Erstarrungsschrumpfung von Titanrohren: Ursachen, Rohrverlust und Schmelzkontrollen
Mar 13, 2024
Die Erstarrungsschrumpfung ist die größte Einzelursache für Ausbeuteverluste bei der Produktion von Titanrohren und -barren. Titan gefriert bei etwa 1668 Grad Celsius, reagiert mit fast jedem feuerfesten Material, mit dem es in Berührung kommt, und hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit von etwa 17 bis 22 W pro Meter und Kelvin, sodass die Wärme die Gefrierfront langsam und ungleichmäßig verlässt. Das Ergebnis ist eine Kontraktion von etwa 3 bis 4 Volumenprozent, wenn die Flüssigkeit in einen Feststoff übergeht, plus eine weitere Kontraktion, wenn der Barren auf Raumtemperatur abkühlt. Das Verständnis, wohin dieses Volumen fließt, ist die Grundlage für die Kontrolle von Rohr, Porosität und Entmischung.
Warum sich Titan anders verhält als Stahl
Drei Materialeigenschaften zeichnen Titan aus.
Geringe Wärmeleitfähigkeit:Die Oberfläche eines Barrens oder Gussstücks kühlt schnell ab, während das Zentrum flüssig bleibt. Dadurch entsteht ein steiler Wärmegradient und gerichtetes Erstarren, was ein tiefes Schrumpfrohr begünstigt.
Hohe chemische Reaktivität:Das Schmelzen muss im Vakuum oder in Inertgas mit wassergekühlten Kupfertiegeln erfolgen, damit es nicht zu einer exothermen Formreaktion kommt, durch die die letzte Flüssigkeit zugeführt wird.
Allotrope Transformation:Die raumzentrierte kubische Beta-Phase wandelt sich beim Abkühlen in eine hexagonal dicht gepackte Alpha-Phase um, und die damit verbundene Volumenänderung führt zu inneren Spannungen und in dicken Abschnitten zu weiteren Dimensionsänderungen.
Gefrierkontraktion und das Schrumpfrohr
Wenn flüssiges Metall nicht kontinuierlich dem letzten Gefrierbereich zugeführt wird, bildet sich dort ein Hohlraum. Bei im Vakuumlichtbogen umgeschmolzenen Barren sitzt das letzte Material, das gefriert, oben, sodass der Hohlraum wie ein zentrales Rohr mit einer schwammigen, gas{1}}reichen Zone um ihn herum aussieht. Das Rohr nimmt normalerweise die oberen paar Prozent der Barrenlänge ein. Da dieses Material nicht zu Rohren gerollt werden kann, wird es abgeschnitten und als Schrott zurückgeführt, was einen direkten Ertragsverlust darstellt. Das unkontrollierte Rohr verläuft auch tiefer als erwartet, und wenn es nicht gelingt, kommt es zu inneren Porositäten oder Laminierungen im fertigen Rohr.
Praktische Zahlen, die in Schmelzbetrieben verwendet werden, sind eine volumetrische Kontraktion von flüssigem -zu-festem Material von etwa 3 bis 4 Prozent, mit einer Muster- oder linearen Schrumpfungszugabe von etwa 1,5 bis 2,1 Prozent für gegossene Titanformen. Genaue Toleranzen hängen von der Querschnittsdicke und der Geometrie ab und sollten anhand gemessener Gussteile ermittelt und nicht aus einer Tabelle kopiert werden.
Die Faktoren, die darüber entscheiden, wie viel Schrumpfung auftritt
| Faktor | Auswirkung auf Schwindung und Rohr |
| Überhitzung | Eine höhere Überhitzung bedeutet, dass mehr Flüssigkeitsvolumen kontrahiert werden kann und das Rohr tiefer ist |
| Schmelzrate | Durch schnelles Schmelzen entsteht ein großer Flüssigkeitspool; Langsames Schmelzen hält das Becken flach und verkürzt das Rohr |
| Wärmeleitfähigkeit | Die geringe Leitfähigkeit von Titan macht den Gradienten steiler und konzentriert die letzte Flüssigkeit |
| Gefrierbereich der Legierung | Legierungen mit großem Gefrierbereich, wie z. B. beta-reiche Zusammensetzungen, bilden matschige Zonen und verteilte Porosität |
| Barrendurchmesser | Ein größerer Durchmesser erhöht den Mittellinienabstand und das Risiko einer zentralen Porosität |
| Kühlmedium | Wasser-gekühlte Kupfertiegel und -formen entziehen die Wärme schnell und fördern das gerichtete Gefrieren |
| Wasserstoff- und Gasgehalt | Gelöster Wasserstoff und Stickstoff erhöhen die Gasporosität und vergrößern die schwammige Zone |
Kontrollen für die Schmelzpraxis
Die Rohrtiefe wird über das Schmelzprogramm und nicht über eine einzelne Einstellung gesteuert. Durch erneutes Zünden des Lichtbogens und allmähliche Reduzierung der Leistung am Ende der Schmelze bleibt die Oberseite des Barrens heiß, während gleichzeitig die letzte Flüssigkeit zugeführt wird, wodurch das Rohr verkürzt und nach oben bewegt wird. Elektrodenrückzug und kontrolliertes Hot-Topping erzielen das gleiche Ergebnis. Der Barren wird dann um einen festen Abstand beschnitten, der aus der Ultraschallprüfung der oberen Zone abgeleitet wird, nicht um eine Nennlänge.
