книги из ГПНТБ / Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии

образуется, он должен сливаться из индуктора в усло­ виях вакуума. В этих опытах алюминий действительно быстро сливался в вакууме, даже если он был расллавлен в индукторе, который хорошо удерживал жидкий алюминий три атмосферном давлении. Однако это не нашло 'подтверждения в других работах.

Методом ПВС для различных исследовательских це­ лей получены сплавы алюминия с титаном, хромом, же­ лезом, никелем, ниобием и другими металлами. Содер­ жание алюминия в этих сплавах доведено до 1 0 % [2 2 , с.

275; 52]. Химичеокий состав, чистота и равномерное рас­ пределение алюминия в слитках отвечают поставленным задачам.

Некоторые трудности встречаются при получении слитков алюминиевых сплавов, когда растворимость ле­ гирующего компонента в твердой матрице невелика. Так, равновесная растворимость золота в твердом алю­

ным содержанием этих компонентов усложняется фазо­ выми превращениями, которые сопровождаются оегре-

81

рационными явлениями. Некоторого снижения этих яв­ лений удается добиться за счет подбора скоростей закалки жидкого сплава. Однако указанных явлений не удалось избежать даже при больших скоростях закалки, которые возможны при сливе .металла во время ІІВС в медные водоохлаждаемые изложницы. Тем не менее чис­ тота и структура этих слитков была удовлетворительной, поскольку получали равномерно распределенные части­ цы, выпадавшие из твердого раствора.

Плавку алюминиевых капсул проводят при понижен- . ном давлении газовой фазы в реакционной камере, по­ казанной на рис. 42 [69]. Потеря алюминия за счет ис­ парения в процессе ПВС при 1300°С не превышает 0,014%. Разливку алюминиевого сплава осуществляют

вводоохлаждаемые медные или графитовые изложницы.

Внекоторых случаях для обеспечения повышенной чис­ тоты сплавов медные изложницы хромируют, а графи­ товые — покрывают тонким слоем глинозема.

Всвязи со сложностью процесса кристаллизации алюминиевого сплава с бором и низкой растворимостью

бора в твердом алюминии отклонение содержания бюра от среднего иногда доходит до 10% (оти.). При рассмот­ рении микроструктуры сплава А1—В хорошо видны .мел­ кие и равномерно распределенные иглы АіВ2 в алюми­

ниевой матрице. Поэтому сплавы с малой раствори­ мостью легирующего компонента подвергают гомогени­ зации, благодаря которой удается получить более равно­ мерную структуру. Следует упомянуть, что выплавка сплавов алюминия с бором в тигле индукционной печи вообще не удается вследствие неполного растворения бора в жидком алюминии и сильного загрязнения сплава компонентами огнеупора. В сплавах алюминия с марган­ цем обнаружено настолько равномерное распределение марганца' по сечению слитка, что не требовалось допол­ нительной термической обработки для гомогенизации. Результаты прецизионного аналитического контроля

•показали, что различие концентрации легирующих ком­ понентов в литых и деформированных образцах не пре­ вышало 0,1—0,5% (отн.).

Методом ПВС выплавляли двойные сплавы алюми­ ния с ураном, имеющим также малую растворимость в твердом алюминии [69]. Эти сплавы имели высокую чистоту и удовлетворительную структуру. Благодаря получению высококачественных слитков разработали

82

технологию получения стержней и 'пластин из двойных сплавов па основе алюминия для изготовления детекто­ ров нейтронного генератора.

Сплавы на основе титана и циркония обычно плавят в птмосфере чистого инертного газа или в вакууме. Элек­ тролитический и магниетермический титан расплавить в вакууме не удается, поскольку .металл сильно разбрыз­ гивается вследствие интенсивного газовыделения. Если образец приготовлен прессованием порошка или струж­ ки, то в результате газовыделения исходный образец мо­ жет быть полностью разорван. По этой причине образ­ цы титана предварительно переплавляют во взвешенном состоянии в инертном газе.

Для изучения природы взаимодействия титана и его сплавов с кислородом проводили контролируемое леги­ рование последним. Для плавки образцов титана с точно

[7]. Сплавы титана с железом и молибденом выплавляли из чистых исходных материалов. Навеску легирующего компонента также помещали в углубление, высверленное в образце титана. Были получены образцы, содержание железа в которых изменялось от 0 , 2 до 49,6%, я молиб­ дена— от 6 до 8 % [52]. Металлографический анализ

'отлитого в медную изложницу слитка показал, что меж­ ду изложницей и сплавом в процессе разливки жидкого металла не происходит никакого взаимодействия. Рент­ геноструктурным анализом было установлено, что сли­ ток имеет хорошую гомогенность. Механические испы­ тания разрывных образцов длиной 38 мм и диаметро,м испытуемого участка ~ 5 мм дали удовлетворительные результаты.

На основе циркония были приготовлены сплавы с ни­ обием, ванадием, лантаном, стронцием и другими метал­ лами, однако оплавление циркония с легколетучими ком­ понентами, например барием, не дали удовлетворитель­ ных результатов [6 8 ]. Над расплавленными каплями

этих сплавов образовывался белый дым, который пре­ кращался только после полного испарения бария.

83

Преимущества ЛВС ярко иллюстрируются на приме­ ре выплавки сплавов титана и циркония с оловом. Труд­ ности (получения сплавов этих систем в дуговых печах общеизвестны. Для сравнения возможностей вакуумного дугового переплава (ВДП) и ПВС были выполнены сплавы титана и циркония с оловом обоими методами [52, 72]. Поскольку при плавке в вакууме происходит снижение содержания газовых примесей [73], то чис­ тота этих .металлов, как правило, выше, чём аналогичных образцов, полученных ВДП. Повышение чистоты образ-- цов ПВС по сравнению с образцами ВДП можно обна­ ружить по изменению значений микротвердости (табл. 15), которая сохраняется и после отжига [72].

Т а б л и ц а 1і5

Микротвердость литых титановых и циркониевых сплавов

Металлографический анализ показал, что литые спла­ вы дугового переплава, начиная с 21% Sn, являются двухфазными. Сплавы же, выплавленные ПВС, во всем интервале концентраций титана являются однофазными за исключением образцов с содержанием олова 38, 42 и 43%, в структуре которых имеется небольшое количест­ во второй фазы. На рис. 43 [72] приведена зависимость микротвердости образцов сплава Ті — Sn, .выплавленных ВДП и с помощью ПВС. Измерение микротвердости в центре и по границам зерен литых сплавов этой системы ■показало значительную химическую неоднородность об­ разцов ВДП, поскольку разница соответствующих зна­ чений микротвердости достипает 30—40 кгс/мм2. В об­ разцах, выплавленных методом ПВС, эта разница во всех случаях весьма незначительна.

Плавка хрома в чистых условиях чрезвычайно зат­ руднена вследствие высокой химической активности его

84

при повышенных температурах. В лабораторных усло­ виях для ‘получения небольших образцов хрома и его сплавов была с успехом использована ПВС. Однако и этот метод требует значительных усилий для отработки плавильной технологии и получения слитков, имеющих удовлетворительную структуру[25].

В .качестве исходного материала обычно используют электролитический или иодидный хром в виде спрессо ванных капсул или ша­

плавку металла обычно проводят при повышенном дав­ лении, которое в существующих установках для ПВС может достигать 2,0—2,5 ат. В подобных условиях были выплавлены сплавы хрома с различным содержанием молибдена, алюминия, никеля, железа, титана, циркония, ванадия, тантала, и вольфрама. Почти во всех случаях отмечено хорошее соответствие исходного и конечного составов сплава.

После плавок в атмосфере ігелия слитки имели чистую поверхность и плотную структуру. Этот же металл, вып­ лавленный в атмосфере водорода и закристаллизован­ ный в медных водоохлаждаемых изложницах, имел по­ ристую структуру, вследствие изменения растворимости

85

водорода при понижении температуры [52]. В случае кристаллизации металлического храма при ПВС, когда расплав постепенно охлаждали струей инертного газа, удавалось получать шарообразные образцы с очень чис­ той поверхностью и плотной структурой.

Хрупкость сплавов хрома значительно ограничивает возможности их широкого применения. Для оптимально­ го сочетания пластичности и прочности этих сплавов содержание -примесей внедрения должно быть сведено к минимуму. Так, содержание кислорода и азота не долж­ но превышать 0,01%- Метод ПВС обеспечивает получе­ ние сплавов с таким низким содержанием примесей внедрения. Образцы переплавленного во взвешенном состоянии хрома и его сплавов пластичны при темпера­ туре > 250°С, однако относительное удлинение при 450°С достигает всего 3%. Температура перехода из пластич­ наго состояния в хрупкое равна 150— 175°С.

Методом ПВС были получены сплавы железа с раз­ личными металлическими и неметаллическими компонен­ тами, концентрацию которых изменяли в широких преде­ лах. Обычно капли железа и его сплавов стабильно удерживаются электромагнитным -полем, благодаря чему можно получать большое число образцов с различными параметрами. Так, в лабораториях фирмы «Вестпнгауз» за небольшой период времени было выплавлено более 4000 образцов из сплавов на основе железа.

Высокие скорости кристаллизации металлического расплава создают возможность получения этим методом слитков, пересыщенных газовыми смесями. Таким обра­ зом выплавлены железоуглеродистые сплавы с высоким содержанием азота, которые были использованы для ис­ следования растворимости азота в жидком железе при разных температурах. Концентрация углеро­ да изменялась от следов в чистом железе до 5,0%, при­ чем легирование железа осуществляли или введением графита, или добавками железа, насыщенного углеро­ дом. При выплавке сульфидов железа содержание серы доводили до 30%. вследствие чего возникала проблема стабильного удержания сплавов в электромагнитном по­ ле [74].

Изучение -процессов окисления ферросплавов имеет большое значение для сталеплавильного производства. Для получения исходных ферросплавов производили оплавление чистых исходных материалов методом ПВС.

86

Были приготовлены следующие ферросплавы: ферромар­ ганец, ферросилиций, силикомарганец, ферроалюминий, ферротитан, силіжоцирконий, феррованадий,'ферробор и феррохром. При выплавке этих сплавов большое внима­ ние было уделено тому, чтобы при повышенной чистоте от (посторонних примесей был получен химический сос­ тав стандартных ферросплавов. Наряду с выяснением возможности получения небольших количеств этих фер­ росплавов было подробно исследовано поведение спла­ вов в инертной и окислительной атмосферах [75].

Кристаллизация металла в медных изложницах после ПВС во многом аналогична кристаллизации металла в сварных швах и отливках, которые в процессе охлажде­ ния подвергаются воздействию сильных растягивающих напряжений. Попытки предсказывать свариваемость нер­ жавеющих сталей по их химическому составу не увен­ чались успехом. В качестве модели металла шва ис­ пользованы отливки, полученные в изложнице с пережи­ мом в нижней части. При этом возникают напряжения, аналогичные напряжениям сварного шва. Чувствитель­ ность нержавеющих сталей к образованию горячих тре­ щин исследована в работах [76]. Были испытаны раз­ личные изложницы, в результате чего выбраны такие, которые позволили контролировать способность нержа­ веющих сталей образовывать трещины в горячем состоя­ нии. Уменьшение длины литого образца или диаметра изложницы приводило к снижению этой чувствительно­ сти. Объем исследуемых образцов поддерживали посто­ янным и равным 2,4 см3, или 19 г, хотя геометрические размеры образцов изменяли в зависимости от характе­ ристик изложниц. На рис. 44 приведена схема излож­ ницы, применяемой для исследования чувствительности металла к трещинообразованию. Изложница состоит из верхней и нижней частей переменной длины А и В, кото­ рые разделены специальными шайбами с узким цент­

ральным отверстием. При кристаллизации металла тре­ щины в основном образовывались в той части слитка, которая застывала в пережиме, образованном шайбами. После выплавки, кристаллизации и охлаждения слитка изучали его поверхность под микроскопом. При этом вы­ являли поперечные трещины, образовавшиеся во время остывания образца, их характер и размеры, по которым устанавливали коэффициент трещинообразования. Зак­ лючение о чувствительности сплава к образованию горя­

87

чих трещин давали на основании зависимости этого коэф­ фициента от размеров изложницы. Некоторый разброс экспериментальных данных являлся следствием однов­ ременного действия химических, механических и геомет­ рических факторов. Параллельно было исследовано вли­ яние примесей на процесс образования горячих трещин. Результаты, 'полученные этим методом, находились ів хо­

чих трещин.

Методом ПВС неоднократно выплавляли удовлетво­ рительные по структуре и химическому составу образцы никеля, кобальта и их сплавов с железом, алюминием, молибденом, хромом, титаном, медью, серой, углеродом и другими металлами [52, 74]. Содёржание легирующих компонентов изменяли в широких пределах, а их потери в процессе плавки были невелики. Химический анализ ряда сплавов на основе никеля показал, что после плав­ ки исходный состав сохраняется в пределах 0,5%, если для приготовления сплава использован чистый никель. При меньшей чистоте никеля на капле расплава обрв-

88

зовывался шлак, а .в готовом слитке обнаруживали по­ ниженное содержание легирующего компонента. Поведе­ ние капель жидких сплавов на основе никеля и кобальта но взвешенном состоянии, как правило, устойчиво. При изучении взаимодействия кислорода с сульфидами нике-

лученных слитков была удовлетворительной, что позво­ лило выявить в сплавах никеля с титаном фазу Ti^Ni.

Известно, что сплавы ванадия и ниобия с цирконием, титаном, молибденом и другими металлами имеют повы­ шенную пластичность по сравнению с другими компози­ циями, предназначенными для изготовления сверхпро­ водящих соленоидов. Пластичность сверхпроводящих сплавов может быть дополнительно увеличена за счет повышения чистоты. Однако имеющиеся в литературе сведения по этому вопросу недостаточны, что в значи­ тельной мере объясняется трудностями получения сверх­ проводящих спла/вов. Выплавка их методом ПВС обе­ спечивает достаточно точное попадание в заданный хи­ мический состав и удовлетворительную чистоту. Для получения литых образцов массой 12— 15 г используют чистые исходные материалы, подвергнутые предвари­ тельному рафинированию в вакууме. Плавку и разливку проводят в атмосфере инертного газа или в вакууме.

Сверхпроводящие свойства сплавов Nb — Zr с содер­ жанием ниобия от 2 0 до 80% (ат.), выплавленные мето­

дом ПВС, исследованы в сильном электромагнитном по­ ле при 4,2КСверхпроводимость сплавов Nb—Ті иссле­ довали на 120 слитках после ПВС, практически полно­ стью охватывающих эту систему. С помощью рентгено­ структурных методов проведено изучение распределе­ ния компонентов с целью определения характера микро­ неоднородностей. Слитки, отлитые в гелии, отличались более высокой неоднородностью по сравнению со слит­ ками, выплавленными в вакууме. Эта разница объясня­ ется, но всей вероятности, различием в скоростях охла­ ждения металла при кристаллизации. Скорость ее в атмосфере инертного газа превышает подобные значе­ ния в вакууме.

Из деформированных при комнатной температуре литых образцов получали проволоку диаметром от 0,03

89

до 0,10 мм. На этих образцах определили зависимости критической температуры и критической плотности то­ ка от состава. С увеличением содержания титана в сплаве Nb — Ті от 20 до 70—80% (ат.) значения крити­ ческой температуры и критической плотности тока пони­ жались почти вдвое. Сохранявшаяся после деформации слитков неоднородность оказывала заметное влияние на результаты измерения критической плотности тока для проволочных образцов. На проволоке, прокатанной из отлитых в гелии сплавов, было получено более высокое значение критической плотности тока, чем на сплавах вакуумной плавки во взвешенном состоянии.

Сопоставление результатов измерения критической плотности тока и данных микроанализа позволило авто­

но на образцах после ПВС. Для этого готовили сплавы ниобия с молибденом, причем содержание последнего изменялось от 35 до 45% (ат). Химичеокий состав и со­ держание примесей контролировали параллельно не­ сколькими аналитическими методами. Установлена ли­ нейная зависимость между критической температурой и составом сплава.

Значительно большую трудность представляет вы­ плавка сверхпроводящих сплавов на основе ниобия с добавками легкоплавких металлов и полупроводников — алюминия, германия, олова, галлия. В процессе приго­ товления сплавов легкоплавкие компоненты частично или полностью испаряются даже в инертной атмосфере. Характерно в этом отношении приготовление сплавов системы Nb — Ga, которое производят в зависимости от содержания галлия в сплаве. Заготовки для сплавов с содержанием галлия от 40 до 100% получают прессова­

ниобиевые чашечки или фольгу. Приготовленные таким образом заготовки выдерживают некоторое время при 600—700°С для взаимодействия ниобия с галлием и за­ тем переплавляют методом ПВС в инертной атмосфере при давлении ~ З а т . . В табл. 16 показано соотноше-

90