鋯合金塑型變形加工感應(yīng)研究

摘 要：鋯合金作為結(jié)構(gòu)特性十分優(yōu)異的材料之一，憑借其超強(qiáng)的結(jié)構(gòu)塑性，得到了航天、交通以及國(guó)防等越來(lái)越多行業(yè)的廣泛青睞和應(yīng)用。鋯合金塑型變形加工有著自身的特點(diǎn)，本文根據(jù)鋯合金的基本結(jié)構(gòu)特性，對(duì)其分類特征和感應(yīng)加熱的內(nèi)容進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，并在感應(yīng)加熱溫控以及測(cè)溫分析的基礎(chǔ)上，確定了科學(xué)的加熱頻率、加熱時(shí)間以及加熱方案，為鋯合金的進(jìn)一步發(fā)展提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋯合金;塑型;變形加工;感應(yīng)

1.鋯及鋯合金的概念和感應(yīng)加熱特征

鋯合金具有優(yōu)異的核性能，具備熱中子截面小的優(yōu)勢(shì)，可以有效確保核反應(yīng)堆中有著足夠的中子數(shù)量，來(lái)維持不間斷的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。不僅如此，鋯合金有著兼容性好、耐高溫、耐腐蝕等特性，在水冷核反應(yīng)堆的應(yīng)用中，也有著廣泛性。例如核燃料中的壓力管和支架等[1]。

鋯在化學(xué)元素周期表中與鈦元素處于同一族，因此，在化學(xué)性質(zhì)上也存在著一定的相似性。在對(duì)鋯進(jìn)行塑型變形感應(yīng)加熱的過(guò)程中，會(huì)呈現(xiàn)以下特征：首先鋯的密度于鈦和低碳鋼相比要低的多，鈦合金的導(dǎo)熱率在不同溫度下，其導(dǎo)熱時(shí)間也要遠(yuǎn)少于不銹鋼;其次在膨脹系數(shù)方面，鋯的膨脹系數(shù)僅為低碳鋼的一半，鈦的三分之二;最后鋯在熱態(tài)化學(xué)方面，與鈦合金相比有著更高的化學(xué)活性，高溫下的親和力也更強(qiáng)，在氧化性氣溫的加熱中，可產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸氫性能。在對(duì)鋯及鋯合金進(jìn)行加熱的過(guò)程中，天然氣爐是最佳的加熱工具，其可以根據(jù)鋯自身的物理冶金特征內(nèi)容等不斷較少成型制品中的氧氣和氫氣以達(dá)到良好的力學(xué)指標(biāo)。而感應(yīng)熱則是對(duì)鋯合金進(jìn)行拉拔、擠壓以及鍛造的最好方式，可以在縮短加熱時(shí)間的基礎(chǔ)上，提高工藝的質(zhì)量。隨著社會(huì)科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，感應(yīng)加熱的方式已經(jīng)得到了不同行業(yè)的認(rèn)可，甚至得到了諸多領(lǐng)域的重用[2]。

2.鋯合金塑型變形前感應(yīng)加熱的規(guī)范內(nèi)容

2.1鑄錠鍛造前對(duì)鋯合金的感應(yīng)加熱

破壞鑄態(tài)組織，合理消除疏松，將不規(guī)則的柱狀晶粒進(jìn)行均勻的鍛造，是柸料鍛造的主要目的。而在二次鍛造的過(guò)程中，則對(duì)于合金成分偏析的第二相顆粒進(jìn)行進(jìn)一步鍛造，確保細(xì)小顆粒的等軸性。在對(duì)柸料進(jìn)行鍛造前實(shí)施感應(yīng)加熱，可以以緩慢的方式逐步增加加熱的溫度，直至達(dá)到可以進(jìn)行塑型變形的溫度需求。一般情況下，鋯合金的鍛造溫度范圍在550度至600度之間，為了達(dá)到最好的工藝效果，要避免進(jìn)行重復(fù)加熱[3]。

2.2鋯合金進(jìn)行擠壓前的感應(yīng)加熱

鋯合金在進(jìn)行擠壓前，有著以下幾點(diǎn)工藝要求：首先在對(duì)柸料進(jìn)行擠壓前，要達(dá)到加熱的均勻性，一般情況下擠壓的溫度不能超過(guò)徑向溫差的3%。其次在鋯合金擠壓前進(jìn)行熱感應(yīng)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)不同的問(wèn)題，較為常見(jiàn)的則為以下兩種，其一常規(guī)大氣環(huán)境的加熱過(guò)程中，柸料的氧化速度會(huì)隨著溫度的升高而不斷加快，甚至對(duì)周?chē)臍?、氮等氣體進(jìn)行吸收。其二是在鋯合金塑型變形抗力不斷增大的過(guò)程中，有著較強(qiáng)的粘性，而流動(dòng)性卻較差，因此在擠壓的過(guò)程中，需要進(jìn)行潤(rùn)滑。為了進(jìn)一步減少以上兩個(gè)問(wèn)題的影響，可以采取以下相關(guān)措施，對(duì)鋯合金進(jìn)行擠壓前的感應(yīng)加熱處理。即采取包覆銅套和涂敷涂層的方式進(jìn)行針對(duì)性的處理。包覆銅套是用厚度為1毫米的銅皮對(duì)鋯合金柸料的內(nèi)孔和表面等進(jìn)行覆蓋，并通過(guò)化學(xué)處理方式進(jìn)行流動(dòng)性和延展性的提升。涂敷涂層則是在鋯合金柸料的內(nèi)孔以及表面進(jìn)行石墨、粘附劑等成為的包覆，此方式有著處理方式簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但值得一提的是包覆的方式，盡管有著較好的流動(dòng)性和延展性，但卻增加了鋯合金熱感應(yīng)的時(shí)間周期。因此涂敷涂層的方式更加受行業(yè)歡迎[4]。

