1.2.2鍛造工藝參數和設備

由于鋯及鋯合金在熱態下的化學活性較大，考慮到鍛前加熱質量，因此在工業生產中廣泛應用的鋯及鋯合金鍛前加熱一般采用中、高溫的電阻爐，可精確控制爐子溫度及加熱速度。鋯合金鑄錠一般采用兩段式加熱規范，當其表面溫度達到預定加熱溫度后再進行一定時間的保溫，保溫時間不能太長，以免鋯合金表面被過分氧化。表1是鋯合金在電阻爐中加熱時的工藝參數。

表1 鋯合金鍛造加熱工藝參數

由于體心立方的β-Zr比密排六方的α-Zr塑性高、變形抗力低，因此，鋯合金的鍛造加熱和主要變形均是在β相區進行，鍛造溫度一般控制在950~1100℃，首次終鍛溫度不能低于700℃，之后可以適當降低。

鋯合金的高溫變形性能相對較好，鍛造加工采用的設備沒有特殊要求，可選用黑色金屬及有色合金常用鍛壓設備，比如鍛錘、機械壓力機和液壓機等。

2、鋯合金的應用情況

因鋯合金具有很低的熱中子吸收截面積和很好的抗腐蝕性能，所以它在核工業中應用比較多，核反應堆中鋯合金零部件主要包括燃料包殼管、控制棒導向管、壓力管、元件盒及其它結構材料等。除了傳統的Zr-4合金外，核工業用鋯合金逐漸衍生出了新型的高性能鋯合金，例如NZ2和NZ8，研究發現用該材料加工得到的工件在高溫水及高溫蒸汽環境中的耐腐蝕性能更優。

在深海和空間探測領域等特殊環境下長期服役的組件一般會面臨疲勞損傷、氧原子侵蝕和磨損等問題。原有技術使用的20Cr等合金鋼已經無法滿足這些構件的壽命要求，而鋯及其合金具有熱膨脹系數小、抗輻照損傷等潛質，在空間探測等特殊領域的非常規環境下具有很大的使用潛力，尤其是新研發的高強韌鋯合金[如Zr45Ti5Al3V]，使用優勢更加明顯。

由于鋯及其合金對各種酸質環境耐腐蝕性強,因此在化工領域的應用也非常多，例如閥門、耐酸泵、耐熱泵、熱交換管、攪拌器和噴嘴等。鋯在醋酸工業中廣泛應用于設備、管道、反應器、容器、攪拌器、換熱器、泵和閥門等。醋酸裝置中用到的鋯合金牌號主要為 ZrR60702和 ZrR60705，一般多采用ZrR60702，在強度要求較高的場合一般采用ZrR60705。

另外，鋯在牙科領域也一直占有重要的應用地位。由于氧化鋯具有一定的化學穩定性和生物相容性，氧化鋯陶瓷已經成為非常暢銷而受歡迎的牙科材料。

經研究發現α+β雙相和β單相鋯合金與我們人體的肌肉、骨骼和腦組織有很好的生物相容性。此外,β單相合金與α單相合金相比具有較好的耐蝕性及耐磨性，是一種非常有潛力的外科植入用合金，可以在生物醫用材料和醫療器械中使用。

3、鋯合金塑性成形技術關鍵

鋯合金塑性成形方法主要包括鍛造、擠壓和軋制。影響其塑性加工變形的因素較多，主要有應變速率、溫度、相變狀態及摩擦狀況等。還有學者研究發現ZrTiAlV合金在應變速率為10-2s-1、變形溫度為1000℃時進行熱壓縮后的耐腐蝕性比其他溫度條件下更高。除此之外，變形程度，或是變形道次，也是一個重要影響因素。

鋯及鋯合金在高溫下化學活性非常高，因此在熱塑性變形時，要做好抗氧化保護，比如在材料表面涂覆玻璃潤滑劑，不僅可防止氧化，還可起到潤滑作用。對于鋯合金結構鍛件的成形，除了加熱環節外，鍛造工藝與鍛模結構設計無疑也是影響鋯合金鍛件生產成本及材料利用率的關鍵因素。

4、結語

從現有研究情況可知，鋯合金應用已經涉及到了國民經濟以及國防建設的諸多領域，除了核工業以及化工產業的應用比較成熟外，在航空航天以及醫學方面的應用也逐步深入，尤其是新型高強韌鋯合金材料的研究發現，更是推進了鋯合金的廣泛應用。

促進鋯合金應用的關鍵是鋯合金制品的加工成形。鍛造成形是鋯合金塑性加工的重要環節，但對于鋯合金的可鍛性、應變速率和成形力的影響關系，以及鋯合金工藝塑性和變形抗力的牽制影響規律等內容亟需進行詳細研究，以提高鋯合金鍛件的成形質量，拓展鋯合金在更多特殊環境領域的廣泛應用。

參考文獻:

[1]劉建章.核結構材料[M].北京:化學工業出版社,2007.

[2]馮志浩，夏超群，等.高強韌鋯合金的發展與應用[J].材料科學與工藝,2018[4]:1-8.

[3]王旭峰，李中奎，周軍，等.鋯合金在核工業中的應用及研究進展[J].熱加工工藝,2012,41(2):71-74.

[4]張立波，權曉惠，等.鋯合金擠壓技術研究與應用[J].重型機械，2015[6]:11-13.

[5]章海霞，李中奎，許并社，等.A-Zr基體顯微組織對新鋯合金氧化膜的形成及其耐腐蝕性能的影響[J].功能材料,2014,45[8]:8062-8066.

[6]李中奎，劉建章，周廉，等.新鋯合金耐蝕性能研究[J].原子能科學技術,2003,37[增刊1]:84-87.

[7]鮑一晨,張樂福,朱發文.Zr-2.5 Nb合金在500℃,25 MPa超臨界水中的腐蝕行為[J].腐蝕科學與防護技術,2013,25[5]:398-401.

[8] NIE L, ZHAN Y, LIUH, et al.Novelβ-type Zr-Mo-Ti alloys for biological hard tissue replacements[J]. Materials& Design,2014,53:8-12.

[9]周耀.鋯和鋯合金在化工設備中的應用[J].化工設計,2003,13[4]:19-22.

[10]韓繼秋.鋯金屬及其在化工耐蝕設備領域中的應用[J].煤礦現代化,2004[3]:47-48.

[11]王華,陳鵬.醋酸裝置中的特殊材料[J].石油化工自動化，2007[5]:26-30.

[12]周遜,醋酸工業中幾種典型耐蝕材料的特性及應用探討[J].化工設計,2004,14[5]:78-82.

[13]馬玉娥.熱壓縮變形對ZrTiAIV合金組織與性能的影響[D].秦皇島:燕山大學,2019.

（注，原文標題：鋯合金材料加工技術及應用研究_耿佩）