Способ выплавки литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе

 

(19)SU(11)888578(13)A1(51)  МПК ⁶    _C22C1/02(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 27.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) СПОСОБ ВЫПЛАВКИ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов, в частности к способу выплавки литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе с применением повышенного количества литейных отходов в вакуумных индукционных печах. В настоящее время литейные жаропрочные сплавы нашли широкое применение при отливке лопаток для современных авиационных двигателей. При этом качество исходной шихты имеет определяющее значение для получения литых лопаток с высоким уровнем механических свойств и минимальным браком по металлургическим эффектам. При существующей технологии отливки лопаток образуется около 85% литейных отходов, которые состоят из бракованных лопаток, литников, литниковых чаш. Из 85% образующихся отходов при отливке лопаток может вовлекаться в плавку только 50% отходов, а остальные отходы в количестве 35% не используются по прямому назначению, т.е. не возвращаются обратно в плавку, а сдаются во ВТОРЦВЕТМЕТ. При переработке отходов на заводах ВТОРЦВЕТМЕТа извлекаются только никель и кобальт, при этом теряются такие дорогие и дефицитные металлы, как вольфрам, ниобий, ванадий, хром и другие. Поэтому рациональное, правильно организованное использование отходов литейных жаропрочных сплавов имеет важное народнохозяйственное значение. Известен способ переработки отходов жаропрочных сплавов на никелевой основе с высоким содержанием титана и алюминия, включающий выплавку сплавов в открытых дуговых печах с присадкой извести на подину, продувкой расплава кислородом и обновлением шлака. Недостатком указанного способа являются значительные потери металла из-за его испарения при температуре продувки кислородом ≈1900^оС, а также нестабильность содержания в сплаве высокоактивных элементов (титана, алюминия и др.) и повышенная окисленность металла при плавке и разливке на воздухе. Известен способ выплавки жаропрочных сплавов на никелевой основе, например ЖС6У и ЖС6К, в вакуумных индукционных печах, по которому рафинирование сплава осуществляют введением в шихту металлического кальция в количестве 0,05-1%. Основным недостатком применения кальция в качестве рафинирующей добавки при плавке в вакууме 10^-2 - 10^-3 мм рт.ст. является то, что кальций обладает высокой упругостью пара (более 1 ати при 1600^оС) и поэтому интенсивно испаряется, что приводит к образованию на стенках печи конденсата, который может легко воспламениться при контакте с воздухом и вызвать пожар. Кроме того, образование такого конденсата затрудняет чистку стенок печи после проведения плавок. Наряду с этим при введении кальция за счет его взаимодействия с футеровкой тигля на каждом металле образуется шлак, который при плавке в вакуумной индукционной печи удалить практически невозможно, при разливке этот шлак может попадать в отливки. Известен способ выплавки литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе в вакууме, включающий загрузку и расплавление шихты из свежих материалов и отходов при разрежении ниже 100 мкм, рафинирование расплава введением 0,01-0,5% по массе редкоземельных металлов, доводку расплава по химическому составу введением легирующих элементов и разливку. Недостатком данного способа рафинирования металла является то, что РЗМ вводят в один прием в расплав, который предварительно не раскисляли, поэтому в расплаве сразу образуется большое количество окислов РЗМ неблагоприятной остроугольной формы, которые являются термодинамически стойкими окислами и трудно поддаются восстановлению другими элементами расплава. Из-за плохого смачивания таких окислов РЗМ расплавом они не всплывают на поверхность ванны и остаются в металле. Недостатком данного способа рафинирования является также повышение давления в печи перед вводом РЗМ, вводом инертного газа, который может содержать влагу и кислород, т.е. является источником дополнительного окисления расплава. Кроме того, недостатком является то, что перед введением в печь инертного газа отсекается вакуумная система, поэтому может возрастать натекание в печь окружающего воздуха, т.