Технология вакуумной плавки и литья : вакуумная плавка и производство фасонных отливок из титана и титановых сплавов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2266 

Кафедра технологии литейных процессов

Технология вакуумной 
плавки и литья 

Вакуумная плавка и производство фасонных 
отливок из титана и титановых сплавов 

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2013 

УДК 669.083.4 
 
Т38 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. А.Е. Семин 

Технология вакуумной плавки и литья : вакуумная плавка  
Т38 и производство фасонных отливок из титана и титановых сплавов : курс лекций / В.Д. Белов, А.В. Фадеев, А.И. Иващенко, 
С.О. Бельтюкова. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 107 с. 
ISBN 978-5-87623-667-8 

Приведены основные понятия и устройства вакуумной техники, разработки технологии производства фасонных отливок из титана и его сплавов, 
методы дуговой и индукционной плавки, принципы экономических расчетов 
ведения процессов. Рассмотрены способы получения качественных отливок 
из титана и титановых сплавов, а также основные требования безопасности 
при их производстве. 
Предназначено для магистров, обучающихся по направлению 150400 «Металлургия» по программе подготовки «Инновационные литейные технологии». 
УДК 669.083.4 

ISBN 978-5-87623-667-8 
© В.Д. Белов,  
А.В. Фадеев,  
А.И. Иващенко,  
С.О. Бельтюкова, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................................5 
1. Вакуумная техника...............................................................................................6 
1.1. История развития вакуумной техники .....................................................6 
1.2. Применение вакуумной техники...............................................................7 
1.3. Теоретические основы вакуумной техники...........................................15 
1.3.1. Общие понятия....................................................................................16 
1.3.2. Принципиальные вакуумные схемы...............................................19 
1.4. Единицы измерения вакуума. Приборы и средства измерения.........22 
1.5. Вакуумметры. Типы вакуумметров. Течеискатели..............................23 
1.6. Вакуумные насосы.....................................................................................25 
1.7. Вакуумные материалы, конструкции и способы  
изготовления вакуумных систем ....................................................................35 
1.7.1. Натекание.............................................................................................35 
1.7.2. Современное вакуумное оборудование..........................................38 
2. Фасонные отливки из титана и его сплавов ..................................................39 
2.1. Общие сведения..........................................................................................39 
2.1.1. Историческая справка........................................................................39 
2.1.2. Применение титана и его сплавов ...................................................41 
2.1.3. Получение слитков для фасонного литья.......................................42 
2.1.4. Получение слитков титановых сплавов методом  
направленной кристаллизации ...................................................................43 
2.1.5. Плазменный переплав........................................................................43 
2.1.6. Электронно-лучевой переплав.........................................................44 
2.2. Классификация титановых сплавов. Химический состав  
и механические свойства  литейных титановых сплавов.  
Виды литья..........................................................................................................46 
2.3. Литейные титановые сплавы....................................................................48 
2.4. Особенности формирования титановых отливок.................................52 
2.4.1. Особенности формирования отливок из титановых  
сплавов ............................................................................................................52 
2.4.2. Выбор способа литья и положения отливок..................................53 
2.4.3. Центробежная заливка.......................................................................54 
2.4.4. Расположение отливок в заливочных контейнерах  
(управление процессами питания отливок)..............................................55 
2.4.5. Питающие прибыли ...........................................................................58 
2.4.6. Влияние на работу прибылей ...........................................................61 
2.4.7. Технологические уклоны и напуски ...............................................62 

