CN1075840C - 锆合金管制品的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二元或多元锆合金管状制品的生产方法，它包括由预先经β-变形处理的锭得到毛坯、在α+β-锆存在的温度下热加工毛坯以制造管坯、在比合金从中间(α+β)相转变到β-相锆的温度高30-60℃的温度下淬火硬化管坯、机械加工、接下来管坯在α-锆存在的温度下回火处理，然后在α-锆存在的温度下冷变形管坯并伴随有中间退火工艺直至得到成品，管状制品的冷变形受以下总的范围约束：对制造成品而言μ_∑＞100以及对制造TREX或SUPER-TREX类型的管状半成品而言μ_∑＜50，其中在变形的第一阶段其值为μ＜2.0，μ＝S_prod/S_tub，(S_prod是滚轧前坯的横截面积，S_tub是滚轧后管的横截面积)，而且μ_∑＝S_{source material}/S_{finished tube}(S_{source material}是第一次滚轧前毛坯的横截面积，S_{finished tube}是最后一次滚轧后制成管的横截面积)。

Description

锆合金管制品的制造方法

发明领域

本发明涉及冶金领域，滚轧生产以及特别涉及锆合金的半成品和成品的制造。

生产锆合金制品的已知方法(俄罗斯专利2037555,C22F/18,1995)包括毛坯的热变形加工、初级冷变形加工和在560-590℃下真空等温退火3-4小时，经最后一道工序冷轧至17-31％的形变程度，以及随后在560-585℃进行最后的真空等温退火5-7小时。

与本发明最接近的工艺方法包括下列工序：制锭、锭的初级β-加工处理、在α-锆存在的温度下由热模压的方法制坯、坯在380-650℃退火、坯在α-锆存在的温度下进行冷变形加工并伴有中间退火处理和精加工该坯以得到所需的成品(美国专利4649023,cl.C22C16/00,1987.)，以及还有一种不同于上述的且带有如下特征的方法：

-在β-加工处理后、热模压制锭之前，坯在380-650℃退火；

-在退火之前和热模压成型之后，坯在920-1070℃的温度下淬火处理，所述退火在380-520℃的温度下进行；

-淬火以60℃/s至1000℃/s的速率进行(俄罗斯专利2032760,C22F1/18,1995.)。

现有技术中熟知的是，最后定形的锆合金管是以特别制造的具有高力学性能和精确几何尺寸的厚壁管状半成品用冷轧方法生产，该半成品在外国的参考资料中称之为SUPER-TREX或TREX(E.RossBradley和George P.Sabol，核工业中的锆：第11届国际研讨会ASTM出版代码号(PCN):04-012950-04 ASTM100 Barr Harbor Drive WestConshohocken,PA19428-2959)。最常见的半成品的几何尺寸是Φ63.5×10.9mm,Φ44.5×7.62mm 。

这里仅举一个熟知的使用尺寸为Φ63.5×10.9mm和Φ44.5×7.62mm的锆合金半成品制造金属包层管的方法。该方法经一次冷轧处理后仅生产具有51％的变形度的优质金属包层管，80％的变形值将导致大量裂纹的形成。(法国专利2584097,1987.C22 F1/18；c22 16/00)。

发明的公开

本发明通过提供不对制品材料的连续性造成影响的变形条件而达到提高锆合金制品质量水平的目的，通过增加毛坯的尺寸和改进管状半成品的质量而使制品沿横向和纵向方向具有均匀的金属结构，并使产品的技术和经济指数提高。

根据制造SUPER-TREX,TREX型二元锆合金管状半成品，本发明的既定目的已达到。除了先前已知的工序外：

-制锭，

-毛坯制造前，锭的初级β-变形加工处理，

-在α-锆存在的温度下通过毛坯的热模压成型制得管坯，

-在α-锆存在的温度下冷变形加工管坯并伴随有中间退火处理，

-精加工管坯以得到成品。

对制造成品而言，管的冷变形加工以总压缩值为μΣ＞100的程度进行或者对制造SUPER-TREX,TREX类型的管状半成品而言μΣ＜50，在管冷轧的第一阶段压缩值μ＜2.0，管最后的退火是在α-锆存在的温度下进行，且μ=S_billet/S_tube,S_billet是滚轧前坯的横截面积，S_tube是滚轧成的管的横截面积；

μ_Σ=S_init.billet/S_ready tube，其中S_init.billet是第一次滚轧前毛坯的横截面积，S_ready tube是最后一次滚轧后制成管的横截面积。

