Литейный сплав на основе титана

Литейный сплав на основе титана

Реферат

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к металлургии свариваемых литейных сплавов на основе титана, и предназначено для изготовления фасонных отливок арматуры, насосов, корпусов и т.п., используемых в судостроении, химической и других отраслях промышленности.

Известны свариваемые литейные сплавы на основе титана: сплав марки ВТ1Л, сплав марки ВТ6Л [С.Г. Глазунов, А.А. Неустроев. Производство фасонных отливок из титановых сплавов. М.: «Металлургия», 1998 г., с.17].

Недостатками сплава марки ВТ1Л является пониженная прочность сплава марки ВТ6Л, недостаточная пластичность и плохая заполняемость малых каналов литейных форм. Заполняемость - характеристика способности металла при взаимодействии с металлическими формами или формами из прессованного графита заполнять стенки отливок до 5 мм. Заполняемость - один из основных критериев при выборе сплава для изготовления отливок.

Наиболее близким по содержанию ингредиентов является свариваемый сплав марки ВТ5Л, взятый в качестве прототипа, содержащий алюминий 4,1-6,2, углерод до 0,20, кислород до 0,20, водород до 0,015%, железо до 0,35%, кремний до 0,20%, цирконий до 0,80%, вольфрам до 0,20% [С.Г. Глазунов, А.А. Неустроев. Производство фасонных отливок из титановых сплавов. М.: «Металлургия», 1998 г., с.17].

Этот сплав имеет следующие недостатки:

- плохая заполняемость малых сечений литейных форм (заполняются жидким металлом сечения отливок более 10 мм) и низкие значения пластичности (δ менее 5%).

При содержании углерода (0,20%), железа (0,35%), кислорода (0,20%), кремния (0,20%), вольфрама (0,20%) заполняемость малых каналов литейных форм снижается (заливаются сечения стенок или каналов более 20 мм), пластичность сплава снижается до 2%.

Заполняемость малых сечений литейных форм для титанового сплава зависит от температурного интервала кристаллизации: чем больше интервал кристаллизации, тем хуже заполняемость литейных форм. Интервал кристаллизации в свою очередь зависит от содержания в сплаве β-стабилизирующих элементов: железа, вольфрама, кремния. При содержании железа 0,35%, вольфрама 0,20%, кремния 0,20% интервал кристаллизации повышается на 15-20°, заполняемость литейных форм снижается в 2-3 раза.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание литейного сплава, обладающего хорошими литейными свойствами, в частности, повышенной заполняемостью малых каналов литейных форм (сечением от 2,5 до 10 мм), высокой пластичностью при сохранении хороших сварочных свойств.

Технический результат достигается в результате комплексного микролегирования α-стабилизирующими элементами (алюминия, кислорода, углерода) с малым количеством β-стабилизирующих элементов низкой концентрации (железа, кремния и дополнительно вводимого ванадия и бора).

Технический результат достигается за счет того, что в состав известного сплава, содержащего алюминий, углерод, кислород, железо, кремний, дополнительно вводится ванадий и бор при следующем соотношении компонентов (мас.%):

алюминий	3,0-4,5
углерод	0,02-0,14
кислород	0,05-0,14
железо	0,02-0,25
кремний	0,02-0,12
ванадий	0,02-0,15
бор	0,001-0,005
титан и неизбежные примеси	остальное,

и выполнении следующих условий:

(C+O₂)≤0,20;

2(V+Fe+Si)/Al≤0,20.

Бор в пределах 0,001-0,005% вводится в расплав как модификатор для измельчения структуры сплава, что обеспечивает хорошие литейные и сварочные свойства. Повышение содержания бора выше 0,005% приводит к образованию боридов титана, которые являются источниками микротрещин и снижают заполняемость малых сечений литейных форм и пластичность металла. При введении бора менее 0,001% эффект модифицирования и измельчения структуры не наблюдается.

Сочетание алюминия и малого количества β-стабилизирующих элементов низкой концентрации (кремний, железо, ванадий) обеспечивает комплексное микролегирование за счет измельчения микроструктуры и повышает заполняемость малых каналов литейных форм и пластичность сплава.