2.5. Вакуумные печи для производства титанового литья.........................62 
2.5.1. Плавка вакуумная дуговая гарнисажная. Конструкция 
вакуумной дуговой установки НИАТ 833Д.............................................62 
2.5.2. Вакуумная гарнисажная индукционная плавка для фасонного 
литья титановых сплавов.............................................................................65 
2.5.3. Вакуумная индукционная установка фирмы «Консарк»............66 
2.5.4. Вакуумная индукционная бестигельная установка УЛВБ.........69 
2.6. Методика проектирования технологии центробежного литья  
деталей из титановых сплавов ........................................................................75 
2.7. Дефекты отливок из титановых сплавов и методы их 
предупреждения. Аргоно-дуговая сварка и заварка дефектов..................77 
2.7.1. Дефекты отливок................................................................................77 
2.7.2. Аргоно-дуговая сварка и заварка дефектов отливок  
и деталей.........................................................................................................80 
2.8. Выбивка и механическая обработка отливок. Контроль отливок.....82 
2.8.1. Выбивка отливок................................................................................82 
2.8.2. Контроль отливок...............................................................................85 
2.8.3. Механическая обработка плавки и отливок..................................86 
2.8.4. Современные методы моделирования и проектирования  
отливок............................................................................................................89 
2.9. Подготовка и использование отходов при фасонном  
производстве титановых отливок...................................................................90 
2.10. Газостатическая обработка отливок. Модифицирование  
титановых сплавов ............................................................................................93 
2.10.1. Назначение горячего изостатического прессования..................93 
2.10.2. Оборудование для проведения горячего изостатического 
прессования....................................................................................................94 
2.10.3. Порядок проведения газостатической обработки изделий.......97 
2.10.4. Газостатическое уплотнение отливок...........................................98 
2.10.5. Модифицирование титановых отливок......................................102 
2.11. Методика определения норм расхода материалов ..........................102 
2.12. Техника безопасности при работе с титаном и его сплавами........104 
Техника безопасности при выполнении работ  на вакуумном 
оборудовании...................................................................................................104 
Библиографический список...........................................................................106 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время сфера человеческой деятельности, в которой 
применяются изделия из титана и его сплавов, непрерывно расширяется. Возрастающие требования современной техники и металлургии 
обусловливают необходимость изучения накопленного научного и 
практического опыта в области добычи, получения и производства 
изделий на основе титана. 
Внедрение в производство научных разработок и технических 
достижений тем успешнее, чем выше подготовка инженернотехнических работников металлургического производства, в том 
числе вузовская подготовка инженеров-литейщиков. 
В работе рассмотрены разработки институтов ВИАМ, ВИЛС, 
МАТИ, НИАТ, предприятий – ОАО «БЛМЗ», АК «РУБИН» «УМПО», 
ОАО «ПМ», а также зарубежных предприятий в области производства 
фасонных отливок из титана и его сплавов. 

1. ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА 

1.1. История развития вакуумной техники 

До середины ΧVII в. понятие «вакуум», в переводе с латинского 
означающее «пустота», использовалось лишь в философии. Древнегреческий философ Демокрит одним из «начал мира» считал пустоту. Позднее Аристотель вводит понятие эфира – неощутимой среды, 
способной передавать давление. В этот период знания о свойствах 
разреженного газа еще не существовали, но вакуум широко использовался в подъемных пневматических устройствах. 
Научный этап развития вакуумной техники начинается с 1643 г., 
когда в Италии Э. Торричелли, ученик знаменитого Г. Галилея, измерил атмосферное давление. В 1672 г. в Германии О. Герике изобрел механический поршневой насос с водяным уплотнением, что 
дало возможность исследовать свойства разреженного газа.  
Опыты с электрическим разрядом в вакууме привели вначале к открытию электрона, а затем рентгеновского излучения. Важнейшими 
событиями в этой области стали создание в 1873 г. лампы накаливания 
с угольным электродом А.Н. Лодыгина и открытие Т. Эдисоном в 
1883 г. термоэлектронной эмиссии. С этого момента и начинается наука – вакуумная техника. За небольшой период времени в начале XX в. 
были изобретены широко применяемые до настоящего времени вакуумные насосы: вращательный, криосорбционный, молярный, диффузионный. К U-образному манометру Торричелли добавились компрессионный, тепловой, ионизационный. 
Для получения сверхвысокого вакуума при изучении свойств газов при низких давлениях изобретаются новые насосы (турбомолекулярный, магниторазрядный), совершенствуются паромасляные 
криосорбционные насосы. 
При измерении низких давлений применяются анализаторы парциальных давлений, с помощью которых определяют состав и давление каждого компонента остаточных газов. 
Сверхвысоковакуумные системы потребовали специальных материалов и конструкций вакуумных систем. Для определения натекания применяются масс-спектрометрический и галоидный методы. 
Разрабатывается и применяется для расчета вакуумных систем стохастический метод. Достижения криогенной техники нашли широкое 
применение при получении вакуума. Все более широко применяются 
мембранные химические насосы и станции. 

