способ изготовления пластин из гафния
Классы МПК: | C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов |
Автор(ы): | Антипов Вадим Витальевич (RU), Беляев Анатолий Леонидович (RU), Веселков Михаил Михайлович (RU), Зайцев Владимир Леонидович (RU), Ильенко Евгений Владимирович (RU), Кобызев Андрей Михайлович (RU), Кулешов Сергей Юрьевич (RU), Бочаров Олег Викторович (RU), Кукушкин Александр Васильевич (RU), Шиков Александр Константинович (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-08-18 публикация патента:
20.02.2011 |
Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам изготовления металлических пластин из гафния, используемых в активных зонах атомных реакторов, в химической и нефтегазовой промышленности. Заявлен способ изготовления пластин из гафния. Способ включает выплавку слитка, горячую ковку с получением плоской заготовки, ее механическую обработку снятием фаски с ребер заготовки или их закруглением. Далее проводят высоковакуумный гомогенизирующий отжиг при температуре 800-900°С в течение 4-6 часов, горячую прокатку с промежуточными подогревами с суммарной деформацией 80-82,5%, холодную прокатку - с суммарной деформацией 80-88% и с промежуточными и окончательным отжигами с получением листов, черновую обработку поверхности листа, разрезку листов на пластины в размер и отделочные операции. Высоковакуумные промежуточные отжиги заготовки проводят при температуре 825-915°С в течение 1-3 часов после каждой холодной прокатки с деформацией 24-35%. Повышается качество изготовленных металлических пластин из гафния при снижении себестоимости производства. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Формула изобретения
1. Способ изготовления пластин из гафния, включающий выплавку слитка, горячую ковку с получением плоской заготовки, ее механическую обработку, горячую прокатку с промежуточными подогревами, холодную прокатку с промежуточными и окончательным отжигами с получением листов, черновую обработку поверхности листа, разрезку листов на пластины в размер и отделочные операции, отличающийся тем, что при механической обработке с ребер заготовки снимают фаску или их закругляют, перед горячей деформацией проводят высоковакуумный гомогенизирующий отжиг при температуре 800-900°С в течение 4-6 ч, горячую прокатку заготовки проводят с суммарной деформацией 80-82,5%, а холодную прокатку - с суммарной деформацией 80-88%, при этом высоковакуумные промежуточные отжиги заготовки проводят при температуре 825-915°С в течение 1-3 ч после каждой холодной прокатки с деформацией 24-35%.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после первого горячего проката проводят пескоструйную обработку заготовки.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам изготовления пластин из гафния, используемых в активных зонах атомных реакторов, в химической и нефтегазовой промышленности.
Известен способ изготовления плоского профиля из сплава гафния или циркония горячей прокаткой после повторного нагрева инфракрасным (ИК)-излучением. (Патент Франции № 2716897, C22F 1/16, 1996 г.). Способ пригоден для изготовления элементов из сплава гафния или циркония для атомных реакторов. Способ включает обжатие горячей заготовки, последующую прокатку в альфа-области гафния (циркония). Прокатку проводят в несколько проходов с одним или несколькими нагревами в печи до температуры полиморфного превращения, что улучшает деформируемость заготовки. Далее проводят холодную прокатку с одним или несколькими циклами прокатки без термической обработки. При этом проводят один проход горячей прокатки, следующий за последним нагреванием в печи проката, по меньшей мере на 100°С со скоростью 4°С в секунду ИК-излучением с длиной волны 0,8-5 мкм, последующей горячей прокаткой до достижения конечной толщины проката, равной 0,8 толщины заготовки, подвергнутой горячей прокатке.
Известный способ требует дополнительные затраты на создание специального оборудования для нагрева заготовки ИК-излучением перед горячей прокаткой. Кроме того, осуществление горячей прокатки заготовки с нагревом до температуры полиморфного превращения гафния (около 1700°С) экономически нецелесообразно и ограничивает технологические возможности получения качественного проката из гафния и его сплавов, что в конечном счете приводит к нестабильности требуемых свойств готовой продукции и к повышению себестоимости изготовления плоского профиля.
Известен способ изготовления металлического гафния, включающий выплавку слитка, нагрев слитка до 950-1000°С, ковку слитка, механическую обработку поверхности, нагрев до температуры 930°С в среде аргона, горячую прокатку слитка гафния в интервале температур 830-930°С, промежуточные подогревы после 15-20% обжатия при скорости 0,508-0,838 м/с, холодную прокатку с разовыми деформациями на 7%, промежуточные отжиги при температуре 780°С и окончательную термообработку в области температур 840-870°С в течение 1-1,5 часов. (Электронно-лучевая плавка и обработка давлением гафния. Обзорная информация, выпуск 8 (78), М., ВНИИНМ, 1982, с.21-22).
Известный способ не требует дополнительных затрат на нагрев заготовки под горячую прокатку в среде аргона. Кроме того, отсутствие в известном способе отделочных операций не позволяет повысить качество металлического гафния, что в конечном счете приводит к повышенной отбраковке готовой продукции и повышению себестоимости ее изготовления.
Известен способ изготовления металлического гафния, включающий вакуумно-дуговую плавку йодидного гафния, горячую прокатку в полосу, отжиг в вакууме в течение 1 часа при 700°С и охлаждение вместе с печью. (Электронно-лучевая плавка и обработка давлением гафния. Обзорная информация, выпуск 8 (78), М., ВНИИНМ, 1982, с.17).
Известный способ изготовления металлического гафния не обеспечивает высокого качества получаемых пластин из-за отсутствия в нем отделочных операций, что приводит к нестабильности качества готовой продукции, к повышенной отбраковке готовых пластин и, в конечном счете, к повышению себестоимости их изготовления.
Известен способ получения проката металлического гафния, включающий выплавку слитка из йодидного гафния, механическую обработку заготовки, горячую прокатку в температурной области 950-870°С, вакуумный отжиг при температуре 900°С в течение 1 часа, холодную прокатку со степенью деформации 7,5-30% и окончательный вакуумный отжиг при температуре 800-1000°С в течение 1 часа.
(О.В.Бочаров, В.А.Зудилин, Н.Г.Решетников и др. Структура и и механические свойства холоднодефомированного и отожженного йодидного гафния. В сб. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы, выпуск 2 (42), М., 1991, с.28).
Известный способ изготовления металлического гафния не обеспечивает высокого качества получаемых пластин из-за отсутствия в нем отделочных операций, что приводит к нестабильности качества готовой продукции, к повышенной отбраковке готовых пластин из-за несоответствия полученных характеристик требованиям нормативной документации, что в конечном счете приводит к повышению себестоимости их изготовления.
Наиболее близким аналогом заявляемому изобретению является известный способ изготовления металлических пластин из гафния марки ГФЭ-1, включающий электронно-лучевую плавку слитка, горячую ковку, обработку поковки резанием, нагрев в печи на воздухе до 1000°С, прокатку на стане холодными валками, заключительный нагрев под прокатку до температуры 800°С, окончательную холодную прокатку с суммарной деформацией около 55%, шлифование заготовки до получения плоскопараллельных пластин толщиной 5,5 мм, разрезка пластин в размер, шлифование и полирование в растворе для химической полировки.
(Р.В.Ажажа, М.П.Старолат, А.А.Васильев и др. Влияние отжига на структуру и свойства горячекатаного гафния. В сб. Вопросы атомной науки и техники, 2008, № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), М., с.27).
Известный способ изготовления металлических пластин из гафния отличается сравнительно высокой себестоимостью их изготовления и пониженным качеством пластин. Заявленная в известном способе последовательность выполнения операций и заданных режимов не позволяет добиться стабильности механических свойств изготавливаемых пластин из гафния и приводит к значительному снижению их качества из-за несоответствия требованиям нормативной документации по геометрическим размерам (толщине) и внешнему виду (наличие трещин). Проведение нагрева заготовки в печи на воздухе при температуре до 1000°С под горячую прокатку приводит к значительному поверхностному ее окислению, что, в свою очередь, приводит к увеличению потерь дорогостоящего металла и к снижению выхода годной продукции. Выполнение трудоемких операций шлифования и полирования пластин из гафния приводит к дополнительным затратам при изготовлении пластин и, в конечном счете, к повышению себестоимости изготовления готовой продукции.
Задачей изобретения является снижение себестоимости изготовления металлических пластин из гафния и повышение их качества.
Технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога - способа изготовления пластин из гафния, включающего выплавку слитка, горячую ковку с получением плоской заготовки, ее механическую обработку, горячую прокатку с промежуточными подогревами, холодную прокатку с промежуточными и окончательным отжигами с получением листов, черновую обработку поверхности листа, разрезку листов на пластины в размер и отделочные операции - по заявляемому изобретению при механической обработке с ребер заготовки снимают фаску или их закругляют, перед горячей деформацией проводят высоковакуумный гомогенизирующий отжиг при температуре 800-900°С в течение 4-6 часов, горячую прокатку заготовки проводят с суммарной деформацией 80-82,5%, а холодную прокатку - с суммарной деформацией 80-88%, при этом высоковакуумные промежуточные отжиги заготовки проводят при температуре 825-915°С в течение 1-3 часов после каждой холодной прокатки с деформацией 24-35%. После первого горячего проката может быть проведена пескоструйная обработка заготовки.
При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения.
Сравнение заявляемого изобретения не только с наиболее близким аналогом, но и с другими техническими решениями в данной области техники показало, что известна механическая обработка заготовки перед горячей прокаткой, а также известен вакуумный отжиг при температуре 800-1000°С в течение 1 часа.
(О.В.Бочаров, В.А.Зудилин, Н.Г.Решетников и др. Структура и и механические свойства холоднодефомированного и отожженного йодидного гафния. В сб. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы, выпуск 2 (42), М., 1991, с.28).
Однако в заявляемом изобретении только вся заявленная совокупность известных и неизвестных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу, заключающуюся в существенном снижении себестоимости изготовления металлических пластин из гафния и повышении их качества.
Выполнение в заявляемом техническом решении при механической обработке фаски на ребрах заготовки или их закругление, проведение перед горячей деформацией высоковакуумного гомогенизирующего отжига при температуре 800-900°С в течение 4-6 часов, выполнение горячей прокатки с суммарной деформацией 80-82,5%, а холодной прокатки - с суммарной деформацией 80-88%, проведение высоковакуумных промежуточных отжигов при температуре 825-915°С в течение 1-3 часов после каждой холодной прокатки с деформацией 24-35% позволяет существенно повысить качество готовых пластин из гафния за счет стабилизации механических свойств и геометрических размеров, а также за счет исключения образования на готовой продукции поверхностных дефектов. Кроме того, выполнение вышеуказанных операций по заявляемому техническому решению приводит к существенному повышению выхода годного, к снижению отбраковки дорогостоящей продукции, а следовательно, и к снижению себестоимости изготовления пластин из гафния.
Для проверки заявляемого технического решения проводили следующую работу. Изготавливали пластины из гафния размером 155 +16×81+1,4×0,6±0,05 мм из слитков гафния марки ГФИ-1 и ГФЭ-1 диаметром 150-160 мм.
Пример 1
По заявляемому техническому решению изготовление пластин из гафния осуществляли следующим образом. Проводили выплавку слитка, горячую ковку с получением плоской заготовки, ее механическую обработку. При этом с ребер заготовки по одному варианту снимали фаску под углом 45 градусов. По другому варианту ребра заготовки закругляли. Затем проводили высоковакуумный гомогенизирующий отжиг при разных температурах в диапазоне 795-905°С и разной продолжительности в диапазоне 3-6,1 часа. Горячую прокатку заготовки проводили с различной суммарной деформацией в диапазоне 79-83%. После первого горячего проката проводили пескоструйную обработку заготовки с последующим ее химическим травлением в водном растворе смеси азотной и фтористоводородной кислот. Холодную прокатку проводили с разной суммарной деформацией в диапазоне 79-89%. После каждой холодной прокатки с деформацией 29-36% проводили высоковакуумный отжиг заготовки при разных температурах в диапазоне 820-920°C с разной продолжительностью в диапазоне 0,9-3,1 часа с последующим осветляющим химическим травлением в водном растворе смеси азотной и фтористоводородной кислот. Проводили правку пластин, разрезку их в размер и терморихтовку.
