Способ получения фольги из бериллия

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к изготовлению фольги из бериллия, которая используется в различных отраслях техники. Способ включает заключение бериллиевой заготовки в металлический чехол, герметизацию, прокатку при 600-800°С и удаление чехла, причем перед заключением бериллиевой заготовки в чехол ее помещают в раствор для пассивации с последующим нагревом на воздухе при температуре 550-600°С в течение времени, достаточного для образования модифицированной пассивной пленки толщиной до 10 мкм, а раствор для пассивации содержит (г/л): бихромат калия - 150-200, фтористоводородная кислота - 9,5-9,8, фторид натрия - 5-10, бериллий - 0,2-0,4, вода до 1 л. Технический результат: исключение сваривания бериллиевой заготовки с металлом чехла при прокатке и загрязнение бериллия легирующими элементами из металла чехла, обеспечение высоких механических свойств бериллиевой фольги, повышение вакуумной плотности и сохранение радиационной прозрачности бериллиевой фольги. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к области изготовления фольги из бериллия, которая используется в различных отраслях техники.

Бериллий обладает проницаемостью для рентгеновских лучей в 17 раз выше, чем алюминий. Для устройств, пропускающих рентгеновские лучи и радиационные пучки, бериллий незаменим и используется в качестве выходных окон рентгеновских трубок, входных окон детекторов частиц и пропорциональных счетчиков. Бериллиевые окна различной толщины изготавливаются из полуфабрикатов деформированного бериллия (прутки, штамповки, листы и фольга).

Отличительная особенность бериллия - его низкая пластичность и технологичность. Механические свойства бериллия определяются в основном чистотой металла, текстурой и величиной зерна. Среди металлических элементов у бериллия самые небольшие размеры атомов, поэтому большинство элементов примесей сильно искажает решетку бериллия и приводит к его хрупкости. Примеси снижают также радиационную прозрачность бериллия. В деформированном бериллии развивается сильная текстура деформации, которая приводит к большой анизотропии свойств.

Качество фольги из бериллия оценивается по следующим характеристикам: толщина, вакуумная плотность, содержание примесей, шероховатость поверхности, сопротивление атмосферной коррозии, прочность и пластичность.

Основные способы получения тонких листов и фольги из бериллия, определяющие ее качество, следующие:

- прокатка бериллиевых заготовок, полученных из слитков или порошковых заготовок;

- вакуумное напыление бериллия на подложку с последующим ее удалением;

- вакуумное напыление в сочетании с прокаткой напиленного материала.

Изготовление бериллиевой фольги толщиной ≤0,5 мм по технологиям, применяемым для прокатки листов, представляет определенные трудности.

Так, способ прокатки бериллиевой фольги до 200-250 мкм из исходных листов толщиной 1 мм с промежуточными отжигами для восстановления деформируемости позволяет с последующим травлением перевести в фольгу толщиной 75 мкм вакуумной плотности <25% исходного металла, что является существенным недостатком этой технологии (Бериллий. Наука и технология. М.: Металлургия, 1984, стр.278-284).

Известен способ производства тонких листов из бериллия и его сплавов для диафрагм громкоговорителей, который включает нанесение бериллия или его сплава вакуумным или ионно-плазменным напылением на подложку (основание) из меди, магния или кварцевого стекла определенной формы и отделение нанесенного тонкого листа бериллия от основания (патент США 3895671).

Недостатком этого способа является отсутствие показателей вакуумной плотности и гарантированных механических свойств тонких листов.

Известен способ производства тонких бериллиевых листов для диафрагм электроакустических преобразователей вакуумным напылением бериллия на подложку из алюминия с последующим растворением подложки в растворе для травления (патент Японии №55113881).

Недостатком этого способа являются отсутствие гарантированных механических свойств и показателей вакуумной плотности листов.

Известен способ изготовления тонкой бериллиевой фольги, при котором ее получают осаждением паров бериллия в вакууме, с чередованием слоев бериллия 0,5-5,0 мкм и окиси бериллия 2,0-10,0 нм (патент РФ №2036244).

Недостатками этого способа являются низкие механические свойства и вакуумная плотность фольги.

