RU2302475C2

RU2302475C2 - Method of production of ingots on base of refractory metals by vacuum autocrucible arc melting

Info

Publication number: RU2302475C2
Application number: RU2005127302/02A
Authority: RU
Inventors: Михаил Георгиевич Штуца (RU); Михаил Георгиевич Штуца; Александр Иванович Грабко (RU); Александр Иванович Грабко; Владимир Владимирович Кропоткин (RU); Владимир Владимирович Кропоткин; Евгений Владимирович Ильенко (RU); Евгений Владимирович Ильенко; Сергей Юрьевич Кулешов (RU); Сергей Юрьевич Кулешов; Михаил Михайлович Веселков (RU); Михаил Михайлович Веселков; Александр Константинович Шиков (RU); Александр Константинович Шиков; Валерий Андреевич Дробышев (RU); Валерий Андреевич Дробышев; Владимир Сергеевич Зурабов (RU); Владимир Сергеевич Зурабов; Анатолий Васильевич Изотов (RU); Анатолий Васильевич Изотов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" (ОАО ЧМЗ)
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-07-10
Also published as: RU2005127302A

Abstract

FIELD: special-purpose electrical metallurgy; production of high-quality ingots from high-temperature alloys on base on titanium alloyed by low-melting elements, for example aluminum, tin and silicon.

SUBSTANCE: burden of low-melting alloying elements is charged into water-cooled copper crucible with skull made from the same alloy in its bottom part; consumable electrode made from parent metal or from alloy is molten into crucible and is poured into ingot mold. Low-melting alloying element charge is loaded on larger base of riser of casting of previous melt made in form of truncated cone whose lesser base is mounted on skull of crucible bottom part; diameter of larger base of riser is preset depending on limits of ratio 0.8≤(d_r/t_cr-4)≤0.9, where d_r is diameter of riser larger base of casting of previous melt, cm; d_cr is diameter of crucible bottom, cm. Ingots produced by this method may be used for plastic metalworking of metals and alloys.

EFFECT: stable high quality of ingots due to chemical homogeneity; low labor input.

2 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для получения высококачественных слитков из жаропрочных сплавов на основе титана, легированных в том числе легкоплавкими элементами (Al, Sn, Si и т.п.).The invention relates to the field of special electrometallurgy and can be used to produce high-quality ingots from heat-resistant alloys based on titanium, alloyed including low-melting elements (Al, Sn, Si, etc.).

Известен способ вакуумной дуговой гарнисажной плавки (ВДГП) сплавов [А.А.Неуструев, Г.А.Ходоровский. Вакуумные гарнисажные печи. М.: Металлургия, 1967 г., с.38], при котором расходуемый электрод формируют с помощью компактирования и сварки, а легирующие элементы вводят в расходуемый электрод в виде лигатурных сплавов, предварительно подвергнутых размолу и просеиванию.A known method of vacuum arc skull molding (VDGP) alloys [A.A. Neustruev, G.A. Khodorovsky. Vacuum skull ovens. M .: Metallurgy, 1967, p.38], in which a consumable electrode is formed by compacting and welding, and alloying elements are introduced into the consumable electrode in the form of ligature alloys, previously subjected to grinding and sieving.

К недостаткам можно отнести значительные трудозатраты, связанные с необходимостью специальной подготовки легкоплавких шихтовых материалов, особенно в виде кусков неправильной формы, и введением их в состав расходуемого электрода.The disadvantages include significant labor costs associated with the need for special preparation of fusible charge materials, especially in the form of pieces of irregular shape, and their introduction into the consumable electrode.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения слитков из сплавов на основе ванадия с титаном и хромом вакуумной дуговой гарнисажной плавкой по патенту Российской Федерации №2167949 (опубл. 27.05.2001), который включает присоединение расходуемого электрода к механизму перемещения электрода, загрузку шихты, состоящей из титана и хрома, в медный водоохлаждаемый тигель, сплавление расходуемого электрода в тигель с последующей разливкой в изложницу. Причем в качестве расходуемого электрода используют слиток ванадия, а шихту загружают на дно находящегося в тигле гарнисажа из соответствующего сплава, зажигают дугу и проводят расплавление шихты в течение заданного промежутка времени, после чего поднимают удельную мощность дуги до рабочего значения и сплавляют расходуемый электрод в тигель.Closest to the proposed is a method for producing ingots from vanadium-based alloys with titanium and chromium by vacuum arc skull melting according to the patent of the Russian Federation No. 21697949 (publ. 05.27.2001), which includes attaching a consumable electrode to the electrode moving mechanism, loading a charge consisting of titanium and chromium into a water-cooled copper crucible, fusion of the consumable electrode into a crucible, followed by casting into a mold. Moreover, a vanadium ingot is used as a consumable electrode, and the charge is loaded onto the bottom of a skull made of the corresponding alloy in the crucible, the arc is ignited and the charge is melted for a given period of time, after which the specific power of the arc is raised to the working value and the consumable electrode is melted into the crucible.

К недостаткам здесь можно отнести невозможность стабильного соблюдения химического состава выплавляемых сплавов на основе тугоплавких металлов, легированных легкоплавкими элементами (Al, Sn, Si), размещение которых на дне тигля приводит к нестабильному их содержанию в отливках из-за нерегулируемого проникновения их в гарнисаж..The disadvantages here include the impossibility of stable observance of the chemical composition of melted alloys based on refractory metals alloyed with low-melting elements (Al, Sn, Si), the placement of which at the bottom of the crucible leads to their unstable content in the castings due to their unregulated penetration into the skull ..

При создании изобретения ставилась задача получения слитков сплавов тугоплавких металлов, легированных, в том числе, легкоплавкими элементами, со стабильно высоким качеством (от слитка к слитку) за счет обеспечения химической однородности слитка без привлечения значительных трудозатрат.When creating the invention, the task was to obtain ingots of alloys of refractory metals alloyed, including with low-melting elements, with consistently high quality (from ingot to ingot) by ensuring the chemical uniformity of the ingot without involving significant labor costs.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе получения слитков из сплавов на основе тугоплавких металлов вакуумной дуговой гарнисажной плавкой, включающем загрузку шихты из легирующих элементов в медный водоохлаждаемый тигель, на дне которого находится гарнисаж из того же сплава, плавление расходуемого электрода из основного металла или сплава в тигель с последующей разливкой в изложницу, шихту из легкоплавких легирующих элементов загружают на большее основание прибыльной части отливки предыдущей плавки, выполненной в форме усеченного конуса и установленной меньшим основанием на гарнисаж донной части тигля, причем диаметр большего основания прибыльной части отливки задают, исходя из пределов, в которых находится соотношение:To achieve the named technical result in the proposed method for producing ingots from alloys based on refractory metals by vacuum arc skull melting, which includes loading the charge from alloying elements into a copper water-cooled crucible, at the bottom of which there is a skull from the same alloy, melting of a consumable electrode from the base metal or alloy into a crucible, followed by casting into a mold, a mixture of fusible alloying elements is loaded onto a larger base of the profitable part of the casting of the previous melting Shaped as a truncated cone and the lower base installed in a skull crucible bottom part, the diameter of the larger base profitable part of the casting is set, based on the extent to which the ratio is:

0,8≤d_п/(d_т-4)≤0,90.8≤d _p / (d _t -4) ≤0.9

где d_п - диаметр большего основания прибыльной части отливки предыдущей плавки, см;where d _p - the diameter of the larger base of the profitable part of the casting of the previous heat, cm;

d_т - диаметр дна тигля, см.d _t - the diameter of the bottom of the crucible, see

При этом, если диаметр большего основания прибыльной части отливки предыдущей плавки меньше, чем задано соотношением, происходит отекание легкоплавких легирующих элементов в зазор между стенкой гарнисажа и прибыльной частью отливки на дно гарнисажа и частичное усвоение их дном, что приводит к нерегулируемым их потерям и частичное усвоение их дном, что приводит к нерегулируемым их потерям и не позволяет стабильно обеспечить заданный химический состав получаемых отливок.Moreover, if the diameter of the larger base of the profitable part of the casting of the previous melting is less than that specified by the ratio, the fusible alloying elements swell into the gap between the wall of the skull and the profitable part of the casting to the bottom of the skull and partially assimilate by their bottom, which leads to unregulated losses and partial assimilation their bottom, which leads to unregulated losses and does not allow to stably provide a given chemical composition of the obtained castings.

Увеличение же значения соотношения диаметров прибыльной части отливки и тигля больше заданного приводит к невозможности в ряде случаев разместить прибыльную часть отливки на дне гарнисажа, поскольку диаметр прибыльной части отливки оказывается больше диаметра дна гарнисажа.An increase in the ratio of the diameters of the profitable part of the casting and the crucible more than the specified one makes it impossible in some cases to place the profitable part of the casting on the bottom of the skull, since the diameter of the profitable part of the casting is larger than the diameter of the bottom of the skull.

При выборе диаметра прибыльной части отливки по заданному соотношению во всех случаях удается разместить ее непосредственно на дне находящегося в тигле гарнисажа, а также не допустить отекания легкоплавких легирующих элементов в чистом виде с прибыльной части отливки на дно гарнисажа, что позволяет обеспечить стабильное получение отливок заданного химического состава.When choosing the diameter of the profitable part of the casting according to the given ratio, in all cases it is possible to place it directly on the bottom of the skull plate in the crucible, and also to prevent swelling of the fusible alloying elements in a pure form from the profitable part of the casting on the bottom of the skull, which ensures stable production of the given chemical castings composition.

Пример 1. Осуществлением предлагаемого изобретения является получение отливок из жаропрочного сплава на основе титана, содержащего 1-3 мас.% Мо, 3-5 мас.% Zr и легированного легкоплавкими легирующими элементами: 8-10 мас.% Al, 0,1-0,2 мас.% Si, 3-6 мас.% Sn путем вакуумной дуговой гарнисажной плавки.Example 1. The implementation of the invention is the production of castings of a heat-resistant alloy based on titanium containing 1-3 wt.% Mo, 3-5 wt.% Zr and alloyed with low-melting alloying elements: 8-10 wt.% Al, 0.1- 0.2 wt.% Si, 3-6 wt.% Sn by vacuum arc skull melting.

ВДГП сплавов проводили в медный водоохлаждаемый тигель с внутренним диаметром 28 см с гарнисажем из того же сплава, при этом на дне гарнисажа размещали головную (прибыльную) часть отливки слитка предыдущей плавки диаметром 20,5 см массой 5,2 кг, на которую выкладывали легкоплавкие легирующие элементы (Al, Si, Sn) общей массой 4,185 кг так, чтобы они не выходили за габариты диаметра прибыльной части отливки. Расходуемый электрод состоял из прутков Ti, Zr и Мо, сваренных между собой аргонно-дуговой сваркой общей массой 31 кг.The VDGP of the alloys was carried out in a water-cooled copper crucible with an inner diameter of 28 cm with a skull made of the same alloy, while at the bottom of the skull was placed the head (profitable) part of the casting of the previous melting with a diameter of 20.5 cm weighing 5.2 kg, onto which the low-melting alloying was laid elements (Al, Si, Sn) with a total mass of 4.185 kg so that they do not go beyond the dimensions of the diameter of the profitable part of the casting. The consumable electrode consisted of bars of Ti, Zr and Mo, welded together by argon-arc welding with a total mass of 31 kg.

ВДГП осуществляли на печи типа 1ДРВГ 0,25 ПЦ при мощности дуги 380 кВт с разливкой в изложницу с конической надставкой для формирования прибыльной части отливки с наибольшим диаметром 22,0 см.VDGP was carried out on a 0.25 PTs type 1DRVG furnace with an arc power of 380 kW with casting into a mold with a conical extension to form the profitable part of the casting with the largest diameter of 22.0 cm.

После охлаждения прибыльную часть слитка массой 4,1 кг и наибольшим диаметром 20,5 см отрезали на механической ножовке, отмывали, просушивали и использовали при последующей плавке.After cooling, the profitable part of the ingot weighing 4.1 kg and the largest diameter of 20.5 cm was cut off on a mechanical hacksaw, washed, dried and used for subsequent melting.

Общее количество отливок, полученных с использованием предлагаемого способа, - 7 при выходе в годное 100%.The total number of castings obtained using the proposed method is 7 when the yield reaches 100%.

Кроме того, были выплавлены 7 отливок того же сплава согласно наиболее близкому способу. Легкоплавкие легирующие элементы (Al, Sn, Si) были размещены непосредственно на дне находящегося в тигле гарнисажа. Полученные таким образом отливки также подвергали химическому анализу, в результате чего годными оказались 5 слитков из 7, причем брак был зафиксирован именно по содержанию легкоплавких легирующих элементов.In addition, 7 castings of the same alloy were smelted according to the closest method. Fusible alloying elements (Al, Sn, Si) were placed directly at the bottom of the skull in the crucible. The castings thus obtained were also subjected to chemical analysis, as a result of which 5 out of 7 ingots turned out to be suitable, and the marriage was fixed precisely by the content of fusible alloying elements.

Выход в годное при получении отливок согласно наиболее близкому способу составил 71,4%, то есть на 28,6% низке, чем по предлагаемому способу.The yield when receiving castings according to the closest method was 71.4%, that is, 28.6% lower than by the proposed method.

Приведенные результаты в таблице 1 свидетельствуют о получении нового технического результата - получены высококачественные отливки сплавов на основе титана, легированных легкоплавкими элементами, при этом выход в годное увеличен на 28,6% по сравнению с наиболее близким способом.The results in table 1 indicate a new technical result - high-quality castings of titanium-based alloys alloyed with low-melting elements were obtained, while the yield was increased by 28.6% compared to the closest method.

Пример 2. Аналогично изобретение было осуществлено при получении слитков из сплава титана. Результаты проведенных заявителем экспериментов, представленные в таблице 2, показывают, что при размещении части легкоплавких легирующих элементов непосредственно на дне гарнисажа не удается обеспечить стабильное получение отливок от плавки к плавке в пределах заданного химического состава,Example 2. Similarly, the invention was carried out upon receipt of ingots from a titanium alloy. The results of the experiments conducted by the applicant, presented in table 2, show that when placing part of the low-melting alloying elements directly on the bottom of the skull it is not possible to ensure stable production of castings from smelting to smelting within a given chemical composition,

Предложенное изобретение может быть применено при получении слитков из высоколегированных жаропрочных сплавов на основе титана, используемых в качестве оснастки для горячей обработки давлением металлов и сплавов.The proposed invention can be applied in the preparation of ingots from highly alloyed heat-resistant alloys based on titanium, used as accessories for hot processing of metals and alloys by pressure.

Claims

A method of producing ingots from alloys based on refractory metals by vacuum arc skull melting, comprising loading a charge of low-melting alloying elements into a copper water-cooled crucible with a skull made of the same alloy in its bottom, melting a consumable electrode from a base metal or alloy into a crucible, followed by casting into mold, characterized in that the mixture of fusible alloying elements is loaded onto a larger base of the profitable part of the casting of the previous melting, made in the form of a truncated cone ca and smaller base fixed to a skull crucible bottom portion, the diameter of the larger base profitable part of the casting is set, based on the extent to which the ratio is

0.8≤ (d _p / (d _t -4) ≤0.9,

where d _p - the diameter of the larger base of the profitable part of the casting of the previous heat, cm;

d _t - the diameter of the bottom of the crucible, see