CN101492778B - 一种提高锆及锆合金抗拉强度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高锆及锆合金抗拉强度的方法，涉及一种锆及锆合金的制备方法，用于核电、冶金、石油化工等领域用锆及锆合金的制备过程。其特征在于锆及锆合金冶炼中添加二氧化锆，控制锆及锆合金中氧元素的重量含量为0.08％～0.3％。本发明的方法，从控制锆及锆合金材的氧含量入手，锆及锆合金锭熔炼过程中添加二氧化锆，通过控制其加入量以控制锆及锆合金氧含量，生产的锆锭氧元素分布均匀，无夹杂等冶金缺陷。本发明具有操作简便、控制准确、稳定等显著优点，解决了氧元素在锆锭冶炼中的添加问题，生产的锆及锆合金材不影响锆材料耐蚀性等性能的前提下，有效提高了其抗拉强度等常规性能，可以满足工业领域锆材的使用需要。

Description

一种提高锆及锆合金抗拉强度的方法

技术领域

一种提高锆及锆合金抗拉强度的方法，涉及一种锆及锆合金的制备方法，用于核电、冶金、石油化工等领域用锆及锆合金的制备过程。

背景技术

锆是一种过渡族元素，属于元素周期表中的IV-B族元素，它既是一种稀有金属，又是一种战略金属。锆具有良好的可塑性和强的抗腐蚀性，耐蚀性优于钛，实验研究及典型事例已证明，锆在许多常用的酸、碱介质中具有优异的耐蚀性，锆在这些介质中的特性十分独特，它还可以在酸、碱互换条件下使用，如锆在温度低于100℃时能耐抗各种浓度的盐酸、硝酸以及浓度低于50％硫酸的侵蚀，锆被认为是在所有的醋酸溶液中最耐蚀的材料。锆还具有特殊的核性能，与核燃料有优良的相容性，具有极小的热中子捕获截面(0.18×10-28m²)，同时其耐辐照性能也很好，加上锆在高温下有较好的吸气性以及良好的抗腐蚀性和加工性能等，锆材料被广泛用作水冷动力堆的包壳材料和堆芯结构材料，是核电站的重要应用材料。因此，锆广泛用于核能、航天、航空、舰船、电子、机械、冶金、化工、纺织、造纸、医学等行业，具有广阔的前途。

根据市场需求预测，国内外核能、舰船、石油化工等行业锆材总需求量将持续增长，为锆产业提供了极为广阔的发展空间。而目前我国无完整的工业用锆材工业化生产体系，国内使用的核级核工业级锆材主要依赖国外进口，这在很大程度上制约了我国锆工业的发展。

目前，在锆及锆合金的生产领域，使用海绵锆生产的锆锭加工成的锆材，虽具有良好的塑性，但其抗拉强度等性能偏低，影响锆材的工业应用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种在能有效保持良好耐蚀性和塑性的同时，有效提高抗拉强度的提高锆及锆合金抗拉强度的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种提高锆及锆合金抗拉强度的方法，其特征在于锆及锆合金冶炼中添加二氧化锆，控制锆及锆合金中氧元素的重量含量为0.08％～0.3％。

由于锆及锆合金的制备，通常是采用海绵锆或加入中间合金制备而成，由于海绵锆中氧等元素含量较低，仅约0.08％(wt)以下，使用海绵锆生产的锆锭加工成的锆材，虽具有良好的塑性，但其抗拉强度等性能偏低，影响锆材的工业应用。

习惯义为氧通常被看作杂质元素，但研究结果表明，在锆及锆合金中，氧作为合金元素更为合理。氧是一种α稳定元素，它在锆中占据八面体间隙，形成间隙固溶体，扩展α相区，并有较大的溶解度，所以，具有显著的强化作用，能增强锆材抗拉强度等综合性能，当氧含量为0.1％，合金的室温屈服强度可增加150MPa。控制一定范围内锆中氧含量，不但不影响锆的耐蚀性，而且能适当提高锆材的强度。当氧含量达0.5％时，对锆的耐蚀性影响甚微，仅当氧含量超过1.0％时，对锆的腐蚀速度有强烈影响。因此，在不影响锆材料耐蚀性等性能的前提下，可通过控制一定含量的氧含量来提高其抗拉强度等常规性能，以满足工业领域锆材的使用需要。

本发明的一种提高锆及锆合金抗拉强度的方法，其锆及锆合金制备步骤包括将制备锆及锆合金的海绵锆及中间合金原料压制成电极块，将电极块焊接成电极，进行真空电弧炉熔炼成铸锭过程，其特征在于其过程还包括将制备锆及锆合金的海绵锆及中间合金原料进行含氧量分析，按设计合金所需要的氧成分配入二氧化锆粉。

