ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
TI BASED CAST ALLOY

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:
2
(C+O)≤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.
2
Содержание кислорода в заявленных пределах (0,05-0,14%) и углерода (0,02-0,14%) обеспечивает пластичность и сварочные свойства сплава. Превышение суммы (C+O)>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
ту
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.
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;
ту
ту
- работа разрушения при ударном изгибе (A) сварного соединения предлагаемого сплава на 50% выше (A) известного сплава.
Таблица 1
Химические составы предлагаемого сплава и известного сплава-прототипа
Сплав
Al
C
Si
Fe
B
O<sub>2</sub>
V
Zr
W
C+O<sub>2</sub>
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, %
A<sub>ту</sub> Дж/м<sup>2</sup> 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