» » Особенности плавки титановых сплавов
23.04.2015

При нагреве на воздухе титан взаимодействует со всеми газами. Взаимодействие твердого титана с кислородом сопровождается образованием оксидов TiO2, Ti2O3 и TiO. С повышением температуры кислород диффундирует внутрь металла, образуя твердые растворы внедрения. Жидкий титан растворяет кислород. При кристаллизации титан с кислородом образует ряд твердых растворов. Кислород стабилизирует α-фазу, повышая температуру полиморфного превращения α-Ti в β-Ti.
С увеличением содержания кислорода ухудшается технологическая пластичность, резко падает ударная вязкость, относительное удлинение и сужение, повышаются прочность и твердость. В пределах до 0,2 % (по массе) каждая сотая доля процента кислорода повышает предел прочности на 12,3 МПа, твердость на 39 МПа и снижает относительное удлинение и сужение на 1—1,2 %.
Азот также образует с титаном растворы внедрения, стабилизирует a-фазу и упрочняет его Каждая сотая доля процента азота повышает предел прочности титана на 19,6 МПа и твердость на 59 МПа. При содержании 0,2 % азота титан становится хрупким.
Растворение кислорода и азота в титане является необратимым процессом.
Растворимость водорода в титане (до 400 см3/г) на четыре порядка выше, чем в алюминии. С повышением температуры растворимость снижается. Водород стабилизирует β-фазу, снижая температуру полиморфного превращения. Присутствуя в виде гидрида титана TiH2, водород резко снижает пластические характеристики, особенно ударную вязкость. Водород — одна из наиболее вредных примесей титана.
Углерод с титаном образует стойкий карбид TiC, повышает температуру его полиморфного превращения, и в области малых концентраций каждая сотая доля процента углерода увеличивает предел прочности на 7 МПа и твердость на 19 МПа.
Титан активно взаимодействует с парами воды, оксидом и диоксидом углерода, углеводородами и другими газами. Результатом взаимодействия является обогащение расплава кислородом, водородом, углеродом.
Наряду с газами титан взаимодействует со всеми огнеупорными материалами, восстанавливая окислы и растворяя углерод.
Высокая химическая активность обусловливает необходимость плавки титана и сплавов на его основе в вакууме или атмосфере инертных газов — аргона и гелия. В практике отечественных заводов преимущественно используют вакуумную плавку при остаточном давлении в печи 1,33—0,13 Па.
Для изготовления фасонных отливок плавку ведут в дуговых гарниссажных печах с расходуемым электродом в графитовых тиглях при плотности тока 10—30 А см2. Для изготовления тиглей используют плотные сорта электродного графита. Насыщение сплавов углеродом предотвращают намораживанием на внутреннюю поверхность тиглей слоя металла (гарниссажа) толщиной 50—60 мм в донной части и 12—16 мм по стенкам. В качестве расходуемого электрода применяют слитки первого переплава диаметром 170—300 мм и длиной 500 мм. При выплавке сплавов в шихте используют до 30 % крупнокусковых отходов собственного производства (прибыли, стояки, брак отливок), прошедших очистку в галтовочных барабанах. Отходы загружают на дно тигля до начала плавки. Режим плавки: сила тока 14 35 к А; напряжение 30—50 В; скорость наплавления сплава 0,7 1,34 кг/кВт-ч (8—15 кг/мин), длина дуги 60—80 мм. Расплав перемешивают с помощью соленоида.
В процессе плавки угар титана составляет 0,1—0,2 %, алюминия 2,0—2,5 %, марганца 10—15 %. Общие потери при втором переплаве составляют 0,3—0,6 %. Остаточная концентрация водорода при вакуумной плавке снижается до 0,002—0,003 % (по массе).
Аналогичные режимы плавления назначают при производстве слитков в печах ДТВ. Шихтовыми материалами для производства слитков из титановых сплавов являются титановая губка, легирующие элементы в виде чистых металлов и лигатур, отходы собственного производства.
Титановая губка представляет пористую металлическую массу серого цвета с размером кусков от 2 до 70 мм в поперечнике Химический состав титановой губки разных марок приведен в табл. 30.
Особенности плавки титановых сплавов

Хранят и транспортируют губку в специальных контейнерах с герметичным уплотнением.
Для проведения плавки из шихтовых материалов изготавливают расходуемые электроды. В чистом виде в шихту вводят алюминий, хром, медь, марганец, ванадий, цирконий, железо, кремний. Молибден и олово вводят в виде лигатур с алюминием. Все хрупкие шихтовые материалы размельчают на дробилках в куски размером не более 15 мм в поперечнике, а затем просеивают через сито с размером ячейки 2x2 мм. Мелкую фракцию во избежание ее потерь вводят при прессовании расходуемого электрода завернутой в мягкую алюминиевую ленту. Для слитков ответственного назначения дробленую лигатуру подвергают магнитной сепарации. Алюминий и лигатуру алюминий — олово измельчают в стружку на строгальных станках; алюминий используют также в виде мелконарезанных кусочков проволоки.
Отходы титановых сплавов перед использованием в шихту очищают. Кусковые отходы галтуют для удаления оксидов и травят для удаления газонасыщенного слоя (1—1,5 мм). Стружку подвергают дроблению и магнитной сепарации для отделения осколков режущего инструмента.
Применяют два способа изготовления расходуемых электродов — спекание и прессование.
Сущность способа спекания состоит в том, что губку и легирующие компоненты подают в зону действия электрической дуги вакуумной электродуговой печи с нерасходуемым электродом. Шихта частично оплавляется. Жидкий металл способствует образованию большого числа контактов между отдельными кусками губки, что приводит к получению достаточно прочного электрода. По мере спекания постепенно догружают шихту, поднимая одновременно графитовый электрод. Способ спекания позволяет изготовить компактный электрод необходимой длины. Основные недостатки способа спекания — малая производительность, загрязнение графитом и неравномерность распределения легирующих элементов.
В практике отечественных заводов для изготовления расходуемых электродов используют метод прессования. Прессование пихты в большинстве случаев осуществляют на вертикальных или горизонтальных гидравлических прессах в проходную коническую матрицу с удельным давлением прессования 250—300 МПа. Для получения слитков необходимой однородности по составу порцию шихты на одну запрессовку принимают равной 5 —15 кг. Масса порции не должна превышать половины массы жидкой ванны во время первого переплава.
В некоторых случаях для улучшения электронной эмиссии и обеспечения стабильности электрической дуги в материал электрода вводят 0,02—0,45 % Mg. Быстрое испарение магния при плавлении способствует ионизации межэлектродного пространства, что создает хорошие условия для горения дуги. Испаряющийся магний конденсируется на холодных частях печи, не загрязняя расплав.
Практикой установлено, что для получения качественной поверхности слитка и обеспечения устойчивого горения дуги диаметр электрода должен быть близок к размеру слитка. Так, например, для слитка диаметром 300 мм применяют электроды диаметром 220 мм, для слитка диаметром 500 мм — электроды диаметром 420 мм.
Плавку с расходуемым электродом ведут в такой последовательности. Все части печи, соприкасающиеся с металлом, очищают от загрязнений. Внутрь изложницы снизу вводят прессованный электрод, обращая при этом особое внимание на точность центрирования электрода. Затем поддон плотно присоединяют к изложнице, создают разрежение 1,33 Па, включают систему водяного охлаждения и приваривают электрод к наконечнику электрододержателя. Для этого зажигают дугу между электродом и электрододержателем. В течение 10—15 с на верхнем торце электрода образуется ванна жидкого металла, в которую после выключения тока быстро опускают наконечник электрододержателя. После 10—15 мин выдержки поддон опускают, насыпают на него слой губки и вновь устанавливают на место. В печи создают такое же разрежение, как и при приварке электрода, проверяют на натекание, включают ток и опусканием электрода до соприкосновения с губкой, лежащей на поддоне, зажигают дугу. По мере оплавления электрод опускается. Ввиду выделения большого количества летучих дуга неустойчива. Регулирование длины дуги при расплавлении прессованного электрода производится автоматически. Перемешивают расплав при помощи соленоида. В зависимости от диаметра расходуемого электрода для плавки используют ток силой 4,8—7 кА и напряжением 26—30 В. Скорость на-плавления при этом колеблется в пределах 2,5—4,0 кг/мин. После расплавления расходуемого электрода полученный слиток охлаждают в изложнице до 400—500 °С. Для ускорения охлаждения в рабочее пространство печи подают гелий. Слиток первой плавки ввиду его неоднородности по химическому составу используют в качестве расходуемого электрода во второй плавке.
Горячие слитки первого переплава сразу же после выгрузки из кристаллизатора чистят металлической щеткой в проточной воде для удаления хлоридов. Затем на токарных станках обрезают короны и обтачивают окисленные места. При необходимости получения крупных отливок несколько слитков первой плавки сваривают в один электрод по технологии, аналогичной привариванию прессованного электрода к наконечнику электрододержателя.
Перед плавкой на поддон кладут титановый темплет, который предотвращает прогорание поддона при зажигании дуги. Второй переплав ведут на постоянном токе силой 6,6—11 кА и напряжением 26—30 В. Скорость наплавления при таком режиме плавки составляет 3,5—5,5 кг/мин. Дугу регулируют автоматически.
Для уменьшения размера усадочной раковины верхнюю часть слитка второго переплава подогревают в течение 30—40 мин. В течение 1,5—2 ч слитки охлаждают в изложнице, а затем извлекают из печи.
В большинстве случаев первый и второй переплавы ведут на разных печах. Такой режим работы связан с большой затратой времени на охлаждение слитков первой плавки и на создание необходимого разрежения.