способ получения жаропрочных никелевых сплавов путем переработки металлических отходов

Формула изобретения

1. Способ получения жаропрочных никелевых сплавов путем переработки металлических отходов, включающий загрузку металлических отходов, расплавление и рафинирование их в вакууме 3·10^-2 -10^-3 мм рт.ст. при температуре 1500-1700°С с введением в расплав рафинирующей добавки, в котором в качестве металлических отходов используют 100% некондиционных отходов, а рафинирование ведут с использованием в качестве рафинирующей добавки кальция, который вводят не менее чем в три приема в течение 5-20 мин, а после рафинирования расплав фильтруют, повторно расплавляют и доводят химический состав расплава до оптимального.

2. Способ по п.1, в котором некондиционные отходы жаропрочных никелевых сплавов используют в виде стружки, скрапины, настылей с тигля, корольков металла, металлокерамики.

3. Способ по п.1, в котором количество вводимого кальция составляет 0,01-0,09% от массы отходов.

4. Способ по п.1, в котором фильтрацию расплава осуществляют через пенокерамический фильтр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе путем переработки металлических отходов, и может быть использовано при получении шихтовых заготовок для литья, преимущественно, деталей газотурбинного двигателя (рабочие лопатки, сопловый аппарат, створки сопла и др.)

Известен способ переработки отходов жаропрочных никелевых сплавов, который включает их расплавление в вакуумной индукционной печи с получением слитка и его последующий переплав в установках электрошлакового кокильного литья с получением шихтовых заготовок (патент РФ № 2302473).

Недостатком способа является повышенное содержание в металле неметаллических включений в виде оксидов и нитридов, так как электрошлаковое литье осуществляется на воздухе; в результате снижается качество отливок.

Известен способ получения литейных жаропрочных никелевых сплавов, содержащих свежие шихтовые материалы и кондиционные отходы в количестве до 80 мас.% от металлошихты, в котором рафинирование расплава проводят в вакууме при повышенных температурах, а перед сливом металла вводят РЗМ (патент РФ № 1709738).

Недостатком способа является невозможность обеспечения в металле, низких содержаний вредных примесей и неметаллических включений, а также ограничение по количеству и виду вводимых отходов.

Известен способ получения литейных жаропрочных никелевых сплавов, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава в две стадии в атмосфере инертного газа, введение хрома и активных легирующих элементов, нагрев расплава до температуры, превышающей температуру ликвидус сплава не менее, чем на 250°С с последующей выдержкой при этой температуре, рафинирование расплава кальцием и редкоземельными металлами в вакууме, в котором шихтовые материалы содержат до 70% отходов литейных жаропрочных никелевых сплавов, которые присаживают после введения хрома. Выдержка после нагрева расплава составляет не менее 10 минут. В качестве редкоземельных металлов используют по меньшей мере один из элементов группы: церий, лантан, иттрий и скандий в количестве 0,01-0,5% от массы сплава. Отходы безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе подвергают предварительной очистке (патент РФ № 2274671).

Недостатком способа является недостаточно полная очистка сплавов от неметаллических включений (оксидов и нитридов), керамики и шлаковых включений и ограничение по сортаменту выплавляемых сплавов.

Наиболее близким к предлагаемому способу, взятым за прототип, является способ получения жаропрочных никелевых сплавов, включающий загрузку и расплавление 100% кондиционных металлических отходов, рафинирование их в вакууме 3·10 ^-2-10^-3 мм рт.ст. при температуре расплава 1500-1700°С в течение 2-8 минут и введение редкоземельных металлов в количестве 0,015-0,20% от массы отходов (патент РФ № 2190680).

Недостатками способа-прототипа является ограничение по виду отходов - можно применять только кондиционные отходы литейного производства, недостаточно полная очистка сплавов от неметаллических включений (оксидов и нитридов), керамики и шлаковых включений, невысокие механические свойства и выход годного.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения жаропрочных никелевых сплавов путем переработки металлических отходов, который обеспечивает снижение в сплавах содержания керамики, неметаллических и шлаковых включений, повышение механических свойств и выхода годного при литье деталей, позволяющий использовать 100% некондиционных отходов.

