Содержание страницы
1. Методы выплавки сталей и сплавов
1.1. Получение слитков в вакуумной индукционной печи
Плавка в вакуумной индукционной печи позволяет получать металл высоких чистоты и качества с низким содержанием газов. В оборудование для вакуумно-индукционного переплава входят индукционная печь, помещенная в вакуумную камеру, источник питания и насосная система. Вакуумная камера снабжена смотровыми окнами и приспособлениями, управляемыми снаружи и позволяющими вводить легирующие добавки, брать пробы для химического анализа, включать разливочный стопор и опрокидывать печь для разливки металла.
Процесс плавки в вакуумной индукционной печи начинают с загрузки печи исходной шихтой, герметизации вакуумной камеры и выполнения вакуумирования.
Рис. 1. Схема вакуумно-дуговой печи с расходуемым электродом: 1 – рабочая камера вакуумной печи; 2 – патрубок для подключения вакуумных насосов; 3 – охлаждаемая изложница (кристаллизатор); 4 – подвижный шток; 5 – расходуемый электрод; 6 – слиток
Затем следуют индукционный нагрев и расплавление шихты. Непрерывному перемешиванию металла способствует пониженное давление, которое создается путем вакуумирования камеры. Процесс вакуумно-индукционной плавки заканчивают заливкой металла в изложницу, находящуюся также в вакуумной камере.
1.2. Получение слитков в вакуумно-дуговой печи с расходуемым электродом
Слитки, получаемые при переплаве в вакуумно-дуговой печи с расходуемым электродом, отличаются высоким качеством, чистотой и однородностью металла, а также низкой газонасыщенностью. Основные принципы дуговой плавки с расходуемым электродом были сформулированы в 1892 г. изобретателем дуговой сварки Н.Г. Славяновым. Промышленное применение этого вида плавки относится к 1953–1954 гг.
При получении слитков методом вакуумнодугового переплава в вакуумно-дуговой печи с расходуемым электродом последний должен расплавляться. Водоохлаждаемая медная изложница 3 помещается в вакуумную камеру 1 (рис. 1). Эта камера вакуумируется между расходуемым электродом 5 и затравкой (небольшой металлической шайбой), находящейся на дне медной изложницы 3. При подаче электроэнергии возникает электрическая дуга, которая расплавляет сплав. По мере расходования (расплавления) электрода 5 осуществляется его автоматическое перемещение для того, чтобы поддерживать устойчивое горение электрической дуги. В медной охлаждаемой изложнице 3 расплавленный металл очень быстро затвердевает с минимальными ликвацией и взаимодействием с материалом изложницы 3.
1.3. Получение слитков электронно-лучевым переплавом
В электронно-лучевых печах можно переплавлять практически любые сплавы (исключение составляют сплавы с повышенным содержанием марганца вследствие его склонности к испарению в условиях высокого вакуума). Металл, полученный методом электронно-лучевого переплава, обладает минимальной газопроницаемостью, максимальной плотностью и наилучшим комплексом механических свойств по сравнению с металлом, полученным другими способами.
При электронно-лучевом переплаве используют принципиально новый для металлургии способ нагрева расплавляемого металла. Подводимая электрическая энергия превращается в тепловую непосредственно в расплавляемом металле в результате соударения с ним электронов, разгоняемых в электрическом поле высокого напряжения. Устройство, в котором разгоняются электроны, называется электронной пушкой. Часть потока электронов направляется в расходуемый электрод, оплавляет его (металл попадает в кристаллизатор), другая их часть поступает в ванну жидкого металла и поддерживает ее в расплавленном состоянии.
Рис. 2. Схема электронно-лучевой печи: 1 – электронная пушка; 2 – переплавляемый электрод; 3 – кристаллизатор
В плавильных установках используют одну или несколько электронных пушек. Прохождение пучка электронов возможно только при высоком вакууме (0,013…0,13 Па). Плавление металла электронным пучком было осуществлено в 1879 г. англичанином Уильямом Круксом. Применение электронно-лучевого переплава в промышленности относится к 1958–1963 гг.
Схематично электронно-лучевую печь можно представить как вакуумную камеру, к которой подсоединены электронная пушка, устройство для ввода переплавляемого электрода, кристаллизатор и вакуумная система (рис. 2).
