Вакуумная металлургия

лами. Например, сера, однажды попав в металл, не удаляется из него в течение всего цикла вакуумной плавки. Масс-спектрограф не обнаружи­ вает следов ни H2S ни S02.

Пробы металла, отобранные через регулярные промежутки вре­ мени, показывают неизменность содержания серы во времени. Существуют и другие, еще более трудно обнаруживаемые включения, оказывающие большое влияние на свойства изготовляемых материалов. Например, наличие бора или циркония в сырых материалах или в других источниках оказывает решающее влияние на длительную прочность или пластичность жаропрочных сплавов. Поведение этих элементов в сплавах и влияние их на свойства металлов в настоящее время изучаются.

Огнеупоры

Огнеупоры играют решающую роль в вакуумной индукционной плав­ ке — они используются во всем процессе, начиная от загрузки шихты до разливки металла. Огнеупорные тигли, в которых находится жидкий металл, подвержены восстановительным реакциям с металлом, поэтому стойкость применяемых для них материалов несколько хуже при вакуум­ ной плавке, чем при плавке на воздухе. Вследствие взаимодействия с огнеупорами металл в большей степени загрязняется продуктами этих реакций.

В качестве футеровки часто применяется окись магния или двуокись циркония, набиваемые и обжигаемые обычно с помощью графитовых или стальных шаблонов. В некоторых случаях футеровку обжигают не воз­ духе, хотя часто эта операция выполняется и в вакууме. Такая футеровка имеет относительно хорошую стойкость (в среднем 45 плавок), хотя она зависит в основном от особенностей установки и от качества футерования. Магнезитовая футеровка обладает тем достоинством, что восстановленный из нее магний быстро улетучивается и не изменяет химического состава плавки. При использовании футеровки из двуокиси циркония восстано­ вленный цирконий попадает в металл, и способ обнаружения этого эле­ мента, очевидно, должен быть рассмотрен. Преимущество этой футеровки состоит в том, что ее физические свойства лучше.

Установлено, что наличие следов элементов в огнеупорах оказывает такое же влияние на свойства выплавляемых металлов, как и присутствие их в сырых материалах шихты. В футеровке эти элементы, очевидно, находятся в виде окислов, которые восстанавливаются и вымываются в течение плавильного цикла. Например, бор в виде В20 3, содержащийся

вфутеровке из MgO в значительных количествах, после плавки попадает

вметалл (до 0,0005—0,0010%). Этого количества бора достаточно, чтобы

изменить свойства металла.

Незначительные количества (следы) примесей элементов

Незначительные количества примесей элементов в металле имеют большое влияние на его механические свойства. Об этом свидетельствует основательное исследование влияния добавок бора и циркония, ко­ торые случайно оказываются составной частью металла. Установлено, что оба эти элемента увеличивают разрушающее напряжение и повы­ шают пластичность широко распространенных сплавов на никелевой основе.

Одним из важнейших факторов является пластичность при высоко­ температурных испытаниях на разрыв (фиг. 17). Незначительные коли­ чества бора и циркония улучшают обрабатываемость слитков вследствие

улучшения ковкости, однако высокое их содержание вызывает большие трудности при механической обработке изделий. Поэтому содержание этих примесей в металле должно тщательно контролироваться.

Вопрос о роли и лучшем использовании этих элементов тщательно изучается. В настоящее время нельзя судить о точности величин содержа­ ния бора, приведенных на фиг. 17, тем не менее эти величины все же кажут­ ся нам относительно правильными.

Фиг . 17. Изменение поперечного сужения образца из сплава юдимет-500 при различных содержаниях бора.

Температура испытания 900°, напряжение 17,5 кг!мм2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа посвящена отдельным наиболее важным вопросам вакуумной плавки. Рассмотрены соотношения между скоростями натека­ ния, давлениями и свойствами металлов. Приведены данные о составе газов внутри печи в процессе плавки.

Рассмотрено также влияние наличия небольших количеств бора в огнеупорах и.сырых материалах, оказывающего значительное воз­ действие на свойства металлов.

