專利名稱：一種鈦及鈦合金熔煉坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬熔煉坩堝，特別是涉及鈦及鈦合金熔煉坩堝。
背景技術(shù)：
由于鈦的熔點高和化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡蹮挄r，液態(tài)鈦幾乎能與所有坩堝用耐火材料如氧化鋯、氧化鎂、氧化硅和氧化鋁均發(fā)生反應(yīng)，因此，導(dǎo)致其熔煉不能采用常規(guī)的耐火材料制造的坩堝進行真空感應(yīng)熔煉。目前工業(yè)上鈦及鈦合金熔煉常采用真空自耗電極電弧凝殼爐熔煉和強制水冷銅坩堝冷卻。真空電弧凝殼爐熔煉時先在銅坩堝壁上凝固一薄層“凝殼”，起到保護鈦液不被坩堝材料污染和隔熱作用，以便在坩堝內(nèi)形成一個熔池。由于水冷銅坩堝冷卻很快和形成凝殼使鈦液溫度場不均勻，加上鈦合金在液態(tài)保持時間短，使得澆注后鈦合金鑄件成分不均勻。成分不均勻?qū)辖鸬男阅苡绊懞艽?，如鈦鎳形狀記憶合金的相變點對成分很敏感。真空電弧凝殼爐熔煉與真空感應(yīng)爐熔煉相比能耗大，熔煉鈦合金耗電為40～60kw/kg。為解決上述問題，有人提出用氧化鈣作鈦及鈦合金熔煉坩堝。但氧化鈣很難燒結(jié)成型，而且氧化鈣坩堝在空氣下易于水解，此外用氧化鈣坩堝熔煉的鈦合金中氧含量會增高，影響鈦合金的性能。在中國專利ZL20041025119.0中發(fā)明人公開了一種鈦及鈦合金熔煉坩堝材料及由該材料制成坩堝的制造方法，采用氮化硼和適量的助熔劑為原料，通過經(jīng)冷等靜壓壓制成坩堝毛坯，在1800℃下燒結(jié)1小時，即可得熔煉坩堝成品，并在實驗室規(guī)模應(yīng)用上取得了良好的效果，具有高溫下與鈦不發(fā)生反應(yīng)，不與合金粘結(jié)；能耗低、熔煉澆注后的合金成分均勻，性能穩(wěn)定的優(yōu)點。但上述專利公開的技術(shù)，由于采用氮化硼加適量的助熔劑經(jīng)冷等靜壓制坯后燒結(jié)成形的制造整體坩堝的技術(shù)方案，無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求，因為工業(yè)化的生產(chǎn)所需的熔煉坩堝體積大，采用專利ZL200410025119.0的技術(shù)難以生產(chǎn)制造，其原因在于(1)、工業(yè)化生產(chǎn)使用坩堝(一般以噸為單位)體積大，氮化硼坩堝整體制造時所需的冷等靜壓、燒結(jié)等設(shè)備要求高價格貴，設(shè)備要特別制造。(2)、整體制造的氮化硼坩堝價格太貴、一旦損壞無法修復(fù)，必須整體更換，經(jīng)濟成本不合算。(3)、整體制造的氮化硼坩堝制造和使用過程中易產(chǎn)生裂紋。
此外，趙鳳鳴等在文獻《熱解氮化硼坩堝在特種熔煉上的應(yīng)用》和《熱解氮化硼坩堝材料生長與性能》2篇論文中公開了一種熱解氮化硼坩堝在鈦及鈦合金熔煉中的初步應(yīng)用效果以及一種熱解氮化硼坩堝的制造方法。熱解氮化硼(PBN)坩堝有許多獨特的性能，如熱解氮化硼坩堝有極好的化學(xué)和熱的穩(wěn)定性，3000℃升華，其強度隨溫度的升高而提高，當(dāng)溫度為2200℃時，強度達最大值；在室溫下耐酸、堿、鹽和有機試劑便于儲存，在高溫下耐酸；熱解氮化硼坩堝致密度高，無氣孔，其密度接近材料的理論密度(2.27g/cm3)，熔融狀態(tài)的金屬很難滲入坩堝壁內(nèi)，當(dāng)用小坩堝熔煉鈦及鈦合金時，甚至在隨爐冷卻至室溫的情況也極易倒出，坩堝內(nèi)壁光潔，無粘結(jié)現(xiàn)象，不留殘渣，坩堝容易清洗，可反復(fù)使用；與經(jīng)過冷等靜壓后燒結(jié)成形的氮化硼坩堝相比較，熱解氮化硼坩堝在力學(xué)，熱學(xué)和電學(xué)等性能方面有明顯的各向異性，同時還具有透微波和紅外線的良好性能，在沉積方向和垂直于沉積面方向上的熱導(dǎo)率相差20倍左右，也就是說坩堝表面為熱的良導(dǎo)體，而垂直于坩堝表面方向為隔熱體，當(dāng)用此坩堝熔煉鈦時，坩堝內(nèi)部熱場均勻，而熱量又很難通過坩堝壁散出，故提高了保溫性能，可節(jié)省電力近二分之一；另外PBN坩堝的抗熱震性能良好，2000℃直接投入水中未見裂紋。