Пример 2
По наиболее близкому аналогу металлические пластины получали из гафния марки ГФЭ-1, выплавляли слиток электронно-лучевой плавкой, проводили его горячую ковку с получением плоской заготовки, обрабатывали поковку механической обработкой, нагревали ее в печи на воздухе до 1000°С, осуществляли горячую прокатку заготовки на стане холодными валками, проводили заключительный нагрев под прокатку до температуры 800°С, осуществляли прокатку заготовки с суммарной деформацией 55%, проводили шлифование заготовки до получения плоскопараллельных пластин толщиной 5,5 мм. Затем проводили разрезку пластин в размер и последующее шлифование и полирование их в растворе для химической полировки.
По каждому варианту получали по 3 пластины. В ходе выполнения данной работы оценивали качество пластин на соответствие требованиям нормативной документации и определяли себестоимость изготовления пластин по стандартным методикам. Дополнительно из пластин в направлении прокатки вырезали образцы для определения механических свойств и проведения металлографических исследований. Определение механических свойств и металлографический анализ образцов проводили по стандартным методикам. Результаты сравнительных испытаний заявляемого технического решения и наиболее близкого аналога приведены в таблице.
Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что заявляемое техническое решение отличается от наиболее близкого аналога более низкой себестоимостью изготовления пластин из гафния (74,1÷78,5% по заявляемому техническому решению вместо 100% по наиболее близкому аналогу) и более высоким качеством пластин. Так, пластины из гафния, полученные по заявляемому решению отличаются от пластин, полученных по наиболее близкому аналогу, более высокой точностью по геометрическим размерам (по толщине) и более высоким качеством по внешнему виду (отсутствие трещин).
Оптимальными параметрами изготовления пластин из гафния являются следующие (опыты № 2, 4, 7, 10, 11, 14, 15, 18, 19, 22, 23, 26, 27, 29, 30):
- наличие фаски под углом 45 градусов на ребрах заготовки или их закругления;
- температура высоковакуумного гомогенизирующего отжига заготовки - 800-900°С;
- продолжительность высоковакуумного гомогенизирующего отжига заготовки - 4-6 часов;
- суммарная деформация горячей прокатки - 80-82,5%;
- суммарная деформация холодной прокатки - 80-88%;
- температура высоковакуумного промежуточного отжига заготовки после холодной прокатки с деформацией 24-35% - 825-915°С;
- продолжительность высоковакуумного отжига заготовки после холодной прокатки - 1-3 часа;
- применение после первого горячего проката пескоструйной обработки заготовки;
Уменьшение параметров процесса изготовления металлических пластин из гафния:
- отсутствие фаски на ребрах заготовки или их закругления;
- температуры высоковакуумного гомогенизирующего отжига заготовки - менее 800°С;
- продолжительности высоковакуумного гомогенизирующего отжига заготовки - менее 4 часов;
- температуры высоковакуумного отжига заготовки после холодной прокатки - менее 800°С;
- продолжительности высоковакуумного отжига заготовки после холодной прокатки - менее 1 часа приводит к ухудшению качества металлических пластин из гафния из-за несоответствия их требованиям нормативной документации по геометрическим размерам.
Увеличение параметров процесса изготовления металлических пластин из гафния:
- температуры высоковакуумного гомогенизирующего отжига заготовки - более 900°С;
- продолжительности высоковакуумного гомогенизирующего отжига заготовки - более 6 часов;
- суммарной деформации горячей прокатки - более 82,5%;
- суммарной деформации холодной прокатки - более 88%;
- температуры высоковакуумного отжига заготовки после каждой холодной прокатки - более 915°С;
- продолжительности высоковакуумного отжига заготовки после холодной прокатки с деформацией более 35% - более 3 часов приводит к ухудшению качества получаемых металлических пластин из гафния по внешнему виду и к повышению себестоимости их изготовления из-за увеличения энергетических затрат и повышенной отбраковки их по внешнему виду.
Не применение операции пескоструйной обработки после первого горячего проката приводит к ухудшению качества получаемых металлических пластин из гафния по геометрическим размерам и внешнему виду.
Заявляемый способ изготовления металлических пластин из гафния опробован в производственных условиях ОАО ЧМЗ с положительным результатом: изготовлена партия пластин из гафния марки ГФЭ-1, которая полностью соответствует установленным требованиям.
Класс C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов