DE3031016A1 - Verfahren zur behandlung von formmaterialien. - Google Patents

Description

DR.-iNG. ERNST STRATMANN

PATENTANWALT
D-4OOO DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

Düsseldorf, 14. Aug. 1980

48,648
8035

•Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Verfahren zur Behandlung von Formmaterialien

"Die Erfindung betrifft Werkzeugstähle und insbesondere ein Verfahren zur Behandlung von Formstählen, um eine erhöhte Nutzlebensdauer zu erreichen, wenn diese Werkzeugstähle beispielsweise in einer Pilger-Maschine benutzt werden.

Pilger-Maschinen verwenden sich gegenüberliegende Formen, wobei die abgeschrägte Nut am Rande der Formen im Arbeitsgebiet liegt. Die Hin- und Herbewegung der sich gegenüberliegenden Formen über dem Rohr, das bearbeitet wird und welches durch einen Dorn gestützt wird, führt zu einer Kaltreduzierung des Arbeitsrohres.

Ein Kriterium für zufriedenstellende Formarbeitsweise ist die Zahl von Metern, die bei der Rohrherstellung während der Formlebensdauer erreichbar ist. Typischerweise wird die Form solange benutzt, bis die Nutoberfläche bis zu einem Punkt sich verschlechtert hat, daß auf der Rohroberfläche Defekte erzeugt werden. Die Nut und die Peripherie der Form werden dann bearbeitet, beispielsweise durch Schleifen, um den Defekt zu entfernen, und die Form wieder in Betrieb genommen. Die erneute Nutung und Wiederverwendung von Formen erfolgt so häufig wie möglich

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POSTSCHECKtBERLiNWEST(BLZ IOO1OOIO) 132736-109· deutsche bank (BLZ 300 700 10) 6160 253

innerhalb der Grenzen, die die Abmessungen der Form und der Maschine zulassen. Es können sech· und mehr Nachschleifungen möglich werden. Der Grund dafür wird deutlich, wenn man die Verwendung einer Pilger-Maschine zur Herstellung von beispielsweise aus Zirkaloy bestehenden Rohren für einen Kernreaktor berücksichtigt.

Einer der Hauptgesichtspunkte bei der Herstellung von Rohren aus Zirkaloy-4 für z. B. die Brennstabbeschichtung bei einem Kernreaktor ist das Hydridierungsverhalten des Endproduktes. Die Bildung von Hydriden im Rohrmaterial ist die natürliche Folge der im Betrieb auftretenden Korrosion der Zirkaloy-4-Legierung durch das heiße Kühlwasser. Etwas von dem Wasserstoff, der durch die Korrosionsreaktion erzeugt wird, neigt dazu, in das Rohrmaterial einzudringen und Plättchen aus Zirkoniumhydrid zu bilden. Die Anwesenheit dieser Hydride beeinflußt die mechanischen Eigenschaften des Rohrs nachteilig, insbesondere dann, wenn die Plättchen in radialer Richtung bezüglich der Rohrwand liegen.

Ein prinzipielles Verfahren zur Minimierung der Bildung dieser radial orientierten Hydride ist das, die kristallografische Textur des Rohres derart einzustellen, daß die Hydridplättchen vorziehen, sich in Richtung des ümfanges zu bilden. Dies wird hauptsächlich dadurch erreicht, daß bei dem Rohrherstellungsverfahren geeignete Steuerungen verwendet werden, insbesondere bei der letzten KaItreduzierung in der Pilger-Mühle. Der Lösungsweg, die radiale Hydridierung in Rohren aus Zirkaloy-4 möglichst klein zu machen, besteht darin, die Höhe der Wandreduktion über der Durchmesserreduktion während der Kaltbearbeitung möglichst groß zu machen. Das heißt, das Rohr muß mit einem hohen Prozentverhältnis Wandreduktion bezogen auf die prozentuale Durchmeßserreduktion hergestellt werden. Dies führt in diesem hexagonalen, eng gepackten Material zu einer solchen Textur, daß die basalen Pole hauptsächlich in radialer Richtung orientiert sind. Die Erzeugung einer derartigen Textur ergibt ein Material, das sehr widerstandsfähig gegenüber der Bildung von radialen Hydriden

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während nachfolgendem Hydridierungstest wie auch im Kernreaktorbetrieb ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die oben erwähnte günstige Textur entsteht.