與中國專利ZL200410025119.0公開的技術(shù)一樣，趙鳳鳴等在文獻《熱解氮化硼坩堝在特種熔煉上的應(yīng)用》和《熱解氮化硼坩堝材料生長與性能》中公開了一種熱解氮化硼坩堝為整體制造的氮化硼坩堝，僅適合于實驗室和小批量生產(chǎn)，在工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)中都存在前面論及的整體制造的氮化硼坩堝三大缺點；同時無論是采用熱解氮化硼還是采用燒結(jié)氮化硼作為鈦及鈦合金的熔煉坩堝，在熔煉的鈦及鈦合金中都在不同程度上存在增氮和增硼現(xiàn)象，鈦及鈦合金中氮、硼含量過高會導(dǎo)致脆性，影響合金性能，目前在實際生產(chǎn)中主要依靠加大功率，縮短熔煉時間來控制氮含量和硼含量，因而需要對現(xiàn)有的技術(shù)進行改進，提出新的技術(shù)方案，改進現(xiàn)有技術(shù)的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，可以滿足工業(yè)化、大容積、低成本、易維修、壽命長的要求，并且能有效減少鈦及鈦合金熔煉時合金中的增氮和增硼現(xiàn)象。
一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，所述的坩堝包括外殼、氮化硼內(nèi)襯和阻擋層，外殼包覆氮化硼內(nèi)襯，阻擋層附著在氮化硼內(nèi)襯與鈦及鈦合金液體相接觸的內(nèi)表面。
——所述阻擋層是指鈦與氮化硼之間進行老練處理后形成的含有鈦與硼之間的化合物或鈦與氮之間化合物的反應(yīng)層。
——所述阻擋層是含有高熔點物質(zhì)TiB2或TiB的反應(yīng)阻擋層。
——所述阻擋層是將氮化硼含有內(nèi)襯包埋在鈦粉末或者鈦粉末與催化劑混合粉末中經(jīng)高溫互擴散后形成的含有高熔點物質(zhì)TiB2或TiB的反應(yīng)阻擋層。
——所述阻擋層是將氮化硼含有內(nèi)襯噴涂金屬鈦或者金屬鈦與催化劑的混合涂層后經(jīng)高溫互擴散后形成的含有高熔點物質(zhì)TiB2或TiB的反應(yīng)阻擋層。
——所述阻擋層的厚度在0.05mm～0.5mm之間，較佳厚度為0.15～0.35mm。
——所述氮化硼內(nèi)襯是整體燒結(jié)的氮化硼內(nèi)襯或整體制造的熱解氮化硼內(nèi)襯。
——所述氮化硼內(nèi)襯是用燒結(jié)氮化硼磚堆砌成的單層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或雙層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或兩層以上的磚形成的杯形結(jié)構(gòu)。
——所述氮化硼內(nèi)襯是用熱解氮化硼磚堆砌成的單層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或雙層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或兩層以上的磚形成的杯形結(jié)構(gòu)。
——所述氮化硼內(nèi)襯是用氮化硼單晶磚堆砌成的單層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或雙層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或兩層以上的磚形成的杯形結(jié)構(gòu)。
——所述外殼是指與氮化硼內(nèi)襯形狀相匹配的具有絕熱、保溫、承力功能的殼體。
本發(fā)明的優(yōu)點在于通過老練處理，在氮化硼內(nèi)襯與鈦及鈦合金液體相接觸的內(nèi)表面形成了一層厚度在0.05mm～0.50mm的含鈦與硼之間的化合物或鈦與氮之間化合物的反應(yīng)層，特別是TiB2-TiB反應(yīng)層，能有效阻擋硼和氮向鈦及鈦合金液體中擴散，有效減少了利用氮化硼坩堝熔煉鈦及鈦合金時的增硼和增氮現(xiàn)象，提高了鈦及鈦合金的品質(zhì)。


