Вакуумная металлургия

с садкой нагревается вся реторта в целом. Для того чтобы снизить напря­ жения в стенках реторты при высоких температурах, в замкнутом про­ странстве печи создается небольшое разрежение. Высокий вакуум исполь­ зуется в рабочем пространстве.

Во второй конструкции печи (фиг. 5) источником тепла служит нагреваемый индукционными токами отражатель. Дополнительные отра­ жательные экраны вокруг рабочего пространства исключают необходи­ мость применения пористых керамических теплоизоляционных материа­ лов. Кожух печи и соединения охлаждаются водой.

Откачные системы

Качество материала, обработанного в вакууме, зависит от располо­ жения насоса, сечения вакуумпроводов, емкости и герметичности систе­ мы. Для многих процессов полезно, если не необходимо, иметь вначале давление порядка одного микрона или даже ниже. Для достижения столь высокого вакуума в обычной практике к механическим насосам подклю,- чают масляные диффузионные или эжекторные насосы.

5

Фиг . 6. Вакуумная откачная система.

1 — соединение с вакуумной ретортой ; 2 — механический насос высокой производитель* ности; 3 — вспомогательный механический насос малой производительности; 4 — диффу­ зионный насос; 5 — соединение реторты с высокопроизводительным насосом.

На фиг. 6 показана типовая откачная система. Она состоит из меха­ нического форвакуумного, механического вспомогательного насосов и масляного диффузионного насоса. Высокопроизводительный форвакуумный насос используется для снижения давления до пределов, при кото­ рых может работать диффузионный насос. Этот насос значительно со­ кращает начальный период вакуумирования. После достижения в системе вакуума порядка 100—800 мк рт. ст., который определяется устойчивой работой используемого диффузионного насоса, открывается клапан между диффузионным насосом и камерой, а вентиль между камерой и механи­ ческим насосом перекрывается. Если в процессе работы не выделяется большое количество газов, то в качестве вспомогательного к диффузион­ ному насосу используют механический насос малой производительности ; в этом случае высокопроизводительный насос отсоединяется. Преиму-

и*

щества использования вспомогательного насоса при охлаждении — оче­ видны. Иногда к системе подключают охлаждающие ловушки для кон­ денсации паров. Эти приспособления особенно важны при снижении давления ниже 1 мк рт. ст.

Обычно насосы размещают как можно ближе к печи. Диаметр трубо­ проводов откачной системы часто по величине приближается к диаметру самой камеры. Эти меры уменьшают потери на линии и улучшают вакуум в реторте.

Создание герметичной системы и обнаружение места подсоса воздуха представляет трудную задачу. Незначительная трещина или ничтожное отверстие в стенках камеры могут свести на нет эффект обработки в вакууме. Задача еще больше осложняется при использовании конструкций печей, в которых стенки камеры обогревают снаружи.

Измерительные приборы

. В области высоких давлений — выше 10 мк рт. ст. — вакуум изме­ ряется манометрами Пирани, Мак-Леода или термопарами; ниже 10 мк рт. ст. измерения производятся ионизационными манометрами. При этом очень важное значение имеет место, где производится измерение давления. К сожалению, при существующих конструкциях печей измерение ваку­ ума в зонах высоких температур затруднительно. В большинстве случаев измерения производятся в соединительных линиях или в холодных частях реторты.

Температура измеряется с помощью обычных термопар и пирометров. Место ввода термопары в реторту заделывается резиновым уплотнением в холодной зоне.

ДЕГАЗАЦИЯ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

Задачи дегазации

Абсорбция внедряющихся атомов газов хорошо известна. Твердыми растворами внедрения называются растворы, в которых кристаллическая структура растворителя остается неизменной, а атомы растворимого элемента внедряются в свободные промежутки его кристаллической решетки.

Большинство металлов на различных стадиях их производства абсор­ бируют кислород, азот и водород. В некоторых случаях эти элементы специально вводят в сплав для придания ему определенных свойств. Азотирование поверхности и добавки азота в некоторые жаропрочные сплавы (в частности, в сплав N 155) могут служить примером полезности газовых включений в сплавах.

В общем же случае наличие газов нежелательно из-за их вредного влияния на физические свойства сплавов. Металлурги всегда стремятся улучшить технологию и получать плавки, свободные от окислов и аб­ сорбированных газов. Хорошо известно, например, явление водородной хрупкости в сплавах, хотя механизм его полностью еще не изучен.

При неудачной плавке или в случае, когда практически невозможно предотвратить абсорбцию газов в начальной стадии обработки, возникает задача удаления вредных газов из твердых сплавов. В обычной прак­ тике водород из гальванизированных стальных пружин удаляют посред­ ством их отжига. Однако некоторые материалы прочно удерживают атомы абсорбированного газа, и простая операция отжига недостаточна для их удаления.

Для дегазации сплавов в твердом состоянии используют вакуум­ ную обработку, которая благоприятствует смещению реакций в сторону образования газовой фазы. Конечные результаты вакуумной обработки определяются правилом фаз и условиями равновесия. Путем повышения температуры и понижения давления растворенного элемента на поверх­ ности твердого растворителя реакция смещается в сторону выделения газовой фазы.

Атомы водорода, кислорода и азота вследствие малых размеров легко размещаются в межатомных пространствах кристаллической решетки раст­ ворителя. В состоянии раствора они характеризуются минимальной величиной свободной энергии, причем происходит расширение решетки раствори­ теля [3]. Все силы и реакции уравновешиваются действием противопо­ ложных сил и течением обратных реакций. Повышение температуры вызывает изменение свободной энергии. При повышении температуры развиваются диффузионные процессы и реакция продолжается до тех пор, пока снова не наступит состояние равновесия. При этом конечное состояние определяется парциальным давлением растворенного газа.

Практическое применение

Двумя важными случаями промышленного применения вакуумиро­ вания к твердым сплавам являются дегазация титана и некоторых электро­ технических материалов. Так как водород сильно снижает предел уста­ лости титана и его сплавов, то для устранения этого влияния было

Температура,0 С

Обратное значение температуры*10Ут(°К *)

Ф и г. 7. Зависимость коэффициента диффузии водо­ рода в а- и Д-титане от температуры.

проведено много работ по использованию вакуумной обработки Содер­ жание водорода в титане и его сплавах выше 0,015% считается чрезмерно высоким; обычно стараются снизить его до 0,005%.

В процессе вакуумной дегазации деталей, изготовленных из мате­ риалов с высокой проницаемостью, уменьшается коэрцитивная сила и улучшаются электротехнические характеристики. С помощью вакуумного отжига деталей в магнитном поле можно значительно повысить точность электроизмерительных приборов.

Дегазация в твердом состоянии является довольно простой опера­

давлении. При этом принимаются меры предосторожности против их коробления и спекания. Скорость нагрева деталей сложной формы также имеет важное значение; она устанавливается опытом.

Недавно была опубликована работа [4], в которой обсуждаются теоретические основы дегазации сплавов титана и теоретические расчеты сравниваются с практическими данными. С помощью коэффициентов диффузии водорода в а- и /3-титане и данных о равновесных содержаниях водорода в титане при заданном давлении (в абсолютных единицах) вычислены конечные концентрации водорода в нескольких сплавах титана, обработанных в вакууме. Результаты расчетов хорошо согласуются с практическими данными.

Кривые, использованные для расчетов, представлены на фиг. 7 и 8. На фиг. 9 расчетные величины графически сравниваются с опытными данными. Из графика видно, что конечное содержание водорода в сплаве, согласно теоретической кривой, равно 0,0022%, а согласно практическим данным — 0,0033%.

Плавка № 685 (сплав 6% А1 + 4% V) была вакуумирована в тех же условиях. Образцы сплава диаметром 19 мм в количестве около 590 кг были выдержаны при 700° и давлении 0,5—1,0 мк рт. ст. в течение 4 час. В контрольном образце, который загружался вместе с садкой, было

водорода колебалось в пределах 0,0032—0,0038%, что также достаточно близко подходит к теоретическому значению растворимости водорода.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА В ВАКУУМЕ

Процессы

Процессы отжига, закалки и спекания в вакууме аналогичны процессу дегазации твердых материалов. К числу элементов, взаимодействующих с газами и образующих с ними химические соединения в процессе терми­ ческой обработки, относятся титан, цирконий, алюминий и бериллий. Обработку этих элементов, используемых в качестве основы или добавок при производстве сплавов, часто выполняют в вакууме.

Отжиг

Листы, ленты и поковки из титана и циркония отжигают в вакууме для предотвращения их окисления и сохранения металлического блеска. Часто операции отжига и дегазации совмещаются. Турбинные лопатки из титановых сплавов, подвергающиеся высоким эксплуатационным на­ пряжениям, отжигают и дегазируют за одну операцию. Обработку свар­ ных конструкций в вакууме производят с целью снятия внутренних напря­ жений, когда требуется максимально улучшить их свойства или когда существует опасность поглощения избыточного количества газов в про­ цессе сварки.

Закалка

Детали с тонкими сечениями, изготовленные из сплавов, подвержен­ ных старению и содержащих титан, берилий и алюминий, полностью закаливаются в вакууме. Трудности, связанные с закалкой из вакуумной камеры, ограничивают применение вакуумных установок для многих закалочных операций. Очевидно, что обычные закалочные среды —

воздух, масла, вода и солевые растворы — не могут быть использованы в камере. Для решения этой задачи была предложена конструкция уста­ новки с дополнительной закалочной камерой, в которую заливается масло с низкой упругостью пара; дополнительная камера сообщается с основ­ ной камерой соединительным клапаном. Однако в промышленной эксплуата­ ции этой установки еще нет.

Если закалку необходимо вести при относительно малых скоростях охлаждения, например соответствующих скоростям при закалке на воздухе, то лучше использовать вспомогательную водоохлаждаемую камеру. При этом сплав под вакуумом механически переносится из горячей зоны в охладительную камеру.

Спекание

Кристаллы металла адсорбируют молекулы газа, причем адсорбция происходит за счет неуравновешенных сил притяжения атомов, располо­ женных на поверхности металлов. Так как повышение температуры увели­ чивает энергию адсорбированных молекул, а понижение давления умень­ шает число молекул, соприкасающихся с поверхностью металла, нагрев в вакууме обеспечивает быстрое удаление адсорбированных газов.

Применение вакуумных печей особенно выгодно для спекания метал­ лических порошков. Вследствие значительной их поверхности порошковые частицы адсорбируют большое количество газов. Если перед нагревом до высоких температур, при которых развиваются химические реакции, ад­ сорбированные газы не удалить, то они будут препятствовать спеканию порошка. Вследствие этого прочность продукта спекания будет понижена. В крупных и сложных сечениях это неблагоприятное влияние проявляется более резко.

ПАЙКА В ВАКУУМЕ

Метод

Процесс пайки в вакууме во многих отношениях аналогичен обычной операции твердой пайки. При вакуумной пайке, так же как и при пайке на воздухе, необходимы припой, нагрев и капиллярное смачивание. Однако при выполнении операций пайки в вакууме необходимо учитывать упругость паров используемых материалов. При температурах пайки может иметь место испарение материалов с высокой упругостью паров.

Процесс пайки в вакууме по сравнению с обычной пайкой более безопасен и обладает следующими преимуществами: повышенная проч­ ность соединения, широкий диапазон материалов, которые могут быть подвергнуты пайке, повышение смачиваемости и текучести припоев и чистота паяных поверхностей. В результате процесса вакуумной пайки механические свойства материалов, подвергнутых пайке (и, в частности, пластичность), улучшаются.

Прочность спаев

Предел прочности на сдвиг соединений, паянных в вакууме, по срав­ нению с их прочностью при пайке в соляных ваннах или атмосфере водо­ рода повышается почти на 50% [5]. Значительное число опубликованных данных свидетельствует о высокой прочности вакуумных отливок. Если учесть, что связующий материал в месте спая является по существу от­ ливкой, то становится понятным, почему физическая прочность паянных

в вакууме соединений оказывается более высокой, чем прочность спаев, полученных в атмосфере или в солях.

Установлено, что при комнатной температуре предел прочности на сдвиг для нескольких сплавов, спаянных припоем на никелевой основе (марки AMS 4775), в среднем равен 44 кг/мм2.

Материалы, подвергаемые пайке

Имеется большое количество новых высококачественных сплавов, содержащих легирующие элементы, которые взаимодействуют с защитной атмосферой и образуют химические соединения, вредно влияющие на пайку. Добавки титана и алюминия в количестве, превышающем 1,5%, ухудшают смачиваемость и текучесть припоев. Сплавы, содержащие эти элементы, как, например, инконель X, R235 или А286, не могут быть спаяны в обычных условиях. Для их пайки в атмосфере воздуха необходимо при­ менять флюсы, покрытия и другие защитные средства. Необходимость в этом при пайке в вакууме отпадает.

Задача улучшения смачиваемости по существу заключается в защите поверхностей, подлежащих пайке, от образования на них или удаления с них химических соединений, присутствие которых в составе припоев является нежелательным. Если окисление этих поверхностей предотвра­ щено, то нет необходимости в использовании флюсов. В течение многих лет пайку высокопористых сплавов без применения флюсов производили в атмосфере сухого водорода или диссоциированного аммиака. Окись хрома, конечно, восстанавливается сухим водородом.

Положительная роль защитной среды заключается в том, что восста­ новительный газ предотвращает образование окислов за счет реакции металла с кислородом или восстанавливает металлические окислы на по­ верхностях. Однако при этом следует учесть, что реакции газа с металли­ ческими окислами обратимы, и для удаления газообразных продуктов реакций требуется создать проточную струю газа. Пайка материалов с глухими отверстиями или полостями, недоступными воздействию струи газа, невозможна.

В' этих полостях часто образуются оксидные пленки, которые сни­ жают качество пайки. При использовании флюсов частицы последних остаются в этих полостях, что приводит к их коррозии при дальнейшей ра­ боте. Неэффективность газовой циркуляции выявляется, например, при пайке трубчатых теплообменников и сотовых конструкций. Вакуумная пайка успешно решает эту проблему, предотвращая окисление таких деталей.

Следует подчеркнуть, что пайка в вакууме сотовых конструкций имеет некоторые дополнительные преимущества. Секции таких конструк­ ций удовлетворительно паяются в вакууме с одновременным креплением полос сверху и снизу. В результате такой пайки на поверхности конструк­ ции возникают сжимающие усилия, которые компенсируют растягивающие усилия, действующие в процессе ее эксплуатации. Если изделие работает при высоких температурах, то наличие откачанных сотовых полостей может предотвратить разрушение тонкостенной сотовой конструкции. Замкнутые эвакуированные полости служат в качестве теплоизоляторов и могут иметь практическое применение.

Припои

При вакуумной пайке могут быть использованы различные припои. Часто используют припои на медной, серебряной и никелевой основах. Для работы при высоких температурах применяются также припои

Фиг . 10. Применение пасты для пайки турбинных сопел из нержавеющей стали.

Фиг . 11. Загрузка турбинных сопел в камеру для вакуумной пайки.