СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ ТРУБ ИЗ ТИТАНА, ЦИРКОНИЯ И ИХ СПЛАВОВ
MOULDING METHOD OF PIPES FROM TITANIUM, ZIRCONIUM AND ITS ALLOYS

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к изготовлению труб методом прессования.
Известен способ получения труб из тугоплавких сплавов, в котором для защиты от окисления во время нагрева и в качестве смазок при горячем прессовании используется оболочка из меди или из мягкой стали (А.С.Займовский, А.В.Никулина, Н.Г.Решетников. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1994, стр.64).
Используемая в способе оболочка представляет собой тонкостенную трубу с крышками или без них, в которую вставляется заготовка, при этом для уменьшения окисления может использоваться дегазация и сварка оболочки в вакууме.
Недостатком данного способа является то, что в нем используется защитная оболочка и заготовка с размерами, обеспечивающими скользящую посадку, при этом изготовление оболочки, сборка, дегазация и сварка оболочки в вакууме являются трудоемкими и технически сложными задачами.
Известен способ получения прессованием из различных дорогостоящих металлов и сплавов, например никелевых или титановых (Н.Ф.Аношкин, М.З.Ерманок. Полуфабрикаты из титановых сплавов. М.: Металлургия, 1979, с.45-46, 256-257). Способ включает изготовление заготовки с двумя глухими центровочными отверстиями, нанесение защитных и смазочных, например эмалевых или битумных покрытий, нагрев до температуры прессования 760° и выше, прошивку и последующее прессование с формированием внутреннего диаметра трубы иглой, передняя часть которой имеет прошивник, обеспечивающий раздачу внутреннего отверстия заготовки до требуемого диаметра, и калибрующие пояски на передней и задней частях иглы, обеспечивающие калибровку внутреннего диаметра трубы в процессе прессования. Недостатком данного способа является то, что используемые стеклоэмали становятся вязкими при высоких температурах, а при низких температурах имеют недостаточно прочное сцепление с прессуемым металлом, и в случае их осыпания в процессе подготовки заготовки к прессованию обнажается защищаемый металл, в результате во время прессования происходит налипание на инструмент. Другим не менее важным недостатком известных битумных и эмалевых покрытий на титановых и циркониевых сплавах является то, что вследствие их высокой химической активности при нагревании происходит взаимодействие металла с компонентами смазки и покрытий - с углеродом, азотом, водородом, кислородом, бором, что приводит к образованию некондиционного газонасыщенного альфированного слоя. По требованиям к изделиям этот слой необходимо удалять. Как правило, это делается механической обработкой - обточкой и расточкой заготовок или шлифовкой или химическим растворением (травлением) после прессования с большими съемами. Например, требование стандарта на горячедеформированные полуфабрикаты из титановых сплавов (ГОСТ 21945-76, п.п.2.3, 2.4) - трубы повышенного качества должны поставляться после обточки и расточки со съемом газонасыщенного слоя не менее 1 мм.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества поверхности прессованных труб и снижение потерь металла при изготовлении изделий.
Для достижения этого технического результата в способе получения труб из титана, циркония и их сплавов, включающем подготовку заготовки с одним сквозным или двумя глухими центрирующими отверстиями, нанесение на наружную и внутреннюю поверхности заготовки защитных покрытий, нанесение на защитное покрытие технологической смазки, нагрев и прессование, защитное покрытие из меди и/или сплавов на ее основе наносят на заготовку комбинированным химическим и электрохимическим способом.
Отличительным признаком предлагаемого способа является использование защитного покрытия из меди и/или сплавов на ее основе (например бронзы БрO14), наносимого комбинированным химическим и электрохимическим способом.
Защитное покрытие из меди и/или сплавов на ее основе, нанесенное на заготовку комбинированным химическим и электрохимическим способом, обладает хорошей адгезией к прессуемому металлу, практически не содержит пор и обеспечивает отсутствие газонасыщения (образования альфированного слоя) при нагреве и последующем прессовании и позволяет благодаря уменьшению налипания на инструмент прессуемого материала обеспечить высокое качество формируемых поверхностей. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить съем некондиционного металла при дальнейшей обработке и обеспечивает, таким образом, снижение потерь металла при изготовлении изделий.