圖1為本發(fā)明之坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的A-A剖視圖。
圖3為內(nèi)襯用雙層氮化硼磚堆砌成的本發(fā)明之坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為內(nèi)襯用三層氮化硼磚堆砌成的本發(fā)明之坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為采用整體燒結(jié)方法制造的氮化硼內(nèi)襯的本發(fā)明之坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為采用整體制造的熱解氮化硼內(nèi)襯的本發(fā)明之坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖。
上述圖中1為殼體，2為氮化硼內(nèi)襯，3阻擋層。
具體實施例方式
1.1燒結(jié)氮化硼磚的制造將氮化硼粉末，或者將氮化硼粉末及適量的助熔劑混合均勻，在模具中經(jīng)冷等靜壓制成磚形坯料，在1800℃下燒結(jié)1-2小時，即可得到燒結(jié)氮化硼磚。
燒結(jié)氮化硼磚時使用的助熔劑分別采用氧化鋯、氧化鎂、氧化硼，如重量百分比0.5％氧化鋯、1％氧化鎂和1.5％氧化硼，可以作為燒結(jié)氮化硼磚的助熔劑。
1.2整體燒結(jié)氮化硼內(nèi)襯的制造其基本工藝與1.1燒結(jié)氮化硼磚的制造工藝相同，不同的是冷等靜壓制坯時采用的模具不同，直接整體壓制成坩堝所需的杯形，然后在高溫下燒結(jié)成型。
1.3熱解氮化硼磚的制造采用化學(xué)氣相沉積工藝制造的熱解氮化硼磚的坯料，然后機加工成所需的形狀和尺寸，即可得到熱解氮化硼磚，具體如下將高純的原料氣體BCl3和NH3，按一定的比例混合通入高溫反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng)室的溫度高達2000℃，混合氣體在反應(yīng)室內(nèi)，按下列化學(xué)反應(yīng)方程進行BCl3+NH3＝BN+3HCl在熱解氮化硼(PBN)材料的生長過程中，人們總是習(xí)慣于把它比喻為落雪，即反應(yīng)中生長的六角形BN小雪片，不斷地堆落在加熱的石墨基體(芯模)上，隨著時間的延長，堆積層在加厚，即形成了熱解氮化硼的殼體，脫模取下即是獨立的、純的熱解氮化硼坯料。熱解氮化硼有良好的機加工性能，將熱解氮化硼坯料加工成圖紙要求的形狀和尺寸，即得到了本發(fā)明所需的熱解氮化硼磚。
熱解氮化硼材料的化學(xué)汽相沉積既簡單又復(fù)雜。設(shè)備簡單，原理簡單，操作簡單；但工藝的影響因素復(fù)雜，譬如，原料的進氣方式、裝爐方式、爐膛的尺寸、幾何形狀、芯模的擺放位置和方式等等，都要對汽相沉積產(chǎn)生影響，嚴重時也會造成整爐的報廢。但汽相沉積的主要影響參數(shù)還是基體的溫度、爐內(nèi)的壓力和氣體的流量比。一般選用溫度1800～1900℃，爐內(nèi)壓力1～2mmHg，氣體的流量要視爐體空間的大小、沉積物的要求而定，對于生長坩堝內(nèi)襯用的熱解氮化硼磚，通常選用高溫工藝。
氮化硼磚可以有不同的幾何形狀，特別是可以設(shè)計成凹凸配合的能相互定位的形狀，不僅可以方便堆砌成內(nèi)襯，而且在氮化硼磚損毀后便于更換。
1.4整體熱解氮化硼內(nèi)襯的制造其基本工藝與1.3熱解氮化硼磚的制造工藝相同，不同的是化學(xué)氣相沉積時采用的石墨模具不同，直接采用石墨凸模，形成坩堝所需的杯形熱解氮化硼內(nèi)襯。
1.5外殼的制造殼體可以采用耐火材料(如石墨、氧化鈣、氧化鋯等)制造，達到絕熱、保溫、承力的功能，其形狀應(yīng)與氮化硼相匹配。最常用的外殼是采用石墨制造的。