Известен способ получения бериллиевой фольги, включающий нанесение на подготовленную поверхность подложки подслоя, препятствующего диффузии материала фольги в подложку, последующее осаждение слоев материала фольги и отделение полученной фольги от подложки. В фольгу после отделения от подложки имплантируют алюминий путем осуществления контакта фольги с материалом на основе оксида алюминия и термообработки при температуре 900-1050°С при суммарном парциальном давлении активных газов менее 1·10^-3 Па. Способ позволяет снизить хрупкость фольги при сохранении практически постоянной прозрачности окон при регистрации низкоэнергетических излучений (патент РФ №2199606).

Недостатками этого способа являются ограниченные размеры, хрупкость фольги и снижение ее прозрачности при имплантации алюминия.

Известен способ изготовления бериллиевой и бериллийсодержащей фольги, в котором для повышения качества фольги используют подложку, исключающую диффузию материала фольги в подложку, многослойное напыление слоев материала фольги на подложку и отделение фольги от подложки. Слои формируются при нанесении материала, полученного магнетронным распылением мишени при повторяющемся движении поверхности подложки (патент РФ №2188876).

Недостатком способа являются ограниченные размеры получаемой фольги, отсутствие гарантированных свойств и вакуумной плотности.

Известен способ получения тонких бериллиевых пластин с большой механической прочностью для блока выпрямления рентгеновских лучей, используемых для передачи шаблона в литографическом процессе. Бериллий или бериллиевый сплав осаждают вакуумным напылением на подготовленную базовую структуру, базовая структура затем удаляется, оставляя тонкую бериллиевую пленку. Однако на стадии осаждения в тонкой бериллиевой пленке формируются пузыри и полости. Тонкая пленка затем окончательно формируется использованием горячей прокатки, чтобы улучшить ее плотность и, соответственно, механическую прочность (патент США №5017245).

Недостатком этого способа является то, что при горячей прокатке происходит взаимодействие бериллиевой пленки с контактирующими материалами и средами, приводящее к загрязнению фольги и повышению ее хрупкости.

Для получения гарантируемого уровня механических свойств и улучшения вакуумной плотности тонких листов и пластин фольги, полученных методами вакуумного напыления, необходима их прокатка в условиях минимального взаимодействия фольги с контактирующими материалами и средами.

За прототип принят способ изготовления фольги из бериллия толщиной до 63,5 мкм или менее, включающий заключение бериллиевого листа в чехол из материала, имеющего соотношение обжатия, такое же, как и у бериллия, например из стали, герметизацию чехла, прокатку до требуемой толщины при температуре приблизительно 600-800°С, нагрев до температуры приблизительно 600-800°С и быстрое охлаждение, чтобы отделить фольгу бериллия от материала чехла (патент США №3354538).

Недостатком этого способа является то, что при прокатке происходит взаимное загрязнение бериллия и чехла легирующими элементами из-за их диффузии. В связи с этим изменяется состав исходного бериллия, фольга становится хрупкой и изменяется ее радиационная прозрачность. Кроме того, быстрое охлаждение способствует возникновению остаточных напряжений в фольге, которые могут привести к ее разрушению.

Технической задачей изобретения является создание способа получения бериллиевой фольги прокаткой в металлическом чехле, при котором исключается сваривание бериллиевой заготовки с материалом чехла и взаимная диффузия легирующих элементов, не изменяется химический состав фольги в сравнении с исходной заготовкой, бериллиевой фольге обеспечиваются требуемые характеристики радиационной прозрачности, механических свойств и вакуумной плотности.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения фольги из бериллия, включающий заключение бериллиевой заготовки в металлический чехол, герметизацию, прокатку при температуре 600-800°С, охлаждение и удаление чехла, отличающийся тем, что перед заключением бериллиевой заготовки в чехол ее помещают в раствор для пассивации с последующим нагревом на воздухе до температуры 550-600°С в течение времени, достаточного для образования модифицированной пассивной пленки.

Металлический чехол перед заключением в него бериллиевой заготовки предварительно нагревают на воздухе до температуры прокатки 600-800°С в течение времени, достаточного для образования цветов побежалости.

