真空熔炼学习.pptx

理论基础目的：降低气体含量；控制化学成分；改善铸锭质量；消除内部和表面缺陷，提高金属纯洁度；生产普通方法难以生产的产品。实质：用被熔炼的金属制成自耗电极，在真空中水冷结晶器内，借助电弧析出的能量，使自耗电极边熔化、边在结晶器内形成熔池、边结晶成锭的无冶金渣参与反应的一种重熔重铸过程。第1页/共18页理论基础热力学：脱气；分解；挥发；脱氧；动力学：杂质的扩散和挥发速度；第2页/共18页电弧：阴极区：阴极斑点(大量电子发射），足够大，游动范围小，电弧稳定；电极熔化端保持圆倒锥状。气体压强小，阴极斑点变大，稳定。弧柱区：电子和离子混合物，与电流正相关；气体压强大，压缩弧柱，温度升高，电压升高，弧柱拉长；阳极区：吸收电子和负离子，阳极斑温度高于阴极斑点，大小与熔池表面相当第3页/共18页稳弧线圈：提高电弧稳定性，电弧发生有益旋转；熔池搅拌：熔池变浅；适当搅拌可改善表面质量；细化晶粒，均匀成分；合理的稳弧线圈布置和参数，使电弧围绕电极平稳缓慢地移动，合理的稳弧线圈布置和参数，使电弧围绕电极平稳缓慢地移动，防止击穿坩埚，使成品铸锭防止击穿坩埚，使成品铸锭表面均匀。熔池也在缓慢轻微旋转。表面均匀。熔池也在缓慢轻微旋转。若搅拌太快，会产生喷溅，形成较高的壳、差的表面及内部缺陷；旋转慢和不旋转造成铸锭表若搅拌太快，会产生喷溅，形成较高的壳、差的表面及内部缺陷；旋转慢和不旋转造成铸锭表面质量发生恶化。面质量发生恶化。若要得到内外质量都好的成品锭，还必须满足其它的一些条件，包括若要得到内外质量都好的成品锭，还必须满足其它的一些条件，包括最佳的电流值最佳的电流值，电极电极和坩埚壁之间的间隙和坩埚壁之间的间隙，电弧长度电弧长度及及较低的气体含量较低的气体含量。第4页/共18页坩埚比：坩埚比：也称填充比，是指电极与坩埚直径之比。它是影也称填充比，是指电极与坩埚直径之比。它是影响铸锭质量和安全生产的重要参数之一。对于钛，坩埚响铸锭质量和安全生产的重要参数之一。对于钛，坩埚比一般在比一般在0 06256250 08888。坩埚比大，铸锭表面质量好，。坩埚比大，铸锭表面质量好，但易产生边弧。但易产生边弧。熔炼次数：一次熔炼使铸锭初步合金化、均匀化及去除挥发一次熔炼使铸锭初步合金化、均匀化及去除挥发性物质和气体；性物质和气体；二次熔炼获得成份分布均匀、表面质量好的铸锭；二次熔炼获得成份分布均匀、表面质量好的铸锭；三次熔炼是为了获得更好的成份均匀性。三次熔炼是为了获得更好的成份均匀性。第5页/共18页熔炼及参数熔炼三阶段：引弧建立熔池期：前期小电流、低熔速、吸附气体污染；中期逐渐增加电流，迅速建立熔池，减少电流对坩埚底垫冲击，清除长时间加热底垫使之局部过热与铸锭粘结。正常熔炼期：正确选择工艺参数、确保各工艺参数的恒定；头部补缩期：减少头部缩孔和疏松，促进气体和夹杂物的最后排除自耗电极：对冶金质量具有决定性影响；（液态下保留时间短，物理化 学反应弱）要求：成分均匀、粗细均匀、缺陷少、无污染物和杂质。尺寸：安全间隙尺寸、保证脱气、表面质量、工艺操作；真空度和漏气率：真空低于13.3Pa，高于4000Pa电弧稳定；真空度高，喷溅损失减少，纯度提高；真空度高蒸发损失增加，如：充氩熔炼 O、N；H熔炼电压：电弧长度、电弧稳定性、脱气效果；30V40V熔炼电流：关键、核心；电流和熔速；熔速高：效率高、熔池深、柱状晶粗大、径向生长、偏析增加 、气体和夹杂物增高、喷溅；熔速低：效率低、熔池不到边、恶化表面质量、气体排出和合 金化不充分。第6页/共18页熔炼及参数熔化系数：0.50.8公斤/千安分 例如：29KA，熔速20kg/min，熔化系数为：0.69熔炼电流的确定原则：1、非金属夹杂的上浮去除：熔池深不利2、表面质量：平静熔炼；锭冠熔化污染；3、良好的结晶条件：熔池深易产生水平晶；宏观组织结构破坏；熔池浅，不到边，不利表面质量，扒皮增加；4、良好的脱气效果：电流过高不利气体和夹杂物去除；电流过低表面质 量和纯洁度同样恶化；补缩：多级补缩，低电流保温。熔池表面处于液态，利于头部气体和夹 杂最后排除；提供少量金属进入熔池填充凝固造成的体积收缩。