коля / u-lectures

технологическую пластичность и склонность к упрочнению после термической обработки. Сплавы используют для изготовления деталей, работающих при температуре до 350 °С, так как при более высокой температуре происходит распад β-фазы и снижение механических свойств. Представителем этой группы является сплав ВТ-15, который используют для изготовления листов, ленты, фольги, штамповок, поковок, прутков и профилей. Для фиксирования β-фазы изделия из сплава ВТ-15 нагревают до 780-900 °С и затем охлаждают на воздухе (закалка). После старения по режиму 480-500 °С – 25 ч + 550570 °С – 15 мин сплав существенно упрочняется.

Сплавы с термодинамически устойчивой β-фазой (β-сплавы) содержат более 30 % β-стабилизаторов (ванадий, ниобий), образующих с титаном непрерывный ряд твердых растворов.

К этой группе относят сплав 4201, отличающийся очень высокой коррозионной стойкостью и технологической пластичностью. Из него изготавливают плиты, листы, поковки, штамповки, трубы и профили.

Особенности плавки титановых сплавов.

При нагреве на воздухе титан активно взаимодействует со всеми газами. При взаимодействии с кислородом па поверхности титана образуется наружный плотный слой оксида титана ТiO2. Диффузия кислорода вглубь титана приводит к образованию под слоем ТiO2 рыхлой прослойки из ТiO2 и ТiO и слоя титана с повышенным содержанием кислорода, который называют газонасыщенным или альфированным. Кислород относится к числу элементов, стабилизирующих α-фазу. Жидкий титан растворяет кислород. При кристаллизации в системе Ti-О образуется ряд химических соединений: ТiO, Тi2O3, ТiO2, Тi6O, Тi3O. С ростом содержания кислорода прочность и твердость титана возрастают, а ударная вязкость, относительное удлинение – резко падают. В связи с этим содержание кислорода в титановых сплавах не должно превы-

шать 0,15-0,2 %.

В пределах до 0,2 % каждая сотая доля процента кислорода повышает предел прочности на 12,3 МПа, твердость – на 39 МПа и снижает относительное удлинение и сужение на 1-2 %.

Азот также является элементом, стабилизирующим α-фазу. Азот более резко, чем кислород, изменяет механические свойства титановых сплавов. Поэтому содержание азота не должно превышать 0,04-0,05 %.

Каждая сотая доля процента азота повышает предел прочности титана на 19,6 МПа и твердость на 59 МПа. При содержании 0,2 % азота титан становится хрупким. Давление пара жидкого титана значительно выше упругости диссоциации соединений титана с кислородом и азотом. Поэтому кисло-

род и азот не удаляются из металла в процессе плавки (упругость диссоциа-

ции (в МПа) ТiO10-21, Тi2O310-16, ТiO210-14, TiNl,17×10-5).

Водород активно взаимодействует с титаном и поглощается им в больших количествах до 400 см3/г (рис. 68). Растворимость водорода в титане с

181

ростом температуры снижается и в процессе плавки большая часть водорода удаляется из металла. Водород – вредная примесь. Он стабилизирует α-фазу и вызывает охрупчивание сплава. По этой причине содержание водорода не должно превышать 0,010-0,015 %.

Рис. 68. Диаграмма состояния системы Ti-Н2

Углерод образует с титаном стойкий карбид TiC, повышает температуру его полиморфного превращения, увеличивает его прочностные и снижает пластические свойства. Каждая сотая доля процента углерода увеличивает предел прочности на 7 МПа и твердость на 19 МПа. Титан в жидком состоянии активно взаимодействует с парами воды, СО, СО2, углеводородными и другими газами.

Наряду с газами титан взаимодействует со всеми огнеупорными материалами. Высокая химическая активность обусловливает необходимость плавки титана и его сплавов в вакууме или атмосфере инертных газов. В практике отечественных заводов преимущественно используют вакуумную плавку.

Отливки из титановых сплавов получают в установках, в которых совмещены процессы плавки с заливкой литейных форм и формированием отливок.

Наибольшее распространение получили вакуумные установки, плавка металла в которых осуществляется в дуговых печах с расходуемым электродом в графитовых гарниссажных тиглях (рис. 69). Для изготовления тиглей используют плотные сорта электродного графита. Для предотвращения растворения углерода в титане на внутреннюю поверхность тиглей намораживают слой металла 1 (гарниссажа).

