發(fā)布日期：2022-3-7 16:47:34
地殼中含鋯元素約 0.026%，總含量為銅的 2.5倍 。 鋯的熔點較高 、 密度適中 、 強度優(yōu)良 、 膨脹系數(shù)低 、 彈性模量小，并在較高溫度下的多種介質(zhì)中具有良好的耐蝕性 ； 鋯及鋯合金具有優(yōu)異的壓力加工和機械加工性能，可加工成現(xiàn)代工業(yè)所需的多種鋯鍛件與型材 。
目前, Zr-Sn 系和 Zr-Nb系兩類鋯合金生產(chǎn)工藝相對比較成熟 。 Zr-Sn系常見牌號有Zr-2 、 ZrV,Zr-Nb系的典型牌號代表是 Zr-2.5Nb在 Zr-Sn 系合金中，合金元素錫 、 鐵 、 箔 、 鎳的加入可提高材料強度 、 耐腐蝕性和耐蝕膜的導(dǎo)熱性，還能減弱材料表面的腐蝕敏感性 。
1、鋯合金材料加工技術(shù)
1.1 鋯合金擠壓成形
鋯合金在核反應(yīng)堆中主要用于結(jié)構(gòu)材料的包殼件等，是反應(yīng)堆所用材料中的的核心材料之一,這些包殼等組件大部分為鋯合金管材和鋯棒材，約占其使用總量的 75%~80% 。這些管材和鋯棒材都是通過經(jīng)擠壓成形加工得到的，大部分鋯合金都具有較好的擠壓成形性能 。
核工業(yè)中常用的鋯合金材料一般流動性較差 在擠壓工藝中容易產(chǎn)生產(chǎn)品質(zhì)量缺陷或擠壓力過大，導(dǎo)致悶車 。 因此，鋯合金的擠壓工藝要求鑄錠及 模具在擠壓前要采用充分的潤滑措施 。 為此，中國重型機械研究院股份公司研究找出了一種鋯合金擠壓專用潤滑劑:主要包含二硫化鋁 、 玻璃粉 、 石墨 、 水 、粘附劑 。 再利用合理的潤滑工藝，可有效避免擠壓過程中金屬粘針 、 粘筒 、 粘模等現(xiàn)象的產(chǎn)生。
1.2 鋯合金鍛造成形
鍛造加工作為鋯合金產(chǎn)品生產(chǎn)的重要一步，其主要作用是破碎鑄態(tài)組織 、 提高金屬的綜合性能，即在獲得合理坯料尺寸的同時，為后續(xù)淬火 、 擠壓及軋制過程提供必要的組織基礎(chǔ)叫實際生產(chǎn)中,為保證鍛件產(chǎn)品質(zhì)量，鑄錠和變形坯料的加熱應(yīng)制定合適的加熱規(guī)范，并控制好加熱爐內(nèi)氣氛 。 當保持其他工藝參數(shù)不變時，不同的鍛前加熱制度對鋯合金坯料的組織和性能有重要影響 。
1.2.1 鍛造工藝流程
海綿鋯通過高溫熔煉之后后得到的鋯鑄錠，因其內(nèi)部存在夾雜 、 疏松等鑄造缺陷，導(dǎo)致其組織性能較差，因此鋯合金鑄錠也要經(jīng)過大的鍛造變形和熱處理工藝使其獲得理想的內(nèi)部組織狀態(tài)，便于進一步的加工成形 。 由目前的研究生產(chǎn)結(jié)果可知，鋯及鋯合金的自由鍛工藝性能較好，其鍛造工藝流程如圖 1所示 。
1.2.2 鍛造工藝參數(shù)和設(shè)備
由于鋯及鋯合金在熱態(tài)下的化學活性較大，考慮到鍛前加熱質(zhì)量，因此在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的鋯及鋯合金鍛前加熱一般采用中 、 高溫的電阻爐，可以精確控制爐子溫度及加熱速度 。 鋯合金鑄錠一般采用兩段式加熱規(guī)范，當其表面溫度達到預(yù)定加熱溫度后再進行一定時間的保溫 , 保溫時間不能太長 ,以免鋯合金表面被過分氧化 。 表 1 是鋯合金在電阻爐中加熱時的工藝參數(shù)。
由于體心立方的 β-Zr 比密排六方的α-Zr 塑性高 、 變形抗力低，因此，鋯合金的鍛造加熱和主要變形均是在β相區(qū)進行，鍛造溫度一般控制在950-1100℃, 首次終鍛溫度不能低于 700℃，之后可以適當降低 。
鋯合金的高溫變形性能相對較好，鍛造加工采用的設(shè)備沒有特殊要求，可選用黑色金屬及有色合金常用鍛壓設(shè)備，比如鍛錘 、 機械壓力機和液壓機等 。
2、鋯合金的應(yīng)用情況
因鋯合金具有很低的熱中子吸收截面積和很好的抗腐蝕性能 , 所以它在核工業(yè)中應(yīng)用比較多 , 核反應(yīng)堆中鋯合金零部件主要包括燃料包殼管 、 控制棒 導(dǎo)向管 、 壓力管 、 元件盒及其它結(jié)構(gòu)材料等 。 除了傳統(tǒng)的 Zr-4 合金外 , 核工業(yè)用鋯合金逐漸衍生出了新型的高性能鋯合金，例如 NZ2 和 NZ8, 研究發(fā)現(xiàn)用該材料加工得到的工件在高溫水及高溫蒸汽環(huán)境中的耐腐蝕性能更優(yōu)。
在深海和空間探測領(lǐng)域等特殊環(huán)境下長期服役的組件一般會面臨疲勞損傷 、 氧原子侵蝕和磨損等問題叫原有技術(shù)使用的 20Cr 等合金鋼已經(jīng)無法滿足這些構(gòu)件的壽命要求，而鋯及其合金具有熱膨脹系數(shù)小 、 抗輻照損傷等潛質(zhì)，在空間探測等特殊領(lǐng)域的非常規(guī)環(huán)境下具有很大的使用潛力，尤其是新研發(fā)的高強韌鋯合金(如 Zr45Ti5A13V ) , 使用優(yōu)勢更加明顯 。
由于鋯及其合金對各種酸質(zhì)環(huán)境耐腐蝕性強 ，因此在化工領(lǐng)域的應(yīng)用也非常多，例如閥門 、 耐酸泵 、 耐熱泵 、 熱交換管 、 攪拌器和噴嘴等 。 鋯在醋虹業(yè)中廣泛應(yīng)用于設(shè)備 、 管道 、 反應(yīng)器 、 容器 、 攪拌器 、換熱器 、 泵和閥門等醋酸裝置中用到的鋯合金牌號主要為 ZrR60702 和 ZrR60705, 一般多采用ZrR60702, 在強度要求較高的場合一般采用ZrR60705。
另外，鋯在牙科領(lǐng)域也一直占有重要的應(yīng)用地位 。 由于氧化鋯具有一定的化學穩(wěn)定性和生物相容性，氧化鋯陶瓷已經(jīng)成為非常暢銷而受歡迎的牙科材料 。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)α+β 雙相和β單相鋯合金與我們?nèi)梭w的肌肉 、 骨骼和腦組織有很好的生物相容性 。 此外 , β單相合金與α單相合金相比具有較好的耐蝕性 及耐磨性，是一種非常有潛力的外科植入用合金，可以在生物醫(yī)用材料和醫(yī)療器械中使用。
3、鋯合金塑性成形技術(shù)關(guān)鍵
鋯合金塑性成形方法主要包括鍛造 、 擠壓和軋制 。 影響其塑性加工變形的因素較多，主要有應(yīng)變速率 、 溫度 、 相變狀態(tài)及摩擦狀況等 。 還有學者研究發(fā)現(xiàn) ZrTiAIV 合金在應(yīng)變速率為10-2s-1變形溫度為1000℃時進行熱壓縮后的耐腐蝕性比其他溫度條件下更高問 。 除此之外，變形程度,或是變形道次，也是一個重要影響因素 。
鋯及鋯合金在高溫下化學活性非常高，因此在熱塑性變形時，要做好抗氧化保護，比如在材料表面涂覆玻璃潤滑劑，不僅可防止氧化，還可起到潤滑作用 。 對于鋯合金結(jié)構(gòu)鍛件的成形，除了加熱環(huán)節(jié)外,鍛造工藝與鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計無疑也是影響鋯合金鍛件生產(chǎn)成本及材料利用率的關(guān)鍵因素 。
4、結(jié)語
從現(xiàn)有研究情況可知，鋯合金應(yīng)用已經(jīng)涉及到了國民經(jīng)濟以及國防建設(shè)的諸多領(lǐng)域，除了核工業(yè)以及化工產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用比較成熟外，在航空航天以及醫(yī)學方面的應(yīng)用也逐步深入，尤其是新型高強韌鋯合金材料的研究發(fā)現(xiàn)，更是推進了鋯合金的廣泛應(yīng)用 。
促進鋯合金應(yīng)用的關(guān)鍵是鋯合金制品的加工成形 。 鍛造成形是鋯合金塑性加工的重要環(huán)節(jié)，但對于鋯合金的可鍛性 、 應(yīng)變速率和成形力的影響關(guān) 系，以及鋯合金工藝塑性和變形抗力的牽制影響規(guī)律等內(nèi)容亟需進行詳細研究 , 以提高鋯合金鍛件的成形質(zhì)量 , 拓展鋯合金在更多特殊環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用 。
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