第7页/共18页第8页/共18页质量问题类缺陷：低密度夹杂，N、O稳定的区，比邻近基体区硬度高、塑性低；出现的位置很小、不连续的区域，应力集中，非常有害；经机械加工会产生孔洞，超声探伤可发现；任何发生氧化反应的地方都可能产生此缺陷，包括燃料、炉子漏气、焊接保护不好、外来杂质、低级残料、未混合均匀的TiO2。增加熔炼次数是一种解决手段。第9页/共18页质量问题高密度夹杂：难熔金属及其化合物；来源：钨极氩弧焊、车削时的刀具；沉积熔池底部，X射线可探测到，低倍也容易发现。类缺陷：类缺陷：也称软也称软偏析，异常稳定的偏析，异常稳定的区，区，可延伸到部分可延伸到部分晶粒，是晶粒，是稳定元素如稳定元素如A1A1，SnSn偏析造成的。偏析造成的。缺陷区比邻近基体区的初生缺陷区比邻近基体区的初生比例和显比例和显微硬度高。似乎此类缺陷只在钛合金中出现微硬度高。似乎此类缺陷只在钛合金中出现并在缩孔中形成，缩孔部位的低倍组织照片并在缩孔中形成，缩孔部位的低倍组织照片显示为或亮或暗的浸蚀线条显示为或亮或暗的浸蚀线条(图图3)3)。这些线。这些线条是缩孔区由于条是缩孔区由于A1A1，SnSn或其它易挥发的组分或其它易挥发的组分气化和重新沉积而产生的贫化或富集区。合气化和重新沉积而产生的贫化或富集区。合理的补缩工艺可以避免这些缺馅的产生。理的补缩工艺可以避免这些缺馅的产生。通常的检测方法不能查出这些缺陷，通常的检测方法不能查出这些缺陷，但但当缺陷在表面上时，可以通过特殊浸蚀方法当缺陷在表面上时，可以通过特殊浸蚀方法观测到。观测到。第10页/共18页质量问题铸锭气孔(空洞)：钛合金锻件上，呈椭圆形的空洞，经过大变形量加工也不能愈合，说明空洞内不是真空而是有一定气体存在其中。空洞周围并不伴随有上述类缺陷的特征。除了缩孔外，重熔可基本上消除铸锭气孔。气孔的形成与海绵钛中所含的残余氯化物有关。海绵钛中的盐类在固相金属中基本不溶解但在液相中却形成蒸汽气泡。真空熔炼中，氢含量很低，通常不足以形成气孔。缩孔部位的气孔，是由于金属收缩和易挥发组分形成的，可以通过补缩工艺得以避免。据报道，高熔化速率要比低熔化速率产生气孔的几率大。熔炼速率低有利于熔体脱气；熔池浅，可以减少凝固阶段形成的缩孔。在低熔炼速率下及补缩过程中应避免压力过低造成一定量的铝损失。第11页/共18页质量问题成分偏析：成分偏析：在钛锭结晶中形成的各部分成分不均匀的现象，其低倍、在钛锭结晶中形成的各部分成分不均匀的现象，其低倍、高倍组织照片呈现出亮高倍组织照片呈现出亮(暗暗)点、条、带点、条、带(与基体反光不同与基体反光不同)。两类：宏观偏析，经过酸腐蚀后用肉眼可见；两类：宏观偏析，经过酸腐蚀后用肉眼可见；微观偏析，只有在显微镜下才能观察到。微观偏析，只有在显微镜下才能观察到。凝固过程都是在一定温度范围内完成的，由于固态物质扩凝固过程都是在一定温度范围内完成的，由于固态物质扩散很慢，造成溶质在凝固过程中的重新分配，形成偏析。散很慢，造成溶质在凝固过程中的重新分配，形成偏析。偏析的大小与偏析的大小与合金分配系数合金分配系数、凝固速率、液相的自然和受、凝固速率、液相的自然和受迫运动、扩散、晶粒尺寸及晶体形成的方式等有关，最为关键的迫运动、扩散、晶粒尺寸及晶体形成的方式等有关，最为关键的是合金分配系数，其它因素则与具体操作工艺有关，可通过调整是合金分配系数，其它因素则与具体操作工艺有关，可通过调整工艺来改进。工艺来改进。合金分配系数是指平衡时固液两相中溶质浓度比：合金分配系数是指平衡时固液两相中溶质浓度比：Ko Ko=Cs=CsCLCL，Cs Cs 为溶质在固相中的浓度，为溶质在固相中的浓度，CL CL 为溶质在液相中的浓为溶质在液相中的浓度。度。钛中一些合金元素的钛中一些合金元素的KoKo列于表列于表2 2。第12页/共18页质量问题Ko 1Ko 1称为正偏析；称为正偏析；Ko 1Ko 11，产生正偏析。，产生正偏析。KoKo 11的元素有：的元素有：MnMn，SnSnCuCu，SiSi，NiNi，CrCrCoCo，V V，FeFe，ZrZr。