1.2. Применение вакуумной техники 

Техническое применение вакуума непрерывно расширяется. Наиболее важной областью его применения является электронная техника: 
электронные лампы, микросхемы, лучевые трубки, усилительные генераторы и т.д.  
Плавка и разлив металлов в вакууме освобождают их от растворенных газов, благодаря чему они приобретают высокую механическую 
прочность, пластичность, вязкость. Плавка в вакууме позволяет получить «благородные» сорта железа для электродвигателей, медь с низким 
электрическим сопротивлением, магний, кальций, тантал, платину, титан, цирконий, бериллий, редкие металлы и их сплавы. Спекание в вакууме порошков тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден, является одним из основных процессов порошковой металлургии. 
Сверхчистые вещества, полупроводники, диэлектрики получают в вакуумных кристаллизационных установках. Диффузионная сварка в вакууме позволяет получить неразъемные герметичные соединения материалов с сильно различными температурами плавления. Таким способом соединяют керамику с металлом, сталь с алюминием и т.д. 
Высококачественное соединение материалов с однородными свойствами обеспечивает электронно-лучевая сварка в вакууме. В машиностроении вакуум применяется при нанесении упрочняющих и износостойких покрытий на режущий инструмент, детали машин. 
Химическая промышленность применяет вакуумные сушильные 
аппараты при производстве химических волокон, полиамидов, полиэтилена. Вакуумные фильтры используются при производстве целлюлозы, бумаги, смазочных масел. В производстве красителей применяются кристаллизационные вакуумные аппараты. 
Оптическая промышленность перешла с химического серебрения 
при получении зеркал на способ вакуумного алюминирования. Просветленную оптику, защитные слои на оптических линзах и интерференционные фильтры получают напылением тонких слоев в вакууме. 
В пищевой промышленности для длительного хранения продуктов используют вакуумную сушку вымораживанием. В сельском хозяйстве широко применяются вакуумные доильные аппараты; в быту 
широко используются пылесосы; на транспорте – вакуумные усилители тормозных систем, устройства подачи топлива в карбюраторах. 
В космической технике вакуум используется для имитации космических условий и испытания спутников. В медицине вакуум применяется для сохранения гормонов, сывороток, витаминов, при получении антибиотиков, анатомических и бактериологических препаратов. 

Плавильное оборудование 

Вакуумная плавильная установка ВПДС-1 
Вакуумная установка с донным сливом ВПДС-1 (рис. 1.1) предназначена для литья деталей корпусов из жаропрочных сплавов и сталей, работающих под давлением до 60 · 105 Па. 

 

Рис. 1.1. Вакуумная плавильная установка ВПДС-1 

Основные технические характеристики вакуумной плавильной установки ВПДС-1 приведены ниже: 

Вакуум рабочий, Па ...............................................................................................665·10–3 

Температура расплава, °С......................................................................................1650 
Температура печи нагрева форм, °С....................................................................1250 
Емкость тигля по стали, кг....................................................................................15…25 
Габаритные размеры тигля (наружные), мм: 
диаметр..............................................................................................................230 
высота................................................................................................................240 
Размеры печи для нагрева форм (внутренние), мм: 
диаметр..............................................................................................................500 
высота................................................................................................................600 
Скорость перемещения формы при кристаллизации, мм/мин .........................5…15 
Скорость перемещения формы, мм/мин..............................................................300 
Общая мощность печи, кВт...................................................................................350 
Габаритные размеры печи, мм: 
длина..................................................................................................................7750 
ширина...............................................................................................................5350 
высота................................................................................................................2550 

Вакуумная плавильная установка УППФ-У 
Вакуумная индукционная установка УППФ-У предназначена для 
литья изделий с поликристаллической структурой из жаропрочных 
сплавов в условиях серийного производства и для отработки сложных технологий в опытном производстве (рис. 1.2, 1.3). 

 

Рис. 1.2. Общий вид вакуумной плавильной установки УППФ-У 

Основные технические характеристики вакуумной установки 
УППФ-У приведены ниже: 

Рабочий вакуум, Па............................................................................ 0,67 
Натекание1, л·мкм рт.ст./с................................................................. 15 
Максимальное давление инертного газа (аргона) 
в плавильной камере, Па................................................................... 0,4·105 
Производительность расчетная, форм/ч ......................................... 3 
Емкость сменных тиглей, кг............................................................. 15, 25, 30 
Максимальная температура расплава, °С ....................................... 1800 
Рабочая температура печи подогрева форм, °С ............................. 1100 
Максимальная высота форм под заливку, мм ................................ 700 
Максимальный диаметр форм под заливку, мм............................. 500 
Габаритные размеры, мм................................................................... 4700 × 6100 × 3830 

––––––––– 
1 Принятая размерность соответствует градуировке приборов. 

Рис. 1.3. Вакуумная плавильная установка УППФ-У 

Установка вакуумная электродуговая плавильная 
833ДМ 
Печь 833ДМ предназначена для расплавления методом расходуемого электрода и последующей разливки в литейные формы (рис. 1.4). 
Конструкция печи позволяет использовать различные литейные формы. 
Во время плавки электрод имеет отрицательный электрический 
заряд, а гарнисажный тигель – положительный.  
Основные технические характеристики установки 833ДМ приведены ниже: 

Емкость тигля, кг, не менее...........................................................................120 
Разрежение в плавильной камере холодной  
электропечи, Па (мм рт.ст.)...........................................................................1,33·10–1 (1·10–3) 
Электрическая мощность дуги, кВт............................................................650 
Размеры используемого электрода, мм: 
диаметр......................................................................................................280 
высота ........................................................................................................1000 
Минимальное время расплавления металла в тигле, мин, не более......20 
Максимальный диаметр литейного контейнера, мм................................1000 
Максимальная высота литейного контейнера, мм....................................700 
Объем рабочей камеры, м3, не менее ..........................................................3,5 
Габаритные размеры установки, мм: 
длина ..........................................................................................................6500 
ширина.......................................................................................................6000 
высота ........................................................................................................7600 
Масса установки, кг........................................................................................15 000 

Рис. 1.4. Установка вакуумная электродуговая плавильная 833ДМ 

Термическое оборудование 

Установка вакуумная УВН-1500М 
Установка УВН-1500М предназначена для вакуумного отжига и 
обезводороживания сварных крупногабаритных агрегатов и сборочных единиц из титановых сплавов. 
Принцип работы установки заключается в нагреве обрабатываемого изделия в вакууме до определенной температуры, выдержки при 
этой температуре и охлаждении в вакууме и среде инертного газа. 
Основные технические характеристики вакуумной установки 
УВН-1500М приведены ниже: 

Вакуум в холодном состоянии (без садки), Па............................6,65·10–3 

Масса садки с приспособлением, кг .............................................1200 
Максимальная температура, °С, не более ....................................820 
Перепад температуры в рабочем 
пространстве (без садки), °С, не более.........................................±5 
Номинальная мощность, кВА........................................................450±10 % 
Размеры рабочего пространства, мм.............................................3100 × 1600 × 1200 
Расход охлаждающей воды, м3/ч, не более..................................15 
Габаритные размеры установки, мм.............................................10 425 × 5220 × 3200 
Масса установки, кг, не более .......................................................2500 

Вакуумная установка для термической обработки  
ПВ-900 
Установка вакуумная ПВ-900 предназначена для операций вакуумного отжига крупногабаритных сварных конструкций из титана и 
других металлов (рис. 1.5). 

 

Рис. 1.5. Вакуумная установка для термической обработки ПВ-900 

Основные технические характеристики вакуумной установки ПВ-900 
приведены ниже: 

Номинальная частота, Гц ...........................................................................50 
Установленная мощность, кВт ..................................................................400 
Максимальная температура, ºС..................................................................900 
Предельный вакуум в холодном состоянии, Па.......................................1,33·10–3 

Расход охлаждающей воды, м3/ч...............................................................15 
Диапазон скорости нагрева и охлаждения, ºС/ч ......................................20…200 
Габариты рабочего пространства, мм: 
длина ......................................................................................................4350 
ширина ...................................................................................................1700 
высота.....................................................................................................1300 
Максимальная масса садки, кг...................................................................3000 
Потребляемая мощность, кВт....................................................................175 
Натекание, л·мкм рт.ст./с............................................................................15 
Габаритные размеры установки, мм: 
длина ......................................................................................................14 200 
ширина ...................................................................................................4700 
высота.....................................................................................................3415