При этом раствор для пассивации содержит (г/л):

Бихромат калия	150-200
Фтористоводородная кислота	9,5-9,8
Фторид натрия	5-10
Бериллий	0,2-0,4
Вода	до 1 л

Пассивация поверхности бериллия в указанном растворе обеспечивает создание пассивной пленки толщиной 3-4 мкм, образующей диффузионный барьер, снижающий взаимодействие бериллия с металлом чехла при прокатке. Наличие модифицированной пассивной пленки толщиной преимущественно до 10 мкм, образующейся на поверхности бериллия при температурах 550-600°С, обеспечивает дополнительную защиту границ зерен бериллия от взаимодействия с металлом чехла при прокатке.

Образование цветов побежалости на поверхности металлического чехла при его нагреве до температуры прокатки 600-800°С позволяет создать защитный окисный барьер, который в значительной степени снижает взаимодействие бериллиевой заготовки с металлом чехла при прокатке, исключает их сваривание и загрязнение бериллия легирующими элементами из металла чехла.

При этом обеспечиваются высокие механические свойства, вакуумная плотность, радиационная прозрачность бериллиевой фольги за счет создания текстуры деформации и уплотнения бериллия при прокатке, исключения загрязнения поверхности фольги легирующими элементами из металла чехла.

Пример осуществления

В полупромышленных условиях была изготовлена фольга из бериллия толщиной 0,15 мм предлагаемым способом и способом прототипа.

Из бериллия марки ТГП-56 изготавливались заготовки для прокатки размерами 40×60×1 мм. Поверхность заготовок по предлагаемому способу обрабатывалась в водном растворе для пассивации, содержащем бихромат калия 150-200 г/л, фтористоводородную кислоту 9,5-9,8 г/л, фторид натрия 5-10 г/л, бериллий 0,2-0,4 г/л и воду до 1 л.

Процесс вели в течение 40-60 мин при температуре 50-60°С.

После пассивации, заготовки для прокатки по предлагаемому способу нагревались в печи на воздухе при температуре 550, 575, 600°С в течение времени, достаточного для образования модифицированной пленки (25-35 мин).

Чехлы из стали 12Х18Н10Т перед закладкой в них заготовок под прокатку по предлагаемому способу нагревали на воздухе до температуры прокатки 600-800°С в течение времени, достаточного для образования цветов побежалости. Чехол для прототипа изготавливали из стали 40ХНМА (отечественного аналога стали SAE 4340). Заготовки помещали в чехлы, герметизировали и металлические чехлы заваривались аргонодуговой сваркой. Перекрестную прокатку с поворотом на 180° проводили на двухвалковом прокатном стане, с нагревом заготовок в печи до 600-800°С и с обжатием за один проход на 7-10%.

После прокатки до требуемой толщины проводилось охлаждение на воздухе по предлагаемому способу (примеры 1-3) и в воде для способа прототипа (пример 4). Затем чехлы обрезались по краям электроэрозионной резкой (таблица 1).

После обрезки фольга, полученная по предлагаемому способу, легко отделялась от чехла. Размеры полученной фольги составили 150×80×0,15 мм. Выход годной фольги по предлагаемому способу составил 100% (таблица 1).

Отделение фольги, полученной по способу прототипа, было затруднено ее свариванием с чехлом на некоторых участках и хрупким разрушением. Выход годной фольги по способу прототипа составил 60-80%.

В таблице 2 исследовались химический состав и содержание примесей, в таблице 3 - механические свойства и вакуумная плотность фольги из бериллия, полученной по предлагаемому способу и способу-прототипу.

Химический состав и содержание примесей определялись на атомно-абсорбционном спектрофотометре, механические свойства - на образцах размерами 90×9,5×0,15 мм в специальном приспособлении. Вакуумная плотность определялась на 3-х образцах окон ⊘20 мм из каждой пластины фольги в зажимном приспособлении на гелиевом течеискателе ПТИ-10.

