一种R60705锆合金铸锭的制备方法

技术领域

本发明属于锆合金制备技术领域，具体涉及一种R60705锆合金铸锭的制备方法。

背景技术

R60705是含有2.5％铌的锆合金，其中铌可提高其强度和塑性，应用于板材、线材和棒材领域。由于铌的熔点为2468℃，锆的熔点是1850℃，铌的熔点比锆高613℃，属于难熔金属，在制备R60705锆合金铸锭时易产生冶金缺陷，会对后期锻造板材、线材和棒材的性能、强度等产生极大影响，所以铌在熔炼过程中充分均匀熔炼是至关重要的。

目前，R60705锆合金铸锭的常规制备方法为：用海绵锆和铌屑压制成电极块，组焊成自耗电极后经三次真空自耗电弧熔炼(VAR法)制备成铸锭，之后将铸锭车削成屑料，再经破碎、超声波清洗、磁选，制备成屑状铌锆中间合金，再采用海绵锆和铌锆中间合金为原料，经VAR法三次熔炼制备成R60705铸锭。但该方法存在下述缺点：

(1)工序流程长，生产成本高；

(2)采用铌锆中间合金和海绵锆压制电极时，因铌锆屑料加入量大，且海绵锆颗粒硬度较大，压制的电极致密度及强度差，易掉块，组焊电极困难，且存在冶金缺陷的风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种R60705锆合金铸锭的制备方法。该方法将铌元素以铌屑的方式加入进行熔炼，使得铌屑与海绵锆在电极块混合均匀，提高电极块致密性，不易产生掉块现象，避免了夹杂物的产生，结合采用三次熔炼并控制不同熔次的工艺参数，大大提高了R60705锆合金铸锭成分的均匀性，避免了R60705锆合金铸锭的熔炼过程中产生冶金缺陷。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种R60705锆合金铸锭的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将铌棒经车削、破碎成铌屑，然后进行处理至表面洁净，无目视可见的油污、氧化膜及其他金属或非金属夹杂物；

步骤二、将步骤一中经处理后的铌屑与海绵锆进行配料，然后经混料后加入模腔，并采用油压机进行压制，得到电极块；

步骤三、采用真空等离子焊箱对步骤二中得到的电极块进行组焊，冷却后出炉，得到组焊电极；

步骤四、将步骤三中得到的组焊电极装入真空自耗电弧炉中的坩埚内，在熔炼电流8kA～25kA、电压30V～40V、稳弧电流5A～20A的条件下进行一次熔炼，得到一次锭；

步骤五、将多个步骤四中得到的一次锭掉头放置在坩埚内，装入真空自耗电弧炉中在真空条件下进行焊接，然后在熔炼电流16kA～32kA、电压30V～36V、稳弧电流5A～25A的条件下进行二次熔炼，得到二次锭；

步骤六、将多个步骤五中得到的二次锭掉头放置在坩埚内，装入真空自耗电弧炉中在真空条件下进行焊接，然后在熔炼电流20kA～35kA、电压30V～36V、稳弧电流5A～30A的条件下进行三次熔炼，得到R60705锆合金铸锭。

本发明在制备R60705锆合金铸锭过程中，将铌元素以铌屑的方式加入进行熔炼，由于铌屑的密度与海绵锆接近，保证了铌屑与海绵锆在电极块中混合均匀，使得熔炼充分均匀进行，且相对与其它锆铌合金屑料，铌屑的加入比例小，电极块致密性好，熔炼过程中不易产生掉块现象，避免了夹杂物的产生，且更易组焊形成组焊电极，同时结合将组焊电极进行三次熔炼并控制不同熔次的熔炼电流、电压和稳弧电流，使得一次熔炼达到适宜的熔速，既可防止组焊电极掉块，又能充分排除海绵锆中的杂质，调头焊接后的二次熔炼进行充分的均匀化，三次熔炼获得适宜的结晶组织、良好的表面质量及成分均匀性，上述技术的共同作用大大提高了R60705锆合金铸锭成分的均匀性，避免了R60705锆合金铸锭的熔炼过程中产生冶金缺陷。