Gelöst wird die Erfindung mit ^ilfe eines Verfahrens zur Härtung von Pilger-Formen, um eine harte Umhüllung zu erhalten, die Restdruckbelastungen sowie einen zähen Körper enthält. Das Verfahren besteht darin, die Form auf den Austenittemperaturbereich zu erhitzen, selektiv die Wärme aus der Form in Richtung des gewünschten Gehäuses mit einer vorbestimmten schnelleren Rate als beim Rest der Form zu entfernen und danach die Form zu tempern.

Es wird eine Legierung verwendet, die durch Lufthärtung, ölhärtung oder Wasserhärtung behandelt werden kann, abhängig von dem jeweiligen besonderen Endzweck, und welche Legierung durch diese Wärmebehandlung die Fähigkeit besitzt, eine gehärtete Hülle zu bilden. Besonders erfolgreich erwies sich bei Kalt-Pilger-Mühlen eine ölhärtbare Zusammensetzung, die einen Stahl mit der Bezeichnung 52100 darstellt. Ein eng verwandter Stahl ist ein von der Firma Bofers hergestellter Stahl, der die Bezeichnung SR1855 trägt. Typischerweise umfassen diese Zusammensetzungen etwa 1 % Kohlenstoff, bis zu etwa 1 1/2 % Silizium und bis zu etwa 1 % Mangan, des weiteren etwa 1 1/4 % Chrom, während der Rest Eisen mit den üblichen zufälligen Unreinheiten ist.

Das Verfahren zur gerichteten Härtung dieser Materialien umfaßt eine Verbesserung der Wärmebehandlung, um auf diese Weise ein vollgehärtetes und getempertes Gehäuse auf der Arbeitsoberfläche der Form zu erhalten, während das übrige der Form einen zähen Körper darstellt. Dieser zähe Körper ist gewöhnlich von geringerer Härte.

In dieser Hinsicht umfassen die Peripherie und die Nut eine der Arbeitsoberflächen der Pilger-Form und werden daher wärme-

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behandelt, um eine !compressive Restbelastung zu liefern, und zwar aufgrund des Mangels an vollständiger Aushärtung des Kerns oder Körperteils der Form. Die !compressive Restbelastung widersteht der Nutenoberflächenverschlechterung im Betrieb und die hohe Hüllenhärte liefert die notwendige Festigkeit beim Betrieb. Gleichzeitig wird der Rest der Form in einen Zustand von Zugbelastung gebracht. Dies wird dadurch erreicht, daß zur Bohrung des Kerns und zu allen freiliegenden Oberflächen - mit Ausnahme der Peripherie und der Nut der Form, wo die gehärtete Umhüllung gewünscht wird - eine Isolierung angebracht wird. Indem so die Isolierung vorgesehen und die Wärmebehandlung des Materials gemäß den Stahlherstellungsvorschriften vorgenommen wird, wird die gehärtete Peripherie und die gehärtete Nut erhalten, die auf diese Weise hohe Festigkeit und kompressive Restbelastungen bekommen wird, während der Körper des Stahls eine bestimmte Zähigkeit bekommt und im wesentlichen in einen Zustand von Zugbelastung gebracht wird, im Gegensatz zu der oberflächlichen kompressiven Belastung der richtungsgehärteten Form.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Art der gerichteten Härtung einer Pilger-Form;

