DE2016889A1

DE2016889A1 - Titanium casting process

Info

Publication number: DE2016889A1
Application number: DE19702016889
Authority: DE
Inventors: Clyde Clayton Euclid Ohio Clark (V.StA.). P
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1970-04-09
Filing date: 1970-04-09
Publication date: 1972-04-27

Abstract

Method of casting a Ti alloy comprises suspending a slug of the alloy in spaced relation to the walls of a refractory crucible inductivity heating it to just below its m.pt until a uniform temp. is obtaiend, heating to above the m.pt to produce a molten pool on a Ti disc placed over an aperture in the bottom of the crucible, the disc having the same composition as the slug, superheating the alloy and melting the disc so that the alloy runs out of the crucible. Contact time of the molten alloy with the crucible is kept to a minimum.

Description

Verfahren zum Gießen von Titanlumlegierungen und Vorrichtung zum Schmelzen von itaniumlegierungen.Process for casting titanium-luminescent alloys and apparatus for melting of itanium alloys.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Titaniumlegierungen und auch auf eine Vorrichtung zum Schmelzen von Titaniumlegierungen.The invention relates to a method and an apparatus for casting titanium alloys and also on a device for melting Titanium alloys.

Ganz allgemein bezieht sich die Erfindung auf das Schmelzen einer Titaniumlegierung (701o Titanium und mehr) und umfaßt auch das kommerziell erhältliche reine Titanium (99,8% i).In general, the invention relates to melting a Titanium alloy (701o titanium and above) and also includes the commercially available one pure titanium (99.8% i).

die Erfindung umfaßt die folgenden Stufen, ein Rohmetallstück aus einer Titaniumlegierung wird auf eine Temperatur in der Nähe der Schmelztemperatur gebraeht, wahrend dieses Rohmetallstück außer Kontakt mit den Wandungen des Schmelztiegels aufgehängt ist und dann wird eine zusätzliche Wärme dem Rohmetallstück zugeführt, um dieses zu schmelzen. Das geschmolzene Metall wird dann überhitzt, während es auf einer Scheibe aus einer Titanium-egierung angeordnet ist, welche vorzugsweise die gleiche chemische Zusammensetzung hat, wie das Material des Metallrohlings. Eine fortgesetzte Zuführung von Wärme bewirkt, daß das geschmolzene Metall durch die Titaniumlegierungsscheibe hindurch geschmolzen wird und daß das geschmolzene Titanium dann in eine Form eingegossen werden kann.the invention comprises the following steps, a piece of raw metal a titanium alloy is heated to a temperature close to the melting temperature brewed while this piece of raw metal is out of contact with the walls of the crucible is suspended and then additional heat is added to the raw metal piece, to melt this. The molten metal is then overheated while it is is arranged on a disc made of a titanium alloy, which is preferably has the same chemical composition as the material of the metal blank. A continued application of heat causes the molten metal to pass through the titanium alloy disc is melted through and that the melted Titanium can then be poured into a mold.

Ditaniumlegierun, Titaniumlegierung, die zu der Herstellung von Gußstücken verwendet wird, wird üblicherweise mittels eines Schlacken-oder Rückstandsschmelzverfahrens in wassergekühlten Lichtbogenschmelztiegeln geschmolzen. Die Temperatursteuerung eines derartigen Schmelzverfahrens ist schwierig, weil das geschmolzene Titanium sehr schnell durch den wassergekühlten Schmelztiegel abgekühlt wird, wenn die Spannung des Lichtbogens abeschaltet wird. Eine sich ergebende Veränderung der Gießtemperatur kann zahlreiche Gußfehler zur Folge haben. Wenn die Temperatur zu hoch ist, treten Dimensionsprobleme und metallurgische Probleme auf. Wenn die Gießtemperatur zu gering ist, können die Gußstücke mißlingen und es können metallurgische Fehler auftreten. Ditanium alloy, Titanium alloy used in the manufacture Used by castings is usually by means of a slag or residue melting process melted in water-cooled arc crucibles. The temperature control such a melting process is difficult because the molten titanium is cooled very quickly by the water-cooled crucible when the voltage is applied of the arc is switched off. A resulting change in the casting temperature can result in numerous casting defects. If the temperature is too high, kick Dimensional problems and metallurgical problems. When the casting temperature is too low the castings can fail and metallurgical defects can occur.

