Способ изготовления прутков и проволоки из гафния
METHOD OF MAKING RODS AND WIRES FROM HAFNIUM

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
589560
402453
14,816,0
30,241,4
Отжиг при 850°C
556534
398376
15,617,2
30,834,1
24,0горячедеформированное
Без отжига
557555
386384
27,426,1
39,339,0
Отжиг при 850°С
544538
368364
31,329,7
47,945,5
5,5горячедеформированное
Без отжига
712694
481468
26,027,9
45,344,7
Отжиг при 850 °С
553560
355360
22,725,0
32,936,0
12,0холоднодеформированное
Без отжига
953958
885891
5,04,7
17,617,3
850°C
593600
392395
23,724,1
37,836,1
7,0холоднодеформированное
Без отжига
934908
732758
6,85,6
19,218,4
Отжиг при 850°C
617606
355348
27,528,2
46,241,9
4,0холоднодеформированное
Без отжига
10301012
893879
3,94,3
25,023,9
Отжиг при 850°C
574587
343355
23,024,1
43,845,0
1,6холоднодеформированное
Без отжига
998979
815804
4,85,6
17,218,8
Отжиг при 850°C
542558
289319
27,327,4
-
Требования ASTM B 737для 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.