е. возрастать окисленность металла. Недостатки данного способа не позволяют достаточно эффективно проводить рафинирование металла от окисных включений при плавке в вакууме, особенно металла, выплавляемого с применением повышенного количества отходов литейных жаропрочных сплавов. Цель изобретения - повышение использования отходов, увеличение полноты pафинирования от неметаллических примесей, повышение качества сплава и снижение расхода легирующих элементов. Поставленная цель достигается тем, что в способе выплавки литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе в вакуумной индукционной печи, включающем загрузку и расплавление шихты из свежих материалов и отходов при разрежении менее 100 мкм, рафинирование расплава введением 0,01-0,5% по массе редкоземельных металлов, доводку расплава по химическому составу введением легирующих элементов и разливку, после расплавления шихты расплав при 1520-1620^оС раскисляют углеродом в количестве, в 1,05-1,50 раза большем содержания углерода в готовом сплаве, после окончания взаимодействия углерода с окислами расплава вводят 40-70% редкоземельных металлов от общего количества при 1470-1550^оС, вводят в расплав легирующие элементы в такой последовательности, что каждый последующий вводимый элемент имеет более высокое сродство к кислороду, чем предыдущий, после чего за 2-15 мин до разливки сплава вводят оставшееся количество редкоземельных металлов. Сущность способа заключается в том, что в вакууме расплав предварительно раскисляют углеродом, при этом образуется окись углерода, которая откачивается вакуумными насосами. Реакция наиболее полно протекает при температурах расплава 1520-1620^оС, т.е. при максимальных температурах, которые допускаются при плавке в керамическом тигле в вакуумной индукционной печи. При этом отношение концентрации вводимого углерода и концентрации его в готовом сплаве составляет 1,05-1,50, т.е. углерод вводят с избытком с учетом его взаимодействия с кислородом расплава. Раскисление сопровождается выделением газовых пузырьков с поверхности расплава, которое, в зависимости от первоначального содержания окислов в расплаве, может продолжаться от 5 до 30 мин. При применении в качестве предварительного раскисления углерода из расплава удаляется до 60% всего кислорода, поступившего с шихтой. Для окончательного раскисления расплава применяют один из элементов из группы РЗМ, например иттрий или церий, в количестве 0,01-0,50%, причем 40-70% этого количества вводят сразу после прекращения реакции взаимодействия углерода с окислами расплава при разрежении в печи не менее 20 мкм и температуре расплава 1470-1550^оС, а остальную часть РЗМ вводят за 2-15 мин до начала разливки металла после доводки плавки по химическому составу. За счет того, что первую порцию РЗМ вводят в предварительно раскисленную углеродом ванну, в расплаве образуется значительное количество окислов РЗМ благоприятной округлой формы. Наиболее эффективно реакция раскисления с применением РЗМ протекает при температуре расплава 1470-1550^оС. После введения первой порции РЗМ удается связать в окислы до 30% массы кислорода, поступившего с шихтой, что обеспечивает получение хорошо раскисленного металла. При проведении последующей доводки плавки по таким химически активным металлам, как ниобий, ванадий, титан, алюминий, гафний и другим, очередность их введения в расплав устанавливается, исходя из величины сродства каждого металла с кислородом. Металлы с наименьшим сродством к кислороду (с более высокой величиной свободной энергии образования окисла) вводят в начале доводки плавки, а металлы с максимальным сродством к кислороду (с более низкой величиной свободной энергии образования окисла) вводят в конце доводки. Этим достигается получение максимальной степени усвоения каждого легирующего металла и получение окислов в расплаве благоприятной округлой формы, которые хорошо смачиваются расплавом и поэтому наиболее полно удаляются из расплава путем всплывания. В соответствии с величиной сродства этих металлов с кислородом установлен порядок их введения в плавку: такие элементы, как никель, кобальт, вольфрам, молибден, хром вводят в завалку, а после расплавления всей шихты и рафинирования расплава углеродом и первой порцией РЗМ вводят последовательно ниобий, ванадий, титан, алюминий, гафний (с учетом содержания этих элементов в отходах). После доводки плавки по химическому составу металл окончательно раскисляют оставшейся частью РЗМ, который вводят за 2-15 мин до начала разливки металла. При введении второй порции РЗМ в расплав удается связать весь оставшийся в расплаве кислород в стойкие окислы, т.