Ковка и штамповка циркония

По температуре плавления (1845+25°С) цирконий является тугоплавким металлом, но вследствие полиморфности не может служить основой для жаропрочных сплавов.

До температуры 863±30° С у а-циркония гексагональная плотно упакованная решетка, а в-цирконий от температуры 863±30° С до температуры плавления имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Плотность циркония 6,5 г/см³ (6500 кг/м³), температура рекристаллизации 500—600° С. Из-за высокого химического сродства с гафнием, вследствие близости атомных радиусов, цирконий может содержать до 3% гафния. Цирконий, не содержащий гафния, как наиболее дорогой, применяют  только в ядерной энергетике.

Легирующие добавки и примеси способствуют образованию двухфазной структуры. В реакторостроении применяют сплавы типа циркалой, из которых изготовляют оболочки тепловыделяющих элементов и различные детали активной зоны реактора.

Главным преимуществом циркония является малое поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов (0,18 барн) и высокая коррозионная стойкость в жидкостях.

Исходя из высокого содержания циркония в земной коре (около 0,02%), можно ожидать, что цирконий в ближайшие годы станет обычным конструкционным материалом. Обработка циркония при высоких температурах затрудняется вследствие его активной реакции с кислородом и азотом.

Слитки круглого и прямоугольного сечения получают дуговой плавкой с расходуемым электродом в медных водоохлаждаемых тиглях, футерованных цирконием. Лучшие результаты получают плавкой в вакууме. Качество металла улучшают двухкратной переплавкой.

Заготовки можно получать следующим способом: цирконий нагревают до 800° С в очищенном водороде; образующийся рыхлый дигидрид циркония размалывают в порошок. Для получения сплава к порошку примешивают легирующие добавки, создавая смесь, которую затем нагревают до 1200--1300° С и спрессовывают под давлением 32—90 кг/мм² (314—882 Мн/м²). Плотность такой заготовки близка к теоретической.

Основной недостаток спеченных заготовок состоит в загрязненности их кислородом, снижающим пластичность, и азотом, уменьшающим коррозионную стойкость.

Резку мерных заготовок можно производить механическими ножовками или отрезными карбидными резцами.

Перед нагревом слитки обдирают на станке, снимая поверхностные дефекты. Небольшие местные дефекты устраняют обдиркой абразивным камнем. Иногда очистку слитка производят травлением в растворе фтористоводородной и азотной кислот или сплавляют дефектную поверхность слитка сварочной дугой, применяя электроды с вольфрамовыми наконечниками.

Нагрев циркония обычно производят в электропечах сопротивления. Пламенного нагрева следует избегать. Если нагрев ведется длительное время, то слиток (или заготовку) заключают в оболочку. Медные оболочки применяют при нагреве до температуры 870 С^о, а с повышением температуры до 900—950° С используют никелевые оболочки.

Температуры и длительность нагрева назначают в зависимости от размеров заготовки и вида сплава, например слитки нелегированного циркония диаметром 75—100 мм, весом (массой) до 6 кг до температуры 800—850° С нагревают в течение  часа. Для слитков таких размеров из низколегированного сплава температуру нагрева увеличивают до 850—950° С.

Слитки диаметром до 250 мм нагревают до повышенных температур (около 1000° С), доводя длительность нагрева до 2 часов. Нагрев при температурах, близких к 1000° С, рекомендуется вести в вакууме, особенно если диаметр слитков большой (300 мм) и для прогрева металла необходима выдержка 2—3 часа при ковочной температуре.

Цирконий и его сплавы обрабатывают ковкой и штамповкой на прессах, молотах, ротационно-ковочных машинах, а также подвергают прессованию, волочению и прокатке. Высокая пластичность циркония характеризуется следующими примерами из практики. На гидравлическом прессе изготовляли с одного нагрева слябы толщиной 65 мм из слитка диаметром 300 мм, а также слябы сечением 50 X 100 мм из слитков с диаметрами 75—100 мм.