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Vergütungsstahl guß
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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.
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere gut handhabbare,
einfache, gegen mechanische Beanspruchung unempfindliche Abschirmung gegen Neutronen
abgebende Strahlenquellen zu entwickeln.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 2 zeigt, daß es zu keiner Ausscheidung von Samarium bei Gehalten
von 0,2 X Samarium gekommen ist.
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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.
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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
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