Металургія вакуумна

Визначення і загальна характеристика

МЕТАЛУ́РГІЯ ВА́КУУМНА — галузь науки, техніки та промисловості, що ви­вчає і реалізує на практиці процеси отрима­н­ня у вакуумі металів і сплавів. Уперше вакуум у металургії за­стосовано на поч. 20 ст. під час плавле­н­ня сплавів на основі нікелю у вакуум. печі опору. Однак широке впровадже­н­ня М. в. у промисловості роз­почато майже через 50 р., коли зʼявилися кращі вакуумні насоси та виникла необхідність у високій якості сталей і сплавів для турбін. Нині існує велика кількість насосів різноманіт. кон­струкцій для отрима­н­ня вакууму в межах від атмо­сферного до надвисокого (10^-8 Па). Завдяки М. в. можна здійснювати ефективне очище­н­ня металів і сплавів від домішок, а також неметал. часток, тобто впливати на їхній хім. склад, структуру та властивості. За допомогою М. в. можливе най­ефек­тивніше пере­робле­н­ня брухту коштовних матеріалів. Викори­ста­н­ня вакууму роз­ширює коло процесів, що неможливо реалізувати в умовах звичай. атмо­­сфер. тиску. Серед них — методи вакуум. індукцій. плавле­н­ня та лиття, вакуум. електродуг. пере­плавле­н­ня, електрон­но-промен. та зон­ного плавле­н­ня, вакуум. прецизій. лиття, позапіч. обробле­н­ня та роз­лива­н­ня сталі, вакуум. терміч. і деформац. обробле­н­ня, рафінува­н­ня в твердому стані, твердофазні процеси від­новле­н­ня з руд металів та їхніх сполук, процеси дис­тиляції. За­стосува­н­ня вакууму в металургії сприяє забезпечен­ню повного та пришвидш. протіка­н­ня хім. реакцій, що су­проводжуються виділе­н­ням газоподіб. речовин; знижен­ню робочої температури багатьох процесів, під час проведе­н­ня яких від­бувається виділе­н­ня газів і парів; зменшен­ню або виключен­ню взаємодії актив. металів з газами. Більшість вакуум. процесів рафінува­н­ня повʼязані зі станом осн. речовини та домішок під час випаровува­н­ня, дегазації, дисоціа­ції зʼ­єд­нань тощо. Особливістю цих процесів є низьке значе­н­ня тисків і без­перервне видале­н­ня продуктів реакції шляхом від­качува­н­ня й конденсації парів тощо. У вакуумі створюють термодинамічно сприятливі умови для глибшого протіка­н­ня процесів або проходже­н­ня таких процесів, що неможливі за нормал. тиску. Під час очище­н­ня металів у вакуумі осн. зовн. факторами, що ви­значають склад речовини, яку під­дають рафінуван­ню, є температура, тиск і склад залишк. газів, за яких від­бувається процес.