Fig. 2 eine Darstellung der Härte quer zu einer typischen Pilger-Form, wenn die erfindungsgemäßen Lehren angewendet wurden; und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch die Form mit einer Markierung, um zu zeigen, wie die Härtewerte aufgenommen wurden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Stahlform ausgewählt, die das gewünschte gehärtete Gehäuse und

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einen zähen Körper liefert und die bearbeitet werden kann, um die erforderliche Konfiguration der Form an der äußeren Peripherie zu liefern, und die auch an die tatsächliche Maschinerie selbst angepaßt werden kann. Bei der Herstellung von Brennstabplattierungsröhren aus Zirkaloy-4 wurde gefunden, daß ölhärtbare Stahlarten besonders geeignet ist, obwohl die Verwendung von lufthärtbaren Stählen wie auch wasserhärtbaren Stählen möglich ist. Insbesondere wurden zwei Zusammensetzung erfolgreich angewendet, die die folgenden Kennwerte haben. Die eine Zusammensetzung, SR1855, enthielt 1,0 % Kohlenstoff, 1,5 % Silizium, 0,8 % Mangan, 1,0 % Chrom, Rest Eisen mit zufälligen Unreinheiten. Die andere Zusammensetzung, die ebenfalls sich als besonders nützlich erwiesen hat, ist das als 52100 bekannte Material, das 1,0 % Kohlenstoff, 0,3 % Silizium, 0,4 % Mangan, ungefähr 1 ,45 % Chrom, Rest Eisen mit zufälligen Unreinheiten, enthält. Diese Materialien, in richtig angelassenem Zustand, können bearbeitet werden, um die erforderlichen Nutungscharakteristika einer Pilger-Form zu erzeugen, und können durchbohrt werden, •o daß die Form innerhalb einer Pilger-Maschine angeordnet werden kann. Erst nachdem die Form ihre endgültige Konfiguration erhalten hat, d. h., nachdem die Form mit der Bohrung versehen wurde, so daß sie an die Kalt-Pilger-Maschine angebracht werden kann, und nachdem die Form mit einer Nutperipherie versehen wurde, die dann tatsächlich die aus Zirkaloy-4 bestehende Brenn-■tabplattierungsröhren bearbeitet, nachdem die Bearbeitung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung abgeschlossen wurde, befindet sich das Material in einem Zustand, um das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden.

In dieser Hinsicht ist die Form allgemein bei 10 in Fig. 1 dargestellt, versehen mit einer Bohrung 12 und einer Peripherie 14, In die eine in vorbestimmter Weise geformte Nut 16 vorher durch irgend ein geeignetes Verfahren angebracht wurde. Die Pilger-Form 10 wird danach mit einem wärmeisolierenden Material verziehen, das dazu benutzt wird, die Bohrung 12 zu verstopfen, wobei der Stopfen durch die Bezugszahl 18 identifiziert ist. Angrenzend zu der Seitenwand der Form 10 ist ein ähnliches wärme-

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isolierendes Material angebracht/ gewöhnlich in Schichtform und durch die Bezugszahl 20 identifiziert, und zwar in der Weise, daß die Isolierung in naher Nachbarschaft zur Seitenwand der Form 10 liegt und vorzugsweise diese Wand berührt. Eine aus Stahl bestehende Endplatte 22 ist angrenzend zur wärmeisolierenden Materialschicht gegenüberliegend zur Stirnfläche der Seitenwand des Formkörpers 10 angebracht und die gesamte Anordnung danach mit Hilfe eines Schraubbolzens 24 und einer entsprechenden Mutter 26 an Ort und Stelle festgehalten, welcher Bolzen so angeordnet ist, daß er sich von der Stahlendplatte 22 auf der einen Seite der Form durch die StahlendpLatte .auf der anderen Seite der Form hindurch erstreckt. Eine in dieser Weise zusammengesetzte Pilger-Form ist bereit für die Wärmebehandlung.