ИНДУКЦИОННАЯ ПЛАВКА для ПОЛУЧЕНИЯ т о ч н о г о л и т ь я

П . Б и м е р

За последние десять лет производство слитков металлов и сплавов в вакуумных печах приняло широкие размеры и превратилось в отдельную отрасль промышленности, мощность которой непрерывно возрастает. Однако изготовление точного литья в вакуумных печах еще не получило должного развития. Процесс непосредственного получения полуфабри­ катов или готовых деталей из сплавов, выплавляемых в вакууме, включает в себя также и плавку в основной вакуумной печи.

Широкое использование металлов, выплавляемых в вакуумных печах, и особенно жаропрочных сплавов, вызывает необходимость в изы­ скании методов обработки этих материалов, так как вследствие их осо­ бого состава обычная ковка или прокатка таких металлов невозможна.

Впервые метод получения точного литья был применен для сплавов на кобальтовой основе, из которых изготовлялись лопатки газовых тур­ бин. Но механическая обработка жаропрочных сплавов на никелевой основе, предложенных несколько позднее и используемых для производ­ ства деталей газовых турбин, работающих при высоких температурах, также является проблемой.

Изыскание методов получения отливок для производства деталей газовых турбин из сплавов высокой чистоты, выплавляемых в ваку­ уме, явилось поэтому естественным развитием работ в этой области. Поскольку здесь речь идет о производстве точного литья, предназна­ ченного для тяжелых условий работы, поверхность отливок должна быть чистой и свободной от газовых раковин и включений. По этой причине тип литейных форм и процессы плавки, применяемые для литья в вакууме, имеют исключительно важное значение. Для литья в формы необходимо применять химически инертные материалы при высо­ ких температурах и низких давлениях, которые имеют место на границе раздела металл — форма. Хотя формы изготовляются из графита и стали (или fta других материалов, например оболочковые формы), все же огне­ упорные формы, изготовленные по методу восковых выплавляемых моде­ лей или другим аналогичным способом с использованием керамики или тугоплавких материалов, обладают более желательными характеристи­ ками. Поэтому рассматриваемые в этой статье формы изготовлялись по методу выплавляемых восковых моделей.

ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ ВОСКОВЫМ МОДЕЛЯМ

Литье по выплавляемым восковым моделям является многоступен­ чатым процессом, который заключается в том, что восковая модель, пред­ ставляющая собой точную копию отливаемой детали с ее окончательными размерами, покрывается огнеупорными материалами в несколько прие­ мов. Первый этап состоит в том, что тонкий порошок огнеупорного окисла смешивается с органической связкой, затем образующейся пастой покры-

ваются отдельные части восковой модели. После сушки на поверхности модели образуется тонкая оболочка. Форма снова покрывается огнеупор­ ным порошком и связкой более густой консистенции. По прошествии соответствующего периода выдержки, в течение которой форма приобре­ тает максимальную прочность, она обжигается, воск выплавляется и в образующуюся полость заливается жидкий металл. Можно также исполь­ зовать и другие материалы, в частности полистирол, замороженную ртуть и т. д. Применяются также и различные варианты технологии описанного процесса, основые принципы которого изложены в этой работе.

Проблема развития литья в вакууме связана с развитием сле­ дующих основных технологических звеньев: оборудования, процессов, сплавов и их свойств.

Оборудование

Производство точного литья в вакууме началось с осуществления небольших плавок в вакуумных печах емкостью около 22,5 кг. Такие не­ большие по весу плавки для заливки отдельных форм экономически невы­ годны, особенно при большом масштабе производства. Использование более мощных печей с садкой 135—180 кг значительно усложняет процесс контроля плавки. Большая затрата времени, необходимого для расплавле­ ния и рафинирования крупных плавок, обычно компенсируется экономией времени при заливке большого количества форм. Для осуществле­ ния необходимого контроля плавки и получения высоких свойств металла без применения чрезмерно дорогих испытаний было решено, что для производства больших партий литых деталей наиболее экономичным будет процесс, который использует предварительно выполненные крупные вакуумные плавки образцовых сплавов. Небольшие количества ме­ талла можно переплавлять и отливать в отдельные формы. До исполь­ зования этих образцовых плавок можно проводить необходимые испыта­ ния и анализ их свойств. Вакуумная плавка для получения такого литья должна иметь относительно короткий рабочий цикл—примерно 25—40 мин. от ее начала до разливки. Полагают, что использование большого количества малых печей, несмотря на более низкую их производитель­ ность по сравнению с крупными печами, имеющими садку 90—135 кг, может обеспечить более воспроизводимый цикл. Применение малых вакуумных печей для производства точного литья имеет следующие допол­ нительные преимущества:

1)меньшее колебание химического состава металла при переплаве;

2)меньшая затрата времени на изготовление индивидуальной (^эрмы;

3)достижение более низких давлений без использования чрезмерно больших откачных систем;

4)легкость обеспечения герметичности системы;

5)больше возможностей в отношении использования специальных технологических процессов.

Кроме того, в печах малой емкости конструирование индуктора и вакуумной системы не является сложной технической проблемой.

Малые печи обычно представляют собой уменьшенные модели печей большой емкости, и откачная система к ним позволяет поддерживать дав­ ление в процессе плавки ниже 10 мк рт. ст. при скорости натекания в холодную печь менее чем 16 мк/час. Существенным также является то, чтобы при наклоне вакуумной камеры не нарушалась герметичность печи.

При производстве точного литья, в частности турбинных лопаток и дисков, измерение и регулирование температуры печи приобретает весьма

важное значение. После установления оптимального химического состава любые значительные отклонения от него в период вакуумной переплавки будут относиться к изменениям времени и температуры процесса. Все элементы, имеющие высокую упругость пара, будут испаряться при тех температурах и давлениях, которые применяются при точном литье в вакууме.

Для того чтобы металл заполнял литейную форму без образова­ ния литейных пороков, необходим точный и быстрый способ измерения температуры. Точное литье в вакууме используется главным образом для изготовления сложных деталей самолетов с резкими переходами от больших сечений к малым.

Качество таких отливок проверяется с помощью рентгеновских установок. Диапазон температур, при которых производится отливка деталей, имеет решающее значение, поэтому для их измерения используются термопары, которые извлекаются из печей без нарушения вакуума. Кроме того, применяются чувствительные устройства с быстрым отсчетом показаний, например радиационные пирометры. Оптические приборы имеют ограниченное применение в малых вакуумных печах, вследствие осаждения паров металла на смотровых стеклах и ввиду отсутствия ста­ бильных условий внутри печи.

Поскольку используются образцовые плавки, нет необходимости в больших загрузочных бадьях и сложных загрузочных механизмах. В настоящий обзор включены вакуумные печи малой емкости, которые используются для литья по выплавляемым моделям.

Процессы плавки и литья

Процессы плавки и литья зависят от типа вакуумных печных уста­ новок. Рассматриваемая в данной работе техника относится к малым печным установкам. Для любого процесса плавки, литья и легирования необходимо знать влияние этих операций на качество конечной продук­ ции и оценить результирующие физико-механические свойства. Каждая отдельная группа сплавов при плавке в вакууме будет реагировать раз­ личным образом. Заявления о том, что вакуумная плавка и литье улуч­ шают свойства всех высокотемпературных сплавов, является ошибочным. С этим можно согласиться в том случае, если для высокотемпературных сплавов на кобальтовой основе будут получены такие же достоверные данные по улучшению физико-механических свойств, как и для сплавов на основе никеля.

Поскольку производственные возможности вакуумной металлургии не получили должного развития, количество систем сплавов, выбранных для исследования, было ограничено определенными сплавами. Для работы в области высоких температур широкое применение находят сплавы на никелевой основе, повышение прочности которых обеспечивается добавками значительных количеств титана и алюминия. Отливки из этих сплавов, полученных в обычных условиях при нормальном давлении, загрязнены включениями как на поверхности, так и внутри литья. В процессе плавки обычными методами (дуговыми или индукционным) ввиду сильного оки­ сления алюминия и титана сплав сильно загрязняется окисными включе­ ниями.

