Рис. 8.4. Схема вакуумно-дуговой печи с расходуемым электродом для плавки титановых сплавов:
1 — вакуумная камера, 2 — электрическим кабель, 3 —шланги водяного охлаждения.
Выплавил ТИТАН из белого красителя. Слиток титана своими руками.
4 — водоохлаждаемый тигель, 5 — гарнисаж, б — соленоид, 7 — расходуемый электрод, 8 — держатель, 9 — вращающийся стол, 10 — литейная форма
Расплавленный титан реагирует практически со всеми известными огнеупорными материалами (оксидами алюминия, магния, кремния и др.), что затрудняет выбор удовлетворительного материала для плавильных тиглей. В гарнисажной печи расплавленный титан находится в контакте со слоем твердого титана толщиной 5—50 мм, называемым гарнисажем и постоянно поддерживаемым на стенках и дне водоохлаждаемого тигля. При вакуумной гарнисажной плавке исключается взаимодействие расплава с атмосферой и материалом тигля, что повышает однородность металла и предупреждает появление в отливке тугоплавких включений. Вакуумная дуговая печь (рис. 8.4) с расходуемым электродом имеет вакуумную камеру 1, в которой расположен медный водоохлаждаемый тигель 4 со шлангами водяного охлаждения 3 и электрическим кабелем 2. Для фокусирования дуги и перемешивания ванны жидкого металла служит расположенный вокруг тигля соленоид 6. Футеровкой тигля служит гарнисаж 5. Расходуемый электрод 7, прикрепленный к держателю 8, изготовляют из сплава, подлежащего плавлению.
После расплавления расходуемого электрода печь поворачивают и производят заливку расплава во вращающуюся на столе 9 форму 10, Под действием центробежных сил расплав хорошо заполняет форму, отливка получается плотной, без газовых раковин. Прибыли устанавливают не на верхнюю, а на боковую часть питаемого узла, при этом металл под действием центробежных сил двигается от прибыли к отливке.
Литейные формы, изготовленные из обычно применяемых огнеупорных материалов, не могут быть применены для получения отливок из титана по отмеченным ранее причинам. Широко распространены графитовые формы. Их изготовляют из смесей, в состав которых входят в качестве основы графит, в качестве связующего — смолы, пеки. Смеси уплотняют на встряхивающих или прессовых машинах под давлением 0,2—0,8 МПа. Изготовленные формы после выдержки на воздухе от 8 ч до 3 сут подвергают сушке при температуре 120°С и обжигу в восстановительной атмосфере при 700—980 °С в течение 1—24 ч. При этой температуре связующее коксуется и из формы практически полностью удаляются все летучие вещества.
Применяются и оболочковые графитовые формы с фенолоформальдегидной смолой в качестве связующего. Мелкие сложные тонкостенные отливки из титановых сплавов получают в неразъемных формах, изготовленных по выплавляемым моделям. В состав суспензии входит высокодисперсный графитовый порошок и связующее на основе фенолоформальдегидных смол, в качестве обсыпочного материала — зернистый графит.
В настоящее время разрабатываются процессы изготовления форм на основе использования обычных огнеупорных материалов (Al2O3, MgO) с применением защитных углеродных, карбидных и металлических покрытий, повышающих инертность форм к расплавленному титану и его сплавам.
Контрольные вопросы
1. Какие печи используют для плавки медных, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов?
2. Как предохраняют сплавы цветных металлов от окисления в процессе плавки и литья?
3. С какой целью проводят операцию рафинирования? Назовите способы рафинирования.
4. Что такое модифицирование сплавов? Расскажите о модифицировании алюминиевых и магниевых сплавов.
5. Расскажите об особенностях плавки и литья титановых сплавов.
Источник: www.stroitelstvo-new.ru
Литье титана
Титан — молодой металл. Он был открыт в конце 18 века. Титан обладает высокой температурой плавления (1670 °C), малым удельным весом (4.5 г/см 3 ) и высокой прочностью и коррозионной стойкостью.
Высокая цена и сложность обработки металла обуславливают его относительно узкое применение в промышленности — только для самых ответственных деталей. Из легкого и прочного металла делают высоконагруженные детали и узлы в аэрокосмической, оборонной и нефтяной отраслях.
