DE3024892A1 - Verguetungsstahlguss - Google Patents

Verguetungsstahlguss

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DE3024892A1
DE3024892A1 DE19803024892 DE3024892A DE3024892A1 DE 3024892 A1 DE3024892 A1 DE 3024892A1 DE 19803024892 DE19803024892 DE 19803024892 DE 3024892 A DE3024892 A DE 3024892A DE 3024892 A1 DE3024892 A1 DE 3024892A1
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tempered
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steel
cast steel
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DE19803024892
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Dieter Dipl.-Ing. 4030 Ratingen Christianus
Jürgen Martin Dr.-Ing. Motz
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ThyssenKrupp Technologies AG
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Thyssen Industrie AG
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C37/00Cast-iron alloys
    • C22C37/04Cast-iron alloys containing spheroidal graphite
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/08Metals; Alloys; Cermets, i.e. sintered mixtures of ceramics and metals

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Description

  • Vergütungsstahl guß
  • In dem Patent ............ (Patentanmeldung P 29 33 519.1) ist ein Gußeisen mit Kugelgraphit beschrieben, das für Abschirmkomponenten gegen radioaktive Strahlen, die ausp - und Neutronenquanten bestehen, eingesetzt werden soll. Das Gußeisen wird dazu mit einem oder mehreren Elementen solcher seltenen Erdmetalle in Höhe von 0,05 - 0,8 % legiert, die einen hohen Einfangquerschnitt für Neutronen besitzen.
  • Als derartige Elemente werden nach dem Patent eingesetzt Samarium, Gadolinium und Europium. Aus der DE-AS 1 758 200 ist eine Gußeisenlegierung zur Herstellung von Abschirmelementen gegen Gammastrahlen und Neutronenstrahlen bekannt, bei der der erforderliche Einfangquerschnitt durch große Wanddicken von 100 mm und mehr erreicht wird. Außerdem ist der Einsatz der SE-Metalle Samarium, Gadolinium und Europium für Regelstäbe in Spaltungskernkraftwerken und Abschirmungen für Neutronen abgebende radioaktive Strahlenquellen bekannt. Dabei werden Verbundkonstruktionen angewandt, wobei nichtmetallische, meist oxydische Träger dieser Elemente in eine metallische, meist aus Stahl bestehende Konstruktion eingeschlossen werden oder die nichtmetallischen Träger der Elemente in eine metallische Matrix aus Verbundwerkstoff eingegliedert werden. Auch eine Kombination beider Möglichkeiten (sandwich) ist bekannt. Derartige Konstruktionen sind relativ aufwendig und für bestimmte Anwendungsgebiete, zum Beispiel die Lagerung von Atommüll, wegen der geringeren mechanischen Widerstandskraft gegenüber gleich dicken, einwandigen Behältern unsicher. Durch den Gegenstand des Hauptpatentes ist eine besser handhabbare und einfachere Abschirmung gegen Neutronen abgebende Strahlenquellen geschaffen worden.
  • Bei Stahlguß ist der Einsatz von SE-Metallen als Desoxydationsmittel bekannt, zum Beispiel die Desoxydation mit Cer-Mischmetall. Ober den Zusatz von SE-Metallen mit hohem Einfangquerschnitt für Neutronen, wie Samarium, Gadolinium und Europium liegen noch keine Untersuchungen vor.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere gut handhabbare, einfache, gegen mechanische Beanspruchung unempfindliche Abschirmung gegen Neutronen abgebende Strahlenquellen zu entwickeln.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Vergütungsstahlguß dadurch gelöst, daß der Stahlguß eines oder mehrere Elemente solcher SE-Metalle, die einen hohen Einfangquerschnitt für Neutronen besitzen, in Höhe von 0,05 bis 0,4 % enthält.
  • Diese günstige Lösung der Einbeziehung der Absorberelemente als Legierungsbestandteil 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 SE-Metallen angibt, die untere Grenze, ab wann die SE-Metalle wirksam sind und die obere Grenze, ab der die technologischen Eigenschaften des Basismetalls ungünstig beeinflußt werden. Der erfindungsgemäße Stahlguß eignet sich besonders gut für den Einsatz für Lager- und Transportbehälter für abgebrannte Brennelemente aus Kernspaltungsreaktoranlagen. Bei hohen Stückzahlen von Behältern kommt hier 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 und die hohen Werte für die Kerbschlagzähigkeit und die plastische Dehnung bei Stahlguß.
  • Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet sein. Als SE-Metall mit hohem Einfangquerschnitt eignet sich Gadolinium. Die Erhöhung des Einfangquerschnittes setzt ab Gehalten von 0,05 X ein. Ab 0,4 %, verstärkt ab 0,6 %, tritt eine Versprödung durch netzförmige Ausscheidung von SE-metallreichen Phasen auf, die die technologischen Eigenschaften mehr als unerheblich beeinträchtigen.
  • Außer Gadolinium eignet sich in gleicher Weise mit den gleichen Grenzen für die Anwendung Samarium sowie Samarium und Gadolinium gemeinsam, insgesamt in den Grenzen von 0,08 bis 0,4 %. Auf Grund ihres hohen Siedepunktes können die Elemente Gadolinium und Samarium gefahrlos in die Schmelzen eingebracht werden.