Нині найбільш поширеним та освоєним методом одержа­н­ня литих заготовок металів і сплавів є вакуумне електродуг. плавле­н­ня. Серед його пере­ваг — можливість проведе­н­ня плавле­н­ня у вакуумі та в атмо­сфері інерт. газу, що створює умови для ефектив. очище­н­ня металів від газових та ін. домішок. Під тиском інерт. газу воно до­зволяє виплавляти злитки сплавів з легколет. компонентами; в результаті накладе­н­ня зовн. електромагніт. поля забезпечується надійне пере­мішува­н­ня рідкої ванни, це також сприяє отриман­ню чистого й рівномір. хім. складу та структури в межах обʼєму злитка. За допомогою вакуум. електродуг. плавле­н­ня виготовляють литі заготовки та вироби широкої номенклатури — великі та плоскі злитки, трубні заготовки, фасон­не лиття та ін. У вторин. металургії для очище­н­ня, виплавле­н­ня сплавів, обробле­н­ня в рідкому стані та регулюва­н­ня хім. складу одним з найвикористовуваніших процесів є вакуумне індукційне плавле­н­ня. Воно забезпечує створе­н­ня багатьох високо­якіс. спец. матеріалів, економлячи сировину, зокрема й дорогі лігатури. Цей процес у результаті за­стосува­н­ня технології видале­н­ня шлаків і фільтрації під час роз­лива­н­ня обмежує утворе­н­ня неметал. домішок, уможливлює ефективну дегазацію роз­плаву. Крім того, індукційне або електромагнітне пере­мішува­н­ня роз­плаву до­зволяє досягати високої рівномірності структури та хім. складу по всьому обʼєму злитка, зокрема й точної концентрації легуючих елементів. Електрон­но-променеве плавле­н­ня сприяє під­вищеному очищен­ню металів і сплавів у високому вакуумі з викори­ста­н­ням мідних форм, що охолоджують водою; існує багато варіантів щодо вибору джерел на­гріва­н­ня для його проведе­н­ня. Цей процес пере­важно використовують для виробництва тугоплав. і хімічно актив. металів — танталу, ніобію, молібдену, вольфраму, ванадію, гафнію, цирконію, титану та їхніх сплавів. За його допомогою виготовляють надчисті матеріали для катодів, сплави для електрон. промисловості та пере­робляють титан. брухт. Висока кон­структивна різноманітність джерел на­гріва­н­ня під час електрон­но-променевого плавле­н­ня сприяла появі декількох нових способів плавле­н­ня та очище­н­ня: крапел. плавле­н­ня, з проміж. ємністю та зон­ного плавле­н­ня. У процесі електрон­но-променевого плавле­н­ня з проміж. ємністю виробляють та здійснюють пере­робле­н­ня актив. металів. Окрім очище­н­ня за рахунок дегазації та випаровува­н­ня, у проміж. ємності в роз­плавленому металі від­бувається роз­діле­н­ня включень з високою та низькою густиною за вагою. Великі плавил. установки з проміж. ємністю оснащені знач. кількістю електрон­но-променевих джерел на­гріва­н­ня для забезпече­н­ня до­стат. потужності. Зонне плавле­н­ня, або зонна пере­кри­сталізація, — метод очище­н­ня твердих речовин, що ґрунтується на різній роз­чин­ності домішок у твердій і рідкій фазах. Під час проведе­н­ня зон­ного плавле­н­ня в різний момент часу роз­плавл. є лише невелика частина заготовки. Роз­плавлена зона пере­сувається заготовкою, що призводить до пере­розподілу домішок. Якщо домішка краще роз­чиняється в рідкій фазі, то вона по­ступово накопичується в роз­плавл. зоні та рухається разом з нею. У результаті домішка концентрується в одній частині вихід. заготовки. Зонне плавле­н­ня є однією з най­старіших технологій для виробництва металів високої чистоти. Для речовин, що мають високу температуру плавле­н­ня (> 1500 °С), за­стосовують без­тигел. зонне плавле­н­ня з електрон­но-променевим джерелом на­гріва­н­ня. Плавле­н­ня металу здійснюють шляхом електрон. бомбардува­н­ня заготовки. Глибокий вакуум сприяє очищен­ню тугоплав. і хімічно актив. металів від газо­утворюючих і низки метал. домішок. Метод без­тигел. зон­ного плавле­н­ня набув найбільшого за­стосува­н­ня в роботі із тугоплав. і рідкіс. металами. Вакуумна дис­тиляція є одним з ефектив. методів рафінува­н­ня металів. Цей метод, що ґрунтується на роз­поділі металів під час випаровува­н­ня (конденсації) за рахунок різниці в тисках насичених парів і швидкостей випаровува­н­ня, за­стосовують в лаборатор. і вироб. практиці пере­важно для отрима­н­ня чистих металів з під­вищеним тиском насиченої пари. Рафінува­н­ня металів вакуум. дис­тиляцією здійснюють як при їхньому випаровуван­ні (за рахунок різниці в тисках насичених парів елементів), так і при конденсації пари на на­грітій поверх­ні. Вакуумне ізотермічне деформац. обробле­н­ня є остан. етапом у порошк. металургії для отрима­н­ня макс. щільності та міцності. Найчастіше використовують спіка­н­ня, гаряче ізо­статичне пресува­н­ня, різні види деформац. обробле­н­ня. Вакуумне термо­обробле­н­ня — послідовність етапів, що ви­значаються функцією «час–т-ра», унаслідок яких змінюють структуру та фазовий склад матеріалу, а також досягають певних його характеристик. Найчастіше використовують від­палюва­н­ня, гартува­н­ня, пая­н­ня та спіка­н­ня. Термооб­робле­н­ня бажано проводити у вакуумі чи атмо­сфері захис. газів. Вакуумне прокатува­н­ня — обтисне­н­ня металів і сплавів між оберт. валками прокат. станів у ваку­умі або в нейтрал. атмо­сфері; таким чином не тільки змінюють форму оброблюв. металу, але й поліпшують його структуру та властивості. Вакуум за­стосовують для захисту від оксидува­н­ня поверх­ні цих виробів. Вакуумне волочі­н­ня — деформува­н­ня металу у вакуумі протяга­н­ням катаних або пресов. заготовок через отвір з метою зменше­н­ня їхнього попереч. пере­різу, а також для отрима­н­ня більш точних роз­мірів і гладкої поверх­ні. Його за­стосовують для виробництва прутк. металу, дроту, труб та ін. виробів по­стій. пере­тину та великої дов­жини з хімічно актив. металів (напр., з гафнію та цирконію) і сплавів на їхній основі. Сучасні вакуумні технології (дегазація сталі та ковш. металургія, рафінувал. плавле­н­ня та пере­плавле­н­ня, отрима­н­ня метал. порошків роз­пиле­н­ням роз­плаву) при­звели до створе­н­ня нових високо­якіс. кон­струкцій. матеріалів, що за­стосовують в аерокосміч. і електрон. пром-стях, ядер. енергетиці та ін. галузях.

Літ.: Самарин А. М. Вакуумная метал­лургия. Мос­ква, 1962; Иванов В. Е., Папиров И. И., Тихинский Г. Ф., Амоненко В. М. Чистые и сверхчистые метал­лы. Мос­ква, 1965; Мальцев М. В., Клячко Л. И., Доронькин Е. Д., Абалихин А. В. Вакуумная метал­лургия тугоплавких метал­лов и твердых сплавов. Мос­ква, 1981; Патон Б. Е., Тригуб Н. П., Козлитин Д. А. и др. Электрон­нолучевая плавка. К., 1997; Мовчан В. П., Бережний М. М. Основи металургії. Дн., 2001; Про­гресивні матеріали і технології: У 2 т. Т. 1. К., 2003; Чернега Д. Ф., Богушевський В. С., Готвянський Ю. Я. та ін. Основи металургійного виробництва металів і сплавів. К., 2006; Ажажа В. М., Лавриненко С. Д., Пилипенко Н. Н. Ваку­умная метал­лургия в УФТИ–ННЦ ХФТИ // Академик Виктор Евгеньевич Иванов. Х., 2008; Ажажа В. М., Пилипенко Н. Н. Вакуумная метал­лургия // Неорган. материаловедение. Материалы и технологии. К., 2008. Т. 2, кн. 1.

М. М. Пилипенко

Завантажити статтю