CN1699906A - 一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明属于耐高温熔炼材料领域，涉及一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚。所述的复合坩埚至少包含内衬和承力层，内衬是用氮化硼砖砌成的能装盛钛及钛合金液体的杯形结构；承力层是采用高熔点的耐高温材料制造的能承受钛及钛合金液体产生的压力的与内衬形状相匹配的承力结构。本发明之复合坩埚能满足工业化生产要求，制作工艺成熟、设备简单、性能稳定、维修方便。合金不粘结坩埚，并可在坩埚内形成大的熔池，便于合金元素的扩散，熔炼浇注后的合金成分均匀，合金性能稳定。

Description

一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚

技术领域

本发明属于耐高温熔炼材料，尤其是涉及一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚及其制造方法。

背景技术

由于钛的熔点高和化学性质非常活泼，在其熔炼时液态钛几乎能与所有坩埚用耐火材料如氧化锆、氧化镁、氧化硅和氧化铝均发生反应，因此，导致其熔炼不能采用感应炉熔炼。目前工业上钛及钛合金熔炼常采用真空自耗电极电弧凝壳炉熔炼和强制水冷铜坩埚冷却。真空电弧凝壳炉熔炼时先在铜坩埚壁上凝固一薄层“凝壳”，起到保护钛液不被坩埚材料污染和隔热作用，以便在坩埚内形成一个熔池。由于水冷铜坩埚冷却很快和形成凝壳使钛液温度场不均匀，加上钛合金在液态保持时间短，使得浇注后钛合金铸件成分不均匀。成分不均匀对合金的性能影响很大，如钛镍形状记忆合金的相变点对成分很敏感。真空电弧凝壳炉熔炼与真空感应炉熔炼相比能耗大，熔炼钛合金耗电为40～60kw/kg。为解决上述问题，有人提出用氧化钙作钛及钛合金熔炼坩埚。但氧化钙很难烧结成型，而且氧化钙坩埚在空气下易于水解，此外用氧化钙坩埚熔炼的钛合金中氧含量会增高，影响钛合金的性能。在中国专利ZL200410025119.0中发明人公开了一种钛及钛合金熔炼坩埚材料及由该材料制成坩埚的制造方法，采用氮化硼和适量的助熔剂为原料，通过经冷等静压压制成坩埚毛坯，在1800℃下烧结1小时，即可得熔炼坩埚成品，并在实验室规模应用上取得了良好的效果，具有高温下与钛不发生反应，不与合金粘结；能耗低、熔炼浇注后的合金成分均匀，性能稳定的优点。但上述专利公开的技术，由于采用氮化硼加适量的助熔剂经冷等静压制坯后烧结成形的制造整体坩埚的技术方案，无法满足工业化生产的要求，因为工业化的生产所需的熔炼坩埚体积大，采用专利ZL200410025119.0的技术难以生产制造，其原因在于：(1)、工业化生产使用坩埚(一般以吨为单位)体积大，氮化硼坩埚整体制造时所需的冷等静压、烧结等设备要求高价格贵，设备要特别制造。(2)、整体制造的氮化硼坩埚价格太贵、一旦损坏无法修复，必须整体更换，经济成本不合算。(3)、整体制造的氮化硼坩埚制造和使用过程中易产生裂纹。因而需要对现有的技术进行改进，提出新的技术方案，改进现有技术的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚。

一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚，所述的复合坩埚至少包含内衬和承力层，内衬是用氮化硼为原料或者用氮化硼加适量的助熔剂为原材料制造的砖砌成的能装盛钛及钛合金液体的杯形结构；承力层是采用高熔点的耐高温材料制造的能承受钛及钛合金液体产生的压力的与内衬形状相匹配的承力结构。

——所述的氮化硼为原料或者用氮化硼加适量的助熔剂为原材料制造的砖之间能形成凹凸配合的定位结构。

——所述承力层采用的高熔点的耐高温材料是石墨。

——所述承力层采用的高熔点的耐高温材料是氧化镁或氧化镁为主要原材料的耐火材料。在氧化镁中可以加入氧化锆、氧化硼、碳化硼、碳化钛、炭粉等辅料，便于烧结成型。

——所述助熔剂至少包含以下二种化合物中的两种，即氧化镁、氧化铝、氧化锆、氧化硼、碳化硼、碳化钛；所述助熔剂的用量为氮化硼重量的0.5～5％(重量百分比)。

——所述复合坩埚在内衬和承力层之外还有保温材料制造的保温层。保温层可以减少热量的扩散，节省能源，并有利于保持钛及钛合金熔池的温度。

本发明的优点在于：

(1)、以氮化硼为原料或者以氮化硼加适量的助熔剂为原材料制造的小块的氮化硼砖，可以通过经冷等静压制坯后烧结成型的传统工艺制造，所需设备简单，工艺成熟，产品质量稳定性好。特殊的情况下可以采用氮化硼单晶材料制造的氮化硼砖，性能更加优异，但这种单晶氮化硼砖成本较高，适合于特种钛合金的熔炼。

(2)氮化硼砖可以制造成有相互配合的凹凸定位结构，方便堆砌成复合坩埚的内衬，也在损坏时方便拆下更换，维修成本低。

(3)可堆砌成工业化生产使用的大坩埚(一般以吨为单位)，成本低。

(4)氮化硼砖体积小，生产制造和使用过程中不容易裂纹，坩埚寿命长。

(5)本发明之复合坩埚内可形成大的熔池，便于合金元素的扩散，熔炼浇注后的合金成分均匀，合金性能稳定。同时复合坩埚的氮化硼内衬与钛不发生反应，不与合金粘结，无强制水冷铜坩埚熔炼钛及钛合金时出现的“凝壳”现象，成材率高。

(6)大大降低了能耗，钛及钛合金熔炼时的耗电量仅为2～3kw/kg。

(7)钛及钛合金熔炼时，如果发生钛及钛合金液体沿着氮化硼砖堆砌的内衬的砖缝向承力层渗漏时，钛与石墨发生反应生成高熔点的碳化钛能自动封堵漏口，防止进一步的渗漏。

附图说明

图1为本发明之复合坩埚的结构示意图。

图2为构成本发明之复合坩埚的内衬的氮化硼砖的结构示意图。

图3为本发明之复合坩埚内衬的堆砌方法的原理图。

图4为本发明之附带有保温层的复合坩埚的结构示意图。

上述图中：1为本发明之复合坩埚的内衬，2为本发明之复合坩埚的承力层，3为构成本发明之复合坩埚内衬的氮化硼砖，4为保温层。

具体实施方式

实施例一：本发明之复合坩埚的制造

将氮化硼粉末在模具中经冷等静压制成砖形坯料，在1800℃下烧结1-2小时，即可得到氮化硼砖，将氮化硼砖堆砌成杯状，即得到了本发明之复合坩埚的内衬。在复合坩埚的内衬外安装好由石墨制造的承力层，即得到了本发明之复合坩埚。将此坩埚置于真空感应炉中熔炼钛合金，其平均耗电量为2-3kw/kg。熔炼时复合坩埚的内衬在高温下与钛不发生反应，不与合金粘结。熔池流动性好，熔炼浇注后的合金成分均匀，性能稳定。参考图1至图4。

也可以采用氮化硼加适量的助熔剂为原材料制造的氮化硼砖，具体制造工艺如下：用氮化硼粉和适量的助熔剂混合均匀，助容剂(重量％)分别为：0.5％氧化锆、1％氧化镁和1.5％氧化硼；经冷等静压压制成坩埚毛坯，在1800℃下烧结1小时，即可得氮化硼砖。

氮化硼砖可以有不同的几何形状，特别是可以设计成凹凸配合的能相互定位的形状，不仅可以方便堆砌成内衬，而且在氮化硼砖损毁后便于更换。

采用氮化硼砖堆砌内衬时，可以用单层氮化硼砖堆砌，也可以采用双层或多层氮化硼砖堆砌，可以根据具体要堆砌的坩埚的大小和容量来决定。

氮化硼砖堆砌的内衬外的承力层可以用石墨材料制造，也可以采用以氧化镁为主要原材料的耐火材料制造。

实施例二：带保温层的本发明之复合坩埚的制造

氮化硼粉末或者加适量的助熔剂的氮化硼粉末在模具中经冷等静压制成砖形坯料，在1800℃下烧结1-2小时，即可得到氮化硼砖，将氮化硼砖堆砌成杯状，即得到了本发明之复合坩埚的内衬。在复合坩埚的内衬外安装好由石墨制造的承力层，再在承力层外面用保温材料制造一个壳体，即得到了本发明之带保温层的复合坩埚。将此坩埚置于真空感应炉中熔炼钛合金，其平均耗电量为2-3kw/kg。熔炼时复合坩埚的内衬在高温下与钛不发生反应，不与合金粘结。熔池流动性好，熔炼浇注后的合金成分均匀，性能稳定。

应该注意，本文中公开和说明的结构可以用其它效果相同的结构代替，同时本发明所介绍的实施例并非实现本发明的唯一结构。虽然本发明的优先实施例已在本文中予以介绍和说明，但本领域内的技术人员都清楚知道这些实施例不过是举例说明而已，本领域内的技术人员可以做出无数的变化、改进和代替，而不会脱离本发明，因此，应按照本发明所附的权利要求书的精神和范围来的限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1、一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚，其特征在于，所述的复合坩埚至少包含内衬和承力层，内衬是用氮化硼为原料或者用氮化硼加适量的助熔剂为原材料制造的砖砌成的能装盛钛及钛合金液体的杯形结构；承力层是采用高熔点的耐高温材料制造的能承受钛及钛合金液体产生的压力的与内衬形状相匹配的承力结构。

2、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚，其特征在于，所述的氮化硼为原料或者用氮化硼加适量的助熔剂为原材料制造的砖之间能形成凹凸配合的定位结构。

3、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚，其特征在于，所述承力层采用的高熔点的耐高温材料是石墨。

4、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚，其特征在于，所述承力层采用的高熔点的耐高温材料是氧化镁或氧化镁为主要原材料的耐火材料。

5、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚，其特征在于，所述助熔剂至少包含以下二种化合物中的两种，即氧化镁、氧化铝、氧化锆、氧化硼、碳化硼、碳化钛；所述助熔剂的用量为氮化硼重量的0.5～5％(重量百分比)。

6、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚，其特征在于，所述一种钛及钛合金熔炼用的复合坩埚在内衬和承力层之外还有保温材料制造的保温层。

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