Приведенные в таблицах 2 и 3 данные показывают, что фольга из бериллия, изготовленная по предлагаемому способу (примеры 1-3), обладает сочетанием высоких механических свойств и вакуумной плотности и сохраняет исходный состав примесей в бериллии. Повышенная пластичность фольги из бериллия обеспечивает более высокий уровень ее прочности и эксплуатационную надежность в изделиях, в том числе в бериллиевых окнах.

Таким образом, пассивация бериллия в совокупности с нагревом бериллиевой заготовки до образования модифицированной пассивной пленки и нагрев металлического чехла до образования цветов побежалости перед размещением в него бериллиевой заготовки в значительной степени снижают взаимодействие бериллия с материалом чехла, обеспечивая их полное разделение после прокатки и охлаждения на воздухе.

Проведенная сравнительная оценка поглощения рентгеновского излучения при U=20-50kV выходными бериллиевыми окнами толщиной 0,15 мм, изготовленными из фольги по предлагаемому способу и прототипу, показала снижение поглощения излучения бериллиевой фольгой, изготовленной по предлагаемому способу на 1-3%.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления фольги из бериллия позволяет обеспечить увеличение выхода годного до 100%, сохранить состав исходного бериллия, обеспечить сочетание высоких механических свойств и вакуумной плотности фольги.

Таблица 1
№ примера	Температура нагрева бериллиевой заготовки после пассивации, °С	Температура нагрева металлического чехла, °С	Способ охлаждения после прокатки	% площади фольги, отделившейся от чехла
1	550	600	На воздухе	100
2	575	700	На воздухе	100
3	600	800	На воздухе	100
4 (прототип)	Без пассивации	Без нагрева	В воде от температуры 600-800°С	60-80

Таблица 2
№ примера	Вид полуфабриката	Содержание основных примесей, %
		Fe	Cr	∑ Mn, Mg, Cu, Ni
	Бериллий технический спеченный марки ТГП-56	не более 0,25	не более 0,05	Не более 0,08
	Заготовки для прокатки фольги	0,13	0,048	0,029 (Ni)
		0,16	0,032	0,023 (Ni)
		0,15	0,030	0,030 (Ni)
1	Бериллиевая фольга толщиной 0,15 мм	0,12	0,037	0,020 (Ni)
		0,19	0,043	0,035 (Ni)
		0,15	0,030	0,033 (Ni)
2	Бериллиевая фольга толщиной 0,15 мм	0,20	0,240	0,030 (Ni)
		0,22	0,069	0,030 (Ni)
		0,17	0,150	0,036 (Ni)
3	Бериллиевая фольга толщиной 0,15 мм	0,19	0,155	0,030 (Ni)
		0,23	0,075	0,040 (Ni)
		0,18	0,120	0,020 (Ni)
4 (прототип)	Бериллиевая фольга толщиной 0,15 мм	0,20	0,240	0,100 (Ni)
		0,22	0,069	0,130 (Ni)
		0,17	0,150	0,086 (Ni)

Таблица 3
№ примера	Предел прочности при растяжении, σв 20, МПа	Относительное удлинение, %	% площади фольги с вакуумной плотностью (натекание по гелию μНе<7·10-12 м3·Pa·c1)
1	354-378	1,7-2,9	100
2	333-350	1,1-2,6	100
3	315-325	1,6-2,5	100
4 (прототип)	310-330	0,1-1,0	80

1. Способ получения фольги из бериллия, включающий заключение бериллиевой заготовки в металлический чехол, герметизацию чехла, прокатку при 600-800°С, охлаждение и удаление чехла, отличающийся тем, что перед заключением бериллиевой заготовки в чехол ее помещают в раствор для пассивации с последующим нагревом на воздухе при 550-600°С в течение времени, достаточном для образования модифицированной пассивной пленки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлический чехол перед заключением в него бериллиевой заготовки нагревают на воздухе при температуре прокатки 600-800°С в течение времени, достаточном для образования цветов побежалости.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что раствор для пассивации содержит, г/л:

Бихромат калия	150-200
Фтористоводородная кислота	9,5-9,8
Фторид натрия	5-10
Бериллий	0,2-0,4
Вода	До 1 л