同时，本发明采用真空等离子焊箱将电极块进行组焊，可通过控制焊接电流、焊接速度使得电极块之间的焊缝深度和宽度满足工艺要求，保证了自耗电极的强度，避免得到的组焊电极在后续的一次熔炼时掉块产生夹杂物。

上述的一种R60705锆合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述铌棒的牌号为Nb1，且质量纯度为99.9％以上。通过控制铌棒的牌号和质量纯度，有效控制铌屑的质量，避免在R60705锆合金铸锭引入杂元素或污染物，保证了R60705锆合金铸锭的质量。

上述的一种R60705锆合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述铌屑的长度为5mm～50mm，厚度不超过0.5mm，宽度不超过5mm。本发明通过控制铌屑的尺寸，以与海绵锆颗粒匹配，促进了铌屑与海绵锆在电极块的混合均匀程度，进一步提高了电极块的致密度及强度，同时避免了钛屑过长“打卷”造成混料困难而影响混料的均匀性，以及钛屑过短导致破碎困难。

上述的一种R60705锆合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述处理包括超声波清洗和磁选处理。本发明将车屑破碎得到的钛屑进行超声波清洗和磁选处理，有效去除钛屑中的杂物，保证钛屑无污染及高密度夹杂等外来物，从而保证了R60705锆合金铸锭的质量。

上述的一种R60705锆合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤二中所述油压机为50MN油压机。采用该油压机有效控制了压制过程中的压力，进而保证了电极块的强度和密度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将铌元素以铌屑的方式加入进行熔炼，使得铌屑与海绵锆在电极块混合均匀，提高电极块致密性，不易产生掉块现象，避免了夹杂物的产生，结合采用三次熔炼并控制不同熔次的工艺参数，大大提高了R60705锆合金铸锭成分的均匀性，避免了R60705锆合金铸锭的熔炼过程中产生冶金缺陷。

2、本发明方法制备的R60705锆合金铸锭的化学成分均匀，制备方法简单，采用真空自耗电弧熔炼工艺即可实现铸锭的制造，技术简单可行，易实现工业化生产。

3、本发明将钛屑与海绵锆混匀压制的电极块组焊后进行三次真空自耗电弧熔炼，工序流程相对较短，成本较低，且生产效率大大提高。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1～3制备的R60705锆合金铸锭的横向取样位置示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将质量纯度为99.9％、牌号为Nb1的铌棒车削、破碎成铌屑，然后进行超声波清洗和磁选处理至表面洁净，无目视可见的油污、氧化膜及其他金属或非金属夹杂物；所述经处理后的铌屑的尺寸(厚度×宽度×长度)为0.5mm×5mm×5mm；

步骤二、将步骤一中经处理后的铌屑与海绵锆按照Zr-2.5Nb合金配比进行配料，然后经混料后加入模腔，并采用50MN油压机进行压制，得到电极块；

步骤三、将步骤二中得到的电极块放置于真空等离子焊箱中采用真空等离子弧进行组焊，冷却10min后出炉，得到组焊电极；

步骤四、将步骤三中得到的组焊电极装入真空自耗电弧炉中的坩埚内，在熔炼电流8kA～18kA、电压30V～40V、稳弧电流5A～20A的条件下进行一次熔炼，得到一次锭；

步骤五、将3个步骤四中得到的一次锭掉头放置在坩埚内，装入真空自耗电弧炉中在真空条件下进行焊接，然后在熔炼电流16kA～24kA、电压30V～36V、稳弧电流5A～25A的条件下进行二次熔炼，得到二次锭；

步骤六、将2个步骤五中得到的二次锭掉头放置在坩埚内，装入真空自耗电弧炉中在真空条件下进行焊接，然后在熔炼电流20kA～30kA、电压30V～36V、稳弧电流5A～30A的条件下进行三次熔炼，得到直径Ф640mm的R60705锆合金铸锭。

如图1所示，沿本实施例制备的R60705锆合金铸锭的纵向上、中、下及横向取样，其中，横向取3个样品，分别编号为1#，2#和3#，并对样品的化学成分进行分析，结果如表1所示。

