Способ изготовления прутков и проволоки из гафния Российский патент 2021 года по МПК C22F1/18 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам изготовления горячедеформированных прутков из гафния и холоднодеформированной проволоки из гафния, используемых в атомной технике, в металлургии для легирования металлов и сплавов, в электронике, в аппаратах для плазменной резки и сварки, и других областях промышленности.

Металлический гафний поддается обработке давлением, в частности ковке, прокатке, выдавливанию, волочению, а также прочим видам обработки (обработка резанием, термоообработка, кислотное травление) применяемым к другим металлам IVa подгруппы - цирконию и титану. Однако, несмотря на некоторые сходства химических свойств указанных элементов, гафний в отличие от циркония и титана имеет меньшую пластичность и большее сопротивление деформации как при нормальной, так и повышенной температурах. Это обуславливает использование более высоких температур нагрева перед обработкой давлением: в среднем на 200-300°C выше, чем для циркония (Металлургия гафния / Под ред. Д.Е. Томас, Е.Т. Хейс. М.: Металлургия, 1967, с. 145-157). Кроме того, ввиду высокой абсорбционной активности гафния по отношению к газам при повышенных температурах, нагревы без защитной среды приводят к насыщению металла кислородом, азотом и водородом, что снижает пластические характеристики и может быть причиной поверхностных дефектов (трещин, разрывов). Поэтому нагревы перед деформациями рекомендуется выполнять в среде инертных газов, в хлоридных соляных ваннах или в защитном чехле. Первоначальную деформацию слитков гафния диаметром 100-120 мм выполняют ковкой на гидравлических прессах или молотах. Температура нагрева перед ковкой может варьироваться от 955 до 1093°C, но не должна быть ниже 843°C. При этом на температуру горячей обработки, величину разовых деформаций и другие параметры ковки существенно влияет чистота исходного сырья, наличие в нем примесей, способ выплавки слитка и качество его поверхности. Кованую заготовку квадратного сечения со стороной 38 мм нагревают до температур 982°C после чего прокатывают на стане продольной сортовой прокатки через промежуточный овал в пруток диаметром 7,9 мм. Прокатанный пруток диаметром 7,9 мм подвергают пескоструйной очистке и травлению, после чего на него наносят электролитическую медь и три слоя обожженной извести, которые выполняют функцию смазки при волочении. Волочение выполняют с деформациями за проход от 10 до 20% и суммарной деформацией 35%, после чего проволоку отжигают при температуре 760°C в течение 10 минут.

Для реализации вышеизложенного способа необходимо использовать специальное термическое оборудование (элементы защитного чехла, сборки композитной заготовки с гафниевым сердечником, оборудование для удаления защитной оболочки на готовом размере) необходимое для осуществления нагревов в среде защитных газов или соляных расплавах, а так же других дополнительных операциях, что в свою очередь требует дополнительных затрат. Кроме того, использование при первоначальной деформации исходного слитка небольшого диаметра (100-120 мм) не позволит в полной мере измельчить зерно, проработать структуру и получить необходимый уровень механических свойств.

Известно о способе изготовления проволоки диаметром 2,5 мм из гафния марки ГФЭ-1 (Р.В. Ажажа, К.В. Ковтун, А.А. Васильев и др. Исследование структуры и свойств проволоки из гафния // Металлофизика новейшие технологии. 2013, т.35, № 5, с. 677-682), включающем ковку слитка диаметром 80 мм при температуре 1100°C, последующую сортовую прокатку при температуре 870°C в пруток диаметром 10 мм и волочение через фильеры при температуре 750°C до готового размера в атмосфере аргона.

Недостатками является небольшой диаметр исходного слитка, деформация которого не позволит в полной мере измельчить зерно, проработать структуру и получить необходимый уровень механических свойств, а также необходимость использования специализированного оборудования для создания аргоновой атмосферы при волочении.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является описание способа изготовления проволоки диаметром 1 мм из слитка диаметром 150 мм гафния марки ГФЭ-1 (В.С. Оковит, Л.А. Чиркина, Я.Д. Стародубов и др. Диссипативные и механические свойства гафния в интервале температур 70…950 К // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники». 2004. №6, с. 34-38). Из представленного описания следует, что слиток протачивали до диаметром 90 мм, после чего ковали при температуре 1000°C в пруток диаметром 30 мм. Полученный пруток зачехловывали в сталь 3 и выдавливали при температуре 1000°C в пруток диаметром 10 мм. Волочение до готового размера проводили при температуре 700-750°C.