При подготовке заготовки может быть выполнено одно сквозное отверстие диаметром, большим диаметра прессуемой трубы, при этом прессование проводят на конической игле, имеющей на рабочей длине диаметр, равный внутреннему диаметру формируемой трубы, и конусность в пределах допуска на отклонение от заданного размера.
При подготовке заготовки может быть выполнено сквозное центрирующее отверстие диаметром, меньшим внутреннего диаметра прессуемой трубы, при этом прессование проводят совместно с раздачей отверстия посредством иглы, у которой рабочая часть прошивника выполнена конусной или с образующей в виде вогнутой кривой, при формировании внутреннего диаметра трубы на калибрующих поясках иглы.
При подготовке заготовки может быть выполнено два глухих центрирующих отверстия с ее торцов диаметром, меньше диаметра прессуемой трубы, при этом прессование проводят совместно с прошивкой и раздачей отверстия посредством иглы, у которой рабочая часть прошивника выполнена конусной или с образующей в виде вогнутой кривой, при формировании внутреннего диаметра трубы на калибрующих поясках иглы.
При подготовке заготовки может быть выполнено сквозное центрирующее отверстие диаметром, меньшим внутреннего диаметра прессуемой трубы, а прессование проведено в два этапа: сначала раздача отверстия на первой игле, у которой рабочая часть прошивника выполнена конусной или с образующей в виде вогнутой кривой, а затем - формирование внутреннего диаметра трубы на второй конической игле, имеющей на рабочей длине диаметр, равный внутреннему диаметру формируемой трубы, и конусность в пределах допуска на отклонение от заданного размера.
При подготовке заготовки может быть выполнено два глухих центрирующих отверстия диаметром, меньшим внутреннего диаметра прессуемой трубы, а прессование проведено в два этапа: сначала прошивка и раздача отверстия на игле, у которой рабочая часть прошивника выполнена конусной или с образующей в виде вогнутой кривой, а затем - формирование внутреннего диаметра трубы на второй конической игле, имеющей на рабочей длине диаметр, равный внутреннему диаметру формируемой трубы, и конусность в пределах допуска на отклонение от заданного размера.
Способ осуществляется следующим образом.
Пример 1
На все поверхности (наружную, торцевые и внутри отверстий) заготовки из титанового сплава ПТ-7М диаметром 108 мм со сквозным отверстием диаметром 36 мм и длиной 210 мм комбинированным химическим и электрохимическим способом на установке электрохимического меднения МТ3-108 наносят медное покрытие толщиной до 70 мкм.
Нанесение покрытия проводят в следующей последовательности.
1. Химическое меднение заготовок в растворах состава:
4
2
- концентрация медного купороса CuSO·5HO - 130-180 г/л;
- концентрация кислоты плавиковой в пересчете на фтор свободный - 2-19 г/л;
- концентрация поверхностно-активных веществ (ПАВ) марки ОП-10 - 0,1-0,5 г/л;
- концентрация ингибитора (в виде раствора толуолендиамина (ТДА) в этиловом спирте) - 0,01-0,1 г/л;
2. Электрохимическое меднение заготовок под прямым током в растворах состава:
4
2
- концентрация медного купороса CuSO·5HO - 130-180 г/л;
- концентрация кислоты плавиковой в пересчете на фтор свободный - 5-22 г/л;
2
2
- спирт этиловый (CНOH) - 1-2 мл/л,
2
2
при плотности тока по наружному контуру (в пересчете на верхнюю торцевую и наружную боковую поверхности)  - 2-4 А/дм, по внутреннему контуру (в пересчете на внутреннею поверхность)  - 1-2 А/дм.
Величины токов для внутреннего и наружного контуров определяются расчетным путем исходя из размера заготовок и их количества в загрузке (на подвеске).
Процесс формирования медных гальванических покрытий проводится в реверсивном режиме. Длительности импульсов прямой и обратной полярности имели соотношения от 10-1 до 15-1. Адгезия и толщина покрытия определяются при расчехловке контрольных заготовок.
Затем наносят технологическую смазку на основе графита.
