Способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе

Способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе с применением некондиционных отходов, и может быть использовано при изготовлении отливок методом литья по выплавляемым моделям при порционной плавке мерных шихтовых заготовок (МШЗ) в вакуумных индукционных печах периодического действия.

При резке ленточной пилой МШЗ из прутков исходных литейных жаропрочных сплавов образуется большое количество некондиционных отходов в виде мелкой стружки, содержащей в своем составе до 30-35% масел из СОЖ, применяемой при разрезке сплавов. Насыпная плотность полученной стружки составляет 0,45-0,50 г/см³, а гранулометрический состав стружки разнообразен: немногим более 500 мкм, но не менее 63 мкм.

Данное состояние стружки не позволяет использовать ее при изготовлении отливок, и стружка утилизируется. В технике известно достаточное количество химических, механических и физических способов очистки стружки цветных металлов от загрязнений и ее переработки. Основным способом переработки стружки является ее переплав в плавильных печах, при этом для повышения эффективности переплава используется принцип брикетирования (уплотнения) стружки.

Известны способы получения жаропрочных сплавов на никелевой основе с использованием в шихте отходов литейного производства и утилизированных деталей (Патенты РФ №1709738, С22С 1/02, 2000 г.; №2274671, С22С 1/02, 2006 г.; №2302473, С22В 7/00, С22В 9/20, 2007 г.; №2392338, С22С 1/02, 2010 г.).

По способу, описанному в патенте №1709738, в шихту перед расплавлением добавляют до 80 мас.% отходов, затем проводят рафинирование и раскисление металла. Известный способ, который относится к безотходным способам литья, не обеспечивает получение сплава с низким содержанием примесей и не позволяет использовать стружку, загрязненную маслами, совместно с возвратом литейного производства.

Известны различные способы подготовки стружки цветных металлов с целью очищения от загрязнения, например, способ переработки алюминиевых отходов механической обработки, включающий очистку, брикетирование, нагрев, прессование и переплав в слиток (Современные способы изготовления деформируемых полуфабрикатов из алюминиевого скрапа в сб. Цветная металлургия, серия: Вторичная металлургия цветных металлов. Обзорная информация, Вып.2, М., 1990, с.15).

Недостатками данного способа являются:

1. Низкая степень удаления с поверхности стружки технологических загрязнений, что неприемлемо при изготовлении отливок из жаропрочных сплавов на никелевой основе.

2. Необходимость использования силового оборудования и соответствующей формообразующей оснастки, позволяющих производить операцию брикетирования стружки и повышающих себестоимость производства.

3. Низкое качество металла слитка из-за использования при переплаве 100% стружки.

Известен способ обезжиривания алюминиевой стружки путем обработки ее в 15% растворе азотной кислоты в течение 10-20 минут, промывки водой, последующей обработки в 5% растворе едкого натра при температуре 50°С в течение 3-5 минут, повторной обработки в 15-20% растворе азотной кислоты и окончательной промывки водой и сушки. (Современные способы изготовления деформируемых полуфабрикатов из алюминиевого скрапа в сб. Цветная металлургия, серия: Вторичная металлургия цветных металлов. Обзорная информация, Вып.2, М., 1990, с.6).

Недостатками данного способа обезжиривания стружки являются:

1. Недостаточная степень удаления с поверхности стружки технологических загрязнений, что абсолютно недопустимо при изготовлении отливок из жаропрочных сплавов на никелевой основе.

2. Низкая экологическая составляющая процесса обезжиривания стружки, вызванная применением и утилизацией агрессивных кислот и щелочей.

Оба известных способа имеют высокую себестоимость предварительной подготовки стружки для дальнейшего использования ее в качестве добавки к шихтовым материалам, а также не обеспечивают полной идентичности химических составов стружки и исходного сплава.

Наиболее близким к заявляемому является способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий подготовку шихтовых материалов, содержащих отходы жаропрочных сплавов, и их последующий переплав (Патент РФ №2398905, С22С 19/03, 2010 г.).

В качестве отходов безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля используют обрезь головных и донных частей отлитых шихтовых заготовок, недолитков, скрапин и сплесов, отходов литейного производства, а также стружки, образующейся при механической обработке монокристаллитных отливок и поверхности шихтовых заготовок.

Для повышения выхода годного с низким содержанием вредных примесей осуществляют очистку отходов путем рафинирования, перегрева и введения редкоземельных металлов, что существенно увеличивает себестоимость производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов. При этом основную массу отходов составляет обрезь, стружка и бракованные отливки (возврат), однако стружка изначально не содержит технические примеси.

В известном способе не предусматривается утилизация стружки, полученной при резке прутков ленточно-пильным методом, т.е. загрязненной техническими примесями (маслами СОЖ), что не обеспечивает безотходность производства.

Техническая задача заключается в снижении себестоимости литья, повышении коэффициента использования материала (КИМ) и процента выхода годной продукции за счет введения в состав шихтовых материалов очищенной от технических примесей стружки с химическим составом, идентичным литейному жаропрочному сплаву.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающем подготовку шихтовых материалов, содержащих отходы жаропрочных никелевых сплавов; и их последующий переплав в вакууме, согласно изобретению, в качестве отходов жаропрочных никелевых сплавов используют возврат литейного производства и стружку, полученную при резке прутков жаропрочных никелевых сплавов ленточно-пильным методом, которую добавляют в количестве 3-10% от массы шихтовых материалов, при этом стружку предварительно промывают в проточной водопроводной воде с температурой 80-90°С до остаточного содержания масел на поверхности стружки в количестве 3-5%, обезжиривают в ультразвуковой ванне с водным раствором технического моющего средства с температурой 80-90°С в течение 30-40 минут, промывают в ультразвуковой ванне с использованием проточной водопроводной воды с температурой 80-90°С в течение 10-15 минут, а затем осуществляют промывку в непроточной дистиллированной воде с температурой 80-90°С в течение 10-15 минут, и далее проводят конвекционную сушку в сетчатых вращающихся барабанах и магнитную сепарацию стружки.

Было обнаружено, что согласно заявляемому способу после проведения операции очистки, стружка имеет химический состав, идентичный исходному, что позволяет сохранить высокую степень чистоты дорогостоящих сплавов и улучшает экологичность процесса очистки стружки от технологических примесей, присутствующих в стружке, полученной при резке прутков ленточно-пильным методом, т.к. при подготовке исключается процесс расплавления, а значит и химическое взаимодействие.

Предлагаемый способ позволяет получать высококачественные отливки жаропрочных сплавов на никелевой основе с высоким процентом выхода годного (до 90%) и повышенным показателем по длительной прочности (до 95,2 часов). Из производства исключаются потери дорогостоящих исходных литейных сплавов, связанные с их разрезкой на мерные шихтовые заготовки, в виде стружки, которую после достаточно недорогой подготовки, без проведения операции брикетирования, используют в качестве возвратных отходов, что снижает себестоимость готовой продукции и повышает коэффициент использования материала на 15-20%. Способ обеспечивает полную идентичность химического состава стружки химическому составу исходного литейного сплава.

Стружка используется как полноценный исходный литейный сплав в количествах от 3,0 до 10,0%. Нижнее значение (3,0%) соответствует массе стружки, образовавшейся при одном резе, верхнее значение (10,0%) обусловлено ограничением объема плавильного тигля.

Из таблицы (см. в конце описания), иллюстрирующей преимущества заявляемого способа, видно, что все 5 плавок отвечают требованиям нормативной документации на исходный литейный сплав системы Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Re, однако, при использовании стружки возрастает процент выхода годного, а показатели длительной прочности превышают аналогичный показатель для исходного литейного сплава. При этом введение стружки в количестве 3-10% является оптимальным.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Прутки жаропрочного литейного сплава системы Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Re разрезали с использованием ленточной пилы (ленточно-пильным методом). Насыпная плотность стружки, образующейся при разрезке прутков, составляет 0,45-0,50 г/см², при этом гранулометрический состав стружки следующий:

- частиц с размером более 500 мкм - 42%;

- частиц с размером от 500 до 315 мкм - 36%;

- частиц с размером от 315 до 200 мкм - 16%;

- частиц с размером менее 200 мкм - 6%.

Стружку, собранную после резки прутков и содержащую до 30-35% технологических примесей в виде масел из СОЖ, промывают в проточной водопроводной воде с температурой 80-90°С и контролируют остаточное содержание масел на поверхности стружки. Промывку заканчивают, когда содержание масел составляет 3-5%.

Затем отмытую стружку помещают в сетчатые вращающиеся барабаны с размером ячеек не более 63 мкм и при непрерывном перемешивании обезжиривают в ультразвуковой ванне в водном растворе технического моющего средства (концентрация 0,05-0,07 кг/л) при температуре раствора 80-90°С в течение 30-40 минут. Затем остатки моющего средства из состава стружки удаляют в ультразвуковой ванне с использованием горячей проточной водопроводной воды при температуре 80-90°С в течение 10-15 минут.

Промывку стружки от ионов щелочноземельных металлов (Са⁺² и Mg⁺²), сульфатов (SO^-4), хлоридов (Cl^-1), нитратов (NO^-3), фосфатов (РО^-4) и пр. осуществляют в горячей непроточной дистиллированной воде при температуре воды 80-90°С в течение 10-15 минут при непрерывном перемешивании в сетчатых вращающихся барабанах. Затем проводят конвекционную сушку стружки в потоке нагретого до 130°C воздуха в течение 30-40 минут. При проведении операции конвекционной сушки, стружка находится в сетчатых вращающихся барабанах.

Магнитную сепарацию осуществляют с целью удаления из состава готовой стружки железосодержащих примесей. Операцию магнитной сепарации осуществляют вручную из слоя стружки, рассыпанной на ровной и немагнитной поверхности, с применением постоянного магнита.

Подготовка стружки завершается проведением контроля качества отмывки стружки. Контроль осуществляют при комнатной температуре визуальным методом в рассеянном свете на помутнение растворителя масел (Нефрас С2-80/120) после 10-ти минутной выдержки в нем пробы контролируемой стружки.

