Патент на изобретение №2184161

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ ИЗ СПЛАВОВ, СОДЕРЖАЩИХ ТУГОПЛАВКИЕ КОМПОНЕНТЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для получения высококачественных слитков из сплавов, содержащих тугоплавкие компоненты, в том числе при производстве сверхпроводников, путем сочетания вакуумного дугового переплава (ВДП) с вакуумной дуговой гарнисажной плавкой (ВДГП). Способ включает формирование расходуемого электрода из одного или нескольких прутков, вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода в кристаллизатор. Прутки изготавливают путем деформирования слитков первого переплава, полученных вакуумной дуговой гарнисажной плавкой, со степенью вытяжки, определяемой выражением n= D²/d²(19.7T_k/Т_c-18.6) / (Т_k/Т_с+2.86), где n – степень вытяжки; D – диаметр слитка ВДГП; d – диаметр прутка, полученного из слитка ВДГП; Т_k – температура плавления тугоплавкого компонента; Т_c – температура плавления сплава. Изобретение позволяет повысить выход годного на 4,4% за счет снижения степени вытяжки слитка первого переплава, а также снизить трудозатраты при изготовлении расходуемого электрода первого переплава на 11% по сравнению с ранее известными способами. 1 табл.

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано при получении высококачественных слитков из сплавов, содержащих тугоплавкие компоненты, отличающихся высокой химической однородностью и отсутствием дефектов усадочного происхождения, путем вакуумного дугового переплава (ВДП) в сочетании с вакуумной дуговой гарнисажной плавкой (ВДГП).

Известен способ получения слитков из сплавов на основе титана путем ВДГП с разливкой накопленного в тигле расплава в изложницу, при котором весь металл перед разливкой находится в жидком состоянии одновременно[1].

Недостатками данного способа является наличие в головной части слитка дефектов усадочного происхождения, поражающих до 40% массы слитка, а также наличие локальной химической неоднородности в теле слитка в виде участков, обогащенных тугоплавким компонентом при наличии таковых в составе сплава.

Известен способ получения слитков из сплавов на основе титана, не содержащих дефекты усадочного происхождения, при котором слиток ВДГП подвергают переплаву, например, в вакуумной дуговой печи [2].

Недостатком данного способа является наличие в теле слитков, полученных из сплавов, содержащих тугоплавкие компоненты, локальной химической неоднородности в виде участков, обогащенных тугоплавкими компонентами.

Наиболее близким по технической сущности способом, выбранным в качестве прототипа, является получение слитков из сплавов, содержащих тугоплавкие компоненты, например, на основе титана с ниобием, двойным ВДП, при котором в качестве расходуемого электрода второго ВДП используют слиток первого ВДП, подвергнутый деформации со степенью вытяжки, определяемой выражением n= D²/d²d², где n – степень вытяжки; D – диаметр слитка первого ВДП; d – диаметр слитка первого ВДП после вытяжки, что обеспечивает отсутствие локальной химической неоднородности в теле слитка второго ВДП, связанной с неполным растворением частиц тугоплавких компонентов сплава [3] – прототип.

Недостатками данного способа являются:
– высокие трудозатраты при изготовлении расходуемого электрода первого ВДП с возможно более равномерным распределением легирующих компонентов, особенно при использовании разнородной по фракционному составу шихты;
– возможность проявления химической неоднородности в слитке второго ВДП, связанная с тем, что при ВДП весь переплавляемый металл никогда не находится в жидком состоянии единовременно, что в свою очередь приводит к наследованию химической неоднородности, заложенной при формировании расходуемого электрода первого ВДП;
– высокая степень вытяжки слитка первого ВДП, необходимая для устранения локальной химической неоднородности в слитке второго ВДП, особенно при наличии в сплаве тугоплавких компонентов, температура плавления которых значительно превосходит температуру плавления сплава, что приводит к увеличению трудозатрат и снижению выхода в годное.

Технической задачей, решаемой с помощью данного изобретения, является получение слитков из сплавов, содержащих тугоплавкие компоненты, характеризующихся высокой химической однородностью и отсутствием дефектов усадочного происхождения.

Решение поставленной задачи достигают тем, что прутки изготавливают путем деформирования слитков первого переплава, полученных вакуумной дуговой гарнисажной плавкой, со степенью вытяжки, определяемой выражением
n=D²(19.7 Т_kT_c-18.6)/(Т_kT_c+2.86),
где n – степень вытяжки;
D – диаметр слитка ВДГП;
d – диаметр прутка, полученного из слитка ВДГП;
Т_k – температура плавления тугоплавкого компонента сплава;
Т_c – температура плавления сплава.

Проведенные заявителем эксперименты, результаты которых представлены в таблице, показывают, что при применении технологии ВДГП+ВДП необходимость применения вытяжки слитка ВДГП для исключения наличия участков локального обогащения тугоплавким компонентом в слитке ВДП возникает со значений _k/T_с>1.15. Так для сплава Ti – 1 мас.% V(T_k/T_c=1.15) в слитке ВДП, полученного из слитка ВДГП без вытяжки, участки, обогащенные тугоплавким компонентом (V), отсутствуют, тогда как в сплаве Ti – 52 мac.% Nb (T_k/T_c=1.23), в слитке ВДП, полученном из слитка ВДГП без вытяжки, отмечено наличие участков размером до 0.5 см, обогащенных Nb (до 67 мас.%).

Кроме того, эксперименты, проведенные с различными сплавами на основе Ti с Nb, Mo, Ta, W, позволили уточнить минимальную степень вытяжки в зависимости от T_k/T_с, обеспечивающую отсутствие локальной химической неоднородности в слитках, полученных ВДГП+ВДП.

Показано также, что применение в качестве первого переплава ВДГП вместо ВДП позволило снизить степень вытяжки в 2.5 раза (с 3.5 до 1.4).

Примером осуществления предлагаемого способа является получение слитка сплава Nb – 48 мac.% Ti, используемого при производстве сверхпроводников, путем ВДГП+ВДП, при котором расходуемый электрод ВДГП формировали из Nb-прутка диаметром 13х50 см, обложенного по образующей титановыми прутками диаметром 5х50 см и скрепленных с Nb-прутком аргонно-дуговой сваркой, а часть титана помещали в медный водоохлаждаемый тигель ВДГП с гарнисажем из сплава Nb – 48%Ti внутренним диаметром 30 см. Электрод сплавляли при мощности дуги 690 КВт с последующей разливкой накопленного в тигле расплава в изложницу, где формировался слиток диаметром 14.9х88 см массой 95 кг, который после обточки на токарном станке и проведения химического анализа, подвергали горячей прокате (деформация) со степенью вытяжки: n=1.4. Полученный после прокатки пруток диаметром 12,5 см обтачивали на токарном станке и переплавляли в ВДП в медный водоохлаждаемый кристаллизатор диаметром 18 см при мощности дуги 250 кВт с выведением усадочной раковины по специальному режиму, в результате чего был сформирован слиток диаметром 17.8х58 см массой 88 кг при выходе в годное 92.5%. Из головной части слитка ВДП длиной 20 см изготавливали продольный шлиф с целью выявления дефектов усадочного происхождения и участков, обогащенных тугоплавким компонентом (Nb).

Результаты исследований показали, что слиток сплава Мb – 48 мас.% Тi, полученный по предлагаемому способу, не содержит дефекты усадочного происхождения и участки с повышенным содержанием ниобия.

Применение предлагаемого способа позволило получить высококачественный слиток из сплава Nb – 48 мac.% Ti при снижении степени вытяжки слитка первого переплава в 2.5 раза и, соответственно, повысить выход в годное на 4.4% и снизить трудозатраты на 11% по сравнению с прототипом.

Приведенные результаты свидетельствуют о решении поставленной технической задачи и получении нового технического результата: создании способа получения высококачественных слитков из сплавов, содержащих тугоплавкие компоненты, путем ВДГП+ВДП, обеспечивающего повышение технико-экономических показателей процесса.

Предложенный способ может быть применен в промышленном производстве высококачественных слитков из сплавов, содержащих тугоплавкие компоненты, в том числе для изготовления сверхпроводников.

Источники информации
1. Неуструев А.А., Ходоровский Г.Л. Вакуумные гарнисажные печи. М., Металлургия, 1967 г. с.81.

2. Курдюмов А. В. , Пикунов М.В. и др. Производство отливок из сплавов цветных металлов. М., Металлургия, 1986 г., с.403.

3. Авт.св. СССР 382724, кл. С 22 С 1/02 – прототип.

Формула изобретения

Способ получения слитков из сплавов, содержащих тугоплавкие компоненты, включающий формирование расходуемого электрода из одного или нескольких прутков, полученных из слитков первого переплава, вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода в кристаллизатор, отличающийся тем, что прутки изготавливают путем деформирования слитков первого переплава, полученных вакуумной дуговой гарнисажной плавкой, со степенью вытяжки, определяемой выражением:
n= D²/d² (19,7 Т_k/T_c-18,6)/(T_k/T_c+2,86),
где n – степень вытяжки;
D – диаметр слитка вакуумной дуговой гарнисажной плавки;
d – диаметр прутка, полученного из слитка вакуумной дуговой гарнисажной плавки;
Т_k – температура плавления тугоплавкого компонента сплава;
Т_c – температура плавления сплава.

РИСУНКИ