鋯合金塑型變形加工感應研究

摘 要：鋯合金作為結構特性十分優異的材料之一，憑借其超強的結構塑性，得到了航天、交通以及國防等越來越多行業的廣泛青睞和應用。鋯合金塑型變形加工有著自身的特點，本文根據鋯合金的基本結構特性，對其分類特征和感應加熱的內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展提供了嚴謹的理論基礎。

關鍵詞：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

鋯合金具有優異的核性能，具備熱中子截面小的優勢，可以有效確保核反應堆中有著足夠的中子數量，來維持不間斷的正常運轉。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;其次在膨脹系數方面，鋯的膨脹系數僅為低碳鋼的一半，鈦的三分之二;最后鋯在熱態化學方面，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，其可以根據鋯自身的物理冶金特征內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，提高工藝的質量。隨著社會科技的不斷發展和進步，感應加熱的方式已經得到了不同行業的認可，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范內容

2.1鑄錠鍛造前對鋯合金的感應加熱

破壞鑄態組織，合理消除疏松，將不規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，會出現不同的問題，較為常見的則為以下兩種，其一常規大氣環境的加熱過程中，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或步進式加熱以及周期性加熱方式。在連續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下出現裂紋等現象。而高溫段的鋯合金柸料則存在著氧化的現象，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工件的報廢，繼而引發不必要的經濟損失。由此可見，鋯合金感應加熱溫度的測量十分重要。現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容和必要措施。

4.結束語

綜上所述，鋯合金作為未來我國社會科技領域和諸多行業的重要金屬用材之一。其自身具備較為多樣性的結構屬性，并在塑型變形加工感應的調控中，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。只有遵循其發展屬性和發展目標，才可以實現鋯合金材料的利用率最大化，繼而為行業提供更加優質的服務。

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. 核級鋯合金研究現狀及我國核級鋯材發展方向[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量無損檢測方面。