Получение слитков титановых сплавов методом заливки жидкого металла в изложницу

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Получение слитков титановых сплавов методом заливки жидкого металла в изложницу

02.11.2020

В настоящее время единственным методом получения промышленных слитков титана и его сплавов является выплавка слитков в вакуумно-дуговых печах.

Однако при вакуумно-дуговом способе плавки слиток наплавляется постепенно, т. е. не происходит перемешивания всего металла в жидком состоянии, и степень однородности слитка в основном зависит от степени однородности используемой титановой губки, легирующих добавок и равномерности распределения последних по высоте расходуемого электрода. Если легирующие компоненты можно распределить более или менее равномерно по высоте расходуемого прессованного электрода, то однородность титановой губки бывает в ряде случаев недостаточно высокой.

Кроме того, на равномерность распределения некоторых примесей (например, кислорода), очевидно, большое влияние оказывает и величина межзеренной ликвации, которая может иметь значительное развитие вследствие большой крупности макрозерен в слитке, образующихся при его медленном застывании в процессе вакуумно-дуговой плавки. Кислород и другие примеси при этом могут распределяться неравномерно в пределах макрозерна, что, несомненно, скажется на степени механических свойств полуфабрикатов.

При выплавке крупных слитков высоколегированных сплавов титана, имеющих большой интервал кристаллизации между ликвидусом и солидусом, наблюдается также довольно значительное развитие зональной ликвации некоторых легирующих компонентов (хрома, молибдена, никеля).

Существенным недостатком способа получения слитков в вакуумнодуговых печах является и то, что при таком способе выплавки возможно образование внутренних дефектов в металле в результате попадания в шихту газонасыщенных и других дефектных кусочков губки, обломков твердосплавных пластин на основе вольфрама, шлака от огневой резки, частички которого остаются в порах и пустотах слитков первого переплава, а также кусочков тугоплавких лигатур При производстве слитков такие кусочки, имея более высокую температуру плавления и больший удельный вес, не расплавляются и не растворяются полностью в жидкой ванне, а опускаются на дно и образуют включения в слитках, наличие которых приводит к различного рода дефектам в полуфабрикатах сплавов титана.

В жидкую ванну могут также падать и не растворяться в ней отдельные куски расходуемого электрода как в момент оплавления мест сварки, так и в момент выведения усадочной раковины, когда на остатке электрода под действием электродинамических сил образуются особые наросты («рога»), которые периодически падают в ванну, опускаются на дно и не растворяются в жидком металле.

Перечисленные выше недостатки вакуумно-дуговой плавки обусловлены тем, что металл в жидкой ванне имеет сравнительно небольшую степень перегрева над точкой плавления и как следствие этого в нем очень слабо растворяются различного рода частицы. Если эти частицы имеют большие удельный вес и температуру плавления, чем жидкий металл в ванне, они, не успев расплавиться в верхних, наиболее перегретых слоях жидкого металла, быстро погружаются на дно ванны, где температура металла равна температуре его кристаллизации. Эти частицы остаются в слитке в виде включений.

Еще одним недостатком вакуумно-дуговой плавки является слишком грубая (крупнозернистая) и неоднородная кристаллизация слитков, особенно большого диаметра и веса. При этом большое развитие зоны транскристаллизации приводит к образованию трещин при ковке слитков Кроме того, результаты гибовых испытаний на поперечных пробах ниже, чем результаты, получаемые при испытании металла с зоной равноосных кристаллов.

Следует сказать, что хотя в настоящее время и найдены меры борьбы с образованием различного рода включений в слитках вакуумно-дуговой плавки и слитки получаются качественные, осуществление этих мер сопряжено с большой трудностью, так как необходимо применять чистые шихтовые материалы. Однако и в этом случае полной гарантии в том, что различного рода включения будут отсутствовать, дать нельзя. Существующий метод ультразвукового контроля полуфабрикатов также очень трудоемок и не обеспечивает полной гарантии в отношении обнаружения внутренних дефектов, особенно хрупких составляющих, не образующих расслои при ковке или прокатке слитков.

