Вакуумная металлургия

до разрыва всех никелевых сплавов при этих же условиях составляет 100 час. Сплавы юдимет-500 и инко-713 при той же температуре имеют время до разрыва 100 час. при напряжении, значительно превышающем

Фиг . 3. Длительная прочность при 930° образцов, полученных отливкой в вакууме по выплавляемым моделям.

имеют сравнительно высокое удлинение при 820, 870, 930°, а также хорошую ковкость. Наибольшее относительное удлинение и сужение поперечного сечения имеет васпаллой (фиг. 4). Хотя испытания сплава инко-713 еще не закончены, предварительные испытания вакуумной отливки из вакуумной образцовой плавки указывают на возможность дальнейшего улучшения длительной прочности. Вакуумное литье по выплавляемым моделям из сплавов типа GMR-235 также дает анало­ гичные улучшения длительной прочности.

Предел прочности при растяжении

Были ислледованы также прочностные свойства образцов этих трех сплавов, отлитых в вакууме. Предварительные данные испытаний на растяжение были проведены с целью определения предела текучести этих

eg

Фиг. 5. Предел прочности и предел текучести образцов из спла­ вов, полученных отливкой в вакууме по выплавляемым моделям.

1 — васпаллой; 2 — юдимет-500; 3 — инко-713.

сплавов в интервале промежуточных температур. Хотя при повышенных температурах прочности при растяжении литых сплавов васпаллой и юдимет-500 не эквивалентны этим же свойствам кованых сплавов, однако они должны быть более высокими, чем у сплавов на основе кобальта.

У сплавов на кобальтовой основе (например, Х-40) предел прочности при растяжении при температурах, превышающих 650°, невысок. На фиг. 5 приведены предел прочности при растяжении и предел текучести в зависимости от температуры для сплавов на никелевой основе. Следует заметить, что плавка в вакууме улучшает вязкость этих сплавов при ком­ натной температуре. Все эти сплавы имеют хорошее относительное удли­ нение, обычно более 5%. Выплавка на воздухе этих сплавов отрицательно сказывается не только на длительной прочности, но в большей степени — на вязкости. Хотя минимальное значение вязкости, необходимое для деталей турбин, особенно для роторных лопаток, не установлено, однако полагают, что величина относительного удлинения должна быть в преде­ лах 4—5% или даже 8—10%. Для сплавов, отлитых на воздухе, относи­ тельное удлинение является низким как при комнатной, так и при повы­ шенной температурах. Сплавы же, отлитые в вакууме, имели среднее зна­ чение относительного удлинения выше этих минимальных пределов

ства и недостатки литья в инертной атмосфере по сравнению с литьем в вакууме были подвергнуты обсуждению.

Для сравнения достоинств этих двух методов были проведены испыта­ ния на растяжение и длительную прочность образцов, отлитых в вакууме и в атмосфере аргона. Результаты их испытаний показаны на фиг. 7.

Кривые длительной прочности васпаллоя, отлитого двумя указанными способами, при кратковременных испытаниях почти совпадают. Сравне­ ния относительного удлинения и поперечного сужения, приведенные

Фиг. 8. Относительные удлинения и сужения попе­ речного сечения образцов из сплава васпаллой, полу­ ченных отливкой по выплавляемым моделям и отлив­ кой в дуговой печи в атмосфере аргона.

1 — образец из васпаллоя, отлитый в вакууме; 2 — образец из васпаллоя, отлитый в атмосфере аргона.

на фиг. 8, показывают наличие более высоких свойств пластичности у ме­ талла, отлитого в вакууме. Согласно данным этих опытов, можно сделать вывод, что метод вакуумного литья позволяет получить более высокие механические свойства, вследствие чего почти не происходит преждевре­ менного разрушения образцов, отлитых в вакууме.

Литье в вакууме обеспечивает среду, свободную от присутствия кисло­ рода, чего нельзя достичь при дуговой плавке и отливке в атмосфере ар­ гона или в какой-либо другой инертной атмосфере. Это имеет существенное значение не только для получения хорошего качества поверхности отливок, но и их механических свойств. В среде, свободной от кислорода, загряз­ нение отливок неметаллическими включениями уменьшается.

Длительная прочность за 100 час.

На фиг. 9 показаны кривые длительной прочности за 100 час. при раз­ личных температурах для образцов из сплавов юдимет-500, инко-713 и васпаллоя, отлитых в вакууме по выплавляемым моделям. Кривая дли­ тельной прочности за 100 час. кованого сплава юдимет-500 также приведена (по литературным данным). Из этих кривых видно, что длительная проч­ ность при повышенных температурах у литого сплава выше, чем у кова-

ного. Улучшение длительной прочности наблюдалось также и для сплава васпаллой. Длительная прочность для отлитого в вакууме инко-713 оказа­ лась выше средних значений длительной прочности этого сплава, от­ литого в инертной атмосфере.

