DE1161805B

DE1161805B - Verfahren zum Verbinden von Graphitteilen durch Hartloetung

Info

Publication number: DE1161805B
Application number: DEJ19492A
Authority: DE
Inventors: Tadato Fujimura; Yoshio Ando
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1960-02-27
Filing date: 1961-02-24
Publication date: 1964-01-23
Also published as: US3177577A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4iflfTW> PATENTAMT Internat. Kl.: C 04 b

AUSLEGESCHRIFT

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 80 b-8/10

J 19492 VIb/80 b
24. Februar 1961
23. Januar 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Graphitteilen durch Hartlötung.

In Kernreaktoren wird eine große Menge Graphit als Moderator für schnelle Neutronen sowie als Behältermaterial der Spaltstoffe verwendet. Da Graphit ein nichtmetallischer, spröder Stoff ist, ist seine Formung und Verarbeitung schwierig, so daß dadurch die Errichtung von Kernreaktoren erschwert wird. Bisher wurde eine perfekte Verbindung von Graphitteilen für fast unmöglich gehalten. Für die Verbindung von in Kernreaktoren verwendete Graphitteile werden folgende Bedingungen gestellt:

1. Die verwendete Menge an Hartlot zum Verbinden der Graphitteile muß klein sein, um die Absorbierung von Neutron zu verringern.

2. Die Hartlotverbindung muß undurchlässig sein.

3. Die Korrosionsfestigkeit der Verbindung gegenüber dem Kühlmittel sollte groß sein, um die hohe Korrosionsfestigkeit des Graphits voll ausnutzen zu können.

4. Die Verbindung sollte auch bei hohen Temperaturen fest genug bleiben (da Graphit sehr hohe Temperaturen aushält, ist es wünschenswert, daß der Verbindungsbereich eine Temperatur von etwa 800⁰C im Reaktor aushält).

5. Es sollte eine genügend große Bindekraft während des ganzen thermischen Arbeitszyklus vorhanden sein (da Graphit einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, sollte das Verbindungslot einen entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen).

6. Der Verbindungsprozeß sollte einfach ausführbar und für Massenfertigung geeignet sein.

7. Die geforderten Maße sollten möglichst exakt eingehalten werden können.

Es wurden bereits verschiedene Arten zementierender Materialien zur Verbindung von Graphitteilen verwendet, aber sie konnten die vorstehend erwähnten Bedingungen 1, 2, 3, 5 und 7 nicht ausreichend erfüllen.

Es ist auch bereits bekannt, als Hartlot zur Verbindung von Graphitteilen Zirkon und Titan zu ver-Verfahren zum Verbinden von Graphitteilen
durch Hartlötung

Anmelder:

Japan Atomic Energy Research Institute, Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. A. Lehmann und Dipl.-Ing. E. Eder,

Patentanwälte, München 23, Ohmstr. 16

Als Erfinder benannt:

Tadato Fujimura,

Arayadai, Tokai-Mura, Naka-Gun,

Yoshio Ando, Tokio (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 27. Februar 1960,

Japan vom 25. Januar 1961

(Nr. 1764, Nr. 6330, Nr. 6331, Nr. 6332)

wenden, aber diese Metalle oxydieren stark, so daß der Lötprozeß schwierig und kostspielig wird.

Der Erfindung liegt die Hauptaufgabe zugrunde, eine Verbindung zwischen Graphitteilen, insbesondere bei in Kernreaktoren verwendeten Graphitblocken^ zu schaffen, die alle die vorerwähnten Bedingungen erfüllt und die Nachteile der bekannten Verbindungen vermeidet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß eine zwischen zwei Graphitteilen gebildete Kehle mit dem Lötmaterial gefüllt wird, das 10 bis 50 Gewichtsprozent Chrom und/oder Nickel, bis 4 Gewichtsprozent Molybdän, Wolfram, Zirkonium oder Titan und weniger als 0,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält, während der Rest hauptsächlich aus Eisen besteht, und daß dieses Lötmaterial in einer inerten Atmosphäre auf eine Löttemperatur von 1200 bis 1600⁰C erhitzt wird, so daß die zwei Graphitteile durch das geschmolzene Lot fest verbunden werden.

Besonders vorteilhaft sind	Cr	die in der nachstehenden	Tabelle angeführten Verbindungen.	C	Fe
	10 bis 40% 0 16 bis 30%	Ni	Mo, W, Ti oder Zr	weniger als 0,2 % weniger als 0,2% weniger als 0,2 %	Rest Rest Rest
1 2 3		0 10 bis 50% 6 bis 25%	0 0 0bis4%

309 780/255

Diese Zusammensetzungen wurden aus folgenden Gründen gewählt:

Chrom ist ein wesentlicher Bestandteil, um eine gute Korrosionsbeständigkeit und gute Hafteigenschaft zu erzielen. Unter 10°/₀ wirkt Chrom nicht mehr als korrosionsbeständiges Element, während mehr als 40% Chrom die Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen kaum mehr verbessert und nur die Kosten unnötig erhöht.

