Получение отливок в вакууме.

Урам С. 3.,

Металлургия, 1973 г.

В последние годы получило широкое распространение производство сложных отливок в вакууме.

В работах [1—4] сделан обзор развития данного метода за десять лет как в лабораторных, так и в промышленных условиях. Из табл. 1 видно, насколько широко данный метод используется в промышленности. В США в настоящее время около ста вакуумных установок применяют для получения отливок в вакууме и восемнадцать различных компаний ведут активную работу в этой   области.

В основном получают отливки из качественных сплавов на основе никеля. Однако в настоящее время используют сплавы на основе кобальта и железа.

С ростом объема производства увеличиваются размер и сложность «отливок.

Получение отливкидиаметром 2,54 х48,26 см можно считать установившейся практикой. Однако можно получать отливки большего размера, и субсидирующая фирма [5] ВВС исследует возможность получения отливок диаметром 127 см и высотой 30,48 см. Современная практика литья позволяет получать такие отливки как на воздухе, так и в вакууме.

При сравнении разных методов производства необходимо учитывать экономический фактор.

Метод литья по выплавляемым моделям позволяет получать детали полые с очень маленькой толщиной стенки. Литые лопатки со стенкой 0,05 см производятся на нескольких предприятиях.

Получение отливок

Технологический процесс получения отливок на воздухе и в вакууме в принципе одинаков. Основное различие состоит в степени контроля.

Поскольку эти отливки применяют для ответственных деталей в авиационной промышленности, требуется строжайший контроль за качеством. Технологические операции получения отливок показаны в виде диаграммы на рис. 1.

Для каждой отливки должна быть получена восковая модель. 

Прессформа для получения восковой модели должна обеспечить точный размеротливки с учетом усадки воска В случае получения полой отливки в прессформу сначала кладут керамический стержень с точной формой внутренней полости отливки, затем воск заливают в прессформу.

Полученные восковые модели при помощи воска сваривают в большие блоки. Это делают для получения общей литниковой системы, способной компенсировать усадку при затвердевании и в целях экономии.

Форму, называемую керамической коркой, получают путем погружения восковой модели в сборе в керамическую краску и обсыпания специальным песком. процесс повторяют несколько раз для получения формы толщиной ~0,6 см. На рис. 2 показана такая форма и разрез ее дан на рис. 3. На рис. 2, 3 показана форма для отливки тонкостенных лопаток. Первые слои корки изготавливают из очень мелкого керамического материала для получения хорошей поверхности отливки, последующие слои изготавливают из грубого материала для получения прочности формы.

После удаления воска форму прокаливают. Обычно формуобжигают при 975° С и подают для заливки металла из печи.

Горячую форму помещают в вакуумнуюкамеру и заливают. Этот процесс более подробно описан в следующем разделе. В случае заливки на воздухеметалл заливается в форму сразу же после извлечения из прокалочной печи.

В большинстве случаев поверхность отливок, полученных описанным методом, вполне удовлетворительна. Поэтому требуется только обрезать литниковую систему и зачистить эти места.

Керамический стержень удаляют из отливки при помощи каустической соды или плавиковой кислоты.

Контроль качества включает в себя визуальный осмотр поверхности. Многие отливки проверяют по сложным калибрам для уточнения правильности формы. Некоторые части отливок подвергают рентгеновскому контролю для определения внутренних дефектов. Очень часто отливки перед рентгеновским контролем подвергают травлению. Часто это делают для определения формы и размеров строения зерна.

Методы литья в вакууме

Целью применения вакуума является создание защитной атмосферы над жидким металлом.

При содержании алюминия и титана в сплавах требуется, чтобы О2 и N2 были удалены из системы, так как титан и алюминий необходимы как легирующие для образования упрочняющих фаз в сплавах на основе никеля для придания прочности при повышенных температурах. Содержание алюминия и титана в количестве —0,2% является тем минимумом, при котором необходимо применять вакуум. В табл. 2 представлены распространенные литые сплавы, работающие при повышенных температурах. Эти сплавы содержат титан и алюминий в количествах >1%, поэтому должны отливаться в вакууме.

Получение отливок в вакууме является процессом переплава. Это значит, что исключены рафинирование или добавка легирующих. Многие печи приспособлены для добавки легирующих, но только для экспериментальных целей. При промышленном производстве необходимо только переплавлять шихту, предварительно полученную в других агрегатах.

Шихта во многом определяет свойства отливок. Необходимо, чтобы исходная шихта содержала меньше газов и включений. Исходная шихта должна иметь не только определенный химический состав и механические свойства. Обычно исходные заготовки изготавливают 10

массой от 1,2 до 2 кг, но не более 10 кг. С точки зрения производства желательно иметь заготовки с большей массой, чтобы уменьшить число испытаний. На практике же конструкции существующих печей не позволяют получать слитки большой массы. Они должны увеличиваться с ростом производства литья в вакууме.

Исходная шихта готовится в виде заготовок диаметром 7,62 см в зависимости от емкости и размеровпереплавных агрегатов.

Важным фактором является глубина вакуума. Промышленные печи для производства высококачественных сплавов могут работать при абсолютном давлении 15-10"3 мм рт. ст. Не меньшее значение имеет скорость натекания, которая не должна превышать 5 мкм/мин. скорость натекания приобретает особенно важное значение при использовании мощных насосов, позволяющих иметь необходимый уровень давления при наличии течей.

Конструкции вакуумных печей

Имеется несколько конструкций печей для литья, наиболее простая описана ниже. Печь открывается между плавками для загрузки новой формы и воронки для литья. Циклработы включает следующие операции: 1) чистка тигля от предыдущих плавок; 2) загрузка шихты; 3) загрузка формы; 4) закрытие печи и начало откачки; 5) достижение высокого вакуума, подогрев шихты; 6) расплавление, замер температуры, разливка; 7) охлаждение в вакууме; 8) напуск воздуха.

Форма должна иметь хорошую тепловую изоляцию, загружаться в контейнер с горячим огнеупорнымматериалом или в специальное устройство для подогрева. Хотя потеря тепла в вакууме меньше, указанный выше Цикл может привести к значительной потере тепла формой. Тигель должен чиститься между плавками из-за периодического действия печи, так как напуск воздуха вызывает окисление остатков металла на тигле. Преимущества этого типа печей — низкие капитальные затраты и простота работы.

Более предпочтительными являются печи непрерывного действия фирмы «Арвуд Корпорейшн». В этих печах две камеры: плавильная и литейная. Плавильная камера находится под вакуумом непрерывно, а загрузка и выгрузка форм осуществляется в литейной камере. Циклработы такой печи следующий: 1) загрузка; 2) расплавление; 3) удаление из литейной камеры остывшей в вакууме предыдущей формы; 4) загрузка новой формы, закрытие литейной камеры; 5) откачка литейной камеры; 6) соединение двух камер; 7) установкаформы для разливки, замер температуры, разливка.

Печи этого типа оснащены мощными насосами и мощным генератором. Время цикла такой печи —6 мин для небольших количеств металла (~8 кг или менее). Схемавакуумнойсистемы печи показана на рис. 4.

Поскольку плавильная камера все время находится под вакуумом, то окисление остатков металла в тигле не составляет проблемы. Однако загрязнение тигля окислами или шлаком, образующимися из исходной шихты, является проблемой, так как печи не оснащены

приспособлением для чистки без нарушения вакуума. Ограничением скоростиработы такой печи является процесскристаллизации отливок, удаление формы и откачка литейной камеры. Печи такого типа оснащены поворотным столом для увеличения числа форм, заливаемых от одной плавки. Такие печи позволяют заливать большие формыдиаметром до 58,42 см. Печи, показанные на рис. 10, подобны описанным. Печи этого типа характеризуются тем, что форма располагается на столе ниже плавильной камеры и поднимается затем под заливку. Шибер открывается перед заливкой.

Как уже отмечалось, основной целью литья в вакууме является получение отливок с минимальным содержанием неметаллических включений. Имеется несколько источников неметаллических включений, которые рассмотрены ниже.

При производстве исходной шихты предусматривают все необходимое для получения качественных отливок. Однако при переплаве возможно загрязнение металла. Исходные заготовки перед плавкой очищают пескоструйкой. Однако имеющиеся раковины в ней, которые

невозможно вычистить пескоструйкой, могут служить источником загрязнения металла при переплаве. Поэтому для исходной шихты ограничиваются количество и размеры усадочной раковины.

Окисление металла в процессеплавки может служить источником неметаллических включений, поэтому необходимо контролировать глубинувакуума и скорость натекания.

Тигель является основным источником дефектов в отливке. В работе [6] подробно рассмотрены вопросы влияния эрозии тигля, стойкости его и т. д. на качество металла. Наиболее удовлетворительным материалом тигля следует считать ZrO2 и А12О3. Магнезит не рекомендуется для сплавов на никелевой основе. В течениевакуумнойплавкиТигель подвергается воздействию различных температур. Поскольку тигли из алюминия и циркония плохо противостоят воздействию термического удара, то время загрузки шихты должно быть минимальным. Работа [8] посвящена вопросу взаимодействия материала тигля с металлом в условияхвакуумной плавки, проведен термодинамический анализ. Непрерывная Работа печи уменьшает воздействие термического удара на стойкость тигля. При такой работе не происходит окисления металла, остающегося в тигле. Однако если образуется шлак, то нет возможности чистить тигель.

В случае периодической работы печи опасность разрушения тигля эрозией и воздействия термического удара становится проблемой. Частичное решение этой проблемы дает применение сменных тиглей. В последнее время имеется значительный успех в улучшении качества тиглей.

Поскольку форма может служить источником неметаллических включений, необходимо строго контролировать все операции для получения корки высокого качества. Для изготовления формы выбирают материалы, стойкие против термического удара. Возможен также контроль частичек керамики внутри формы, но не всегда можно обследовать все части формы. Остатки воска также могут служить источником загрязнения.

Потенциальным источником включений может быть камера печи. На стенках плавильной камеры могут накапливаться частички пыли из формы или в виде конденсата. Конденсат может окисляться и попадать в металл или форму.