» » Изготовление компактных полуфабрикатов и изделий из нержавеющих сталей и сплавов на основе циркония
18.01.2016

Для компактирования по ПМ ГИП-технологии быстрозакаленных порошков дуплексной нержавеющей стали Duplok 27 используют фракцию - 40 меш. Горячее изостатическое прессование осуществляют в цилиндрической капсуле из нержавеющей стали АISI 304 после ее заполнения порошком, предварительной дегазации при 315 °С, 4 ч и условиях динамического вакуума и герметизации капсулы. ГИП проводят при 1162 °С, 103 МПа с выдержкой 3 ч. Минимальные скорости охлаждения промышленных газостатов составляют 1 К/мин, тогда как максимальные достигают скорости охлаждения 100 К/мин и выше. Для регламентированного подавления выделения α-фазы в дуплексных нержавеющих сталях необходимы скорости охлаждения ~ 25 К/мнн.
Аустенитные хромоникелевые нержавеющие стали типа ЭЛ 172, ферритно-мартенситной ЭП450 компактировали методом горячего изостатического прессования капсул с предварительной дегазацией в вакууме (ГИП при температурах 1150 и 1200 °С, давлении 130 МПа, времени выдержки 2—3 ч).
Полученную заготовку подвергали экструзии на прутки и горячепрессованные трубы.
Тонкостенные трубы изготавливали холодной прокаткой по обычной технологии.
Технология получения оболочечных труб твэлов из быстрозакаленных сферических порошков (гранул) сплава циркония с 1 % N6 состоит из следующих операций:
— получения гранул методом центробежного распыления вращающегося электрода (цилиндрический слиток) при оплавлении электрической дугой в атмосфере гелия, а также распылением расплава из вращающегося гарнисажного тигля;
— рассева гранул на фракции, магнитной сепарации, обработки для удаления инородных включений;
— получения компактной трубной заготовки горячим прессованием в вакууме 6*10в-3 Па;
— горячей экструзии и последующей холодной прокатки с промежуточными отжигами;
— окончательного вакуумного отжига при 580 °С.
Выбор оптимальной схемы распыления и последующей обработки гранул, трубной заготовки обеспечивает получение твэльных труб из сплава циркония с 1 % Nb, обладающих высоким уровнем механических свойств и высокой коррозионной стойкостью.
В металлургии гранул придание распыленным сферическим порошкам формы будущего изделия до горячей обработки порошка давлением производится с использованием контейнеров-капсул. Применение таких капсул составляет основу компактирования порошков горячим изостатическим прессованием.
Длительный опыт получения изделий методом ГИП полностью подтвердил его высокую эффективность при производстве изделий из порошков быстрозакаленных сферических гранул, высокий уровень и изотропность свойств компактного материала.
Большой положительный опыт использования ГИП быстрозакаленных порошков выявил особенности, свойственные этому методу. ГИП-процесс достаточно дорог, так как используется уникальное оборудование (газостаты), в сравнении с методами холодного компактирования он менее производителен. Для получения изделий этим методом пригодны сферические распыленные порошки с насыпной массой не менее 60 %, в противном случае происходит нерегламентированная потеря устойчивости изделия, искажается его форма, неравномерно распределяется плотность.
Для применения процесса ГИП необходимо создание вспомогательного производства, обеспечивающего выпуск металлических капсул-контейнеров с толщиной стенки 3—5 мм. К капсулам предъявляют высокие требования по качеству сварки, герметичности, по соответствию форме и размерам изделия и т.п. Причем для каждого изделия, полученного методом ГИП распыленных порошков, необходимо изготовить отдельную металлическую капсулу, которую после одноразового использования удаляют механическими или химическими методами.
Горячее изостатическое прессование — многооперационный процесс. Для успешной его реализации необходимы рассев порошков, магнитная их сепарация, удаление инородных включений, дегазация порошков в вакууме, электростатическая обработка поверхности порошков.
Компактный материал из быстрозакаленных порошков, полученных методами ускоренного затвердевания (экстракцией, спиннингованием), в частности РИБЗ-порошков с целью исключения ГИП, можно получать по схеме горячего прессования в вакууме.
Горячее прессование холодиопрсссованных заготовок в высоком вакууме с индукционным нагревом их вне «теплого» инструмента возможно при низких удельных нагрузках прессования (10—20 МПа) с формированием стабильной плотности по всему телу прессованной заготовки.
В этих условиях высокая степень дисперсности структуры частиц, затвердевших при интенсивном отводе тепла со скоростями охлаждения 10в5—10в7 К/с, определяет возможность сверхпластичного деформирования быстрозакаленных порошков.
Горячее вакуумное прессование быстрозакаленных порошков применяли при получении компактной трубной заготовки сплава циркония с 1 % Nb. Дальнейшая обработка заготовок включала горячую экструзию для получения гильзы и последующую холодную прокатку с промежуточными отжигами. Окончательный отжиг труб осуществляли в вакууме при 580 °С.
Технология горячего прессования в вакууме трубных заготовок диаметром 85 мм b длиной 135 мм из распыленных порошков циркониевого сплава с 1 % Nb реализуется с использованием пресса мощностью 0,15 МН. Режим прессования: температура 900 °С (нагрев порошка в пресс-инструменте под нагрузкой со скоростью 20— 30 К/мин), давление прессования 20 МПа, вакуум 6*10в-3 Па, выдержка при максимальной температуре 5—10 мин.
При прессовании при температуре 9000С и давлении 20 МПа металл распыленных частиц, деформируясь в условиях сверхпластичности, течет в зазоры между матрицей и пуансоном шириной 0,1—0,2 мм, поднимаясь на высоту 25—40 мм.
Предварительный отжиг порошка в высоком вакууме при 1100 °С, сопровождающийся снижением дефектности структуры в результате частичной рекристаллизации, приводит к снижению плотности компактированного металла до 80 % при том же режиме горячего прессования.
При горячем прессовании в вакууме при 700 °С установлена возможность получения компактного металла за счет сверхпластической деформации быстрозакаленных порошков такого хрупкого сплава, как белый чугун (1,5 % Сr, 0,7 % 51, 0,5 % Мn, 3,5 % С).
Пустоты между сферическими частицами заполняются благодаря интенсивному перемещению поверхностных слоев частиц с резким изменением их строения. Структура внутренних объемов гранул распыленного чугуна практически не изменяется. При локальном рентгеноспектральном анализе зафиксировано обогащение зон с интенсивной деформацией металла (поверхностных слоев) хромом и углеродом. Причиной повышения содержания этих элементов является в основном диффузия их в зону интенсивной локальной деформации металла.
При компактировании быстрозакаленных порошков хрупкого чугуна с 3,5 % С и малопластичной эвтектоидной стали методом горячего вакуумного прессования при 700 °С особенности их структуры (высокая дисперсность и достаточно высокая стабильность структуры) определяют способность к сверхпластичному деформированию при скорости деформации 0,25—20 %/мин с удлинением для образцов эвтектоидной стали 550 % и чугуна 150 %.
Компактирование более крупных изделий, например диаметром до 250—300 мм, возможно по аналогичной схеме на прессе 5 МН, а диаметром 550—600 мм — на прессе 25 МН при тех же давлениях.
Предельные размеры изделий зависят от времени нагрева порошков до температуры предстоящей деформации. Превышение некоторого критического времени приведет к рекристаллизации оптимальной исходной структуры порошков и невозможности их сверхпластичного деформирования.
Осуществление в промышленных условиях горячего прессования заготовок из распыленных порошков в высоком вакууме при массовом производстве требует одновременного решения вопроса об отмене смазки инструмента, использования покрытий. Прессование распыленных порошков без смазки инструмента при индукционном нагреве его и компактируемых порошков до 900 °С сопровождается истечением металла в зазоры без каких-либо следов схватывания из-за уменьшения трения на защищенных покрытиями поверхностях инструмента.
Технологические схемы с использованием быстрозакаленных порошков, полученных методами сверхбыстрого (ускоренного) затвердевания в виде чешуек (ВЗР- и РИБЗ-порошки), волокон, лент, при их механическом измельчении, представляют наряду с металлургией гранул перспективное направление развития порошковой металлургии.