本发明的一种提高锆及锆合金抗拉强度的方法，其特征在于所述制备锆及锆合金的海绵锆及中间合金原料中添加二氧化锆，其粒度≤0.5mm。

本发明是在锆中添加少量二氧化锆，因二氧化锆化学性质稳定，是典型的难熔、难蚀化合物，熔点高达2680～2700℃，若控制不当极易产生夹杂冶金缺陷，严重影响锆材应用。本发明采用控制二氧化锆粉粒度、电极中二氧化锆分布均匀度、控制锆锭生产过程各工序氧化等措施，可有效防止夹杂缺陷。实际生产中应根据需要的不同合理控制锆中氧元素含量，以满足不同场合锆材的使用要求。

本发明的方法，从控制锆及锆合金材的氧含量入手，锆及锆合金锭熔炼过程中添加二氧化锆，通过控制其加入量以控制锆及锆合金氧含量，生产的锆锭氧元素分布均匀，无夹杂等冶金缺陷。本发明具有操作简便、控制准确、稳定等显著优点，解决了氧元素在锆锭冶炼中的添加问题，生产的锆及锆合金材不影响锆材料耐蚀性等性能的前提下，有效提高了其抗拉强度等常规性能，可以满足工业领域锆材的使用需要。

具体实施方式

一种提高锆及锆合金抗拉强度的方法，在锆锭冶炼中添加二氧化锆，通过控制其加入量以控制锆及锆合金氧含量，氧元素含量控制范围：0.08～0.3％(wt)。

一种提高锆及锆合金抗拉强度的方法，按下述步骤进行：

a)原料准备：海绵锆、中间合金、二氧化锆粉粒度≤0.5mm。

b)准确称取所需重量的海绵锆、中间合金和二氧化锆。

c)电极制备：二氧化锆粉均匀添加在海绵锆中压制成一定规格的电极块。

d)使用等离子弧等焊接方式将电极块焊接成所需规格的锆电极。

e)经至少两次真空电弧炉熔炼成铸锭，控制熔炼过程真空度、漏气率和铸锭冷却时间，以控制熔炼过程锆的增氧。

本发明通过在海绵锆中添加一定量的二氧化锆粉，解决了锆中氧元素的添加和准确控制难题，使氧元素在锆材中充分均匀化，通过控制锆中氧含量以提高锆材强度，合理控制锆材性能，而且消除夹杂等冶金隐患，保证了锆产品质量。

实施例1

准确称取氧含量0.06％(wt)海绵锆100kg，二氧化锆0.1kg，将二氧化锆粉与海绵锆充分混匀后压制成电极块，使用等离子弧等焊接方式将电极块焊接成所需规格的锆电极，再经至少两次真空电弧炉熔炼成铸锭，需控制熔炼过程真空度、漏气率和铸锭冷却时间等。经配料、电极压制、电极焊接、熔炼等严格的过程控制，锆锭头部和底部氧含量0.09％、0.08％，铸锭经化学成分分析、表面质量等检验，合格后经锻造、轧制等制得质量优良的控制氧含量的锆材，满足工业使用需求。

实施例2

准确称取氧含量0.08％(wt)海绵锆100kg，二氧化锆0.81kg，按照实施例1的步骤可制得锆锭，锆锭头部和底部氧含量化学分析结果为：0.29％、0.30％。

实施例3

准确称取所需的海绵锆和锆锡铁铬镍中间合金共100kg，其综合氧含量0.08％(wt)，需配入的二氧化锆0.155kg，按照实施例1的步骤可制得Zr-2合金锭，锆锭头部和底部氧含量化学分析结果为：0.13％、0.135％。

实施例4

准确称取所需的海绵锆和锆铌中间合金共100kg，其综合氧含量0.076％(wt)，需配入的二氧化锆0.17kg，按照实施例1的步骤可制得Zr-2.5Nb合金锭，锆锭头部和底部氧含量化学分析结果为：0.12％、0.13％。

Claims (1)

1.一种提高锆及锆合金抗拉强度的方法，其锆及锆合金冶炼中添加二氧化锆，控制锆及锆合金中氧元素的重量含量为0.08％～0.3％；其锆及锆合金制备步骤包括将制备锆及锆合金的海绵锆及中间合金原料压制成电极块，将电极块焊接成电极，进行真空电弧炉熔炼成铸锭过程；其过程还包括将制备锆及锆合金的海绵锆及中间合金原料进行含氧量分析，按设计合金所需要的氧成分配入二氧化锆粉；其特征在于所述制备锆及锆合金的海绵锆及中间合金原料中添加的二氧化锆，其粒度≤0.5mm。