Das wärmefeste und wärmeisolierende Material, wie es vorstehend beschrieben wurde, kann ein Material sein, wie es beispielsweise von der Firma Carborundum Corporation unter dem Namen "FiberFrax" vertrieben wird, oder auch ein Material, das von der Firma Hitco hergestellt und unter dem Namen "Refrasil" vertrieben wird. Beide Produkte sind erfolgreich angewendet worden. Welches Material auch immer benutzt wird, es muß wärmeisolierend sein und daher von Hause aus ein refraktorisches Material darstellen, so daß die Wärme, die durch die Seitenwände und die Bohrung extrahiert wird, wo das refraktorische wärmeisolierende Material angeordnet ist, mit einer wesentlich geringeren Rate entfernt wird, als in den Richtungen, wo kein refraktorisches wärmeisolierendes Material vorhanden ist, nämlich an der Peripherie und an der Nut der Form.

In dieser zusammengesetzten Form kann die Einheit auf die Austenittemperatur erhitzt werden, die für eine ausreichend lange Zeitperiode aufrechterhalten wird, um den Formabschnitt auf Temperatur zu bringen, wonach die Form abgeschreckt wird. Genauer gesagt, eine Wärmebehandlung, die als wirksam sich erwiesen hat, bestand darin, die Form auf eine Temperatur innerhalb des Bereiches von 830 bis 950° C zu erhitzen, mit einem vorzugsweisen Bereich, der innerhalb von etwa 870° C + 7° C liegt. Die Form wird gewöhn-

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lieh auf dieser Temperatur bzw. diesen Temperaturbereich für eine Zeitperiode von einer Stunde gehalten und danach die Form mit ihrer zusammengesetzten Isolation in gewöhnlichem öl auf eine Temperatur von etwa 50 bis 70 C abgeschreckt. An diesem besonderen Übergangspunkt sollte eine überprüfung der Formperipherie eine Rockwell-Härte von etwa 61R zeigen, während die Bohrung eine Härte von etwa 45 Rockwell besitzen sollte.

Nach dem Abschrecken des Materials wird es gewöhnlich einer Temperaturbehandlung ausgesetzt, und üblicherweise besteht diese aus einer doppelten Temperungsbehandlung bei einer Temperatur, die zwischen 275 C und etwa 350 C liegt, abhängig von der Zähigkeit und der Härte, die innerhalb der Bohrung bzw. an der Peripherie erforderlich ist. Da die ölabschreckung des Materials von der Austenittemperatur zu einer Retention einiger der austenitischen Phasen führen kann, ist es wünschenswert, die Form doppelt zu tempern, wo innerhalb der Mikrostruktur derartig zurückgebliebenes Austenit offensichtlich ist.

Um den Effekt des Verfahrens der Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung deutlicher zu zeigen, sei auf die Fig. 2 verwiesen, die ein Diagramm der Härte über der Entfernung von einer tatsächlichen Formperipherieoberfläche zeigt, welche Form gemäß den Vorschriften der vorliegenden Erfindung behandelt wurde. Die Kurve 30 repräsentiert die Entfernung von der Oberfläche, beginnend an der Basis der Nut 34, wie im Abschnitt 38 der Form gemäß Fig. 3 grafisch dargestellt ist, während die Kurve 32 die Härte über der Entfernung von der Peripherie der Naht darstellt, gemessen längs der Linie 36, wie in Fig. 3 zu erkennen. Somit wird deutlich, daß durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein hartes Gehäuse und ein zäher Körper für die Form 38 erzeugt wird, die in einer Pilger-Mühle verwendet werden soll.