如果当需要得到质量改进的制品时(在管的任何部分，氢化物的取向度Fn＜0.3，且结构稳定和/或其它要求)，以及当需要得到多元锆合金或二元锆合金的最终尺寸的管或SUPER-TREX,TREX类型的管状半成品，除了所述方法的第一个实例中提及的工序外，在α-或(α+β)-锆存在的温度下热模压成型后，管坯在比合金从中间(α+β)相转变到β-相锆的温度高30-60℃的温度下淬火，淬火后的坯件进行机械加工和接下来在α-锆存在的温度下进行回火。

管的总压缩值达μ_∑＞100的冷滚轧通过更高程度的金属加工施行可以得到在轴向和径向具有均匀结构状态的制成品。

在滚轧的第一阶段压缩值的推荐的限定范围使坯件于冷滚轧机上变形产生的剪切应力明显低于锆合金的抗拉强度值，其中的锆合金为多元和超塑性二元组份且已经过上述的热加工处理，因此在不影响连续性的情况下合金产生变形。在随后的冷滚轧阶段所述压缩值由于经第一阶段滚轧和随后的退火处理后随合金塑性的增加而增长。

在生产SUPER-TREX或TREX类型的管状半成品时，在冷滚轧过程中总的压缩值可以为μ_Σ＜50(因为半成品通常经过1至3次冷滚轧而制成，根据最终管尺寸的不同并考虑到第一阶段冷滚轧的压缩值范围为μ＜2.0，滚轧次数可以多达5到8次)。

热模压管坯在比合金从中间(α+β)相转变到β-相锆的温度高30-60℃的温度下淬火，淬火后的坯件的机械加工和接下来的回火在α-锆存在的温度下进行，这些都保证了合金的完全相再结晶且转变成马氏体类型的结构状态，该状态带有精细粒状(粒径是0.16到0.22毫米)宏观结构并由于在掺和组份和合金组份饱和固溶体中的固定而使金属和掺和相最大分散(图1)。此外，与先前的方法(第7页表)比较起来，所述的热加工处理保证了在冷滚轧的第一阶段有超过两倍的合金塑性的储量，这与第一阶段冷滚轧期间的压缩值的限定范围结合起来，就注定了冷变形加工不会产生宏观和微观裂纹(图2)。所述的变形加工和热加工处理可以得到沿受压坯件的轴向和径向的均匀结构状态(图4)。在先前的方法中，由于直接施压工艺的特征，受压坯件在轴向和径向上具有(图3)不均匀结构(I.L.Perlin,L.H.Reibarg.金属压缩理论，Moscow.Metallurgy,1975,P.350)，该施压工艺将一直保持到最终尺寸的管的制成。

对淬火后的管坯的机械加工保证了在淬火后形成的表面的氧化层和气体饱和层的去除而且同时可以消除坯件在热模压过程中形成的外表面和内表面的缺陷。坯件表面质量的改进可以避免金属塑性性能的下降(G.V.Filimonov,.O.A.Nikishov锆金属管的轧制，Moscow.Metallurgy,1988,P.26)，而且排除了在随后的冷变形过程中由于表面缺陷而影响连续性的条件。

附图的简要说明

本发明提供了图象说明，其中

图1表示根据本发明的方法经过淬火，机械加工和回火工序后，由Zr-1.0Nb-1.5Sn-0.4Fe合金制得的管的宏观结构。

图2表示根据本发明的方法经过第一阶段滚轧和退火后，由Zr-1.0Nb-1.5Sn-0.4Fe合金制得的管的宏观和微观结构。

图3显示了经过压缩和退火工序后，Zr-1.0Nb合金管的微观结构(已有方法)。

图4显示了经过压缩、淬火、机械加工和回火工序后，Zr-1.0Nb管的微观结构(本发明方法)。

方法的实施例实施例1 TREX类型Zr-1.0Nb锆合金的管状半成品的制造

锭在β-锆存在的温度下利用锻锤进行热加工而形成坯段。经机械加工后，坯段在580-650℃的温度范围内被热压成一个套筒。制得的套筒在管冷滚轧机上分3阶段进行冷变形加工以制成总压缩值为μ_Σ=30的最终尺寸的管状半成品，在滚轧的第1阶段的压缩值是μ=1.9。半成品的中间和最后的热加工处理在560-600℃的温度范围内进行。实施例2 Zr-1.0Nb锆合金管的制造

锭在β-锆存在的温度下利用螺旋滚轧机经轧制而形成坯段。经机械加工后，坯段在580-650℃的温度范围内被热压成-个套筒。制得的套筒在910-940℃的温度下淬火、进行机械加工和随后在560-580℃温度下回火。回火后的坯段进行6阶段冷变形并伴随着中间的热处理以形成总压缩值为μ_Σ=313的最终尺寸管，在滚轧的第1阶段的压缩值是μ=1.9。管的中间和最后的热加工处理是在560-600℃的温度范围内进行的。实施例3 Zr-1.0Nb-1.5Sn-0.4Fe锆合金的SUPER-TREX类型的管状半成品的制造

