Способ изготовления титановых тиглей с защитным покрытием

Изобретение относится к литейному производству. Способ включает нагрев литейной формы до 200-300°С, нанесение на поверхности литейной формы слоев титана и алюминия, заливку жидкого титана в литейную форму и охлаждение отливки до температуры, не превышающей 300°С. Толщина каждого слоя титана и алюминия составляет 0,1-0,12 мм, а их суммарная толщина 0,2-0,8 мм. Объемное отношение титана и алюминия в нанесенных слоях в пределах 1:(1-3). Заливку титана осуществляют при температуре 1740-1840°С и давлении не выше 1·10^-1 мм рт.ст. Достигается повышение стойкости титановых тиглей и получение более чистого расплава. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано на предприятиях, связанных с изготовлением фасонного литья из легких металлов и их сплавов, например, алюминия, магния, цинка, щелочных металлов 1 и 2 групп Периодической системы, а также сплавов, лигатур и композиций солей галогенов (флюсов) на их основе.

При производстве литья из легких сплавов, лигатур и флюсов наибольшее распространение получили графитошамотные тигли и металлические: из чугуна и стали (книга Г.И.Эскина и др. «Точное литье деталей авиационных агрегатов из алюминиевых сплавов», изд-во «Машиностроение» М. 1967 г., стр.37-38), а.с. СССР №1109570, опубликованный в 1984 г. (бюллетень №31).

Графитошамотные тигли имеют сравнительно низкую прочность, термостойкость и эксплуатационную стойкость. Они загрязняют расплав неметаллическими включениями.

Применение металлических тиглей из стали или чугуна, обладающих рядом преимуществ перед графитошамотными тиглями, также имеет ряд недостатков и ограничений по применению. Так, например, из-за загрязнения расплава примесью железа, металлический тигель не может применяться для выплавки высокопрочных и коррозионно-стойких сплавов алюминия. Они не допускают высокого перегрева и требуют для защиты от разъедания применения огнеупорных покрытий рабочей поверхности, в свою очередь, обладающих низкой стойкостью и загрязняющих расплав.

Наиболее близким техническим решением по назначению и принятым нами за прототип является «Способ получения центробежно-литых тиглей из титана и его сплавов», включающий вращение литейной формы и дозированную порционную заливку в нее металла, отличающийся тем, что расплавление металла и получение тигля производят в вакууме с остаточным давлением 10² и 10⁴ мм рт.ст., при этом заливку первой порции металла в количестве 15-25% от общей массы отливки ведут в неподвижную литейную форму со скоростью подачи металла 10-16 кг/с, выдерживают в течение 6-12 с для формирования донной части, затем доводят обороты литейной формы с помощью центробежной машины до 250-500 об/мин и после этого заливку остальной порции металла в литейную форму ведут со скоростью 15-22 кг/с для формирования боковой поверхности тигля (Патент РФ 2274513, B22D 13/00, публ. 20.04.2006 г.).

Как показывает опыт изготовления и эксплуатации этих тиглей, они имеет существенный недостаток, который заключатся в том, что при длительном взаимодействии с жидким металлом известный тигель обладает пониженной стойкостью и в процессе плавки происходит загрязнение расплава металла элементами материала тигля в процессе размывания защитного слоя.

Техническим результатом изобретения является разработка способа изготовления титановых тиглей для плавки с защитным покрытием, обладающих повышенной стойкостью в процессе их эксплуатации и обеспечивающих получение более чистого расплава.

Технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления титановых тиглей с защитным покрытием, включающем предварительный подогрев покрываемой поверхности, нанесение на нее защитного слоя регламентированной толщины из тугоплавкого и жаропрочного материала, содержащего титан, создание защитного покрытия в вакууме при давлении не выше 1·10^-1 мм рт.ст. или среде защитного газа, согласно изобретению, литейную форму для отливки тигля, предварительно нагревают до 200-300°С и на ее поверхности, контактирующие с внутренней и наружной поверхностями тигля, поочередно наносят слои толщиной 0,1-0,12 мм титана и алюминия каждого при суммарной их толщине 0,2-0,8 мм, а объемное отношение титана и алюминия в нанесенных слоях выдерживают в пределах 1:(1-3), затем заливают форму в вакууме жидким титаном с температурой 1740-1840°С в вакуумной плавильно-разливочной установке и охлаждают титан до температуры не выше 300°С.

Слои титана и алюминия, нанесенные на поверхности формы, контактирующие с внутренней и наружной поверхностями тигля, вступают во взаимодействие с жидким титаном при температуре 1740-1840°С, заливаемым в форму, с образованием на поверхности тигля защитного слоя, состоящего из алюминидов титана типа TiAl или TiAl+TiAl₃, содержащего 35-63% (по массе) алюминия и прочно соединенного с основой тигля. Образующиеся алюминиды титана отличаются высокой инертностью, жаростойкостью и длительной прочностью при высокой до 1000°С температуре (Книга В.В.Глазовой. «Легирование титана», изд-во «Металлургия», стр.132.).

Толщину наносимых на литейную форму слоев титана и алюминия выбирают из условия обеспечения протекания реакции между ними и диффузии на границе металл-форма в момент заливки. При нанесении слоев суммарной толщиной менее 0,2 мм при заливке формы происходит их растворение в жидком металле без экзотермической реакции, и защитный слой из алюминидов титана не образуется.

При толщине наносимых покрытий более 0,8 мм слои на форме отслаиваются, растрескиваются и деформируются от теплового воздействия в процессе заливки.

Температура жидкого титана более 1840°С приводит к перегреву компонентов нанесенных слоев и образованию пористого защитного слоя вследствие образования газообразного алюминия.

Температура жидкого титана менее 1740°С недостаточна для протекания реакции и образования алюминидов титана во всей толщине нанесенных слоев из-за низкого его теплосодержания.

Так как алюминиды титана образуются в узком диапазоне соотношения содержания титана и алюминия, то толщина слоя менее 0,1 мм, также как и толщина более 0,12 мм не позволяет получать стехиометрического соотношения, необходимого для образования алюминидов титана.

Нарушение объемного соотношения титана и алюминия в наносимых на литейную форму слоях приводит к нарушению защитной способности слоя тигля, снижению его жаропрочности и жаростойкости. Так, при объемном соотношении титана и алюминия в слоях, наносимых на литейную форму и стержень более, чем 1:1, количество алюминия в защитном слое тигля составит менее 35%, в этом случае защитный слой будет состоять из перитектоидной смеси α-раствора Ti и TiAl, близкой по своей химической активности к чистому титану, что при нагреве приводит к интенсивному окислению поверхности тигля в процессе плавки и сокращению срока его службы.

В случае нанесения на литейную форму титана и алюминия в соотношении менее, чем 1:3 по объему, в защитном слое тигля будет содержаться алюминия более 63% по массе. Поверхностный слой в этом случае будет представлять механическую смесь алюминия и алюминидов титана типа TiAl₃, отличающуюся пониженной жаропрочностью, высокой хрупкостью, низкой температурой плавления и плохой адгезией с титаном. Титан будет интенсивно взаимодействовать с расплавом, загрязнять расплав окислами и стойкость его будет снижаться.

Для надежного сцепления наносимых на литейную форму слоев титана и алюминия, улучшения протекания диффузионных процессов на границе титан-форма, форму подвергают подогреву до температуры 200-300°С.

Нагрев ниже 200°С не обеспечивает необходимой прочности соединения слоев титана и алюминия с литейной формой по причине захолаживающего эффекта, так как расплавленный металл, попадая на холодную подложку, теряет жидкоподвижность.

Нагрев более 300°С ухудшает качество наносимых слоев титана и алюминия, так как при этом наблюдается окисление как алюминия, так и титана, по той же причине ведут охлаждение до 300°С после заливки в форму жидкого титана.

Разливка расплавленного титана при давлении выше 1·10^-1 мм рт.ст приводит к интенсивному окислению и последующему возгоранию по причине его высокой химической активности.

Пример конкретного выполнения:

Формовка 100-маркового тигля осуществлялась по деревянной модели в форму из смеси, состоящей из 90% периклаза марки ПЛФ и 10% по объему жидкого стекла в качестве связующего. Формовочная смесь готовилась в смешивающих бегунах с диаметром чаши 800 мм. Заформованные стержни обжигались в термических печах типа Н-85 при температуре 950°С. На прокаленную и подогретую до 200°С, 250°С и 300°С поверхность литейной формы последовательно нанесли с помощью газопламенного металлизатора МГИ-6А слои титана и алюминия толщиной 0,10 мм и 0,12 мм. При этом были нанесены 1 слой титана и 1 слой алюминия, а затем 2 слоя титана и 4 слоя алюминия, потом 2 слоя титана и 6 слоев алюминия, что соответствовало отношению титана к алюминию как 1:1, 1:2 и 1:3 соответственно. Для нанесения слоев использовалась титановая проволока сплава ВТ-1-00 диаметром 1,2 мм и алюминиевая марки СвА85Т диаметром 1,6 мм. Режимы и скорости напыления принимались, исходя из рекомендаций, по техническому руководству на газовый металлизатор МГИ-6А. После металлизации литейной формы ее собрали и залили титановым сплавов с 4% Al (по массе) в вакуумной гарнисажной печи при температуре 1740°С, 1800°С и 1840°С при остаточном давлении в полости печи 1·10^-1 и 1·10^-2 мм рт.ст. с последующим охлаждением титана в вакууме до 300°С. После выбивки, отрезки литниковой системы и пескоструйной очистки, тигель передали в эксплуатацию.

В таблице №1 приведены параметры предлагаемого и известного способов, в таблице №2 приведены сравнительные данные по эксплуатационной стойкости тиглей и качеству выплавленного металла, полученного в тиглях, изготовленных по прототипу и по заявляемому способу.

Из приведенных данных можно сделать вывод, что заявляемый способ изготовления тиглей имеет ряд существенных преимуществ перед известным, среди которых:

- более высокая жаростойкость,

- более высокая химическая стойкость,

- отсутствие загрязнения расплава материалом тигля,

- более высокая стойкость тигля.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа изготовления титановых тиглей с защитным покрытием по сравнению с известным выразится в снижении брака отливок по составу и свойствам выплавляемого металла, за счет повышения качества металла, а также в сокращении объема ремонтных работ по восстановлению тигля за счет увеличения стойкости защитного покрытия тигля.

Таблица №1 Параметры способа
№ п/п	Способ	Толщина наносимых на литейную форму слоев, мм	Количество наносимых на литейную форму слоев, шт.	Суммарная толщина нанесенных слоев, мм	Соотношение компонентов в слоях по объему	Температура подогрева покрываемой поверхности, перед нанесением покрытия, °С	Температура нагрева титана под заливку, °С	Температура охлаждения залитого металла, °С	Вакуум в процессе получения титанового тигля, мм.рт.ст.
Ti	Al	Ti	Al
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	Предлагаемый	0,10	0,10	2	6	0,8	1:3	300	1840	300	1·10-2
2		0,12	0,12	2	4	0,36	1:2	250	1800	300	1·10-2
2	0,10	0,10	1	1	0,2	1:1	200	1740	300	1·10-1
4	Известный					0,5	-	250	-	-	1·10-1

Таблица №2 Свойства предлагаемого и известного тигля и металла, выплавленного в них
№ п/п	Способ	Количество плавок в тигле до разрушения защитного слоя, шт.	Состояние тигля по мере увеличения количества плавок	Удельный расход электроэнергии при плавке, (в печи сопротивления), квт/ч/кг	Наличие вредных примесей в расплаве	Количество брака по примесям к общему объему выпуска, %	Срок службы тигля при 2-х сменной работе, кол-во плавок
1	Предлагаемый	300	Трещин и следов взаимодействия с жидким металлом нет. Остатки металла удаляются хорошо.	0,52	Нет	Нет	3200
2		345		0,53	Нет	Нет	3400
3	360	0,51	Нет	Нет	3520
4	Известный	6-8	Растрескивание и расслаивание защитного слоя после 3-х плавок. Очистка остатков сплава затруднена за счет адгезии.	0,63	Неметаллические включения от материала тигля.	0,76	18

1. Способ изготовления титановых тиглей с защитным покрытием, включающий заливку жидкого титана в литейную форму в вакууме, отличающийся тем, что литейную форму нагревают до 200-300°С, на поверхности литейной формы, формирующие внутреннюю и наружную поверхности отливки, поочередно наносят слои титана и алюминия с толщиной 0,1-0,12 мм каждого слоя при суммарной их толщине 0,2-0,8 мм и объемном отношении титана и алюминия в нанесенных слоях в пределах 1:(1-3), заливку жидкого титана в литейную форму осуществляют при температуре 1740-1840°С и давлении не выше 1·10^-1 мм рт.ст., и охлаждают отливку до температуры, не превышающей 300°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заливку титана осуществляют в вакуумной плавильно-заливочной установке.