. Depending on the mechanical requirements, a certain variation in the chromium content is possible. It is known that Cr-C 2 crystallizes as a mixture of the carbide phases when applied in the plasma or detonation gun process. When typically used in sodium-cooled reactors, however, the conversion to the thermodynamically stable state takes place very slowly and over an extended period of time; the coating
6 0 9 8 3 2/0872 original6 0 9 8 3 2/0872 original
26 .:;4Q26.:; 4Q
wird dabei nicht zerstört.is not destroyed in the process.
Die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Überzüge wurde durch Fertigung und Prüfung eines aus zwei Schichten bestehenden Überzugs demonstriert. Die erste Schicht bestand aus einem Gemisch von Cr-X2 plus 11 Gew.% einer Legierung aus 80 % Nickel und 2O % Chrom. Diese Schicht wurde in einer Stärke von 76/um bis 102 /um mittels des Detonationskanonenverfahrens auf rostfreien Stahl 316 (mit 20 % Kaltverformung) aufgebracht. Eine zweite Schicht wurde dann über der ersten Schicht im Detonationskanonenverfahren in einer Dicke von 12/jm bis 38/um aufgebracht; diese Schicht bestand zu 1OO % aus Cr3Cp. Auf diese Weise überzogene Versuchsabschnitte wurden in flüssigem Natrium bei erhöhter Temperatur geprüft, um die Reibungs- und Verschleißeigenschaften zu bestimmen. Die betreffenden Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengestellt.The superiority of the coatings of the present invention was demonstrated by fabricating and testing a two-layer coating. The first layer consisted of a mixture of Cr-X 2 plus 11% by weight of an alloy of 80 % nickel and 20 % chromium. This layer was applied to stainless steel 316 (with 20% cold deformation) in a thickness of 76 µm to 102 µm by means of the detonation gun method. A second layer was then applied over the first layer by detonation gun method to a thickness of 12 µm to 38 µm; this layer consisted of 100 % Cr 3 Cp. Test sections coated in this way were tested in liquid sodium at elevated temperature to determine the friction and wear properties. The relevant results are compiled in Table 2.
609832/Ob72609832 / Ob72
26Ü3S4026Ü3S40
- ίο -- ίο -
teter rost
freier Stahl
316Unbeschich
dead rust
free steel
316
Verf. mit C^C 2
plus Nickel-
Chrom beschich
teter rostfrei
er Stahl 316In Det.Kan.-
Authored with C ^ C 2
plus nickel
Chrome coated
teter rustproof
he steel 316
mit Cr3C2/Cr3C2
plus Nickel-
Chrom beschich
teter rostfrei
er Stahl 316In the Det.Kan.-author.
with Cr3C2 / Cr3C2
plus nickel
Chrome coated
teter rustproof
he steel 316
geschwindig
keit /jm/aCorrosive
swiftly
keit / jm / a
koeffizientStatic friction
coefficient
koeffizientSliding friction
coefficient
koeffizientTear-off friction
coefficient
schwindigkeitWear
speed
lässigbarnegate
permeable
lässigbarnegate
permeable
mespiele bis
zum AusfallNumber of heat
mespiele up
to failure
effekteIrradiation
effects
tronen/cm2 > 3x10 22 New
trons / cm 2
fügbarnot ver
joinable
Das überlegene Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Überzuges
gegenüber den Cermetüberzügen gemäß Tabelle 1 ist klar zu
erkennen. Es ist anzunehmen, daß die höheren Reibungskoeffizienten
der Cermete auf den Metall-Metall-Kontakt der Bindemittelphase zurückzuführen sind, obwohl diese nur einen kleinen Prozentsatz
des freiliegenden Oberflächenbereichs ausmacht. Da anThe superior operating behavior of the coating according to the invention compared to the cermet coatings according to Table 1 is clear
recognize. It is believed that the higher coefficients of friction of the cermets are due to the metal-to-metal contact of the binder phase, although this constitutes only a small percentage of the exposed surface area. There on
609832/08 7 2609832/08 7 2
ORDINAL INSPECTEPORDINAL INSPECTEP
2 6 O 3 3402 6 O 3 340
der Oberfläche der Überzüge nach der Erfindung keine metallische Phase vorliegt, kommt es zu keinem Metall-Metall-Kontakt; es werden niedrige Reibungskoeffizienten erzielt.the surface of the coatings according to the invention is not metallic Phase is present, there is no metal-to-metal contact; low coefficients of friction are achieved.
Infolge der Abstufung der Eigenschaften vom metallischen Substrat zum Cermet und dann zum reinen Oxid sind die Wärmeschockfestigkeit und die mechanische Kerbschlagzähigkeit überraschend hoch.As a result of the gradation of properties from the metallic substrate to the cermet and then to the pure oxide, the thermal shock resistance and the notched mechanical impact strength are surprising high.