Для получения более однородного металла слитков вакуумно-дуговой плавки желательно изыскать другой метод выплавки слитков, который был бы свободен от указанных недостатков. Одним из таких методов является метод гарнисажной плавки, используемый для фасонного литья. Исходным материалом для получения жидкого металла при гарнисажной плавке служат слитки первого переплава, полученные из расходуемых прессованных электродов в вакуумно-дуговой печи. При переплаве их в гарнисажной печи сохраняются последствия положительного влияния вакуумной плавки, так как металл при двойном переплаве в вакууме изолируется от загрязнения посторонними примесями.

При этом способе плавки устраняются все перечисленные выше недостатки вакуумно-дуговой плавки.

Надо отметить, что если при вакуумно-дуговом методе плавки получение плоских и квадратных слитков связано с большими трудностями, то при гарнисажном способе получения больших масс жидкого металла имеется возможность отливать слитки любой конфигурации (плоские, квадратные и т. п.).

Недостатком метода гарнисажной плавки, возможно, будет меньшая плотность металла из-за образования в верхней части слитка (при свободной кристаллизации металла в изложнице) раковин и пор усадочного характера Однако исследования, проведенные на Верхне-Салдинском металлообрабатывающем заводе (ВСМОЗ) и в ЦНИИ металлургии и сварки, показывают, что у слитков титановых сплавов хорошо завариваются внутренние несплошности при термомеханической обработке (ковке и прокатке) и такого рода дефекты не отражаются на качестве полуфабрикатов.

В настоящей работе приведены результаты разработки технологии получения слитков титановых сплавов в лабораторных условиях в гарнисажной печи, а также сравнительные исследования качества металла и однородности слитков, полученных как в вакуумно-дуговой, так и в литейной гарнисажной печах

Изготовление слитков


Для получения серии слитков титана была использована гарнисажная печь «Нева 2», а для выплавки слитков свидетелей — вакуумно-дуговая печь ДП-3.

В качестве исходных материалов для расходуемых прессованных электродов диаметром 170 мм была использована губка марки ТГ-120 поставки Днепровского титаномагниевого завода (ДТМЗ) следующего состава (по сертификату): 0,08% Fe; 0,03% С; 0,03% Si; 0,06% Cl; 0,012% N2; 0,03% О2. Временное сопротивление губки 35,3 кгс/мм2, твердость HB = 114 кгс/мм2.

Проверка показала, что механические свойства губки совпадают с сертификатными данными (ов = 34 кгс/мм2; ан = 32 кгс/см2 и твердость HB = 114—116 кгс/мм2).

Вся губка перед прессованием была раздроблена до крупности 10—12 мм, а затем тщательно усреднена. Для легирования сплава 48 ОТЗВ (с расчетным составом 4,7% Al и 2,0% V) использовались алюминиевованадиевая лигатура, содержащая 68% V и 31% Al, и чистый алюминий марки А00. Все расходуемые прессованные электроды переплавлялись в вакуумно-дуговой печи на слитки первого переплава диаметром 200 мм при следующих режимах: сила тока 4000 а, напряжение 34—35 в, вакуум перед плавкой (3—4)*10в-3 мм рт. ст., во время плавки — (2—3)*10в-2 мм рт. ст.

Для проведения сравнительных исследований качества металла слитки-свидетели диаметром 250 мм выплавлялись в вакуумно-дуговой печи при силе тока 4000 а, напряжении 37—38 в, вакуум перед плавкой составлял (2—3)*10в-3 мм рт ст., во время плавки — (2—4)*10в-2 мм рт. ст Переплав слитков в литейной гарнисажной печи проводился при силе тока 6000 а, напряжении 35—36 в, вакуум перед плавкой составлял (8—10)*10в-2 мм рт. ст.

