SU1086025A1 - Способ отливки изделий из тугоплавких металлов и их соединений и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

I, Способ отливки изделий из тугоплавких металлов и их соединений, включающий загрузку сыпучей шихты в графитовый плавильный тигель, расплавление ее внешним источником нагрева , например электрической дугой от нерасходуемого электрода, и слив расплава в литейную форму через дон-fное ,перекрываемое металлической проб-, кой отверстие тигл , о т л и ч а ющ и и с   тем, что, с целью уменьшени  загр знени  расплава материалом тигл , увеличени  срока службы тигл  и повыщени  качества отливок, в.качестве пробки используют пластину из металла или сплава, температура плавлени  которого не менее чем на 300 С выше температуры плавлени  материала расплава, причем на пластину загр-ужают слой порошковой шихты высотой 0,7-12 от диаметра сливного отверсти  тигл , затем - кусковую шихту в количестве 10-86% от массы шихты. 2. Устройство дл  отливки изделий из тугоплавких металлов и их соединений , содержащее графитовый плавильный тигель с донным сливным отверстием, с установленным в отверстии съемным (Л графитовым стаканом, внешний источник нагрева и литейную форму, установленную под тиглем, отличающеес  тем, что, с целью умень- шени  загр знени  расплава материалом , тигл , увеличени  срока службы тигл  и повьшгени  качества отливок, верх стакана расположен выше дна тигл  на 0,1-0,5 от диаметра сливного отверсти  с образованием сливного порога, на стакан свободно установлена пластина из металла или сплава, температура плавлени  которого не менее чем на вьшге температуры плавлени  материала рйсплава, толщиной 0,004-0,04 от диаметра сливного отверсти  стакана, а диаметр сливного отверсти  Стакана составл ет 0,050 ,2 от диаметра тигл .

Description

Изобретение относитс  к специальной электрометаллургии, в частности к получению OTJFHBOK из тугоплавких металлов и их соединений. Известен способ получени  изделий из тугоплавких металлов и их соединений , например твердых сплавов из карбидов вольфрама, титана и тантала со св зующим из кобальта, никел  и их сплавов, включающий карбидизацию соответствующего металла или смеси металлов при 1 250-1 , измельчение полученных карбидов, смешение их со св зующим, прессование и последующее спекание при 1340-1480с СПОднако традиционные твердые сплавы при температурах вьше 800 С тер ют свои основные свойства - твердость прочность и износостойкость, что делает их применение при повьппенных температурах нецелесообразным. Дл  эксплуатации при температурах вьше 800С примен ютс  композиции на основе системы вольфрам (молибден) карбиды титана (циркони , гафни , ниоби  и тантала), которые сохран ют высокие эксплуатационные характеристики вплоть до 1500°С, однако они не поддаютс  обработке давлением даже при повьшенных температурах. Поэтому формирование полуфабрикатов и изделий на их основе возможно лИшь методами лить , которые позвол ют получать плотные заготовки с высокими прочностными характеристиками. Известен способ получени  заготоБОК из сплавов системы вольфрам карбид титана или циркони , включающий расплавление исходной шихты элек трической дугой в инертной атмосфере при давлении vO,5 ата и кристаллизацию расплава на водоохлаждаемом медном поду с последующей электроискровой и/или механической обработкой дл  получени  требуемой геометрииСЗТ Однако последние операции способа чрезвычайно .трудоемки, что сопровождаетс  большими затратами на произво ство изделий из указанного материала которые в р де случаев делайт применение таких изделий экономически не оправданным, например изготовление калибрующего кольца матрицы наружным диаметром 90 мм с отверстием диамет .ром 50 мм и высотой 20 мм из цилин рической заготовки диаметром 95 мм требует более 160 ч станочного времени . Изготовление стержневых изделий малого диаметра требуют еще боль шиХ трудозатрат на единицу массы издепий . Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаем)Ьму эффекту  вл етс  способ отливки изделий из тугоплавких металлов и их соединений , включающий загрузку сыпучей щихты в графитовый плавильный тигель, расплавление ее внешним источником нагрева, например электрической дугой от нерасходуемого электрода, и слив расплава в литейную форму через донное перекрываемое металлическ&й пробкой отверстие тигл  3. Способ обладает следующими недостатками . В период расплавлени  пробки одновременно происходит перегрев дна тигл  и интенсивное его взаимодействие с расплавом, что сопровождаетс  загр знением расплава углеродом и постепенным растворением донной части тигл , в результате при; выплавке сплавов, например, на основе молибдена в расплав переходит до 0,2% углерода, а при выплавке сплавов на основе вольфрама -до 0,5% (при объеме расплава примерно 1 л). В таких услови х графитовый тигель служит 3-10 плавок. Увеличение толщины дна тигл , необходимое дл  повьшени  срока его службы, затрудн ет расплавление донной пробки вследствие интенсивного теплоот.вода в радиальном .направлении. При осуществлении плавки необходимо контролировать температуру расплава , чтобы своевременно произвести расплавление донной пробрей и слив расплава. Преждевременное расплавление пробки ведет к сливу относительно холодного расплава, обладающего низкой жидкотекучестью, и сопровождаетс  получением изделий с некачественной поверхностью. Задержка расплавлени  пробки ведет к чрезмерному перегреву расплава и его взаимодейстВИ10 с тиглем и изложницей, что уменьшает срок службы тигл  и сопровождаетс  насыщением расплава углеродом. Су1цествующие методы контрол  температуры расплава при электродуговой плавке ненадежны и значительно усложн ют аппаратурное оформление процесса отливки изделий. Вод ное охлаждение плавильного тигл  сопровождаетс  относительно высокими энергозатратами, которые при промьпвленной вьтлавке тугоплавких металлов превышают 15 кВт-ч на 1 кг сливаемого расплава. Известно устройство дл  отливки изделий из тугоплавких металлов и их соединений, содержащее графитовый плавильный тигель с донным сливным . отверстием, электродуговой источник нагрева и литейную форму, установлен ную под тиглем СА, Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  устройство дл  отливки изделий из тугоплавких метал лов и их соединений, содержащее графитовый плавильный тигель с донным сливным отверстием с установленным в отверстии съемным графитовым стаканом , внешний источник нагрева и литейную форму, установленную под тиглем С5. Недостатками известных устройств  вл ютс  невысокий ресурс работы тиг л , так как происходит размыв донного гарнисажа и, следовательно, тигл ; загр знение расплава материалом (углеродом) тигл  за счет размыва дна графитового тигл ; нет возможности перегреть расплав перед его сливом в литейную форму. Целью изобретени   вл етс  уменьшение загр знени  расплава материало тигл , увеличение срока службы его и повышение качества отливок. Поставленна  цель достигаетс  тем что, согласно способу отливки издели из тугоплавких металлов и их соедине НИИ, включающему загрузку сьтучей шихты в графитовый плавильный тигель расплавление ее внешним источником нагрева, например электрической дуго от нерасходуемого электрода, и слив расплава в литейную форму через донное перекрываемое металлической проб кой отверстие тигл , согласно изобре тению, в качестве пробки используют пластинку из металла или сплава. температура плавлени  которого не ме нее чем на 300°С вьше температуры ,плавлени  материала расплава, причем на пластину загружают слой порошково шихты высотой 0,7-12 от диаметра сливного отверсти  тигл , затем - кусков шихту в количестве 10-86% от массы шихты. Устройство дл  отливки изделий из тугоплавких металлов и их соединений содержащее графитовый плавильный тигель с донным сливным отверстием с установленным в отверстии съемным графитовым стаканом, внешний источник нагрева и литейную форму, установленную под тиглем, верх стакана расположен выше дна тигл  на 0,1-0,5 от диаметра сливного отверсти  с образованием сливного порога, на стакан свободно установлена пластина из металла или сплава, температура плавлени  которого не менее чем на 300°С выше температуры плавлени  материала расплава, толщиной 0,004-0,4 от диаметра сливного отверсти  стакана, а диаметр сливного отверсти  стакана составл ет 0,05-0,2 от диаметра тигл . Расположениеверхнего сечени  воронки вьшзе дна тигл  обеспечивает слив расплава при сохранении донного гарнисажа. В процесса слива стакан нагреваетс  расплавом вьшзе температуры его плавлени , однако температура дна тигл  не достигает температуры плавлени  расплава из-за малой поверхности контакта дна тигл  со стаканом, который осуществл етс  по отдельным точкам при съемном исполнении последней . Наличие гарнисажа на боковых стенка х и в донной части тигл  предохран ет последний от интенсивного взаимодействи  с расплавом и резко повышает срок его эксплуатации, который определ етс  его механическими повреждени ми , незначительные загр знени  расплава углеродом (менее 0,1%) позвол ют более точно выдерживать его состав. Перекрытие отверсти  стакана пластиной из материала с температурой плавлени  выше температуры плавлени  расплава дает возможность перегреть расплав вьппе: температуры его плавлени , а способность материала раствор тьс  в расплаве обеспечивает слив при температурах ниже температуры плавлени  материала перекрывающей пластины. Температура слива и, следовательно , перегрев расплава в этой cиtyaдии регулируетс  толщиной раствор юш ейс  пластины, но всегда слив расплава происходит при температурах ниже температуры плавлени  перекрывающей пластины, что при наличии гарнисажа на стенках и дне тигл  исключает прожог тигл  и создание аварийной ситуации. Использование описанной схемы слива позвол ет исключить вод ное охлаждение тигл , заменив теплоизол цией , что резко уменьшает потери тепла тиглем и соответственно сокращает энергозатраты на плавку.

Темперачура плавлепн;- г- -герп:;: ;; перекрываощего отзерстиа воронхидолжна существенно (бо ае ) превыпгать температуру плав-тшпи  рв.с-плава , В противном случае расплав имеет незначительный переграв; обладает более низкой текз остью i ;::е обеспечивает эффйктивнук; Л:,;;1лг.гу иЭ И; как cjieiiCTBiia . v;pt-. ;;: -h-.ip;. ванию некачес-трс: ;h;i-Lx о-лливо-:,

Минимальна  то.ьцкна плас не рекрывающей отверстие стакана . (О его диаметра) 5 обеспечивает неболь-

/1 - -1 о ,-, шои перегрев расшлава (менее lOu С над его темнератуоой плапленкл, Tic-i . меньшей TOjai HHe уменьшаетс  псреглсп раснлава и не обеснечиваетсл ка:ес0 Зенна  залкЕУга ас::лава з изло:.;с7;- п;; Йспользова к ш гАС.лшь; толщиной ос лее 0;04 диаметра отверсти  стакан;;. увеличивав врем  нлавки, повыгиан энергозатраты, В тех случа х, когда. толщина пластины минимальна , асох нее сечение стакана может распола-дна тигл  3 так как нерегрез раснлава минимальный,, Колдс толщина нласгкны максимальна  J перегрев раснла:5а тоне максимальный,. позтс1 у необходк -о бснте, шее рассто ние о i сече-:л

стакана до дна тигл , лтобь; coirpaHvi ;ч.. слой гарнисажа н:а нем к избежать i взаимодействи  с расплаво,: В зтом случае верхнее свченке стакана рас-полагают на 0,.4--0,5 его диаметра аише дна тигл ,

Порошкова  шихта,, расг;сло;г;енн н выше пластинь; над отверстием стакана, сначала спекаетс  в нроцессе планкк верхнего сло  кускопой З1ч:;-Г1 ы а за-тем впитывает в себ  раснлав, которьй затвердевает, образу  чз 1у. 3 ней н,-: капливаетс  нерет-реваемый раснлав, к то врем  как нераснлавлеИчый слой порошковой пшхты  вл етс  .сенлоиаол -н тей . По мере наконлени  расплава н повьппени  его температуры затвердевшего в .нора,х порОЕгковой шшт.-ты раснлава смещаетс  к перекрьггию. т.е. увеличиваютс  разьерь; и объем Наши, Когда расплав нриходкгг s солрн-1сосновение с нластиной вархн:егс ;.;тз;;е1;сти  стакана начинаетс  ее раствооение в расплаве. За это врем  расплав перегреваетс  вьппе т-амлературы нлав-Ленин; , что обеспечивает необкодимуг-;; его жидкотекучесть и полу гение качественных отливок, ГТрк OTCiTCTBHH пс--рошковой шихты или ее. высот-ьг менее

i;.- Д гаметра отверсти  стакана раст оре;-:пе пластинь начинаетс  нри малом количес5не наплавленного раснлава, В .гом случае его невозможно нерег еть так ак ,цка  фаза, обладающа  высокой тенлоноозодностью,расноложена в неносредстненг-ой близости с: нерекрыvi .i , jlpH 3.3,COJ 3 порошковой ИМХТЬ: бО ас ji аиа1-)егг1ов отверсти  стакана у;1рудч етс  слив расплава, так как .в с.л ед-:; т вне не равномерной н ло тнос ти л;лкхты электрическа  дуга отклон етс  от оси тигл  и может образовать расппп-} {: стороне от силового отверсти  ; рсау.г(ьтате ловь шаютс:  знергозатра- T.i к: раснлав .перегревающийс  в сторо .г От сливного отверсти , взаимодей- --IHyrri с Дг;ом ч-игл ,. По той же нричи н-г реко;.-.ендуетс  нс.;1ользовать диала:р стверсти  стакана менее 0,05 диаметра тигл  Увеличение диаметра ;,азерсти  стакана более 0,2 диаметра тигл:  р еделесообразно. так как увели--аазаютс  потери тепла через него и ловышаютс  энергозатраты.

Кускова  шихта ь-еобходима дл  пред:: гараи;ани  ..shHioca порошковой саза а-з, выдел ющимис  нри нагреве т-пагьт и увеличении загрузки в нлавильНг:1-ч , Последнее ут-1еньшает знер

с-:;атраты.. 1аличие кусковой шихты з :vjfH,;ecTBf менее 0% не обеспечивает лредотврашение расньшени  порошковой iiKKTfci, а  агрузка кзсковьк отходов :-} :-}iTKR 8b% не обеслечивает эффективное лх раснласггение за врем  нроллавлени  лорошксвой ;иихты,; расположенной над пластиной сливного отверсти ,, и слив :1астулает при ненолном раснлавлении

изысков о и 11ИХТЫ..

На 4CpTe:se локазано устройство дл  О1ливки изделий из тугогшавких метал .лоз и ИХ соединений.

Оно содер да-т неохлаждаемый тен.ло изо.гчиронанный ллавильный тигель „ выполненный в виде двух графитовых

рст з.аанньк одна в другую внутрертней

-

,1 /

гмкостеи, теплоизоли- ,юпанных ,ару: от друга графитовой ткань р Э„ В днище тигл  выполнено отнарстие и уста товлен в нем съемный графитовый сливной стакан 4j верхнее .ние которого расположено вьшге дна тилл  на величину h и перекрыто л.ластиной 5 толщиной с ,. причем h п rf наход тс  в зависимг сти О7 диа1 .;етра. d отверсти  сливного стакана 4. -Слособ осу.цествл ют следуквдим образом . Из графита изготавливали внутреннюю 1 и наружную 2 емкости тигл . Внутреннюю емкость 1 размерами в диа метре 200 мм, высотой 200 мм и толщи ной стенок 15 мм помещают во внешнюю емкость 2 с внутренним диаметром 270 мм и высотой 235 мм. Пространство между стенками- и днищем емкостей 1 и 2 теплоизолируют графитовой тканью 3. В днище тигл  выполн ют отвер стие и вставл ют графитовый сливной стакан 4 с диаметром отверсти  d и толщиной мм. Верхнее сечение ста кана возвьппаетс  над дном тигл  на высоту h, образу  сливной порог. Отверстие стакана перекрывают вольфрамовой пластиной 5. В тигель загружают слой порошковой пгихты 6 на высоту Н, затем кусковую шихту 7. Тигель накрывают сверху графитовой крышкой с отверстием диаметром 80-140 мм. Расплавление шихты провод т в атмосфере аргона с помощью плазмотрона, рабочий электрод которого подсоедин ют к отрицательному полюсу источника питани . Положительный полюс ис точника питани  подсоедин ют к плавильному тиглю. Электрическую дугу зажигают между рабочим электродом плазмотрона и шихтой в тигле. Слив расплава производ т в графитовую изложницу (не показана) цилиндрической формы. В таблице приведены экспериментал ные данные, полученные при отливке изделий из псевдобинарных эвтектичес ких сплавов Mo-TiC и W-TiC состава, мас,%: Мо 86,5 - Ti 10,8 - С 2,7 и W 88,0 - Ti 9,2 - С 2,8, причем температура плавлени  сплава Mo-TiC 2300°С, а сплава W-TiC 3100°С. Из данных таблицы следует, что предложенное техническое решение обеспечивает слив расплава с необходимым перегревом, когда верхнее сечение стакана располагают вьш1е дна тигл  на 0,1-0,5 своего диаметра и перекрывают пластиной и-з вольфрама толщиной 0,004-0,4 диаметра отверсти  (см. № 2-4), при этом плавильный тигель загружают сначала слой порошковой шихты высотой 0,7-12 диаметров отверсти  воронки, а затем кусковую шихту в количестве 10-86% от массы :загрузки (см. № 7-10,12). Способ позвол ет получать качественные отливки без измерени  температуры расплава, что упрощает аппаратурное оформление процесса и не требует строгого контрол  за его режимом. Загр знение расйлава углеродом в указанных услови х составл ет менее 0,1% даже при вьтлавке сплавов на основе вольфрама. Стойкость плавильного тигл , защищенного слоем гарнисажа на донной части и боковых стенках определ етс  механическими повреждени ми и зависит лишь от квалификации обслуживающего персонала. Кроме того,энергозатраты на плавку молибденовых сплавов снижаютс  до 4,2-4,9 кВт-ч/кг, что примерно в 3 раза ниже, чем в прототипе . За пределами указанных соотношений получаютс  некачественные отливки (см. № 1 и 6), увеличиваетс  загр знение расплава углеродом (см.№1,5,11) и возрастают энергозатраты (см.,5, 6,11). Издели  из электрических сплавов систем Mo-Tic и W-TiC обладают в 4-9 раз большей стойкостью при высокотемпературной обработке металлов по сравнению с промышленными сплавами из карбидов вольфрама и титана, распределенных в матрице из кобальта, никел  и их сплавов. Экономический эффект на 1 кг отливок , полученных предложенным способом , составл ет 200-400 р. в зависимости от формы и назначени  изделий.

1 Mo-Tic 7,5 7,5

1 0,05 0,04 0,002

0,1

10 Mo-Tic 14,0 1,0 15 0,08 3 1. W-TiC 8 12 25 0,12 5 12 Mo-Tic 7,5 7,5 20 0,10 4

110050,2

21005 O, 1

31005 0,1

41005 0,1

Продолжение таблицы

Неудовлетворительное , отсутствие гарнисажа на дне тигл 

Удовлетворительное

Хорошее

Удовлетворительное 0,2 1,5 0,1 0,2 2,5 0,1 0,2 2,0 0,1

100

0,15 6,2 -Взаимодействие рас190 13 0,15 5,2 .

Продо.чжение таблицы плава с изложницей

Неудовлетворительное Удовлетворительное То же

Удовлетворительное,

г арии с аж астшетричный Удовлетворительное, гарнисаж : асимметричный ВзаимодейстМё с тиглем, Распыление шихты

Claims (2)

1. Способ отливки изделий из тугоплавких металлов и их соединений, включающий загрузку сыпучей шихты в графитовый плавильный тигель, расплавление ее внешним источником нагрева, например электрической дугой от нерасходуемого электрода, и слив расплава в литейную форму через дон-г· ное,перекрываемое металлической проб-, кой отверстие тигля, о т л и ч а тощий с я тем, что, с целью уменьше ния загрязнения расплава материалом тигля, увеличения срока службы тигля и повышения качества отливок, в качестве пробки используют пластину из металла или сплава, температура плавления которого не менее чем на 300°С выше температуры плавления материала расплава, причем на пластину загружают слой порошковой шихты высотой 0,7-12 о-т диаметра сливного отверстия тигля, затем - кусковую шихту в количестве 10-86% от массы шихты.

2. Устройство для отливки изделий из тугоплавких металлов и их соединений, содержащее графитовый плавильный тигель с донным сливным отверстием, а с установленным в отверстии съемным графитовым стаканом, внешний источник нагрева и литейную форму, установленную под тиглем, отличающееся тем, что, с целью умень-⁴ шения загрязнения расплава материалом, тигля, увеличения срока службы тигля и повышения качества отливок, верх стакана расположен выше дна тигля на 0,1-0,5 от диаметра сливного отверстия с образованием сливного порога, на стакан свободно установлена пластина из металла или сплава, температура плавления которого не менее чем на 300°С выше температуры плавления материала рАсплава, толщиной 0,004-0,04 от диаметра сливного отверстия стакана, а диаметр сливного отверстия стакана составляет 0,050,2 от диаметра тигля.