182

Рис. 69. Схема вакуумно-дуговой гарниссажной плавки

Сущность гарниссажного способа плавки заключается в следующем. Жидкий металл 2 наплавляется в гарниссажном плавильном тигле 3 за счет нагрева и расплавления торцевой части расходуемого электрода 4 и стекания капель жидкого металла в тигель. Нагрев и расплавление осуществляются электрической дугой, горящей между расходуемым электродом и ванной жидкого металла.

Расходуемый электрод в большинстве случаев получают путем переплавки прессованного из титановой губки и легирующих элементов электрода. По химическому составу металл расходуемого электрода 4 соответствует той марке сплава, из которого изготавливается отливка.

Перед началом каждой плавки на дно гарниссажного графитового (или медного) тигля укладывают до 30 % от массы плавки крупнокусковых отходов собственного производства (прибыли, стойки, брак отливок), прошедших механическую и химическую очистку. Механическую очистку производят в галтовочных барабанах, на дробеструйных и дробеметных установках. Механическая очистка в течение 2-8 ч позволяет очистить поверхность металла на глубину до 0,1 мм.

После механической очистки разрыхляют окисленные поверхностные слои отходов в растворах следующих составов, г/л: 600-650 NaOH; 200-250

NaNО3 и 50-60 NaNO2, или 500-700 NaOH и 150-250 NaNO2. Температура рас-

твора 130-145 °С, время обработки 0,5-2 ч. Затем отходы промывают в теплой и холодной воде и подвергают травлению в кислотном растворе состава, мл/л: 60-70 H2SО4 (плотность 1,84 г/см3) и 60-140 HF (плотность 1,13 г/см3). Температура 20 °С. Скорость травления составляет 0,2-0,5 мм/ч. Очищенные отходы промывают в холодной воде и сушат при 110-150 °С. После загрузки отходов печь герметизируют и приваривают электрод к огарку.

Между расходуемым электродом и кусками шихты зажигают электрическую дугу. Расходуемый электрод и кусковые отходы плавятся, и жидкий металл накапливается в гарниссажном тигле. Плавку металла ведут до тех пор, пока не будет наплавлено необходимое количество жидкого металла.

В процессе плавки толщина гарниссажа 1 не должна существенно изменяться. В случае ее уменьшения жидкий металл может вступить в непосред-

183

ственный контакт с материалом тигля, что приведет к значительному насыщению металла примесями. Непосредственный и длительный контакт жидкого металла со стенками тигля (плавка без гарниссажа) недопустим, так как это может вызвать аварийную взрывоопасную обстановку. Увеличение толщины гарниссажа приведет к снижению массы сливаемого металла и понижению его температуры. Поддержание оптимальной толщины гарниссажа обеспечивается соответствующим выбором и регулированием мощности электрической дуги и интенсивностью отвода тепла от тигля с помощью системы водяного охлаждения 5.

После наплавления необходимой массы жидкого металла его разливают по литейным формам.

Выбор оптимальной величины разрежения (вакуума) в камере плавиль- но-заливочной установки определяется, главным образом, химической активностью жидкого титана по отношению к элементам, входящим в состав газовой атмосферы. Термодинамические расчеты и практический опыт показали, что давление в камере плавильно-заливочной установки в период плавки и разливки следует поддерживать на уровне, не превышающем 0,13-1,33 Па. В этом случае не происходит увеличения содержания в сплаве элементов, входящих в состав воздуха (азот, кислород, водород). Для создания вакуума все плавильно-заливочные установки оборудованы вакуумной системой, включающей комплекс вакуумных насосов, вакуум-проводы, вакуумные датчики, задвижки, вентили и т.д. Благодаря вакуумной системе в камере установки поддерживается требуемое разрежение и производится откачка газов из камеры с необходимой скоростью.

Режим плавки обычно выбирают с учетом технических параметров плавильных установок: максимальная сила тока 14-35 кА, напряжение 30-60 В, скорость наплавления сплава 0,7-1,34 кг/(кВт·ч), длина дуги 50-60 мм. На ряде установок осуществляется перемешивание сплава с помощью соленоида. Потерн титана в процессе плавки составляют 0,1-0,2 %, потери алюминия – до 2,0 %, марганца – до 10-15 %. В процессе плавки остаточное содержание водорода снижается до 0,002-0,003 %.