С целью исследования процесса кристаллизации металл из литейной гарнисажной печи заливался из-под дуги в чугунную изложницу диаметром 200 мм, водоохлаждаемую медную изложницу диаметром 200 мм и магнезитовую форму. Кроме того, слитки были получены при заливке металла в металлическую изложницу с различными скоростями (с помощью промежуточных воронок различного диаметра), а один слиток был получен заливкой металла при выключенной дуге.

Для проверки возможности получения слитков различной конфигурации один слиток был залит в плоскую изложницу размером 140х250 мм.

Сравнительные исследования опытных слитков


Поверхность слитков. Заливка жидкого металла в изложницы осуществлялась с помощью промежуточных магнезитовых или металлических воронок. При этом выяснилось, что при диаметре отверстия воронки менее 30 мм металл вследствие малого перегрева быстро схватывался и застывал в воронке, слитка требуемого качества получить при этом не удалось. Слитки с лучшим качеством поверхности были получены при использовании промежуточных воронок с отверстием диаметром 30 и 40 мм. Заливка слитка с выключением дуги во время разливки жидкого металла была осуществлена только через промежуточную воронку с диаметром отверстия 60 мм. Попытка залить металл через отверстия меньших диаметров приводила вследствие малого перегрева металла к образованию «козла» в воронках.

Слитки, залитые в металлическую или водоохлаждаемую изложницу, имели хорошую неокисленную поверхность.

Слиток, полученный в магнезитовой форме, имел пористую, слегка окисленную поверхность. В ряде случаев верхние торцы слитков гарнисажной плавки независимо от способа заливки имели пузырчатую поверхность Причины этого явления требуют дополнительного выяснения. Слитки разделывали на темплеты, после чего производили сравнительное исследование макроструктуры, химического состава, содержания газов, а также механических свойств слитков в литом и кованом состояниях.
Получение слитков титановых сплавов методом заливки жидкого металла в изложницу

Макроструктура. Из сравнения макроструктуры слитка-свидетеля 1865 (рис. 1), полученного в вакуумно-дуговой печи с макроструктурой слитка гарнисажной плавки (рис. 2), залитого в стальную (плавка 1785) или водоохлаждаемую медную (плавка 0127, рис. 3, а) изложницу, видно, что в слитке свидетеле имеется большая зона сталбчатых кристаллов, распространяющихся от донной части примерно на 1/3 высоты слитка. В средней части имеется небольшой участок равноосных крупных кристаллов, которые в свою очередь граничат с зоной столбчатых кристаллов, направленных сверху вниз. Кроме того, видна довольно широкая зона боковых столбчатых кристаллов.

В отличие от вышеописанного слитка слитки гарнисажной плавки, залитые в металлическую или водоохлаждаемую медную изложницу, имеют по всему сечению равномерную мелкозернистую структуру. Из рассмотрения макроструктуры слитка 043 (рис. 3,б), залитого в магнезитовую форму, видно, что центральная зона слитка идентична по структуре центральной зоне металла, залитого в металлическую или водоохлаждаемую изложницу, но имеет более крупные кристаллы. Такие кристаллы, очевидно, будут получаться при большем весе слитка, залитого в обычную металлическую изложницу.

Из сказанного следует, что макроструктура металла, полученного в гарнисажной печи, значительно отличается от макроструктуры металла вакуумно-дуговой плавки и имеет равноосный мелкозернистый характер по всему объему слитка. Однако, если в металле вакуумно-дуговой плавки практически отсутствует зона усадочных раковин (благодаря особому режиму их выведения), то в металле гарнисажной плавки наблюдается довольно большой участок с раковинами усадочного характера.

С целью выяснения возможности получения слитков любой конфигурации металл гарнисажной плавки был залит в плоскую изложницу. Из рис. 4 видно, что макроструктура плоского слитка 091 аналогична макроструктуре других слитков гарнисажной плавки, залитых в металлическую или водоохлаждаемую изложницу. Это свидетельствует о возможности получения слитков любой конфигурации.

Следует отметить, что наиболее предпочтительна гарнисажная плавка с разливкой жидкого металла в изложницу через промежуточную воронку с диаметром отверстия не менее 40 мм. В этом случае поверхность слитков получается вполне удовлетворительной.

