книги из ГПНТБ / Линчевский Б.В. Применение вакуума в производстве стали

Рис. 48. Коррозионная стойкость обычной не ржавеющей стали и ста­ ли, выплавленной в ва­ кууме:

1 — сталь 1Х18Н9 (во вто-

превышают 20 г/м2час}', 2 —

после переплава в вакууме

1'тлы

'активная сила, потери энергии на перемагничивание у стали, вы­ плавленной в вакууме, также в 2—3 раза меньше. Все это объяс­ няется значительным увеличением чистоты стали, что видно из табл. 21 [30].

больше гибов, чем обычная сталь, несмотря на повышение содер­ жания кремния. Увеличение пластичности также является след­ ствием большей чистоты металла.

Как правило, ударная вязкость металла различных марок, выплавленного в вакууме, значительно возрастает, однако, име­ ются и исключения, в частности, они наблюдаются при выплавке хромистых сталей.

Следует отметить, что хромистые стали и сплавы, выплавлен­ ные в вакуумных печах, обладают рядом особенностей: при вы­ плавке в вакууме хромистых сплавов с 12—26% Сг ударная вяз­ кость металла повышается, а температурный порог хрупкости понижается, т. е. сплавы становятся пластичными при более низ­ ких температурах. Например, сплавы с 13% Сг, закаленные с 850°, при твердости 45 Rc имели температуру порога хрупкости

около —65°. Экспериментально определено, что температура пе­ рехода из хрупкого в пластичное состояние зависит от концен­ трации углерода, азота и хрома и не зависит от содержания кис­

лорода [43].

Насколько углерод влияет на пластичность высокохромистых сплавов видно из данных, содержащихся в работе [5]. При пере­ плаве отходов стали с 27% Сг в вакууме до 10-3 мм рт. ст. содер­ жание углерода изменялось от 0,12 до 0,04%, при этом ударная вязкость оставалась низкой (0,3—0,5 кгм/см2). В стали Х27, вы­ плавленной на чистых исходных шихтовых материалах в ваку­ уме, содержание углерода составляло 0,004%, ударная вязкость этой стали была 22,4 кгм!см2. При повышении концентрации кис­ лорода до 0,07% ударная вязкость снизилась до 7 кгм!см2. В табл. 22 показано влияние давления при вакуумном переплаве шихтовой заготовки стали Х27, содержащей 0,04% С; 0,02% Si; 0,03% Мп; 0,022% S и 0,006% Р на концентрацию кислорода и углерода и на ударную вязкость при +20о.

91

Снижение содержания кислорода в данном случае можно объяснить тем, что плавки проводили в гладких глазурованных тиглях, не взаимодействовавших с металлом.

Азот и углерод, в пределах точности эксперимента, оказыва­ ют одинаковое влияние на хрупкость металла. Хотя температура перехода из хрупкого в пластичное состояние и не зависит от со­ держания кислорода, но абсолютная величина ударной вязкости

яснены источники и пути попадания кислорода в металл). Повидимому, влияние азота и углерода на свойства стали значи­ тельней, чем влияние кислорода. Этим можно объяснить то, что пластичность хромистых сталей существенно возрастает в ре­ зультате вакуумной плавки, что имеет решающее значение, так как основным недостатком хромистых сплавов является их хрупкость.

Таблица 23

Изменение химического состава нержавеющей стали после переплава в вакууме

Особую роль играет вакуумная плавка в производстве жаро­ прочных сплавов, так как многие из этих сплавов невозможно выплавить в открытой печи.

Более высокая пластичность и большая величина длительной усталостной прочности металла является прямым следствием уменьшения загрязнения металла при плавке в вакууме. Кратко-

92

временная и длительная прочности при высокой температуре мо­ гут быть увеличены и путем введения в металл алюминия, титана

ициркония, которые в условиях вакуумной печи не окисляются

ине загрязняют сплав оксидами или нитридами. Сплавы на же­ лезной, никелевой или кобальтовой основе обычно имеют в своем составе большое количество высокореакционных элементов и по­

время, мин.

Рис. 49. Удаление азота из жаропрочного сплава при плавке его в вакууме

напротив, позволяет получать однородный по составу металл со стабильными свойствами почти по всем плавкам.

Однако основное достоинство вакуумной плавки заключается

ввозможности проводить раскисление без загрязнения металла,

атакже в уменьшении потерь высокореакционных элементов, в устранении загрязнения металла окислами и нитридами, в рафи­ нировании металла от азота и водорода.

На рис. 49 показано удаление азота из жаропрочного сплава. При выдержке жидкого металла под вакуумом максимальное вы­ деление азота происходит в начальный этап плавки, в течение 15—20 мин.; очевидно, значительное количество азота выделяется при расплавлении металла [15].

Удаление водорода достигает максимума при давлении 10~3 мм рт. ст., когда содержание водорода по сравнению с ис­ ходным понижается в 4—8 раз; в дальнейшем, даже при разре­ жении до 10-5 мм рг. ст., более полного удаления водорода не происходит.

Приведем некоторые данные о влиянии вакуума на свойства жаропрочных сплавов. При выплавке сплава М252 * самые ак­ тивные добавки вводят в конце плавки; разливку ведут в ваку­

* Состав сплава: М252: 0,15% С; 19,0% Сг; 55,0% Ni; 10,0% Со; 10,0% Мо; 2,5% Ti; 1,0% Al; 2,0% Fe.

93

уме при давлении до 50 и. При этом содержание кислорода в сплавеМ252 составляет0,005—0,001 %, а азота 0,002—0,003% [43].

Сплавы, выплавленные в вакууме, обладают высокой плас­ тичностью при 720°. Так, если обычный сплав М252 имеет отно­ сительное удлинение 5%, то металл, выплавленный в вакууме, имеет относительное удлинение 7,5% при раскислении его марганцем и кремнием, а без раскисления этими элемента-

Рис. 50. Стойкость сплава васпаллой, вы­ плавленного на воздухе и в вакууме:

а — выплавлен на воздухе; б — выплавлен в ва­ кууме; в — средняя стойкость

ми — до 22%. Выход годного при выплавке сплава М252 в ваку­ умных печах достигает 63%.

Для жаропрочных сплавов большое значение имеет постоян­ ство состава от плавки к плавке. По результатам промышленного производства выплавка в вакууме обеспечивает весьма высокое

Следует отметить, что сплавы, выплавленные в вакууме, как правило, не нуждаются в дополнительном раскислении кремнием и марганцем; в результате заметно увеличивается пластичность при сохранении удовлетворительной жаропрочности.

На рис. 50 приведены данные по стойкости сплава васпаллой при 800° и нагрузке 23 кг/мм.2. Средняя стойкость сплава, вы­ плавленного на воздухе, составила 100 час., а выплавленного в вакууме — 270 час. Экспериментальные данные показывают, что васпаллой, выплавленный в вакуумной индукционной печи, имеет

* Давление в печи менее 10 и рт. ст.

94

лучшую стойкость, чем сплав, изготовленный в дуговой вакуум­ ной печи. После переплава бракованных турбинных лопаток из этого сплава их длительная прочность увеличилась на 50%, а пластичность — на 100%.

Из сплавов М252 и 1570, выплавленных в вакууме, на одном из заводов было изготовлено 43000 лопаток; они были испытаны вместе с лопатками, изготовленными из сплавов, выплавленных в открытых печах. Оказалось, что при 730—870° в «вакуумных лопатках» совершенно не наблюдается горячая хрупкость, а от­ носительное удлинение увеличивается с 5 до 15%.

Насколько уменьшаются отходы после вакуумной плавки видно из того, что из 450 кг слитков сплава М252 при плавке в- открытой печи проковывается на заготовку 200 кг, а из ваку­ умных плавок — 315 кг. При плавке на воздухе можно использо­ вать лишь 68% отходов, а при плавке в вакууме реализуется; 100% отходов [43].

Таблица 24 Влияние бора на длительную прочность стали

Одним из мало исследованных вопросов вакуумной индук­ ционной плавки является самопроизвольное легирование выплав­ ляемых в вакууме сплавов бором. Бор в металл может попадать как из футеровки, так и при использовании стружки или полиро­ ванных обломков лопаток. Современными методами химического' анализа, к сожалению, нельзя с большой точностью определить концентрацию бора в сплавах. Неравномерное легирование бо­ ром приводит к разбросу данных по жаропрочности образцов. Насколько бор сильно влияет на длительную прочность, видно из табл. 24 [44].

Если для обезуглероживания металла нет необходимости, как показано выше, значительно понижать давление, то для получе­ ния более высокой длительной прочности жаропрочных сплавов понижение давления оказывается необходимым.

95

По данным работы [15] длительная прочность сплава на нике­ левой основе, выплавленного в открытой печи, колебалась от 16 до 96 час. и в среднем составляла 52 часа; после переплава в вакууме 1—5 мм рт. ст. длительная прочность возросла до 125 час. и в среднем составила 68 час. При плавке в печи при давлении 10 леи рт. ст. длительная прочность колебалась от 63 до 229 час. и в среднем составила 114 час.

