Характеристики тугоплавких сплавов

В технике чаще используют при литье не чистые тугоплавкие металлы - элементы, а их сплавы. Наиболь­шее применение из всех тугоплавких металлов находят титановые сплавы, наименьшее - вольфрамовые и ниобиевые сплавы. Ниже приведена краткая характери­стика некоторых тугоплавких металлов.

Титановые сплавы. Основным легирующим элемен­том для титана является алюминий (до 8 %), второсте­пенными - олово и медь (до 3,5 % каждого). В зарубеж­ной практике для легирования используются Zr, V, Mo, Nb и Та. Алюминий придает титановым сплавам преимущества по сравнению с другими легирующими элементами: снижение стоимости, уменьшение плотнос­ти, повышение прочности, жаропрочности и коррозион­ной устойчивости.

Ванадиевые сплавы. Изделия из ванадиевых сплавов пригодны для эксплуатации при температурах, превы­шающих рабочую температуру титановых и цирконие­вых сплавов. Из ванадиевых сплавов наибольший интерес представляют сплавы с титаном (до 50 %), цирконием (до 3 %). Улучшает свойства ванадиевых сплавов легирование хромом, алюминием и кремнием.

Хромовые сплавы. Недостаток хромовых сплавов - высокий порог хрупкости. Для повышения пластичнос­ти в хромовые сплавы вводят 40..,50 % никеля или железа, а также молибден и ниобий. Хромовые сплавы пластичны и прочны при 900...1100 °С. При нагреве до 1400 °С эти свойства резко снижаются. По жаропроч­ности хромовые сплавы превосходят известные сплавы на основе ниобия, молибдена и вольфрама.

Циркониевые сплавы. Сплавы легируют алюминием, оловом и молибденом. Изделия из этих сплавов эксплуа­тируются при 400...650 °С. Процессы плавки и заливки аналогичны процессам получения титановых отливок.

Ниобиевые сплавы. Сплавы легируют цирконием, танталом, вольфрамом и молибденом. Ниобиевые сплавы имеют весьма малое эффективное сечение захвата нейтронов, поэтому их применяют в ядерной технике. Недостатки: высокая стоимость ниобия и технологические трудности получения отливок.

Молибденовые сплавы. Сплавы легированы вольфра­мом и танталом. Они обладают высокими характеристи­ками жаропрочности при 1000 ^оС. Существенным недостатком молибдена является его низкая сопротивляемость окислению при высоких (начиная с 450 ^оС) температурах.

При 700 ^оС окисление резко возрастает из-за испарения оксида МoО₃.

Вольфрамовые сплавы. Известны сплавы с 20...30 %-ным содержанием рения (Re). В технике вольфра­мовые сплавы применяют ограниченно. Наибольшее применение - ламповая промышленность. Весьма высокие свойства позволяют предполагать об их применении в будущем.

11.5. ПЛАВКА ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

Все тугоплавкие металлы обладают высокой хими­ческой активностью, поэтому их плавка и заливка в формы обязательно производится в вакууме или в контролируемой атмосфере. Плавильные установки по признаку трансформации энергии подразделяют на индукционные, дуговые и электронно-лучевые уста­новки.

Индукционные плавильные установки являются удобным агрегатом для приготовления достаточно нагретого металла при изготовлении фасонных отливок. Значительным недостатком индукционных печей является низкая стойкость плавильных тиглей. Практи­чески все огнеупорные материалы, из которых изготов­ляют тигли, взаимодействуют с расплавленными тугоплавкими сплавами и снижают их свойства. Повышение качества сплавов достигается сокращением времени контакта металла с материалами тигля, т.е. сокращением времени плавки, что доступно при плазменно-индукционной плавке.

К индукционной печи ИСТ-016 6 присоединена плазменная приставка, представляющая собой водоохлаждаемую футерованную крышку (свод) 5,установлен­ную в верхней части печи на уплотнительном кольце. На крышке смонтирован плазмотрон 2 с механизмом перемещения 1. Для загрузки шихты в процессе плавки, ввода легирующих добавок и наблюдения за ходом плавки в крышке предусмотрен герметизи­рованный люк со стеклом 4. В дно тигля вмонтирован водоохлаждаемый анод 7. Плазмотрон питается от источника постоянного тока 8. В качестве плазмообразующего газа используют технический аргон, очищенный от влаги, кислорода и азота, подаваемый по шлангу 3. При литье тугоплавких сплавов по выплавляемым моделям повышение термофизических свойств отливок достигается повышением скорости кристаллизации. При обычном способе охлаждения форм скорость кристалли­зации составляет 4 мм/мин. Для регулирования скорости кристаллизации форму погружают в жидкий алюминий! В этом случае скорость кристаллизации увеличивается до 20 мм/мин. Прочность, удлинение и жаростойкость сплавов увеличиваются на 10... 15 %.

