Изготовление дисков и валов-шестерен методом ЭШЛ

Производство дисков и валов с использованием метода электрошлакового переплава (ЭШП) — иногда называемого электрошлаковой металлургией (ЭШМ) — это высококачественный процесс вторичного рафинирования, используемый для получения высокоэффективных, сверхчистых и однородных стальных сплавов. Он широко применяется в аэрокосмической, оборонной и энергетической отраслях для компонентов, подверженных высокой усталости, таких как турбинные диски, роторные валы и шестерни трансмиссий. Изготовление высоконагруженных деталей типа дисков (например, дисков турбин компрессоров) и валов-шестерен (редукторов авиадвигателей, тяжелого машиностроения) методом электрошлакового литья (ЭШЛ) — это передовая технология, позволяющая получить заготовки, которые по своему качеству не уступают, а иногда и превосходят дорогие поковки. Метод базируется на электрошлаковом переплаве (ЭШП) расходного электрода, где жидкий металл очищается шлаком, но вместо стандартного слитка кристаллизуется непосредственно в водоохлаждаемой форме (кристаллизаторе), повторяющей контуры будущей детали.

Диски и валы-шестерни работают в условиях экстремальных нагрузок: высоких оборотов, знакопеременных крутящих моментов и контактной усталости зубов. 

Традиционно их делают ковкой, но ЭШЛ имеет ключевые преимущества:

• Изотропность свойств.

 Ковка создает волокнистую структуру металла. Свойства "вдоль" и "поперек" волокон разнятся. В отличие от ковки, структура металла отливок, изготовленных методом ЭШЛ, благодаря контролируемой направленной кристаллизации, обладает равномерными свойствами по всем направлениям. 

• Идеальная чистота.

 Металл проходит через слой расплавленного шлака. Шлак работает как химический фильтр, удаляя неметаллические включения (оксиды, сульфиды) и снижает содержание газов.

• Коэффициент использования металла.

При штамповке больших дисков до 70% металла может идти в стружку при обработке. Технология ЭШЛ позволяет отливать заготовки с минимальными припусками под чистовую обработку, уменьшая материальные затраты в 2-3 раза.

Технологические особенности изготовления дисков методом ЭШЛ

Большинство дисков имеют большое значение отношения диаметра к толщине, часто с утолщением в ступице и тонким полотном.

1. Конструкция кристаллизатора использует специальные секционные или подвижные в вертикальном направлении водоохлаждаемые медные формы. Для более точного воспроизведения геометрических параметров диска форма имеет расширенные или суженные зоны.
2. Предотвращение дефектов при литье дисков обеспечивается равномерным охлаждением по всему радиусу. При этом, чтобы жидкая ванна оставалась плоской, скорость наплавки металла четко контролируется числовыми системами управления, что также исключает появление усадочных рыхлостей в центре диска.
3. Экономический эффект значительно повышается, так как полученная отливка диска практически готова к закаливанию и финишной постобработке.

Технологические особенности изготовления валов-шестерен методом ЭШЛ

Вал-шестерня сочетает в себе длинную тонкую часть (вал) и массивную утолщенную часть, где впоследствии будут нарезаться зубы (шестерня).

1. Подготовка заключается в установке затравки на дно кристаллизатора сложной геометрической формы, где нижняя узкая часть формирует вала, а средняя расширяется под шестерню. После этого форма заполняется жидким или твердым флюсом, опускается стальной электрод и включается электрический ток.
2. Формирование хвостовика вала происходит в узкой секции формы. Благодаря оптимальной и контролируемой скорости подъема расплава, обеспечивается четкая вертикально-направленная кристаллизация, гарантирующая отсутствие осевой рыхлости в самом валу.
3. Наплавка шестерни начинается, когда зеркало металла доходит до зоны утолщения. При этом, для заполнения широкого объема формы без остановки кристаллизации, электронные системы управления автоматически увеличивают мощность тока и изменяют скорость подачи электрода или вводят дополнительные электроды. 
4. Формирование верхнего конца вала и монолитность верхней части отливки обеспечивается за счет плавного снижения тока. 

Металлургические особенности готовых изделий

• Отсутствие макродефектов: Полностью исключаются такие дефекты, как водородные трещины, большие шлаковые включения и скопления газов.
• Мелкозернистая структура: Быстрый отвод тепла через медные стенки кристаллизатора действует как микрозакаливание, измельчая зерно металла при отверждении.
• Прекрасная реакция на термическую обработку: Металл после ЭШЛ идеально реагирует на химико-термическую обработку, такую как цементация, нитрование зубьев вала-шестерни, обеспечивая твердую и вязкую рабочую поверхность, устойчивую к ударам.

Одной из основных научно-производственных задач Опытного завода спецэлектрометаллургии является разработка и внедрение современных технологических процессов электрошлакового литья и оборудования для их обеспечения. Предприятие выполняет заказы по изготовлению такого уникального оборудования, как водоохлаждаемые медные кристаллизаторы, системы управления и контроля технологического процесса ЭШЛ. Специалисты предприятия, в тесном сотрудничестве со структурными подразделениями ИЭС им. Е.О. Патона, разрабатывают, на основе технического задания и требований к структуре и механическим свойствам материала готовой продукции, соответствующие параметры технологического процесса, гарантирующие необходимое качество, надежность и долговременную эксплуатацию изготовленных методом ЭШЛ сборочных компонентов.