Ударная вязкость сплава другого состава в исходном состоя­ нии составляла 2,5 кгм/см2 при плавке в вакууме 10“5 лгл1 рт. ст.— 4,6 нгм/мм2, т. е. возросла более чем в два раза.

Плавка в вакуумных индукционных печах имеет также значе­ ние для изготовления прецизионного литья из сложнолегирован­ ных сплавов.

В вакууме отливают лопатки турбин, детали реактивных дви­ гателей, авиационные детали. Для производства прецизионного литья предварительно выплавляют шихтовую заготовку в боль­ ших вакуумных печах при давлении 0,1 лип рт. ст. Заготовка должна иметь заданный химический состав и определенное со­ держание алюминия, титана, бора. При выплавке заготовки про­ исходит рафинирование металла от свинца, олова, цинка, висму­ та. Подготовленная шихта поступает в печи для прецизионного литья. Так как все операции с жидким металлом уже произве­ дены при выплавке шихты, то в печи для прецизионного литья нет необходимости в длительной выдержке жидкого металла. Продолжительность всей плавки составляет 15—30 мин. при давлении около 0,001 мм рт. ст. Особенно следят за сохранением герметичности печи, натекание в таких печах не должно превы­ шать 50 ц/час. После изготовления новой футеровки в печи про­ водят несколько предварительных плавок для просушки огне­ упоров. Преимуществом литья в вакууме является получение чи­ стой и блестящей поверхности, отсутствие дефектов, вызываемых загрязнениями. Поскольку формы перед заливкой дегазируются (они находятся в печи), то устраняется противодавление газа при литье, что позволяет осуществлять заливку весьма тонких сечений при температуре более низкой, чем при литье на возду­ хе. Последнее обстоятельство имеет большое значение при отлив­ ке турбинных лопаток с готовым профилем из никелевых спла­ вов. Как сообщает Миллер [45], при отливке в вакууме лопатки длиной 125 Л1Л( и толщиной у основания 9 мм во всех сечениях максимальный размер зерна не превышает 1,6 мм. Удается полу­ чить еще более мелкое зерно; например, лопатки из сплава удимет 500 имеют максимальный размер зерна 0,8 мм, в то время как при литье на воздухе не удается получить лопаток с зерном менее 12,5—19 мм. Мелкое зерно, равномерно распределенное по всему профилю лопатки, обусловливает лучшие механические свойства (предел усталости) и облегчает термообработку.

Число примеров благоприятного влияния выплавки в вакууме

96

на различные свойства сталей и сплавов можно было бы продол­ жить. Однако уже из изложенного видно, что после выплавки или переплава в вакууме, в результате очищения металла от не­ металлических включений, кислорода, азота, водорода и некото­ рых других примесей значительно увеличивается пластичность, сопротивление криппу, жаропрочность, возрастает стойкость про­ тив коррозии. Выплавка в вакууме открывает широкие перспек­ тивы для создания новых сплавов с высокими механическими, электротехническими и другими показателями.

7 Б. В. ЛинчевскиЙ, А. А. Вертман

ВАКУУМНЫЕ ДУГОВЫЕ ПЕЧИ И ПЕЧИ С АВТОТИГЛЕМ

Первая дуговая печь с водоохлаждаемым кокилем была пост­ роена в 1905 году фон Болтоном для получения ковкого тантала, однако лишь в последнее десятилетие дуговая плавка в вакууме широко распространилась в промышленности.

Этим методом получают слитки главным образом титана, циркония, молибдена, гафния, урана и других тугоплавких ме­ таллов, к которым предъявляются особые требования по чистоте металла, в отношении содержания газов и неметаллических включений.

Наибольшая из существующих дуговых вакуумных печей по­ зволяет получать слитки титана диаметром 800 мм (объем этого слитка эквивалентен стальному слитку весом 5,8 т). Дуговой ва­ куумный переплав является в настоящее время доминирующим методом вакуумной металлургии. По сообщению В. Диркача [46],

ственно дуговых печей, то в последние годы наибольшее распро­ странение получили печи с расходуемым электродом. Плавка в дуговых печах ведется не только в вакууме, но и в атмосфере инертного газа при пониженном давлении. Промышленное рас­ пространение получили следующие варианты процесса.

1.Плавка с нерасходуемым электродом в атмосфере инертно­ го газа.

2.Плавка с расходуемым электродом в вакууме.

3.Плавка с расходуемым электродом в атмосфере инертного

газа.

Четвертый возможный вариант — плавка с нерасходуемым

98

Рис. 51. Различные конструкции печей с расходуемым электродом:

7*