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熔煉難熔金屬的新技術(shù)——真空懸浮熔煉技術(shù)

2016-05-24 11:12:50 安裝信息網(wǎng)

李碚張森元少勇陳貴生

（深圳市賽邁特懸浮冶金科技有限公司）

摘要利用真空懸浮熔煉技術(shù)熔煉了V和V-Ta合金.Nb和Nb-Ti、Nb-Zr合金.Mo和Mo-Ti合金.Ta和Ta- Ti合金以及Co-Cr-W合金等多種難熔金屬及其合金。研究發(fā)現(xiàn)，采用真空懸浮熔煉技術(shù)熔煉難熔金屬及其合金的優(yōu)點是對原料的形態(tài)沒有嚴(yán)格的要求，爐料整體熔化并且能得到充分的電磁攪拌，合金的成分和組織均勻；合金料可以隨主料一起加入坩堝，也可以在熔煉過程中或熔煉結(jié)束前加入，使合金含量的精確性得到保證；真空熔煉的條件可以有效排除雜質(zhì)元素；熔煉后可以根據(jù)需要直接鑄造成形狀和尺寸符合要求的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞難熔金屬；電磁懸浮熔煉；真空熔煉；冷坩堝

一般將熔點接近和超過2 000℃的金屬稱為難熔金屬（見表1），這些金屬及其合金在航空、航天、兵器等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。難熔金屬及其合金由于熔點很高，用真空感應(yīng)爐熔煉幾乎無法實現(xiàn)。

制備難熔金屬及其合金一般采用兩類技術(shù)，一是粉末冶金技術(shù)。這種技術(shù)的流程長，包括制粉、壓型、真空燒結(jié)、等靜壓、加工等工序，而且，材料的致密度低，雜質(zhì)含量比較高；二是電弧、電子束、等離子等熔煉技術(shù)，統(tǒng)稱為能量束熔煉技術(shù)，這類技術(shù)的最大的優(yōu)勢是溫度高，雜質(zhì)去除的效果好，可以應(yīng)用于金屬的提純處理。但是，一個重要缺陷是能量束集中、加熱面積小、熔化深度淺，不能形成整體熔化，所以，難以達(dá)到高均勻性，除非結(jié)合連續(xù)加料和連續(xù)拉錠技術(shù)，否則無法獲得大尺寸產(chǎn)品。這些技術(shù)不能直接用鑄造的方法得到產(chǎn)品，另外由于局部溫度太高，合金元素的燒損量很大，成分難以控制。真空懸浮熔煉技術(shù)是在真空感應(yīng)熔煉技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用電磁懸浮力，使金屬熔池在坩堝中呈懸浮或準(zhǔn)懸浮狀態(tài)，排除了熔池與坩堝的相互作用。在懸浮熔煉技術(shù)中，冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)是一種基本成熟并且得到了實際應(yīng)用的技術(shù)（見圖1和圖2），特別適合于活潑金屬及合金、超純金屬及合金的熔煉。

通過多年的技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)實踐，將冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)發(fā)展到了較高的水平，并且，已經(jīng)使用這種技術(shù)熔煉和鑄造了稀土、Ti、Cr、Zr及其合金。主要目的是研究利用冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)熔煉熔點高于2 000℃的難熔金屬的方法。

1 冷坩堝感應(yīng)熔煉設(shè)備

冷坩堝裝置是冷坩堝感應(yīng)熔煉設(shè)備的核心部件，主體是水冷紫銅坩堝。為了使電磁場能進(jìn)入坩堝內(nèi)部，坩堝沿軸向分割成20～30個瓣片；在每一個瓣片中都有供水回路的冷卻系統(tǒng)以便使坩堝承受2 000～3 000℃的高溫。

本課題注重于提高懸浮力的技術(shù)措施，即懸浮力增大，則熔池與坩堝內(nèi)壁的接觸減少，被坩堝中帶走的熱量就大幅度減少。這與薛冠霞等的研究結(jié)果一致；懸浮力隨感應(yīng)電流和坩堝分瓣數(shù)的增加而增大，并根據(jù)試驗結(jié)果設(shè)置了最佳的參數(shù)。試驗結(jié)果表明，在坩堝內(nèi)徑為80 mm時，感應(yīng)電源的頻率取10～30 kHz時懸浮力最大。為了達(dá)到最佳工藝效果，在電源功率不變的條件下，減小坩堝和感應(yīng)圈的直徑，增大坩堝內(nèi)磁力線的密度；采用底部帶有錐度的坩堝和感應(yīng)線圈，增大懸浮力，減小熔池與坩堝底的接觸；在坩堝上方設(shè)置水冷銅坩堝蓋，減少熱量的輻射損失。坩堝蓋必須開縫，以便使磁力線能夠穿過；改進(jìn)坩堝的水路設(shè)計，強(qiáng)化坩堝的冷卻能力實際上成為了提高熔煉溫度的關(guān)鍵因素。

懸浮熔煉設(shè)備包括1、5、20 kg級的設(shè)備，見圖3。

2 試驗結(jié)果

2.1 V和V-Ta合金的熔煉

用1kg級設(shè)備和5 kg級設(shè)備對V和V-Ta合金進(jìn)行了熔煉，并進(jìn)行了鑄造。試驗條件和試驗結(jié)果見表2，熔煉得到的V錠和V-Ta錠見圖4。為了使高熔點的Ta完全熔化到合金之中，必須用厚度小于0.5 mm的Ta箔作為原料。

2.2 Nb和Nb-Ti、Nb-Zr合金的熔煉

用5 kg級設(shè)備對Nb和Nb-Ti、Nb-Zr合金進(jìn)行了熔煉，試驗條件和試驗結(jié)果見表3，熔煉得到的金屬見圖5。熔煉結(jié)束時，為了防止在熔池整體落到坩堝的底面燒損坩堝，所以，金屬Nb和Nb合金必須緩慢降低電流，使熔池在懸浮狀態(tài)下凝固。一些金屬錠呈現(xiàn)帶溝槽的指狀結(jié)構(gòu)，這是由于熔池在電磁約束力的作用下形成的形態(tài)。