Im folgenden wird ein Vergleich zwischen durchschnittlichen ersten Nutennutzdauern von Pilger-Formen dargestellt, die durch verschiedene Wärmebehandlungsverfahren erzeugt wurden, einschließ-

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lieh dem der vorliegenden Erfindung. Ein bequemes Maß, um die Lebensdauer auszudrücken, ist die Anzahl der Meter von Zirkaloy-4-Brennstoffstabrohr, das in der letzten Reduktion von drei Pilger-Reduktionen erzeugt wird. Die letzte Reduktion ist die kostspieligste Pilger-Reduktion und profitiert somit am meisten von dem Anstieg in der Formlebensdauer. Während einer gegebenen EinJahresperiode führte die erste Nutformlebensdauer, bei der eine einzige Schlackenabhärtung verwendet wurde, zur Produktion von durchschnittlich 7704 m Rohr. Durch Änderung der Wärmebehandlung zu einer Vielfachschlackenabschreckung im Versuch, ein gehärtetes Gehäuse durch herkömmliche Abschrecktechnik zu erlangen, führte in einer dreimonatigen Produktion zu einer ersten Nutlebensdauer von etwa 6110 m Rohr. Andererseits ergab die durchschnittliche erste Nutlebensdauer der Formen, die erfindungsgemäß behandelt wurden, einen durchschnittlichen Wert von 126b8 m Rohr, die in der ersten Nutlebensdauer erzeugt wurden.

Aus dem vorstehenden wird deutlich, daß erhebliche Einsparungen möglich sind, da das erfindungsgemäße Verfahren eine verlängerte Lebensdauer der Pilgerung zwischen Formwechseln ergibt und somit die Formkosten pro Meter Rohrpilgerung verringert. Außerdem ergibt sich eine verringerte Häufigkeit von Formwechseln, die pro Meter Pilgerrohr notwendig ist, und, was wichtiger ist, es ergibt sich eine insgesamt verbesserte Produktivität. Bei einer Type von Form alleine ergaben sich Einsparungen bei konservativer Schätzung von etwa DM 100.000,— pro Jahr. Es ist somit zu erkennen, daß infolge der Wärmebehandlung gemäß der Erfindung sich ein getempertes Martinsit-Gehäuse von hoher Härte ergibt, die gewöhnlich im Bereich zwischen 55 Rockwell und 53 Rockwell

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liegt, während der Rest des Formkörpers aus Bainit oder getempertem Bainit mit einer Härte zwischen 38 und 45 Rockwell besteht.

Dies ergibt dann einen zähen Körper und stellt sicher, daß zwar die Oberfläche des Stahls eine Kompressionsbelastungssituation aufweist, im Körper sich jedoch der Stahl im Zustand von Zugbelastung befindet.

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Claims (4)

DR.-ING. Ernst Stratmann PATENTANWALT D-4000 DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9 Püsseldorf, 14. Aug. 1980 48,648 8035 Westinghouse Electric Corporation Pittsburgh, Pa., V. St. A. Patentansprüche ;

1. Verfahren zur Härtung von Pilger-Formen, um ein hartes Gehäuse zu erhalten, das Restkompressionsbelastungen enthält, sowie einen zähen Körper, gekennzeichnet durch Erhitzen derForm auf den Austenittemperaturbereich, selektives Entfernen der Wärme aus der Form mit einer vorbestimmten schnelleren Rate in Richtung des gewünschten Gehäuses als aus dem Rest der Form, und danach Tempern der Form.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse die sich verjüngende Nut und die Peripherie der Form umfaßt, während der Rest der freiliegenden Oberfläche der Form mit einer isolierenden Beschichtung zumindest während der Austenitisierungsbehandlung versehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Dicke zwischen 1,25 und 2,5 cm aufweist, gemessen von der Peripherie der Form, mit einer entsprechenden Härte, die zwischen R 53 und R 63 liegt.

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Postscheck: Berlin west (BLZ 1OO1OOIO) 132736-109 · deutsche bank (BLZ 300 70 0 10) 6 160253

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die äußere Peripherie auf einen Wert gehärtet wird, der
zwischen 61 R und 63 R liegt, und daß der Rest der Form auf einen Wert gehärtet wird, der zwischen etwa 35 R und 45 R liegt.

Beschreibung:

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