Технология литья из титана
Сложность технологии титанового литья обуславливается высокой температурой плавления и очень высокой химической активностью жидкого титана. Он пытается вступить в реакцию со всеми газами, содержащимися в воздухе. Поэтому литье титана традиционно проводили в атмосфере инертных газов.
Для этого плавильные печи изолировали от атмосферы, нагнетая в них специальные газы и создавая избыточное давление. Впоследствии были разработаны вакуумные плавильни-литейные установки. Они объединяют в одном вакуумированном объеме, процессы расплавления металла, его литья и остывания отливки. Литье производится в графитовые формы.
Наравне с этой технологией применяется и метод вакуумного литья по выплавляемым моделям. Используется также и технология оболочечного литья. Современные методы литья позволяют получать прочные и однородные отливки, удовлетворяющие самым придирчивым конструктивным требованиям. Метод литья также обладает преимуществом перед механической обработкой на станках и сваркой лучшим коэффициентом использования металла. Многие производители стали шире применять литые детали вместо фрезерованных.
В художественном литье металл широкого применения не нашел из-за сложности производства. Широкую известность в мире искусства получила первая отлитая из титана статуя Юрия Гагарина в Москве.
Область применения титановых сплавов
Титан обладает прекрасными конструкционными свойствами: он прочен (вдвое прочнее алюминия), легок (почти вдвое легче стали), упруг, не ржавеет, хорошо выдерживает напряжения растяжения, сжатия и скручивания. От широкого применения легкого и прочного металла сдерживает его высокая стоимость и сложность обработки.
Из титана делают самые ответственные высоконагруженные детали в аэрокосмической отрасли — там, где малый вес важнее высокой цены. Это как детали планера самолета, так и детали двигателя — крыльчатки нагнетателей и воздухозаборники. Титан также широко применяется в производстве вооружений — от деталей стрелкового оружия и бронежилетов до корпусов подводных лодок, выдерживающих погружение на рекордные глубины в 1000 метров. В нефтегазовой отрасли литье титановых сплавов применяется для изготовления труб и запорной арматуры для установок нефтегазодобычи, нефтепроводов и нефтегазоперерабатывающих заводов.
Прокат и литье из титана применяется также для производства деталей элитных и гоночных автомобилей и мотоциклов, велосипедов и часов. Благодаря физиологической инертности из титановых сплавов делают также зубные и костные протезы.
Основные характеристики титановых сплавов
Высокая реакционная способность титана позволяет производить его сплавы со многими металлами, получая материалы со значительно улучшенными и даже уникальными свойствами. Сплав с никелем Нитинол обладает эффектом «памяти формы» и широко используется в медицине и аэрокосмической отрасли
Сплавы с алюминием отличаются стойкостью к продолжительному нагреву и коррозионной устойчивостью, что позволяет применять их в авиации и автостроении. Сплав с барием используется как газопоглотитель в электронно-лучевых трубках и высоковакуумных насосах. Широко применяется сплав с алюминием. Ti-6Al-4V (или ВТ6), примерно 6% алюминия и около 4% ванадия. На него уходит почти половина производимого титана. Ферротитан (сплав с железом, содержащий 18—25% титана) используют при производстве стали для ее раскисления и для связывания неметаллических примесей Титан используется и как присадка для легирования специальных сталей: высокопрочных, жаростойких и для особо тяжелых условий эксплуатации
Литье титана по выплавляемым моделям
Этот метод чаще применяется при литье отливки небольшого размера со сложной конфигурацией или тонкими стенками. Модели изготавливаются из воска или полистирола. Модель полностью повторяет конфигурацию готового изделия, но имеет увеличенные на величину литейной усадки размеры.
Модель также включает в себя небольшие вертикальные стержни до уровня засыпки формы, применяемые для формирования литьевых отверстий. Через литники в форму поступает расплавленный металл. Модели объединяют в блоки, которые помещают в опоку, которую заполняют высокодисперсным графитовым порошком. Уплотнение производится вибрационным методом.
Для достижения лучшего уплотнения порошка уплотнение производят послойно. По готовности форму с блоком моделей помешают в вакуумированную камеру и заливают в нее расплав.
Раскаленный жидкий металл расплавляет материал модели и вытесняет его в виде газов прямо через стенки формы. Расплав заполняет форму, в точности повторяя все детали ее рельефа. Остывание отливок проводится по специальному графику, чтобы снизить вероятность возникновения остаточных напряжений в металле.
Материалы и оборудование для литья титана
Вследствие высокой активности нагретого титана для его литья приходится применять специфическое оборудование. Плавильный агрегат и машина литья литейных форм размещаются в герметичной вакуумированной камере. Высокопроизводительные насосы откачивают как воздух на начальном этапе, так и удаляют газы, образующиеся при плавлении и отливке.
Обычные керамические тигли для плавки не подходят, вместо них используют графитовые. В электродуговых печах, где нагрев идет изнутри, используют охлаждаемые емкости, покрытые тонким слоем металлического титана — так называемые гарнисажи.
Сверху в тигель опускается расходуемый электрод. Автоматическая подача поддерживает постоянное расстояние от электрода до поверхности расплава по мере его расходования. Ниже тигля находится блок литейных установок, в который расплав подается под действием своего веса. Для улучшения распределения расплава по форме блок с формами может вращаться.
Время опрокидывания тигля определяется исходя из постоянно контролируемых параметров — температуры тиглей, давления, химического состава расплава. 
Пресс-формы делают из графита. В последнее время вместо дорогостоящих графитовых форм начинают применять формы из обычных огнеупорных материалов со специальным тонким защитным покрытием, препятствующим вступлению титана в реакцию. Сложность технологических процессов, высокая цена оборудования и расходных материалов, высокая квалификация персонала делают процесс отливки титана доступным лишь для специализированных промышленных производств.
Источник: sterbrust.tech
Как в России производят титан: технология настоящего
Есть ли среди российских предприятий такое, продукция которого имеет значение буквально для всего мира? Сложная история российской промышленности в новейшее время подсказывает ответ «нет». Но как минимум одно такое производство существует точно.
Олег Макаров
Это титановый гигант ВСМПО-АВИСМА — неотъемлемая часть мирового авиапрома. Современные «Эрбасы», «Боинги», «Эмбраеры», да и наши «Суперджеты», обязательно несут в себе детали, чей путь начался в городе Верхняя Салда Свердловской области.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Легкость, прочность, ударная вязкость, стойкость к высоким температурам — все это превратило титан в незаменимый материал для аэрокосмической промышленности. Но, конечно же, не чистый титан, а его разнообразные сплавы, в которых благодаря легирующим элементам полезные свойства титана усиливаются многократно, а недостатки нейтрализуются.
Выплавленные из расходуемых электродов титановые слитки ожидают самые разные метаморфозы. На кузнечном производстве их могут превратить в биллеты, слябы, кольца и другие заготовки. 1. Гидравлический пресс огромным давлением формует из слитка заготовку. Поскольку в процессе обработки металл остывает, транспортер увозит заготовку в печь на дополнительный подогрев, а потом возвращает на пресс.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Россия удачно села на «титанового конька» и планирует развивать успех. Сейчас в районе Верхней Салды создается особая экономическая зона «Титановая долина». Это не проект ВСМПО-АВИСМА, хотя ведущее титановое предприятие России и мира претендует здесь на статус резидента.
В «долине» будут развиваться производства по механической обработке изделий из титановых сплавов, то есть цель проекта — создавать в России как можно больше добавленной стоимости и как можно меньше отдавать на сторону сырья или заготовок с невысокой степенью обработки. Этим же путем идет и само Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение. Его партнер по корпорации, предприятие АВИСМА из Березников (Пермский край), занимается сырьем, а ВСМПО — металлургией.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
2. Отформованные заготовки транспортер выкладывает на специальную площадку для остывания.
Сильнее автобуса
Почему производство титана для аэрокосмической отрасли распределено во всем мире между столь немногими предприятиями? Потому что это дорогое и сложное производство, которое должно обеспечить высокий уровень качества и надежности.
Михаил Ледер, директор научно-технического центра ВСМПО, показывает нам презентацию, где наглядно продемонстрировано, какие нагрузки испытывают разнообразные детали из титановых сплавов. Нагрузка на лопатку турбины эквивалентна весу переполненного лондонского автобуса-«даблдекера», а диск турбины постоянно «останавливает» легковой автомобиль, несущийся со скоростью 100 км/ч. «Если диск или лопатка разрушатся из-за некачественного металла, — говорит Михаил Ледер, — нетрудно себе представить, какой катастрофой все закончится: куски титана с огромной скоростью прошьют самолет, как шрапнель.
А стойки шасси? Если они не выдержат нагрузки при посадке, последствия тоже будут печальными. Именно поэтому на нас и нашей продукции лежит высокая ответственность. Брак здесь недопустим».
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
3. Производство цельнокатаных колец из титана осуществляется на кольцераскатном стане. Кольца применяются в авиационном двигателестроении и ракетной технике.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
В Верхнюю Салду мы приехали, чтобы посмотреть, как создаются титановые сплавы и титановые изделия, которые так востребованы во всем мире. ВСМПО — предприятие с богатой историей. Оно берет свое начало от завода алюминиевых изделий в Москве, основанного в районе станции Сетунь в 1933 году.
В годы вoйны завод эвакуировали в Верхнюю Салду на площадку предприятия, занимавшегося производством крупных металлоконструкций. Когда наступила ракетно-космическая эпоха, здесь по поручению партии и правительства занялись титаном: первый слиток, полученный в 1957 году, до сих пор хранится в музее ВСМПО. Верхняя Салда — моногород, большинство его жителей так или иначе связаны с ВСМПО, и, честно говоря, в соседстве с таким могучим и знаменитым предприятием город мог бы выглядеть и получше. Объяснение плохим дорогам, некошеным газонам и не радующим глаз жилым домам — стандартное для нашей прекрасной российской глубинки: все деньги уходят в центр, городу перепадает мало. Остается лишь надеяться, что дальнейшее развитие отрасли, в частности появление «Титановой долины», даст урбанистическому росту Верхней Салды новый позитивный импульс.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Тающий электрод
Титан не лежит в земле в слитках. Его выделение из руд в металлическом виде представляет собой довольно сложный физико-химический процесс. Последний этап — восстановление титана из тетрахлорида с помощью магния и высоких температур. Конечным продуктом этой операции становится губчатый титан — остающиеся в печи большие пористые блоки.
Эти блоки дробят, создавая шихту, с которой уже могут работать мастера плавки. ВСМПО получает титановую шихту с «братского» предприятия в Березниках. Дальше нужно создать сплав, добавив в титан такие элементы, как алюминий, хром, молибден. Плавят титан в вакуумно-дуговых печах, и это значит, что для начала сыпучая шихта должна превратиться в так называемый расходуемый электрод.
Шихта, состоящая из мелких фрагментов разной формы, вместе с отходами титанового производства и необходимыми присадками формуется с помощью вертикального гидравлического пресса в длинный цилиндр — он-то и станет расходным электродом. Снаружи он выглядит довольно рыхлым, по нему даже то здесь, то там могут пробегать трещины, но электрод обладает достаточной прочностью, чтобы не разрушиться, когда его подвесят в печи. Как нам рассказали на предприятии, технология создания расходуемого электрода исключительно с помощью пресса практикуется только в России. В других странах применяется более дорогая технология плазменной сварки электрода из отдельных прессованных элементов, но российский метод вполне обеспечивает требуемое качество электрода.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Прошедшие первичную мехобработку балки тележек для самолетных шасси. Крупнейшие изделия такого типа размещаются на двухэтажном лайнере А380.
В печи образуется дуга между висящим электродом и стекающим вниз расплавленным металлом. Посмотреть на этот процесс во всей красе нельзя, однако можно заглянуть в оптический прибор, который стоит на пульте оператора плавки. В него виден переливающийся тоненький бело-голубоватый полумесяц — это приоткрытый участок поверхности жидкого титанового сплава.
Продуктом плавки становится цилиндрический слиток. Что происходит со слитком? Ему снова суждено стать электродом. В той же самой печи титан (а точнее, сплав) переплавляется еще раз. Цель — добиться гомогенности и химической однородности металла.
В принципе, говорят нам инженеры, двух раз достаточно. Но если речь идет о металле rotor-grade, то есть о таком, который идет на изготовление деталей газотурбинных двигателей, то его подвергают для надежности третьей плавке.
Источник: www.techinsider.ru