-
-
Gußeisen mit Kugelgraphit
-
Die Erfindung betrifft ein Gußeisen mit Kugelgraphit mit folgenden
Legierungsbestandteilen C 2,0 bis 4 %, Si 1,0 bis 3 %, Mn bis 0,5 %, P bis 0,1 %,
Mg bis 0,025 %, Ni bis 2,0 %, Mo bis 0,8 %. Bei derartigen Gußeisen ist es bekannt,
zur Förderung der Kugelgraphitbildung seltene Erdmetalle zuzusetzen (Gießerei 66,
1979, S. 587 bis 597). Das erfindungsgemäße Gußeisen soll für Abschirmkomponenten
gegen radioaktive Strahlen, die aus 2 6- und Neutronenquanten, insbesondere langsamen
Neutronen bestehen, eingesetzt werden. Aus der DE-AS 1 758 200 ist der Einsatz einer
Gußeisenlegierung aus 3,0 bis 3,3 % C, 1,4 bis 0,9 % Si, 0,95 bis 1,5 % Mn, 0,10
bis 0,20 % P, 0,06 bis 0,8 % S, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen zur Herstellung
von Abschirmelementen gegen Gammastrahlen und Neutronenstahlen bekannt.
-
Dabei wird mit Wanddicken von 100 mm und mehr gearbeitet.
-
Es ist weiterhin bekannt, die seltenen Erdmetalle Samarium, Gadolinium
und Europium, die über einen hohen Einfangquerschnitt gegenüber thermischen Neutronen
besitzen, für Regelstäbe in Spaltungskernkraftwerken und Abschirmungen für neutronenabgebende
radioaktive Strahlenquellen einzusetzen.
-
Der Einsatz der Metalle der seltenen Erden als Legierungselemente
in Gußeisenwerkstoffen zur Beeinflussung der Graphitausbildung im Sinne einer Kugelgraphitbildung
ist ebenfalls bekannt. Durch das Cer-Mischmetall, durch Cer und durch Lanthan wird
der sonst lamellar anfallende Graphit in untereutektischen bis eutektischen Gußeisen
in eine kompakte Flockenform (quasi-flake) überführt. Durch das Legieren mit Yttrium
kann Kugelgraphit in Gußeisenwerkstoffen erzeugt werden.
-
Über die seltenen Erdmetalle mit hohem Einfangquerschnitt für Neutronen,
wie Samarium, Gadolinium und Europium, liegen noch keine Untersuchungen vor, die
den Einfluß auf die Graphitausbildung in untereutektischen bis eutektischen Gußeisensorten
behandeln. Bekannte Verwendungsmöglichkeiten der seltenen Erden mit hohem Einfangquerschnitt
für thermische Neutronen als Abschirmkomponenten sind Verbundkonstruktionen. Eine
Möglichkeit ist dabei, nichtmetallische, meist oxidische Träger dieser Elemente
in eine metallische, meist aus Stahl bestehende, Konstruktiion einzuschließen. Eine
andere besteht darin, die nichtmetallische Form in eine metallische Matrix als Verbundwerkstoff
einzugliedern (Cermets) oder aber eine Kombination beider Möglichkeiten (sandwich)
einzusetzen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besser handhabbare
und einfachere Abschirmung besonders gegen thermische. neutronenabgebende Strahlenquellen
zu entwickeln.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Gußeisen mit Kugelgraphit
der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß das Gußeisen eines oder mehrere
Elemente solcher seltenen Erdmetalle, die einen hohen Einfangquerschnitt für Neutronen
besitzen, in Höhe von 0,05 bis 0,8 %, Rest Eisen und übliche Eisenbegleitelemente
enthält.
-
Diese günstige Lösung der Einbeziehung der Absorberelemente als Legierungsbestandteile
in den Werkstoff setzt voraus, daß die Eigenschaften des Basiswerkstoffes durch
diese Legierungsmaßnahme nicht oder aber nicht wesentlich beeinträchtigt werden.
Diese Möglichkeit zeigt die Erfindung auf, indem sie die Gehalte an seltenen Erdmetallen
angibt, die untere Grenze, ab wann die seltenen Erdmetalle wirksam sind und die
obereGrenze, ab der die technologischen Eigenschaften des Basismetalls ungünstig
beeinflußt werden.
-
Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet
sein.
-
Gute technologische Eigenschaften können durch Einhaltung der Werte
für Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Magnesium nach den Ansprüchen 2 und
3 erreicht werden. Die Elemente Gadolinium und Samarium verursachen in Gehalten
ab etwa 0,05 % die Bildung von Kugelgraphit oder temperkohleartiger, kompakter
Graphitformen.
Ab 0,5 % und verstärkt ab 0,8 °S treten Gefügestörungen und Versprödungen auf, die
die technologischen Eigenschaften mehr als unerheblich beeinträchtigen. Aufgrund
ihres hohen SiedepunkteSkönnen die Elemente Gadolinium und Samarium gefahrlos in
die Gußeisenschmelzen eingebracht werden.
-
Die erfindungsgemäßen Gußeisenwerkstoffe eignen sich besonders gut
für den Einsatz für Lager- und Transportbehältnisse für abgebrannte Brennelemente
aus Kernspaltungsreaktoranlagen. Besonders hierbei kommt bei großen Stückzahlen
von Behältern die einfache Fertigungsmöglichkeit gegenüber den aus mehreren Schichten
aufgebauten bekannten Behältern zum Tragen und auch die Gewichtsersparnis und die
hohe Stabilität durch den einfachen Aufbau.
-
Im folgenden wird ein für die Herstellung des Gußeisens besonders
geeignetes Verfahren erläutert.
-
Die Figuren 1 bis 5 zeigen in alkoholischer Salpetersäure geätzte
Schliffbilder in l00facher Vergrößerung bei verschiedenen Behandlungsarten.
-
Bei dem Verfahren wird vor dem Zusatz der seltenen Erdmetalle mit
hohem Einfangquerschnitt für Neutronen der Schwefelgehalt der Gußeisenbasisschmelze
auf weniger als 0,01 °S eingestellt. Das ist darum wichtig, da die seltenen Erdmetalle
eine hohe Affinität zu Schwefel, Sauerstoff und Stickstoff besitzen. Erfolgt der
Zusatz der seltenen Erdmetalle bei Temperaturen zwischen 1450 und 1500 OC, so kann
mit einem Ausbringen der seltenen Erdmetalle zwischen 50 und 70 % gerechnet werden.
-
Als Träger der seltenen Erdmetalle eigenen sich technisch reine Legierungen
der Metalle Gadolinium und/oder Samarium bzw. die Legierungen dieser Metalle mit
Silizium und/oder Eisen und/oder anderen seltenen Erdmetallen.
-
Außer zur Bildung von Kugelgraphit oder temperkohleartiger, kompakter
Graphitformen wirken die Elemente Gadolinium und Samarium karbidstabilisierend.
Dies wird in Fig. 1, dem SchliffbiE einer Probe mit 0,27 % Gadolinium gezeigt. Es
ist daher vorteilhaft, vor dem Vergießen eine stärkegImpfbehandlung durchzuführen,
als bei der bekannten Herstellung von Gußeisen mit Kugelgraphit gebräuchlich ist.
-
Um die Zahl der Graphitteilchen zu erhöhen und die Karbidbildung zu
unterdrücken, empfiehlt sich eine Doppelimpfung, z.B. Pfannen- und Formimpfung,
sowie der Zusatz größerer Impfmittelmengen.
-
Diese Impfung wird so durchgeführt, daß nach dem Zusatz der seltenen
Erdmetalle unmittelbar vor dem Abguß mit geeigneten Zusätzen, z.B. Al-, Ca-, Ba-und/oder
Zr-haltigen FeSi-Legierungen eine wirksame Einfach- oder Doppelimpfung, z.B. Pfannen-
und Formimpfung durchgeführt wird, bei der mindestens 0,3 % dieser Vorlegierungen
verwendet werden. Die Wirkung des Zusatzes größerer Impfmittelmengen auf die Unterdrückung
der Karbidbildung ist in Fig. 4, schmelze Nr. 8 gezeigt. Die Analysen, Gießbedingungen
und Behandlung der Schmelze sind der Tafel 1 zu entnehmen.
-
Zur Verbesserung der Kugelgraphitbildung können Magnesiumgehalte bis
0,025 % zulegiert werden.
-
Höhere Zugabemengensind jedoch besonders bei größeren Wanddicken zu
vermeiden, da sonst die Gefahr der Chunky-Graphitbildung auftritt, Fig. 5, Schmelze
Nr. 6.
-
Um eine ausreichende Duktilität und Zähigkeit bei schlagartiger Beanspruchung
zu gewährleisten, muß eine weitgehend ferritische Matrix im Werkstoff eingestellt
werden. Sofern im Gußzustand Karbidanteile von mehr als 5 % und Perlitanteile von
mehr als 20 % vorliegen, ist eine ferritisierende Wärmebehandlung erforderlich.
-
Diese besteht aus einer Glühung bei Temperaturen zwischen 850 und
1000 °C, wobei die Glühzeiten zwischen 30 Minuten und 4 Stunden nach der Wanddicke
des Gußstücks bzw. nach der Menge der Karbide betragen. Um eine ferritische Matrix
zu erhalten, muß eine zweite Glühstufe unterhalb der Umwandlungstemperatur bei Temperaturen
zwischen 720 und 680°, vorteilhaft bei etwa 700° nachgeschaltet werden (ring. 3).
Die Haltezeit bei dieser Temperatur zwischen 30 Minuten und 4 Stunden richtet sich
nach der Kugelzahl, d.h. nach der -Länge der Diffusionswege.
-
Es ist aber auch möglich, eine weitgehende Ferritisierung zu erreischen,
wenn man von der Glühung bei 850 bis 100°C bei der Abkühlung im Umwandlungsbereich
zwischen 760 und 680 OC mit der Gewindigkeit von weniger als 10 K/min verzögert
abkühlt (Fig. 2). Bis auf etwas längere Zeiten entsprechen die Maßnahmen denen,
die bei Gußeisen mit Kuyelgraphit zum Stand der TechniK gehören.
-
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
-
In einem Induktionsofen wurden untereutektische bis eutektische Gußeisensorten
erschmolzen. Durch die Wahl der Einsatzstoffe oder durch eine Entschwefelung mit
Calcium-Karbid wurden Schwefelgehalte von A0,01 % eingestellt. Im Temperaturbereich
zwischen 1450 und 1500°C wurden die in Tafel 1 angegebenen seltenen Erdmetalle Gadolinium
und/oder Samarium in Form technisch reiner Metalle (85 bis 90 %) oder aber als Siliziumvorlegierungen
eingebracht. In drei Fällen wurde vorher Magnesium mit der Legierung Mg 15 Ni 85
zu legiert. Die Schmelzen wurden vor dem Abguß bei etwa 1320 OC mit impfwirksamen
Legierungen auf Basis FeSi ein- oder zweimal geimpft. Die Gießtemperatur lag zwischen
1300 und 1320 00.
-
Die chemische Zusammensetzung ist aus Tafel 1 ersichtlich. Analytische
Kontrolluntersuchungen auf die im Eisen gefundenen Gehalte an seltenen Erden ließen
auf Ausbeuten zwischen 50 und 70 C/o schließen.
-
Eine metallographische Untersuchung ergab, daß die meisten Legierungen
höhere Karbid- und Perlitgehalte aufwiesen. Dieses erforderte Wärmebehandlungen,
wie sie in Tafel 2 angegeben sind.
-
Aus den Abgüssen wurden Zugproben C 10 x 50 und C 14 x 70 angefertigt
und geprüft sowie Kerbschlagbiegeproben (ISO-V) angefertigt und bei - 20 oC und
+ 20 Oc geprüft. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigt Tafel 2.
-
Herstellung und Zusammensetzung der Schmelzen
| Schmelze Vorschmelze Legierungszusätze in der Reihenfolge chemische
Zusammensetzung |
| Nr. S Mg 15 Ni 85 SE Impfen C Si Mn Mg |
| % % % % % % % % |
| 1 0,004 - 0,27 Gd 0,2 Impffix 420 3,22 2,42 0,10 - |
| 2 0,004 - 0,10 Gdx) 0,2 Impffix 420 3,22 2,38 0,12 - |
| 3 0,006 - 0,16 Sm 0,5 Z1 80 (2 x) 3,57 2,88 0,06 - |
| 4 0,006 - 0,27 Sm 0,5 Z1 80 3,56 2,59 0,18 - |
| 5 0,006 0,38 0,16 Sm 0,5 Z1 80 3,58 2,28 0,08 0,031 |
| 6 0,008 0,38 0,33 Sm 0,75 Z1 80 3,46 2,86 0,15 0,027 |
| 7 0,008 - 0,16 Sm 0,5 Z1 80 3,42 2,63 0,17 - |
| 8 0,006 0,31 0,33 Gdx) 0,75 Z1 80 3,48 2,89 0,20 0,023 |
| 9 0,008 - 0,45 Gd 0,75 Z1 80 3,58 2,03 0,13 - |
| 10 0,006 - 0,42 Sm 0,6 Impffix 420 3,58 2,18 0,17 - |
| 0,16 Sm |
| 11 0,006 - 0,16 Gd 0,6 Impffix 420 3,56 2,16 0,16 - |
weitere Angaben Gießtemperatur P S Cr Ni Ausbeute an Seltenen Erden °C % % % % %
Schmelze-Nr. 1-11 1300 - 1320 <0,06 <0,01 <0,1 <0,35 50 - 70 x) als
Gd 55 Si 45 eingebracht
Wärmebehandlung und Eingenschaften
| Wärmebehandlung E i g e n s c h a f t e n Kerschlagarbeit ISO-V |
| Feritglühung Rm Rp O.2 A5 HB 5 in Joule |
| Probe |
| Austenitglühung oder |
| Nr. Abkühlung N/mm² N/mm² % -20 °C +20 °C |
| 1 2 Std. 920 °C 8 K/min 395 246 15,1 143 - - Bild 2 |
| 2 1 Std. 850 °C 10 K/min 383 249 10,1 144 - - |
| 3 ungeglüht - 485 352 18,5 170 10 16 |
| 4 2 Std. 980 °C 30 min 700 °C 378 251 18,2 144 12 18 |
| 5 2 Std. 920 °C 1 Std. 700 °C 424 284 21,1 149 16 20 Bild 3 |
| 6 2 Std. 920 °C 8 K/min 335 268 5,3 155 - - Bild 5 |
| 7 2 Std. 850 °C 30 min 700 °C 426 286 16,7 151 - - |
| 8 ungeglüht - 445 344 14,6 167 8 16 Bild 4 |
| 9 3 Std. 980 °C 1 Std. 700 °C 422 312 12,2 168 - - |
| 10 3 Std. 980 °C 1 Std. 700 °C 406 288 11,6 154 - - |
| 11 2 Std. 920 °C 8 K/min 384 257 16,2 146 - - |
L e e r s e i t e