Прокатка циркония

Обработка циркония, выплавленного из губки, полученной магниетермическим процессом, производится уже в крупных масштабах. В работе Хейеса, Диллинга и Роберсона дается описание ковки и прокатки слитков весом 4,5 кг. Дальнейшее развитие этих операций описано Хейесом, Фредериком и Диллингом.
В целях создания лучших условий обработки, циркониевые слитки заключались в герметичные стальные оболочки. Это позволило вести обработку при температурах более высоких, чем в случае, если металл не имел защитной оболочки. Перед заключением в защитную оболочку циркониевые слитки обтачивались на станке с целью получения ровной поверхности. Защитные оболочки изготовлялись из отрезков бесшовной трубы с очищенной внутренней поверхностью. Хейес применял для этого трубы диаметром 76,2 мм и обтачивал слитки до диаметра 75,9 мм. По его мнению, не следует слишком тщательно очищать трубы, так как присутствие небольшого количества окислов на их поверхности препятствует приварке к ней циркония. Типичная заготовка с защитной облочкой показана на фиг. 111. Стенка трубы имела толщину 9,5 мм. Концы ее закрывались пробками толщиной 19 мм и заваривались. Швы должны быть доброкачественными, так как в процессе прокатки оболочка испытывает значительные напряжения.

Слиток в оболочке нагревался в открытой печи до температуры 850° и проковывался на плоской наковальне в прямоугольник толщиной примерно 50 мм. В случае необходимости производился повторный нагрев до 850°. Откованная таким образом плоская заготовка, оставаясь в защитной оболочке при такой же температуре, подвергалась прокатке.
Весьма важно, чтобы при горячей обработке циркония в оболочке температура не превышала 850°, так как в противном случае возможно образование циркониево-железной эвтектики, имеющей температуру плавления — 935°. Образование такой эвтектики затрудняет отделение оболочки от циркония и ведет к загрязнению последнего железом. Кроме того, имеется даже опасность образования жидкого сплава, который может брызгать из оболочки при прокатке, создавая опасность для работающих.
Хейес применял обычную поперечную прокатку для получения нужной ширины листа, а затем продольную — до требуемой толщины. Обжатие за проход зависит от диаметра валков и может составлять 10—15 и даже 30%. После отжига оболочка сдирается, причем стороны листа предварительно обрезаются ножницами. После этого листы прокатываются при 650°, не подвергаясь сильному окислению, если такая температура воздействует на них ограниченное время. После того как толщина листов достигает заданной величины, поверхность их зачищается для окончательной холодной прокатки. Окислы трудно удаляются с поверхности, поэтому горячую прокатку в защитной оболочке следует продолжать до тех пор, пока представляется возможным. Момент же удаления оболочки и перехода к окончательной холодной прокатке можно определить совершенно точно. Перед окончательной холодной прокаткой желательно очистить цирконий путем травления в разбавленной азотной кислоте, содержащей несколько процентов плавиковой кислоты.
Хейес и другие приводят следующие преимущества и недостатки прокатки в защитной оболочке:

Как указывает Хейес, результаты сопоставления этих преимуществ и недостатков зависят от стоимости циркония: чем дороже цирконий, тем больше преимуществ имеет прокатка в защитной оболочке. При небольших масштабах производства разница между затратами на защитную оболочку и издержками, вызванными удалением окалины и добавочной потерей скрапа, будет, по-видимому, незначительная.
При работе с крупными слитками окисление относительно менее существенно. Температура горячей обработки циркониевых слитков без защитной оболочки должна быть снижена до 650°; при более высокой температуре возникает опасность сильного окисления. Однако кратковременная выдержка крупных слитков даже при температуре 1000° показала сравнительно незначительную глубину окисления.
Влияние температуры на твердость циркония иллюстрируется фиг. 112. Эти данные могут в известной степени служить оценкой прочности металла при повышенных температурах. Для сравнения на фигуре приведены данные о твердости других металлов и сплавов.

Типичная технология прокатки циркония, выплавленного в графитовом тигле в защитной оболочке на стане «250», состоит в следующем.
Горячая прокатка ведется с обжатием 10—15% и подогревом до 850° между проходами. Она продолжается до тех пор, пока толщина прокатываемого биметаллического листа не достигнет 3,5 мм. Затем защитная оболочка сдирается, в результате чего толщина прокатываемого циркониевого листа становится равной 2,5 мм. Твердость при этом составляет 170 единиц по Hп. В дальнейшем металл подвергается холодной прокатке, перед которой он травится в кислоте. После обжатия до 2 мм твердость циркония возрастает до 219 единиц по Hп, но холодная прокатка продолжается до толщины в 0,5 мм, после чего лист отжигается в вакууме при 850°, и его твердость составляет 187 единиц по Hп. Затем лист подвергается окончательной прокатке до толщины 0,125 мм. Холодная прокатка производится с весьма малыми обжатиями. Для обжатия листа с 2 до 0,125 мм требуется 80—90 проходов.
Описанная выше технология исключает горячую прокатку циркония без защитной оболочки вследствие трудности очистки окисленного металла, особенно предназначенного к прокатке на тонкий лист. Горячая прокатка циркония без защитной оболочки, однако, возможна, и в действительности окисление оказывается менее значительным, чем обычно предполагается.
Хейес и Роберсон изучали влияние нагрева циркония на воздухе на его пластичность и нашли, что выдержка в течение нескольких часов при 700° или кратковременный нагрев при 800° не оказывают вредного влияния на пластичность металла.
Хейес ковал цирконий на воздухе при 700° и подвергал горячей прокатке при 650°, получая листы удовлетворительного качества. Однако такая технология не может быть применима для получения тонкого листа; она не может быть признана целесообразной даже для сравнительно толстого листа.
Наилучшей разновидностью процесса является горячая прокатка металла до толщины, позволяющей после зачистки его поверхности получать лист путем окончательной холодной прокатки. Удаление поверхностных окислов перед холодной прокаткой является непременным условием получения хорошей поверхности готового листа. Влияние холодной прокатки и последующего отжига на свойства циркония, выплавленного в графитовом тигле, показано на фиг. 113.

Горячая прокатка циркониевых прутков без защитной оболочки на обычном прокатном оборудовании не вызывала каких-либо трудностей. Прокатываемые слитки были выплавлены в графитовом тигле. Слитки диаметром 60 мм сначала подогревались до 630° в газовой печи, затем переносились в электрическую муфельную печь, нагретую до температуры 750°, где быстро принимали температуру печи. До диаметра 25 мм слитки проковывались на плоских наковальнях на кузнечном молоте мощностью 350 кг без промежуточного нагрева. Затем прутки вновь нагревались в электрической печи до 750° и прокатывались на стане «275» последовательно на квадратные, а затем на круглые прутки до окончательного диаметра около 15 мм. Нагрев между проходами не требовался.
Гордон и Харфорд описывают обработку без защитной оболочки слитков циркония диаметром 100—300 мм и весом до 225 кг. Слитки начерно обтачивались, оставшиеся небольшие местные дефекты устранялись шлифовкой, а особо плохие участки в случае необходимости стачивались на конус.
Слитки диаметром 100 мм нагревались при температуре 980° не более 1 часа; слитки же диаметром 250 мм выдерживались перед ковкой при этой температуре в течение 2 час.
Слитки дуговой плавки и отливки не давали растрескивания в центре, обнаруженного в круглых слитках других металлов, полученных обычными методами литья.
Температуры ковки были следующими:

Слитки можно ковать как под молотом, так и под прессом. Слитки диаметром до 250 мм прессовались 500-тонным прессом, но чтобы, получить слябы толщиной 65 мм, требовалось несколько промежуточных нагревов. Слитки же диаметром 300 мм были обжаты на прессе мощностью 1000 т до такой же толщины без промежуточного нагрева; эти слитки также можно было проковывать на пневматическом молоте мощностью 3 т. В процессе производства прутков и слябов операции ковки могут быть заменены прокаткой слитков в калибровых или обжимных валках.
Заготовки для прокатки на полосу или лист подвергаются пескоструйной очистке, травлению в смеси азотной и плавиковой кислот и шлифовке для удаления местных дефектов. Слябы толщиной 62 мм нагреваются 40—60 мин. в газовой или электрической печи и затем прокатываются. Прокатку следует заканчивать без повторного нагрева, чтобы уменьшить загрязнение металла.
Примерная температура прокатки следующая:

Для циркониевых сплавов необходимо либо уменьшать величину обжатия за один проход, либо повышать температуру прокатки.
Окалина на полосах, полученных горячей прокаткой, очень прочна. Она должна удаляться песко- или дробеструйной очисткой перед стравливанием с металла слоя толщиной примерно 0,02 мм смесью азотной и плавиковой кислот. Раствор для такого травления содержит до 12% азотной и 4% плавиковой кислот.