СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ЦИРКОНИЙ-НИОБИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2004 года по МПК B21C23/08 B21J5/00 C21D8/10 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности, к способу получения трубных заготовок для многостадийной холодной прокатки трубных конструкционных элементов активной зоны атомных реакторов.

К трубам из циркониевых сплавов, используемым в качестве конструкционных элементов активной зоны атомных реакторов, предъявляются высокие требования по сплошности, геометрическим размерам и механическим свойствам.

Выполнение предъявляемых требований зависит от проработки литой структуры и залечивания пор металлургического происхождения, технологичности сплава при холодной прокатке и в значительной степени определяется температурно-деформационными параметрами на стадии формирования слитка в пруток.

Известен способ получения трубных заготовок из сплавов Циркалой-2 и Циркалой-4, регламентирующий температурно-деформационные параметры на стадии обработки слитка в пруток [FR 2584097, С 22 F1/18, С 22 С 16/00, G 21 С 3/08, 02.01.87].

Данный способ относится к сплавам Циркалой-2 и Циркалой-4, которые, вследствие особенностей химического состава, обладают высокой температурной областью существования α-циркония, что позволяет проводить деформационную обработку полуфабрикатов при температурах до 790°С с достаточными для промышленной применимости величинами деформации на стадии обработки слитка в пруток. Для цирконий-ниобиевых сплавов область существования α-циркония является низкотемпературной и ограничивается температурными значениями 590-650°С. Низкие температурные значения, ограничивающие область существования α-циркония для цирконий-ниобиевых сплавов, ограничивают и возможность ее промышленного применения для деформационной обработки. В низкотемпературной α-области происходит снижение диффузионной подвижности атомов, затормаживание процессов динамической рекристаллизации, увеличение плотности дислокации, сопротивления пластической деформации и интенсивное упрочнение цирконий-ниобиевых сплавов.

Известен способ, включающий формоизменение слитков ковкой, когда цирконий находится в α+β- или β-фазе, термическую обработку, механическую обработку, высверливание центрального отверстия и прессование трубных заготовок [А.С.Займовский, А.В.Никулина, Н.Г.Решетников. Циркониевые сплавы в атомной энергетике. - М.: Энергоиздат, 1981, с.59-63]. Данный способ выбран авторами за прототип. К недостаткам данного способа относится отсутствие регламентации деформационных параметров обработки, без чего не может быть достигнуто решение задач предлагаемого способа.

Предлагаемый способ решает задачи проработки литой структуры и залечивания пор металлургического происхождения при минимизации удельной доли потерь на стадии механической обработки заготовок для прессования и высоких технико-экономических показателях производства трубных заготовок из цирконий-ниобиевых сплавов.

При проведении промышленных испытаний установлено, что с увеличением площади поперечного сечения (уменьшением коэффициента вытяжки) горячедеформированных прутков уменьшается доля потерь, приходящаяся на удаление механической обработкой некондиционного газонасыщенного поверхностного слоя, образующегося при горячем формоизменении слитка по отношению к исходной площади поперечного сечения прутков. Кроме того, с уменьшением деформации, уменьшается температурно-временной диапазон горячей обработки, что при высокой активности цирконий-ниобиевых сплавов, позволяет уменьшить насыщение сплавов газовыми составляющими атмосферы (N, Н, О) и уменьшить последующие потери, приходящиеся на удаление некондиционного слоя. При этом деформация с коэффициентами вытяжки менее 8,5 не обеспечивает достаточной проработки исходной литой структуры слитков и залечивание пор металлургического происхождения.

С уменьшением площади поперечного сечения (увеличением коэффициента вытяжки) горячедеформированных прутков увеличивается проработка литой структуры и залечивание пор металлургического происхождения.

Деформация слитков с коэффициентами вытяжки более 13,5 экономически нецелесообразна, так как, при достаточной проработке структуры, приводит к увеличенным потерям переводимого в стружку металла.

Решение поставленной задачи заключается в оптимизации деформационных параметров обработки, обеспечивающих при минимальных потерях достаточность проработки литой структуры, залечивание пор металлургического происхождения и высокую технологичность цирконий-ниобиевых сплавов при последующей обработке. Это достигается тем, что в известном способе изготовления заготовок из циркониевых сплавов, включающем деформацию слитка в пруток в области существования β- и α+β-циркония, термическую обработку, механическую обработку, высверливание центрального отверстия и прессование трубных заготовок, формоизменяющую обработку слитка из цирконий-ниобиевых сплавов в пруток проводят с коэффициентом уменьшения площади поперечного сечения μ=8,5-13,5.

К общим признакам предлагаемого способа и прототипа относится формоизменение слитка в пруток в температурном диапазоне существования β- и α+β-циркония с последующей термической обработкой, механической обработкой, высверливанием центрального отверстия и прессованием трубных заготовок.

К отличительным признакам предлагаемого способа и прототипа относится проведение операции формоизменения слитка в пруток с коэффициентом уменьшения площади поперечного сечения μ=8,5-13,5.

Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить технико-экономические показатели производства и качество заготовок из цирконий-ниобиевых сплавов путем оптимизации температурно-деформационных параметров обработки, при которых уменьшается насыщение сплавов газовыми составляющими атмосферы (N, Н, О) и удельная доля потерь, приходящаяся на удаление механической обработкой некондиционного газонасыщенного слоя, по отношению к исходной площади поперечного сечения прутков.

При анализе патентной и научно-технической информации способов получения трубных заготовок из цирконий-ниобиевых сплавов, обладающих совокупностью всех существенных признаков заявляемого технического решения, не установлено.

Пример осуществления способа.

Предлагаемый способ проверен при изготовлении оболочечных труб из сплава Цирконий - 1 мас.% ниобия и реализован следующим образом.

Ковку слитка из сплава Цирконий - 1 мас.% ниобия проводили в β-области (в диапазоне 860-980°С) в квадрат 154×154 мм, затем в α+β-области (в диапазоне 700-850°С) через восьмигранник вкруг ⊘154 мм. Коэффициент уменьшения площади поперечного сечения составил μ=8,5. После термической обработки и резки на части, кратные длине заготовки, проводили механическую обработку наружной поверхности, с целью удаления некондиционного слоя, и высверливание центрального отверстия.

Прессование заготовок проводили после нагрева до 630-670°С с коэффициентом уменьшения площади поперечного сечения μ=11,0.

Сравнительный анализ проводили в отношении характеристик технологичности и выхода годного полуфабрикатов базовой технологии изготовления оболочечных труб из сплава Цирконий - 1 мас.% ниобия, существующей на ОАО ЧМЗ, которая по всем признакам совпадает со способом прототипом.

Технологичность оценивали по параметрам горячепрессованных труб, характеризующим последующую пластичность, или способность сплава к холодной прокатке без разрушения сплошности, а именно, по результатам испытаний на растяжение ГОСТ 1497-84 и на ударный изгиб ГОСТ 9454-78.

Результаты сравнительного анализа механических свойств трубных заготовок, изготовленных по предлагаемому способу и базовому способу (прототипу), приведены в таблице.

Горячедеформированные полуфабрикаты, изготовленные предлагаемым способом, характеризуются более высокими значениями относительного удлинения и ударной вязкости, а следовательно, и большей технологичностью при последующей холодной прокатке, по сравнению с аналогичными параметрами сплава базовой технологии (прототипа).

При изготовлении трубных заготовок из цирконий-ниобиевых сплавов по предлагаемому способу по сравнению с прототипом выход годной продукции увеличивается на 6-8%.

Увеличение характеристик технологичности горячедеформированных полуфабрикатов позволяет в 1,4-1,5 раза увеличить величину деформации холодной прокаткой.

В настоящее время на предприятии ОАО ЧМЗ проходят опытно-промышленные испытания по изготовлению изделий и полуфабрикатов из цирконий-ниобиевых сплавов с использованием предлагаемого способа.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при получении трубных заготовок для многостадийной холодной прокатки трубных конструкционных элементов активной зоны атомных реакторов. Производят формоизменение слитка в пруток в области существования β- и α+β-циркония с коэффициентом уменьшения площади поперечного сечения исходного слитка в пределах 8,5-13,5. После термической обработки и последующей механической обработки полученного прутка в нем высверливают центральное отверстие. Затем посредством прессования получают трубную заготовку. В результате обеспечивается проработка литой структуры и залечивание пор металлургического происхождения при минимальных потерях на стадии механической обработки заготовок. 1 табл.

Способ получения трубных заготовок из цирконий-ниобиевых сплавов, включающий формоизменение слитка в пруток в области существования β- и α+β-циркония, термическую обработку, механическую обработку, высверливание центрального отверстия и прессование трубных заготовок, отличающийся тем, что формоизменение слитка в пруток проводят с коэффициентом уменьшения площади поперечного сечения исходного слитка в пределах 8,5-13,5.