Полуфабрикаты из титановых сплавов

Александров В.К. и др.

Металлургия, 1970 г.

НАГРЕВ СЛИТКОВ, ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЗАГОТОВОК И ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

1. ОСОБЕННОСТИ НАГРЕВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Рациональный способ нагрева титановых сплавов следует выбирать, исходя из особенностей физико-химических свойств титана. Наиболее важной характеристикой, во многом определяющей выбор способа нагрева, является теплопроводность. По сравнению с медью, алюминием, железом и никелем титан имеет пониженные значения теплопроводности (рис. 1) [1].

С повышением температуры теплопроводность титана увеличивается, при этом данные, приводимые разными авторами, не всегда совпадают. Так, по данным И. Л. Безручко [2], при нагреве до 1000°С теплопроводность увеличивается на 70%, а по данным В. П. Выбойщикова в 2—3 раза. Изменение теплопроводности при нагреве до 1000° С для сплавов ВТ6С, ВТ16 и ВТ18, по данным работы [2], показано на рис. 2.

С низкими значениями теплопроводности титановых сплавов связаны основные трудности, возникающие при нагреве: довольно длительное время при поверхностном способе нагрева и большие перепады температур по сечению при нагреве крупногабаритных заготовок.

В отличие от сплавов на основе меди, железа, никеля, у которых теплопроводность снижается с повышением температуры, у титановых сплавов она возрастает.

Второй, не менее важной особенностью титановых сплавов при нагреве, является активное взаимодействие их с воздушной атмосферой при повышении температуры. При нагреве выше 600—650° С титан активно взаимодействует с кислородом, а выше 850° С — с азотом, образуя поверхностный слой значительной величины, насыщенный этими газами. Так, например, при поверхностном способе нагрева титановой заготовки диаметром 350 мм до температуры 1100—1150° С потребуется не менее 3—4 ч выдержка в интервале температур активного взаимодействия титана с газами, что приведет к образованию газонасыщенного слоя толщиной не менее 1 мм. Такой слой ухудшает деформируемость сплавов, вызывает необходимость промежуточной механической обработки, что значительно увеличивает потери металла.

Итак, низкая теплопроводность титана и высокая активность его взаимодействия с окружающей средой делают не оптимальными способы, основанные на поверхностном нагреве с длительным пребыванием заготовки при высоких температурах. Поэтому для титана и его сплавов желательно использовать нагрев заготовок в индукторах или контактным способом. Однако принцип действия индукционных и контактных нагревательных устройств и их конструктивное решение вносят дополнительные ограничения для использования этих наиболее рациональных способов при нагреве полуфабрикатов различных форм и сечений. Поэтому в промышленном производстве применяют также способы поверхностного нагрева в электропечах сопротивления, пламенных печах, печах-ваннах.

Сущность индукционного нагрева состоит в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощенной нагреваемым объектом, в тепловую. Магнитное поле создается спиральной катушкой, выполненной из водоохлаждаемой медной трубы, по которой пропускается переменный ток.

При индукционном нагреве в отличие от электроконтактного нагрева отсутствует непосредственный электрический контакт с нагреваемой заготовкой.

Основными преимуществами индукционного способа нагрева являются: высокий к. п. д. (до 70%), высокая скорость нагрева, компактность и простота установки, возможность регулирования мощности для выравнивания температуры, высокая производительность установок, отсутствие каких-либо особых требований к качеству поверхности заготовки, лучшие санитарно-гигиенические условия труда.

Недостатками этого метода следует считать: необходимость обеспечения постоянства сечения нагреваемой заготовки; узкий диапазон размеров заготовок, нагреваемых в одном индукторе; значительная неравномерность нагрева заготовки из-за выделения основного количества энергии в объеме, близком к поверхности.

Анализируя перечисленные преимущества применительно к нагреву титановых сплавов, следует отметить, что высокая скорость нагрева заготовок большого диаметра резко повышает производительность установок и создает лучшие условия для их нагрева без образования газонасыщенного слоя большой толщины.

В настоящее время индукционный нагрев широко применяется на всех технологических переделах производства титановых полуфабрикатов. Наиболее эффективно его применяют при нагреве прутков и слябов под прокатку и слитков под ковку и штамповку.

Применяются установки двух типов: периодического действия и методические. В методической печи одновременно находятся несколько заготовок, которые в процессе нагрева перемещаются через индуктор. Этот способ наиболее пригоден для нагрева заготовок сравнительно небольшой массы до невысокой температуры. При необходимости нагрева больших заготовок (2—5 т) до высокой температуры (1200—1250° С) более рационально использовать периодические печи с вертикальным расположением индукторов. При вертикальном расположении заготовки меньше нагрузка на тепловую изоляцию печи и исключается трение заготовки о направляющие, что имеет место в печи с горизонтальным расположением индуктора.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом работает большое число индукционных печей с высокой степенью автоматизации всего процесса нагрева. С автоматизацией индукционных печей можно ознакомиться по литературным источникам [3—6].

Важнейшим фактором при индукционном нагреве является перепад температур по сечению нагреваемого слитка или заготовки. Для титановых сплавов неравномерное температурное поле по сечению заготовки может привести к большой структурной неоднородности, которая не всегда устраняется в процессе деформации. Характерной особенностью титановых сплавов является образование перегретой зоны вблизи поверхности. Учитывая высокую температуру нагрева титановых сплавов под деформацию, перегрев в отдельных участках может привести к местному расплавлению металла и выбросу его при последующей деформации. Причины развития этого явления заключаются в том, что глубина проникновения тока в заготовках из титановых сплавов около 70—100 мм, при этом наличие значительных тепловых потерь с поверхности заготовки и низкая теплопроводность титановых сплавов создают условия для возникновения на определенном расстоянии от поверхности зоны со значительно более высокой температурой. Появление таких зон при нагреве крупных слитков из титановых сплавов перед деформацией наиболее опасно.

Исследованию температурного поля титановых слитков при индукционном нагреве посвящен ряд работ, в которых при помощи термопар, зачеканенных на различном расстоянии от поверхности, замерялось температурное поле слитка. Наиболее обстоятельно эти эксперименты проведены в работе [2]. Типичное распределение температур по объему слитка показано на рис. 3 и 4. На этих рисунках хорошо видна величина перепада между центром и поверхностными слоями. Формирование перегретого слоя начинает происходить спустя 4—10 мин с начала нагрева. По мере нагрева увеличивается разность температур центра и поверхности и повышается величина тепловых потерь с боковой поверхности слитка. Проведенные замеры показали четкую зависимость между величиной перегрева и положением перегретого слоя по отношению к поверхности.

На рис. 5 видно, что чем выше температура поверхности, тем больше перепад в перегретой зоне и тем ближе к центру она располагается.

Понижение мощности нагрева благоприятно влияет на распределение температур в объеме слитка. Большая мощность приводит к резкому возрастанию температурного перепада по сечению нагреваемой заготовки, что может привести к возникновению термических напряжений, способствующих растрескиванию, и повышению температуры перегретой зоны. Понижение мощности приводит к уменьшению общего перепада температуры по сечению слитка и тем самым к выравниванию температуры в зоне перегрева.

Таким образом, при разработке промышленных режимов нагрева титановых слитков, помимо протяженности и расположения перегретой зоны, необходимо еще учитывать величину общего перепада температур, которую можно регулировать подаваемой мощностью в период нагрева. Так, например, слиток диаметром 720 мм можно нагревать 4 ч при максимальной мощности, при этом температура центра слитка составит 860° С, поверхности 1175° С, а перегретой зоны 1290° С, а дальнейший нагрев проводить на пониженной мощности, при этом уже через 1ч 10 мин температура промежуточной зоны и центра выравнивается и составляет 1015° С. При дальнейшем нагреве на этой мощности температура центра становится выше температуры поверхности и поэтому перед самой выгрузкой установку включают на 20— 25 мин на максимальную мощность с целью подогрева поверхностных слоев. Нагрев по такой схеме обеспечивает перепад температур не выше 80—90 град.

С учетом сказанного режим нагрева слитков, в частности продолжительность повторного нагрева в зависимости от температуры и длительности отключения, устанавливают в соответствии с данными, приведенными в табл. 1.  Дополнительные трудности возникают при нагреве слитков в методических индукционных печах или в тех случаях, когда необходимо применять бутафорные слитки с торцов с целью устранения дополнительных температурных перепадов.

В работе [7] показано, что максимальная температура, устанавливающаяся в зоне контакта токонесущих слоев двух слитков, может превышать температуру слитка в любой зоне примерно на 30 град. Авторы предложили торцовкой слитка устранить контакт поверхностей по токонесущей зоне. Проведенные опыты показали, что температура в месте контакта по бобышке на 120 град ниже, чем в наиболее нагретой зоне слитка. Режим нагрева слитков диаметром до 420 мм, в частности длительность повторного нагрева в зависимости от температуры и длительности отключения, приведен в табл. 1.

Нагрев заготовок меньшего размера в индукционных печах имеет свои особенности и связан с выбором оптимального соотношения между продолжительностью нагрева и перепадом температур поверхности и центра заготовки.