Техническая задача достигается тем, что предложен способ получения жаропрочных никелевых сплавов путем переработки металлических отходов, включающий загрузку металлических отходов, расплавление и рафинирование их в вакууме 3·10^-2 -10^-3 мм рт.ст. при температуре 1500-1700°С, введение в расплав рафинирующих добавок, в котором в качестве металлических отходов используют 100% некондиционных отходов, а в качестве рафинирующей добавки используют кальций, который вводят не менее чем в три приема в течение 5-20 минут, а после рафинирования расплав фильтруют, повторно расплавляют и доводят химический состав расплава до оптимального.

Некондиционные отходы жаропрочных никелевых сплавов используют в виде стружки, скрапины, настылей с тигля, корольков металла, металлокерамики.

Количество вводимого кальция составляет 0,01-0,09% от массы отходов.

Фильтрацию расплава осуществляют через пенокерамический фильтр.

Установлено, что соблюдение предлагаемых температурно-временных параметров плавки, обеспечение необходимого вакуума, использование в качестве рафинирующей добавки кальция и введение его в несколько (не менее 3-х) приемов, фильтрация расплава и его последующий переплав с доводкой химического состава до оптимального обеспечивает рафинирование металла от примесей газов и неметаллических включений и позволяет использовать 100% некондиционных отходов в виде стружки, скрапины, настылей, корольков металла, металлокерамики и получать жаропрочные никелевые сплавы с повышенной чистотой по оксидным пленам, нитридным кластерам, шлаковым включениям. При этом, также обеспечивается высокий выход годного отливок и повышенные механические свойства.

Примеры осуществления способа

Пример 1

По предлагаемому способу проводили плавку 100% некондиционных отходов в виде скрапины и настылей с тигля литейного жаропрочного сплава системы Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Nb-Ti-C в вакуумной индукционной печи в керамическом тигле 20 кг. Расплав рафинировали при остаточном давлении 10^-3 мм рт.ст., температуре 1650°С и выдержке в течение 12 минут, затем вводили кальций в количестве 0,01% от массы отходов в 3 приема в течение 5 минут.

После рафинирования расплав отфильтровали через пенокерамический фильтр и залили вкокиль. После проведения химического анализа полученный слиток переплавили в той же вауумной индукционной печи с введением алюминия, титана и хрома до их оптимального содержания в сплаве.

Пример 2, аналогичен примеру 1, но в качестве некондиционных отходов использовали стружку литейного жаропрочного сплава системы Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Nb-Ti-C.

Пример 3, аналогичен примеру 1, но в качестве некондиционных отходов использовали корольки металла и металлокерамику литейного жаропрочного сплава системы Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Nb-V-Ti-C.

Технологические параметры плавок и полученные результаты по чистоте металла, механическим свойствам и выходу годного по предлагаемому способу и прототипу приведены в таблице.

Из таблицы видно, что на плавках по примерам 1, 2, 3 получены низкие содержания в металле неметаллических и шлаковых включений: балл по оксидным пленам 0,15-0,25, по нитридным кластерам 1,0-1,5, по шлаковым включениям - 0. В металле, выплавленном по способу-прототипу (плавка 4), содержится повышенное количество неметаллических и шлаковых включений: балл по оксидным пленам и шлаковым включениям составляет 1,0, по нитридным кластерам - 10,0.

Сплав, выплавленный по предлагаемому способу, обладает более высокими механическими свойствами, чем выплавленный по способу-прототипу: предел прочности повысился в 1,2 раза, относительное удлинение - в 3 раза. Также повысился выход годного в отливках в 1,5 раза.

Использование предлагаемого способа позволит получать высококачественные, чистые по неметаллическим и шлаковым включениям шихтовые заготовки литейных жаропрочных сплавов из 100% металлических некондиционных отходов для изготовления лопаток, створок сопла и других деталей газотурбинных двигателей с высокими механическими свойствами и высоким выходом годного.

Применение предлагаемого способа позволяет сэкономить дорогостоящие и дефицитные шихтовые материалы (кобальт, никель, ниобий, вольфрам и др.) и снизить стоимость готовой продукции из литейных жаропрочных сплавов на 20-30%.