Металургія вакуумна

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 з’явилися 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 пов’язані зі станом осн. речовини та домішок під час випаровування, дегазації, дисоціа­ції з’єднань 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 об’єму 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 об’єму 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.

Завантажити статтю