Ein zusätzlicher Vorteil der Überzüge der vorstehend erläuterten Art ist in dem Sicherheitsfaktor zu erblicken, der sich aus dem Vorhandensein einer Unterschicht mit guten, wenn nicht überragenden Verschleiß- und Reibungseigenschaften ergibt. Wenn daher durch eine fehlerhafte Handhabung während der Montage die keramische Außenschicht mechanisch beschädigt wird, verhindert die Cermet-Unterlage ein vollständiges Fressen oder eine übermäßige Reibkraft.An additional benefit of the coatings discussed above Art can be seen in the safety factor that results from the presence of an underlayer with good, if not outstanding, wear and friction properties. If therefore the ceramic outer layer is prevented from being mechanically damaged by incorrect handling during assembly the cermet pad a complete seizure or an excessive Frictional force.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind eine Innenschicht aus Cr23C, plus Nickel-Chrom und eine Oberflächenschicht aus reinem Cr„ C, vorgesehen. Es wurde gefunden, daß Cr23C,, das weichste der Chromcarbide, nach Mischen mit einem Nickel-Chrom-Bindemittel und Auftragen im Plasma- oder Detonationskanonenverfahren einen Überzug von extrem langer Lebensdauer ergibt. Derartige Überzugszusammensetzungen sind über lange Zeiträume hinweg thermodynamisch stabil,According to a further preferred embodiment of the invention, an inner layer made of Cr 23 C, plus nickel-chromium and a surface layer made of pure Cr "C, are provided. It has been found that Cr 23 C ,, the softest of the chromium carbides, when mixed with a nickel-chromium binder and applied in the plasma or detonation gun process, gives a coating with an extremely long service life. Such coating compositions are thermodynamically stable over long periods of time,
609832/08 7?609832/08 7?
6:., HO6:., HO
was in Anbetracht der vorgesehenen langen Einsatzdauer von Kernreaktorbauteilen von entscheidender Bedeutung ist. Die Innenschicht besteht entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform aus 70 bis 95 Gew.% CrP3C6f wanrend der Rest von ei~ nem Bindemittel in Form einer Nickel-Chrom-, Kobalt-Chrom-, Eisen-Chrom- oder Superlegierung gebildet wird.which is of decisive importance in view of the intended long service life of nuclear reactor components. According to a preferred embodiment, the inner layer consists of 70 to 95% by weight Cr P3 C 6 f while the remainder is formed by a binder in the form of a nickel-chromium, cobalt-chromium, iron-chromium or superalloy.
Gemäß einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Erfindung kann eine Zweischichtanordnung vorgesehen werden, die aus einer Schicht aus Cr Cp plus Nickel-Chrom und einer Auflage von Cr7C-. oder Cr00C-- oder aus einem Gemisch aus Cr_,Co, Cr^C-. und Cr0 C^ besteht. Auch eine Anordnung mit einer Schicht aus Cr0-X,- plus Nickel-Chrom und einer Auflage aus Cr^Cp oder Gemischen von Cr-C2, Cr7C3 und Cr23C^ kann mit Vorteil vorgesehen werden.According to a further modified embodiment of the invention, a two-layer arrangement can be provided which consists of a layer of Cr Cp plus nickel-chromium and a layer of Cr 7 C-. or Cr 00 C-- or from a mixture of Cr_, C o , Cr ^ C-. and Cr 0 C ^. An arrangement with a layer of Cr 0 -X, - plus nickel-chromium and a layer of Cr ^ Cp or mixtures of Cr-C 2 , Cr 7 C 3 and Cr 23 C ^ can be provided with advantage.
Während vorzugsweise mit einer Duplexanordnung aus zwei getrennten Schichten gearbeitet wird, ist es auch möglich, eine abgestufte Anordnung aus mehr als zwei Schichten oder einen Überzug vorzusehen, bei welchem der Carbidgehalt von dem Substrat in Richtung auf die aus reinem Chromcarbid bestehende Außenschicht hin ständig zunimmt.While preferably with a duplex arrangement of two separate When working in layers, it is also possible to have a tiered arrangement of more than two layers or one Provide coating in which the carbide content of the substrate towards that consisting of pure chromium carbide Outer layer is constantly increasing.
Die obengenannten Daten wurden sämtlich unter Verwendung von Substraten aus rostfreiem Stahl 316 erhalten. Es versteht sich jedoch, daß Bauteile aus anderen Metallegierungen ebensoThe above data were all obtained using 316 stainless steel substrates. It understands however, that components made from other metal alloys also
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gut geschützt werden können. Beispielsweise eignen sich das Nickel-Chrom-Bindemittel oder ein Bindemittel aus Inconel 718 gut für Substrate aus Inconel 718. Bei Inconel 718 handelt es sich um eine Nickelbasis-Superlegierung mit einer Nennzusammensetzung von 18,6 Gew.% Chrom, 3,1 Gew.% Molybdän, 5,0 Gew.% Niob, 18,5 Gew.% Eisen, 0,9 Gew.% Titan, 0,4 Gew.% Aluminium, O,O4 Gew.% Kohlenstoff, 0,20 Gew.% Mangan, 0,30 Gew.% Silicium, Rest Nickel.can be well protected. For example, the nickel-chromium binder or a binder made from Inconel 718 are suitable good for substrates made of Inconel 718. Inconel 718 is is a nickel-based superalloy with a nominal composition of 18.6% by weight chromium, 3.1% by weight molybdenum, 5.0% by weight Niobium, 18.5% by weight iron, 0.9% by weight titanium, 0.4% by weight aluminum, 0.04 wt.% Carbon, 0.20 wt.% Manganese, 0.30 wt.% Silicon, Remainder nickel.
Während vorstehend der Einsatz in natriumgekühlten Reaktoren erläutert wurde, versteht es sich, daß die beschriebenen Überzüge auch bei anderen Anwendungen von besonderem Nutzen sein können. Dazu gehören unter anderem heliumgekühlte Reaktoren, bei denen das Heliumgas gegenüber den meisten Metalloxiden reduzierend wirkt, so daß ähnliche Metall-Metall-Reibungs- und Verschleißprobleme auftreten.While the use in sodium-cooled reactors has been explained above, it will be understood that the coatings described can also be of particular use in other applications. These include helium-cooled reactors, in which the helium gas has a reducing effect on most metal oxides, so that similar metal-to-metal friction and Wear problems occur.
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