Алюминий в пределах от 3,0 до 4,5% повышает заполняемость малых каналов литейной формы за счет снижения вязкости жидкого металла.

Содержание железа (до 0,25%) снижено по сравнению с известным сплавом для обеспечения заполняемости малых каналов литейной формы.

Содержание кремния (до 0,12%) снижено по сравнению со сплавом прототипом, так как при содержании кремния более 0,12% образуются силициды титана, снижающие заполняемость малых каналов литейной формы.

Содержание кислорода в заявленных пределах (0,05-0,14%) и углерода (0,02-0,14%) обеспечивает пластичность и сварочные свойства сплава. Превышение суммы (C+O₂)>0,20% приведет к снижению характеристик пластичности, сварочных свойств сплава.

Отношение 2(V+Fe+Si)/Al≤0,20 обеспечивает заполняемость малых каналов литейной формы. При отношении 2(V+Fe+Si)/Al>0,20 заполняемость малых каналов литейной формы снижается.

Пример выполнения

Составы предлагаемого и известного сплавов выплавляли в вакуумной дуговой гарниссажной плавильно-заливочной печи «Нева-2». Из предлагаемого и известного сплавов отливали литые заготовки типа «плита» размером 20×300×400 мм. для исследования механических свойств. Заливку металла производили в металлическую форму. Затем из металла литых заготовок изготавливали образцы для испытаний на разрыв по ГОСТ 1497-84 и пластины для сварки размером 20×50×100, которые сваривали между собой аргонодуговой сваркой. Для оценки качества сварного соединения из зоны сварного шва изготавливали образцы для определения полной работы разрушения образца с исходной трещиной при ударном изгибе A_ту.

Химические составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1.

Заполняемость малых каналов литейной формы изучали при заполнении предлагаемым сплавом и сплавом-прототипом цилиндрических образцов диаметром от 2,5 до 10 мм и длиной 200 мм, расположенных вертикально в металлической форме.

Результаты определения характеристик пластичности, работы разрушения металла сварного шва и заполняемости цилиндрических образцов литейной металлической формы из предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 2.

По сравнению с известным сплавом предлагаемый сплав обладает следующими преимуществами:

- заполняемость малых каналов литейных форм в среднем в 2 раза выше,

- пластичность в среднем выше в 2.5 раза;

- работа разрушения при ударном изгибе (A_ту) сварного соединения предлагаемого сплава на 50% выше (A_ту) известного сплава.

Таблица 1
Химические составы предлагаемого сплава и известного сплава-прототипа
Сплав	Al	C	Si	Fe	B	O2	V	Zr	W	C+O2	2(V+Fe+Si)/Al
1	3,0	0,02	0,12	0,02	0,002	0,14	0,15	-	-	0,16	0,193
2	4,0	0,14	0,05	0,10	0,003	0,05	0,10	-	-	0,19	0,125
3	4,5	0,08	0,02	0,25	0,005	0,10	0,02		-	0,18	0,128
прототип	5,0	0,18	0,20	0,35	-	0,20	-	0,80	0,20	0,38	-

Таблица 2
Результаты определения пластичности, работы разрушения металла сварного шва и заполняемости (предлагаемого и известного сплавов)
Сплав	δ, %	Aту Дж/м2 св. шва	Заполняемость
Размеры заполняемых цилиндрических образцов D×L, мм
2,5×200	5,0×200	7,5×200	10×200
1	15,0	70,0	200	200	200	200
2	14,5	68,0	200	200	200	200
3	16,0	68,0	200	200	200	200
прототип	6,0	40,0	75	114	162	200

Литейный сплав на основе титана, содержащий алюминий, углерод, кислород, железо, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюминий	3,0-4,5
углерод	0,02-0,14
кислород	0,05-0,14
железо	0,02-0,25
кремний	0,02-0,12
ванадий	0,02-0,15
бор	0,001-0,005
титан и примеси	остальное,

при выполнении следующих соотношений:(С+O₂)≤0,202(V+Fe+Si)/Al≤0,20.