DE2725691C2

DE2725691C2 - Verwendung einer Nickellegierung

Info

Publication number: DE2725691C2
Application number: DE2725691A
Authority: DE
Inventors: Hisato Kamohara; Kanji Shizuoka Kawaguchi; Mitsuo Yokohama Kawei; Matsuo Yokohama Miyazaki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-07-28
Filing date: 1977-06-07
Publication date: 1983-11-10
Also published as: JPS5551506B2; US4246048A; CA1082947A; DE2725691A1; JPS5314610A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Nickellegierung als Werkstoff für Gleitteile von Regelstäben für Kernreaktoren.

Die Gleitteile von Regelstäben sollen sich durch hohe Abriebfestigkeit und insbesondere Kavitationserosionsbeständigkeit auszeichnen und andererseits keine radioaktive Korrosions- oder Erosionsprodukte mit langen Halbwertszeiten nach Neutronenbestrahlung bilden, wie diese bei Steinte aufgrund des Gehalts an Cobalt auftreten.

Die Schwierigkeiten, die bei Reaktorwerkstoffen auftreten, die Cobait enthalten, sind an sich bekannt, beispielsweise aus dem Buch Nickel und Nickellegierungen von K. E. Volk, Springer-Verlag 1970.

In der DE-AS 17 58 660 werden Nickel-Chrom- und Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen beschrieben, die sich für Kernreaktoren eignen. Jedoch werden in dieser Entgegenhaltung Werkstoffe beschrieben, die bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck bleihaltigem Wasser standhalten sollen, wobei es auf eine geringe Empfindlichkeit gegen Spannungsrißkorrosion ankommt.

In der GB-PS 6 66 401 sind Legierungen für Schneidwerkzeuge beschrieben, bei denen es auf hohe Härte ankommt und die bis zu 40% Cobalt enthalten können.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Werkstoffes zur Verwendung für Gleitteile von Regelstäben für Kernreaktoren, der sich durch hohe Kavitationserosionsbes'.ändigkeit und Abriebfestigkeit auszeichnet.

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Nickellegierung, die aus 30 bis 40 Gew.-% Chrom, 1,5 bis 6 Gew.-°t> Aluminium und/oder Titan, 0 bis 20 Gew.-% Molybdän und Nickel als Rest besteht, als Werkstoff für Gleitteile von Regelstäben für Kernreaktoren.

Tabelle I

Die Legierung besteht im wesentlichen aus einem Chrom-Aluminium- und/oder Titan-Nickel-System. Gegebenenfalls kann jedoch ein Teil des Nickels durch weniger als 20 Gew.-% Molybdän ersetzt sein.
Chrom, eine Komponente der Legierung, erhöht die Erosionsbeständigkeit der Legierung und verbessert die mechanische Festigkeit derselben. Aluminium oder Titan führen zu einer intermetallischen Verbindung durch Reaktion mit Nickel und erhöhen die mechanische

ίο Festigkeit und die Verschleißfestigkeit der Legierung. Die Komponenten Aluminium oder Titan sollten in einer Menge von 1,5 bis 6 Gew.-V vorzugsweise 3 bis 5 Gew.-°b vorliegen. Bei einem geringeren Gehalt an Aluminium oder Titan als 1,5 Gew.-% werden die vorgenannten günstigen Effekte nicht erhalten. Andererseits führt ein größerer Gehalt an Aluminium oder Titan als 6 Gew.-% zu einer niedrigeren Zähigkeit und mechanischen Festigkeit der Legierung insgesamt. Gegebenenfalls wird Molybdän zugegeben, um die Korrosionsbeständigkeit und die Erosionsbeständigkeit der Legierung zu erhöhen. Die Zugabe von Molybdän in größerer Menge als 20 Gew.-I₀ soiite jedoch vermieden werden, da größere Mengen zu einem Abfall der Zähigkeit der Legierung führen.

Werden die Legierungsmetalle zur Herstellung der Legierung geschmolzen, können Mangan oder Silizium als deoxidierende Mittel oder stickstoffentfernende Mittel ohne jeglichen nachteiligen Effekt in die Legierung eingebracht werden.