Особенностью использования электронно-лучевых плавильных печей является возможность существенного перегрева поверхности жидкого металла, причем длительность выдержки при заданной температуре устанавливается произвольно.
1.4. Получение слитков плазменнодуговым переплавом
Сущность способа плазменно-дугового переплава (ПДП) заключается в переплаве расходуемых заготовок определенного химического состава в металлическом водоохлаждаемом кристаллизаторе. Источником теплоты в данном способе служит низкотемпературная плазма, получаемая в специальных устройствах – плазматронах, которые позволяют нагреть практически любой газ до 10 000 °С и выше. В металлургии чаще всего применяют дуговые плазматроны, где газ нагревается, проходя через зону горения электрической дуги постоянного тока. В результате нагрева газ расширяется и с большой скоростью устремляется к нагреваемому металлу.
Конструкция печей плазменно-дугового переплава незначительно отличается от печей вакуумно-дуговых и электронно-лучевых. Приоритет в разработке процесса плазменно-дугового переплава принадлежит специалистам института сварки имени Е.О. Патона Академии наук Украины. Первый слиток по этому способу был получен в 1963 г.
На рис. 3 показана схема плазменнодуговой печи. Процесс можно осуществлять как при нормальном давлении, так и при повышенном, а также в вакууме. Металл, выплавленный плазменно-дуговым способом, обладает более высокой плотностью и большей пластичностью, чем металл открытой плавки.
Рис. 3. Схема плазменно-дуговой печи: 1 – источник питания; 2 – рабочая камера; 3 – плазматрон; 4 – переплавляемая заготовка; 5 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 6 – слиток
1.5. Получение слитков методом электрошлакового переплава
Сущность способа электрошлакового переплава заключается в следующем: переплавляемый металл в виде расходуемого электрода подключается к источнику питания и погружается в ванну жидкого электропроводящего рафинированного шлака, который наводят в водоохлаждаемой металлической изложнице (кристаллизаторе) расплавлением твердой шлаковой смеси или заливкой жидкого шлака, приготовленного в специальном плавильном агрегате (рис. 4).
Переменный (или постоянный) электрический ток проходит от электрода к шлаку и под действием тепловой энергии расплавляет последний с поддержанием его в жидком состоянии при температуре 1600…2000 °С. Часть теплоты, выделяющейся в шлаковой ванне, передается расходуемому электроду, торец которого начинает плавиться. Капли жидкого металла проходят через слой шлака и опускаются на дно шлаковой ванны, где образуют металлическую ванну. Металлическая ванна, затвердевая снизу, образует слиток. По мере оплавления расходуемый электрод подается в шлаковую ванну, непрерывно пополняя объем кристаллизующейся металлической ванны.
Рис. 4. Схема процесса электрошлакового переплава: 1 – расходуемый электрод; 2 – шлаковая ванна; 3 – капли электродного металла; 4 – металлическая ванна; 5 – шлаковая корочка (гарнисаж); 6 – стенка водоохлаждаемого кристаллизатора; 7 – зазор; 8 – поддон; 9 – слиток; 10 – затравка
Рафинирующей средой при электрошлаковом переплаве служит шлаковая ванна. При этом имеются три границы взаимодействия жидкого металла со шлаком: пленка металла на торце электрода – шлак; металлическая капля – шлак; поверхность жидкой ванны в кристаллизаторе – шлак. Шлак защищает жидкий металл от воздействия атмосферного воздуха.
Кроме того, в процессе переплава на боковой поверхности слитка образуется шлаковая корочка (гарнисаж) толщиной 1… 3 мм, что обеспечивает естественную тепловую и электрическую изоляцию слитка от кристаллизатора и высокую чистоту его поверхности.
Разработчиком электрошлакового переплава является Институт сварки им. Е.О. Патона Академии наук Украины. Впервые этот метод был освоен в 1958 г. на заводе «Днепроспецсталь». Этим способом выплавляются стали и сплавы, цветные металлы и их сплавы.
2. Порошковая металлургия
2.1. Основные сведения о порошковой металлургии
Методами порошковой металлургии можно получить сплавы из металлов, не растворяющихся друг в друге при расплавлении, а также сплавы из тугоплавких металлов и металлов особо высокой чистоты. Порошковой металлургией изготавливают как заготовки, так и разнообразные детали точных размеров. Порошковая металлургия дает возможность получить пористые материалы и детали из них, а также детали, состоящие из двух (биметаллические) или нескольких слоев различных металлов и сплавов.
Методы порошковой металлургии хорошо зарекомендовали себя в получении материалов и деталей, обладающих высокими жаро- и износостойкостью, твердостью с заданными стабильными магнитными свойствами, особыми физико-химическими свойствами, механическими и технологическими свойствами, которые нельзя получить методами литья или обработкой давлением.
Укрупненно процесс производства деталей и изделий из порошковых материалов заключается в приготовлении металлического порошка, составлении шихты, прессовании и спекании заготовок.
2.2. Основные методы получения порошков
Металлические порошки получают механическими и физико-химическими методами. При механических методах для этого измельчают твердые или распыляют жидкие металлы без изменения их химического состава. Для измельчения твердых хрупких материалов применяют шаровые, вихревые и вибрационные мельницы. Измельчение исходного материала проводят ударным и истирающим действиями шаров (стальных, чугунных, керамических, фарфоровых). Следует учитывать, что при получении металлических порошков механическими методами возможно их загрязнение.
Шаровая мельница состоит из стального барабана, в который загружаются размалывающие шары и обрабатываемый материал. Частицы порошка, полученные в шаровых мельницах, имеют вид направленных многогранников размерами 100…1000 мкм. Размол в вихревых мельницах более интенсивен, чем в шаровых. В камере вихревой мельницы имеются два пропеллера, которые, вращаясь в противоположные стороны, создают пересекающиеся воздушные потоки. Материал (рубленая проволока, стружка, обрезки и другие мелкие куски), загруженный в камеру, захватывается воздушными потоками и благодаря взаимному соударению дробится на частицы размером 50…200 мкм. Полученные частицы имеют тарельчатую форму и зарубленные края.
Для получения тонких порошков из хрупких карбидов металлов и оксидов применяют вибрационные мельницы. Последние более производительны, чем вихревые и шаровые. Их работа основана на высокочастотном воздействии на измельчаемый материал стальных шаров и цилиндров при совершении барабаном мельницы круговых колебаний высокой частоты.
Порошки из жидкого металла получают в результате использования кинетической энергии воздуха, воды, пара или инертных газов, распыляющей струи расплава. Получаемые частицы порошка имеют размеры 50…350 мкм и форму, близкую к сферической.
При получении порошков физико-химическими методами измененяются химический состав и свойства исходного материала. Основными физико-химическими методами являются химическое восстановление металлов из оксидов, электролиз расплавленных солей, карбонильный метод и метод гидрогенизации.
Химическое восстановление металлов из оксидов осуществляется газообразными или твердыми восстановителями. В качестве газообразных восстановителей широко используют природный, доменный и углекислый газы, а также водород. Получающуюся при химическом восстановлении металлическую губку размалывают. Среди физико-химических методов получения порошков этот метод наиболее дешевый.
Порошки чистых и редких металлов (тантала, циркония и др.) в виде дендритов величиной 1…100 мкм получают электролизом расплавленных солей металлов. Электролиз позволяет получать чистые порошки из загрязненного сырья.
Карбонильный метод служит для получения порошков магнитного железа, никеля и кобальта в виде сфероидов величиной 1…800 мкм. Получающийся этим методом продукт при температуре 20…30 °С распадается на порошок металла и оксид углерода.
В основе метода гидрогенизации лежит восстановление хрома гидратом кальция. Получающаяся при этом известь вымывается водой, а порошок металла состоит из дендритов величиной 8… 20 мкм.
Порошки, полученные физико-химическими методами, наиболее тонкодисперсны и чисты. В зависимости от размера частиц их классифицируют по гранулометрическому составу на: ультратонкие (до 0,5 мкм), очень тонкие (0,5…10 мкм), тонкие (10…40 мкм), средней тонкости (40…150 мкм) и крупные (150…500 мкм). Характеристиками основных технологических свойств порошков являются насыпная масса, текучесть, прессуемость и спекаемость.
Насыпная масса – масса 1 см3 свободно насыпанного порошка в граммах. Если порошок имеет постоянную насыпную массу, то при спекании он будет характеризоваться постоянной усадкой. Один и тот же порошок будет иметь различную насыпную массу в зависимости от способа получения. Для изготовления высокопористых изделий следует использовать порошки с малой насыпной массой, а для деталей приборов и машин – с большой.
Текучесть – способность порошка заполнять форму. Она характеризуется скоростью прохождения порошка через отверстие определенного диаметра. С уменьшением диаметра порошка его текучесть ухудшается. Текучесть в большей степени влияет на равномерность заполнения формы порошком и на скорость уплотнения при прессовании.
Прессуемость – способность порошка уплотняться под действием внешней нагрузки. Она характеризуется прочностью сцепления частиц порошка после прессования. На прессуемость влияют пластичность материала, размер и форма частиц порошка. С введением в состав порошков поверхностно-активных веществ прессуемость их повышается.
Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц, возникающую в результате термической обработки прессованных заготовок.
2.3. Приготовление шихты, формование заготовок и изделий
Шихта в порошковой металлургии готовится следующим образом. Дозированные порции порошков определенных химического и гранулометрического состава и технологических свойств смешивают в барабанах, мельницах и других устройствах. При необходимости особо равномерного перемешивания шихты в нее добавляют спирт, бензин, глицерин и дистиллированную воду. Иногда в процессе смешивания вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы, облегчающие прессование (парафин, стеарин, глицерин и др.), легкоплавкие присадки и летучие вещества, позволяющие получать изделие с заданной пористостью.
Следующим этапом в получении порошковых полуфабрикатов является прессование.
Прессование порошков проводят в холодном или горячем состоянии прокаткой и другими способами. При холодном прессовании в матрицу пресс-формы засыпают шихту и рабочим пуансоном проводят прессование. После снятия давления изделие выпрессовывают из матрицы выталкивающим пуансоном. В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругой и пластической деформации, при этом резко увеличивается контакт между частицами и уменьшается пористость, что дает возможность получить заготовку нужной формы и достаточной прочности.
Прессование выполняют на гидравлических или механических (эксцентриковых, кривошипных) прессах. Давление прессования составляет 200…1000 МПа в зависимости от состава порошка и назначения изделия.
При горячем прессовании в пресс-форме изделие не только формуется, но и подвергается спеканию, что позволяет получить беспористый материал с высокими физико-механическими свойствами. Горячее прессование можно осуществлять в вакууме, а также в защитной или восстановительной атмосфере в широком интервале температур (1200…1800 °С) и при более низких давлениях, чем холодное. Наложение давления обычно проводится после нагрева порошков до требуемой температуры. Этим методом получают изделия из труднодеформируемых материалов (боридов, карбидов и др.).
Прокатка металлических порошков является непрерывным процессом получения изделий в виде лент, проволоки, полос путем деформирования в холодном или горячем состоянии. Прокатку осуществляют в вертикальном, наклонном и горизонтальном направлениях. Наилучшие условия формования обеспечиваются при вертикальной прокатке.
Процесс осуществляется следующим образом: порошок из бункера поступает в зазор между вращающимися валками и обжимается в заготовку, которая направляется в проходную печь для спекания, а затем прокатывается в чистовых валках. Для обеспечения нормальных условий формования необходимо, чтобы линейная скорость поверхности вращающихся валков была меньше скорости перемещения металлического порошка из бункера в зазор между валками.
Прокаткой получают ленты толщиной 0,025…3 мм и шириной до 300 мм, проволоку диаметром ∅ 0,25 мм. Непрерывность процесса обеспечивает высокую производительность и возможность автоматизации. После холодного прессования для придания изделиям необходимых прочности и твердости их подвергают спеканию.
Операция спекания заключается в нагреве изделия до температуры, равной 0,6…0,8 от температуры плавления основного компонента, и выдержке при данной температуре. Спекание выполняют в электропечах, индукторах или непосредственным пропусканием тока через спекаемое изделие. Для предотвращения окисления металлических порошков спекание осуществляют в вакууме, аргоне, гелии или среде водорода. Во избежание коробления тонкие и плоские изделия спекают под давлением. После спекания изделия подвергают отделочным операциям, калибровке, обработке резанием, электрохимической обработке, повторному прессованию и т.п.