СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК C22F1/18 

Изобретение относится к области металлургии, к прокатному производству, и предназначено, в частности, для изготовления полуфабрикатов и готовых изделий из циркониевых сплавов.

Известен способ получения изделий из циркониевых сплавов [1], включающий горячую деформацию заготовки, предварительную холодную деформацию и вакуумный отжиг при 560 - 590^oC с изотермической выдержкой 3 - 4 ч, холодную прокатку со степенью деформации на последнем переходе 17 - 31% и последующий окончательный вакуумный отжиг при 560 - 585^oC с изотермической выдержкой в течение 5 - 7 ч.

Однако данный способ не позволяет получить трубы других не описанных в примере типоразмеров и из других циркониевых сплавов, вследствие того, что трубы требуемого размера и даже полуфабрикаты из циркониевых сплавов за две стадии холодной прокатки получить затруднительно. Кроме того, например, при изготовлении труб из сплава Zr-1,0Nb-1,5Sn-0,4Fe, не представляется возможным осуществить холодную прокатку заготовки без нарушения сплошности металла. Без проведения специальной термической обработки заготовок после горячей деформации в структуре сплава имеются скопления крупных интерметаллидов, значительно снижающие вязкость материала, что не позволяет проводить холодную прокатку данных сплавов с большими деформациями.

Известен способ, включающий в себя последовательность операций: изготовление слитка, его предварительную бэта-обработку, получение заготовки путем горячего формования при температуре существования альфа-циркония, отжиг заготовки при температуре от 380 до 650^oC, холодное деформирование заготовки с промежуточными отжигами при температуре существования альфа-циркония и доводку заготовки до получения готового изделия [2], а также способ, отличающийся от предыдущего тем, что:
- после бэта-обработки перед горячим формованием слитка заготовку отжигают при температуре от 380^oC до 650^oC;
- перед отжигом после горячего формования заготовку подвергают закалке при температуре от 920^oC до 1070^oC, при этом указанный отжиг осуществляют при температуре от 380^oC до 520^oC;
- закалку осуществляют со скоростью от 60^oC/с до 1000^oC/с [3].

Однако, используя вышеизложенные способы, невозможно получить изделия в однородном структурном состоянии.

Проведение операции бэта-закалки заготовки перед операцией горячего формования не приводит сплав к более равновесному состоянию. Наоборот, при закалке массивной сплошной заготовки происходит увеличение структурной неоднородности металла из-за различной скорости охлаждения периферийных слоев заготовки и ее центральной части.

Кроме того, проведение отжига заготовки при температуре 380 - 650^oC после бэта-закалки перед горячим формованием слитка не позволяет увеличить запас пластичности и вязкости вследствие отсутствия значительных изменений структурного состояния сплавов, поскольку температура бэта-обработки намного превышает температурный диапазон отжига.

Применение второй операции закалки после горячего формования заготовки при температуре до 1070^oC приводит к увеличению величины зерна, что, в свою очередь, снижает технологичность сплавов перед последующей холодной деформацией.

Проведение двукратной операции закалки предусматривает и двукратную механическую обработку для снятия окисленного слоя металла, что естественно снижает производительность процесса изготовления труб и значительно увеличивает себестоимость продукции.

Согласно данным из описания изобретения при производстве труб рекомендуется степень деформации E на первой стадии холодной прокатки 30 - 60% и вытяжка μ= 1,5 - 2,5 ( μ= S_заг./S_тр., где S_заг. - площадь поперечного сечения заготовки под прокатку, S_тр. - площадь поперечного сечения трубы после проката), но эти значения противоречат друг другу, так как E = (1 - μ ) [4], отсюда степень деформации не может быть менее 33,3%. При этом вызывает сомнение утверждение, что рекомендуемое увеличение степени деформации циркониевых сплавов на первых стадиях холодного деформирования заготовки до 50 - 60% ( μ= 2,0 - 2,5) повышает технологичность способа и делает процесс изготовления изделий более экономичным, что позволяет распространить его на большую номенклатуру сплавов и изделий из них.

Как правило, трубы готового размера из циркониевых сплавов получают холодной прокаткой из специально изготовленного толстостенного трубного полуфабриката, обладающего высокими механическими свойствами и точными геометрическими размерами, именуемого в источниках зарубежной литературы SUPER-TREX или TREX [5]. Геометрические размеры наиболее часто применяемых полуфабрикатов: ф63,5 x 10,9 мм, ф44,5 x 7,62 мм. Проведение первой стадии холодной прокатки толстостенной заготовки для получения например TREX ф63,5 x 10,9 мм из многокомпонентных циркониевых сплавов типа Zr-1,0Nb-1,5Sn-0,4Fe, после проведения отжига заготовки при температуре от 380 до 650^oC, с деформацией 50 - 60% приводит к нарушению сплошности металла, вследствие низкой пластичности сплава перед холодной прокаткой.