Следует заметить, что производство деталей для газовых турбин из этих (и других) сплавов уже начато, проектируется получение ряда литых деталей в вакууме.

Фиг . 9. Длительная прочность за 100 час. для образцов из раз­ личных сплавов.

1 — инко-713; 2 — юдимет-500; 3 — юди- мет-500 (кованый); 4 — васпаллой.

Рассмотренные здесь сплавы представляют собой литые композиции, которые успешно применяются. Использование вакуума и модификация основных составов сплавов позволят улучшить их прочность при высоких температурах. Можно утверждать, что из существующих непрерывно улучшающихся сплавов полученные в вакууме по выплавляемым моделям будут иметь такую же длительную прочность при 980°, какую имеют детали, отлитые без вакуума при 930°.

ДЕГАЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ

М. А у ее р те р

Вредное влияние примесей на свойства многих металлов и сплавов хорошо известно. Растворимость газов, окислов, нитридов и гидридов в расплавах выше, чем в твердых телах, в результате чего возможно пересы­ щение металла газами, которые затем выделяются при охлаждении (глав­ ным образом по границам зерен).

Хрупкость включений, выпавших по границам зерен, вызывает, естественно, и хрупкость всего материала в целом. Примерами таких металлов, исключительно чувствительных к наличию примесей, являются титан, цирконий и хром.

Загрязнение титана и циркония кислородом, азотом или водородом вызывает хладноломкость. Хром же чувствителен к загрязнению даже ничтожно малыми количествами кислорода.

В других металлах, как, например, в меди, вредное влияние

локи больших диаметров. Непреодолимые трудности встречает воло­ чение тонкой проволоки из меди, содержащей кислород. Кислород в сочетании с водородом, растворенным в меди, приводит к так называемой водородной хрупкости меди. В несколько меньшей степени, но также вредно влияют газы на свойства низколегированных кон­ струкционных сталей.

Гудремон [1] и его сотрудники нашли, что водород, растворенный в металле, выделяется в процессе затвердевания. Выделение водорода при­ водит к образованию флокенов и излому деталей в процессе эксплуатации вследствие возникновения трещин.

Для упомянутых металлов (титана, циркония и хрома), за исключе­ нием меди, обычный процесс плавки не позволяет получить продукт, при­ годный для массового применения.

Основываясь на изучении свойств чистых металлов, которые харак­ теризуются высокой химической устойчивостью, Рон [2] сконструиро­ вал установку для плавки больших количеств металла в вакууме при давлении 10—50 мм рт. ст. Эти установки появились задолго до начала интенсивного развития вакуумной металлургии, однако их использование для промышленного производства оказалось затруднительным вследствие отсутствия соответствующих вакуумных насосов.

Предпосылкой для успешного и экономичного развития вакуумное металлургии было освоение производства небольших установок, обор\ дованных контрольно-измерительными приборами и приспособлениями позволяющими производить легирование металла в процессе плавки, регулирование химических реакций, а также непрерывный анализ выде­ ляющихся газов.

На фиг. 1 представлена вакуумная установка, конструкция которой, по-видимому, уже описана в соответствующей литературе.

Старые лабораторные вакуумные печи, сконструированные в начале текущего столетия, оказались непригодными для указанных целей. Для полного понимания процесса дегазации металлических расплавов в ваку­ уме необходимо иметь представление о происхождении этих газов, об их связи с металлами и с существующими эмпирическими соотношениями, относящимися к ним.

Во многих случаях можно допустить, что газы растворяются в жид­ ких металлах в виде отдельных атомов, образуя истинные растворы.

в см3 на 100 г металла, р — парциальное давление газа, к — константа. Рассмотрение зависимости процесса растворения газа от температуры

где а — константа.

Уравнение (2) выражает также зависимость содержания газа в метал­ ле от общего давления над расплавом. При легировании металла количе­ ство растворенных газов увеличивается или уменьшается в зависимости от количества введенного элемента.

Закон Сивертса не применим для газов, присутствующих в металле в форме окислов, нитридов или гидридов, т. е. в виде соединений с металлом. Этот закон справедлив только в том случае, если эти соединения диссо­ циируют при растворении в металле. Об этом более подробно будет сообщено несколько позже.