2.3鋯合金分段感應(yīng)熱的加熱方式

鋯合金分段感應(yīng)熱加熱的方式常見(jiàn)為連續(xù)或步進(jìn)式加熱以及周期性加熱方式。在連續(xù)或步進(jìn)式加熱的過(guò)程中，鋯合金柸料若橫截面超過(guò)了10厘米，則需要以600度的溫度為分界點(diǎn)，即600度以下為低溫鍛造段，600度以上為高溫鍛造段，通過(guò)材料不同的屬性，進(jìn)行鍛造方式的選擇，繼而達(dá)到塑型變形的溫度。鋯合金低溫段的導(dǎo)熱過(guò)程中，需要用較長(zhǎng)的感應(yīng)器，這樣可以避免鋯合金柸料在溫度過(guò)高過(guò)快的狀態(tài)下出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。而高溫段的鋯合金柸料則存在著氧化的現(xiàn)象，因此要注意加熱的時(shí)間。

周期式加熱則是在鋯合金柸料在機(jī)械實(shí)際感應(yīng)熱前，通過(guò)周期加熱的方式對(duì)其進(jìn)行沖擊式加熱。這樣可以有效減少單位面積的功率，減少鋯合金柸料在加熱過(guò)程中所丟失的熱量，科學(xué)提高熱效率。周期式加熱，顧名思義實(shí)在鋯合金柸料表面溫度降低至一定值時(shí)，在將功率進(jìn)行提升，使表面溫度達(dá)到一定需求，并通過(guò)反復(fù)的形式進(jìn)行動(dòng)脈式加熱，減少總加熱時(shí)間的同時(shí)，達(dá)到應(yīng)有的工藝目標(biāo)需求。

3.鋯合金感應(yīng)加熱的測(cè)溫及溫控研究

鋯合金塑型變形在進(jìn)行加工的過(guò)程中，會(huì)受到內(nèi)在以及外在多種因素的影響。而鋯合金的材料價(jià)格十分昂貴，因此在對(duì)其進(jìn)行感應(yīng)熱的溫控和測(cè)溫的同時(shí)，要十分謹(jǐn)慎，避免有溫度控制不當(dāng)而引發(fā)工件的報(bào)廢，繼而引發(fā)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。由此可見(jiàn)，鋯合金感應(yīng)加熱溫度的測(cè)量十分重要。現(xiàn)階段常見(jiàn)的測(cè)溫方式為雙色測(cè)溫。溫控作為測(cè)溫過(guò)程過(guò)程中的必要步驟，也是影響整個(gè)鋯合金柸料的工藝成型的重要內(nèi)容和必要措施。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鋯合金作為未來(lái)我國(guó)社會(huì)科技領(lǐng)域和諸多行業(yè)的重要金屬用材之一。其自身具備較為多樣性的結(jié)構(gòu)屬性，并在塑型變形加工感應(yīng)的調(diào)控中，形成了不同的材料類型。而作為造價(jià)頗高的金屬用材，在對(duì)其進(jìn)行塑型變形感應(yīng)加熱的過(guò)程中，也需要根據(jù)不同鋯合金柸料的厚度和目標(biāo)需求，進(jìn)行不同鍛造方式的選擇。只有遵循其發(fā)展屬性和發(fā)展目標(biāo)，才可以實(shí)現(xiàn)鋯合金材料的利用率最大化，繼而為行業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李韻豪. 鈦及鈦合金塑性變形加工的感應(yīng)加熱（下）[J]. 金屬加工（熱加工），2016（13）.

[2] 李韻豪. 鈮及鈮合金塑性變形加工的感應(yīng)加熱（上）[J]. 金屬加工：熱加工，2017（1）：80-85.

[3] 石鴻瑞，王偉. 鋯合金軋制用芯棒的表面滲氮處理[J]. 金屬世界，2018（2）：41-43.

[4] 楊鋒，尉北玲，王旭峰，et al. 核級(jí)鋯合金研究現(xiàn)狀及我國(guó)核級(jí)鋯材發(fā)展方向[J]. 金屬世界，2016（3）：24-28.

作者簡(jiǎn)介：周堯，男，1984.03.07，河南鞏義，本科，研究方向：鋯及鋯合金材料方面和質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方面。