Заготовку нагревают в индукционной печи до температуры прессования и подают на вертикальный гидравлический пресс, на котором производят прессование при движении пресс-штемпеля вниз на конической игле, имеющей на рабочей длине диаметр, равный внутреннему диаметру формируемой трубы и конусность в пределах допуска на отклонение от заданного размера.
Способ опробован при изготовлении труб с наружным диаметром 65 мм, толщиной стенки 15 мм и длиной 750 мм (65×15×750 мм). Визуальный контроль поверхности прессованных труб и металлографические исследования обнаруженных единичных дефектов показали, что трубы после прессования не имеют глубоких поверхностных дефектов, а для удаления единичных дефектов - неглубоких продольных рисок и раковин на изделиях повышенного качества (по ГОСТ 22897) - достаточно съема при обточке и расточке 0,5 мм, а на изделиях обычного качества обточку можно не проводить.
Анализ труб на наличие газонасыщенного слоя показал, что его глубина не превышает 60 мкм. Таким образом, съем при механической обработке величиной 0,5 мм в 9 раз превышает величину альфированного слоя. Это позволяет рекомендовать для труб обычного качества заменить механическую обработку резанием травлением и/или шлифовкой.
Пример 2
В двух заготовках диаметром 108 мм и длиной 210 мм из сплава ПТ-7М просверливают два глухих центрирующих отверстия диаметром 20 мм, глубиной 40 мм и в одной заготовке диаметром 108 мм и длиной 210 мм просверливают сквозное центрирующее отверстие диаметром 20 мм. Так же, как в примере 1, на поверхность заготовок комбинированным химическим и электрохимическим способом наносят медное покрытие толщиной до 70 мкм и технологическую смазку на основе графита. После индукционного нагрева заготовку подают на вертикальный гидравлический пресс, на котором производят ее прошивку, раздачу, а затем прессуют с формированием внутреннего диаметра трубы на калибрующих поясках этой же иглы. Используют иглу, в которой рабочая часть прошивника выполнена конусной, с калибрующими поясками на передней и задней частей иглы диаметром 34 мм. Длину иглы, расстояние до заднего калибрующего пояска и его длину рассчитывают в зависимости от длины заготовки.
Анализ поверхности прессованных труб показал, что защитное медное покрытие обеспечило требуемое качество поверхностей, незначительное налипание материала заготовки на иглу наблюдалось только на прошивной части иглы.
Так же, как в примере 1, результаты анализов позволили рекомендовать уменьшить съем при расточке до 0,5 мм, а вместо обточки использовать травление со съемом до 70 мкм.
Пример 3
В заготовках из сплава ВТ 1-0 диаметром 130 мм и длиной 275 мм просверливают сквозное центрирующее отверстие диаметром 20 мм. После нанесения на поверхность заготовок комбинированным химическим и электрохимическим способом медного покрытия, технологической смазки на основе графита, индукционного нагрева, как описано в примере 1, заготовки прессуют с их раздачей с использованием иглы, у которой рабочая часть прошивника выполнена с образующей в виде вогнутой кривой, в виде дуги окружности радиусом R=170 мм и с калибрующими поясками на передней и задней части иглы диаметром 39÷40 мм. Длину иглы, расстояние до заднего калибрующего пояска и его длину рассчитывают в зависимости от длины заготовки.
На одной игле было отпрессовано 52 трубы 52,8×40×2500 мм. Анализ внутренней поверхности прессованных труб показал, что защитное медное покрытие и использование иглы, в которой рабочая часть прошивника выполнена с образующей в виде вогнутой кривой, обеспечило отсутствие налипания материала заготовки на прошивную часть иглы в течение 10-15 прессовок и возможность продолжения прессования без замены иглы, после зачистки наждачной лентой незначительных налипаний на прошивную часть иглы.
При этом, кроме того, что так же, как в примере 1, результаты анализов позволили рекомендовать уменьшить съем при расточке до 0,5 мм, вместо обточки использовать травление. Дополнительно увеличен срок эксплуатации иглы.