В примерах осуществления данного способа отожженные или закаленные заготовки подвергали холодной обработке по пятипрокатной деформационной схеме с суммарной вытяжкой μ_Σ < 50 ( μ_Σ= S_{нач.заг.}/S_гот.тр., где S_{нач.заг.} - площадь поперечного сечения заготовки под первую прокатку, S_гот.тр. - площадь поперечного сечения готовой трубы после последнего проката), с частной деформацией на первой и последующих прокатках приблизительно в 50% μ=2,0 и промежуточными отжигами при температуре 620^oC. Но увеличение степени деформации, а значит и вытяжки, в особенности многокомпонентных, приводит к возникновению локальных, превышающих предел прочности металла напряжений из-за неравномерной деформации изначально неоднородной по длине и сечению структуры горячедеформированной заготовки [6], что влечет за собой образование микро- и даже макронесплошностей на охрупченных интерметаллидными выделениями границах зерен. Образующиеся несплошности на последующих стадиях холодной деформации развиваются и приводят к образованию недопустимых дефектов, вплоть до сквозных трещин.

Кроме того, небольшие суммарные степени деформации (вытяжка не более 50) в примерах осуществления способа, прокатка за пять проходов с деформацией приблизительно 50% до размера готовых труб ф9,15 x 0,65 мм, что соответствует μ_Σ<40, не позволяют получать устойчивый уровень механических свойств, структурную и текстурную однородность по длине и сечению изделий.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ, включающий следующие операции: получение исходной заготовки, ее закалку из бэта-области, получение трубной заготовки путем горячего формования исходной заготовки при температуре существования альфа-циркония, укрупняющий структуру отжиг трубной заготовки при 650 - 750^oC в течение 1 - 100 ч, первая стадия холодной прокатки трубной заготовки, селективная термическая обработка с нагревом внешней стороны трубы и охлаждением внутренней, последующая холодная прокатка трубы с промежуточными и окончательным отжигом при температуре существования альфа-циркония [7].

Однако проведение закалки исходной заготовки до операции горячего формования, как и при вышеизложенном способе [2] приводит к увеличению структурной неоднородности металла из-за различной скорости охлаждения периферийных слоев заготовки и ее центральной части. Селективная термическая обработка требует создания специализированного термического оборудования, что приводит к значительному удорожанию процесса изготовления труб.

Задача, решаемая изобретением - повышение уровня качества изделий из циркониевых сплавов путем создания условий деформации без нарушения сплошности материала изделий, получение однородной структуры металла по длине и сечению изделий и улучшение технико-экономических показателей их производства за счет увеличения размеров исходных заготовок и улучшения качества трубных полуфабрикатов.

Технический результат достигается тем, что для получения труб и трубных полуфабрикатов типа SUPER - TREX, TREX из бинарных циркониевых сплавов в дополнение к ранее известным операциям предусматривается:
- получение исходной заготовки,
- получение трубной заготовки путем горячего формования исходной заготовки при температуре существования альфа-циркония,
- холодная прокатка трубной заготовки с промежуточными и окончательным отжигом при температуре существования альфа-циркония,
- исходную заготовку получают путем бэта-деформационной обработки выплавленного слитка,
- холодную прокатку труб осуществляют с суммарной вытяжкой μ_Σ>100 - для получения готовых изделий при μ_Σ < 50 - для получения трубных полуфабрикатов типа SUPER-TREX, TREX, причем на первой стадии прокатки труб вытяжка μ<2,0, где
μ= S_заг./S_тр.; S_заг. - площадь поперечного сечения заготовки под прокатку, S_тр. - площадь поперечного сечения прокатной трубы;
μ_Σ= S_заг./S_гот.тр.; S_заг. - площадь поперечного сечения заготовки под первую прокатку, S_гот.тр. - площадь поперечного сечения готовой трубы после последнего проката.

В случае, когда требуется получить трубы готового размера или полуфабрикаты типа SUPER-TREX, TREX из многокомпонентных циркониевых сплавов, а также из бинарных циркониевых сплавов, когда требуется получение изделий повышенного качества (с величиной допустимого технологического дефекта < 30 мкм, ориентацией гидридов Fn < 0,3 в любой области трубы, стабильной симметричной текстурой и другими повышенными требованиями к трубам), в дополнение к операциям, описанным в первом варианте заявляемого способа, после проведения горячего формования при температуре существования альфа- или (альфа + бэта)-циркония, проводят закалку трубной заготовки при температуре, на 30 - 60^oC превышающей температуру точки перехода сплава из промежуточной (альфа + бэта)- области в бэта-область циркония, механическую обработку и последующий отпуск закаленной заготовки при температуре существования альфа-циркония. Проведение холодной прокатки труб с суммарной вытяжкой μ_Σ>100, за счет высокой степени проработки металла позволяет получить готовые изделия с равномерным структурным состоянием по длине и сечению.

Предложенное ограничение значения вытяжки на первой стадии прокатки приводит к тому, что скалывающие напряжения, возникающие при деформации заготовок на станах холодной прокатки труб, значительно ниже значений предела прочности циркониевых сплавов, прошедших вышеописанную термическую обработку, как многокомпонентных, так и более пластичных-бинарных, вследствие чего сплавы деформируются без нарушения сплошности. На последующих стадиях прокатки вытяжка увеличивается в связи с ростом пластичности сплавов после первой стадии прокатки и последующего отжига.

В случае получения трубных полуфабрикатов типа SUPER-TREX или TREX суммарная вытяжка при холодной прокатке может быть μ_Σ<50 (так как полуфабрикаты, как правило, получают за 1 - 3 хода холодной прокатки, в отличие от труб готового размера, где число ходов может достигать 5 - 8, и с учетом ограничений по вытяжке на первой стадии холодной прокатки μ<2,0).
Проведение закалки трубных заготовок после горячего формования при температуре, на 30 - 60^oC превышающей температуру точки перехода сплава из промежуточной (альфа + бэта) области в бэта-область циркония и отпуска закаленной заготовки при температуре существования альфа-циркония обеспечивает полную фазовую перекристаллизацию сплавов с приведением их в структурное состояние мартенситного типа с мелкозернистой (величина зерна 0,16 - 0,22 мм) макроструктурой и с максимальным диспергированием интерметаллидных и примесных фаз, с фиксированием в пресыщенном твердом растворе примесных и легирующих элементов (фиг. 1). Кроме этого предложенная термическая обработка обеспечивает двукратный запас пластичности сплава для первой стадии холодной прокатки относительно известного способа (табл. 2), а в сочетании с ограничением значения вытяжки на первой стадии холодной прокатки предопределяет проведение холодной деформации без микро- и макроразрушений (фиг. 2). Заявляемые деформационная и термическая обработки позволяют получить равномерное структурное состояние по длине и сечению прессованной заготовки (фиг. 3). В известных способах прессования заготовка имеет неоднородное структурное состояние по длине и сечению из-за особенностей процесса прямого прессования [6], что наследственно сохраняется вплоть до труб готового размера.

Проведение механической обработки закаленной трубной заготовки обеспечивает удаление поверхностного окисленного и газонасыщенного слоя, образующегося после закалки и, одновременно обеспечивает удаление дефектов на наружной и внутренней поверхности заготовки, образующихся в процессе горячего формования. Повышение качества поверхности заготовки приводит к тому, что пластические свойства металла не снижаются [8] и исключаются условия нарушения сплошности из-за дефектов при дальнейшей холодной деформации.

При анализе патентной и научно-технической информации способов получения изделий из циркониевых сплавов, обладающих совокупностью всех существенных признаков заявляемого технического решения, не выявлено.

В настоящее время на АО "Чепецкий механический завод" проходят опытно-промышленные испытания по изготовлению изделий и полуфабрикатов из циркониевых сплавов с использованием заявляемого способа.

Примеры конкретного осуществления заявляемого способа.

Пример 1. Получение трубных полуфабрикатов типа TREX из циркониевого сплава Zr-1,0Nb.

Выплавленный слиток подвергали горячей обработке в заготовку на ковочном молоте при температуре существования бэта-циркония. Заготовку после механической обработки подвергали горячему прессованию в гильзу в температурном интервале 580 - 650^oC. Полученную гильзу подвергали холодной деформации на стане холодной прокатки труб за три стадии до получения трубного полуфабриката готового размера с суммарной вытяжкой μ_Σ=30, с вытяжкой на первой стадии прокатки μ=1,9. Промежуточные и окончательную термообработки полуфабрикатов вели в температурном диапазоне 560 - 600^oC.

Пример 2. Получение труб из циркониевого сплава Zr-1,0Nb.