Как правило, можно допустить, что количество растворенных газов увеличивается с возрастанием температуры. В общем это соответствует увеличению химического сродства и, следовательно, тенденции к нежела­ тельному образованию соединений до тех пор, пока образование таких соединений не предупреждается противодействующим давлением диссо­ циации. Это противодействие возможно в случае менее устойчивых нитридов й гидридов, однако для окислов упругость диссоциации доста­ точно мала, чтобы осуществить дегазацию.

В табл. 1 приведены давления диссоциации кислорода для ряда окислов в зависимости от температуры. На фиг. 2 показана зависимость температуры от упругости диссоциации Си20 и растворов Си20 в Си. Можно показать, что даже дегазация при наиболее низком давлении, которое можно получить на высоковакуумном оборудовании, не приводит к полному удалению газов. Представляется целесообразным интерпрети­

ровать процесс дегазации на основе закона действующих масс. Однако при этом следует иметь в виду, что реальные условия, в которых протекает дегазация, не будут подчиняться полностью этому закону. Плавка в вакууме происходит не в изолированной системе, и, кроме того, эта система не является однородной, поскольку поверхностные реакции, происходящие на границе раздела металл — тигель, или реакции на верхней поверхности металла играют существенную роль.

Если же, несмотря на это, все же пытаются применить закон действующих масс, то пользуются методом, аналогич­ ным тому, который применяется для описания обычного процесса при ат­ мосферном давлении и под слоем шлака. Классическим примером является реак­ ция обезуглероживания

Для ясности изложения в дальнейшем будем основываться на данных фиг. 3, которая выражает зависимость содержания кислорода и углерода в металле при 1600° от давления.

Уменьшение давления СО, возникающее в результате откачки газон из системы, приводит к уменьшению произведения [FeO] • [С], п о э т о м у

для того, чтобы константа равновесия не изменялась, должна уменьшаться концентрация углерода или кислорода. Поскольку упругость диссоциации окислов слишком мала, уменьшение давления не влияет на дегазацию ме­ талла, в связи с чем необходимо применять соответствующие раскислители, Вакуум, по существу, является инертной атмосферой, поэтому плавку можно вести без шлака. Очевидно, целесообразно использовать в качестве раскислителя такие элементы, которые дают газообразный

не растворимый в металле продукт, удаляемый насосами.

0,050

о т

<ото

^0,020

сэ

I 0,010

0

3

4е

<ь 0,005 g от

Фиг . 3. Равновесное содержание углерода и кисло­ рода в стали при 1600° и парциальном давлении СО, равном 1 атм, 0,1 атм и 10 мм рт. ст.

С этой точки зрения наиболее подходящими раскислителями являются углерод и водород. Почти полное отсутствие растворимости окиси угле­ рода в железе и высокое давление ее пара при точке плавления железа и при более высоких температурах способствуют развитию реакции обез­ углероживания. Окись углерода, образующаяся во внутренних частях ванны, поднимается к поверхности металла в виде пузырьков, причем этот процесс получает значительное развитие, если ему не препятствует гидростатическое давление столба расплавленного металла. Растворен­ ные газы, например кислород, азот или водород, благодаря их низкому парциальному давлению внутри газовых пузырьков могут диффундировать через границу раздела металл — пузырек и после достижения поверх­ ности ванны откачиваются.

В процессе плавки металла в тигле давление столба металла вслед­ ствие его высокой плотности препятствует образованию газовых пузырь­ ков в достаточных количествах даже в сравнительно неглубоких слоях металла. Вследствие этого важно принять во внимание, что каждое приращение объема плавки часто отражается на поверхности раздела металл — вакуум в течение процесса дегазации. Во всех этих процессах не достигается равновесия, так как время реакции очень мало, а путь диффундирующих элементов слишком велик.

Особое внимание следует уделить рассмотрению реакций между стенками тигля и расплавом, которые имеют место при высоких темпе­ ратурах. Фаст и его сотрудники [5] изучали загрязнение металла мате­ риалом тигля в процессе плавки чистого железа в высоковакуумной индукционной печи. В качестве восстановителя и раскислителя при­ менялся водород. Тигли изготовлялись из окиси алюминия и окиси магния.

если содержание кислорода достигнет 0,001%, то в расплав перейдет из тигля 0,01% алюминия.

Магний не растворим в железе, поэтому использование футеровки из окиси магния не может привести к переходу магния в железо. Более

зана абсорбция кислорода, азота и водорода в зависимости от давления над расплавом.

в вакууме. Известно, что тонкая мономолекулярная пленка абсорбиро­ ванного газа образуется на поверхности металла даже при давлении 10-5 мм рт. ст., если коэффициент аккомодации имеет величину, равную единице. Однако при высоких температурах поверхности металла это условие не имеет места. Кроме того, продукты реакций, которые являются результатом столкновений между атомами металла и молекулами газа