Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Основная масса чистого, ковкого молибдена, как и вольфрама, производится методами порошковой металлургии.
Однако производительность этого метода в его обычном осуществлении (прессованием в стальных прессформах) ограничивается мощностью прессов, не позволяющих прессовать заготовки из порошкообразных металлов крупных размеров. Более крупные заготовки можно получать методом так называемого гидростатического прессования.
Этот метод заключается в прессовании под высоким давлением порошка, заключенного в резиновую оболочку в стальной камере, наполненной жидкостью. Однако этим методом не удается достигнуть таких высоких давлений, как при прессовании в стальных прессформах, и брикеты получаются значительно более пористыми.
Благодаря новым достижениям современной техники высоких температур, за последнее время развиваются методы плавки, становящиеся более доступными в применении к тугоплавким металлам.
Для преодоления трудностей в получении чистых тугоплавких металлов, в частности молибдена, методом литья необходимо разрешить две основные задачи:
а) подобрать материал тигля, не взаимодействующий при высоких температурах с расплавленным тугоплавким металлом и, следовательно, не загрязняющий его,
б) выбрать наиболее удобный и достаточно экономичный метод нагрева для расплавления значительных количеств тугоплавкого металла.
Для расплавления тугоплавких металлов оказалось удобным использовать пламя электрической дуги, которое позволяет сосредоточить в небольшом объеме высокую температуру и проплавить за короткое время значительное количество металла.
В качестве материала тигля оказалось возможным использовать охлаждаемую проточной водой медь, так как она не сплавляется с тугоплавкими металлами и не образует с ними ни твердых растворов, ни интерметаллических соединений.
Высокая теплопроводность меди обеспечивает быстрый отвод тепла охлаждающей водой, что исключает опасность расплавления или испарения меди на внутренней поверхности тигля, обращенной к пламени электродуги.
Опыты показали, что. например, для электродуги мощностью 30—40 квт можно применять медный охлаждаемый тигель с толщиной стенок 3,5 мм при расстоянии от стенки тигля до пламени дуги около 7 мм.
На рис. 63 показана схема устройства электродуговой вакуумной печи переменного тока для плавки молибдена. Печь помещена в герметичную камеру 1, к которой присоединен вакуум-насос.
Одним из электродов служит медный цилиндрический охлаждаемый тигель 8. На дне тигля помещается молибденовый диск, через который замыкается пламя дуги. Верхним электродом служит штабик, спрессованный из молибденового порошка.
Непрерывное наращивание расплавляемого электрода и его подача в пламя дуги осуществляются автоматически. Порошок непрерывно подается из бункера 3 шнековым питателем в прессформу 4.
Напрессовываемые один на другой брикеты в форме сплошного стержня продвигаются через полость контакта 7, где вследствие трения создается некоторое противодействие продвижению стержня и тем самым сохраняется его сплошность над контактом.
Для упрочнения стержень подвергается спеканию путем пропускания электрического тока, замыкающегося через контакт 7 и прессформу 4.
При диаметре брикетов около 11 мм для спекания требуется сила тока около 1200 а при напряжении на контактах около 5 в.
Для расплавления молибденового электрода требуется электрическая дуга силой тока 1000—1200 а при 24—28 в, что составляет мощность около 30 квт.
Описываемая электродуговая печь при диаметре тигля около 40 мм позволяет расплавлять около 450 г молибдена в 1 мин. Следовательно, удельный расход электроэнергии на расплавление составляет около 1,2 квт*ч на 1 кг молибдена.
На разогрев I кг молибдена до температуры плавления и на его расплавление требуется 250 кал тепла, что соответствует 0,29 квт*ч, т. е. около 26% от общего количества затраченной электроэнергии, а остальные 74% расходуются на излучение тепла.
Сравним указанный расход электроэнергии с расходом ее при высокотемпературном спекании (сварке) молибденовых штабиков при металлокерамическом методе производства молибдена.
При сварке молибденового штабика электрическим током в атмосфере водорода при температуре около 2200—2400° он излучает мощность около 100 вт ка 1 см2 поверхности.
Если сваривать пруток таких же размеров, как и для электродуговой плавки, т. е. диаметром около 1 см, то столб такого прутка высотой 1 см имеет излучающую поверхность, равную 3,14 см2 и соответственно объем, равный 0,785 см3. Вес такого столбика в сваренном состоянии составляет (при удельном весе около 8,8 г/см3) 6,9 г.
Принимая среднее время выдержки при температуре сварки около 15 мин. (включая и приведенное время на подъем температуры), получаем расход электроэнергии на сварку.
Таким образом, удельный расход электроэнергии на расплавление 1 кг молибдена в электродуговой печи примерно в 9 раз меньше, чем при его сварке в металлокерамическом процессе, что объясняется кратковременностью плавки.
Кроме того, метод плавки позволяет получать в печи указанного типа более крупные заготовки молибдена, чем при металлокерамическом методе, что повышает производительность труда и оборудования на последующих операциях обработки давлением (ковка, прокатка и т. п.) и позволяет получать большие листы, прутки и т. п. Даже в вышеописанной печи относительно небольших размеров можно получать слитки весом по несколько килограмм (до 10) каждый.
В последнее время в США построены вакуумные дуговые печи для выплавки молибденовых слитков весом 500 кг с приспособлением для непрерывного вытягивания застывающего слитка при помощи опускающегося дна тигля.
Плавленый молибден имеет удельный вес около 10,2—10,3 г/см3, что близко подходит к теоретическому удельному весу. Это указывает на весьма небольшую пористость молибденовых слитков.
Пластичность плавленого молибдена и его способность подвергаться обработке давлением в сильной степени зависят от его чистоты. При использовании исходного молибденового ангидрида и. следовательно, молибденового порошка высокой чистоты можно довести примеси других элементов в плавленом молибдене до следов.
Однако порошкообразное состояние исходного металла, подвергающегося переплавке, вносит в слиток в качестве неизбежной примеси окислы молибдена, пленки которых покрывают частицы исходного порошка.
Микроскопические исследования шлифов и изломов плавленого молибдена показали, что примесь двуокиси молибдена МоО2 выделяется при застывании металла в форме сплошных межкристаллических прослоек. Эти прослойки в плавленом молибдене повышают хрупкость металла даже при весьма небольших количествах примеси кислорода.
Опыты показали, что плавленый молибден поддается горячей ковке только при содержании кислорода меньше 0,003%.
Для снижения содержания кислорода ниже указанного предела в порошок молибдена перед его переплавкой добавляют небольшое количество чистой сажи, тщательно перемешанной с порошком металла, с тем чтобы в металле после переплавки оставался избыток углерода порядка 0,01—0,03%.
При плавке молибдена в вакууме углерод взаимодействует с кислородом двуокиси молибдена и в виде окиси углерода удаляется. Для этого в камере печи поддерживается давление не выше 0,05 мм рт. ст.
Оставшееся небольшое количество связанного углерода, представленного в форме изолированных включений карбида, не препятствует горячей ковке молибдена.
В опытных плавках, проводившихся в высоком вакууме (при давлении 0,001 мм рт. ст.) без добавки сажи, удалось достигнуть такой высокой степени рафинировки молибдена, что он подвергался даже ковке на холоду.
В табл. 30 приведены сравнительные цифры содержания основных примесей, влияющих на пластичность молибдена, в зависимости от способа производства компактного металла.
Металлографическое изучение структуры молибденовых слитков показывает наличие несколько вытянутых кристаллов, выросших при затвердевании в направлении, перпендикулярном плоскости раздела: твердое тело — жидкость.
Размеры зерен зависят от диаметра медного тигля и имеют величины порядка 0,05—0,1 мм.
Как мы видим, вакуумная электродуговая плавка позволяет получать компактный ковкий молибден высокой чистоты и с меньшим расходом электроэнергии, чем при металлокерамическом методе производства.
Получение крупных слитков молибдена методом плавки также выгоднее металлокерамического метода и тем, что в этом случае не требуется дорогих прессов большой мощности.
Преимущества электродуговой вакуумной плавки применительно к тем тугоплавким металлам, которые легко получаются в компактном ковком состоянии путем спекания спрессованных порошков (в особенности в условиях спекания в водородной атмосфере), могут заметно сказаться только при больших масштабах производства и при изготовлении крупных слитков,
В условиях же относительно небольших масштабов производства таких тугоплавких металлов, как, например, молибден или вольфрам, и при относительно небольших размерах исходной болванки (штабика), метод спекания в водороде оказывается более простым в аппаратурном оформлении, а также и более производительным, так как при изготовлении небольших слитков в вакуумной печи особенно заметны непроизводительные потери времени, затрачиваемого на герметизацию и создание вакуума в печи перед плавкой.
Работы по электродуговой плавке тугоплавких металлов, начавшиеся еще в первых годах двадцатого века применительно к танталу (Болтон) и затем продолженные на молибдене, имели важное значение при освоении электродуговой плавки в больших масштабах современного производства ковких титана и циркония.
В заключение надо указать, что в описанной вакуумной дуговой печи можно плавить и сплавы молибдена с вольфрамом. Возможна также и переплавка чистого вольфрама, что подтверждено опытами Гудвина и Гриниджа. проведенными пока в лабораторных масштабах. Для получения ковкого вольфрамового слитка требуется достижение предельной чистоты вольфрама, что осуществляется путем использования достаточно чистого исходного порошка и полного удаления окислов и углерода, а также других примесей при плавке вольфрама в вакууме.