表1实施例1中铸锭取样分析结果(质量分数，wt％)

表中“—”表示未检测。

从表1可知，本实施例制备的R60705锆合金铸锭的纵向和横向成分均匀。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将质量纯度为99.99％、牌号为Nb1的铌棒车削、破碎成铌屑，然后进行超声波清洗和磁选处理至表面洁净，无目视可见的油污、氧化膜及其他金属或非金属夹杂物；所述经处理后的铌屑的尺寸(厚度×宽度×长度)为0.5mm×5mm×50mm；

步骤二、将步骤一中经处理后的铌屑与海绵锆按照Zr-2.5Nb合金配比进行配料，然后经混料后加入模腔，并采用50MN油压机进行压制，得到电极块；

步骤三、将步骤二中得到的电极块放置于真空等离子焊箱中采用真空等离子弧进行组焊，冷却10min后出炉，得到组焊电极；

步骤四、将步骤三中得到的组焊电极装入真空自耗电弧炉中的坩埚内，在熔炼电流16A～25kA、电压30V～40V、稳弧电流5A～20A的条件下进行一次熔炼，得到一次锭；

步骤五、将4个步骤四中得到的一次锭掉头放置在坩埚内，装入真空自耗电弧炉中在真空条件下进行焊接，然后在熔炼电流20kA～32kA、电压30V～36V、稳弧电流5A～25A的条件下进行二次熔炼，得到二次锭；

步骤六、将2个步骤五中得到的二次锭掉头放置在坩埚内，装入真空自耗电弧炉中在真空条件下进行焊接，然后在熔炼电流23kA～35kA、电压30V～36V、稳弧电流5A～30A的条件下进行三次熔炼，得到直径Ф720mm的R60705锆合金铸锭。

如图1所示，沿本实施例制备的R60705锆合金铸锭的纵向上、中、下及横向取样，其中，横向取3个样品，分别编号为1#，2#和3#，并对样品的化学成分进行分析，结果如表2所示。

表2实施例2中铸锭取样分析结果(质量分数，wt％)

表中“—”表示未检测。

从表2可知，本实施例制备的R60705锆合金铸锭的纵向和横向成分均匀。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将质量纯度为99.9％、牌号为Nb1的铌棒车削、破碎成铌屑，然后进行超声波清洗和磁选处理至表面洁净，无目视可见的油污、氧化膜及其他金属或非金属夹杂物；所述经处理后的铌屑的尺寸(厚度×宽度×长度)为0.5mm×5mm×20mm；

步骤二、将步骤一中经处理后的铌屑与海绵锆按照Zr-2.5Nb合金配比进行配料，然后经混料后加入模腔，并采用50MN油压机进行压制，得到电极块；

步骤三、将步骤二中得到的电极块放置于真空等离子焊箱中采用真空等离子弧进行组焊，冷却10min后出炉，得到组焊电极；

步骤四、将步骤三中得到的组焊电极装入真空自耗电弧炉中的坩埚内，在熔炼电流16kA～25kA、电压30V～40V、稳弧电流5A～20A的条件下进行一次熔炼，得到一次锭；

步骤五、将3个步骤四中得到的一次锭掉头放置在坩埚内，装入真空自耗电弧炉中在真空条件下进行焊接，然后在熔炼电流20kA～32kA、电压30V～36V、稳弧电流5A～25A的条件下进行二次熔炼，得到二次锭；

步骤六、将2个步骤五中得到的二次锭掉头放置在坩埚内，装入真空自耗电弧炉中在真空条件下进行焊接，然后在熔炼电流25kA～35kA、电压30V～36V、稳弧电流5A～30A的条件下进行三次熔炼，得到直径Ф720mm的R60705锆合金铸锭。

如图1所示，沿本实施例制备的R60705锆合金铸锭的纵向上、中、下及横向取样，其中，横向取3个样品，分别编号为1#，2#和3#，并对样品的化学成分进行分析，结果如表3所示。

表3实施例3中铸锭取样分析结果(质量分数，wt％)

表中“—”表示未检测。

从表3可知，本实施例制备的R60705锆合金铸锭的纵向和横向成分均匀。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。