RU1777286C

RU1777286C - Method of manufacturing ingots from high-melting chemical active alloys

Info

Publication number: RU1777286C
Authority: RU
Inventors: А.М. Надежин; Е.Л. Бибиков; И.А. Полуэктов; Г.Л. Ходоровский
Original assignee: Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского
Priority date: 1990-11-13
Filing date: 1990-11-13
Publication date: 1995-09-20

Abstract

FIELD: foundry engineering. SUBSTANCE: in this method powder of titanium hydride containing 3,9 mass/per cent of hydrogen (in mass) is used as gasifier. Titanium hydride in quantity of 0,002-0,003 from mass of fed block is charged into a case with perforated tap. Tap is made up of material analogous to ingot material which is deepened into a head space for 1/3-1/4 of its hight. EFFECT: improved manufactruing process. 3 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к литейному производству деталей из тугоплавких химически активных сплавов и может найти применение при создании малоотходного технологического процесса изготовления отливок из названных сплавов и направлено на улучшение условий питания отливок и уменьшение расхода металла. The invention relates to foundry of parts from refractory chemically active alloys and can find application in creating a low-waste technological process for manufacturing castings from these alloys and is aimed at improving the supply conditions of castings and reducing metal consumption.

В настоящее время используются различные способы воздействия повышенного давления на металл при питании отливок. Так, например, некоторые отливки получают методом центробежного литья. Недостатком данного метода является то, что необходимое давление, создаваемое центробежными силами, действует на отливку только до момента затвердевания питателя. После этого давление снижается до значения меньше требуемого, при этом возникают газоусадочные дефекты в отливках. Currently, various methods are used to influence the increased pressure on the metal when feeding the castings. For example, some castings are produced by centrifugal casting. The disadvantage of this method is that the necessary pressure created by centrifugal forces acts on the casting only until the feeder hardens. After that, the pressure decreases to a value less than required, while gas-shrinkage defects occur in the castings.

Другой способ повышения давления в отливке основан на действии газов, выделяющихся в определенное время из помещаемых в прибыль газотворных веществ, таких как CaCO₃, SiO₂.Another way to increase the pressure in the casting is based on the action of gases released at a certain time from gaseous substances placed in profit, such as CaCO ₃ , SiO ₂ .

В результате диссоциации газообразующего вещества, введенного в прибыль, создаются условия, при которых по мере затвердевания отливки давление в прибыли возрастает. Под действием давления газов раковина получается сосредоточенной в верхней части прибыли. As a result of dissociation of the gas-generating substance introduced into profit, conditions are created under which the pressure in the profit increases as the casting hardens. Under the influence of gas pressure, the shell is concentrated in the upper part of the profit.

Для стального литья, в качестве источника газов обычно применяют карбонат кальция. Образование газов происходит в результате диссоциации СaCO₃. Однако происходит последующее окисление элементов, входящих в состав стали.For steel casting, calcium carbonate is usually used as a source of gases. The formation of gases occurs as a result of dissociation of CaCO ₃ . However, subsequent oxidation of the elements that make up the steel occurs.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ изготовления титановых отливок с помощью прибыли газового давления. Давление внутри прибыли отливки создается выделяющимся газом, при разложении под действием тепла отливки беспатронного газообразователя. The closest in technical essence and the achieved results to the proposed invention is a method of manufacturing titanium castings using profit gas pressure. The pressure inside the profit of the casting is created by the evolving gas, when decomposed by the heat of the casting of an unprotected gasifier.

Недостатками способа, принятого за прототип, является то, что в качестве материала газообразователя используются глиноземисто-кремнеземистая керамика (ГКК) и магнийалюминиевый сплав (МАС). Магнийалюминиевые сплавы могут быть использованы в качестве газообразователя при содержании магния 5-30%
Их работа основана на испарении магния при температуре литья титана. Ввиду взрывного характера испарения магния при небольшом отклонении от технологических рекомендаций возможно вытеснение расплава парами не только из прибыли, но и из отливки. В связи с этим применение в качестве газообразователя материала (МАС) возможно только для малых прибылей и тонкостенных отливок с толщиной стенки до 5 мм.The disadvantages of the method adopted for the prototype, is that as the material of the blowing agent used alumina-silica ceramics (GCC) and a magnesium-aluminum alloy (MAS). Magnesium-aluminum alloys can be used as a blowing agent with a magnesium content of 5-30%
Their work is based on the evaporation of magnesium at a casting temperature of titanium. Due to the explosive nature of the evaporation of magnesium with a slight deviation from technological recommendations, it is possible to displace the melt in pairs not only from profit, but also from the casting. In this regard, the use of a material as a gas-forming agent (MAC) is possible only for small profits and thin-walled castings with wall thicknesses up to 5 mm.

