Виготовлення дисків і валів-шестірень методом ЕШЛ

Виробництво дисків і валів з використанням методу електрошлакового переплаву (ЕШП) - іноді званого електрошлаковою металургією (ЕШМ) - це високоякісний процес вторинного рафінування, який використовується для отримання високоефективних, надчистих та однорідних сталевих сплавів. Він широко застосовується в аерокосмічній, оборонній та енергетичній галузях для компонентів, схильних до високої втоми, таких як турбінні диски, роторні вали та шестерні трансмісій. Виготовлення високонавантажених деталей типу дисків (наприклад, дисків турбін компресорів) і валів-шестерень (редукторів авіадвигунів, важкого машинобудування) методом електрошлакового лиття (ЕШЛ) - це передова технологія, що дозволяє отримати заготовки, які за своєю якістю не поступаються, а іноді і перевершують дорогі ковані поковки. Метод базується на електрошлаковому переплаві (ЕШП) витратного електрода, де рідкий метал очищається шлаком, але замість стандартного зливка кристалізується безпосередньо у водоохолоджувальній формі (кристалізаторі), що повторює контури майбутньої деталі.

Диски та вали-шестірні працюють в умовах екстремальних навантажень: високих обертів, знакозмінних крутних моментів та контактної втоми зубів.

Традиційно їх роблять куванням, але ЕШЛ має ключові переваги:

• Ізотропність властивостей. 

Кування створює волокнисту структуру металу. Властивості "вздовж" і "поперек" волокон відрізняються. На відміну від кування, структура металу литва, виготовлених методом ЕШЛ, завдяки контрольованій спрямованій кристалізації, має рівномірні властивості по всіх напрямках.

• Ідеальна чистота. 

Метал проходить через шар розплавленого шлаку. Шлак працює як хімічний фільтр, видаляючи неметалеві включення (оксиди, сульфіди) та знижує вміст газів.

• Коефіцієнт використання металу. 

При штампуванні великих дисків до 70% металу може йти у стружку під час обробки. Технологія ЕШЛ дозволяє відливати заготовки з мінімальними припусками під чистову обробку, зменшуючи матеріальні витрати у 2-3 рази.

Технологічні особливості виготовлення дисків методом ЕШЛ

Більшість дисків мають велике значення відношення діаметра до товщини, часто з потовщенням у ступіці та тонкою товщиною диску. 

1. Конструкція кристалізатора використовує спеціальні секційні або рухомі у вертикальному напрямку водоохолоджувані мідні форми. Для точного відтворення геометричних параметрів диска форма має розширені або звужені зони.
2. Запобігання дефектам під час лиття дисків забезпечується рівномірним охолодженням по всьому радіусу. При цьому, щоб рідка ванна залишалася плоскою, швидкість наплавлення металу чітко контролюється числовими системами управління, що також унеможливлює появу усадочних пухкостей в центрі диска.
3. Економічний ефект значно підвищується, оскільки отриманий виливок диска практично готовий до загартовування та фінішної постобробки.

Технологічні особливості виготовлення валів-шестерень методом ЕШЛ

Вал-шестірня поєднує в собі довгу тонку частину (вал) та масивну потовщену частину, де згодом нарікатимуться зуби (шестерня).

1. Підготовка полягає у встановленні затравки на дно кристалізатора складної геометричної форми, де нижня вузька частина формує вал, а середня розширюється під шестірню. Після цього форма заповнюється рідким або твердим флюсом, опускається сталевий електрод і вмикається електричний струм.
2. Формування хвостовика валу відбувається у вузькій секції форми. Завдяки оптимальній і контрольованій швидкості підйому розплаву забезпечується чітка вертикально-спрямована кристалізація, що гарантує відсутність осьової пухкості в самому валу.
3. Наплавлення шестерні починається, коли дзеркало металу доходить до зони потовщення. При цьому, для заповнення широкого об'єму форми без зупинки кристалізації, електронні системи управління автоматично збільшують потужність струму і змінюють швидкість подачі електрода або вводять додаткові електроди.
4. Формування верхнього кінця валу та монолітність верхньої частини виливка забезпечується за рахунок плавного зниження струму.

Металургійні особливості готових виробів

• Відсутність макродефектів: Повністю виключаються такі дефекти, як водневі тріщини, великі шлакові включення та скупчення газів.
• Дрібнозерниста структура: Швидке відведення тепла через мідні стінки кристалізатора діє як мікрозагартування, подрібнюючи зерно металу під час затвердіння.
• Чудова реакція на термічну обробку: Метал після ЕШЛ ідеально реагує на хіміко-термічну обробку, таку як цементація, нітрування зубів валу-шестірні, забезпечуючи тверду та в'язку робочу поверхню, стійку до ударів.

Однією з основних науково-виробничих завдань Дослідного заводу спецелектрометалургії є розробка та впровадження сучасних технологічних процесів електрошлакового лиття та обладнання для їх забезпечення. Підприємство виконує замовлення щодо виготовлення такого унікального обладнання, як водоохолоджувані мідні кристалізатори, системи управління та контролю технологічного процесу ЕШЛ. Фахівці підприємства, у тісній співпраці зі структурними підрозділами ІЕС ім. О.О. Патона, розробляють, на основі технічного завдання та вимог до структури та механічних властивостей матеріалу готової продукції, відповідні параметри технологічного процесу, що гарантують необхідну якість, надійність та довготривалу експлуатацію виготовлених методом ЕШЛ складальних компонентів.