е. полностью раскислить металл. Кроме того, вторая порция РЗМ кроме раскисляющего действия оказывает модифицирующее действие, измельчая структуру металла, упрочняя границы зерен и тем самым повышая свойства сплавов. В качестве РЗМ могут применяться такие металлы, как иттрий или церий, однако можно применять и другие РЗМ: лантан, празеодим, неодим, эрбий. Опробование предлагаемого способа проводят при выплавке литейных жаропрочных сплавов марок ЖС6У, ВЖЛ-12У и ЖС6Ф. Выплавку этих сплавов осуществляют в вакуумной индукционной печи емкостью 150 кг с использованием до 80% литейных отходов этих сплавов, полученных с моторных заводов. Разрежение в печи составляет не менее 20 мкм. Готовый сплав разливают в прутки, которые после остывания разрезают на мерные части и переплавляют в вакуумной порционной печи с отливкой горячего керамического блока образцов, прокаленного при 960^оС. В металле определяют содержание газов, контролируют свойства готового металла. Металл исследуют в литом состоянии без термической обработки. Свойства полученного металла во всех экспериментах определяют на идентичных образцах диаметром 5 мм и длиной 25 мм. П р и м е р 1. В вакуумной индукционной печи емкостью 150 кг выплавляют сплав ЖС6У по следующей технологии: в тигель загружают свежие материалы, кг: никель 30, кобальт 5, хром 4, вольфрам 5, молибден 0,75, а также литейные отходы этого сплава в количестве 65% от массы плавки или 75 кг. Печь откачивают до разрежения 10 мкм. После расплавления всей шихты проводят рафинирование расплава углеродом, который присаживают при температуре расплава 1580^оС в виде электродного боя в количестве 0,19% (или 0,1 кг) от массы свежей шихты (оптимальное же содержание углерода в сплаве ЖС6У 0,15% ). Через 10 мин после прекращения "подкипания" ванны за счет взаимодействия углерода с окислами расплава при температуре расплава 1530^оС и разрежения 3 мкм присаживают церий в виде ферроцерия, содержащего 70% церия в количестве 0,025% Се от массы плавки или 0,055 кг. Через 5 мин в расплав присаживают 0,75 кг ниобия, через 10 мин - 2,5 кг титана, через 10 мин - 2,9 кг алюминия. После микролегирования бором, который присадили в виде лигатуры никель-бор весом 0,159 кг, в расплав при 1520^оС и разрежении 5 мкм присаживают церий в виде ферроцерия в количестве 0,01% от массы плавки или 0,02 кг и иттрий в виде лигатуры никель-иттрий в количестве 0,005% от массы плавки или 0,035 кг. После введения каждой добавки расплав перемешивают с помощью электромагнитного устройства. Металл разливают в чугунные кокили с получением электродов диаметром 90 мм, которые затем переплавляют в порционной печи с отливкой блоков образцов и лопаток. Определяют свойства металла, содержание в нем газов и качество отлитых лопаток. При контроле качества отлитых лопаток установлено, что окисные плены и прочие неметаллические включения в лопатках отсутствуют. П р и м е р 2. В вакуумной индукционной печи емкостью 150 кг выплавляют сплав ВЖЛ-12у по следующей технологии: в тигель загружают свежие материалы, кг: никель 18, кобальт 4,5, хром 3, вольфрам 0,8, молибден 1, а также литейные отходы этого сплава в количестве 80% от массы плавки или 95 кг. Печь откачивают до разрежения 5 мкм. После расплавления всей шихты проводят рафинирование расплава углеродом, который присаживают при температуре расплава 1560^оС в виде электродного боя в количестве 0,20% или 0,6 кг от массы свежей шихты (оптимальное содержание углерода в сплаве ВЖЛ-12у составляет 0,16%). Через 15 мин после прекращения "подкипания" ванны при температуре расплава 1500^оС и разрежении 3 мкм присаживают церий в виде ферроцерия в количестве 0,015% от массы плавки или 0,035 кг. Через 5 мин в расплав вводят 0,3 кг ниобия, а через 8 мин - 0,3 кг ванадия, через 10 мин - 1,5 кг титана, через 10 мин - 1,8 кг алюминия. После микролегирования бором в виде лигатуры никель - бор в количестве 0,05 кг при 1500^оС и разрежении 2 мкм присаживают церий в виде ферроцерия в количестве 0,01% от массы плавки или 0,02 кг. Испытания металла проводят по схеме, приведенной в примере 1. Как и в примере 1, при контроле отлитых лопаток окисных плен и прочих неметаллических включений в лопатках не обнаружено. П р и м е р 3. В вакуумной индукционной печи емкостью 150 кг выплавляют сплав ЖС6Ф по следующей технологии: в тигель загружают свежие материалы, кг: никель 18, кобальт 3, хром 1,5, вольфрам 3,5, молибден 0,5, а также литейные отходы этого сплава