Конструкции плавильно-заливочных установок

Основные узлы плавильно-заливочных установок: вакуумная электродуговая гарниссажная печь, камера формирования отливки, механизмы загрузки и выгрузки форм, вакуумная система, источник питания.

Для питания электрической дуги во всех типах плавильно-заливочных установок применяют постоянный ток. Переменный ток не обеспечивает стабильности горения дуги. Она гаснет в периоды, когда величина напряжения близка к нулю. В схеме электрической дуги постоянного тока катодом служит расходуемый электрод, а анодом – ванна жидкого металла. Такую схему называют схемой прямой полярности. Плавка электрической дугой прямой полярности обеспечивает более высокую температуру наплавляемого металла.

184

Электрическая дуга стабильна и устойчива, если в зоне горения дуги поддерживается давление 13-13,3 Па.

Вкачестве источников питания вакуумных дуговых гарниссажных печей в последние годы наибольшее применение получили полупроводниковые выпрямительные устройства.

Все плавильно-заливочные установки можно разделить на две группы: - установки с разливкой металла при горящей электрической дуге; - установки с разливкой металла после отключения электрической дуги.

Различные варианты осуществления разливки металла по формам показаны на рис. 70.

Разливку металла при горящей дуге производят либо путем одновременного наклона расходуемого электрода и тигля, либо путем поворота одного тигля специальной (коробчатой) конструкции.

Впервом случае (рис. 70, а) наклон узла тигель-электрод осуществляется внутри неподвижного корпуса плавильно-заливочной установки. В лабораторных установках с небольшой емкостью тигля поворот узла тигельэлектрод может осуществляться вместе с корпусом установки.

Во втором случае (рис. 70, б) в боковой стенке коробчатого тигля имеется сливное отверстие (летка), которое расположено таким образом, что уровень жидкого металла в процессе плавки не доходит до нее. После наплавления необходимой массы жидкого металла тигель поворачивается на 90° и осуществляется слив металла. При этом относительное положение электрода

ижидкой ванны не меняется, и разливка металла идет при горящей электрической дуге.

Рис. 70. Схемы разливки металла в плавильно-заливочных установках при горящей (а, б) и отключенной электрической дуге (в)

В печах первой группы с разливкой металла при горящей дуге не происходит охлаждения ванны при сливе металла из тигля, что является преимуществом с точки зрения сохранения жидкотекучести расплава и лучшего заполнения литейных форм. Однако эти печи менее надежны в эксплуатации, так как механизм перемещения электрода размещен внутри плавильной камеры и подвержен воздействию теплового излучения и конденсации паров расплавляемого металла; нередко эти механизмы сложнее по конструкции и в обслуживании.

185

В печах второй группы перед разливкой металла дугу выключают, и остаток электрода поднимают, чтобы не мешать повороту тигля. В период подъема электрода температура жидкого металла в тигле понижается, что несколько снижает жидкотекучесть сплава. Этот недостаток печей данной конструкции становится мало заметным, в печах большой емкости, оборудованных механизмами, позволяющими с высокой скоростью осуществлять подъем электрода и поворот тигля при сливе металла.

Принципиальная схема вакуумной дуговой плавильно-заливочной установки с заливкой форм из-под горящей дуги может быть рассмотрена на примере одной из наиболее простых и удобных в эксплуатации плавильнозаливочной установки модели 833Д, предназначенной для мелкосерийного производства титановых отливок небольших и средних габаритов (рис. 71).

Рис. 71. Вакуумная плавильно-заливочная установка 833Д

Основной узел печи – водоохлаждаемый графитовый гарниссажный тигель 1 расположен внутри цилиндрической вакуумной камеры 2. Снаружи камеры на верхнем фланце установлен механизм подачи электрода 3, состоящий из электродвигателя постоянного тока для рабочей подачи во время плавления и пневмоцилиндра для отброса электрода перед сливом металла из тигля. Контейнер с литейными формами 4 загружают на центробежный стол с помощью поворотного крана 5. Этим же краном устанавливают на площадку 6 новый расходуемый электрод с целью его приварки к огарку ранее расплавленного электрода. Разливка металла после выключения дуги и подъема элек-

186

трода производится поворотом тигля с помощью гидропривода вокруг оси, проходящей через сливной носок. Расплав к форме подается по приемнонаправляющему лотку 7. Привод центробежной машины 8 вынесен за пределы вакуумной камеры, он состоит из электродвигателя постоянного тока, редуктора и рамы. Скорость вращения стола диаметром 1000 мм регулируется бесступенчато от 200 до 600 об/мин. Емкость тигля – до 130 кг (по жидкому титану), максимальная сила тока дуги 16 кА.

