Согласно законам физики раскисление металла углеродом в ва­ кууме зависит от парциального давления СО в газовой фазе. Чем ниже давление, тем выше раскислительная способность углерода, тем мень­ ше кислорода должно остаться в металле при данной концентрации уг­ лерода. Однако эта зависимость справедлива для понижения давления от атмосферного до 1-10 Па (7,6 мм рт. ст.). Дальнейшее понижение давления вплоть до 0,1 Па (7,6-10 мм рт. ст.) не влияет на раскислительную способность углерода. В этом случае важно учитывать проте­ кание обменных реакций между металлом и футеровкой тигля. Одно­ временно с взаимодействием углерода с растворенным в металле ки­ слородом происходит переход кислорода из тигля в металл. От соотно­ шения скоростей этих процессов и зависит остаточное содержание ки­ слорода в металле. При давлениях менее МО-3 (7,6 мм рт. ст.) раскис­ лительная способность углерода во много раз меньше, чем это следует из теоретических данных.

Кроме того, при проведении плавки в разных тиглях эксперимен­ тально установлено, что в течение первых 20-30 минут выдержки со­ держание кислорода в металле достигает минимальных значений и в последующем либо остается без изменения, либо увеличивается. По­ этому для ускорения процесса раскисления и исключения окисления составляющих металлической ванны атмосферным кислородом рацио­ нально проводить плавку при давлении 13,3-1,33 Па (10 -Ю -^ мм рт. ст.). Это ускорит достижение возможных пределов раскисления угле­ родом.

Для раскисления никеля и сплавов на его основе углерод можно использовать в количестве 0,01-0,02 %. С повышением содержания хрома количество углерода должно быть увеличено, т.к. в присутствии хрома активность кислорода и углерода снижается.

Повышение температуры способствует ускорению процесса рас­ кисления, но здесь следует принимать во внимание повышенную агрес­ сивность жидкого горячего металла по отношению к материалу тигля. Поэтому температурный режим должен выбираться в зависимости от состава металла и стойкости тигля.

6.4.2. Восстановление неметаллических включений

При раскислении сплавов происходит восстановление окислов, входящих в их состав, углеродом. В условиях вакуумной плавки воз­ можности снижения температуры раскисления окислов особенно при­ влекательны.

Например, в атмосферных условиях углерод может начать раскис­ ление окислов титана при температуре 1650 °С, а окислов алюминия

при 1950 °С. С понижением давления раскислительная способность уг-

_2

лерода повышается, и при разрежении 10 Па (7,5-10 мм рт.ст.) темпе­ ратура начала раскисления снижается примерно на 500 °С, т.е. окислы титана раскисляются углеродом при температуре 1150 °С, а окислы

алюминия - при 1450 °С. Опыт плавки жаропрочных сплавов в вакуум-

_2

ных печах при разрежении 4 Па (3-10 мм рт. ст.) подтверждает раскисляемость окислов алюминия (плены) при температуре 1550-1650 °С по реакции

ЗС + А120 3= 2А1 + ЗСО,

при этом окись углерода улетучивается.

При плавке в вакуумной индукционной печи компоненты жидкого металла непрерывно взаимодействуют с огнеупорными окислами футе­ ровки тигля. В результате футеровка разрушается и металл загрязняется кислородом, неметаллическими включениями, элементами, входящими в состав окислов. В течение выдержки жидкого металла в тигле под ва­ куумом содержание углерода в расплавленном металле может умень­ шаться именно благодаря восстановлению окислов, при этом углерод перестает раскислять металл, а скорость поступления кислорода в ме­ талл может превышать скорость его удаления. Взаимодействие огне­ упорного окисла с углеродом будет происходить по следующей реак­ ции:

MgO + С = Mg + СО.

Большое значение имеет для взаимодействия металла с футеров­ кой чистота окиси магния. При применении высокочистой MgO ско­ рость восстановления окисла уменьшается.

По мере повышения содержания углерода условия восстановления огеупорных окислов становятся более благоприятными.

Кроме углерода, с материалом футеровки могут взаимодействовать и другие компоненты жидкого сплава. Например, хром взаимодейству­ ет с магнезитовой футеровкой по следующей реакции:

3MgO + 2Сг = Сг20з + 3Mg.

6.4.3. Испарения вредных примесей при плавке в вакууме

Наличие в жаропрочных сплавах примесей металлов, образующих по границам зерен легкоплавкие эвтектики или соединения, отрица­ тельно сказывается на жаропрочности. Такими примесями являются олово, свинец, сурьма, висмут. Очистка сплава от вредных примесей - важное средство повышения жаропрочности сплава.

Вакуумная плавка позволяет решить эту проблему наиболее опти­ мально. Только в вакуумных печах создаются условия для почти пол­ ного рафинирования сталей и сплавов от этих примесей, содержание

которых в готовых сплавах, выплавленных в вакууме, характеризуется десятитысячными долями процента.

Испарение компонентов жидкого металла можно представить в виде сложного процесса, осуществляемого через ряд последовательно протекающих стадий:

1- я стадия - подвод компонентов из глубины ванны к испаряющей поверхности;

2- я стадия - диффузия компонентов через тонкий диффузионный слой;

3- я стадия - испарение компонентов с открытой поверхности в атмосферу;

4- я стадия - отвод паров примесей в газовой фазе.

Подвод компонентов к испаряющей поверхности в результате массопереноса в жидком металле происходит со скоростью, превышающей скорость диффузии и испарения.

Удаление испарившегося компонента в газовой фазе будет зави­ сеть от того, насколько близко к жидкому металлу находится поверх­ ность, на которой будет конденсироваться пар испаряющихся элемен­ тов, и от длины свободного пробега частиц в газовой фазе. Если длина свободного пробега частиц больше расстояния от конденсатора до по­ верхности металла, то вероятность обратного попадания частиц в ме­ талл очень мала.

При давлениях 0,13-0,013 Па (10-3-10-4 мм рт.ст.) длина свобод­ ного пробега молекул газов и металлов составляет 10-100 см, а с пони­ жением давления увеличивается.

Перенос паров в газовой фазе не оказывает заметного влияния на испарение, хотя наличие паровой рубашки около поверхности испаре­ ния, как правило, повышает давление газовой фазы под металлом. По­ следнее заметно отличается от того давления, которое фиксируется вакууметрами в камере печи.

Вредные примеси также устраняются введением элементов, обра­ зующих с ними более тугоплавкие соединения. Таково, например, дей­ ствие церия.

6.5. Технологические приемы повышения свойств литых жаропрочных сплавов

Свойства жаропрочных сплавов во многом зависят от величины зерна, дисперсности фазовых составляющих, размеров и формы карби­ дов, от чистоты сплава.

Для повышения свойств жаропрочных сплавов иногда применяют рассмотренные ниже технологические приемы.

6.5.1. Поверхностное модифицирование

Сплавы с мелкозернистой структурой лучше противостоят дейст­ вию теплосмен и имеют повышенный предел выносливости, а крупно­ зернистые сплавы обладают лучшими длительной прочностью и сопро­ тивлением ползучести.

Макроструктура литых жаропрочных сплавов формируется в про­ цессе кристаллизации и определяется числом центров кристаллизации и линейной скоростью роста кристаллов. Мелкозернистую структуру можно получить путем увеличения интенсивности теплоотвода от от­ ливки. Но этот путь неприемлем для литья лопаток, сложная конструк­ ция которых требует уменьшения скорости охлаждения, чтобы избе­ жать образования кристаллизационных трещин. Более эффективный метод - создание дополнительных искусственных центров кристалли­ зации путем введения модификатора, что позволяет, не изменяя интен­ сивности теплоотвода, существенно уменьшить величину макрозерна. В качестве модификатора используется алюминат кобальта (C0AI2O4) - химически инертное вещество ярко-голубого цвета, не растворяющееся в кислотах, устойчивое до 1650 °С. Модификатор вводится в керамиче­ скую суспензию для лицевого слоя формы.

Степень измельчения макрозерна при поверхностном модифици­ ровании алюминатом кобальта зависит от числа эффективных центров кристаллизации, которое определяется содержанием модификатора и его гранулометрическим составом, а также типом наполнителя керами­ ческой суспензии.

Поверхностное модифицирование позволяет получить на поверх­ ности отливки мелкозернистую структуру, препятствующую возникно­ вению усталостных трещин, а в сердцевине сохранить более крупное зерно, способствующее повышению жаропрочности.

.6.5.2. Модифицирование сплава дисперсными частицами тугоплавких элементов

Для повышения пластичности и ударной вязкости сплава при ра­ бочих температурах и сохранения длительной прочности применяют модифицирование тугоплавкими частицами элементов, как правило, входящих в состав сплава. Пониженная пластичность сплава обуслов­ лена наличием крупных строчечных выделений первичных карбидов (Ti, NB)C.

При введении модификаторов в сплав перед разливкой увеличива­ ется число центров кристаллизации. Строчечная форма карбидов меня­ ется на глобулярную равноосную, способствующую повышению пла­ стичности.