Химический состав. Определение содержания вредных примесей и легирующих элементов проводилось на литом металле по всему сечению слитков. Полученные результаты представлены в табл. 1—3.

Содержание легирующих и примесей определялось спектральным методом, водорода — методом вакуумной экстракции, азота — химическим методом, кислорода — изотопным методом.




Как следует из представленных данных (табл. 1), колебания в содержании алюминия при одной и той же шихтовке у металла слитка вакуумно-дуговой плавки значительно больше (до 1,16%), чем у металла, полученного в гарнисажной печи (от 0,38 до 0,48% в зависимости от способа заливки). Колебания в содержании ванадия в металле вакуумно-дуговой плавки составляют 0,30%, тогда как в металле гарнисажной плавки они составили 0,15- 0,27%.

Содержание железа в металле вакуумно-дуговой и гарнисажной плавок находится на одном уровне, а по равномерности распределения слиток-свидетель имеет колебания в два раза большие (0,04%), чем металл гарнисажной плавки (0,02%). Примерно такие же соотношения наблюдаются и в содержании кремния. Исключение составляет слиток, залитый в магнезитовую форму: содержание кремния в нем составляет 0,07%, в то время как содержание кремния в слитках, залитых в изложницу, в среднем равно 0,04%. Это объясняется переходом кремния из магнезита в металл при заливке его в форму. Следует отметить, что у металла этого слитка помимо большого разброса в содержании кремния содержание последнего часто находится на верхнем пределе (до 0,12%) требований технических условий на слитки сплава 48-ОТЗВ.

Металл двух гарнисажных плавок имеет более высокое содержание углерода, чем вакуумно-дуговой металл, хотя разброс содержаний примерно одинаков (до 0,04%). Некоторое повышение содержания углерода в металле гарнисажной плавки объясняется тем, что для получения максимально возможного веса слитков гарнисажной плавки металл выплавлялся в литейной печи сразу же после оплавления гарнисажа нерасходуемым графитовым электродом; при этом металл, мог в какой-то степени науглеродиться.

Из изложенного следует, что гарнисажная плавка независимо от способа заливки металла обеспечивает лучшее перемешивание и усреднение содержания легирующих (алюминий, ванадий) и примесей (железо, кремний, углерод) в металле, чем вакуумно-дуговой способ получения слитков.

Содержание водорода очень мало во всех слитках, но, как видно из данных табл. 2, в металле гарнисажной плавки его содержание выше и разброс содержания несколько больше. Более низкое содержание водорода в слитках вакуумно-дуговой плавки связано, очевидно, с наличием более мощной вакуумной системы на этих печах по сравнению с гарнисажной печью, где установлен только форвакуумный насос.

Из табл. 2 видно что в металле вакуумно-дуговой плавки содержание азота составляет 0,02—0,027% и колебания в разбросах — 0,007%, в металле гарнисажной плавки эти значения составляют соответственно 0,01—0,02 и 0,007%.

Металл, выплавленный в гарнисажной печи (за исключением варианта выплавки с разливкой в магнезитовую форму), более однороден (табл. 3) и имеет меньший разброс по содержанию кислорода (0,02—0,03%), чем дуговой (0,05%). При заливке в магнезитовую форму однородность распределения кислорода по сечению слитка несколько ниже, чем у слитка, полученного в вакуумно-дуговой печи, и колебания в содержании кислорода достигают 0,07%, что, по-видимому, объясняется переходом части кислорода из магнезитовой формы в жидкий металл при его заливке.

Из рассмотрения представленных выше данных видно, что гарнисажная плавка дает лучшие результаты в отношении однородности металла по распределению легирующих и вредных примесей, чем вакуумнодуговая. При этом заливка жидкого металла в магнезитовую форму дает менее равномерное распределение кремния и кислорода по сравнению с распределением его в слитках гарнисажной плавки.