При использовании высокоскоростной кристал­лизации индукционная вакуумная плавйльная установка оборудуется печью для нагрева оболочко­вых форм, жидкостным кристаллизатором и систе­мой перемещения залитого блока отливок в кристал­лизатор с регулируемой температурой и скоростью по ходу процесса. Температура металла в кристаллизаторе - 700 °С, температура нагрева формы - 1500 °С, скорость кристаллизации до 20 мм/мин, вакуум 10,65 кПа.

Дуговые плавильные установки. Вследствие большого сродства некоторых тугоплавких сплавов к кислороду, образованию оксидов и нитридов при нагреве в воздушной среде их плавка возможна в вакууме или в среде нейтральных газов. Для расплав­ления, например, титановых сплавов наибольшее распространение получили дуговые гарнисажные печи с расходуемым электродом.

Шихтовым материалом является расходуемый электрод из сплава заданного состава, спрессованный из порошков или титановой губки высокой чистоты. Графитовый тигель 2, в котором происходит плавка, охлаждается водой, протекающей в медной обойме 5. Температуру внутренней поверхности тигля регулиру­ют таким образом, чтобы на стенках тигля в течение всего процесса плавки оставался нерасплавленный слой 3 титанового сплава толщиной 10...15 мм, называемый гарнисажем. Гарнисаж препятствует непосредственно­му контакту тигля с расплавом 4, полученным в резуль­тате расплавления расходуемого электрода 7, и таким образом предохраняет сплав от насыщения углеродом.

Плавка в дуговых гарнисажных печах с расходуемым электродом имеет и недостатки, например затруднен перегрев расплава и переплав отходов; невозможно выдерживать расплав в печи.

Электронно-лучевые плавильные установки. В отличие от дуговой плавки с расходуемым электро­дом электронно-лучевой нагрев позволяет расплавлять кусковой шихтовый материал, в том числе и отходы применяемых сплавов, вводить легирующие добавки в твердую шихту или в расплав в ходе плавки. При этом можно выдерживать расплав в течение любого времени и перегревать его до необходимой температуры. Кроме того, электронный нагрев позволяет создавать глубокий вакуум непосредственно над зеркалом ванны расплава для максимальной очистки металла от вредных примесей.

Взаимодействие тугоплавких металлов с углерод­ной формой При заливке формы тугоплавкими металла ми термоудар составляет более 2000 °С. При этом происходит расслаивание пирографита с образованием трещин и изломов, в которые проникает металл. Углеродистое стекло термохимически устойчиво при литье титановых сплавов, но вызывает активное насыщение металла углеродом. При заливке ниобиевых и молибденовых сплавов углеродистое стекло растрес­кивается и на поверхности отливок образуется сетка тонких заливов. Углеграфитовые материалы являются наиболее стойкими в контакте с металлами, однако и они не спасают от науглероживания, что снижает свойства тугоплавких металлов.

Д.М. Колотило предложил способ предотвращения науглероживания металла отливок из карбидообразующих металлов, получаемых в графитовых формах. Из теоретической оценки минимального взаимодействия материалов формы и металла следует, что ими являются медь, серебро и золото, т.е. элементы первой группы, наносимые на поверхности контакта металла и формы. Температура контактной зоны, например меди, при заливке металла значительно превосходит ее температу­ру плавления. Очевидно медь будет находиться на поверхности формы в жидком состоянии. Слой меди минимальной толщины удерживается адгезионными силами между формой и отливкой.

Наиболее приемлемым методом для нанесения тонких медных покрытий в 3...5 мкм является вакуумное напыление. Медные покрытия можно наносить также плазмой, электрохимическим или химическим осажде­нием. Медные покрытия графитовых форм применяют для отливок из титана, молибдена и ниобия массой до 4 кг. Такой способ относительно прост и позволяет изготовлять отливки с чистой поверхностью и малым науглероживанием.

Дата добавления: 2014-01-05