第13页/共18页质量问题 液态金属在凝固过程中先凝固的枝晶含这些元素液态金属在凝固过程中先凝固的枝晶含这些元素较少，而在周围还没凝固的液态金属中含这些元素较较少，而在周围还没凝固的液态金属中含这些元素较多。多。如结晶速度较快，富含这些元素的液体金属如结晶速度较快，富含这些元素的液体金属来不及流动，产生微观偏析，这种微观偏析可来不及流动，产生微观偏析，这种微观偏析可以通过热处理来改善和消除；但如结晶速度较以通过热处理来改善和消除；但如结晶速度较慢，富含这些元素的液态金属可能流动而富集，慢，富含这些元素的液态金属可能流动而富集，形成宏观偏析，这类偏析不能通过热处理消除。形成宏观偏析，这类偏析不能通过热处理消除。元素不同，产生这种偏析的倾向不同。元素不同，产生这种偏析的倾向不同。K K。值越小，元素越容易产生偏析，基本趋势是值越小，元素越容易产生偏析，基本趋势是 MnMn，SnSn，CuCu，S iS i易于产生偏析易于产生偏析 ，NiNi，CrCr，CoCo，V V，F eF e次之次之 ，ZrZr则不易偏析。则不易偏析。从二元相图可以看出，合金元素偏析程度与从二元相图可以看出，合金元素偏析程度与液相线和固相线的温度梯度有关，梯度大，液液相线和固相线的温度梯度有关，梯度大，液相、固相共存时间长，产生偏析严重。综上所相、固相共存时间长，产生偏析严重。综上所述，分配系数述，分配系数K K。111的元素是由熔池进人凝的元素是由熔池进人凝固区，两类元素在铸锭中的理论分布见固区，两类元素在铸锭中的理论分布见 图图4 4。第14页/共18页质量问题“亮亮”偏析偏析 特征：特征：不连续，与基体正常区有明显的界限区分；不连续，与基体正常区有明显的界限区分；富钛，硬度值和富钛，硬度值和a+a+/转变温度都低于基体区；转变温度都低于基体区；在铸锭头、中、底部均发现过，无明显规律；在铸锭头、中、底部均发现过，无明显规律；存在的位置总在棒材、饼材的中心或存在的位置总在棒材、饼材的中心或1 12 R 2 R 以内区域，即对以内区域，即对 应于铸应于铸锭轴线位置。锭轴线位置。这类偏析主要与原料粒度过大、熔炼过程不正常掉块、焊接和熔炼时起弧料使这类偏析主要与原料粒度过大、熔炼过程不正常掉块、焊接和熔炼时起弧料使用不当有关，熔炼工艺参数以及电磁搅拌仅起一个辅助作用。用不当有关，熔炼工艺参数以及电磁搅拌仅起一个辅助作用。一般采取增加电极机械强度、一个一次铸锭熔化一个成品铸锭、增加熔炼次数一般采取增加电极机械强度、一个一次铸锭熔化一个成品铸锭、增加熔炼次数等措施。等措施。另一类另一类“亮亮”缺陷，经微区分析，缺陷，经微区分析，与基体相比，硬度差别不大，合金元素成与基体相比，硬度差别不大，合金元素成分、含量相当或变化不大，高倍组织无明显差异。这类问题属热加工组织缺陷，需要在分、含量相当或变化不大，高倍组织无明显差异。这类问题属热加工组织缺陷，需要在锻造工艺上采取有效措施锻造工艺上采取有效措施 。第15页/共18页质量问题 斑斑 斑是宏观偏析的一种形式，是指经过斑是宏观偏析的一种形式，是指经过 十十 加工和热处理的材料中加工和热处理的材料中 稳定元素局部相稳定元素局部相对富集区，如图对富集区，如图5 5。由于由于 斑容易被腐蚀，在低倍金相以暗区形式出现，高倍检查时则以斑容易被腐蚀，在低倍金相以暗区形式出现，高倍检查时则以 斑形式出现，与斑形式出现，与原始晶粒相比，或者一样，或者较大，原始晶粒相比，或者一样，或者较大，斑中没有或有少量的初生斑中没有或有少量的初生a a。该类缺陷起因于铸。该类缺陷起因于铸锭凝固时的选择结晶，较小的元素锭凝固时的选择结晶，较小的元素(V(V，CrCrCuCu，FeFeMn)Mn)尤易产生这种缺陷。尤易产生这种缺陷。和和a+a+钛合金都有可能出现钛合金都有可能出现 斑，并且随锭型斑，并且随锭型的增大，的增大，斑出现的可能性增加。斑出现的可能性增加。解决办法：使解决办法：使用快速凝固技术、小规格锭型、适当降低用快速凝固技术、小规格锭型、适当降低 稳稳定元素含量、降低熔炼速率等。定元素含量、降低熔炼速率等。第16页/共18页谢谢大家！第17页/共18页谢谢您的观看！第18页/共18页