Es ist vorteilhaft, die Zusammensetzung der verschleißfesten Legierung je nach Bearbeitungsverfahren zu variieren.

Wird die Legierung beispielsweise gegossen oder geschweißt, dann sollte die Legierung vorzugsweise im wesentlichen bestehen aus: 30 bis 40 Gew.-ifc Chrom, 4

J5 bis 6 Gew.-% wenigstens eines der Metalle Aluminium oder Titan und der Rest Nickel. Alternativ kann die Legierung vorzugsweise eine Zusammensetzung aufweisen, bei der ein Teil des Nickels durch 10 bis 20 Gew.-% Molybdän ersetzt ist. Soll die Legierung geschmiedet werden, besteht diese vorzugsweise im wesentlichen aus: 30 bis 40 Gew.-% Chrom, 1,5 bis 4 Gew.-% wenigstens eines der Metalle Aluminium oder Titan, 0 bis IO Gew.-% Molybdän und der Rest Nickel.

	Zusammensetzung (Gew.-%)	Al	Ti	Mo	Mn	Si	Ni	Wärme	C.E.I.
Probe	Cr	_	4,2	_—	0,4	0,2	Rest	behand lung
Beispiel D	35,1	3,7	1,5	-	0,3	0,3	Rest	d	1,1
E	35,8	1,6	1,4	4,8	0,5	0,3	Rest	a	0,8
G	30,2	1,8	-	15,2	0,4	0,2	Rest	e	IJ
H	36,0							f	1,6
Anmerkungen:

') Bedingungen des Kavitationserosionstests:

Vibrator: Vibration durch magnetische Beanspruchung Frequenz: 6500 Hz Amplitude der Probe: 100 μ Versuchsflüssigkeil: demoralisiertes Wasser bei 20°C

²) Bedingungen der Wärmiebehandlung (auch bei den weiteren Versuchen enuprechend):

a - 1200° C x 2 h, nachfolgend« Abkühlen mit Wasser. 700° C x 1 h

d = 1200° C x 2 h, gefolgt von Wasserkühlung, 800° C x 20 h

e - 1200° C x 2 h, gefolgt von Wasserkühlung. 700° C x 30 h

f = 1200° C x 2 h, gefolgt von Wasserkühlung. 800° C x 30 h

g = 1200° C x 2 h, gefolgt von Wasserkühlung. 800° C x 50 h

h = 1050° C x 2 h. gefolgt von Ölkühlung, 650" C X 5 h

i = 1100° C x 2 h, gefolgt von Wasserkühlung

j = 1100° C x 2 h, gefolgt von Ölkühlung, 650° C x 5 h

Vorstehend werden Versuche bezüglich der Eigenschaften der verschleißfesten Legierungen beschrieben.

Verschiedene Arten verschließfester Legierungen wurden durch Schmelzen einer Mischung der Metallbestandteile In einem Hochfrequenzvakuuminduktionsofen und Formgießen der geschmolzenen Masse und anschließender Wärmebehandlung, z. B. Tempern, hergestellt. Aus den auf diese Weise hergestellten verschiedenen Arten von verschleißfesten Legierungen wurden Proben geschnitten. Die Verschleißfestigkeit der Proben wurde durch den Kavltatlonserosionstest mittels Ultraschallvibration bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt. In der Tabelle sind auch die Zusammensetzungen der Legierungsproben und die Wärmebehandlungsbedingungen, denen diese Proben unterworfen wurden, aufgeführt. Der In Tabelle I angegebene Kavitationseroslonsindex (abgekürzt als C.E.I.) gibt den Wert an, der erhalten wird, indem der Gewichtsverlust (mg) einer Probe nach drei Stunden Ultraschallvibration durch

ίο das Produkt der Versuchsdauer (Minuten) und der Legierungsdichte (g/cm') dividiert wird und der erhaltene Quotient mit 1 χ 10* multipliziert wird, d. h. Verlust an Volumen aufgrund des Verschleißes je Zeiteinheit.

Zum Vergleich wurde der gleiche Kavitationserosionstest bei drei Legierungen (Vergleichsbetspiele 1 bis 35. durchgeführt, die außerhalb des erfindungsgemäßen Zusammensetzungsbereichs der verschleißfesten Legierung fallen, und ferner bei Stahl mit einem Gehalt von 1 Gew.-t Chrom, 1 Gew.-% Molybden und 0,25 Gew.-% Vanadium (Vergleich 4); Stahl mit einem Gehalt von 18 Gew.-% Chrom und 8 Gew.-% Nickel (Vergleich 5); Stahl mit einem Gehalt von 12 Gew.-% Chrom, 1 Gew.-% Molybden und 0,2 Gew.-% Vanadium (Vergleich 6); und Sterine mit einem Gehalt von 29,8 Gew.-% Chrom, 4,5 Gew.-t Wolfram, 1,4 Gew.-% Kohlenstoff und 1,8 Gew.-% Eisen (Vergleich 7). Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II wiedergegeben.

Tabelle II

	Zusammensetzung (Gew.-%)	Ti	0,6	Mo	Mn	- 0,2%	V Stahl	Si	Fe	Nb	Ni	Wärme	C.E.I.
Probe	Cr Al	_	1% Mo -	5,3	0,5			0,3		_	Rest	behand lung
Vergleich 1	10,6 -	39,8 0,9 -	-	0,4		0,3	-	-	Rest	d	5,6
2	30,4 -	10,2	0,5	0,2	-	-	Rest	g	3,4
3	1% Cr -	0,25%	V Stahl					B	3,8
4	18% Cr -		- 870 Ni rostfreier Stahl					h	5,8
5	12% Cr ·	■ 1%-Mo					i	5,4
6	Steinte						j	6,6
7				keine	1,1

Der gleiche Erosionsversuch wurde an Proben durch- wurden, die durch Schmieden erhalten wurde. Die geführt, die aus verschiedenen Arten der verschleiß- w Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle III angefesten Legierung gemäß der Erfindung geschnitten geben.

Tabelle III

Probe	K L	Zusammensetzung (Gew.-%) Cr Al Ti Mo	3,6 2,9 0,8 5,1	Mn	Si	Ni	Wärme behand lung	C.E.I.
Beispiel	35,3 30,1	0,3 0,3	0,3 0,2	Rest Rest	a a	0,8 ί,Ο

Eine Legierung der in der nachstehenden Tabelle IV angegebenen Zusammensetzung wurde In der erzeugten Form auf ein Stück rostfreiem Stahl, der 18 Gew.-% Chrom und 8 Gew.-% Nickel enthielt, aufgeschweißt. Die Probe wurde aus dem erzeugten geschweißten Teil genommen. Es wurde der gleiche Kavitatlonserosionsversuch durchgeführt. Das Ergebnis ist in der nachstehenden Tabelle IV angegeben.

Tabelle IV

Probe

Zusammensetzung (Gew.-%)

Cr Al Ti Mo Mn

Si

Ni

Wärme- C.E.I,
behandlung

Beispiele M 34,7 4,1 0,9 10,4 0,4 0,3 Rest keine 1,4

5 6

Die vorstehenden Ergebnisse der Untersuchungen zur daß diese Legierungen eine Korrosionsbeständigkeit und

Bestimmung der Eigenschaften der verschleißfesten Erosionsbeständigkeit aufweisen, die gleich oder höher

Legierungen zeigen deutlich, daß die Legierungen gemäß ist als die von Steinte, das bisher a|s verschleißfestes

der Erfindung eine hohe Beständigkeit bezüglich der Materia; in Kernreaktoren eingesetzt wurde. Wesentlich

Kavitationserosion aufweisen. Ferner zeigen die Werte, 5 ist ferner, daß die Legierungen kein Cobalt enthalten.

Claims

Patentanspruch:

Verwendung einer Nickellegierung, die aus 30 bis 40 Gew.-% Chrom, 1,5 bis 6 Gew.-a, Aluminium und/oder Titan, 0 bis 20 Gew.-% Molybdän und Nikkei als Rest besteht, als Werkstoff für Gleitteile von Regelstäben für Kernreaktoren