На рис. 72 показана распространенная в промышленности установка типа «Нева-2», в которой разливка металла осуществляется без отключения электрической дуги. После наплавления металла одновременно поворачиваются тигель 11 и расходуемый электрод вместе с механизмом перемещения электрода 8 и медной шиной токоподвода, и слив металла осуществляется без отключения электрической дуги.

Рис. 72. Плавильно-заливочная установка «Нева-2»:

1 – контейнер с литейными формами; 2 – водоохлаждаемый корпус; 3 – механизм наклона тигля; 4 – пульт управления печи; 5 – токоподводящие шины; 6 – смотровое окно; 7 – ребра жесткости; 8 – механизм перемещения электрода; 9 – патрубок для подключения вакуумной системы; 10 – люки; 11 – тигель

Кроме описанных конструкций используются также установки типа ВДЛ-4, ОКБ, ДВЛ-250 и др.

Высокую степень механизации и производительности имеет многопозиционная вакуумная дуговая плавильно-заливочная установка ДВЛ-160М (рис. 73). Она состоит из одной автономной плавильной 1 и трех заливочных камер 2, а также стенда приварки электрода 3. В каждой заливочной камере размещен стол центробежной машины диаметром 2250 мм.

Плавильная камера перемещается на тележке мостового типа 4 над заливочными камерами и стендом приварки по рельсам 5. Стыковка плавильной камеры с заливочной производится с помощью вакуумных затворов. В плавильной камере находится графитовый гарниссажный тигель емкостью

187

400 кг (по жидкому титану). Механизм поворота тигля с гидропроводом обеспечивает слив металла в течение 4-25 с. Установка имеет три отдельных вакуумных системы. Вынесенный отдельно пульт позволяет управлять работой установки в полуавтоматическом режиме.

Рис. 73. Вакуумная плавильно-заливочная установка ДВЛ-160М

За счет применения трех автономных заливочных камер и увеличения емкости тигля производительность установки ДВЛ-160М в 7 раз выше установки 833Д. Производительность зависит от длительности производственного цикла. Значительное время цикла затрачивается на охлаждение отливок до низких температур в заливочной камере. В установке ДВЛ-160М этот недостаток устранен тем, что плавильная камера после слива металла отсоединяется от заливочной без нарушения вакуума как в плавильной, так и в заливочной камерах. Плавильная камера по рельсам перемещается к следующей, подготовленной под заливку камере, подсоединяется к ней и производится плавление металла и заливка форм.

Гарниссажный тигель является основной частью электродуговой гарниссажной печи. От его конструкции, материала, размеров зависят масса и температура жидкого металла, химический состав металла, техникоэкономическая эффективность и безопасность работы печи. При неправильно выбранных параметрах тигля происходит либо недопустимый рост толщины гарниссажа, не позволяющий получить требуемое количество жидкого металла, либо наоборот, расплавление гарниссажа, приводящее к насыщению металла примесями, разрушению тигля и возникновению взрывоопасной обстановки.

Вгарниссажном тигле можно выделить три основных элемента: тигель, гарниссаж и систему охлаждения. Кроме того в конструкцию гарниссажного тигля входят токоподвод, устройство для слива металла и др.

Вдуговых гарниссажных печах широко используют графитовые тигли как наиболее безопасные в эксплуатации. Применяют также тигли, изготов-

188

ленные из меди и реже – из нержавеющей стали.

Наиболее распространены графитовые тигли с водяным охлаждением боковых стенок и охлаждением дна тепловым излучением. Слив металла из тигля производят через носок путем наклона тигля на 90-100°. Графитовые тигли вытачивают из целой заготовки или формуют металлический кожух графитовыми блоками. В первом случае толщина боковой стенки составляет 20-60 мм, дна – до 100 мм. Плавка в графитовых тиглях, несмотря на наличие гарниссажа, приводит к некоторому насыщению металла углеродом и вследствие этого к понижению пластичности металла. Перспективно применение для плавки титановых сплавов металлических гарниссажных тиглей. Однако оно сдерживается из-за отсутствия радикального решения вопроса взрывобезопасности печей, оборудованных металлическими тиглями с водяным охлаждением.