Пример 4
Способ осуществляют в той же последовательности и на том же оборудовании, что и в примере 1: изготавливают заготовки из сплава ПТ-7М со сквозным центрирующим отверстием, наносят медное покрытие комбинированным химическим и электрохимическим способом, технологическую смазку на основе графита. Прессование проводят в два этапа: сначала его ведут с раздачей отверстия посредством первой иглы, а затем производят формирование внутреннего диаметра трубы на второй конической игле, имеющей на рабочей длине диаметр, равный внутреннему диаметру формируемой трубы, и конусность в пределах допуска на отклонение от заданного размера. Прессование с разделением раздачи и вытяжки позволяет дополнительно увеличить срок службы игл, выполняющих раздачу и формирование внутреннего диаметра труб.
Пример 5
Способ осуществляют в той же последовательности и на том же оборудовании, что и в примере 1. Заготовки из сплава ВТ1-0 изготавливают с двумя глухими центрирующими отверстиями, наносят на их внутреннюю поверхность медное покрытие комбинированным химическим и электрохимическим способом и технологическую смазку на основе графита. Прессование проводят в два этапа: сначала его ведут с прошивкой и раздачей отверстия посредством первой иглы, а затем производят формирование внутреннего диаметра трубы на второй конической игле, имеющей на рабочей длине диаметр, равный внутреннему диаметру формируемой трубы, и конусность в пределах допуска на отклонение от заданного размера.
Прессование труб с разделением прошивки с раздачей и вытяжки позволяет дополнительно повысить стойкость прессового инструмента в сравнении с примером 4, но при этом игла, используемая для прошивки и раздачи, работает в более тяжелонагруженных условиях, чем по примеру 4, но в более благоприятных условиях в сравнении с примером 2.
Пример 6
На наружную и внутреннюю поверхности заготовок диаметром 108 мм со сквозным отверстием диаметром от 28 до 29,5 мм комбинированным химическим и электрохимическим способом на установке электрохимического меднения МТЗ-108 наносят покрытие толщиной до 70 мкм с использованием анодов из бронзы марки БрO14.
Нанесение покрытия проводят в следующей последовательности.
1. Химическое меднение заготовок в растворах состава:
4
2
- концентрация медного купороса CuSO·5HO - 60-140 г/л;
- концентрация кислоты плавиковой в пересчете на фтор свободный  - 2 до 12 г/л;
- концентрация поверхностно-активных веществ (ПАВ) марки ОП-10 или ОП-7 - 0,1-0,5 г/л;
- концентрация ингибитора (в виде раствора толуолендиамина (ТДА) в этиловом спирте) - 0,01-0,1 г/л;
2. Электрохимическое меднение заготовок под прямым током в растворах состава:
4
2
- концентрация медного купороса CuSO·5HO - 200-250 г/л;
- концентрация кислоты плавиковой в пересчете на фтор свободный  - 4,8 до 10 г/л;
2
5
- спирт этиловый (CHOH) - 1-2 мл/л,
2
2
при плотности тока по наружному контуру (в пересчете на верхнюю торцевую и наружную боковую поверхности)  - 2-4 А/дм, по внутреннему контуру (в пересчете на внутреннею поверхность)  - 1-2 А/дм.
Величины токов для внутреннего и наружного контуров определяются расчетным путем исходя из размера заготовок и их количества в загрузке (на подвеске).
Процесс формирования медных гальванических покрытий проводится в реверсивном режиме. Длительности импульсов прямой и обратной полярностей имели соотношения от 10-1 до 15-1. Адгезия и толщина покрытия определяется при расчехловке контрольных заготовок.
Затем наносят технологическую смазку на основе графита. Заготовку нагревают в индукционной печи до температуры прессования и подают на вертикальный гидравлический пресс, на котором производят прессование при движении пресс-штемпеля вниз на конической игле, имеющей на рабочей длине диаметр, равный внутреннему диаметру формируемой трубы, и конусность в пределах допуска на отклонение от заданного размера.
Способ использован при изготовлении труб из циркониевых сплавов с 1 и 2.5% ниобия (Э110 и Э125). При прессовании труб получено высокое качество формируемых поверхностей, что позволило использовать полученную трубу-заготовку без обточки ее по наружному диаметру.