Рассмотренный известный способ изготовления проволоки, выбранный в качестве прототипа, обладает рядом недостатков, ограничивающих его эффективное использование. Следствием проведения обточки слитка с диаметра 150 мм до диаметра 90 мм являются высокие потери металла, а последующая деформация исходной заготовки под ковку диаметром 90 мм, не позволит в необходимой мере измельчить зерно, проработать структуру и получить необходимый уровень механических свойств при изготовлении прутков и проволоки большого диаметра, например 10, 15, 20 мм и более. Другой недостаток известного способа заключается в том, что свободная ковка прутков диаметром менее 100 мм приводит к интенсивному захолаживанию поверхности металла, высокой вероятности образования поверхностных дефектов, необходимости небольших разовых деформаций и частых подогревов при ковке, что, в свою очередь, снижает производительность и повышает газонасыщение металла. Кроме того, требуются дополнительные затраты на изготовление стального чехла для заготовки под выдавливание, операции по заключению заготовки в чехол и по удалению чехла с готового изделия. К недостаткам так же относится и тот факт, что при многократной горячей обработке заготовки возможно взаимопроникновение материалов чехла и сердечника, диффузия атомов и образование химических соединений на границе контакта.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в получении горячедеформированных прутков и холоднодеформированной проволоки из гафния с высоким качеством поверхности, без дефектов, с хорошо проработанной мелкозернистой структурой, высоким уровнем механических свойств.

Техническим результатом, обеспечивающим решение поставленной задачи, является выполнение значительной деформации, накопленной со слитка, а также оптимально подобранным режимам деформации и отжига. Высокое качество поверхности и точность размеров изготавливаемых изделий достигается удалением поверхностного некондиционного слоя, а так же исключение вспомогательных операций, не требующих дополнительных затрат, таких как, изготовление стального чехла для заготовки под выдавливание, операции по заключению заготовки в чехол и по удалению чехла с готового изделия.

Технический результат изготовления горячедеформированных прутков из гафния или сплавов на его основе достигается тем, что способ, включает ковку слитков в поковки, разрезание поковок на мерные заготовки, отличающийся тем, что осуществляют нагрев слитков диаметром не менее 140 мм до температуры не ниже 900°C и их ковку с суммарным коэффициентом вытяжки от 4 до 10, с поверхности разрезанных мерных заготовок удаляют поверхностный некондиционный слой, проводят нагрев заготовок до температуры от 800 до 1000°C и горячее выдавливание заготовок в прутки предготового или готового размера с коэффициентом вытяжки от 5 до 20 и последующее удаление с поверхности прутка поверхностного некондиционного слоя.

Допускается в частных случаях после горячего выдавливания заготовок в прутки предготового размера выполнять горячую деформацию радиальной ковкой или прокаткой в стане продольной прокатки при температурах от 700 до 1000°C с коэффициентом вытяжки от 4 до 34.

Допускается после удаления с поверхности прутков поверхностного некондиционного слоя выполнять отжиг с нагревом до температуры от 700 до 1000°C

Технический результат изготовления холоднодеформированной проволоки из гафния, включающий изготовление горячедеформированных прутков предложенным способом с последующим выполнением холодной деформации прутков прокаткой или волочением с промежуточными отжигами и с коэффициентами вытяжки между отжигами от 1,05 до 4,5 и финишным отжигом при температурах от 700 до 1000°C.

В частном случае на прутках и проволоке с готовым размером выполнять отделочные операций: правку, смотку в бухту, химическую очистку, химическое травление, удаление поверхностного некондиционного слоя, подрезку торцев, резку в мерную длину.

Допускается нагревы перед ковкой, выдавливанием и для выполнения отжига проводить нагрев в печах сопротивления или индукционным методом. Отжиги могут выполняться как в вакууме или защитной атмосфере, так и на воздухе с последующим удалением окалины и газонасыщенных слоев.

Удаление поверхностного некондиционного слоя проводят по меньшей мере резцом на токарном станке, шлифованием лентами или кругами, абразивной струей, электроэрозией, химическим воздействием.

Реализация способов изготовления горячедеформированных прутков и холоднодеформированной проволоки из гафния по прототипу и предложенными способами:

Пример 1. Изготовление проволоки диаметром 8,0 мм по прототипу.

