Материалы для приготовления тиглей

К тиглю индукционных печей предъявляется ряд требований: хорошая термостойкость, достаточная огнеупорность, химически не взаимодействующий с плавящимся металлом и жидким шлаком материал тигля, достаточно плотная для устранения возможности просачивания металла рабочая поверхность тигля и др. К тиглю вакуумных индукционных печей предъявляется ряд дополнительных требований, налагаемых вакуумом: материал тигля не должен испаряться в вакууме при рабочих температурах, а также содержать или же образовывать (в результате реакции с жидким металлом) сильно летучих и легко диссоциирующих соединений. Так, например, не рекомендуется проводить плавку стали под вакуумом в кварцевых тиглях из-за значительной летучести крем-некислоты и окиси кремния. Плавка в вакууме также сильно ухудшает работу магнезитового тигля, удовлетворительно работающего при плавке в атмосфере воздуха. Здесь имеет место разложение материала тигля ввиду сильного испарения магния в вакууме. Испаряющийся магний конденсируется на холодных внутренних деталях печи и на смотровом стекле, что затрудняет ведение плавки.

Рассмотрим существующие огнеупорные материалы с точки зрения возможности использования их для футеровки вакуумных печей. Свойства огнеупоров приведены в табл. 10 и 11.

Как видно из таблиц, среди сравниваемых огнеупоров окись магния обладает наиболее высокой температурой плавления, но одновременно и большим тепловым расширением. Стабилизированная двуокись циркония при весьма близкой температуре плавления окиси магния имеет вдвое меньшее тепловое расширение. Наименьшим тепловым расширением обладает циркон. Кремнезем, претерпевающий фазовые превращения при нагреве, расширяется особенно сильно, а при температуре 590° склонен растрескиваться. Окись магния, а также глинозем имеют высокую теплопроводность, однако глинозем, имеющий значительно меньшее тепловое расширение, термически более стоек. Цирконий и особенно стабилизованная двуокись циркония имеют наименьшую теплопроводность, но вследствие своего малого теплового расширения оба материала стойки против растрескивания. В отличие от чистой двуокиси циркония, претерпевающей большое изменение в объеме при 1090°, двуокись циркония с добавкой доли процента окиси кальция или окиси магния (стабилизованная) обладает объемов стойкостью. При значительном снижении давления (до 1Х ХЮ^-3 мм рт. ст.), как это бывает в условиях вакуумной плавки, большое значение приобретает улетучивание некоторых составляющих огнеупорных материалов и возникающие при этом реакции. Пониженное давление часто способствует взаимодействию окислов с углеродом или водородом. Стойкость материалов при высоких температурах и низких давлениях может характеризоваться количеством свободной энепгии обпа-зования. Чем больше тепла высвобождается в процессе образования соединения, тем больше его устойчивость при высоких температурах.

На фиг. 31 показано изменение свободной энергии в зависимости от температуры образования некоторых окислов. С увеличением численного значения изменения свободной энергии (на ординате эти значения имеют отрицательный знак) возрастает Устойчивость соединения при высоких температурах. Из окислов, представленных на фиг. 31, наиболее термостойким соединением является окись кальция, но она неприменима в качестве огнеупора.

Так как образует легкоплавкие соединения с другими окислами, а в нормальных атмосферных условиях легко образует гидраты и карбонаты.

Еще более термостойка окись тория, пока еще слишком дорогая для промышленного применения. При температурах до 1370° наиболее термостойка окись магния, но при температурах выше 1540° она уступает двуокиси циркония и глинозему.

Кремнезем и особенно окись железа легко восстанавливаются яри низких давлениях и высоких температурах. Вследствие этого при литье под вакуумом сплавов, содержащих углерод, алюминий и титан, можно ожидать реакции кремнеземистой формы с этими элементами.

Все названные выше окисли при соприкосновении с жидким металлом в некоторой степени диссоциируют, а продукты диссоциации растворяются в металле или уходят в виде газа.

Из приведенных данных видно, что наиболее приемлемыми материалами для тиглей при вакуумных плавках могут быть двуокись циркония, глинозем и окись магния.

В настоящее время перечисленные окислы являются наиболее распространенными огнеупорными материалами для изготовления тиглей индукционных вакуумных печей. Указанные материалы применяют плавлеными. Неплавленые огнеупорные материалы вследствие их сильного взаимодействия с металлом и незначительной стойкости непригодны для изготовления тиглей вакуум, ных индукционных печей. Не следует также применять в качестве связующего борную кислоту, так как это портит металл. Так, например, в сплаве, выплавленном в тигле из неплавленрго магнезита с добавкой борной кислоты, содержится бора в 2—2,5 раза больше расчетного. Увеличивается также количество кислорода в сплаве вследствие реакций восстановления окиси магния углеродом, содержащимся в металле. Бор почти полностью остается в металле, а магний в металле не обнаруживается. Но на внутренних стейках вакуумной печи осаждается порошок светло-серого цвета, состоящий в основном из окиси магния, что свидетельствует о возгонке огнеупорного материала тигля в условиях вакуума.