锭在β-锆存在的温度下利用螺旋滚轧机经热加工而形成坯段。经机械加工后，坯段在600-650℃的温度范围内被热压成一个套筒。制得的套筒在930-960℃的温度下淬火、进行机械加工和随后在560-600℃温度下进行回火。回火后的坯段分2阶段在管冷滚轧机上进行冷变形加工以形成总压缩值为μ_Σ=20的最终尺寸的管状半成品，在滚轧的第1阶段的压缩值是μ=1.9。半成品的中间和最后的热加工处理是在540-600℃的温度范围内进行。实施例4 Zr-1.0Nb-1.5Sn-0.4Fe锆合金管的制造

锭在β-锆存在的温度下利用螺旋滚轧机经热加工而形成坯段。经机械加工后，坯段在650-750℃的温度范围内被热压成一个套筒。制得的套筒在930-960℃的温度下淬火，进行机械加工和随后在560-580℃进行回火。回火后的坯段进行5阶段的冷变形加工并伴随着中间的热加工处理以形成总压缩值为μ_Σ=165的最终尺寸管，在第1阶段的压缩值是μ=1.75。制品的中间和最后的热加工处理是在540-620℃的温度范围内进行。

工业适用性

根据由本发明的方法制造管的所述实例和用已有的方法制造类似制品的实例表明，本发明的方法保证了无任何缺陷且更高质量的多元和二元合金制品的生产。此外，与已有的方法不同，本发明的方法可以生产从二元到多元的不同锆合金的制品。与现有的方法比较，所述方法可应用于更广的制品范围，而且这可从在管的冷滚轧期间得到的总压缩值明显显现出来，本发明的方法可达μ_Σ=313，而现有方法为μ_Σ＜50。

目前，利用本发明的方法生产锆合金的制品及半成品的试验性生产测试正在“切佩茨基机械加工厂”股份公司(Joint Stock company“Chepetsky Mechanical Plant”)进行。

表 由本发明方法和现有方法制得的半成品和成品管的性能

实施例	半成品的性能在第一次冷滚轧前管坯的冲击强度kJ/m.	在第一次冷滚轧后微观裂纹是否存在	制成管的性能大多数金属间粒子的尺寸，μm	制成管的性能轴向的伸长，％	制成管的性能在高压釜的水中重量的增加，mg/dm.测试在400℃进行72小时。
						1	870+15	否	-	52.0	14.0
2	720+15	否	-	49.5	13.5
						3	575+15	否	0.1	41.0	17.7
4	575+15	否	0.1	46.8	18.0
						现有方法	170+15	是	0.13	38.0	19.6+0.9
现有方法	230+15	是	0.1	47.0	18+0.8

Claims (2)

1．二元锆合金管状制品的生产方法，包括制锭、锭的初级β-变形加工处理以制成毛坯、在α-锆存在的温度下通过毛坯的热模压成型制造管坯、管坯在α-锆存在的温度下冷变形加工并伴有中间退火处理以及精整管坯以得到成品；其特征在于：对制成品而言，管的冷变形加工进行至总压缩值为μ_Σ＞100以及对制造SUPER-TREX或TREX类型的管状半成品而言μ_Σ＜50，在变形的第一阶段压缩值为μ＜2.0；以及最后的退火是在α-锆存在的温度下进行，且μ=S_billet/S_tube,S_billet是滚轧前坯的横截面积，S_tube是滚轧后管的横截面积，而且μ_Σ=S_init.billet/S_readytube,S_init.billet是第一次滚轧前毛坯的横截面积，S_ready tube是最后一次滚轧后制成管的横截面积。

2、多元或二元锆合金管状制品的生产方法，包括制锭、锭的初级β-变形加工处理以制成毛坯、通过对毛坯进行热模压成型制造管坯、管坯在α-锆存在的温度下经冷变形加工并伴随有中间退火处理以及精整管坯以得到成品；其特征在于：该方法在α-或(α+β)-锆存在的温度下进行热模压成型后，管坯在比合金从中间(α+β)相到β-相锆转变的温度高30-60℃的温度下淬火，淬火后的坯件进行机械加工和接下来在α-锆存在的温度下进行回火，对制造成品而言，管的冷变形进行至μ_Σ＞100的总的压缩值以及对制造SUPER-TREX或TREX类型的管状半成品而言μ_Σ＜50，在变形的第一阶段压缩值为μ＜2.0；以及最后的退火是在α-锆存在的温度下进行，且μ=S_billet/S_tube,S_billet是滚轧前坯的横截面积，S_tube是滚轧后管的横截面积，而且μ_Σ=S_init.billet/S_ready tube,S_init.billet是第一次滚轧时毛坯的横截面积，S_ready tube是最后一次滚轧后制成管的横截面积。

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