Выплавленный слиток подвергали горячей обработке в заготовку на стане винтовой прокатки при температуре существования бэта-циркония, после механической обработки заготовку подвергали горячему прессованию в гильзу, в температурном интервале 580 - 650^oC. Полученную гильзу подвергали холодной закалке при температуре 910 - 940^oC, механической обработке и последующему отпуску при температуре 560 - 580^oC. Отпущенную заготовку подвергали шестистадийной холодной деформации с промежуточными термообработками до получения труб готового размера с суммарной вытяжкой μ_Σ=313, с вытяжкой на первой стадии прокатки μ=1,9. Промежуточные и окончательную термообработки труб вели в температурном диапазоне 560 - 600^oC.

Пример 3. Получение трубных полуфабрикатов типа SUPER-TREX из циркониевого сплава Zr-1,0Nb-1,5Sn-0,4Fe.

Выплавленный слиток подвергали горячей обработке в заготовку на стане винтовой прокатки при температуре существования бэта-циркония. Заготовку после механической обработки подвергали горячему прессованию в гильзу в температурном интервале 600 - 650^oC. Полученную гильзу подвергали термообработке-закалке при температуре 920 - 960^oC, механической обработке и последующему отпуску при температуре 560 - 600^oC. Отпущенную заготовку подвергали холодной деформации на стане холодной прокатки труб за две стадии до получения трубного полуфабриката готового размера с суммарной вытяжкой μ_Σ=20, с вытяжкой на первой стадии прокатки μ=1,75. Промежуточную и окончательную термообработку полуфабрикатов вели в температурном диапазоне 540 - 600^oC.

Пример 4. Получение труб из циркониевого сплава Zr-1,0Nb-1,5Sn-0,4Fe.

Выплавленный слиток подвергали горячей обработке в заготовку на стане винтовой прокатки при температуре существования бэта-циркония, после механической обработки заготовку подвергали горячему прессованию в гильзу в температурном интервале 650 - 750^oC. Полученную гильзу подвергали закалке при температуре 920 - 960^oC, механической обработке и последующему отпуску при температуре 580 - 600^oC. Отпущенную заготовку подвергали пятистадийной холодной деформации с промежуточными термообработками до получения труб готового размера с суммарной вытяжкой μ_Σ=165, с вытяжкой на первой стадии прокатки μ=1,75. Промежуточные и окончательную термообработки труб вели в температурном диапазоне 540 - 580^oC.

В табл. 1 приведены режимы операций термообработки полуфабрикатов из циркониевых сплавов по известному (прототипу) и заявляемому способам.

В табл. 2 приведены свойства изделий, полученных способами, описанными в примерах 1 - 4, и для сравнения свойства изделий из примеров прототипа.

Кроме того, свойства изделий, полученных способами, описанными в примерах 1 - 4, проиллюстрированы на фиг. 1, 2, 3 /
На фиг. 1 представлена макроструктура труб из сплава Zr-1,0Nb-1,5Sn-0,4Fe после операций закалки и отпуска по заявляемому способу; на фиг. 2 - макроструктура труб, полученных по заявляемому способу из сплавов Zr-1,0Nb-1,5Sn-0,4Fe и Zr-1,0Nb после первой прокатки; на фиг. 3 - микроструктура труб из сплава Zr-1,0Nb после операций прессования, закалки, механической обработки и отпуска, полученных по заявляемому способу, в сравнении с микроструктурой прессованных труб, полученных существующим способом.

Из приведенных примеров получения труб по заявляемому способу и примеров получения аналогичных изделий по прототипу видно, что заявляемый способ обеспечивает получение изделий из многокомпонентных сплавов без разрушений и более высокого качества. Кроме того, по заявляемому способу в отличие от прототипа действительно возможно получать изделия из различных циркониевых сплавов, от бинарных до многокомпонентных. Данный способ распространим и на большую номенклатуру изделий, чем существующий, что наглядно доказывается полученными значениями суммарной вытяжки при холодной прокатке труб, до 313 по заявляемому способу и менее 50 по существующему.

Источники информации.

1. Патент РФ N 2037555, кл. C 22 F 1/18, 1995.

2. Патент США N 4649023, кл. C 22 C 16/00, 1987.

3. Патент РФ N 2032760, кл. C 22 F 1/18, 1995.

4. З. А. Кофф, П. М. Соловейчик, В.А. Алешин, М.И. Гришпун. Холодная прокатка труб. Металлургиздат. Свердловск, 1962.

5. E.Ross Bradley and George P. Sabol, editors. Zirconium in the Nuclear Indastry: Eleventh International Symposium ASTM Publication Code Number (PCN): 04-012950-04 ASTM 100 Barr Harbor Drive West Conshohocken, PA 19428-2959
6. И. Л. Перлин, Л.Х. Райтбарг. Теория прессования металлов. М.: Металлургия, 1975.