Для реализации способа, предложенного в прототипе, использовали слиток диаметром 150 мм гафния марки ГФЭ-1, который протачивали до диаметра 90 мм, после чего ковали при температуре 1000°C в пруток диаметром 30 мм. От полученного прутка отрезали мерную заготовку, которую помещали в чехол с толщиной стенки 2,5 мм из стали 3 и выдавливали при температуре 1000°C в пруток диаметром 10 мм. Волочение проводили при температуре 740°C до диаметра 8,9 мм, после чего стальной чехол стравливали, а проволоку отжигали в вакууме при температуре 850°C в течение 60 минут.

Результаты исследования структуры, механических свойств и качества поверхности полученной проволоки диаметром 8,0 мм приведены в таблицах 1, 2, 3 и на фиг. 1.

Пример 2. Изготовление горячедеформированного прутка диаметром 24,0 мм.

Для изготовления использовали слиток гафния марки ГФЭ-1 диаметром 320 мм, который нагревали в печи сопротивления без защитной атмосферы до температуры 1060°C и ковали за несколько подогревов на ковочном прессе и молоте в поковку диаметром 115 мм с суммарным коэффициентом вытяжки 7,5. После чего поковку разрезали на заготовки мерной длины и обтачивали до полного удаления поверхностного некондиционного слоя в диаметр 107 мм. Нагрев заготовок перед выдавливанием проводили в печи сопротивления без защитной атмосферы с температурой 960°C Выдавливание проводили на гидравлическом прессе в пруток диаметром 26 мм с коэффициентом вытяжки 17,0. Выдавленный пруток обтачивали до полного удаления поверхностного некондиционного слоя в диаметр 24 мм.

На готовом размере выполнили химическую очистку в обезжиривающем растворе, химическое травление и вакуумный отжиг при температуре 850°C.

Результаты исследования структуры, механических свойств и качества поверхности полученного прутка приведены в таблицах 1, 2, 3 и на фиг. 2.

Пример 3. Изготовление горячедеформированного прутка диаметром 5,5 мм.

Схема изготовления прутков от слитка до прутка диаметром 24 мм аналогична приведенной в примере 2. Пруток диаметром 24 мм разрезали на мерные заготовки, нагрели в печи сопротивления без защитной атмосферы при температуре 900°C, прокатали на многоклетьевом непрерывном стане с коэффициентом вытяжки 16,0 в диаметр 6,5 мм и обточили в готовый размер диаметром 5,5 мм. После обточки выполнили химическую очистку в обезжиривающем растворе. Результаты исследования структуры, механических свойств и качества поверхности полученного прутка диаметром 5,5 мм приведены в таблицах 1, 2, 3 и на фиг. 3.

Пример 4. Изготовление холоднодеформированного прутка диаметром 12,0 мм.

Схема изготовления от слитка до прутка диаметром 24 мм аналогична приведенной в примере 2. Отожженный пруток диаметром 24 мм прокатывали на стане типа ХПТ без нагрева в диаметр 12 мм с коэффициентом вытяжки 4,0. На готовом размере диаметром 12 мм выполнили химическую очистку в обезжиривающем растворе, химическое травление и вакуумный отжиг при температуре 850°C.

Результаты исследования структуры, механических свойств и качества поверхности полученного прутка приведены в таблицах 1, 2, 3 и на фиг. 4.

Пример 5. Изготовление холоднодеформированной проволоки диаметром 7,0 мм.

Схема изготовления от слитка до прутков диаметром 12 мм аналогична приведенной в примере 4. Отожженный пруток диаметром 12 мм волочили на роликовых кассетах без нагрева с промежуточными отжигами в вакууме при температуре 850°C и коэффициентами вытяжки между отжигами от 1,24 до 1,39 в размер 7,0 мм. На конечном размере выполнили химическую очистку в обезжиривающем растворе и отжиг в вакууме при температуре 850°C.

Результаты исследования структуры и качества поверхности полученной проволоки диаметром 7,0 мм приведены в таблицах 1, 2, 3 и на фиг. 5.

Пример 6. Изготовление холоднодеформированной проволоки диаметром 4,0 мм.

Схема изготовления прутков от слитка до прутка диаметром 5,5 мм аналогична приведенной в примере 3. Пруток диаметром 5,5 мм волочили на роликовых кассетах без нагрева с промежуточным отжигом при температуре 710°C и коэффициентом вытяжки между отжигами от 1,21 до 1,56. На конечном размере выполнили химическую очистку в обезжиривающем растворе и отжиг в вакууме при температуре 850°C.