  • Als Vergütungsstahlguß eignet sich wegen seiner günstigen mechanischen Eigenschaften besonders ein legierter Vergütungsstahlguß, der außer den seltenen Erdmetallen im übrigen die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat: C 0,17 bis 0,22, Si 0,30 bis 0,50, Mn 0,70 bis 1,10, Cr 0,30 bis 0,50, Mo 0,40 bis 0,60, Ni 0,60 bis 1,10, Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.
  • Ebenso ist auch ein weiterer legierter Vergütungsstahlguß geeignet, der außer den SE-Metallen die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat: C 0,15 bis 0,20, Si 0,30 bis 0,60, Mn 0,50 bis 0,80, Cr 2,0 bis 2,5, Mo 0,9 bis 1,1, Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.
  • Auch ein unlegierter Stahlguß ist geeignet, der außer den SE-Metallen die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat: C 0,18 bis 0,23, Si 0,30 bis 0,60, Mn 0,50 bis 0,80, Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.
  • Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigen im einzelnen Fig. 1 das Schliffbild eines Stahlgußstückes in 500facher Vergrößerung mit Salpetersäureätzung, das 0,6 % Gadolinium enthält, Fig. 2 das Schliffbild eines Stahlgußeisenstückes in der gleichen Vergrößerung und Atzung wie nach Fig. 1 mit 0,2 % Samarium, Fig. 3 das Schliffbild eines Stahlgußstückes in der gleichen Vergrößerung und Atzung wie nach Fig. 1 mit 0,56 % Samarium.
  • Einige Versuchsschmelzen für Stahlguß, der mit Gadolinium und/oder Samarium legiert ist, wurden in folgender Weise hergestellt. Die Schmelzen wurden mit schwefelarmen Einsatzmaterial im Elektroofen erschmolzen, wobei ein Schwefelgehalt von weniger als 0,01 % eingehalten wurde. Vor dem Abstich wurde der Sauerstoffgehalt durch Desoxydation mit Aluminium abgesenkt. Dadurch wurde ein gutes Ausbringen der SE-Metalle, die eine hohe Affinität zu Schwefel und Sauerstoff besitzen, erreicht.
  • Die Schmelzen 1 und II wurden beim Abstich in je vier Probekokillen, die Schmelzen II und IV in je zwei Probekokillen mit verschiedenen Mengen an Gadolinium und Samarium legiert, wodurch die Schmelzen I, 1 bis I,4, II,1 bis II,4, III,1 III,2, IV,1 und IV,2 entstanden. Die chemische Zusammensetzung der vergossenen Schmelzen in Gewichtsprozenten ist in Tafel 1 angegeben. Die abgegossenen Prubeblöcke wurden gemäß Tafel 2 wärmebehandelt. Die erreichten technologischen Werte sind in Tafel 3 wiedergegeben, und zwar die Brinell-Härte HB, für den Zugversuch die 0,2-Grenze Rp 0,2, die Festigkeit Rm, die Bruchdehnung A und die Brucheinschnürung Z sowie die Kerbschlagarbeit in Joule bei Raumtemperatur, 0 OC, -10 0C und -20 OC In Fig. 1 ist erkennbar, daß bei der Schmelze I,4 mit einem hohen Gadolinium-Gehalt von 0,6 % auf den Korngrenzen eine gadoliniumreiche Phase ausgeschieden worden ist. Entsprechendes gilt für Fig. 3, Schmelze II,3 mit einem Samarium-Gehalt von 0,56 %. Die Tafel 3 zeigt die Versprödung bei diesen beiden Schmelzen; bei Jer Schmelze 11,3 liegen die Einschnürung, Dehnung und die Kerbschlagzähigkeit wesentlich tiefer als bei den Schmelzen mit geringen Gadolinium- und Samarium-Gehalten; bei der Schmelze I,4 ist nur die Kerbschlagzähigkeit bestimmt worden, sie liegt rd. eine Zehnerpotenz unter den Vergleichswerten. Bei der Schmelze I,3 mit einem Samariumgehalt von 0,19 X werden gute Werte für Einschnürung, Zähigkeit und die Kerbschlagzähigkeit erreicht.
  • Fig. 2 zeigt, daß es zu keiner Ausscheidung von Samarium bei Gehalten von 0,2 X Samarium gekommen ist.
  • Bei den Schmelzen III,1 und III,2, einem unlegierten Stahlguß und IV,1 und IV,2, einem chrommolybdänlegierten Stahlguß, wurden bei Gadolinium-und Samariumgehalten von 0,3 % gute technologische Eigenschaften erreicht.
  • Tabel 1 Chemische Zusammensetzung in Gewichts % Schmelze C Si Mn P S Cr Ni Mo Al Gd Sm I,1 0,19 0,39 0,83 0,014 0,011 0,38 0,87 0,51 0,040 - -I,2 0,18 0,38 0,84 0,014 0,007 0,38 0,86 0,51 0,038 - 0,12 I,3 0,19 0,38 0,83 0,015 0,008 0,38 0,86 0,51 0,065 - 0,19 I,4 0,19 0,18 0,84 0,014 0,007 0,37 0,85 0,51 0,059 0,60 -II,1 0,18 0,52 0,87 0,010 0,009 0,38 0,85 0,54 0,011 0,08 -II,2 0,18 0,58 0,86 0,010 0,006 0,39 0,85 0,54 0,005 0,14 -II,3 0,18 0,45 0,86 0,011 0,007 0,38 0,86 0,54 0,007 - 0,56 zusammen II,4 0,18 0,50 0,82 0,010 0,007 0,38 0,85 0,54 0,005 - 0,13 III,1 0,18 0,38 0,65 0,010 0,006 0,15 0,05 0,02 0,035 - 0,30 III,2 0,18 0,40 0,64 0,010 0,006 0,15 0,05 0,02 0,028 0,24 -IV,1 0,17 0,38 0,72 0,009 0,007 2,30 0,10 1,05 0,031 - 0,28 IV,2 0,17 0,42 0,70 0,010 0,007 2,31 0,12 1,02 0,025 0,21 - Tabel 2 Wärmebehandlung Schmelze Härten Anlassen Temp. Haltezeit Abschreck- Temp. Haltezeit Abkühlung °C h mittel °C h I 900 4 Wasser 700 4 Wasser II III 920 4 Luft 620 4 Luft IV 930 4 ÖI 700 6 Luft Tabel 3 Technologische Werte Schmelze Hu h Zugversuch¹) Kerchlagarbeit³)150 V HB in J bei Rp0,2 Rm A Z RT 0°C -10°C -20°C N/mm² N/mm² % % I,3 224 559 688 21 60 77 68 71 63 I,4 212 608 663 4 6 9 8 8 II,1 216²) 587 683 17 31 131 123 115 II,2 222²) 573 688 14 30 120 73 72 II,3 226²) 619 647 5 5 12 74 26 II,4 222²) 578 690 12 22 106 94 68 III,1 145 281 482 21 55 52 41 20 III,2 148 290 510 19 52 63 50 22 IV,1 193 510 710 20 62 113 97 93 1)Mittel aus 2 Werten 2)aus HV 10 umgerechnet 3)Mettel aus 3 Werten Leerseite

Claims (7)

  1. Ansprüche: 1. Vergütungsstahlguß, gekennzeichnet durch eines oder mehrere Elemente solcher SE-Metalle, die einen hohen Einfangquerschnitt für Neutronen besitzen in Höhe von 0,05 - 0,4 %.
  2. 2. Vergütungsstahlguß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das SE-Metall mit hohem Einfangquerschnitt für Neutronen Gadolinium ist.
  3. 3. Vergütungsstahlguß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das seltene SE-Metall mit hohem Einfangquerschnitt für Neutronen Samarium ist.
  4. 4. Vergütungsstahlguß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das SE-Metall mit hohem Einfangquerschnitt für Neutronen Samarium und Gadolinium, insgesamt in einem Gehalt von 0,08 - 0,4 % ist.
  5. 5. Vergütungsstahlguß nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den SE-Metallen legierte Vergütungsstahlguß im übrigen folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat C 0,10 - 0,22, Si 0,30 - 0,50, Mn 0,70 - 1,10, Cr 0,30 - 0,50, Mo 0,40 - 0,60, Ni 0,60 - 1,10, Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.
  6. 6. Vergütungsstahlguß nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den SE-Metallen legierte Vergütungsstahlguß im übrigen folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat C 0,15 - 0,20, Si 0,30 - 0,60, Mn 0,50 - 0,80, Cr 2,0 - 2,5 Mo 0,0 - 1,1, Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.
  7. 7. Vergütungsstahlguß nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den seltenen SE-Metallen legierte Vergütungsstahlguß folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat C 0,18 - 0,23, Si 0,30 - 0,60, Mn 0,50 - 0,80, Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2584852A1 (fr) * 1985-07-11 1987-01-16 Montupet Fonderies Absorbeur de radiations nucleaires
DE19706758A1 (de) * 1997-02-20 1998-05-07 Siemens Ag Einrichtung zur Lagerung radioaktiven Materials

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