Механические свойства могут быть дополнительной характеристикой однородности состава металла. Для проверки однородности механических свойств металла, выплавленного в вакуумно-дуговой и гарнисажной печах, все опытные слитки разделывались на образцы и механические свойства определялись в литом и кованом состояниях в трех зонах по высоте слитка.


Как видно из представленных данных (табл. 4 и 5), разброс прочностных характеристик литого металла (выплавлен в гарнисажной печи) меньше, чем металла, полученного в вакуумно-дуговой печи. У литого металла, полученного в гарнисажной печи, разброс значений предела прочности составляет 4—8 кгс/мм2, у металла вакуумно-дуговой плавки — 15 кгс/мм2.

Примерно такие же соотношения наблюдаются и по значениям предела текучести.

Металл гарнисажной плавки (за исключением металла, залитого в магнезитовую форму) имеет меньший разброс значений ударной вяз кости, чем вакуумно-дуговой. Эти значения соответственно равны 1,7—2 и 4 кгс*м/см2. У металла, залитого в магнезитовую форму, они достигают 6 кгс*м/см2, что хорошо согласуется с данными по определению кислорода (разброс достигает 0,07% при содержании 0,05—0,12% О2).


Изучение данных, полученных при испытании металла в кованом состоянии (табл. 5), показывает, что разброс значений прочностных характеристик металла гарнисажной плавки снижается (за исключением заливки в магнезитовую форму) до 2—4 кгс/мм2, тогда как у металла вакуумно-дуговой плавки они остаются на уровне 6—7 кгс/мм2.

Полученные данные о механических свойствах хорошо согласуются с результатами химического анализа и изучения микроструктуры и свидетельствуют о том, что выплавка металла в гарнисажной печи с последующей заливкой его в металлическую изложницу дает возможность получать металл с меньшим разбросом химического состава и механических свойств, чем у металла, выплавленного в вакуумно-дуговой печи.

Исследование слитка весом 130 кг, выплавленного при силе тока дуги 12 ка


Для исследования влияния веса слитка на его макроструктуру и свойства в условиях Северного машиностроительного предприятия в гарнисажной вакуумной дуговой печи типа «Нева-2» был выплавлен и залит в чугунную изложницу диаметром 250 мм слиток сплава 48-ОТ3В весом 130 кг и высотой 570 мм. Исходным материалом служил расходуемый электрод 14-946, прошедший первый переплав в вакуумной дуговой печи на ВСМОЗ. По сертификатным данным ВСМОЗ, для изготовления расходуемого электрода использовалась титановая губка марки ТГ-120 следующего химического состава. 0,03% Fe; 0,03% С; 0,02% Si; 0,06% Cl; 0,008% N2; 0,04% Os. Механические свойства губки таковы: твердость HB = 116 кгс/мм2, ов = 35,5 кгс/мм2, b = 45,2% и w = 82,1%.

По данным ВСМОЗ, в металле электрода содержалось следующее количество легирующих и примесей: 4,48% Al; 1,71 % V; 0,05% С; 0,07% Fe; 0,07% Si; 0,04% N2; 0,005% H2.

В гарнисажной дуговой печи поддерживался следующий режим плавки. Плавка начиналась при силе тока 6000 а и напряжении 32 в, затем постепенно по ходу плавки сила тока увеличивалась до 11000—12000 а при напряжении 38—40 в. Температура металла к концу плавки была выше температуры металла ранее исследованных слитков, так как в последнем случае сила тока не превышала 6000 а. Вакуум перед плавкой составлял 1*10в-1 мм рт. ст., натекание — 8 мк/мин. Во время плавки вакуум менялся в пределах (8,5—3,5)*10в-1 мм рт. ст.

Слиток, залитый в чугунную изложницу, имеет хорошую поверхность, лишенную каких-либо дефектов. При прокатке такого слитка не требуется дополнительной обдирки его поверхности.