В последующем осуществляют подготовку шихтовых материалов и переплав. Для этого на дно плавильного керамического тигля емкостью 15 кг укладывают МШЗ исходного никелевого сплава массой 1600-1880 г. Поверх насыпают и выравнивают слой подготовленной стружки в количестве 120-400 г. На слой стружки укладывают «навеску» сплава в виде элементов литниково-питающих систем и забракованных отливок, являющихся возвратом собственного литейного производства, в количестве 2000 г. При этом поддерживают заданное технологией соотношение исходного литейного сплава и возврата собственного производства на уровне 50:50. Стружка в данном случае служит полноценным исходным литейным сплавом.

Расплавление производят в вакуумной индукционной печи периодического действия УППФ-3М при остаточном давлении 10^-2 мм рт.ст. за счет прямого нагрева до 1650°С с технологической выдержкой в течение 2-3 минут с целью обеспечения удаления растворенных в расплаве газов. Далее производят операцию по очистке зеркала расплава от окисных плен путем покачивания тигля. Затем температуру снижают до технологической - 1480°С, после чего металл сливают в горячую огнеупорную форму, внутренние контуры которой соответствуют наружному контуру будущей отливки.

Пример: В состав шихтовых материалов входили 40% исходного жаропрочного литейного сплава системы Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Re, 50% возврата собственного литейного производства и 10% стружки, предварительно очищенной следующим образом:

Стружку промывали в проточной водопроводной воде с температурой 80-90°С, при этом контролировали остаточное содержание масел на поверхности стружки (не более 3-5%). Затем отмытую стружку помещали в сетчатые вращающиеся барабаны с размером ячеек 63 мкм и при непрерывном перемешивании обезжиривали в ультразвуковой ванне в водном растворе технического моющего средства (концентрация 0,05-0,07 кг/л) при температуре раствора 80-90°С в течение 30 минут. Остатки моющего средства из состава стружки удаляли в ультразвуковой ванне с использованием горячей проточной водопроводной воды при температуре 80-90°С в течение 10 минут.

Затем осуществляли промывание стружки в горячей непроточной дистиллированной воде при температуре воды 80-90°С в течение 10 минут при непрерывном перемешивании. Конвекционную сушку стружки проводили в сетчатых вращающихся барабанах, помещенных в потоке нагретого до 130° воздуха, в течение 30-40 минут.

Подготовка стружки завершалась операцией контроля качества отмывки стружки, которая заключалась в визуальном контроле в рассеянном свете помутнения растворителя масел Нефрас С2-80/120 после 10-ти минутной выдержки в нем пробы стружки.

На дно плавильного керамического тигля емкостью 15 кг укладывали МШЗ исходного никелевого сплава массой 1600 г. Поверх насыпали и выравнивали слой подготовленной стружки в количестве 400 г. На слой стружки укладывали «навеску» сплава в виде элементов литниково-питающих систем и забракованных отливок, являющихся возвратом собственного литейного производства, в количестве 2000 г.

Расплавление производили в вакуумной индукционной печи периодического действия УППФ-3М при остаточном давлении 10^-2 мм рт.ст. за счет прямого нагрева до 1650°C с технологической выдержкой в течение 2-3 минут с целью обеспечения удаления растворенных в расплаве газов. Далее производили операцию по очистке зеркала расплава от окисных плен путем покачивания тигля. Температуру снижали до технологической 1480°С, после чего металл сливали в горячую огнеупорную форму, внутренние контуры которой соответствовали наружному контуру будущей отливки.

Результаты испытания образцов из полученного сплава показаны в таблице (см. в конце описания). Время до разрушения при испытании на длительную прочность при 1000°С и нагрузке 30 кг/мм² составляло 95,2 часа, а выход годного - 90%.

Выбранная схема очистки стружки от технологических загрязнений в сочетании с разработанной схемой ее переплава обеспечивает получение отливок требуемого качества при снижении себестоимости их получения более чем 15%.

Заявляемое техническое решение опробовано в производственных условиях ОАО «Авиадвигатель» с положительным результатом. Заявленным способом возвращено в производство более 400 кг жаропрочных литейных сплавов на основе никеля на сумму 6000000 рублей.

Способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий подготовку шихтовых материалов, содержащих отходы жаропрочных никелевых сплавов, и их последующий переплав в вакууме, отличающийся тем, что в качестве отходов жаропрочных никелевых сплавов используют возврат литейного производства и стружку, полученную при резке прутков жаропрочных никелевых сплавов ленточно-пильным методом, которую добавляют в количестве 3-10% от массы шихтовых материалов, при этом стружку предварительно промывают в проточной водопроводной воде с температурой 80-90°С до остаточного содержания масел на поверхности стружки в количестве 3-5%, обезжиривают в ультразвуковой ванне с водным раствором технического моющего средства с температурой 80-90°С в течение 30-40 мин, промывают в ультразвуковой ванне с использованием проточной водопроводной воды с температурой 80-90°С в течение 10-15 мин, а затем осуществляют промывку в непроточной дистиллированной воде с температурой 80-90°С в течение 10-15 мин, далее проводят конвекционную сушку в сетчатых вращающихся барабанах и магнитную сепарацию стружки.