鋯合金塑型變形加工感應研究

摘 要：鋯合金作為結(jié)構(gòu)特性十分優(yōu)異的材料之一，憑借其超強的結(jié)構(gòu)塑性，得到了航天、交通以及國防等越來越多行業(yè)的廣泛青睞和應用。鋯合金塑型變形加工有著自身的特點，本文根據(jù)鋯合金的基本結(jié)構(gòu)特性，對其分類特征和感應加熱的內(nèi)容進行了進一步的研究，并在感應加熱溫控以及測溫分析的基礎上，確定了科學的加熱頻率、加熱時間以及加熱方案，為鋯合金的進一步發(fā)展提供了嚴謹?shù)睦碚摶A。

關(guān)鍵詞：鋯合金;塑型;變形加工;感應

1.鋯及鋯合金的概念和感應加熱特征

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

鋯在化學元素周期表中與鈦元素處于同一族，因此，在化學性質(zhì)上也存在著一定的相似性。在對鋯進行塑型變形感應加熱的過程中，會呈現(xiàn)以下特征：首先鋯的密度于鈦和低碳鋼相比要低的多，鈦合金的導熱率在不同溫度下，其導熱時間也要遠少于不銹鋼;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)化學方面，與鈦合金相比有著更高的化學活性，高溫下的親和力也更強，在氧化性氣溫的加熱中，可產(chǎn)生強烈的吸氫性能。在對鋯及鋯合金進行加熱的過程中，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到良好的力學指標。而感應熱則是對鋯合金進行拉拔、擠壓以及鍛造的最好方式，可以在縮短加熱時間的基礎上，提高工藝的質(zhì)量。隨著社會科技的不斷發(fā)展和進步，感應加熱的方式已經(jīng)得到了不同行業(yè)的認可，甚至得到了諸多領域的重用[2]。

2.鋯合金塑型變形前感應加熱的規(guī)范內(nèi)容

2.1鑄錠鍛造前對鋯合金的感應加熱

破壞鑄態(tài)組織，合理消除疏松，將不規(guī)則的柱狀晶粒進行均勻的鍛造，是柸料鍛造的主要目的。而在二次鍛造的過程中，則對于合金成分偏析的第二相顆粒進行進一步鍛造，確保細小顆粒的等軸性。在對柸料進行鍛造前實施感應加熱，可以以緩慢的方式逐步增加加熱的溫度，直至達到可以進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，為了達到最好的工藝效果，要避免進行重復加熱[3]。

2.2鋯合金進行擠壓前的感應加熱

鋯合金在進行擠壓前，有著以下幾點工藝要求：首先在對柸料進行擠壓前，要達到加熱的均勻性，一般情況下擠壓的溫度不能超過徑向溫差的3%。其次在鋯合金擠壓前進行熱感應的過程中，會出現(xiàn)不同的問題，較為常見的則為以下兩種，其一常規(guī)大氣環(huán)境的加熱過程中，柸料的氧化速度會隨著溫度的升高而不斷加快，甚至對周圍的氫、氮等氣體進行吸收。其二是在鋯合金塑型變形抗力不斷增大的過程中，有著較強的粘性，而流動性卻較差，因此在擠壓的過程中，需要進行潤滑。為了進一步減少以上兩個問題的影響，可以采取以下相關(guān)措施，對鋯合金進行擠壓前的感應加熱處理。即采取包覆銅套和涂敷涂層的方式進行針對性的處理。包覆銅套是用厚度為1毫米的銅皮對鋯合金柸料的內(nèi)孔和表面等進行覆蓋，并通過化學處理方式進行流動性和延展性的提升。涂敷涂層則是在鋯合金柸料的內(nèi)孔以及表面進行石墨、粘附劑等成為的包覆，此方式有著處理方式簡單的優(yōu)點。但值得一提的是包覆的方式，盡管有著較好的流動性和延展性，但卻增加了鋯合金熱感應的時間周期。因此涂敷涂層的方式更加受行業(yè)歡迎[4]。

2.3鋯合金分段感應熱的加熱方式

鋯合金分段感應熱加熱的方式常見為連續(xù)或步進式加熱以及周期性加熱方式。在連續(xù)或步進式加熱的過程中，鋯合金柸料若橫截面超過了10厘米，則需要以600度的溫度為分界點，即600度以下為低溫鍛造段，600度以上為高溫鍛造段，通過材料不同的屬性，進行鍛造方式的選擇，繼而達到塑型變形的溫度。鋯合金低溫段的導熱過程中，需要用較長的感應器，這樣可以避免鋯合金柸料在溫度過高過快的狀態(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間。

周期式加熱則是在鋯合金柸料在機械實際感應熱前，通過周期加熱的方式對其進行沖擊式加熱。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程中所丟失的熱量，科學提高熱效率。周期式加熱，顧名思義實在鋯合金柸料表面溫度降低至一定值時，在將功率進行提升，使表面溫度達到一定需求，并通過反復的形式進行動脈式加熱，減少總加熱時間的同時，達到應有的工藝目標需求。

3.鋯合金感應加熱的測溫及溫控研究

鋯合金塑型變形在進行加工的過程中，會受到內(nèi)在以及外在多種因素的影響。而鋯合金的材料價格十分昂貴，因此在對其進行感應熱的溫控和測溫的同時，要十分謹慎，避免有溫度控制不當而引發(fā)工件的報廢，繼而引發(fā)不必要的經(jīng)濟損失。由此可見，鋯合金感應加熱溫度的測量十分重要。現(xiàn)階段常見的測溫方式為雙色測溫。溫控作為測溫過程過程中的必要步驟，也是影響整個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

綜上所述，鋯合金作為未來我國社會科技領域和諸多行業(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的調(diào)控中，形成了不同的材料類型。而作為造價頗高的金屬用材，在對其進行塑型變形感應加熱的過程中，也需要根據(jù)不同鋯合金柸料的厚度和目標需求，進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，才可以實現(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。

參考文獻

[1] 李韻豪. 鈦及鈦合金塑性變形加工的感應加熱（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. 核級鋯合金研究現(xiàn)狀及我國核級鋯材發(fā)展方向[J]. 金屬世界，2016（3）：24-28.

作者簡介：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)量無損檢測方面。