Для исследования физико-химических свойств и макроструктуры металла слиток разделывался на образцы и темплеты. Из слитка на анодном станке вырезались 2 вертикальных темплета толщиной 30 и 60 мм из расположенных по разные стороны диаметральной плоскости слитка участков. Темплет толщиной 30 мм строгался на глубину 8 мм для удаления зоны анодного реза, шлифовался и травился плавиковой кислотой. Фотография такого макротемплета приводится на рис. 5. Из темплета толщиной 60 мм в трех зонах по диаметру слитка и в 4 зонах по высоте вырезались образцы для исследования механических свойств литого металла в двух направлениях.

Макроструктура слитка. Слиток имеет плотное строение без газовых раковин, пористости и других дефектов, кроме обычной усадочной раковины. Плотность металла, залитого в гарнисажную печь, равна 4,42 г/см3. Средняя плотность металла дуговой плавки для сплава 48-ОТЗВ составляет 4,44 г/см3, колеблясь в пределах 4,42—4,45 г/см3. Следовательно, металл дуговой плавки имеет несколько большую плотность, что вполне объяснимо.

Слиток гарнисажной плавки имеет мелкое зерно по всему сечению темплета (рис. 5), и лишь в его литниковой части наблюдаются зерна несколько увеличенных размеров в виде удлиненных кристаллов столбчатого типа.

Химический состав слитка. Разброс значений содержания алюминия по сечению слитка составляет 0,5% (от 4,26 до 3,76%), ванадия — 0,18% (от 1,68 до 1,5%), железа — 0,03% (от 0,08 до 0,05%), кремния — 0,01% (от 0,06 до 0,05%), углерода — 0,02% (от 0,06 до 0,04%). Эти данные свидетельствуют о равномерном распределении легирующих и примесей в металле гарнисажной плавки (рис. 6). Это же следует сказать и о распределении водорода, кислорода и азота (табл. 6).

Механические свойства металла. Результаты испытания механических свойств литого металла (рис. 7—9) показывают, что последний по высоте и сечению слитка однороден.

Изменение механических свойств кованого металла по высоте слитка представлено на рис. 10—12. Как следует из этих рисунков, разброс свойств кованого металла по сравнению с литым, как и следовало ожидать, несколько уменьшился. Так, разброс значений временного сопротивления литого металла составляет 8,6 кгс/мм2 (от 74,6 до 66 кгс/мм2), кованого — 7 кгс/мм2 (от 85,7 до 77,7 кгс/мм2); разброс значений предела текучести литого металла составляет 12 кгс/мм2 (от 73 до 61 кгс/мм2), кованого — 8 кгс/мм2 (от 83,7 до 76,7 кгс/мм2), относительного удлинения литого металла — 8,4% (от 11,2 до 2,8%), кованого — 4% (от 18,0 до 14,0%), относительного сужения литого металла — 20,8% (от 32,6 до 11,8%), кованого — 10% (от 44,1 до 34,1%), ударной вязкости металла — 3,9 кгс*м/см2 (от 10,0 до 6,9 кгс*м/см2), кованого — 4,1 кгс*м/см2 (от 11,6 до 7,5 кгс*м/см2).

Как видно из табл. 7, разброс механических свойств катаного металла гарнисажной плавки невелик, что также характеризует его однородность.




На основании изложенного можно сделать вывод, что повышение температуры жидкого металла и увеличение веса слитков с 60—70 до 130 кг не снижает их качества.

Заключение


Результаты первых проверок свидетельствуют о большой перспективности метода получения слитков сплавов титана путем заливки жидкого металла в изложницу.

Слиток получается значительно однороднее как по своей структуре, распределению легирующих компонентов и вредных примесей, так и по механическим свойствам, чем слиток, выплавленный в вакуумно-дуговой печи. Заливка металла из тигля гарнисажной печи в изложницу дает возможность простого получения слитков любой конфигурации.

В связи с изложенным представляется целесообразным проверить метод в промышленных условиях на слитках весом 2—4 т, для чего необходимо спроектировать и построить гарнисажную печь соответствующей емкости; исходные данные для проектирования и строительства гарнисажных печей имеются.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: