Литье титана по выплавляемым моделям - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Литье титана по выплавляемым моделям

Изготовление литейных форм по выплавляемым моделям

Для изготовления сложных по конфигурации и тонкостенных отливок наиболее распространено литье из титановых сплавов в формы, получаемые по выплавляемым моделям. Метод позволяет максимально приблизить заготовку к готовой детали, а в ряде случаев получить литую деталь, не требующую дополнительной обработки, вследствие чего резко снижаются трудоемкость и стоимость изготовления деталей из титановых сплавов.

Технологический процесс изготовления форм по выплавляемым моделям для титанового литья в основном подобен процессу изготовления форм для стального литья. Последовательность современного промышленного варианта процесса получения отливок методом литья по выплавляемым моделям рассмотрим на примере изготовления отливки, которая представлена на рис. 8.1, а (поз. /).

Рис. 8.1. Схема процесса изготовления отливок по выплавляемым моделям

  • 1. В специальной металлической пресс-форме (2на рис. 8.1, а) изготовляются модели будущих отливок. Точность размеров и качество поверхности рабочей полости пресс-формы должны не менее чем на один класс (квалитет) превышать эти же характеристики получаемой отливки. Модели выполняются путем заливки расплавленного модельного состава или запрессовкой его в пастообразном состоянии в пресс-форму. В зависимости от размеров получаемых моделей, а также масштабов производства их изготовляют в одноместных или многоместных пресс-формах обычно заодно с некоторыми элементами литниково-питающих систем.
  • 2. Модели деталей (3на рис. 8.1,6) собирают в блок вместе с отдельно изготовленными элементами литниковой системы, выполненными также из модельного состава. В зависимости от размеров модели в блок собирается от одной до нескольких десятков моделей. Сборка производится припаиванием, механическим соединением или приклеиванием. На рис. 8.1, б представлен блок из двух моделей. Паяльником 5приваривают модель отливки 3к элементу литниковой системы 4.
  • 3. На модельные блоки (рис. 8.1, в) последовательно наносится несколько слоев специальной суспензии, состоящей из жидкого связующего и порошков огнеупорного материала — кварца, корунда, циркония, графита, кокса и др. Каждый слой суспензии присыпается порошком огнеупорного материала. На рис. 8.1, г представлена схема нанесения огнеупорного материала путем опускания блока моделей в псевдокипящий слой сухого огнеупорного материала. Обсыпочный материал упрочняет слой суспензии и препятствует ее стеканию с модельного блока. После нанесения каждого слоя суспензии и слоя обсыпочного материала блок моделей направляется на сушку с целью отверждения связующего и повышения прочности оболочки (рис. 8.1, д).

Метод сушки оболочки выбирают в зависимости от природы связующего и условий производства: естественный в помещении цеха, в стационарных камерах с контролируемой атмосферой, вакуумно-аммиачную сушку и др.

Число наносимых слоев зависит от размеров и массы отливаемой детали, свойств литейного сплава и других факторов. Обычно число наносимых слоев составляет от 4 до 8, что соответствует толщине оболочки 5—10 мм. Для крупных отливок используют оболочки толщиной 15 мм и более.

  • 4. Удаление модели после формирования оболочки производят различными способами с учетом свойств модельного состава. Например, легкоплавкие воскообразные модельные составы на основе парафина удаляют из оболочек в горячей воде или расплаве модельной массы (рис. 8.1, ё). Модельная масса расплавляется и вытекает из оболочки, размещаясь на поверхности ванны.
  • 5. После удаления модели оболочку просушивают на воздухе (рис. 8.1, ж).
  • 6. Оболочковую форму устанавливают в металлическую опоку и засыпают опорный наполнитель (обычно кварцевый песок) (рис. 8.1, з).
  • 7. Опоки с оболочковыми литейными формами направляют в нагревательные печи для обжига при температуре 800—1100 °С с целью удаления остатков модельной массы, органических компонентов связующего вещества и упрочнения оболочки спеканием (рис. 8.1, и).
  • 8. Заливка литейной оболочковой формы (рис. 8.1, к) производится непосредственно после обжига, когда ее температура достаточно высока, что позволяет существенно улучшить заполняемость форм расплавом и изготовлять тонкостенные и сложные по конфигурации отливки.
  • 9. После заливки форм и охлаждения отливок их выбивают из формы на решетках (рис. 8.1, л).

Для изготовления форм по выплавляемым моделям, предназначенных для титанового литья, широко используются такие огнеупорные материалы, как графит, электрокорунд, кокс.

Модельные составы для изготовления моделей применяются те же, что и для стального литья. В промышленности широко применяются несколько модельных составов: ПС-50-50, Р-2, Р-3, КПЦ, ВИАМ-102 и др. Составы и технологические свойства модельных составов представлены в табл. 8.4.

Таблица 8.4. Модельные составы и их свойства

Название модельного состава

Содержание компонентов (вес.%)

Температура пастообразного состояния, °С

Пастообразные модельные составы приготовляют в специальных установках с лопастным поршневым или шестеренчатым смесителями. Готовую массу подают в пресс-машину, где она запрессовывается в пресс-форму. Полученные восковые модели собирают в модельные блоки с литниковой системой и направляют для нанесения суспензии. Применяют три вида суспензий — на электрокорунде со связкой на основе гидролизованного этилси- ликата, графитовую и коксовую, где в качестве связующего выступают фенолформальдегидные смолы, а в качестве катализатора — кислоты.

Электрокорундовые формы для литья титана используют ограниченно, так как жидкий титан взаимодействует с формой и на поверхности отливок образуется газонасыщенный слой. Для уменьшения загрязнения металла примесями содержание Si02 в суспензии не должно превышать 10—11%. Использование суспензии, применяемой для изготовления форм стального литья и содержащей 18 % Si02, приводит к значительному повышению содержания кислорода, кремния и других элементов в металле отливки.

Соотношение гидролизованного раствора этилсиликата и порошков электрокорунда составляет 400—450 см 3 на 1 кг порошков. Приготовленную керамическую суспензию, выдержав 2—3 ч до удаления пузырьков воздуха, наносят на восковую модель. В качестве присыпочного материала применяют порошок электрокорунда № 32, 40, 63 и 80.

Послойная сушка оболочки проводится на воздухе или в вакуумно-аммиачных камерах. После нанесения необходимого числа слоев модельную массу удаляют из формы, а форму подвергают тепловой обработке в печах с воздушной средой при температуре 970-1000 °С с выдержкой 2-3 ч.

Графитовые формы получили наибольшее распространение для литья титановых отливок, так как они лучше других противостоят взаимодействию с жидким титаном.

Суспензию для графитовых форм готовят на основе фенолформальдегидных смол или фенолборитовых, которые разводят спиртом до плотности 0,95—0,96 г/см 3 ; в указанный раствор вводятся порошки графита следующего состава (масс. %): сухого коллоидального графита 20—25 и графитовых порошков 75—80 марок ГМЗ, ЭК зернистостью 0,03—0,1 мм.

Огнеупорная суспензия на основе графита содержит следующие компоненты: 20—25 масс. % связующего (смола ВИАМ); 7—9 масс. % отвердителя (контакт Петрова); 30—36 масс. % растворителя — спирта этилового; остальное — наполнитель — графитовый порошок. Графитовые порошки перед применением просушивают при температуре 150—180 °С для удаления влаги.

Приготовление суспензии ведут в следующей последовательности: 1) тщательно перемешивают порошки со спирто-смоляным раствором, после чего в суспензию вводят отвердитель «контакт Петрова»; готовая суспензия должна иметь плотность 1,15— 1,2 г/см 3 ; причем плотность первых двух слоев должна составлять 1,18—1,2 г/см 3 , последующих — 1,15—1,17 г/см 3 ; 2) наносятся графитовые порошки зернистостью 0,1 —1,5 мм при создании оболочки на модель с суспензией. Для 1-, 2- и 3-го слоев используют порошки зернистостью 0,1—0,5 мм, для последующих — 0,6—1,5 мм; 3) выплавляют модельную массу; 4) подвергают оболочки тепловой обработке.

Обжиг графитовых форм ведется в две стадии (рис. 8.2). Первая стадия — предварительная — осуществляется при температуре 800—850 °С в печах с графитовым затвором или контейнерах. Графитовый затвор предотвращает попадание воздуха в зону форм и исключает окисление графитовой оболочки.

Рис. 8.2. Режимы обжига графитовых форм, изготовленных по выплавляемым моделям:

1 — обжиг в восстановительной атмосфере; 2— обжиг в вакууме

Вторую стадию обжига ведут при 1600—1650 °С в вакуумных печах с индукционным нагревом. Графитовые формы, прошедшие высокотемпературную обработку, обеспечивают наилучшее качество поверхности отливок с глубиной газонасыщенного слоя не более 0,05 мм. Эти формы широко применяются для литья тонкостенных ответственных деталей.

Кокс является одним из недефицитных материалов для изготовления форм по выплавляемым моделям. У него хорошие физикомеханические свойства и сравнительно невысокая себестоимость. Кокс обладает рядом преимуществ по сравнению с графитом: хорошо поддается дроблению, полученный порошок имеет необходимую прочность и твердость и его стоимость в 2—3 раза ниже, чем у графита. Формы из кокса имеют более стабильную усадку и минимальный разброс, что обеспечивает высокую точность на литых деталях.

При производстве коксовых форм суспензию также приготовляют на основе порошка кокса.

Технология изготовления оболочковых коксовых форм по выплавляемым моделям аналогична технологии изготовления графитовых форм за исключением обжига. Высокотемпературный обжиг коксовых форм проводится при температуре 1300— 1550 °С. Это обусловлено тем, что в связующем и материале обсыпки до температуры 1600 °С сохраняется структура кокса. При повышении температуры кокс начинает превращаться в графит, из-за чего в форме возникают дополнительные напряжения, приводящие к образованию микротрещин и снижению ее прочности.

Формы на основе кокса имеют низкую теплопроводность — ^20 °с = 1»7 Вт/(м-К), что способствует улучшению заполняемости тонкостенных каналов формы и уменьшению поверхностных дефектов — неспаев.

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.

Читайте также:  К какой группе металлов относится титан

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.

Технология литья из титана

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.

Область применения титановых сплавов

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.

Литье титана по выплавляемым моделям

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.

Машина для литья литейных форм

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 из графита

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.

Особенности плавки и литья титановых сплавов

Высокая реакционная способность титана не позволяет проводить процесс плавления его в атмосфере воздуха, так как в расплавленном состоянии он активно взаимодействует с кислородом и азотам. Первоначально плавку титана и его сплавов вели в атмосфере аргона и гелия, позже появились вакуумные печи, которые в настоящее время являются основным типом плавильного оборудования. Для получения фасонных отливок из титана применяют вакуумные электродуговые гарнисажные плавильно-литейные установки, в которых совмещены процессы плавления металла, приготовления расплава, заливки литейных форм и формирования отливки (см. рис. 8.4).


Рис. 8.4. Схема вакуумно-дуговой печи с расходуемым электродом для плавки титановых сплавов:
1 — вакуумная камера, 2 — электрическим кабель, 3 —шланги водяного охлаждения.
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?

Читайте также:  Анодирование титана в домашних условиях

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.

Литье титана и титановых сплавов

Наш завод выпускает широкий перечень отливок из титана разнообразной конфигурации и сложности. Титановые отливки широко применяется в машиностроении, нефтяной отрасли, оборонной и авиационной промышленности. Наш цех имеет 10 вакуумных. плавильных печей, специальные печи для подготовки форм к технологическому процессу литья.

Для изготовления титановых отливок имеется участок модельной оснастки, на котором производится вся необходимая оснастка для последующего производства. Наш литейный цех имеет широкие возможности по изготовлению отливок из титановых сплавов разнообразных конфигураций, начиная с изделий массой 20 грамм и заканчивая 2,5 тоннами. Благодаря отработанным технологиям обеспечиваем высокое качество отливаемых изделий с наименьшей толщиной стенок 3 миллиметра.

Мы изготавливаем титановые отливки. которые отвечают современным стандартам. Мощности нашего производства позволяют изготавливать до 1000 тонн титановых отливок в год. Полученные титановые заготовки мы можем обработать механическим путем для получения конечного изделия в соответствии с требованиями заказчика.

Мы занимаемся поставками титанового литья и различных изделий из титановых сплавов. Постоянным клиентам готовы предложить гибкую систему скидок.

Применяемые технологии

Литье титана по выплавляемым моделям ЛВМ

Литье титановых сплавов в стержневые и корковые формы

Прессование из порошков

Термообработка под вакуумным нагревом

Главной особенностью титанового литья низкий коэффициент расширения и усадки, немагнитность, жаростойкость и химическая стойкость. Если сравнивать со стальным литьем, то титановые отливки имеют меньшую плотность и вес практически в 2 раза. Однако для нагретого титана необходима защита, которая оградит его от окисления атмосферными газами. Эта особенность несколько затрудняет технологический процесс и требует применения специальных вакуумных печей.

Благодаря отработанной технологии мы получаем отливки, которые могут иметь минимальную толщину 3 мм.

Используемые титановые сплавы

ВТ-5Л, ВТ-6Л, ВТ-20Л, ВТ10Л, ВТ20Л и так далее.

Изделия, получаемые титановым литьем на нашем предприятии

Крыльчатка, улитка, конфузор, теплообмнники, кожуха, фланцы, отводы, ножки, воронки, вставки колонны, шнеки, основание, стабилизаторы, корпуса, титановые изделия для авиакосмической отрасли, компоненты промышленных механизмов, инструменты, изделия для протезирования, шаровые корпуса, тарелки клапанов, крышки, дистилляторы, сушилки, центрифуги, титановый круг, втулки, подпятники и многое другое.

Особенности применения изделий из титана и его сплавов

Титан находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Благодаря своим свойствам он намного превосходит обычную сталь и даже нержавейку. Его выделяет легкость, прочность, устойчивость к коррозии, стойкость к высоким температурам и тепловому расширению.

Именно поэтому на многих предприятиях широко применяется именно титановые изделия, их обширно используют в разнообразных устройствах. Изделия из титана пользуются большим спросом в химическом машиностроении, металлургии, судостроении, автомобилестроении, медицине и аэрокосмической промышленности.

Применение титана в медицине

Благодаря инертности к биологическим средам изделия из титана обширно применяются в медицинской отрасли, в частности в виде инструментов, протезов и имплантатов. При небольшом весе он очень прочен. К тому же долговечен, гипоаллергенен и выделяется отличной приживляемостью к тканям человека.

Мехобработка титана

Металл имеет некоторые сложности в металлообработке вследствие высокой твердости и вязкости. Он требует применения инструментов с повышенной твердостью и характеристиками. В результате обычные универсальные станки не всегда способны обеспечить необходимую точность.

На нашем предприятии мы применяем специальные станки с ЧПУ и инструменты, которые позволяют получить требуемую точность согласно чертежам. У нас работают высококвалифицированные специалисты, которые имеют большой опыт работы с титановыми заготовками.

Заказ титанового литья и мехобработки

Для заказа литья и мехобработки титановых изделий нам необходим чертеж изделия с указанием технологических требований и количества изделий. Присылайте его на Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. .

Литье титана по выплавляемым моделям

Электронный научный журнал “ТРУДЫ ВИАМ”

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
“ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ”
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Авторизация

Статьи

Рассмотрены основные этапы получения отливок из сплава ВТ40Л: система легирования, изготовление форм, выбор режимов выплавки слитков и заливки форм, режимы горячего изостатического прессования, методы диагностики внутренних дефектов в отливках. Особое внимание уделено комплексному легированию элементами (α- и β-стабилизаторами), а также дополнительному легированию кислородом и углеродом. Показано влияние комплексного легирования на прочность сплава. Рассмотрены преимущества применения керамических форм перед графитовыми. Установлено, что для получения качественных отливок необходимо соблюдение всех технологических операций.

Введение

В настоящее время в отечественной промышленности при производстве авиационной техники используется широкая номенклатура фасонных отливок из титановых сплавов. Применение фасонного литья позволяет существенно сократить расход материалов (КИМ штамповок составляет 0,12, а фасонных отливок: 0,35) и трудоемкость их механической обработки. Технология фасонного литья обеспечивает получение сложных по геометрической форме отливок с высокими характеристиками усталостных свойств, что позволит существенно расширить номенклатуру используемых отливок, повысить их качество и сократить брак при литье.

Большинство отливок из титановых сплавов производится в разовых литейных формах, изготовленных по выплавляемым моделям. Центробежный способ литья титановых сплавов, высокая химическая активность титана обуславливают комплекс требований к материалам керамических форм: прочность к воздействию ударных и изгибающих нагрузок, термостойкость и химическая инертность к заливаемому металлу.

Технология литья титановых сплавов по выплавляемым моделям позволяет получать отливки различных форм и размеров с высоким коэффициентом использования металла. В настоящее время разработаны и внедрены в промышленность два различных технологических варианта получения форм по выплавляемым моделям: изготовление форм на основе графитовых материалов и электрокорунда.

Известно, что качество отливок во многом определяется устойчивостью форм к воздействию на их внешний слой химически активных расплавов титановых сплавов. Образующийся на поверхности отливки газонасыщенный слой снижает механические свойства титановых сплавов.

В настоящей работе при получении тонкостенных отливок из нового высокопрочного литейного титанового сплава ВТ40Л с использованием серийной технологии центробежного литья использованы керамические формы, изготовленные по общепринятой технологии послойного формирования керамического покрытия на восковых моделях.

Материалы и методы

В качестве материала для исследований выбраны отливки из высокопрочного литейного титанового сплава ВТ40Л, химический состав которых приведен в таблице. Определение химического состава образцов проводили методом спектрального анализа на спектрометре S4 Explorer по ГОСТ 23902–79. Корундовая керамическая форма изготовлена с внутренним слоем из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

Химический состав отливки из сплава ВТ40Л

Содержание легирующих элементов, % (по массе)

Определение механической прочности при трехточечном изгибе выполняли по ГОСТ 473.8–81 на керамических образцах-свидетелях, скорость приложения нагрузки на образец при испытании составляла 6 мм/мин.

Для микроструктурных исследований сплава ВТ40Л изготавливались шлифы в соответствии с ПИ1.2785–2009 «Металлографический анализ титановых сплавов». Определение микроструктурных параметров проводилось на оптических микроскопах Neophot-21 и Versamet Union.

Анализ макроструктуры отливок из литейного титанового сплава ВТ40Л проводили в соответствии с ПИ1054 «Металлографический анализ титановых сплавов» на шлифах после травления раствором стандартного состава (20% НF+25% НNO3+55% вода) на установке Wild Heerbrugg Stereo 40/14.

Результаты

При разработке сплава ВТ40Л использован метод комплексного легирования элементами замещения и внедрения. Для расчета прочности сплава применена методика, предложенная профессором Б.А. Калачевым, в основу которой положен алюминиевый прочностной эквивалент.

Большое внимание при получении сплава ВТ40Л уделено дополнительному легированию кислородом и углеродом. В связи с тем что титановая губка содержит 0,04–0,06% (по массе) кислорода, проводили дополнительное легирование кислородом и углеродом. В качестве шихтовых материалов при изготовлении слитка использовались: титановая губка (ТГ110), лигатура АМВТ, алюминий, цирконий, кремний, железо. Все легирующие элементы перед прессованием измельчались и просушивались при температуре 200°С для удаления адсорбционной влаги.

Прессованные электроды получали способом непрерывного прессования шихты в прошивную матрицу с внутренним диаметром 100 мм на прессе с усилием 200 тс.

Режим плавки слитков выбран из расчета объема ванны жидкого металла, чтобы в расплавленном состоянии постоянно находились пять порций шихты. Такой процесс плавки обеспечивает получение стабильного химического состава по всему объему слитка.

При разработке литейного сплава необходимо учитывать его технологические характеристики, которые определяют способность сплава заполнять формы и получать качественные детали по геометрической форме и плотности.

К литейным характеристикам сплава, определяющим его технологичность, относятся: жидкотекучесть, заполняемость, линейная и объемная усадка.

Жидкотекучесть определяет способность сплава в жидком состоянии заполнять канал пробы до остановки жидкого потока металла. Длина залитой пробы определяет текучесть сплава. В сплавах с широким интервалом кристаллизации – жидкотекучесть низкая, сплавы с узким интервалом кристаллизации имеют хорошую заполняемость. Из титановых литейных сплавов наилучшая заполняемость у сплава ВТ5Л (длина залитой пробы составляет 560 мм).

Жидкотекучесть для литейных титановых сплавов определяется по спиральной пробе треугольного сечения шириной 10 мм и высотой 15 мм. Длина спирали для сплава ВТ40Л определялась по трем пробам, залитым в одинаковых условиях. Длина залитых проб составляла 518, 521 и 515 мм. Среднее значение трех проб, равное 517 мм, – это и есть величина жидкотекучести сплава. Литейный титановый сплав ВТ40Л по жидкотекучести близок к сплавам ВТ5Л и ВТ20Л.

Читайте также:  Титан это металл или неметалл

В процессе исследования технологических свойств сплава определяли величину линейной усадки. Значение линейной усадки крайне необходимо, чтобы правильно спроектировать литейную оснастку с учетом усадки металла и иметь точную геометрическую форму отливки.

Величина линейной усадки определялась по специальной пробе круглого сечения диаметром 20 мм и длиной 250 мм. Разница между длиной пробы и отливки – это и есть величина усадки, выраженная в процентах. В данном случае усадка сплава равна 1%.

При проектировании пресс-форм для восковых моделей или металлических кокилей необходимо учитывать величину усадки металла при переходе из жидкого в твердое состояние, равную 1%.

Заполняемость – это возможность заполнять тонкие и толстые каналы формы, изготовленной из различных тугоплавких материалов (графита, кокса, электрокорунда), магнезита и оксида циркония, жидким металлом. Заполняемость литейного титанового сплава ВТ40Л находится на уровне аналогичной характеристики сплава ВТ20Л.

Качество получаемых фасонных отливок из титановых сплавов улучшается при использовании инертной керамической формы. С целью повышения инертности применяют комбинированные (многослойные) керамические формы, внутренний слой которых обладает специальными свойствами, снижающими загрязнение металла отливки продуктами взаимодействия.

В процессе проведения эксперимента методом послойного нанесения керамической суспензии на модельные блоки с последующей обсыпкой крупнозернистым порошком электрокорунда и сушкой в потоке воздуха изготовлены керамические формы на основе водного связующего. Прокалку форм проводили в электрической печи с силитовыми нагревателями при температуре 1200°С в течение 5 ч (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид керамических форм

Для определения механических свойств керамической формы изготовлены образцы размером 5×20×40 мм, расчет проводился по формуле: σизг=3Pl/(2bh 2 ).

Полученные значения прочности (σизг=26,5 МПа) позволяют проводить заливку металла с гравитационным коэффициентом, равным 12.

Плавку и заливку форм проводили на установке ВДЛ-5. Для этого использовали слитки из сплава ВТ40Л, полученные методом вакуумно-дуговой плавки с расходуемым электродом массой 25 кг.

Режим плавки проводили при максимальных параметрах силы тока и напряжения, чтобы иметь повышенную температуру жидкого металла, равную 1850–1900°С.

Заливку форм проводили центробежным методом с учетом влияния повышенного давления центробежных сил на жидкий металл, залитый в форму. Скорость слива металла составляет

6 с, число оборотов центробежной машины: 100±20 об/мин. Установлено, что для получения плотных тонкостенных отливок (толщина стенки до 2 мм) из литейных титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л с минимальным размером пор 0,8 мм центробежное литье необходимо осуществлять при значении гравитационного коэффициента, равном 12. После заливки формы направляли на выбивку, где залитые детали отделяли от формы. Готовые детали подвергались механической обработке.

Внутренние дефекты (усадочные раковины, поры, рыхлоты) отливки из сплава ВТ40Л исследовали методом рентгеновского контроля (рис. 2, а). Для залечивания внутренних дефектов проводят горячее изостатическое прессование (ГИП).

Режимы ГИП определяются на основании данных по температуре полиморфного превращения и должны быть ниже ее (Тп.п) на 20–30°С. В связи с этим отливки из сплава ВТ40Л подвергают ГИП по следующему режиму: температура в камере прессования 960–970°С, давление 1300–1600 ат, продолжительность выдержки при заданной температуре и давлении 3 ч. Для предотвращения (в процессе ГИП) окисления отливок, установленных в контейнере, от находящегося в аргоне кислорода их сверху накрывали титановой стружкой, которая поглощала кислород.

После проведения ГИП литые заготовки из сплава ВТ40Л подвергали повторному рентгеновскому контролю. В результате контроля установлено, что ранее выявленные дефекты в отливках отсутствуют (рис. 2, б).

Рис. 2. Отливка из сплава ВТ40Л до (а) и после ГИП (б)

Рис. 3. Микроструктура (×300) литой заготовки из сплава ВТ40Л после ГИП

Исследование микроструктуры проводили на образцах после ГИП (рис. 3). Показано, что микроструктура сплава ВТ40Л матовая равноосная или близкая к ней (зона столбчатых кристаллов отсутствует). Видно, что повышение степени легирования титановых сплавов приводит к получению более тонкой пластинчатой структуры. Установлено, что горячее изостатическое прессование (ГИП) отливок из литейного титанового сплава ВТ40Л приводит к изменению морфологии α-фазы в результате процессов рекристаллизации с образованием глобулей размером не более 100 мкм.

Обсуждение и заключения

Применение комплексного легирования при шихтовке сплава ВТ40Л, керамических форм, изготовленных на основе водного связующего, оптимально подобранные режимы выплавки слитков, заливка форм с использованием центробежного метода, горячее изостатическое прессование позволили получить отливки с высоким качеством поверхности и уровнем механических свойств, близким к аналогичным характеристикам деформируемых конструкционных сплавов (σв≥1000 МПа).

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что применение данной технологии позволит получать отливки сложной формы.

“Балашихинский литейно-механический завод”, ОАО является одним из ведущих российских поставщиков фасонного титанового литья

“Балашихинский литейно-механический завод”, ОАО – ведущее российское предприятие по производству титанового, алюминиевого, магниевого фасонного литья с возможностью высокоточной обработки всех металлов.

ОАО “БЛМЗ” является одним из ведущих российских поставщиков фасонного титанового литья для авиационных двигателей, самолетов, химического и пищевого машиностроения, медицины (элементы протезов и эндопротезов). Титановое производство ОАО “БЛМЗ” уникально: многие годы завод является базой для научных исследований в области создания новых литейных титановых сплавов, процессов и оборудования для изготовления фасонных отливок.

Чистота поверхности, уменьшенный вес отливок, современное вакуумное термическое оборудование, которое позволяет работать с отливками сложнейшей конфигурации диаметром до 800 мм и длиной до 1000 мм – всё это позволяет нашим клиентам снизить до минимума последующую механическую обработку изделий.

Мощность производства: 240 тоннгод
Минимальные размеры отливок: 10×10×10 мм.
Масса: от 0,005 до 200кг.
Минимальная толщина стенок: 2±0,5мм.
Точность: до ±1,5мм.
Используемые сплавы: ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ21Л, ASTM B367 сорта С2, С3, С5.

Серийные отливки из титановых сплавов на предприятии получают по следующим технологиям:
1. литье в уплотняемые формы;
2. литье в оболочковые формы;
3. литье по выплавляемым моделям;
4. литье в кокиль (до 200кг);
5. литье в формы, изготовленные по полистрироловым моделям;
6. литье по безмодельной технологии в формы, изготовляемые по 3D-моделям из графитовых блоков.

Литье в уплотняемые формы – это литье в разовые формы, собранные из графитовых стержней марок СФТ, СГО и др. Для их изготовления и сборки необходима деревянная или металлическая оснастка (стержневые ящики и подмодельные плиты). Уплотнение смеси осуществляется ручной формовкой.

Литье в оболочковые формы – изготовление отливок из расплавленного металла в формах, изготовленных по горячей модельной оснастке из специальных песчано-смоляных смесей. Формы представляют собой сухие тонкостенные оболочки толщиной 8-15мм. Формовочная смесь состоит из графитового порошка и связующего СФП 011Л (СГО-3 и СГО-4). Крепителем служит фенольно-формальдегидная смола (бакелит).

Литье по выплавляемым моделям позволяет получить сложные по форме отливок массой от нескольких граммов до десятков килограммов, со стенками толщиной от 1,5мм и более, с поверхностью, соответствующей 4—6-му классам чистоты, и с высокой точностью размеров по сравнению с другими способами литья.

При литье в стальной кокиль в качестве элементов литниковой системы применяют прессованный графит. Способ литья обеспечивает точность размеров; повышение производительности труда в результате исключения трудоемких операций смесеприготовления, формовки, очистки отливок от пригара; улучшение качества отливки, связанное с использованием металлической формы; повышение стабильности показателей качества: механических свойств, структуры, плотности, шероховатости, точности размеров отливок; механизация и автоматизация процесса изготовления отливки, обусловленная многократностью использования кокиля.

Литье в формы, изготовленные по полистрироловым моделям, осуществляется путем изготовления модели из полистирола марки ПСБС 25-35 на программном станке с последующим нанесением на модели оболочек по технологии литья по выплавляемым моделям.

Самая современная технология литья – по безмодельной технологии в формы осуществляется по изготовляемым 3D-моделям из графитовых блоков марок ГМ на программном станке с последующей сборкой и заливкой по принципу литья в уплотняемые формы.

Наплавление жидкого металла и заливка форм осуществляется в вакуумных гарниссажных установках, соответствующих лучшим мировым стандартам, с использованием как графитовых, так и медных водоохлаждаемых тиглей. Процесс плавки и заливки автоматизирован, что позволяет выпускать отливки высокого качества и уменьшить затраты металла. В случае необходимости возможно проведение горячего изостатического прессования (ГИП) отливок.

При производстве титанового литья на предприятии применяются современные методы контроля качества отливок: рентгеноконтроль, ЛЮМ-контроль, контроль химического состава и механических свойств каждой плавки и качественное исправление обнаруженных дефектов (заварка в среде аргона).

Продукция титанового цеха включает корпуса подшипников, корпуса и роторы смесителей для целлюлозно-бумажной промышленности, корпуса диффузоров, кронштейны, корпуса насосов, корпуса колес, различная запорная арматура и др.

Высокий уровень квалификации специалистов и наличие производственных мощностей позволяют постоянно расширять не только номенклатуру продукции титанового производства, но и перечень отраслей-потребителей и стран, в которые ведется экспорт фасонного титанового литья, выпускаемого ОАО “БЛМЗ”. Наряду с традиционными поставками для авиационных двигателей, самолетов, химического и пищевого машиностроения, медицины в последние годы освоены поставки титановых заготовок для изготовления деталей и узлов ответственного назначения для ядерной техники, электроники, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector