» » Получение изделий из бериллия
28.04.2015

Тщательными исследованиями было установлено, что из литого бериллия могут быть получены изделия с относительно невысокими механическими свойствами. Поэтому единственно возможным методом получения качественных изделий оказался метод порошковой металлургии.
Для получения бериллиевых изделий можно применять различные варианты этого метода:
1) холодное прессование, спекание и обработка полученных заготовок давлением с подогревом ниже или выше температуры рекристаллизации;
2) горячая обработка давлением непосредственно порошка;
3) горячее прессование в вакууме с применением небольших удельных давлений;
4) горячее прессование на воздухе с применением больших удельных давлений;
5) прессование в вакууме при умеренных температурах и относительно небольшом удельном давлении (так называемое «теплое» прессование).
Попытки приготовлять порошки бериллия непосредственно из металла, получаемого магниетермическим методом, оказались неудачными из за явно выраженной интеркристаллитной коррозии в изделиях, являвшейся следствием наличия в таких порошках небольшого количества шлака.
Поэтому современная техника производства бериллиевых заготовок обязательно включает вакуумную плавку и получение слитков главным образом для удаления из чернового металла остатков шлака и магния.
Слитки получают плавкой бериллия в тиглях из окиси бериллия в вакуумной индукционной печи при остаточном давлении 100—500 мк. Металл отливают через отверстие в дне тигля, закрываемое в процессе расплавления металла пробкой из окиси бериллия (так называемый «донный розлив»). Отливку производят в теплоизолированную графитовую изложницу. Скорость остывания изложницы является очень важным фактором, так как быстрое остывание влечет за собой растрескивание слитка, а слишком медленное — получение крупнозернистой структуры и частичное прохождение реакции взаимодействия металла с графитом изложницы.
Можно также проводить переплавку бериллия в атмосфере аргона при давлении 20 мм рт, ст. при температуре 1500—1550°.
Наиболее чистый бериллий получается при дистилляции технического металла в вакууме. Испарение бериллия при температуре 1300—1400° и остаточном давлении порядка 1*10в-5 мм рт. ст. происходит со скоростью около 0,3 г/час на 1 см2 поверхности металла Конденсация бериллия производится при высокой температуре при обогревании конденсатора электрическим током, пропускаемым через молибденовую обмотку. Наиболее чистый бериллий конденсируется в зоне с температурным интервалом 1120—1150° В верхней части дефлегматора в температурном интервале 900—1000° конденсируется основная масса примесей алюминия и марганца.
Дистилляция в вакууме позволяет получать бериллий высокой чистоты. В табл. 11 приведены результаты анализа исходного и дистиллированного бериллия
Для изготовления порошка крупностью около — 200 меш слиток обтачивают на токарном станке, а полученную стружку измельчают в атмосфере сухого азота истиранием в дисковом истирателе, водоохлаждаемые диски которого футерованы бериллием.
Прочность и пластичность бериллиевых изделий, получаемых методом металлокерамики, зависят от величины зерна, которая регулируется главным образом величиной частиц исходного порошка.
Получение изделий из бериллия

Литой бериллий, заключенный в стальной контейнер, также можно ковать, прокатывать и выдавливать в нагретом состоянии Выдавливанием из него можно получать бруски, прутки, пластины и трубы За готовки помещают в контейнер и подвергают выдавливанию в интервале температур от 815 до 1100° через коническую или колоколообразную матрицу. Бруски, пластины, прутки и трубы можно изготовлять непосредственно из хлопьевидного бериллия или из бериллиевого порошка. Для этого частицы металла вначале прессуют в стальных пресс-формах, а затем выдавливают так же, как и литой металл.
Заготовки, получаемые методом металлокерамики, являются в настоящее время основным видом промышленной бериллиевой продукции. Большую часть таких заготовок получают горячим (1000—1150°) прессованием в вакууме, после чего они могут быть обработаны выдавливанием, прокаткой или ковкой с нагревом до температуры 1000—1150° в контейнерах так, как это было описано для литого металла.
Основным критерием при определении качества готовых бериллиевых изделий является их плотность, которая лежит в пределах от 1,83 до 1,845 г/см3 (плотность бериллия, содержащего обычные примеси, составляет 1,845—1,855 г/см3).
Влияние величины зерна исходного порошка на характеристику получаемых брикетов, спрессованных из бериллиевого порошка на холоду, показано на рис. 18, а. Прессование при повышенных температурах еще больше увеличивает плотность брикетов, как это показано на рис, 18, б.
Прессование при высоких температурах в вакууме не только предохраняет порошок от окисления, но и значительно снижает необходимую величину давления прессования. Так, например, при остаточном давлении 50 мк рт ст давление прессования составляет 7 кг/см2, в то время как при прессовании на воздухе для достижения полной плотности необходимо давление 105—140 кг/см2.
Прессование в вакууме при высокой температуре резко снижает также и продолжительность прессования.
Холодное прессование бериллиевого порошка требует применения больших давлений и последующего спекания заготовок в вакууме при высокой температуре.
Влияние температуры спекания на плотность брикетов показано в табл. 12.
Получение изделий из бериллия
Получение изделий из бериллия

Механические свойства при комнатной температуре горячепрессованных и горячевыдавленных заготовок, полученных методом порошковой металлургии, приведены в табл. 13. Горячевыдавленные заготовки обладают наиболее высокими механическими свойствами, достигнутыми как горячепрессованный металл анизотропен и обладает значительно в настоящее время для бериллиевых изделий. Это объясняется тем, что горячевыдавленный металл имеет изотропную структуру, в то время более высокими механическими свойствами в направлении прессования, как это видно из приведенных в табл. 13 данных. Полученные из порошка мелкозернистые заготовки представляют собой материал легко под дающийся обработке резанием, в то время как литой металл обрабатывается с большими трудностями Это является, очевидно, следствием более мелкозернистой структуры по сравнению с очень крупной кристаллической структурой, свойственной литому металлу.
Поскольку опубликованные сведения об аллотропическом превращении бериллия не вполне убедительны, единственным возможным способом его термообработки является рекристаллизация деформированного материала (в интервале температур от 700 до 900°). Данные о влиянии температуры выдавливания и термообработки на свойства отлитого и затем выдавленного бериллия приведены в табл. 14.
Получение изделий из бериллия

Механические свойства при повышенных температурах бериллия, горячевыдавленного из хлопьевидного металла, а также из порошка и бериллиевых отливок, приведены в табл. 15. Испытания, результаты которых помещены в этой таблице, были проведены в интервале температур от 16 до 800°. Необходимо отметить, что при температуре 400° удлинение достигает максимальной величины и затем падает при более высоких температурах. Наибольшей величиной прочности в поперечном направлении обладает материал, полученный выдавливанием из хлопьевидного металла и порошка.
Получение изделий из бериллия

Бериллий поддается точечной рельефной и стыковой сварке, а так же сварке швом. Контактная сварка может быть применена главным образом для тонкого листового материала.
Сравнение механических свойств горячевыдавленного бериллия как потенциального конструкционного материала со свойствами других конструкционных материалов и сплавов в интервале температур от 260 до 500° представлено в табл. 16.
Одним из основных требований, предъявляемых к бериллиевым изделиям, применяемым в ядерных реакторах, является их жаростойкость, в значительной мере зависящая от плотности. В России разработано несколько вариантов технологии получения изделий с максимальной плотностью, приближающейся к теоретической. С этой целью, а также для обеспечения дегазации металла, применен метод горячего прессования в вакууме. Горячее прессование производится в графитовых пресс-формах с применением индукционного нагрева до 1100°, При этой температуре пластичность металла настолько повышается, что для получения практически беспористого тела можно ограничиться давлением прессования около 50 кг)см2.
Получение изделий из бериллия

Для устранения остаточных термических напряжений после горячего прессования применяется вакуумный отжиг изделий при 1100° с последующим медленным охлаждением. Такая обработка повышает одновременно жаростойкость бериллиевых изделий, предназначенных для длительной эксплуатации в условиях высоких температур.
Для получения изделий высокой плотности, применяемых при более низких температурах, используется метод теплого прессования порошка бериллия на воздухе при температуре 600° под давлением 5 т/см2 в пресс формах из жаропрочных сплавов. Изготовление пресс форм для изготовления изделий по такому методу весьма трудоемко. Этот метод позволяет применять весьма простую аппаратуру и обеспечивает получение изделий с плотностью, близкой к теоретической (1,84—1,85 г/см3).
Для получения изделий с такой же плотностью из дегазированного бериллия разработан метод предварительного вакуумного спекания брикетов, спрессованных на холоду из порошка. Последующая горячая калибровка спеченной заготовки производится на воздухе в пресс-формах из жаропрочного сплава. Условия горячего калибрования аналогичны условиям горячего прессования. Для двух последних вариантов технологии целесообразно дополнительно производить отжиг изделий в вакууме при температуре 1100° с последующим медленным охлаждением, эта операция снижает твердость изделий на 10—15 HB.
Для получения изделий, работающих при наиболее низкой темпера туре, можно использовать самый простой вариант металлокерамического метода, позволяющий получать заготовки с небольшой остаточной пористостью (плотность 1,76—1,82 г/см3). В этом случае порошок бериллия прессуют в стальных пресс формах под давлением 15 т/см2. За тем брикеты в вакууме при температуре 1150—1200° подвергают калибровочному прессованию на холоду под тем же давлением и отжигают в вакууме при температуре 1000—1100°.
Из полученных металлокерамическим методом заготовок горячим выдавливанием получают бериллиевые прутки и трубы. Установлено, что оптимальная температура выдавливания составляет 500—600°. Степень деформации равна 85%. Матрица имеет входной конус с углом 60— 90°, плавно переходящий в цилиндрическую часть. Прутки, полученные выдавливанием, имеют пористость менее 0,5—1%. Наиболее плотные отожженные изделия имеют твердость 90—115 HB. Сопротивление при растяжении для отожженных образцов составляет 50—70 кг/мм2, а для выдавленных прутков 65—90 кг/мм2 в зависимости от степени сбжатия.
Для повышения жаростойкости изделий из бериллия и одновременного обеспечения их высокой плотности разработаны также способы легирования бериллия специальными добавками в процессе его переплавки и способы нанесения на изделия защитных покрытий. Эти способы применимы для повышения жаростойкости изделий, имеющих и некоторую остаточную пористость. Обработанные таким образом бериллиевые изделия выдерживают на воздухе в течение нескольких тысяч часов воздействие повышенной температуры.