ПОЛУЧЕНИЕ КОМПАКТНОГО БЕРИЛЛИЯ

Обычно методы металлокерамики применяют в производстве металлов с очень высокой температурой плавления. Исключе­ние составляет бериллий. Несмотря на сравнительно низкую температуру плавления, современное промышленное производ­ство металлического бериллия практически осуществляют ме­тодами порошковой металлургии. Это объясняется тем, что только металлокерамика позволяет получить бериллиевые за­готовки с мелкозернистой структурой и хорошими механически­ми свойствами.

Порошок бериллия получают измельчением стружки до 0,07 мм. Стружка готовится из отлитого в вакууме металла.

При изготовлении бериллия из порошка его качество оцени­вают прежде всего по плотности. Обычно плотность получаемого бериллия лежит в интервале 1,83-1,84 г/см³, тогда как плот­ность плавленого металла колеблется в пределах 1,845-1,855 г/см³.

В порошковой металлургии существует несколько методов производства бериллия. Их можно разделить на две основные группы: 1) последовательное прессование и спекание и 2) мето­ды, основанные на уплотнении при повышенной температуре.

Порошок бериллия может быть спрессован в брикеты без применения связующего вещества. Порошок бериллия прессуют под давлением 8 тс/см²; применение более высокого давления мало способствует увеличению плотности спеченного продукта. Спекание производят при температуре 1200-1250° С в атмосфере аргона, так как при такой температуре в вакууме бериллий очень сильно испаряется. Потери массы при спекании бериллия в вакууме составляют 18-50%.

Метод прессования с последующим спеканием позволяет по­лучать бериллий с желаемыми физическими свойствами и плот­ностью до 1,8 г/см³, но оптимальные свойства таких брикетов получены на спеченных в вакууме образцах, а такое спекание дорого и приводит к значительным потерям металла из-за улетучивания.

Более высокую плотность, близкую к теоретической, можно получить прессованием при повышенной температуре. Такое прессование может быть осуществлено двумя методами: «теп­лое» прессование при сравнительно невысокой температуре с применением металлической пресс-формы и высокого давления и «горячее» прессование при сравнительно высокой температу­ре с применением графитовой пресс-формы и высокого давления.

Теплое прессование проводят при температуре 400-500°С и давлении 3,5-14 тc/см².

Горячее прессование может производиться в вакууме или на воздухе. Температура прессования 1050° С, давление 5-10 кгс/см². Возможность проведения такого процесса в воздухе обусловлена тем, что в случае, если порошок бериллия предва­рительно достаточно уплотнен, продолжительность операции, особенно выдержки, настолько кратковременна, что процесс уплотнения порошка происходит раньше, чем он заметно окис­лится.

Горячее прессование в вакууме позволяет получать крупные блоки бериллия массой до 340 кг. При прессовании на воздухе приходится ограничивать массу до 40 кг, но при этом требуется всего 5-30 мин времени.

ПОЛУЧЕНИЕ ЦИРКОНИЯ

Циркониевый порошок спекается до теоретической плотности металла. Спеченный цирконий пластичен и может быть подверг­нут обработке давлением.

Порошок циркония, полученный восстановлением тетрахлорида натрием или двуокиси циркония кальцием, содержит мно­го примесей газов, в частности кислорода и азота. Возможно использование порошка, полученного электролизом.

В настоящее время в промышленности для производства цир­кониевого порошка обычно применяют губку, полученную в результате магниетермического восстановления тетрахлорида циркония.

Механическим путем нельзя получить порошок непосредст­венно из губки, так как вследствие большой пластичности она не поддается измельчению. В то же время из губки легко полу­чить гидрид циркония, который достаточно хрупок и легко из­мельчается механически. Гидридный порошок, в свою очередь, можно сравнительно просто дегидрировать и получить металл.

Гидрирование кусков циркония размером 13-500 мм произ­водится водородом в течение 20 ч при температуре 800° С. При гидрировании губки .в начальной стадии необходимо водород разбавлять аргоном или гелием, так как губка имеет очень боль­шую поверхность и реакция будет слишком бурной. Существует три варианта гидрирования губки: 1) при 300° С без последую­щей промывки; 2) при 300° С с последующим выщелачиванием соляной кислотой или метанолом и 3) при высокой температуре (1000-1100° С).

Гидрид циркония измельчают в мельнице. Дегидрирование порошка осуществляют нагреванием до 800° С и выше в вакуу­ме. Установлено, что для целей брикетирования и спекания по­рошок гидрида лучше порошка металла, поэтому нередко дегидрирование осуществляют непосредственно при спекании бри­кета в вакууме.

Циркониевый порошок можно получить также непосредст­венно из свежевосстановленной губки выщелачиванием разбав­ленной соляной кислотой. Выщелачивание проводят в течение 1-3 суток при непрерывном перемешивании. В результате полу­чается хороший порошок из сферических частиц, содержащий около 0,1% кислорода.

Рис. 83. Влияние давления прес­сования на плотность холодно-прессованных брикетов из цирко­ниевого порошка и порошка гид­рида циркония (Металлургия цир­кония. Под ред. Б. Ластмана и Ф. Керза, 1959, рис. 109).

Рис. 84. Влияние давления прессо­вания на плотность после спекания брикетов из порошков циркония и гидрида циркония в глубоком вакуу­ме (Металлургия циркония. Под ред. Б. Ластмана и Ф. Керза, 1959, рис. 111).

Как порошок, циркония, так и порошок его гидрида можно брикетировать без применения смазки.

На рис. 83 показано влияние давления прессования на плот­ность брикетов, спрессованных из металлического циркония и из гидрида. Обычно применяют давление 6,2-7,7 тс/см². Прочность холоднопрессованных брикетов из циркония приблизительно в 2 раза больше прочности брикетов из гидрида циркония. Одна­ко низкая прочность холоднопрессованных брикетов из гидрида циркония по сравнению с металлическим компенсируется целым рядом преимуществ: 1) меньшей стоимостью производства по­рошка; 2) меньшей затратой времени на приготовление порошка; 3) лучшими физическими свойствами спеченных брикетов благо­даря низкому содержанию газов и 4) меньшей возможностью попадания загрязнений в ходе различных производственных опе­раций. Кроме того, оказалось, что для получения спеченного материала высокой плотности гидрид циркония можно брикети­ровать при более низком давлении, чем порошок циркония (рис. 84).

Для достижения желаемой плотности можно использовать более низкую температуру; время спекания гидрида также мень­ше, чем время спекания чистого металла. Однако спекание гидрида циркония производят в глубоком вакууме (~10^-5 мм рт. ст.), а спекание циркония можно проводить также в атмо­сфере инертного газа.

Горячее прессование циркония производят в вакууме в фу­терованной графитом стальной пресс-форме при 650° С в те­чение 15 мин при давлении 3,87 тс/см². При этих условиях порошок прессуется в массу плотностью 6,53 г/см³. Твердость такого циркония несколько выше, чем холоднопрессованного и спеченного.

Методами порошковой металлургии были приготовлены сплавы на основе циркония, содержащие Sn, Be, Mg и U.

Методы металлокерамики удобны тогда, когда между тем­пературой плавления циркония и температурой плавления до­бавляемого элемента существует значительная разница, что затрудняет использование плавки.

Для получения сплава требуется предварительное переме­шивание мелких порошков в специальных контейнерах. Давле­ние брикетирования обычно составляет 6,2—7,7 тс/см². Условия спекания аналогичны описанным для циркония (в случае не­больших добавок других элементов). В общем случае они зави­сят от диаграммы состояния данной системы.