7. Патент США N 5437747, кл. C 22 F 1/18, 1995.

8. Г. В. Филимонов, О.А. Никишов. Прокатка циркониевых труб. М.: Металлургия, 1988.

Изобретение относится к изготовлению труб и трубных полуфабрикатов из циркониевых бинарных, а также многокомпонентных сплавов. Задачей изобретения является получение однородной структуры трубных изделий, устранение в процессе обработки дефектов и повышение физико-механических - свойств сплавов. Способ включает изготовление слитка, его предварительную бэта-деформационную обработку до получения исходной заготовки, получение трубной заготовки путем горячего формования исходной заготовки при температуре существования альфа-циркония, холодное деформирование трубной заготовки с промежуточными отжигами при температуре существования альфа-циркония с суммарной вытяжкой: μ_Σ > 100 - для готовых изделий и μ_Σ < 50 - для трубных полуфабрикатов типа TREX или SUPER ТRЕХ, причем на первой стадии холодной деформации вытяжка μ < 2,0, после чего осуществляют окончательный отжиг при температуре альфа-циркония, где μ = S_заг / S_тр (S_заг - площадь поперечного сечения заготовки под прокатку, S_тр - площадь поперечного сечения прокатанной трубы), а μ_Σ= S_{нач.заг}/ S_гот.тр (S_{нач.заг} - площадь поперечного сечения заготовки под первую прокатку, S_гот.тр - площадь поперечного сечения готовой трубы после последнего проката) и доводку заготовки до готового изделия. По второму варианту способа после горячего формования дополнительно осуществляют закалку трубной заготовки при регламентируемых температурах, механическую обработку и отпуск. Способ позволяет повысить качество изделий путем создания условий деформации без нарушения сплошности материала циркониевых изделий, а также улучшить технико-экономические показатели их производства за счет увеличения размеров исходных заготовок и улучшения качества трубных полуфабрикатов. 2 с.п.ф-лы, 2 табл., 3 ил.

1. Способ изготовления трубных изделий из бинарных циркониевых сплавов, включающий получение исходной заготовки, получение трубной заготовки путем горячего формирования исходной заготовки при температуре существования альфа-циркония, холодную прокатку трубной заготовки с промежуточными и окончательным отжигом при температуре существования альфа-циркония, отличающийся тем, что исходную заготовку получают путем бэта-деформационной обработки выплавленного слитка, холодную прокатку ведут с суммарной вытяжной μ_Σ> 100 - для готовых изделий и μ_Σ< 50 - для трубных полуфабрикатов типа TREX или SUPER TREX, причем на первой стадии прокатки вытяжки μ < 2,0, где μ = S_заг / S_тр (S_заг - площадь поперечного сечения заготовки под прокатку, S_тр - площадь поперечного сечения прокатанной трубы), а μ_Σ= S_{нач.заг} / S_гот.тр (S_{нач.заг} - площадь поперечного сечения заготовки под первую прокатку, S_гот.тр - площадь поперечного сечения готовой трубы после последнего проката). 2. Способ изготовления трубных изделий из многокомпонентных или бинарных циркониевых сплавов, включающий получение исходной заготовки, получение трубной заготовки путем горячего формования исходной заготовки, холодную прокатку трубной заготовки с промежуточными отжигами при температуре существования альфа-циркония, отличающийся тем, что исходную заготовку получают путем бэта-деформационной обработки выплавленного слитка, горячее формование проводят при температуре существования альфа- или (альфа + бэта)-циркония, после горячего формования проводят закалку трубной заготовки при температуре, на 30 - 60^oC превышающей температуру точки перехода сплава из промежуточной (альфа + бэта)-области в бэта-область циркония, механическую обработку и последующий отпуск закаленной заготовки при температуре существования альфа-циркония, а холодную прокатку труб ведут с суммарной вытяжкой: μ_Σ> 100 - для готовых изделий и μ_Σ< 50 - для трубных полуфабрикатов типа TREX или SUPER TREX, причем на первой стадии холодной прокатки вытяжка μ < 2,0, где μ = S_заг / S_тр (S_заг - площадь поперечного сечения заготовки под прокатку, S_тр - площадь поперечного сечения прокатанной трубы), а μ_Σ= S_{нач.заг} / S_гот.тр (S_{нач.заг} - площадь поперечного сечения заготовки под первую прокатку, S_гот.тр - площадь поперечного сечения готовой трубы после последнего проката).