Улучшение ковкости сплавов васпаллой и юдимет-500 при выплавке их в вакууме явилось причиной выбора их для производства вакуумных отливок по выплавляемым моделям. Этим же методом были получены отливки из сплавов на никелевой основе (GMR-235, инко-713, сплав Ги, М-252) и сплавов на железной основе (А-286, дискаллой и М-306). Выплавка

этих сплавов в обычных атмосферных условиях приводит к загрязнению их неметаллическими включениями и снижению содержания алюминия и титана.

Наиболее важной стадией операции получения отливок является плавильный цикл. Хотя технология плавки каждого отдельного сплава имеет свои специфические особенности, здесь будут обсуждаться только типичные стадии процесса плавки.

Основные стадии процесса плавки. 1. Металл образцовой плавки (из предварительно выплавленных в вакууме сплавов) загружается в тигель. В большинстве случаев загружается количество металла, достаточное для заполнения только одной формы.

2. Подогретая форма помещается в вакуумную камеру. Потери тепла формой в вакууме незначительны. Было установлено, что в течение обычного плавильного цикла температура внутренней части формы понижается примерно на 95—120°. Поскольку формы подогреваются до температуры 820—1100°, за счет перегрева можно компенсировать любую потерю тепла в указанных выше пределах.

3. Вакуумная камера откачивается. После снижения давления до 5 мк рт. ст. мощность печи увеличивается и начинается плавка. Произво­ дительность откачной системы должна быть достаточной, чтобы поддер­ живать давление в период плавки и отливки ниже 10 мк рт. ст. Обычно давление порядка 2—4 мк. рт. ст. является нормальным.

4.При переплаве образцовых сплавов никакие раскислители и леги­ рующие добавки не применяются.

5.После расплава шихты начинается интенсивное выделение га­ зов, которые повышают общее давление в печи при отключенной от­ качной системе. Повышается также давление за счет натекания воз­

духа. Общее давление в печной камере будет состоять из следующих слагаемых :

а) давления, создаваемого растворенными и адсорбированными в ме­ талле газами, выделившимися в процессе вакуумной плавки;

б) давления за счет выделившихся газообразных продуктов в резуль­ тате взаимодействия между расплавленными металлами и футеровкой тигля ;

в) давления, создаваемого газами, поступающими в систему в резуль­ тате ее негерметичности.

Величина скорости газовыделения влияет на качество вакуумной плавки. При малых плавках металла из сырых материалов скорость выделения газов определяет длительность периода рафинирования.

I 6. Когда металл достигает литейной температуры, производится последний ее замер и металл выливается в форму. При обычном про­

Это имеет особенно важное значение при отливке тонких профилей. Хотя наиболее распространенным является статический метод при отливке чрезвычайно тонких сечений, широкое распространение получили также и другие способы заполнения форм, например центробежное литье в вакуумной камере.

7.Форме дают возможность охладиться под вакуумом до темпе­ ратуры, ниже которой никакое поверхностное окисление или интеркристаллитная коррозия не могут иметь места.

8.После этого камера заполняется воздухом, открывается и форма извлекается.

Воспроизводимость химического состава сплава

*

Воспроизводимость химического состава сплава от одной плавки к другой также имеет существенное значение. Был проведен ряд анализов на образцах, взятых из 30 плавок переплавляемого образцового сплава юдимет-500.

Установлено, что изменение химического состава отливок из этих плавок находится в пределах точности лабораторного анализа. Типичные результаты *анализов приведены в таблице. Анализы других сплавов, переплавленных в вакууме, показали те же результаты. Найдено, что в этих сплавах при переплаве в вакууме сохраняется больший процент таких элементов, как церий, лантан, бор, ниобий, тантал и цирконий, по срав­ нению с теми же сплавами, выплавленными на воздухе. В настоящее время многие исследователи изучают влияние этих элементов на механи­ ческие свойства, но пока никаких определенных результатов не получено. Выяснено, однако, что добавки активных элементов дают больший эффект при введении их в вакууме. Образование неметаллических включений, вредных для качества литья, в этом случае оказывается минимальным. При выплавке в вакууме сплавов, используемых в настоящее время в качестве литейной шихты, обычное раскисление кремнием и марганцем не применяется.

Сплавы и их применение

Процесс вакуумного литья по выплавляемым моделям применяется в основном для некоторых сплавов на никелевой основе, используемых для лопаток газовых турбин и других деталей, работающих в области высоких температур. Следует заметить, что использование этих сплавов далеко не ограничивается только перечисленными деталями.

Надо полагать, что можно получать в литом виде магнитные сплавы, низколегированные стали и такие активные металлы, как титан и цирконий. Только благодаря высоким требованиям, предъявля­ емым авиационной газотурбинной промышленностью к свойствам спла­ вов, а также в связи с необходимостью разработки новых сплавов, разрешающих проблему ковки и механической обработки, было уде­ лено много внимания вакуумному литью по выплавляемым моделям из высокотемпературных сплавов или «суперсплавов» (сплавов с повышен­ ными свойствами).

Турбинные лопатки, полученные этим методом, успешно выдержали испытания в экспериментальных двигателях. Стендовые испытания двигателей с литыми лопатками, проведенные фирмой «Люис флейт пропалшн лэборэтри», показали, что эти сплавы можно с успехом применять для деталей газовых турбин и главным образом для лопаток роторов.

Оценка свойств литых сплавов

С целью оценки влияния метода вакуумного литья на механические свойства сплавов была разработана специальная программа испытаний, которая не предусматривала фундаментальных исследований сплавов, но преследовала цель определения влияния вакуумирования, условий разливки и состава сплавов на длительную прочность при температуре 20° и на предел прочности при растяжении в условиях повышенных температур.

Надо полагать, что такие сплавы, как юдимет-500 или васпаллой, с небольшими изменениями их химического состава можно будет применять

для точного литья и что при этом длительная прочность при повышенных температурах литых сплавов может оказаться равной или выше длитель­ ной прочности деталей из кованых металлов.

Изготовление образцов для испытаний

Для полной имитации свойств сплава каждый образец, предназначен­ ный для исследований, изготовлялся в аналогичных условиях, которые имели место при производстве точного литья. При отливке образцов температура металла и изложницы была выбрана такой же, как и при производстве обычного литья. Образцы отливались точно по размерам, без припусков на механическую обработку. Во всех случаях технология изготовления образцов была разработана таким образом, что при просвечивании рент­ геновскими лучами образцов они были свободны не только от раковин, но и от микропористости. Вес загрузки металлом изложниц составлял примерно 5,5 кг. Это вес нормальной загрузки для литья деталей, поэтому цикл плавки должен быть аналогичным.

Для определения любых улучшений механических свойств, и в особенности улучшения ковкости, которые могли быть достигнуты в результате переплавки и отливки в вакууме предварительно прове­ денных на воздухе образцовых плавок, испытывались некоторые сплавы,

ная на воздухе плавка весом 400 кг сплава инко-713. Составы этих сплавов соответствовали стандартам и составам вакуумных сплавов, наиболее часто получаемых от поставщиков.

Образцовые плавки, которые были выбраны случайно, должны были отражать средние свойства литого сплава. Образцы, предназначен­ ные для исследований, были получены отливкой в вакууме, согласно ранее описанному методу. Васпаллой и юдимет-500 были подвергнуты термической обработке на твердый раствор и старению.

Поскольку поверхность заготовок для образцов механически не обра­ батывалась, возникла необходимость в закалке их в защитной атмосфере во избежание интеркристаллитной коррозии и поверхностного окисле­ ния, которые могли бы иметь место при термообработке образцов на воз­ духе. Сплав инко-713 испытывался без термообработки.

Испытания

Следует подчеркнуть, что приведенные здесь результаты исследова­ ний представляют собой средние значения свойств сплавов. Для конструк­ тивных целей требовалось провести дополнительные опыты и построить соответствующие графики. Оценка механических свойств этих сплавов состояла в том, чтобы получить результаты испытаний на длительную прочность при температуре 820, 870, 930° и кратковременных испытаний на растяжение при температуре 20, 600, 650 и 820°. Полученные резуль­