Результаты исследования структуры, механических свойств и качества поверхности полученной проволоки диаметром 4,0 мм приведены в таблицах 1, 2, 3 и на фиг. 6.

Пример 7. Изготовление проволоки диаметром 1,6 мм.

Схема изготовления от слитка до проволоки диаметром 7,0 мм аналогична приведенной в примере 5. Отожженную проволоку диаметром 7,0 мм волочили на роликовых кассетах без нагрева с промежуточными и финишным отжигами в вакууме при температуре 850°C и коэффициентами вытяжки между отжигами от 1,56 до 2,25. На конечном размере выполнили химическую очистку в обезжиривающем растворе.

Результаты исследования структуры, механических свойств и качества поверхности полученной проволоки диаметром 1,6 мм приведены в таблицах 1, 2, 3 и на фиг. 7.

Таблица 1 - Результаты исследования микроструктуры гафниевых прутков и проволоки различных диаметров. Состояние отожженное. Поперечное сечение изделий.

Диаметр прутка/проволоки Средний размер зерна, мкм Микроструктура 8,0 (прототип) 69 Фиг. 1 24,0 28 Фиг. 2 5,5 9 Фиг. 3 12,0 16 Фиг. 4 7,0 23 Фиг. 5 4,0 10 Фиг. 6 1,6 16 Фиг. 7

Таблица 2 - Механические свойства гафниевых прутков и проволоки различных диаметров.

Диаметр прутка/проволоки, мм Состояние материала/температура отжига Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение на базе 50,% сужение, % 8,0
(прототип)
горячедеформированное Без отжига 589
560 402
453 14,8
16,0 30,2
41,4 Отжиг при 850°C 556
534 398
376 15,6
17,2 30,8
34,1 24,0
горячедеформированное Без отжига 557
555 386
384 27,4
26,1 39,3
39,0 Отжиг при 850°С 544
538 368
364 31,3
29,7 47,9
45,5 5,5
горячедеформированное Без отжига 712
694 481
468 26,0
27,9 45,3
44,7 Отжиг при 850 °С 553
560 355
360 22,7
25,0 32,9
36,0 12,0
холоднодеформированное Без отжига 953
958 885
891 5,0
4,7 17,6
17,3 850°C 593
600 392
395 23,7
24,1 37,8
36,1 7,0
холоднодеформированное Без отжига 934
908 732
758 6,8
5,6 19,2
18,4 Отжиг при 850°C 617
606 355
348 27,5
28,2 46,2
41,9 4,0
холоднодеформированное Без отжига 1030
1012 893
879 3,9
4,3 25,0
23,9 Отжиг при 850°C 574
587 343
355 23,0
24,1 43,8
45,0 1,6
холоднодеформированное Без отжига 998
979 815
804 4,8
5,6 17,2
18,8 Отжиг при 850°C 542
558 289
319 27,3
27,4 - Требования ASTM B 737
для отожженного состояния, не менее 400 150 22 -

Таблица 3 - Состояние поверхности гафниевых прутков и проволоки

Диаметр прутка/ проволоки, мм Наличие дефектов поверхности Последняя формообразующая операция Шероховатость Ra, мкм Максимальное отклонение от номинального размера, мм 8,0 (прототип) есть волочение, травление 12,5 ± 0,40 24,0 нет Обточка 1,2 ± 0,11 12,0 холодная прокатка 0,8 ± 0,07 7,0 волочение 0,8 - 0,07 5,5 обточка 0,8 ± 0,05 4,0 волочение 0,8 - 0,05 1,6 волочение 0,8 - 0,05 Требования ASTM B 737-10 Состояние поверхности:
- прутки - с механически удаленной окалиной и травлением, отшлифованные и травленые,
- проволока - с удаленными поверхностными дефектами и травленая - не более ±0,05 для диаметром 4,8 мм и менее,
не более ±0,08 для диаметром от 4,8 до 16 мм,
не более ±0,10 для диаметром от 16 до 19 мм,
не более ±0,13 для диаметром от 19 до 25 мм.

По результатам сравнительного анализа проволока диаметром 8,0 мм, изготовленная по прототипу, обладает слабо проработанной структурой с величиной зерна, в несколько раз превышающей величину зерна изделий, изготовленных по предлагаемому способу.

