Спосіб отримання ливарних сплавів на основі цирконію або титану

Реферат: Винахід належить до галузі кольорової металургії, а саме - до способу отримання ливарних сплавів на основі цирконію або титану, і може бути використаний для підвищення службових характеристик ливарних сплавів в атомній енергетиці та медицині. Спосіб отримання ливарних сплавів на основі цирконію або титану шляхом гарнісажної плавки з електронно-променевим нагрівом і донним розливом утвореного сплаву, характеризується тим, що на рідкий вказаний сплав і сплав в процесі кристалізації накладають змінне магнітне поле промислової частоти, а електронно-променевий нагрів здійснюють спочатку з перегріванням цього розплавленого UA 106444 C2 (12) UA 106444 C2 сплаву на 150-250 °С вище температури ліквідусу та з послідовним його охолодженням безпосередньо перед розливкою у кокіль до температури, що перевищує температуру ліквідусу на 50-90 °C. Винахід забезпечує значне покращення властивостей заготовок і виробів при виготовленні деталей з цирконію і титану та їх сплавів, а саме - усунення розшарування, підвищення якості і чистоти, механічних властивостей, пригнічення ліквацій, зменшення величини середнього зерна утворених з цього сплаву заготовок і деталей. UA 106444 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі кольорової металургії, а саме до технології отримання ливарних сплавів на основі цирконію і титану, і може бути використаний для підвищення службових характеристик ливарних сплавів для атомної енергетики та медицини. Відомі способи отримання ливарних сплавів на основі цирконію, титану та виробів з них, що включають отримання зливків, виготовлення з них заготовок та подальшу зміну їх форми шляхом холодного деформування (див., наприклад, Ажажа В.М., Борц Б.В., Бутенко І.М., В'югов П.М. Виробництво партії трубних заготовок ТРЕКС-труб та виготовлення дослідно-промислової партії твельних труб зі сплаву Zr1Nb із вітчизняної сировини, Ж.Наука та іновації. - 2006. - Т.2 №6. - С. 18-30). Найважливішою стадією технології, що впливає на всі етапи отримання виробів, є одержання якісної структури литої заготівки. Це має вирішальне значення для суттєвого покращення комплексу фізико-механічних властивостей та дозволяє проводити деформацію металів з високими ступенями сумарного стиснення та мінімальною кількістю разових операцій проміжних технологічних відпалів. Останнє пов'язано з високою хімічною активністю цих металів при взаємодії з домішками проникнення. Адсорбція газів, окиснення поверхні при нагріванні та утворення оксидів, нітридів та карбідів може призвести до зниження чистоти сплавів. Це особливо важливо при виготовленні сплавів для медицини, оскільки вони схильні до комплексоутворення при взаємодії з середовищем живого організму. Особливо небезпечними є оксиди, які спричиняють денатурацію білків, викликаючи некрози і відторгнення імплантатів. Для ядерної енергетики залишається незмінною перед усім вимога до гомогенності металу. Цю вимогу, поряд з необхідністю попередження насичення металу при виплавці газовими домішками, можна задовольнити застосуванням електронно-променевого нагрівання при одержанні литва. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб отримання ливарних сплавів на основі цирконію або титану шляхом гарнісажної виплавки з електронно-променевим нагрівом і донним розливом металу (див., наприклад, Патон Б.Е., Тригуб Н.П., Ахонин СВ. Перспективные технологии электронно-лучевой плавки титана // Титан-2003. - №2. - С. 20-25). Спосіб-найближчий аналог дозволяє проводити рафінування рідкого металу в високому вакуумі, починаючи вже з перших етапів його плавлення. Але в цьому способі є труднощі у стабілізації технологічних параметрів одержання сплавів з чітко регламентованими хімічними складами. Локалізація теплового нагріву в точці падіння променю на поверхню металу слугує причиною нерівномірного його нагріву по всьому об'єму. Внаслідок цього, при кристалізації сплавів виникають об'єми з мікронеоднорідним розподілом легуючих елементів. При цьому склад гарнісажу, який зазвичай зміщений у бік збільшення концентрації тугоплавких елементів, викликає відхилення складу рідкого металу від середнього по шихтових матеріалах. В основу винаходу поставлена задача подальшого покращення комплексу службових властивостей ливарних сплавів на основі цирконію або титану шляхом їх виплавки в гарнісажі з поетапним електронно-променевим нагрівом і донним розливом в умовах електромагнітного перемішування рідкого металу і металу в процесі його кристалізації. Поставлена задача вирішується тим, що в способі отримання ливарних сплавів на основі цирконію або титану шляхом гарнісажної плавки з електронно-променевим нагрівом і донним розливом металу, згідно з винаходом, на рідкий метал і метал в процесі його кристалізації накладають змінне магнітне поле промислової частоти, а електронно-променевий нагрів здійснюють спочатку з перегріванням розплавленого металу на 150-250 °C вище температури ліквідусу та з послідовним його охолодженням перед розливкою у кокіль до температури, що перевищує температуру ліквідусу на 50-90 °C. Накладання змінного магнітного поля на розплавлений метал і метал, що