Лекция 21 Особенности плавки и получения отливок из сплавов тугоплавких металлов

Литература

15.1. Разработка технологии плавки включает в себя выбор плавильного агрегата, вида энергии, материала футеровки печи, шихтовых материалов, состава атмосферы, способа

15.3. Воздвиженский В.М., Грачёв В.А., Спасский В.В. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. М.: Машиностроение, 1984.432 с.

15.4. Журнал « Новые цветные сплавы». 1990. М.И.Головин, О.А. Филипьева и др. Сплавы на основе ниобия, свойства и применение.

15.5. Журнал «Литейное производство» № 5. 2002г. Отливки из молибденовых и вольфрамовых сплавов. Стр. 12-13.

15.6. Гуляев Б.Б., Магницкий О.Н., Демидова А.А. Литьё из тугоплавких металлов. М.-Л. Машиностроение. 1964.

Особенности плавки тугоплавких металлов

Особенности плавки тугоплавких металлов (Cr, V, Mo, Nb, Ta, W и др.) определяются высокой температурой плавления (1860-3400°С) и большой химической активностью металлов в расплавленном состоянии при взаимодействии с кислородом, водородом, азотом углеродом и огнеупорными материалами. Поэтому плавку тугоплавких металлов производят в вакууме или в среде нейтральных газов. Для плавки применяют ВДП, ЭЛЛП и ПДП. Индукционные вакуумные печи применяют редко, т.к. происходит загрязнение расплава материалами футеровки. В случае применения индукционных печей для плавки тугоплавких металлов используют в качестве футеровки двуокись циркония, магнезит и окись алюминия. Применяют также так называемые «холодные тигли».

Наиболее широко для плавки тугоплавких металлов применяют вакуумно-дуговую, плазменно-дуговую и электроннолучевую плавки в гарнисажных тиглях.

При плавке тугоплавких металлов в ВДП в качестве шихтовых материалов применяют штабики, изготовленные методом порошковой металлургии. Размеры штабиков 16 х 18 х 500 мм. Из штабиков получают расходуемые электроды длиной 1,5…2,5 м путём стыковой сварки под слоем флюса. Электроды собирают в пакеты по 4-12 шт. Легирующие элементы в виде полос или кусков приваривают к расходуемому электроду или смешивают при изготовлении штабиков. Производство штабиков является достаточно сложным процессом, состоящим из рассева порошков, прессования, низкотемпературного и высокотемпературного спекания, правки, обрубки, сварки и др.

Штабики содержат нежелательные примеси, потому при изготовлении расходуемых электродов штабики переплавляют в ВДП или в ЭЛЛП.

Углерод является вредной примесью, он резко снижает пластичность и способствует повышению температуры перехода металла из вязкого в хрупкое состояние, поэтому его вводят в таком количестве, чтобы в процессе раскисления он полностью удалился из расплава. С целью нейтрализации вредного воздействия углерода в тугоплавкие металлы вводят в небольшом количестве карбидообразующие элементы: титан, цирконий, гафний и др. Они образуют с углеродом мелкие, разрозненные включения карбидов, которые практически не ухудшают качество металла.

При плавке в вакууме металл очищается от летучих примесей, однако одновременно теряются и компоненты сплава с высокой упругостью паров, поэтому для уменьшения потерь таких составляющих плавку тугоплавких сплавов предпочтительнее вести в атмосфере инертных газов.

Плавку ниобия и ниобиевых сплавов в зависимости от требований к чистоте ведут в вакууме или в атмосфере аргона или гелия. В качестве шихтовых материалов используют штабики или расходуемые электроды, сваренные из штабиков. Перспективным является плавка из расходуемых электродов, химический состав которых соответствует составу сплава. Раскисление осуществляют углеродом, церием или иттрием.

Молибден и сплавы на его основе плавят в дуговых печах с расходуемым электродом в вакууме или в атмосфере аргона, в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе или в гарнисажных печах с медным или графитовым тиглем.

Особенность плавки молибдена состоит в необходимости раскисления углеродом, водородом или алюминием. При раскислении алюминием плавку ведет в среде аргона, а при плавке в вакууме – углеродом или водородом.

Легирующие добавки при плавке сплавов молибдена вводят в виде гранул или порошка непосредственно в ванну или в расходуемый электрод при его изготовлении.

Электроннолучевая плавка молибдена и его сплавов является наиболее перспективной, позволяет получать слитки и отливки с низким содержанием примесей. Плавку веду т при остаточном давлении 1,33·10-³ Па. Для нейтрализации вредного влияния углерода вводят в сплав небольшое количество карбидообразующих элементов (титана или циркония), которые кристаллизуются в мелкодисперсном виде и почти не оказывают вредного воздействия на свойства металла.

Слитки и фасонные изделия из циркония и его сплавов получают в дуговых печах в нейтральной атмосфере или в вакууме при остаточном давлении 2,7 Па.

Расплавленный металл накапливается в гарнисажных тиглях и переливается в приёмную чашу литейных форм, расположенных на центробежном столе или в кристаллизатор для получения слитка первого переплава.