Bei kritischen Rohren ist das mehrfache Aufschmelzen Standard. Doppeltes oder dreifaches Umschmelzen im Vakuumlichtbogen verfeinert die Struktur, löst Entmischungen auf und reduziert den Gasgehalt zwischen den Durchgängen. Beim Schmelzen mit Elektronenstrahlen oder im Plasmaherd werden Einschlüsse mit hoher und niedriger Dichte vor dem letzten Vakuumlichtbogendurchgang entfernt. Jeder zusätzliche Durchgang verringert auch die Größe des Schrumpfungsfehlers, der den fertigen Schlauch erreicht.
Verwandte Erstarrungsfehler
Mittellinienporosität:feine, verteilte Hohlräume entlang der Achse, an denen die Nahrungsaufnahme unterbrochen wurde; durch Ultraschallprüfung erkannt und in der Regel beschnitten.
Abgrenzung:Legierungselemente wie Vanadium, Molybdän oder Eisen konzentrieren sich in der letzten Flüssigkeit und erzeugen Bänder unterschiedlicher Härte.
Cold Shuts und Runden:Oberflächenfalten, die entstehen, wenn teilweise erstarrtes Metall auf einströmende Flüssigkeit trifft, und die später als Rissbildungsstellen erscheinen.
Wasserstoffporosität:Gasporen, die sich bilden, weil die Wasserstofflöslichkeit beim Gefrieren des Metalls stark abnimmt.
Inspektion und Ertragsrückgewinnung
Eine gute Praxis ist die Ultraschallprüfung des Barrens mit der Probenahme von der abgeschnittenen Ober- und Unterseite. Die obere Probe ist der empfindlichste Indikator für Rohrtiefe und Entmischung und der günstigste Ort, um ein Problem vor dem Rohrwalzen zu finden. Abfälle aus der Ernte sind vollständig recycelbar, sofern sie nach Legierungen getrennt, von Oxiden gereinigt und gebeizt werden, bevor sie zu einer neuen Elektrode verarbeitet werden.
FAQ
F: Warum bildet Titan ein tieferes Schrumpfrohr als Stahl?
Weil Titan eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat und ohne eine feuerfeste Form geschmolzen wird, die Wärme nach oben zurückführen könnte. Der steile Temperaturgradient bedeutet, dass die Oberseite zuletzt gefriert, während der Rest des Barrens bereits fest ist, sodass nichts mehr vorhanden ist, was die Kontraktion fördern könnte.
F: Wie stark zieht sich Titan zusammen, wenn es erstarrt?
Etwa 3 bis 4 Volumenprozent für die Umwandlung von Flüssigkeit-zu-Feststoff, mit einer zusätzlichen Kontraktion beim Abkühlen auf Umgebungstemperatur. Gussmuster verwenden im Allgemeinen eine lineare Toleranz von etwa 1,5 bis 2,1 Prozent.
F: Kann das Schrumpfrohr komplett entfernt werden?
Nein, aber es kann oberflächlich und vorhersehbar gemacht werden. Kontrolliertes Hot-Topping, erneutes Zünden des Lichtbogens bei reduzierter Leistung und langsames Herausziehen des Barrens konzentrieren den Defekt an der Spitze, so dass ein fester Schnitt ihn entfernt.
F: Hilft mehrmaliges Umschmelzen?
Ja. Doppeltes und dreifaches Umschmelzen im Vakuumlichtbogen, dem in der Regel ein Elektronenstrahl- oder Plasmaherdschmelzen vorausgeht, verbessert die chemische Gleichmäßigkeit, senkt den Gasgehalt und verringert die Tiefe und Schwere des verbleibenden Schrumpffehlers.
F: Bei welcher Inspektion werden Schrumpfungsfehler vor dem Rohrwalzen festgestellt?
Ultraschallprüfung des Barrens sowie chemische und metallografische Probenahme der abgeschnittenen Oberseite. Beides ist erforderlich, da die Ultraschallprüfung Hohlräume gut erkennt, aber weniger empfindlich auf Entmischungen reagiert.
F: Wird abgeschnittenes Schrumpfmaterial verschwendet?
Nicht dauerhaft. Es wird als sauberer, getrennter Schrott recycelt und zu einer neuen Elektrode vermischt, sodass der Verlust eher in den Verarbeitungskosten und der Ausbeute als im Metall liegt.