в количестве 80% от массы плавки или 95 кг. Печь откачивают до разрежения 8 мкм. После расплавления всей шихты проводят рафинирование расплава углеродом, который вводят при температуре расплава 1600^оС в виде электродного боя в количестве 0,15% от массы свежей шихты или 0,045 кг (оптимальное содержание углерода в сплаве ЖС6Ф составляет 0,12%). Через 15 мин после прекращения "подкипания" ванны при температуре расплава 1540^оС и разрежения 5 мкм присаживают иттрий в виде лигатуры никель-иттрий в количестве 0,01% от массы плавки или 0,075 кг. Через 5 мин в расплав присаживают 0,3 кг ниобия, а через 10 мин - 0,3 кг ванадия, через 7 мин - 0,3 кг титана, а затем через 10 мин - 1,6 кг алюминия. После микролегировании бором в виде лигатуры никель-бор в количестве 0,05 кг при 1540^оС и разрежении 1 мкм присадили церий в виде ферроцерия в количестве 0,01% от массы плавки или 0,02 кг и иттрий в виде лигатуры никель-иттрий в количестве 0,01% от массы плавки или 0,05 кг. Испытания металла проводят по схеме, приведенной в примере 1. Как и в примерах 1 и 2, при контроле отлитых лопаток оксидных плен и прочих неметаллических включений в лопатках не обнаружено. Разработанный способ переработки отходов литейных жаропрочных сплавов был опробован при выплавке сплава ЖС6Ф по нижним, средним и верхним параметрам способа рафинирования металла (количество добавки, температура расплава, разрежение в печи, время выдержки после введения добавки). Полученные свойства, а также содержание газов и неметаллических включений в металле были сопоставлены со свойствами и содержанием газов и неметаллических включений в сплаве ЖС6Ф, который рафинировали по известному способу. Во всех случаях плавки выплавляли с введением 80% литейных отходов сплава ЖС6Ф поставки одного из предприятий отрасли. Результаты испытаний материалов показывают, что предлагаемый способ переработки отходов обладает следующими преимуществами перед известным способом. 1. Жаропрочные свойства сплавов, выплавленных с применением до 80% литейных отходов, с их переработкой по предлагаемому способу, повышаются на 30-50% , что приводит к повышению ресурса и надежности авиационных двигателей. 2. Предел прочности сплавов, выплавленных с применением литейных отходов, повышается на 10-15% относительное удлинение - на 25-45%, относительное сужение - на 30-60%. 3. Содержание газов и неметаллических включений в сплавах, выплавленных с применением литейных отходов, снижается в 1,5-2 раза. При применении предлагаемого способа переработки отходов литейных жаропрочных сплавов, содержание которых может составлять до 80% от массы всей шихты, обеспечивается получение готового металла, содержащего не более 0,003% кислорода, 0,0015% азота, и свойства такого металла полностью удовлетворяют требованиям технологических условий. Разработанный способ может быть рекомендован для применения на металлургическом предприятии отрасли для переработки отходов литейных жаропрочных сплавов. Предлагаемый способ переработки отходов позволяет получать высококачественный сплав по чистоте и свойствам и позволяет использовать все образующиеся при отливке лопаток отходы по прямому назначению, что экономит такие дорогие и дефицитные металлы, как никель, кобальт, вольфрам, гафний, ниобий и другие.

Формула изобретения

СПОСОБ ВЫПЛАВКИ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ в вакуумной индукционной печи, включающий загрузку и расплавление шихты из свежих материалов и отходов при разрежении менее 100 мкм, рафинирование расплава введением 0,01 - 0,5% по массе редкоземельных металлов, доводку расплава по химическому составу введением легирующих элементов и разливку, отличающийся тем, что, с целью повышения использования отходов, увеличения полноты рафинирования сплава от неметаллических примесей, повышения качества сплава и снижения расхода легирующих элементов, после расплавления шихты расплав при 1520 - 1620^oС раскисляют углеродом в количестве, в 1,05 - 1,50 раза большем содержания углерода в готовом сплаве, после окончания взаимодействия углерода с окислами расплава вводят 40 - 70% редкоземельных металлов от общего количества при температуре расплава 1470 - 1550^oС, вводят в расплав легирующие элементы в такой последовательности, что каждый последующий вводимый элемент имеет более высокое сродство к кислороду, чем предыдущий, после чего за 2 - 15 мин до разливки сплава вводят оставшееся количество редкоземельных металлов.