1.6阻擋層的形成工藝實施例1將整體燒結(jié)氮化硼內(nèi)襯或整體熱解氮化硼內(nèi)襯包埋在-100目以下的金屬鈦粉末中或者-100目以下的金屬鈦粉末及催化劑中，如選擇硼化物作為催化劑，可縮短反應(yīng)時間。在1000℃～1600℃之間進行燒結(jié)2～30小時，通過互擴散，在氮化硼內(nèi)襯上可以形成以TiB2為主體的或TiB2-TiB為主體的高熔點的反應(yīng)阻擋層，用鈦液體洗爐1～2次，即可以得到厚度約0.05mm～0.5mm的TiB2-TiB的反應(yīng)阻擋層，較佳厚度為0.15～0.35mm。
對于采用氮化硼磚堆砌的氮化硼內(nèi)襯，無論是采用燒結(jié)氮化硼磚還是熱解氮化硼磚，先在石墨外殼內(nèi)按設(shè)計圖紙將氮化硼磚堆砌的氮化硼內(nèi)襯，然后在用氮化硼磚堆砌的內(nèi)襯內(nèi)充填滿-100目以下的金屬鈦粉末中或者-100目以下的金屬鈦粉末及催化劑，在1000℃～1600℃之間進行燒結(jié)2～30小時，通過互擴散，在氮化硼內(nèi)襯上可以形成以TiB2為主體的或TiB2-TiB為主體的高熔點的反應(yīng)阻擋層，用鈦液體洗爐1～3次，即可以得到厚度約0.05mm～0.5mm的TiB2-TiB的反應(yīng)阻擋層，較佳厚度為0.15～0.35mm。
1.7阻擋層的形成工藝實施例2無論是對于整體氮化硼內(nèi)襯還是氮化硼磚堆砌的內(nèi)襯，采用等離子噴涂技術(shù)在內(nèi)襯與鈦及鈦合金液體接觸的內(nèi)表面噴涂一層金屬鈦，或者金屬鈦與催化劑的混合涂層，然后在在1000℃～1600℃之間進行燒結(jié)2～30小時，通過互擴散，在氮化硼內(nèi)襯上可以形成以TiB2為主體的或TiB2-TiB為主體的高熔點的反應(yīng)阻擋層，用鈦液體洗爐1～3次，即可以得到厚度約0.05mm～0.5mm的TiB2-TiB的反應(yīng)阻擋層，較佳厚度為0.15～0.35mm。
1.8一種鈦及鈦合金熔煉坩堝的制造將帶有阻擋層的氮化硼內(nèi)襯，按坩堝圖紙設(shè)計要求組裝在外殼中，即得到本發(fā)明之一種鈦及鈦合金熔煉坩堝。
可以根據(jù)具體坩堝的大小、容量、主要熔煉的鈦合金的成分來決定采用單層或雙層或多層氮化硼內(nèi)襯、阻擋層的厚度、以及外殼的使用材料和支撐強度。
1.9一種鈦及鈦合金熔煉坩堝的應(yīng)用將本發(fā)明之坩堝安裝置于真空感應(yīng)爐中熔煉鈦合金，其平均耗電量為2-3kw/kg。熔煉時坩堝的內(nèi)襯在高溫下與鈦不發(fā)生反應(yīng)，不與合金粘結(jié)，熔池流動性好，熔煉澆注后的合金成分均勻，性能穩(wěn)定，特別是由于阻擋層的存在，有效減少了增硼和增氮，熔煉后的鈦及鈦合金的硼含量或氮含量可以控制在100ppm以下，有效提高了鈦合金的品質(zhì)。
應(yīng)該注意，本文中公開和說明的結(jié)構(gòu)可以用其它效果相同的結(jié)構(gòu)代替，同時本發(fā)明所介紹的實施例并非實現(xiàn)本發(fā)明的唯一結(jié)構(gòu)。雖然本發(fā)明的優(yōu)先實施例已在本文中予以介紹和說明，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員都清楚知道這些實施例不過是舉例說明而已，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以做出無數(shù)的變化、改進和代替，而不會脫離本發(fā)明，因此，應(yīng)按照本發(fā)明所附的權(quán)利要求書的精神和范圍來的限定本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述的坩堝包括外殼(1)、氮化硼內(nèi)襯(2)和阻擋層(3)，外殼(1)包覆氮化硼內(nèi)襯(2)，阻擋層(3)附著在氮化硼內(nèi)襯(2)與鈦及鈦合金液體相接觸的內(nèi)表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