Рабочий процесс плавки зависит от типа используемой плавильнозаливочной установки. В общем виде он однотипен и состоит из следующих основных этапов: подготовки печи к плавке, установки и приварки расходуемого электрода, создания рабочего давления в камере печи, плавки металла.

Перед началом работы внутреннюю поверхность печи тщательно очищают пылесосом и салфетками, смоченными в этиловом спирте. Титановые сплавы обладают невысокой жидкотекучестью, поэтому все промышленные плавильно-заливочные установки для улучшения заполняемости форм расплавом снабжены устройством, позволяющим производить заливку металла во вращающуюся форму. Подготовленные под заливку литейные формы устанавливают в металлический контейнер, который закрепляют на столе центробежного устройства. Перед разливкой стол приводится во вращение (200400 об/мин).

Приварку расходуемого электрода осуществляют либо непосредственно к электрододержателю пли к остатку (огарку) электрода, оставшегося от предыдущей плавки. Электрод точно устанавливают на место приварки и к его верхнему торцу подводят до касания электрододержатель. Камеру герметизируют и откачивают воздух до остаточного давления 67-13,3 Па. Включают источник питания, устанавливают требуемую силу тока и отводят электрододержатель от электрода на 10-15 мм до возникновения электрической дуги. После образования на верхнем торце электрода лунки с жидким металлом электрододержатель подводят вплотную к электроду и отключают ток. После охлаждения электрода в течение 20-60 мин установку разгерметизируют и проверяют качество приварки электрода к электрододержателю. Затем снова герметизируют печь и откачивают воздух из камеры печи до остаточного давления 0,667-0,133 Па. Продолжительность откачки составляет 20-40 мин. Перед началом плавки проверяют герметичность установки. С этой целью рабочее пространство печи отсоединяют от вакуумной системы и в нем измеряют остаточное давление р1.

По истечении определенного промежутка времени τ (например 5 мин)

189

давление снова контролируют р2. По разнице давлений определяют величину натекания Н, л·Па/с, отнесенную к единице времени (мин, с):

Н = V(р2 – р1)/t,

где V – объем камеры печи, л.

Величина натекания не должна превышать значения, указанного в технической характеристике данной установки. Если натекание превышает норму, то принимают меры к устранению причин превышения. Убедившись, что величина натекания не превышает допустимого значения, откачивают камеру печи до требуемого уровня давления и начинают плавку, для чего включают источник электропитания и отводят электрод от дна тигля или от верхнего уровня загруженной в тигель шихты на 20-30 мм до возникновения электрической дуги. Затем длину дуги увеличивают до 50-60 мм, силу тока доводят до 6000 А при напряжении 28 В. Этот режим на примере установки «Не- ва-2» сохраняется до образования на дне тигля жидкого металла. После этого силу тока постепенно повышают до 12000 А, а напряжение поддерживают в пределах 30-40 В и при этом режиме плавку ведут до конца. За 2-3 мин до окончания плавки включают центробежную машину, на столе которой закреплен контейнер с установленными в нем литейными формами. Затем металл разливают по формам. В зависимости от конструкции печи металл сливают при горящей или отключенной электрической дуге. Через несколько минут после слива металла центробежную машину останавливают. После того как температура отливок понизится до 300-400 °С, камеру печи разгерметизируют и вынимают контейнер.

В настоящее время разрабатываются и находят промышленное применение помимо электродуговой и другие методы плавки, в которых сохраняется принцип гарниссажной плавки в вакууме, но вместо электрической дуги – источника тепловой энергии – используют энергию электронного луча или плазмы. Ведутся исследования по применению индукционного способа плавки титановых сплавов в так называемых холодных тиглях.

Особенности технологии производства фасонных отливок.

Основные особенности технологии связаны с химической активностью титановых сплавов, высокой температурой литья и небольшой плотностью титана и его сплавов. Для предупреждения насыщения металла примесями формы изготавливают из высокоогнеупорных и наиболее химически стойких по отношению к титану материалов.

Для получения отливок из титановых сплавов используют разовые формы (набивные, прессованные, оболочковые, по выплавляемым моделям), а также металлические (литье в кокиль, литье под давлением).

Для изготовления разовых форм наибольшее распространение получили формовочные смеси, в качестве огнеупорной основы которых применяют

190