Eines der schwierigsten Probleme beim Schmelzen und Gießen von Titanium ist das Abschalten einer Verschmutzung. Titanium hat eine starke Affinität zu Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff. Übermäßig aufgenommene Was serstoffmengen werden aus den Titanlegierungen durch teure Verarbeitungen wie beispielsweise Vakuumtempern, entfernt Gemäß den üblichen Spezifikationen soll der Wasserstoffgehalt des Titanium auf etwa 125 bis 200 Teile per Million beschränkt werden. Oberhalb dieser Grenzen macht der Wasserstoff die meisten Titanlegierungen spur'be und vermindert deren Stoßfestigkeit und deren Kerbzugfestigkeit und führt zu Brüchen unter fortgesetzten Belastungen bei niedrigen Spannungen.One of the toughest problems with melting and casting titanium is the switching off of a pollution. Titanium has a strong affinity for hydrogen, Nitrogen, oxygen and carbon. Excessive amounts of hydrogen absorbed are made from titanium alloys through expensive processing such as vacuum annealing, removed According to the usual specifications, the hydrogen content of the titanium be limited to around 125 to 200 parts per million. Above these limits the hydrogen makes a trace of most titanium alloys and reduces them Impact resistance and their notched tensile strength and leads to fractures under continued Loads at low voltages.

Andere Verschmutzungen bewirken, daß die Titaniumlegierungen spöde werden. Diese Sprödigkeit wird üblicherweise durch die Bildung einer brüchigen Oberflächenschicht festgestellt, die durch Beizen, Schleifen oder andere Bearbeitungen entfernt werden muß.Other contaminants cause the titanium alloys to become brittle will. This brittleness is usually caused by the formation of a brittle surface layer that are removed by pickling, grinding or other processing got to.

Die Nachteile der üblichen Schlackenschmelzverfahren, wie sie gegenwärtig bei dem Gießen von Titanium durchgeführt werden, sind in einem Artikel "A Look at Worldwide Titanium Titanium Technologyn, der in der Zeitschrift Metall Progress", September 1968, Seiten 60 bis-71 abgedruckt ist.The disadvantages of conventional slag melting processes as they are at present When casting titanium are done in an article "A Look at Worldwide Titanium Titanium Technologyn in the magazine Metall Progress ", September 1968, pages 60 to 71.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen von Ditaniumlegierungen, wobei ein Metallrohling der Titaniumlegierung, der geschmolzen werden soll, zuerst in einem feuerfesten Schmelztiegel aufgehängt wird, so daß er sich außer Kontakt mit den Wandungen des Schmelztiegels befindet.The present invention relates to a method and to one Device for melting and casting of Ditanium alloys, whereby a metal blank the titanium alloy to be melted first in a refractory Crucible is suspended so that it is out of contact with the walls of the Crucible is located.

Der Schmelztiegel ist vorzugsweise aus einem dichten Graphit hergestellt und weist eine Öffnung in der Basis auf.The crucible is preferably made from a dense graphite and has an opening in the base.

Diese Öffnung ist mittels einer Scheibe aus einer Titanlegierung abgedeckt, die die gleiche chemische Zusammensetzung hat, wie der Metallrohling, der geschmolzen werden soll, und in jedem Fall ist diese Scheibe frei von Verschnutzungselementen, die die physikalischen Eigenschaften der Titaniumschmelze beeinträchtigen würden. Der Metallrohling aus der Titaniumlegierung wird induktiv erhitzt, während er so aufgehängt ist und zwar auf eine Temperatur, die kurz unterhalb des Schmelzpunktes des Metallrohlings liegt. Wenn sich der gesamte Metallrohling im wesentlichen auf dieser Temperatur befindet, wird eine zusätzliche Wärmemenge durch die Induktionserhitzung zugeführt, um die Temperatur des Metallrohlings über die Schmelztemperatur zu erhöhen, wonach eine geschmolzene Masse einer Titaniumlegierung auf der Titaniumlegierungsscheibe ausgebildet wird. Die geschmolzene Legierung wird dann überhitzt und innerhalb einer kurzen Zeitperiode schmilzt diese überhitzte Legierung durch die Scheibe aus Titaniumlegierung hindurch und läuft aus dem Schmelztiegel durch diese Öffnung aus. Die Kontaktzeit der geschmolzenen Titaniumlegierung mit dem feuerfesten Schmelztiegel wird auf diese Weise auf ein Minimum gehalten.This opening is covered by a disc made of a titanium alloy, which has the same chemical composition as the metal blank that melted should be, and in any case this pane is free of pollution elements, which would affect the physical properties of the titanium melt. The titanium alloy metal blank is inductively heated while doing so is suspended at a temperature just below the melting point of the metal blank. When the entire metal blank is essentially up is at this temperature, an additional amount of heat is generated by the induction heating supplied to raise the temperature of the metal blank above the melting temperature, thereafter a molten mass of titanium alloy on the titanium alloy disc is trained. The molten alloy is then overheated and within a This overheated alloy melts through the titanium alloy disc for a short period of time and runs out of the crucible through this opening. The contact time The molten titanium alloy with the refractory crucible is placed on this Way kept to a minimum.

Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erlautert werden. Es zeigen: Fig. 1 Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Schtelz- und Gießvorrichtung, die erfindungsgemäß verwendet werden kann, wobei die Art und Weite gezeigt ist, in der der Metallrohling aus der Titaniumlegierung im Schmelztiegel vor dem Schmelzen aufgehängt ist, Fig. 2 eine Teilansicht des Schmelztiegels; wobei das Innere des Schmelztiegels gezeigt ist, nachdem der Metallrohling geschmolzen ist und Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, wobei der Zustand dargestellt ist, nachdem die geschmolzene Titanium legierung die Scheibe aus Titaniumlegierung durchgeschmolzen hat.The invention should be made with reference to the figures of the drawing to be explained. They show: FIG. 1 Fig. 1 is a schematic view a shaking and pouring device which can be used according to the invention, wherein the manner and width in which the titanium alloy metal blank is shown is suspended in the crucible prior to melting, Figure 2 is a partial view of the crucible; showing the interior of the crucible after the metal blank is melted and FIG. 3 is a view similar to FIG. 2, showing the state After the molten titanium alloy, the titanium alloy disc is melted through Has.

Die Erfindung ist beim Schmelzen und Gießen von Titanium legierungen ganz allgemein anwendbar, wenn Verschmutzungen ein Problem bilden. Die Erfindung ist beim Schmelzen von handelsüblich reinem Titanium (99,2 Ti) anwendbar sowie beim Schmelzen von Alpha-Titaniumlegierungen (Ti-5Al-2.5Sn) sowie beim Schmelzen von Alpha-Beta-Titaniumlegierungen ( 2Fe-2Cr-2Mo)(Ti-8Mn)(Ti-4AI-Mn)(Ti-4Al-5Mo-1Y)(Ti-6Al-1.5Fe-1.4Cr-1.2Mo) (Ti-6Al-4V)(Ti-7Al-4Mo) und auch beim Schmelzen von Titaniumlegierungen (Ti-3AI-1 3V-1 1Cr).The invention is in the melting and casting of titanium alloys generally applicable when pollution is a problem. The invention can be used when melting commercially pure titanium (99.2 Ti) as well as when Melting of alpha-titanium alloys (Ti-5Al-2.5Sn) as well as during the melting of Alpha-Beta-Titanium Alloys (2Fe-2Cr-2Mo) (Ti-8Mn) (Ti-4AI-Mn) (Ti-4Al-5Mo-1Y) (Ti-6Al-1.5Fe-1.4Cr-1.2Mo) (Ti-6Al-4V) (Ti-7Al-4Mo) and also when melting titanium alloys (Ti-3AI-1 3V-1 1Cr).

Es sei nunmehr auf die Figuren der Zeichnung bezug genommen.Reference is now made to the figures of the drawing.

In Fig. 1 ist mit 10 ganz allgemein eine Schmelz- und Gießvorrichtung dargestellt, die für die erfindungsgemäßen Zwecke verwendet werden kann. Die Vorrichtung 10 weist einen Graphit-Schmelztiegel 11 auf, der einen Halsabschnitt 12 hat, der eine Auslaßöffnung 13 bildet. Der Schmelztiegel 11 ist auf einer keramischen Tragplatte 14 aufgesetzt, die eine Öffnung 15 hat, die den Halsabschnitt 12 des Tiegels aufnimmt. Ein zylindrischer keramischer Wärmeschild 16 ist um den Graphitschmelztiegel 11 herum koaxial angeordnet.In Fig. 1, 10 is very generally a melting and casting device shown, which can be used for the purposes of the invention. The device 10 has a graphite crucible 11, which has a neck portion 12, the an outlet opening 13 forms. The crucible 11 is on a ceramic support plate 14 placed which has an opening 15 which receives the neck portion 12 of the crucible. A cylindrical ceramic heat shield 16 is around the graphite crucible 11 arranged around coaxially.

Den Wärmeschild 16 umgibt eine Hochfrequenzinduktionsspule 17, die mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbund von bunden ist. Die Spule 17 stützt sich aufBlUcken 18 ab, die auf der Platte 14 stehen.The heat shield 16 is surrounded by a high frequency induction coil 17, the connected to a voltage source, not shown, of bound is. The coil 17 is supported on blocks 18 which stand on the plate 14.

über der Auslaßöffnung 13 liegt eine Scheibe 19, die aus einer Titaniumlegierung besteht. Die Scheibe 19 weist einen mittleren Abschnitt 20 mit verminderter Dicke auf.Above the outlet opening 13 is a disk 19 made of a titanium alloy consists. The disc 19 has a central portion 20 of reduced thickness on.

Ein Metallrohling 21 aus einer Titaniumlegierung, der geschmolzen werden soll, wird im Abstand von den Wandungen des Schmelztiegels 11 sowie im Abstand von der Scheibe 19 mittels einer Tragstange 22 aufgehängt, die am Metallrohling 21 beispielsweise mittels einer Gewindererbindung befestigt ist. Ein Thermoelement 29 ist in der Mitte des Metallrohlings 21 angeordnet, um eine Feststellung der Temperatur an diesem Teil des Metallrohlings zu ermöglichen.A metal blank 21 made of a titanium alloy that is melted is to be at a distance from the walls of the crucible 11 and at a distance suspended from the disc 19 by means of a support rod 22 attached to the metal blank 21 is attached, for example, by means of a threaded connection. A thermocouple 29 is arranged in the middle of the metal blank 21 in order to determine the temperature to allow at this part of the metal blank.

Wenn der Metallrohling 21 derart aufgehängt ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird eine ausreichende Xcistung der Spule 17 zugeführt, um den gesamten aufgehängten Metallrohling auf eine Temperatur zu erhitzen, die kurz unterhalb der Temperatur-des Schmelzpunktes liegt. Die Schmelzpunkte von handelsüblichen Titaniumlegierungen liegen im Bereich von etwa 15380 bis etwa 17000 für handelsüblich reines Titanium. Durch die Induktionserhitzung tritt die Erwärmung an der äußeren Oberfläche in der Nähe der Induktionsspule 17 auf und schreitet nach innen fort und zwar hauptsächlich durch Wärmeleitung. Das Fortschreiten der Erwärmung wird durch das Thermoelement 43 festgestellt. Wenn der Rohling gleichförmig erhitzt ist und zwar auf eine Temperatur, die um etwa 38OC vom Schmelzpunkt verschieden ist, wird volle Leistung der Spule 17 zugeführt und das Schmelzen erfolgt in einer sehr kurzen Zeit. Das geschmolzene Metall 24 wird, wie es in Fig-. 2 dargestellt ist, augenblicklich durch die Scheibe 19 aus der Titaniumlegierung gesammelt. Dadurch ist es möglich, das die Schmelze die gewünschte übererhitzung im Bereich von von etwa 38 0C bis zu etwa 2000C huber dem Schmelzpunkt erreicht. Die Ubererhitzung kann durch die Dicke des reduzierten Abschnittes 20 der Scheibe und deren An- -ordnung gegenüber der Spule 17 kontrolliert oder eingestellt werden. Das Schmelzbad 24 schmilzt sehr schnell die Scheibe 19 durch, wie es in Fig. 3 dargestellt ist und die Schmelze gelangt durch die Öffnung 13 in den Einguß 25 einer Form, um Gußstücke herzustellen.When the metal blank 21 is suspended as shown in FIG is shown, sufficient Xcistung is supplied to the coil 17 to achieve the heat the entire suspended metal blank to a temperature just below the temperature of the melting point is. The melting points of commercially available titanium alloys range from about 15380 to about 17000 for commercially pure titanium. By induction heating, the heating occurs on the outer surface in the Proximity to the induction coil 17 and progresses inward, mainly by conduction. The progression of heating is controlled by the thermocouple 43 found. When the blank is uniformly heated to a temperature which differs from the melting point by about 38OC, the coil becomes full power 17 and the melting takes place in a very short time. The melted one Metal 24, as shown in Figs. 2 is shown instantaneously through the disc 19 collected from the titanium alloy. This makes it possible for the melt the desired overheating in the range of from about 38 0C up to reached about 2000C above the melting point. Overheating can be due to the thickness of the reduced section 20 of the disc and its arrangement relative to the Coil 17 can be controlled or adjusted. The melt pool 24 melts very quickly the disk 19 through, as shown in Fig. 3 and the melt passes through the opening 13 into the sprue 25 of a mold for making castings.

Es sei bemerkt, daß das Schmelzen und Gießen unter Bedingungen erfolgt, die keine Verschmutzungen verursachen wie beispielsweise unter Vakuumbedingungen oder in der Anwesenheit eines inerten Gases, wie beispielsweise Argon. Da derartige Schmelz- und Gießbedingungen 1Tür Titaniumlegierungen üblich sind, sind die Öfen im einzelnen nicht dargestellt.It should be noted that the melting and casting takes place under conditions which do not cause any contamination, such as under vacuum conditions or in the presence of an inert gas such as argon. Since such Melting and casting conditions are common for titanium alloys are the furnaces not shown in detail.

Es wurde gefunden, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei denen der Metallrohling ohne Kontakt mit dem Schmelztiegel vorerhitzt wird, ein kürzerer Schmelzzyklus erzielt wird und daß beträchtlich weniger Verschmutzungen durch Kohlenstoff auftreten.It has been found that by the inventive method and Device according to the invention, in which the metal blank has no contact with the crucible is preheated, a shorter melt cycle is achieved and that considerably less Carbon pollution occurs.

Patentansprüche Claims

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Method for casting a titanium alloy, characterized ,, that a metal blank of this alloy at a distance from the Walls of a heat-resistant crucible is suspended so that this metal blank, while it is so hung it is heated to a temperature at least The melting point of this metal blank corresponds to that of the molten alloy a disc made of a titanium alloy is collected that the supply of Heat is carried to the molten metal, while: this metal itself on this disc until the molten metal passes through this disc melts and that the molten metal is put into a mold.

2. The method according to claim 4, characterized in that the suspended Metal blank is heated to a temperature which is slightly below the melting temperature of this Metal blank lies until a substantially uniform temperature in this Metal blank is reached and that the amount of heat supplied is increased, to raise the temperature of this blank above the melting point.

3. The method according to claim 1, characterized in that the crucible consists of grapite.

4. The method according to claim 1, characterized in that the disc consists of the same alloy as the metal blank.

5. Process for melting titanium alloy, in particular for Implementation of the method according to one of Claims 1 to 4, characterized by a heat-resistant crucible, an induction heating coil, so arranged is to heat the inside of this crucible, a holder to a metal blank from a a titanium alloy in; Distance from the wall runs of the crucible, this crucible having an opening in the base and by a titanium alloy disc covering this opening.

6. Apparatus according to claim 5, characterized by a temperature sensor, which is arranged in such a way to determine the temperature in the center of the metal blank, while this metal ring is suspended in the crucible.

7. Apparatus according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c n e t that a heat shield made of a ceramic material between the crucible uli of the induction coil is arranged.

8. Apparatus according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c This means that the disc consists of the same titanium alloy as the metal blank.

9. Apparatus according to claim 5, d'j0qrch characterized in that the heat-resistant Crucible is made of graphite.