При сравнительном анализе изделий, изготовленных согласно примерам 1-7, на соответствие требованиям ASTM B 737 в части механических свойств и состояния поверхности изделий получили, проволока диаметром 8,0 мм, изготовленная по прототипу, не соответствует требованиям ASTM B 737 по относительному удлинению и наличию поверхностных дефектов на изделии. Прутки и проволоки, изготовленные по предлагаемому способу, отвечают вышеуказанным требованиям по механическим свойствам и состоянию поверхности.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам изготовления горяче- и холоднодеформированного изделий из гафния, используемых в атомной технике, в электронике, в аппаратах для плазменной резки и сварки. Способ изготовления горячедеформированных прутков из гафния включает нагрев слитков диаметром не менее 140 мм до температуры не ниже 900°C и их ковку с суммарным коэффициентом вытяжки от 4 до 10, ковку слитков в поковки, разрезание поковок на мерные заготовки, удаление с поверхности разрезанных мерных заготовок поверхностного некондиционного слоя, нагрев заготовок до температуры от 800 до 1000°C и горячее выдавливание заготовок в прутки предготового или готового размера с коэффициентом вытяжки от 5 до 20 и последующее удаление с поверхности прутка поверхностного некондиционного слоя. Способ изготовления холоднодеформированной проволоки из гафния включает изготовление прутков, выполнение холодной деформации прутков прокаткой или волочением с промежуточными отжигами и с коэффициентами вытяжки между отжигами от 1,05 до 4,5 и финишным отжигом при температурах от 700 до 1000°C. Обеспечивается высокое качество поверхности и точность размеров изготавливаемых изделий. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл., 7 пр.

1. Способ изготовления горячедеформированных прутков из гафния, включающий ковку слитков в поковки, разрезание поковок на мерные заготовки, отличающийся тем, что осуществляют нагрев слитков диаметром не менее 140 мм до температуры не ниже 900°C и их ковку с суммарным коэффициентом вытяжки от 4 до 10, с поверхности разрезанных мерных заготовок удаляют поверхностный некондиционный слой, проводят нагрев заготовок до температуры от 800 до 1000°C и горячее выдавливание заготовок в прутки предготового или готового размера с коэффициентом вытяжки от 5 до 20 и последующее удаление с поверхности прутка поверхностного некондиционного слоя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после горячего выдавливания заготовок в прутки предготового размера выполняют горячую деформацию радиальной ковкой или прокаткой в стане продольной прокатки при температуре от 700 до 1000°C с коэффициентами вытяжки от 4 до 34.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что после удаления с поверхности прутков поверхностного некондиционного слоя выполняют отжиг с нагревом до температуры от 700 до 1000°C.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что прутки готового размера подвергают отделочным операциям.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве отделочных операций выполняют правку, смотку в бухту, химическую очистку, химическое травление, подрезку торцов или резку в мерную длину.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что отжиг прутков выполняют в вакууме или защитной атмосфере.

7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что отжиг прутков выполняют на воздухе с последующим удалением окалины и газонасыщенного слоя.

8. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что перед ковкой, выдавливанием и для выполнения отжига проводят нагрев в печах сопротивления или индукционным методом.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что удаление с поверхности прутков поверхностного некондиционного слоя проводят по меньшей мере резцом на токарном станке, шлифованием лентами или кругами, абразивной струей, электроэрозионным методом или химическим воздействием.

10. Способ изготовления холоднодеформированной проволоки из гафния, включающий изготовление прутков способом по любому из пп. 1-9, выполнение холодной деформации прутков прокаткой или волочением с промежуточными отжигами и с коэффициентами вытяжки между отжигами от 1,05 до 4,5 и финишным отжигом при температуре от 700 до 1000°C.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что полученную проволоку подвергают отделочным операциям.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что в качестве отделочных операций выполняют правку, смотку в бухту, химическую очистку, химическое травление, подрезку торцов или резку в мерную длину.

13. Способ по п. 10, отличающийся тем, что отжиг проволоки выполняют в вакууме или защитной атмосфере.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что отжиг проволоки выполняют на воздухе с последующим удалением окалины и газонасыщенного слоя.

15. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для выполнения отжига нагревы проводят в печах сопротивления или индукционным методом.

16. Способ по п. 12, отличающийся тем, что удаление поверхностного некондиционного слоя проводят по меньшей мере резцом на токарном станке, шлифованием лентами или кругами, абразивной струей, электроэрозионным методом или химическим воздействием.