(ГКК) взаимодействует с основными компонентами титановых сплавов (титаном и алюминием). (GKK) interacts with the main components of titanium alloys (titanium and aluminum).

С учетом высокой химической активности титана в жидком состоянии применение глиноземисто-кремнеземистой керамики приводит к загрязнению металла прибыли в результате выделения вторичных фаз TiO₂, Ti₅Si₃. Таким образом, ГКК приводит к созданию некондиционных отходов металла.Given the high chemical activity of titanium in the liquid state, the use of aluminous-siliceous ceramics leads to contamination of the profit metal as a result of the separation of the secondary phases of TiO ₂ , Ti ₅ Si ₃ . Thus, the HCC leads to the creation of substandard metal waste.

Недостатком известного решения, принятого за прототип, наряду с указанными выше является и то, что беспатронные газообразователи не создают направленного газового давления. В свою очередь это снижает эффективность работы газового заряда, так как возможен прорыв корочки затвердевшего металла выделяющимися газами и выход газов из раковины в полость формы. A disadvantage of the known solution adopted for the prototype, along with the above is the fact that the cartridgeless gas generators do not create directional gas pressure. In turn, this reduces the efficiency of the gas charge, since it is possible to break through the crust of the hardened metal by the gases released and the gases to escape from the shell into the mold cavity.

Целью изобретения является повышение качества отливок, уменьшение их загрязнения вредными примесями, повышение выхода годного за счет обеспечения направленного газового давления на расплав. The aim of the invention is to improve the quality of castings, reduce their pollution by harmful impurities, increase yield by providing directional gas pressure on the melt.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления отливок из тугоплавких и химически активных сплавов, в качестве газообразователя используют гидрид титана в количестве 0,002-0,003 от массы питаемого узла отливки и в прибыльную полость его вводят в патроне с перфорированной пробкой из материала, аналогичного заливаемому, причем торец перфорированной пробки патрона располагают в прибыльной полости на 1/3-1/4 от ее высоты. This goal is achieved by the fact that in the method of manufacturing castings from refractory and chemically active alloys, titanium hydride in the amount of 0.002-0.003 by weight of the feed assembly of the casting is used as a blowing agent and it is introduced into the profitable cavity in a cartridge with a perforated stopper from a material similar to the cast, moreover, the end face of the perforated tube of the cartridge is located in the profitable cavity at 1 / 3-1 / 4 of its height.

Поскольку патрон легко наводороживается до концентрации 0,3-0,5 мас. возможно его многократное применение, так как известно, что наводороженный металл не приваривается к основному металлу отливки. Since the cartridge is easily hydrogenated to a concentration of 0.3-0.5 wt. its multiple use is possible, since it is known that hydrogenated metal is not welded to the base metal of the casting.

Конструкция трубчатого патрона отличается простотой и большой технологичностью, его простановка не вызывает каких либо трудностей независимо от конфигурации отливки. После охлаждения и выбивки отливки патрон легко вынимается из тела отливки без нарушения целостности и может быть использован повторно после его донасыщения водородом до заданного предела. Применение в качестве газообразователя порошка гидрида титана не приводит к загрязнению металла прибыли и, как следствие, не происходят безвозвратные потери дефицитного материала, так как возможно повторное вовлечение металла в переплав. Это становится возможным благодаря тому, что в прибыли газового давления используют водород, который можно удалить из металла при его переплаве. The design of the tubular cartridge is simple and highly adaptable; its installation does not cause any difficulties regardless of the configuration of the casting. After cooling and knocking out the casting, the cartridge is easily removed from the body of the casting without violating the integrity and can be reused after it is saturated with hydrogen to a predetermined limit. The use of titanium hydride powder as a blowing agent does not lead to metal contamination of profit and, as a result, irreversible losses of scarce material do not occur, since it is possible to re-engage the metal in remelting. This is possible due to the fact that in the profit of gas pressure, hydrogen is used, which can be removed from the metal during its remelting.

Водород активно взаимодействует с титаном при температуре более 500^оС. Однако с увеличением температуры до температуры плавления растворимость его в металле резко падает.Hydrogen actively interacts with titanium at temperatures above 500 ^C. However, with increasing temperature up to the melting temperature of its solubility in the metal decreases sharply.

Следовательно, благодаря ограниченной глубине диффузии водорода в жидком металле прибыли водород не проникает в тело отливки. Therefore, due to the limited depth of hydrogen diffusion in the liquid metal, hydrogen does not penetrate the casting body.

Выделение водорода из порошка гидрида титана происходит при температурах превышающих 400^оС. С увеличением температуры дегидрирования до 900^оС скорость и степень разложения гидрида титана значительно возрастают. При температурах выше 900^оС происходит интенсивное спекание порошка. В патроне, установленном в форме, при заливке металлом гидрид титана прогревается до температуры свыше 1000^оС. После извлечения титанового патрона из отливки спеченный порошок легко удаляется из него.Removing hydrogen from the titanium hydride powder, it takes place at temperatures exceeding 400 ° ^C. With increasing dehydrogenation temperature to ^about 900 C the rate and extent of decomposition titanium hydride are significantly increased. At temperatures above 900 ^C sintering of the powder is intensively. The chuck defined in a form when pouring metal hydride titanium warmed to a temperature above 1000 ° ^C. After removing the cartridge from the titanium powder sintered casting can be easily removed therefrom.

Исследования показали, что при исходном содержании водорода в гидриде титана 3,9 мас. остаточное содержание водорода в газообразователе после его разложения при работе прибыли составило 0,43 мас. Соответственно 3,47% водорода выделилось из гидрида титана при работе газового патрона внутри отливки. Studies have shown that with an initial hydrogen content of titanium hydride of 3.9 wt. the residual hydrogen content in the blowing agent after its decomposition during profit operation was 0.43 wt. Accordingly, 3.47% of hydrogen was released from titanium hydride during operation of the gas cartridge inside the casting.

В результате направленного газового давления, создаваемого водородом, внутри прибыли образуется концентрированная усадочная раковина эллипсовидной формы, направленная в сторону отливки. As a result of the directed gas pressure created by hydrogen, a concentrated elliptical shrinkage shell is formed inside the profit, directed towards the casting.

При увеличении давления расплав впрессовывается в междендритные пространства, в результате чего отливка и часть прибыли не имеют усадочной пористости. Это подтверждается рентгеновским анализом. Так как в усадочной раковине создано давление, ее поверхность становится гладкой, что является характерной особенностью усадочных раковин, возникающих при повышенном давлении. Подвижность жидкого металла от давления водорода повышается и он легко продавливается в зону затвердевания. Исследования микротвердости металла поверхности раковины показали, что глубина наводороженного слоя составила 0,3 мм. Это подтверждает предварительно сделанные расчеты. With increasing pressure, the melt is pressed into the interdendritic spaces, as a result of which the casting and part of the profit do not have shrinkage porosity. This is confirmed by x-ray analysis. Since the pressure is created in the shrink shell, its surface becomes smooth, which is a characteristic feature of shrink shells that occur under high pressure. The mobility of the liquid metal from the pressure of hydrogen increases and it is easily pressed into the solidification zone. Studies of the microhardness of the metal on the surface of the shell showed that the depth of the hydrogenated layer was 0.3 mm. This confirms the preliminary calculations.

По имеющимся у авторов сведениям существенные признаки, указанные в отличительной части формулы изобретения, не обнаружены в других отраслях промышленности, что позволяет считать предлагаемое техническое решение соответствующим критерию "Существенные отличия". According to the information available to the authors, the essential features indicated in the characterizing part of the claims are not found in other industries, which allows us to consider the proposed technical solution as meeting the criterion of "Significant differences".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема простановки газотворного патрона в литейной форме. The invention is illustrated by the drawing, which shows a diagram of the layout of the gas-generating cartridge in a mold.

Патрон 7 изготавливается из титановой трубки путем обжатия свободного конца. Затем патрон подвергается наводороживанию до содержания водорода порядка 0,3-0,5% по массе. С рабочей стороны засыпается порошок гидрида титана 1 и устанавливается перфорированная титановая пробка 8. The cartridge 7 is made of a titanium tube by crimping the free end. Then the cartridge is hydrogenated to a hydrogen content of the order of 0.3-0.5% by weight. On the working side, titanium hydride powder 1 is poured and a perforated titanium plug 8 is installed.

Для простановки газотворного патрона в литейной форме 6 выполняют паз при формовке. Патрон устанавливают в форму таким образом, чтобы заглубление составляло 1/3-1/4 от высоты прибыли 2, питающей отливку 4. For the installation of the gas-generating cartridge in the mold 6, a groove is made during molding. The cartridge is installed in the form so that the recess is 1 / 3-1 / 4 of the height of the profit 2, feeding the casting 4.

Исследования эффективности способа получения плотных отливок трубчатой формы из сплава Вт 20Л, проведенные в промышленных условиях в цехе титанового литья БЛМЗ, с использованием прибыли газового давления на основе газотворного патрона (сплав Вт 5Л) диаметром 8 мм и с содержанием водорода до 0,6 мас. заполненного порошком гидрида титана в количестве 1,0 г с содержанием водорода 3,9 мас. и с установленной перфорированной пробкой позволили определить оптимальные параметры простановки газотворного патрона и выявить преимущества разработанного способа. Результаты представлены в таблицах. Studies of the effectiveness of the method for producing dense tubular castings from W 20L alloy, carried out under industrial conditions in the BLMZ titanium casting shop, using gas pressure profit based on a gas-generating cartridge (W 5L alloy) with a diameter of 8 mm and with a hydrogen content of up to 0.6 wt. filled with a powder of titanium hydride in an amount of 1.0 g with a hydrogen content of 3.9 wt. and with the perforated plug installed, it was possible to determine the optimal parameters for the placement of the gas cartridge and to identify the advantages of the developed method. The results are presented in tables.

Таким образом, заглубление патрона на 1/5 от высоты прибыли приводит к тому, что корка твердого металла закрывает перфорированную пробку патрона и перекрывает выходные отверстия для газа. Thus, deepening the cartridge 1/5 of the profit height leads to the fact that the crust of solid metal closes the perforated tube of the cartridge and blocks the gas outlet.

Несмотря на то, что плотность металла у прототипа получена такой же как у заявляемого способа, использование принятого за прототип способа является нежелательным, поскольку применение данного газообразователя приводит к загрязнению металла прибыли окислами, а следовательно, к образованию некондиционных отходов дорогостоящего металла. Despite the fact that the metal density of the prototype was obtained the same as that of the proposed method, the use of the method adopted as a prototype is undesirable, since the use of this blowing agent leads to pollution of the metal with oxides and, consequently, to the formation of substandard waste of expensive metal.

По сравнению с прототипом в отливке, полученной заявляемым способом, не наблюдается газоусадочной пористости и снижается содержание кислорода в металле в три раза. Compared with the prototype in the casting obtained by the claimed method, there is no gas shrinkage porosity and the oxygen content in the metal is reduced by three times.

Ниже приведен пример влияния граничного значения концентрации водорода в патроне на качество отливки. The following is an example of the effect of the boundary value of the hydrogen concentration in the cartridge on the quality of the casting.

В случае, когда содержание водорода в патроне выше 0,5 мас. отливка получается неплотная вследствие того, что выделяемый водород при разложении гидрида титана уходит через зазор между патроном и телом прибыли. In the case when the hydrogen content in the cartridge is higher than 0.5 wt. the casting is loose due to the fact that the hydrogen released during the decomposition of titanium hydride leaves through the gap between the cartridge and the body of profit.

Зазор образуется в результате усадки патрона после выделения из него водорода. The gap is formed as a result of shrinkage of the cartridge after the release of hydrogen from it.

В случае, когда содержание водорода в патроне ниже 0,3 мас. происходит частичное приваривание патрона к металлу прибыли. Извлечение патрона в этом случае затруднено. In the case when the hydrogen content in the cartridge is below 0.3 wt. there is a partial welding of the cartridge to the metal profit. Removing the cartridge in this case is difficult.

Таким образом, по сравнению с лучшим результатом прототипа разработанный способ изготовления плотных отливок из тугоплавких химически активных сплавов позволяет экономить 100% металла прибыли. Металл в прибыли газового давления прототипа обычно считается некондиционным и не используется в повторном переплаве. Предлагаемый способ позволяет экономить до 20% металла от заливаемой формы. На 1 т годного литья (при литье выход годного составляет в среднем 0,25 в условиях титанового производства) экономия металла составит около 800 кг (4 т заливаемого в формы металла). Thus, in comparison with the best result of the prototype, the developed method for the manufacture of dense castings from refractory chemically active alloys allows you to save 100% of the profit metal. The metal in the gas pressure gain of the prototype is usually considered substandard and is not used in re-remelting. The proposed method allows you to save up to 20% of the metal from the filled form. For 1 ton of suitable casting (during casting, the average yield is 0.25 under conditions of titanium production), the metal savings will be about 800 kg (4 tons of metal cast into molds).

Внедрение данного способа изготовления плотных отливок из тугоплавких химически активных сплавов позволяет повысить экономическую эффективность производства указанных сплавов. The introduction of this method of manufacturing dense castings from refractory chemically active alloys allows to increase the economic efficiency of production of these alloys.

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING CASTINGS FROM REHEATED CHEMICALLY ACTIVE ALLOYS, including placement of a gasifier in a profitable mold cavity, pouring the mold with melt and subsequent crystallization and cooling, characterized in that, in order to improve the quality of castings, reduce their pollution by harmful impurities, increase yield by providing directed gas pressure to the melt, titanium hydride in the amount of 0.002 0.003 of the mass of the feed unit of the casting and in profitable its cavity is introduced in a cartridge with a perforated stopper made of a material similar to the filled one, and the end face of the perforated cartridge stopper is located in the profitable cavity 1/3 1/4 of its height.

2. The method according to claim 1, characterized in that, in order to reuse the cartridge and increase the efficiency of the process, the cartridge with a perforated plug is used pre-hydrogenated to a hydrogen concentration of 0.3 to 0.5 wt.