Цель плавки в вакууме
Настоящая работа посвящается главным образом рассмотрению технологии плавки в вакууме, но не анализу результатов применения вакуумной плавки, поэтому вначале желательно выявить преимущества использования этого процесса. Сплавы, которые могут быть выплавлены в вакууме, значительно чище по составу и прочнее сплавов, выплавляемых обычным способом.
Увеличение степени чистоты подшипниковых сталей, например, способствует удлинению срока службы подшипников в ответственных агрегатах. Различие в чистоте подшипниковой стали, выплавленной в вакууме и на воздухе, дается в баллах по шкале JK Американского общества испытания материалов; например сталь 52 100, выплавленная в вакууме, имеет 1—1,5 балла тонких включений ABCD, а та же сталь, выплавленная на воздухе, — 2,5 балла тонких и 2 балла крупных включений (результаты оценки при помощи 100 металлографических полей).
Различие также существует и в частоте макровключений, которые хорошо видны на изломе образца (фиг. 2). Такой контроль чистоты пригоден и для материалов, выплавляемых в вакууме. Все же существуют такие марки сплавов, которые трудно, а иногда и совсем невозможно получить с высокой степенью чистоты, например низколегированные стали с высоким содержанием кремния и марганца, вследствие большого количества включений.
Одним из важных преимуществ сплавов, выплавляемых в вакууме, является улучшение их механических свойств. Получение более высокой пластичности и повышенного предела усталости этих сплавов объясняется уменьшением их загрязнения. Увеличение длительной прочности и предела ползучести при высокой температуре есть результат упрочняющего действия, оказываемого алюминием, титаном или цирконием, которые при плавке стали в вакууме не загрязняют ее окислами или нитридами. Улучшение свойств сплава М-252, выплавленного в вакууме, показано на фиг. 3 и 4.
Плавка в вакууме дает возможность получать новые, более прочные металлы по сравнению с существующими марками сплавов. Сплавы на железной, никелевой или кобальтовой основах содержат большие количества высокоактивных элементов, поэтому успешная плавка их на воздухе невозможна. Сплавы юдимет-500, GE-1570 относятся к этой категории; их свойства приведены на фиг 1. На основании расширяющихся исследований в этой области, по-видимому, появятся в ближайшее время новые сплавы, отвечающие растущим современным требованиям.
Наконец, важным достоинством производства металлов в вакууме является высокая степень однородности свойств слитков—как для одной, так и в пределах нескольких плавок. Это в некоторой степени можно отнести за счет высокого качества шихты и большой тщательности проведения вакуумного технологического процесса. Однако большинство преимуществ такого производства металлов заключается в вакуумной плавке, так как последняя исключает ряд трудно учитываемых переменных факторов плавки на воздухе.
Оборудование
Оборудование, необходимее для индукционной вакуумной плавки, состоит из индукционной печи, смонтированной внутри корпуса, присоединенного к вакуумным насосам, и источника электропитания. Существует много различных конструкций и модификаций вакуумных печей, выплавляющих качественный металл, но обсуждение особенностей их не является целью настоящей работы. Имеются вакуумные печи, которые в состоянии выплавлять регулярно до Изобретено много механизмов для загрузки печей шихтой и способов разливки готового металла. Все печи можно разделить на периодически и непрерывно действующие, в которых плавка стали в вакууме производится непрерывно, без связи плавильной камеры с атмосферой между плавками. Схемы, показанные на фиг. 5—9, дают представление о работе такой вакуумной печи на заводе фирмы «Дженерал электрик» (Детройт).
Эта печь имеет емкость 450 кг и диаметр 2100 мм. С помощью вакуумных шлюзов осуществляется соединение устройств для загрузки печи шихтой и удаления слитков. Откачная система состоит из одного масляного диффузионного насоса производительностью 18 000 л/сек при давлении 4 мк рт. ст. и двух механических форвакуумных насосов. Корпус печи откачивается до давления 0,5 мк рт. ст. При нахождении в тигле жидкого металла поддерживается вакуум порядка 1 мк рт. ст. Питание к печи подается от установки мощностью 350 ква при напряжении 440 в и частоте 960 гц через соосные силовые вводы, что обеспечивает непрерывную подачу мощности независимо от положения печи.
Главной особенностью этой печи является возможность проведения многих плавок без нарушения вакуума в плавильной зоне. Она может, например, работать в течение недели, не сообщаясь с атмосферным воздухом, что улучшает производительность установки и качество готового металла.