DE2800305B2 - Vorlegierung für die Herstellung von Zirkonium-Legierungen - Google Patents
Vorlegierung für die Herstellung von Zirkonium-LegierungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Zinn/Zirkonium-Legierung als Vorlegierung für die
Herstellung vor· Zirkonium-Legierungen mit einem Gehalt an Zinn sowie Eisen und/oder Chrom und gegebenenfalls
weiteren Zusätzen, insbesondere von Zircaloy 2 (1,2 bis 1,7% Sn, 0,07 bis 0,20% Fe, 0,05
bis 0,15% Cr, 0,03 bis 0,08% Ni, Rest Zr) und Zircaloy 4 (1,2 bis 1,7% Sn, 0,18 bis 0,24% Fe, 0,07 bis
0,13% Cr, Rest Zr).
Diese Legierungen werden im allgemeinen im Lichtbogen mit abschmelzenden (Opfer-) Elektroden
erschmolzen. Das Einbringen von Legierungselementen mit sehr niederem Schmelzpunkt, wie Zinn, kann
zu Heterogenität führen. Zinn - wenn es sich in der Elektrode befindet - schmilzt vorzeitig und neigt infolgedessen
dazu, durch den Elektrodenblock und von Beginn des Schmelzvorganges an in den Gußblock zu
fließen. Da im allgemeinen in eine von außen gekühlte Kupfer-Kokille gegossen wird, verbleibt ein geringer
Teil im Block flüssig, was schließlich zu nicht-homogenen Gußblöcken führt. Um eine zu heterogene Verteilung
des Zinns zu verhindern, werden üblicherweise entweder Platten in regelmäßigem Abstand in der
Elektrode angeordnet oder Elektroden verwendet, die einen bestimmten Anteil an Schöpfen und dergleichen
von Gußblöcken der herzustellenden Legierung enthalten. Dies ist jedoch nicht zufriedenstellend und
man stellt nach wie vor Unregelmäßigkeiten in höherem Ausmaß fest.
Es wurde bereits versucht, das Zinn in die Elektroden als binäre Vorlegierung ZrSn mit Zr: Sn etwa 1 :1
einzubringen. Diese ist jedoch schwer herzustellen, weil ihr Schmelzpunkt über dem Schmelzpunkt von
Zirkonium liegt. Man muß daher spezielle Schmelzverfahren anwenden, z. B. eine abschmelzende Elektrode
in Argon-Atmosphäre. Sehr nachteilig ist zudem die außerordentlich leichte Oxidierbarkeit, insbesondere
in feuchter Luft. Größere Wassermengen können allmählich zum Zerfall der Legierung zu pyrophoren
Pulvern führen, die durch ihre Selbstentzündung ein hohes Brandrisiko darstellen. Eine solche Legierung
ist schwer zu zerkleinern und zu lagern.
Bei der Verwendung einer solchen Vorlegierung müssen somit erhebliche Vorsichtsmaßnahmen ergriffen
werden und es läßt sich ein gewisser Sauerstoffgehalt der Legierungen nicht vermeiden; diese ist
aber nicht immer tragbar.
Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung dieser Nachteile der Zr/Sn-Legierungen und die Möglichkeit
der Zulegierung von Eisen und/oder Chrom, was vielfach von besonderer Bedeutung ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Vorle-
ϊ gierung für die Herstellung von Zr/Sn-Legierungen
eine solche verwendet wird, die aus 50 bis 85% Sn, 5 bis 30% Zr, 0 bis 20% Fe und/oder 0 bis 20% Cr
besteht, wobei Fe -I- Cr 3 bis 30% der Vorlegierung ausmachen sollen.
ίο Aus der AT-PS 194622 sind zwar Legierungen,
enthaltend 15 bis 90% Zr, 5 bis 65% Sn und auch Eisen bekaant, jedoch werden diese wegen ihrer
Schlag- und Reibungspyrophorität angewandt, also als Zündmetalle und »Feuersteine«.
ι? Der Schmelzpunkt der erfindungsgemäß verwendeten
Vorlegierung liegt beträchtlich höher als der von Zinn und kommt sehr viel näher den Schmelzpunkten
von Chrom und Eisen. Es tritt auch kein vorzeitiges Schmelzen einer Komponente ein, sondern macn be-
-1" obachtet praktisch ein gleichzeitiges Schmelzen der
ganzen Legierung. Der Abstand der Schmelztemperaturen in der Größenordnung von 1600° C bei reinem
Zinn wird auf etwa 450 bis 600° C bei der erfindungsgemäß angewandten Vorlegierung verringert.
.·-> Die Versuche haben gezeigt, daß dies vollständig ausreicht
und es beim Einschmelzen zu keinen heterogenen Bereichen kommt.
Die erfindungsgemäß verwendete Vorlegierung läßt sich leicht herstellen, beispielsweise in einem In-
iii duktionsofen, durch Einschmelzen der Komponenten
im Vakuum, in neutraler Atmosphäre oder auch in Luft. Im letzteren Falle bildet sich jedoch an der
Oberfläche der Schmelze eine Oxidschicht, aber der Sauerstoffgehalt der Legierungen in der Masse bleibt
)> sehr gering.
Schließlich ist diese Vorlegierung unter normalen Lagerbedingun^n an der Luft ausgezeichnet beständig
und für die Zerkleinerung auf etwa 5 bis 20 mm ausreichend spröde. Dieses Legierungspulver wird zu
in der abschmelzenden Elektrode verarbeitet.
Diese Vorlegierung enthält - wie üblich - Verunreinigungen bzw. Begleitstoffe aus ihren Ausgangsstoffen.
So müssen beispielsweise für kerntechnische Zweck die Ausgangsstoffe entsprechend ausgewählt
D werden. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß
kleine Mengen an Eisen und/oder Chrom der Vorlegierung eine bemerkenswerte Oxidationsbeständigkeit
sowie Stabilität verleihen, die sie ohne diese Elemente nicht aufweist.
■in In den Vorlegierungen können die Gehalte an Zinn,
Eisen und/oder Chrom im Hinblick auf die angestrebte Legierungszusammensetzung innerhalb der in
Anspruch 1 genannten Bereiche unter Berücksichtigung der Zusammensetzung der Ausgangsstoffe ge-
-,-. wählt werden. Vielfach enthalt das in erster Linie angewandte
Ausgangsmaterial, nämlich Zirkoniumschwamm, kleine Mengen Eisen. Außerdem werden
häufig Abfälle von Zirkonium-Legierungen mit kleinen Anteilen an Eisen und/oder Chrom und/oder
«ι Zinn verarbeitet. Häufiger weisen die Vorlegierungen
andere Verhältnisse Sn/Fe und/oder Sn/Cr auf, als sie für die herzustellende Legierung benötigt werden;
dann kann Eisen und/oder Chrom noch unmittelbar in der erforderlichen Menge zulegiert werden. Zinn
(,-> wird aber vorzugsweise vollständig als Vorlegierung
zugesetzt.
Bevorzugt angewandt werden folgend 4 Legierungen:
Sn %
Zr%
Fe
Cr %
Legierung 1 70 20 1.0
Legierung 2 77 17,5 5,5
Legierung 3 70 20 5 5
Legierung 4 77 17,5 - 5,5
Legierung 1 ist die eisenreichste Legierung und schmilzt am niedrigsten; sie wird bei etwa 1200° C
hergestellt. Die Legierungen 2,3 und 4 enthalten weniger Eisen bzw. Chrom und werden bei etwa 1350° C
erschmolzen.
Die Erfindung wird an der Herstellung von Zircaloy
4 erläutert. Es wurden zwei Gußblöcke aus Zirkoniumschwamm (Reaktor-rein) mit einem Eisengehalt
von 220 ppm (Sn und Cr vernachlässigbar) hergestellt und dazu zwei zylindrische abschmelzende Elektroden
(A) und (B) von 1080 kg, Länge 2,7 m und Duichmesser
320 mmrverwendet. Diese wurden wie üblich
durch Pressen und Verschweißen von zylindrischen
Körpern (Scheitelwinkel 120°, 0 160 mm, Höhe 150 mm) erhalten.
Für die Elektrode (A) wurden 54 Portionen, enthaltend gut gemischt jeweils 15,3 kg Zr-Schwamm,
0,24 kg Sn-Granulat, 0,003 kg Eisendrahtstücke, 0,018 kg Cr-Granulat und 4,4 kg Späne von Zircaloy
4, verpreßt. Für die Elektrode (B) enthielten die 54 Portionen jeweils 19,5 kg Zr-Schwamm, 0,388 kg
Vorlegierung 2, 0,014 kg Eisendrahtstücke und 0,023 kg Cr-Gr?-«ulat.
Nach dem Verschweißen der Körper für die beiden Elektroden wuiden diese im VaKUum in einem üblichen
Lichtbogenofen abgeschmolzen, und zwar die eine in einen Tiegel mit einem durchmesser von
400 mm - und die andere in einen Tiegel mit einem Durchmesser von 500 mm - unter gleichen Bedingungen,
nämlich 30 V und 12500 A; die Schmelzzeit betrug etwa 70 min.
Man erhielt daraus die zwei Blöcke A und B, (Durchmesser 500 mm, Länge 840 mm, — 1080 kg).
Nach dem Schälen der Blöcke wurden von deren Seite drei Proben genommen, und zwar die 1. Probe etwa
50 mm von der oberen Kante, die 2. Probe auf halber Höhe und die 3. Probe etwa 50 mm von der unteren
Kante des Blocks entfernt.
Die Analysen dieser Proben sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt (Gew.-%):
Sn Fe Ct
Probe | A | B | A | |
1. | Probe | 1,61 | 1,47 | 0,20 |
2. | Probe | 1,45 | U51 | 0,22 |
3. | 1,73 | 1,51 | 0,24 | |
0,22
0,22
0,21
0,22
0,21
A B
0,11 0,10
0,11 0,10
0,13 0,10
Diese Ergebnisse zeigen eine starke Streuung der Zusammensetzung in Block A. Hinsichtlich seines
Zinngehaltes liegt dieser Block in einem Punkt sogar außerhalb des für Zircaloy 4 angegebenen Mengenbereichs
(Sn =1,2 bis 1,7%) und dies obwohl dieses
2n Element teilweise in Form von Spänen von Zircaloy
4 zugegeben worden ist. Auch der Gehalt der anderen Elemente, wie Eisen, streut, jedoch nicht so stark bzw.
störend wie bei Zinn.
Bei Block B sind diese Streuungen viel geringer
>> und liegen innerhalb der Normen.
Die erfindungsgemäß verwendeten Vorlegierungen bieten somit beträchtliche Vorteile gegenüber der gebräuchlichen
Technik, wobei gleichzeitig die Nachteile der binären ZrSn-Legierungen vermieden werden,
die auf deren Oxidierbarkeit beruhen und deren Einsatz außerordentlich erschweren. Außerdem ermöglichen
die erfindungsgemäß verwendeten Vorlegierungen nicht nur eine verbesserte Verteilung des
Zinns sondern auch des Eisens und/oder Chroms.
Γ) Diese Vorteile fallen besonders ins Gewicht, wenn die
zunehmend höheren Anforderungen an Zirkonium-Legierungen, insbesondere als Hülsenmaterial für
Kernbrennstoffe, es notwendig machen, daß sie mit ganz genauer Zusammensetzung urd sehr enger ToIe-
to ranz erschmolzen werden.
Claims (3)
1. Verwendung einer Legierung bestehend aus 50 bis 85% Sn, 5 bis 30% Zr, 0 bis 20% Fe und/
oder 0 bis 20% Cr, wobei der Gehalt an (Fe + Cr) 3 bis 30% ausmacht, als Vorlegierung zur
Herstellung von Zirkonium-Legierungen.
2.Verwendung einer Legierung aus 70% Sn,
20% Zr und 10% Fe oder je 5% Fe und Cr nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Legierung aus 77% Sn, 17,5% Zr und 5,5% Fe oder Cr nach Anspruch 1.
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