述的阻擋層(3)是指鈦與氮化硼之間進行老練處理后形成的含有鈦與硼之間的化合物或鈦與氮之間化合物的反應(yīng)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述的阻擋層(3)是含有高熔點物質(zhì)TiB2或TiB的反應(yīng)阻擋層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述的阻擋層(3)是將氮化硼含有內(nèi)襯包埋在鈦粉末或者鈦粉末與催化劑混合粉末中經(jīng)高溫互擴散后形成的含有高熔點物質(zhì)TiB2或TiB的反應(yīng)阻擋層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述的阻擋層(3)是將氮化硼含有內(nèi)襯噴涂金屬鈦或者金屬鈦與催化劑的混合涂層后經(jīng)高溫互擴散后形成的含有高熔點物質(zhì)TiB2或TiB的反應(yīng)阻擋層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述的阻擋層(3)的厚度在0.05mm～0.5mm之間，較佳厚度為0.1 5～0.35mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述氮化硼內(nèi)襯(2)是整體燒結(jié)的氮化硼內(nèi)襯或整體制造的熱解氮化硼內(nèi)襯。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述氮化硼內(nèi)襯(2)是用燒結(jié)氮化硼磚堆砌成的單層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或雙層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或兩層以上的磚形成的杯形結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述氮化硼內(nèi)襯(2)是用熱解氮化硼磚堆砌成的單層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或雙層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或兩層以上的磚形成的杯形結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述氮化硼內(nèi)襯(2)是用氮化硼單晶磚堆砌成的單層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或雙層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或兩層以上的磚形成的杯形結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，其特征在于，所述外殼(1)是指與氮化硼內(nèi)襯(2)形狀相匹配的具有絕熱、保溫、承力功能的殼體。
全文摘要
一種鈦及鈦合金熔煉坩堝，本發(fā)明涉及鈦及鈦合金熔煉坩堝。所述的坩堝包括外殼、氮化硼內(nèi)襯和阻擋層，外殼包覆氮化硼內(nèi)襯，阻擋層附著在氮化硼內(nèi)襯與鈦及鈦合金液體相接觸的內(nèi)表面。本發(fā)明之坩堝與鈦不發(fā)生反應(yīng)，不粘堝，熔池流動性好，容積大、成本低、易維修、壽命長；特別是由于阻擋層的存在，有效減少了增硼和增氮，熔煉后的鈦及鈦合金的硼含量或氮含量可以控制在100ppm以下，有效提高了鈦合金的品質(zhì)。
文檔編號C04B35/583GK1995885SQ20061003263
公開日2007年7月11日 申請日期2006年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月4日
發(fā)明者劉宏葆, 周星, 朱明 , 李重河, 毛協(xié)民 申請人:劉宏葆, 周星