Конструкция вакуумных электродуговых печей для плавки тугоплавких металлов практически не отличаются от печей, применяемых для плавки титановых сплавов. При гарнисажной электродуговой плавке тугоплавких металлов и сплавов применяют графитовые тигли, установленные в водоохлаждаемую обойму и металлические водоохлаждаемые тигли.

При плавке металлов в гарнисажных тиглях непременным условием является сохранение гарнисажного слоя постоянной оптимальной толщины.

При увеличении толщины гарнисажного слоя уменьшается полезный объём жидкого металла в тигле с одновременным снижением температуры расплава.

При уменьшении толщины гарнисажного слоя возникает опасность непосредственного контакта расплава с материалом тигля, что может привести к загрязнению расплава углеродом и даже к прогоранию тигля и созданию аварийной ситуации.

Оптимальная толщина гарнисажа в донной части графитового тигля составляет 50-60 мм, на стенках – 12-16 мм.

Максимальная температура на контактной поверхности медного тигля с гарнисажным титановым слоем должна быть равной 500ºС при толщине стенки тигля равной 30мм и скорости движения воды более 3 м/сек.

В настоящее время для каждого типа тигля определена оптимальная толщина гарнисажного слоя и разработаны методы автоматического контроля и управления процессом плавки, обеспечивающим постоянство толщины гарнисажного слоя.

Основным недостатком ВДП является невозможность высокого перегрева металла перед заливкой и его полной дегазации, т. к. температура металла при переплаве электрода незначительно превышает его температуру плавления, что не обеспечивает его рафинирование. Поэтому всё большее распространение при плавке титановых и тугоплавких металлов получают ЭЛЛП.

Переплав в ЭЛЛП обеспечивает эффективное рафинирование металла от таких нежелательных примесей как Fe, Ni,Cu, Mn, Cr, Al, Pb, Bi, Sb, Ca, Mg, Zr, P, S и др. Плавка в ЭЛЛП позволяет получать высококачественные заготовки при переплавке не только штабиков, но прессованных брикетов из стружки и отходов.

Более глубокая очистка металла от примесей может быть обеспечена двойным переплавом металла в ЭЛЛП и путём введения в расплав в процессе плавки активных добавок. Например, для более глубокой очистки молибдена от кислорода в расплав вводят активные оксидообразующие добавки (С, В, РЗЭ, Zr, Ti и др.). Эти элементы имеют более высокое сродство к кислороду, чем молибден, и восстанавливают их оксиды по реакции:

МоО3 +3С →Мо + 3СО↑

Электроннолучевая плавка позволяет длительное время поддерживать температуру металла при заданном перегреве и наиболее эффективно рафинировать его.

В результате ЭЛЛП значительно снижается содержание примесей в металле.

Например, при плавке ниобия в ЭЛЛП содержание примесей (%) снижается следующим образом:

Кислород Углерод Азот Водород

Было 0,05 0,02 0,021 0,002

Стало 0,015 0,007 0,006 0,001

Кроме того, появляется возможность использовать при переплаве скрап, стружку и другие малогабаритные отходы, а также производить подшихтовку в процессе плавки.

На рис. (123) показана конструкция электроннолучевой печи ПЭЛ1000.

Рис.123 (схема ЭЛЛП)

Эта печь оборудована специальным загрузочным устройством (рис. 124), позволяющим переплавлять шихтовые материалы в виде обрези, стружки и других малогабаритных отходов. Стружка и сыпучие материалы с помощью шнека по специальному жёлобу перемещается в зону плавки. Компактные материалы закрепляют в каретке и перемещают в зону плавки с помощью винта. Электроннолучевая плавка является наиболее перспективным способом плавки сплавов тугоплавких металлов.

Плавку ниобиевых сплавов ведут в дуговых, индукционных и электронно-лучевых печах с применением медного кристаллизатора, тиглей из двуокиси тория, графитовых тиглей с гарнисажем.

В качестве шихтовых материалов применяют штабики или расходуемые электроды, сваренные из штабиков. Раскисление осуществляют углеродом, церием и иттрием.

Рис.124 (загрузочное устройство в ЭЛЛП).

Печь оборудована мощной электронной пушкой, которая обеспечивает высококачественную плавку металла.

В зависимости от требований к металлу по структуре и химическому составу применяют двойной переплав: плавку исходных материалов для получения расходуемого электрода первого переплава и переплавку полученного слитка в готовую продукцию (2-й переплав). Варианты плавок приведены на рисунке 125.

Изготовление готовой продукции из тугоплавких сплавов по схеме 1 обычно проводят в том случае, если не предъявляются особые требования по чистоте сплава. Степень чистоты сплава при переплаве в ВДП ниже, чем в ЭЛЛП. Поэтому для получения продукции с более высокими требованиями целесообразно применять ВДП для переплава электродов, полученных в ЭЛЛП (схема 2).

Схема 1

Схема 2.