кристалізується, дозволяє: • інтенсивним перемішуванням усунути розшарування розплаву, що суттєво покращує структуру литва і практично виключає можливість виникнення концентраційної неоднорідності; • в умовах гарнісажної плавки поверхневий шар твердого металу, який утворюється на стінках тигля, що охолоджується водою, за рахунок першочергової кристалізації високотемпературної складової сплаву, його об'єми безперервно змиваються і відновлюються в умовах динамічної рівноваги. При цьому чим швидше іде розмив гарнісажу, тим більше металу від нього з температурою, близькою до межі солідусу переходить у рідину, що знижує температуру розплаву і усереднює у цілому його склад. За рахунок виникнення в ньому додаткових потенційних центрів кристалізації, при затвердінні у відливці формується дрібнозерниста гомогенна структура. • внаслідок більш інтенсивного перемішування розплаву при накладанні змінного магнітного поля відбувається вирівнювання температури по всьому об'єму розплавленого металу, що сприяє підвищенню якості литого металу за рахунок пригнічення лікваційних процесів. 1 UA 106444 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Поетапний електронно-променевий нагрів рідкого сплаву призводить до зменшення розшарування після перегріву та охолодження. Спочатку проводиться нагрів вище температури ліквідусу на 150-250 °C. Таке перенагрівання (на 150 °C і вище до 250 °C) сприяє збільшенню рідкоплинності сплаву та покращує його перемішування, що виключає можливість розшарування, яке властиве сплавам, складові яких не змішуються в твердому стані. Зазвичай значний перегрів вище 250 °C призводить до того, що при кристалізації у відливці формується великозерниста структура. Зменшити розміри зерен у відливці можливо, суттєво зменшивши інтервал між температурою кристалізації і температурою розливання металу. Це досягається за рахунок наступного етапу: охолодження рідкого металу до температури, яка на 50-90 °C вища температури кристалізації. Температурний діапазон охолодження сплаву безпосередньо перед розливкою у кокіль визначений з розрахунку того, що при охолодженні сплаву до температури нижче 50 °C, ніж температури кристалізації, можлива спонтанна кристалізація за рахунок преципітатів, а при охолодженні до температури вище 90 °C, ніж температура кристалізації, зменшується кількість зародження центрів кристалізації, що призведе до формування великозернинної структури. Приклад. В дослідних і дослідно-промислових умовах проводили плавки за режимами з поетапним підвищенням потужності електронно-променевого нагріву. Максимальна потужність нагріву складала в дослідно-промислових умовах 220 кВт, загальний час плавки 40 хвилин. Обмежуючим чинником виходу на максимальну потужність нагріву був ступінь розрідження в плавильних камерах та продуктивність вакуумних систем. Електромагнітне перемішування включали після розплавлення в тиглях цирконію або титану та їх сплавів до температур, які на 200-250 °C були вищими відповідних температур ліквідусу після наведення ванни по всій поверхні. Встановлені оптимальні параметри електроживлення систем електромагнітного перемішування: напруга 24 В, сила струму 600 А, частота струму 50 Гц. Швидкість потоку на поверхні ванни орієнтовно складала 0,4 м/с. Масова швидкість виливу розплаву при отриманні литих заготівок становила 10-12 кг/с. Перед виливом металу в кокіль його температуру знижували до температури, яка не перевищувала температуру ліквідусу сплаву на 50-90 °C. Дослідження структури і властивостей металу отриманих заготівок було проведено в науководослідному трубному інституті (м. Дніпропетровськ). Хімічний аналіз сплавів свідчить, що запропонована технологія виплавки дозволяє забезпечувати однаковий по об'єму відливу хімічний склад металу, що вимагається ТУ. Таким чином, запропонована технологія виплавки, на прикладі сплаву цирконію з ніобієм КТЦ-110, гарантує рівномірний розподіл легуючого ніобію по всьому об'єму ванни і дозволяє одержувати якісну гомогенну заготівку з дрібнозернистою структурою. Розміри зерен по об'єму майже в 50-70 разів менші тих, ніж ті, які можна отримати при виплавці за технологією-найближчого аналога. Металографічні дослідження показали можливість зменшення середнього зерна в результаті плавки в змінних магнітних полях при хорошій однорідності розподілу зерен по розмірах на один-два порядки. Це суттєво впливає на покращення властивостей заготовок та виробів в наступних технологіях деформаційного формоутворення при виготовленні деталей з цирконію або титану та їх сплавів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 Спосіб отримання ливарних сплавів на основі цирконію або титану шляхом гарнісажної плавки з електронно-променевим нагрівом і донним розливом утвореного сплаву, який відрізняється тим, що на вказаний рідкий сплав і цей сплав в процесі кристалізації накладають змінне магнітне поле промислової частоти, а електронно-променевий нагрів здійснюють спочатку з перегріванням розплавленого сплаву на 150-250 °C вище температури ліквідусу та з послідовним його охолодженням перед розливкою у кокіль до температури, що перевищує температуру ліквідусу на 50-90 °C. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2