Способ выплавки никеле-титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам выплавки никеле-титановых сплавов (NiTi-сплавы) в индукционных плавильных печах с холодным тиглем. В следующем далее описании и формуле изобретения термин «NiTi-сплав» используется для обозначения материала, основными составляющими которого служат не только атомы Ni и Ti. В расплав возможно введение дополнительных легирующих компонентов служащих для изменения физических и механических свойств.

Известен способ плавки сверхчистых сплавов Ni-Ti с памятью формы (CN 100547095С, B22D 21/00, С22С 1/02, С22С 14/00, 07.10.2009) - Прототип.

Важность укладки шихты при плавке титана и его сплавов описывается в патенте 2081727 РФ. В этой работе авторы описывают способ получения расходуемых электродов из титана и его сплавов. Однако в нашей работе приводится способ выплавки с использованием индукционной печи с холодным тиглем, что позволяет получать никеле-титановый расплав с максимальной степени однородности по всему объему слитка.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа выплавки, позволяющего получить NiTi-сплав с высокой степенью чистоты по газам и удовлетворительной точностью по химическому составу, из губчатого титана и чистой никелевой шихты. Применение губчатого титана в качестве сырья позволяет повысить экономическую эффективность, т.к. данный материал является промежуточным звеном в технологии производства чистого титана и его стоимость на рынке в 2-2,5 раза ниже стоимости чистой титановой шихты.

Технический результат достигается тем, что в способе выплавки никеле-титановых сплавов, включающем подготовку и укладку сырья в тигель, вакуумирование и плавку, в соответствии с изобретением, в качестве сырья используют губчатый титан в виде прессованных «таблеток» диаметром на 10-20% меньше диаметра тигля и чистую никелевую шихту в виде квадратных пластин с диагональю, соответствующей диаметру титановых «таблеток», а также легирующие компоненты размером фракции не менее 5 мм.

Проведение этапов плавки заключается в дегазации шихты, двухступенчатом разогреве шихты, барбортаже на протяжении 3-5 минут и сливе при максимальной мощности.

Подготовка шихты заключается в прессовании губки титана марки ТГ-1 в «таблетки», диаметр которых должен быть на 10-20% меньше диаметра тигля, и рубке никеля марки Н-0 на квадратные пластины таким образом, чтобы размер пластин по диагонали соответствовал диаметру «таблеток», а так же в просеивании порошка легирующих компонентов до фракции не менее 5 мм. Каждая составляющая подготовленной шихты взвешивается на электронных весах с точностью до 0,001 кг и готовится к укладке в тигель.

Укладка шихты в тигель должна быть максимальной по плотности. В нижнюю часть тигля укладывается титан (около 20% высоты) затем равномерно чередуясь, никель и титан. После заполнения 50% тигля между титановыми таблетками и никелевыми пластинами рассыпается порошок легирующих элементов. Укладка производится таким образом, чтобы не допустить соприкосновения шихты со стенками тигля или гарнисажем. Верхней частью шихты должна быть таблетка из губчатого титана. Принципиальная схема укладки шихты представлена на фиг. 1 (а, б) где

1 - тигель,

2 - титан (прессованная губка),

3 - никель,

4 - легирующие элементы.

Изложница подогревается до 550-600 градусов Цельсия (с целью достижения максимального веса слитка, снижения усадочной раковины и улучшения поверхности слитка). Для этого в конструкцию вакуумной плавильной печи вводится специальное термическое устройство, а именно печь подогрева форм. Конструкция данной печи позволяет производить предварительный подогрев изложниц до требуемой температуры за счет пропускания электрического тока через нагреватель представляющий собой в цепи активное сопротивление. Указанное устройство обеспечивает заданную температуру изложницы до слива сплава, затем подогрев отключается.

Вакууммирование должно обеспечить максимально возможную дегазацию с поверхности шихты и изложницы, значение остаточного давления в камере перед началом плавки должно быть не выше 1×10^-3 мм рт.ст.

Плавка проводится в несколько этапов:

I этап - дегазация. Медленный разогрев шихты на малых мощностях (20% от максимальной) и разогрев изложницы. Процесс ведется до полной стабилизации значения остаточного давления в плавильной камере и занимает, как правило, 5-6 мин.

II этап - разогрев шихты. Проводится с двухступенчатым увеличением мощности сначала до 30-35% и через 3 минуты до 60%. После прохождения бурной экзотермической реакции соединения титана с никелем и стабилизации по вакууму проводится барботаж.

III этап - барботаж. Плавное увеличение мощности до максимальной и проведение барботажа в течении 3-5 мин. Этот этап необходим для повышения однородности химического состава и структуры слитка, а так же для увеличения сливного веса, за счет уменьшения толщины гарнисажа.

IV этап - слив проводится на максимальной мощности.

V этап - выдержка (остывание) отливки под вакуумом до температуры 600 градусов Цельсия или ниже (около 2,5 часов).

VI этап - извлечение заготовки из печи для дальнейшей обработки.

В настоящее время методика находится на стадии внедрения. Опытный образец показал повышение качества получаемых отливок.