HomeСложные металлы › Электроннолучевая плавка

Электроннолучевая плавка

Электроннолучевая плавкаВ последние годы возникла необходимость получения сверхчистых металлов, а также сплавов на основе тугоплавких металлов, выдерживающих при высоких температурах максимальные статические и динамические нагрузки. Это стало возможным в связи с созданием электроннолучевых установок, обеспечивающих высокий вакуум и возможность регулирования времени плавления (и тем самым дегазации).

 

При электроннолучевой плавке, как и в дуговых печах, слиток формируется в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе; установки снабжены системами для вакуумирования, устройствами для подачи переплавляемого металла и вытягивания слитка из кристаллизатора.

 

Однако в отличие от дуговой печи источником тепла в электроннолучевых печах является не электрическая дуга между электродом и жидким металлом, а кинетическая энергия движущихся под действием большой разности потенциалов свободных электронов, бомбардирующих предназначенный для плавки материал. Значительная часть энергии при такой бомбардировке выделяется в виде тепла, используемого для расплавления металла.

 

Источником потока электронов служит нагреваемый до 2000-2500° С катод, который представляет собой пластину или спираль из материала — вольфрама, тантала, рения, сплавов вольфрама с молибденом, рением или другими металлами.

 

Критериями в оценке годности того или иного материала для изготовления катода может служить работа выхода электронов (мера энергии связи электронов в твердом металле), температура плавления, скорость испарения и теплопроводность.

 

Продолжительность работы катода зависит прежде всего от испарения металла катода с поверхности, что определяется коэффициентом испарения, т. е. количеством материала, испаряющегося с единицы поверхности катода в единицу времени при определенной температуре.

 

Существующие в настоящее время электроннолучевые печи можно разделить на две основные группы: с кольцевым катодом и с аксиальными электронными пушками. Схема электроннолучевой печи с кольцевым катодом. Электрод, попадая в поле электронов кольцевого катода, оплавляется и образующийся жидкий металл стекает в водоохлаждаемый медный кристаллизатор. Для поддержания металла в жидком состоянии часть электронных лучей фокусируется в кристаллизаторе на зеркало жидкого металла.

 

В некоторых конструкциях печей применяют два кольцевых катода. Один предназначен для расплавления расходуемого электрода, другой — для поддержания металла в жидком состоянии в самом кристаллизаторе.

 

Однако они имеют и существенные недостатки:

1. Кольцевая пушка находится внутри плавильной камеры и работает в зоне наиболее активного газовыделения, что приводит к быстрому износу катода и нарушению стабильности его работы.

2. Во время работы печей возникают разряды низкого напряжения, вызывающие снижение мощности и нарушение режимов плавки.

3. На водоохлаждаемых деталях катода происходит конденсация паров металлов, что приводит к изменению рабочих характеристик катода.

 

4. В плавильной камере требуется поддерживать высокий вакуум, не менее 13,3 мн/м2 (Ю~4 мм рт. ст.), так как снижение вакуума приводит к гашению электронного луча и прекращению плавки.

 

5. Для создания высокого вакуума в большом объеме плавильной камеры требуются мощные вакуумные системы высокой производительности.

 

В настоящее время в электроннолучевых печах в основном применяют аксиальные электронные пушки. В этих устройствах ускорение электронов производится не непосредственно между катодом и переплавляемым материалом, а в пространстве между катодом и промежуточным (ускоряющим) анодом. Ускоренные электроны в виде пучка проходят через отверстие в ускоряющем аноде и дальше движутся по инерции.

 

На рис. 20 показана схема электроннолучевой плавильной установки с одной аксиальной электронной пушкой. Электроны, эмитируемые катодом электронной аксиальной пушки, проходят через анодное отверстие и попадают в линзу электромагнитной фокусировки, откуда расходящимся пучком входят в линзу электронномаг-нитной фокусировки и развертки луча, а затем, проходя через диафрагму, попадают в плавильную камеру, оплавляя электрод.

 

Жидкий металл стекает в медный водоохлаждаемый кристаллизатор, где происходит формирование слитка. Одновременно электронный луч, попадая в кристаллизатор, обогревает ванну металла и обеспечивает его сохранение в жидком состоянии в течение времени, которое необходимо для обеспечения дегазации металла. По мере кристаллизации слиток, закрепленный на поддоне, вытягивается из кристаллизатора при помощи штока. Специальной системой откачки в электронной пушке создается\’ высокий вакуум.

 

В зависимости от способа нагрева различают катоды прямого и косвенного нагрева. При прямом нагреве ток пропускается непосредственно через катод, а в случае косвенного нагрева ставят специальные нагреватели в виде вспомогательного проволочного катода. Электроны вспомогательного катода бомбардируют основной катод и нагревают его до нужной температуры.

 

Схематическое расположение катодов первого и второго каскадов приведено. Для выплавки слитков в электроннолучевых печах устанавливают несколько электронных пушек. В этих печах в качестве электрода может быть использована некомпактная сыпучая шихта.

 

По сравнению с вакуумной дуговой плавкой метод плавления металлов с помощью электронной бомбардировки имеет ряд существенных преимуществ:

1. Создается возможность получения высоких температур с ведением процесса плавки в более глубоком вакууме при остаточном давлении 1,33-0,133 мн/м2 (10~5-10~6 мм рт. ст.) с неограниченным по времени поддержанием расплавленного металла в кристаллизаторе в жидком состоянии; наиболее полно и быстро проходит дегазация металла, отгонка летучих примесей и др.

 

2. Обеспечивается возможность изменения скорости плавки в широких пределах, что создает благоприятные условия для улучшения качества слитка. Допускается прерывание плавки и последующее ее продолжение без наличия дефектов в слитке.

Переплавляемую заготовку (электрод) так же, как п при электродуговой плавке, изготовляют из штабиков или прессуют в случае применения порошков и отходов (стружки, обрезы, кусковые отходы и др.) Размеры и форма переплавляемых заготовок при электроннолучевой плавке не имеют существенного значения. Можно производить плавку без специального приготовления заготовки (электрода), подавая шихту в ванну (кристаллизатор) через специальный дозатор.

 

Электроннолучевая плавка особенно эффективна при получении особо чистых тугоплавких металлов. Фактически достигаемая степень очистки при электроннолучевой плавке вольфрама, молибдена, ниобия и тантала.

 

Как видно из этих данных, при электроннолучевой плавке происходит весьма эффективное рафинирование от газовых и летучих примесей. Например, содержание кислорода в ниобии снижается более чем в 20-40 раз, азота-в 8-10 раз. Значительно уменьшается содержание железа, алюминия, кремния и других металлических и неметаллических примесей. Одновременно с повышением чистоты металлов снижается их твердость и повышается пластичность.

 

Однако слитки тугоплавких металлов, полученные в электроннолучевых печах, имеют крупнокристаллическое строение с ярко выраженной транскристаллизацией в направлении отвода тепла. Иллюстрацией может служить излом слитка вольфрама и ниобия. Крупнозернистая структура слитка оказывает отрицательное влияние на пластические свойства литого металла и является одной из причин его разрушения при обработке давлением.

 

Влияние размера зерна на механические свойства металла на примере молибдена (при разных температурах). При увеличении размера зерна не только снижается прочность и пластичность металла, но отмечается резкий сдвиг порога хрупкости (температура перехода металла из пластичного в хрупкое состояние) в сторону более высоких температур. Для вольфрама, как показывают исследования, величина зерна еще в большей степени влияет на его свойства и, по-видимому, является одним из основных факторов, определяющих деформируемость.

Одной из причин резкого понижения свойств в крупнозернистых металлах является повышение удельной концентрации примесей на границах зерен, что вызывает ослабление межзеренной связи.

 

Мелкое зерно в слитках может быть получено путем введения в расплав тугоплавких частиц, которые при определенных условиях могут выполнять роль центров кристаллизации. Следовательно, при соответствующей подготовке расплава к кристаллизации можно качественно изменять (модифицировать) структуру слитка.

Чистый вольфрам имеет крупнозернистую структуру с сильно утолщенными границами. При добавлении в вольфрам карбидов и тантала наблюдается более мелкая структура зерен и тонкие границы между ними.

 

Применение модифицирования и микролегирования является важным резервом повышения прочности и пластичности рекристаллизованного вольфрама и позволяет смещать порог хрупкости вольфрама на 200-300° С. Так, например, чистый вольфрам электроннолучевой плавки, отожженный при 1800° С в течение 1 ч (полная рекристаллизация), имеет при 500° С: ств =245 Мн/м2 (24,5 кГ/мм2); 8 = 21%; г|; =25%; при 400° С:

ав =255 Мн/м2 (25,5 кГ/мм2); 6 = 8%; ф =0%, т. е. он становится не пластичным.

 

Тот же вольфрам, но содержащий 0,05-0,1% С и 0,2% Та, при 400° С имеет: <тв = 420-430 Мн/м2 (42- 43 кГ/мм2); 6 = 50-47%; ар = 54-50%.

Слитки чистых нелегированных вольфрама и молибдена могут разрушаться по границам кристаллов даже при легких ударах, введение же углерода в количестве 0,06% резко повышает их пластичность. Способность к пластической деформации ниобия и тантала после электроннолучевой плавки очень высокая; мелкозернистые слитки ниобия допускают холодную обработку со степенью обжатия до 90% без промежуточных отжигов.

 

Имеются примеры прокатки слитков ниобия диаметром 75-90 мм в холодном состоянии без промежуточного отжига на лист толщиной 0,75-0,25мм. Еще большую, пластичность имеет тантал электроннолучевой плавки, при обработке которого допускаются обжатия в холодном состоянии без появления дефектов до 98%. В последнее время электроннолучевая плавка стала основным технологическим процессом получения слитков чистого ниобия и тантала.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.