Ein Zusatz von 10 bis 50% Nickel zum Eisen erhöht die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, und die Eisen-Nickel-Legierung hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der fast demjenigen des Graphits entspricht, so daß die erzielte Verbindung sehr gut ist. Andererseits erhöht sich der Wärmeausdehnungskoeffizient bei unter 10 oder über 50% Nickel rasch, und die Haftfähigkeit wird schlechter. 10 bis 50% Nickel in der Legierung scheinen somit angemessen.

Nach der Erfindung kann auch eine Eisen-Chrom-Nickel-Legierung mit oder ohne Zusatz von Molybdän, Wolfram, Zirkon oder Titan verwendet werden. In diesem Fall ist eine Zusammensetzung von 16 bis 30% Cr, 6 bis 25 % Ni, 0 bis 4% Mo, W, Ti oder Zr, weniger als 0,2 % C und der Rest Eisen (alles Gewichtsprozent) am vorteilhaftesten. Der Zusatz von Molybdän, Wolfram, Titan oder Zirkon sorgt für eine erhöhte Temperaturfestigkeit der Legierung.

Die	thermischen Eigenschaften der Lotlegierungen sind folgende:	Wärmeausdehnungs koeffizient	Schmelzpunkt ⁰C	Korro- sions- bestän- digkeit	Magne tische Eigen schaft	Temperatur festigkeit	Zugfestigkeit bei Zimmer temperatur
	Legierungen	10 bis 13-ΙΟ"⁶ 17 bis 20-ΙΟ-⁶ 2 bis 10-ΙΟ-⁶	1430 bis 1510 1370 bis 1430 1420 bis 1470	gut besser besser	keine keine keine	ausreichend bis 700⁰C ausreichend bis 900⁰C ausreichend bis 900⁰C	kein Brechen kein Brechen kein Brechen
1 2 3	Fe-Cr Fe-Cr- Ni-Mo Fe-Ni

Das Hartlöten kann nach der Erfindung auf verschiedene Weise, wie z. B. erstens durch Induktionslöten oder zweitens durch Lichtbogenerhitzen erfolgen.

1. Das Induktionslöten kann durchgeführt werden, indem man eine Kehlung oder Ausnehmung, die an den aneinanderstoßenden Bereichen der Graphitteile vorgesehen ist, mit dem vorstehend beschriebenen Lot in Draht- oder Pulverform füllt und zum Verbinden in einem Vakuumofen bei einem Vakuum von 10"¹ bis 10"- mmHg oder in einer inerten Schutzgasatmosphäre, z. B. Argon, Helium oder Stickstoff, oder in einer Atmosphäre aktiven Ammoniums oder Wasserstoffs auf eine Temperatur von 1200 bis 160O⁰C erhitzt.

Die Lötverbindung wurde auf ihre Festigkeit geprüft, indem Graphitstangen stumpf unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lotes bei einem Vakuum von 5 · 10~⁵ mm Hg und einer Temperatur von 135O⁰C verbunden wurden. Ein Stück einer solchen Graphitstange wurde auf Zugfestigkeit geprüft, und die Temperatur-Zugfestigkeitsprüfung bei 900⁰C in einer Argonatmosphäre ergab, daß das Musterstück nicht an der Verbindungsstelle, sondern irendwo daneben brach.

Der japanische Standard-Biegetest an der Verbindungsstelle der hartgelöteten Graphitstangen wurde bei Zimmertemperatur mit positivem Ergebnis durchgeführt.

Die Berechnung bezüglich des Neutronenhaushalts in einem Reaktor ergab, daß, wenn z. B. die Menge des Lotmaterials V2500 der Graphitmenge ausmacht, der Neutronenabsorbierungsquerschnitt der Graphitstruktur sich um ungefähr 10% erhöht. Dies zeigt, daß die Verwendung des Lotes zum Verbinden der Bauteile eines Reaktors keine Nachteile bezüglich des Innenaufbaus des Reaktors bringt.

2. Die Graphitteile können auch durch Lichtbogenerhitzen verbunden werden, wobei man irgend eine der erwähnten Legierungen bei normaler Atmosphäre verwendet und ein Oxydieren von Graphit und Lot dadurch verhindert, daß man einen Lichtbogen unter Schutzgas anwendet, wobei das Lot durch die von dem Lichtbogen entwickelte Hitze geschmolzen wird. Es können die folgenden beiden Verfahren benutzt werden:

a) Bei dem einen Verfahren dienen die zu verbindenden Graphitteile als Anode (oder Kathode) und die in dem Brenner eingeschlossene Elektrode als Kathode (oder Anode), wobei der elektrische Lichtbogen zwischen den Graphitteilen und der Elektrode des Brenners erzeugt wird.

b) Bei dem anderen Verfahren wird ein Brenner mit Schutzgaszuführung verwendet, in welchem eine positive und eine negative Elektrode eingeschlossen sind und der Lichtbogen zwischen diesen Elektroden erzeugt wird, während das Schutzgas durch den Brenner geblasen wird.

Zum besseren Verständnis werden die vorerwähnten Verfahren an Hand der Zeichnung näher erläutert.

In dieser zeigen F i g. 1 und 2 perspektivische Ansichten der beiden Verfahren zum Verbinden von Graphitblöcken.

In F i g. 1 sind die zu verbindenden Graphitblöcke mit 1 bezeichnet und mit 2 eine von den beiden Graphitblöcken 1 gebildete Kehle. 3 ist ein Brenner, 4 eine elektrisch leitend an einen Graphitblock 1 angeschlossene Klemme, 5 das aufgebrachte Lot, 6 eine Elektrode und α ein Lotdraht nach der Erfindung.

In F i g. 2 sind mit 1 jeweils die beiden zu verbindenden Graphitblöcke bezeichnet, 2 ist eine von diesen Graphitblöcken gebildete Kehle, die die Herstellung einer festen Verbindung erleichtert, 3 und 4

sind Brenner mit positiver bzw. negativer Elektrode, die auf die Nahtstelle gerichtet sind, und 5 ist das aufgebrachte Lotmaterial. Mit 6 sind die Elektroden bezeichnet, und α ist der erfindungsgemäße Lotdraht. Im Falle von F i g. 2 wird der elektrische Lichtbogen zwischen den Spitzen der zwei Elektroden 6 erzeugt, und Schutzgas wird durch die Brenner zugeleitet.

Als Schutzgas eignet sich am besten Argon, Helium, Kohlendioxyd, Stickstoff oder Wasserstoff. Das Schutzgas kann durch den Brenner ins Freie austreten, oder die Lötung kann in einer luftdichten Kammer mit Schutzgas erfolgen.

Zur Verbindung von Graphitplatten oder -röhren unter Verwendung eines Lotes, bestehend aus 36 Gewichtsprozent Nickel und 64% Eisen, und eines elektrischen Lichtbogens als Hitzequelle gelten folgende Bedingungen:

Lichtbogenspannung Gleichstrom 30—50 Volt
Lichtbogenstrom... Gleichstrom 100—200Amp.

Schutzgas Argon

Gasströmung 10 bis 200 l/Min.

Bezüglich des Neutronenhaushalts in einem Reaktor ergab die Berechnung, daß sich bei der Verwendung von etwa ¹I₃₀₀₀ der Graphitmenge als Lotmaterial der Neutronenabsorbierungsquerschnitt der Graphitstruktur um ungefähr 10 °/o erhöht.

Dies zeigt, daß die Verwendung des erfindungsgemäßen Lotes zum Verbinden von Reaktor-Elementen keinerlei Schwierigkeiten bei der Innenkonstruktion des Reaktors mit sich bringt.

Es hat sich ergeben, daß sich die Eigenschaften des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verbundenen Graphits an den Nahtstellen verbessert haben, wie sich aus folgendem ergibt:

1. Die statischen Biegeteste der Nahtstellen ergaben eine Biegefestigkeit derselben von über 150kg/cm².

2. Wenn das Probestück auf 700° C erhitzt und dann rasch an der Luft abgekühlt wird, ergeben sich keine Risse an der Nahtstelle.

3. Bei Dichtigkeitsprüfungen der Nahtstelle ergab sich kein Durchsickern.

Durch Verwendung der Lotlegierungen für das Lichtbogenverbinden von Graphitteilen können die Schwierigkeiten beim Formen und Bearbeiten von Graphitteilen auf ein Minimum reduziert und damit die Verwendung von Graphit in Kernreaktoren erhöht werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbinden von Graphitteilen durch Hartlötung, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen zwei Graphitteilen gebildete Kehle mit dem Lötmaterial gefüllt wird, das 10 bis 50 Gewichtsprozent Chrom- und/oder Nickel, bis 4 Gewichtsprozent Molybdän, Wolfram, Zirkonium oder Titan und weniger als 0,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält, während der Rest hauptsächlich aus Eisen besteht, und daß dieses Lötmaterial in einer inerten Atmosphäre auf eine Löttemperatur von 1200 bis 1600⁰C erhitzt wird, so daß die zwei Graphitteile durch das geschmolzene Lot fest verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei Anwendung elektrischer Lichtbogenerhitzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitteile verbunden werden, indem man das Lot im Schutzgas mittels eines Lichtbogens schmilzt, der zwischen den Elektroden des Brenners und/oder einer Elektrode und den Graphitteilen erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein Lot aus 16 bis 30 Gewichtsprozent Chrom, 6 bis 25 Gewichtsprozent Nickel, 0 bis 4 Gewichtsprozent von entweder Molybdän, Wolfram, Titan oder Zirkonium, weniger als 0,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff und im wesentlichen aus Eisen verwendet wird und die Hartlötung in einer Schutzgasatmosphäre durch einen zwischen den Elektroden erzeugten Lichtbogen durchgeführt wird

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen