RU2190680C1 - Method for producing castable refractory nickel-base alloys - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: method involves refining foundry nickel production wastes in vacuum of 3•10^-2-10^-3 mm of mercury column at melt temperature of 1,500-1,700 C for 2-8 min; introducing rare earth metals in an amount of 0.015-0.20 % by weight of wastes, with one or more elements of the group comprising of cerium, yttrium, lanthanum, scandium being selected as rare earth metals. Method allows quality standardized burden blanks to be produced from 100% of castable refractory nickel-base alloys and high purity of metal as to contaminants such as oxygen, nitrogen, sulfur to be provided. Cost of alloys is reduced by 25-30% due to use of 100% of wastes. EFFECT: increased efficiency, reduced consumption of fresh burden materials and improved quality of alloy. 3 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе с применением отходов, и может быть использовано при получении шихтовых заготовок для использования их при литье, преимущественно, лопаток газотурбинных двигателей. Отходы, которые применяются в настоящее время при получении шихтовых заготовок, загрязнены примесями - газами (кислородом и азотом) и неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, сульфидами и др.), и поэтому необходимо разработать специальные способы их рафинирования. The invention relates to the field of metallurgy, and in particular to the production of heat-resistant nickel-based alloys using waste, and can be used to obtain billets for use in casting, mainly, blades of gas turbine engines. Wastes that are currently used in the preparation of charge stocks are contaminated with impurities - gases (oxygen and nitrogen) and non-metallic inclusions (oxides, nitrides, sulfides, etc.), and therefore it is necessary to develop special methods for their refining.

Известен способ получения сплавов на никелевой основе в электропечах, включающий введение в шихту металло-абразивных отходов, со скачиванием шлака в процессе плавления, в котором металлический расплав в конце окислительного периода перед скачиванием шлака перегревают на 150-250^oС выше температуры плавления шихты и выдерживают при этой температуре 10-40 мин (1).A known method of producing nickel-based alloys in electric furnaces, including the introduction of metal-abrasive waste into the charge, with the downloading of slag during the melting process, in which the metal melt at the end of the oxidation period before heating the slag is heated to 150-250 ^o C above the melting temperature of the charge and maintain at this temperature 10-40 min (1).

Недостатком известного способа является то, что процесс осуществляется на воздухе под окислительным шлаком, что вызывает окисление дорогостоящих легирующих компонентов, обладающих большим сродством к кислороду, например хрома, и приводит к их безвозвратным потерям при плавке. The disadvantage of this method is that the process is carried out in air under oxidative slag, which causes the oxidation of expensive alloying components with a high affinity for oxygen, such as chromium, and leads to their irretrievable losses during melting.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий загрузку и расплавление шихтовых свежих материалов и отходов в вакууме, рафинирование, введение активных легирующих элементов и слив металла, в котором первоначально осуществляют загрузку и подплавление свежих шихтовых материалов, затем вводят отходы, рафинирование проводят в течение 10-20 мин при температуре, определяемой из уравнения: T=(1550-1570^oC)+(20^oС•0,1(K-10)), где К - количество используемых отходов, мас.%. Количество используемых отходов составляет до 80 мас.% от металлошихты. Раскисление перед сливом металла осуществляют редкоземельными металлами в количестве 0,01-0,05 мас.% шихты из свежих материалов (2).The closest analogue taken as a prototype is a method for producing casting heat-resistant nickel-based alloys, which includes loading and melting of fresh charge materials and waste in a vacuum, refining, introduction of active alloying elements and draining of metal, in which fresh charge materials are initially loaded and melted , then waste is introduced, refining is carried out for 10-20 minutes at a temperature determined from the equation: T = (1550-1570 ^o C) + (20 ^o С • 0.1 (K-10)), where K is the amount used waste, wt.%. The amount of waste used is up to 80 wt.% Of the metal charge. Deoxidation before the discharge of metal is carried out by rare-earth metals in an amount of 0.01-0.05 wt.% Charge from fresh materials (2).

Недостатком прототипа является то, что он позволяет использовать только до 80% отходов от массы металлошихты. В случае использования отходов в количестве 100 мас.% металлошихты температура рафинирования, рассчитанная по формуле прототипа, составляет 1730-1750^oС. При таких высоких температурах расплав интенсивно взаимодействует с керамической футеровкой тигля и металл загрязняется неметаллическими включениями. Этому же способствует продолжительная выдержка расплава (10-20 мин) при такой высокой температуре. Повышенная загрязненность металла вызывает снижение его механических свойств.The disadvantage of the prototype is that it allows you to use only up to 80% of the waste by weight of the metal charge. In the case of waste in the amount of 100 wt.% Metal charge, the refining temperature calculated by the formula of the prototype is 1730-1750 ^o C. At such high temperatures, the melt intensively interacts with the ceramic lining of the crucible and the metal is contaminated with non-metallic inclusions. This is also facilitated by prolonged exposure of the melt (10-20 min) at such a high temperature. Increased contamination of the metal causes a decrease in its mechanical properties.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, который позволяет использовать отходы в количестве 100 мас.% металлошихты без ухудшения чистоты металла по газам и неметаллическим включениям и без снижения его свойств. The technical task of the invention is to develop a method for producing casting heat-resistant nickel-based alloys, which allows the use of waste in the amount of 100 wt.% Metal charge without compromising the purity of the metal in gases and non-metallic inclusions and without reducing its properties.

Предложенная техническая задача достигается тем, что предложен способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий загрузку и расплавление отходов литейного производства никелевых сплавов, рафинирование отходов в вакууме, введение РЗМ, в котором после расплавления отходов создают вакуум 3•10^-2-10^-3 мм рт. ст., повышают температуру расплава до 1500-1700^oС и выдерживают при этой температуре 2-8 мин, после чего вводят РЗМ в количестве 0,015-0,20% от массы отходов. Количество используемых отходов составляет 100 мас.% металлошихты.The proposed technical problem is achieved by the fact that a method for producing casting heat-resistant nickel-based alloys is proposed, which includes loading and melting waste from the foundry of nickel alloys, refining waste in a vacuum, introducing rare-earth metals, in which a vacuum is created after melting the waste 3 · 10 ^-2 -10 ^{- 3} mmHg Art., increase the temperature of the melt to 1500-1700 ^o C and incubated at this temperature for 2-8 minutes, after which enter REM in the amount of 0.015-0.20% by weight of the waste. The amount of waste used is 100 wt.% Metal charge.

Авторами установлено, что создание вакуума 3•10^-2-10^-3 мм рт. ст. после расплавления отходов, выдержка расплава при 1500-1700^oС в течение 2-8 мин, введение РЗМ в количестве 0,015-0,20% от массы отходов - все это позволяет использовать отходы, составляющие 100 мас.% металлошихты и получать литейный жаропрочный никелевый сплав без ухудшения его чистоты по газам и неметаллическим включениям и без снижения его механических свойств.The authors found that the creation of a vacuum of 3 • 10 ^-2 -10 ^-3 mm RT. Art. after the melting of the waste, holding the melt at 1500-1700 ^o C for 2-8 minutes, the introduction of rare-earth metals in the amount of 0.015-0.20% of the mass of waste - all this allows the use of waste constituting 100 wt.% metal charge and to obtain casting heat resistant nickel alloy without impairing its purity for gases and non-metallic inclusions and without reducing its mechanical properties.

В качестве РЗМ могут быть использованы церий, иттрий, лантан, скандий как совместно, так и порознь. As REM, cerium, yttrium, lanthanum, scandium can be used both together and separately.

Проведение рафинирования расплава в вакууме в диапазоне 3•10^-2-10^-3 мм рт. ст. и при температуре 1500-1700^oС позволяет эффективно осуществить диссоциацию оксидных и нитридных включений, находящихся в расплаве. При вакууме более 3•10^-2 мм рт. ст. процесс диссоциации включений протекает неполно и часть включений остается в расплаве, а при сверхвысоком вакууме менее 10^-3 мм рт. ст. имеет место повышенный угар компонентов сплава - хрома, алюминия, никеля и др.Carrying out refining of the melt in vacuum in the range of 3 • 10 ^-2 -10 ^-3 mm RT. Art. and at a temperature of 1500-1700 ^o With allows you to effectively carry out the dissociation of oxide and nitride inclusions in the melt. With a vacuum of more than 3 • 10 ^-2 mm RT. Art. the process of dissociation of inclusions is incomplete and some of the inclusions remain in the melt, and with ultrahigh vacuum less than 10 ^-3 mm RT. Art. there is an increased burning of alloy components - chromium, aluminum, nickel, etc.

Проведение рафинирования при температуре менее 1500^oС диссоциация оксидных и нитридных включений происходит только частично, поскольку оксиды и нитриды являются весьма термодинамически стойкими соединениями. Проведение рафинирования при температуре свыше 1700^oС вызывает интенсивное взаимодействие расплава с керамической футеровкой тигля и загрязнение расплава включениями.Conducting refining at a temperature of less than 1500 ^o With the dissociation of oxide and nitride inclusions occurs only partially, since oxides and nitrides are very thermodynamically stable compounds. Refining at temperatures above 1700 ^o C causes intense interaction of the melt with the ceramic lining of the crucible and fouling of the melt inclusions.

При выдержке расплава менее 2 мин рафинирование расплава происходит недостаточно полно, а при длительной выдержке расплава (более 8 мин) имеет место взаимодействие расплава с керамической футеровкой тигля. When the melt is held for less than 2 min, the refining of the melt is not complete enough, and when the melt is held for a long time (more than 8 min), the melt interacts with the ceramic lining of the crucible.

При рафинировании расплава путем введения РЗМ происходит связывание серы в сульфиды и их удаление из расплава. When refining a melt by introducing rare-earth metals, sulfur is bound to sulfides and removed from the melt.

Введение РЗМ в количестве менее 0,015% не позволяет эффективно удалить серу из расплава. Введение РЗМ в количестве, превышающем 0,20%, не приводит к дополнительной десульфурации расплава; при этом в металле остается непрореагировавший РЗМ, который образует легкоплавкие эвтектики с никелем и поэтому понижаются жаропрочные свойства сплава. The introduction of rare earth metals in an amount of less than 0.015% does not allow you to effectively remove sulfur from the melt. The introduction of REM in an amount exceeding 0.20% does not lead to additional desulfurization of the melt; at the same time, unreacted rare-earth metals remain in the metal, which forms fusible eutectics with nickel, and therefore the heat-resistant properties of the alloy decrease.

Пример 1 осуществления способа. Example 1 of the method.

По предлагаемому способу осуществляли переплав 100% отходов литейного жаропрочного сплава 1 системы Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Nb-Re-Ta-C. Всего было сделано 3 плавки. Плавки вели в вакуумной индукционной печи в тигле емкостью 20 кг. В тигель загрузили и расплавили отходы сплава; на первой плавке отходы рафинировали в вакууме 3•10^-2 мм рт. ст. при температуре расплава 1500^oС в течение 2 мин, после чего ввели вместе 0,010% церия и 0,005% иттрия от массы отходов.According to the proposed method, 100% waste of casting heat-resistant alloy 1 of the Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Nb-Re-Ta-C system was remelted. In total, 3 swimming trunks were made. The melts were conducted in a vacuum induction furnace in a crucible with a capacity of 20 kg. The alloy was charged and melted into the crucible; in the first heat, the waste was refined in a vacuum of 3 • 10 ^-2 mm RT. Art. at a melt temperature of 1500 ^{° C.} for 2 minutes, after which 0.010% cerium and 0.005% yttrium of the waste mass were introduced together.

На следующих двух плавках после расплавления отходов создали вакуум 10^-2 и 10^-3 мм рт. ст. соответственно, затем провели рафинирование расплава при температурах соответственно 1600 и 1700^oС в течение 5 и 8 мин, после чего ввели вместе 0,05% церия + 0,05% лантана и 0,10% церия + 0,10% иттрия от массы отходов. Технологические параметры плавок и полученные результаты по чистоте металла и по жаропрочным свойствам приведены в таблице. Там же приведены технологические параметры плавки по способу-прототипу и полученные результаты.On the next two heats, after the waste was melted, a vacuum of 10 ^-2 and 10 ^-3 mm Hg was created. Art. respectively, then the melt was refined at temperatures of 1600 and 1700 ^o C, respectively, for 5 and 8 minutes, after which they introduced together 0.05% cerium + 0.05% lanthanum and 0.10% cerium + 0.10% yttrium by weight waste. The technological parameters of the melts and the results obtained on the purity of the metal and on the heat-resistant properties are given in the table. The technological parameters of melting according to the prototype method and the results obtained are also given there.

Из таблицы видно, что на плавках 1, 2, 3 получены низкие содержания в металле кислорода (0,0010-0,0015%), азота (0,0008-0,0012%) и серы (0,0007-0,0012%), а также высокие жаропрочные свойства (τ=85-95 ч при Т=975^oС и σ=30 кгс/мм²).The table shows that, in swimming trunks 1, 2, 3, low concentrations of oxygen (0.0010-0.0015%), nitrogen (0.0008-0.0012%) and sulfur (0.0007-0.0012) were obtained in the metal %), as well as high heat-resistant properties (τ = 85-95 h at Т = 975 ^o С and σ = 30 kgf / mm ² ).

В металле, выплавленном по способу прототипа (плавка 4), содержатся повышенные количества примесей кислорода, азота и серы; жаропрочные свойства сплава получены низкие (τ=33 ч при Т=975^oС и σ=30 кгс/мм²).The metal smelted according to the prototype method (smelting 4) contains increased amounts of impurities of oxygen, nitrogen and sulfur; the heat-resistant properties of the alloy were obtained low (τ = 33 h at T = 975 ^o C and σ = 30 kgf / mm ² ).

Пример 2 осуществления способа. Example 2 of the method.

По предлагаемому способу осуществили переплав 100% отходов литейного жаропрочного сплава 2 системы Ni-Co-Cr-Al-Nb-Ti-W-Mo-C. Плавку вели в вакуумной индукционной печи в тигле емкостью 20 кг. В тигель загрузили и расплавили отходы сплава, отходы рафинировали в вакууме 10^-2 мм рт. ст. при температуре расплава 1600^oС в течение 5 мин, после чего ввели вместе 0,05% лантана и 0,05% скандия от массы отходов. В готовом металле были получены низкие содержания кислорода (0,0008%), азота (0,001%) и серы (0,001%); жаропрочные свойства металла при Т=975^oС и σ=23 кгс/мм² получены τ=65-75 ч (при норме для данного сплава не менее 40 ч).According to the proposed method, 100% waste of the casting heat-resistant alloy 2 of the Ni-Co-Cr-Al-Nb-Ti-W-Mo-C system was remelted. Melting was carried out in a vacuum induction furnace in a crucible with a capacity of 20 kg. The alloy wastes were loaded and melted into the crucible, the wastes were refined in a vacuum of ^10–2 mm Hg. Art. at a melt temperature of 1600 ^o C for 5 min, after which they introduced together 0.05% of lanthanum and 0.05% of scandium by weight of the waste. In the finished metal, low levels of oxygen (0.0008%), nitrogen (0.001%) and sulfur (0.001%) were obtained; the heat-resistant properties of the metal at T = 975 ^o C and σ = 23 kgf / mm ² obtained τ = 65-75 hours (at a rate of at least 40 hours for this alloy).

Пример 3 осуществления способа. Example 3 of the method.

По предлагаемому способу осуществили переплав 100% отходов литейного жаропрочного сплава 3 системы Ni-Co-Cr-W-Mo-Al-Ti-Nb-Re. Плавку вели в вакуумной индукционной печи в тигле емкостью 20 кг. В тигель загрузили и расплавили отходы сплава, отходы рафинировали в вакууме 10^-3 мм рт. ст. при температуре расплава 1700^oС в течение 8 мин, после чего ввели вместе 0,05% церия, 0,05% лантана, 0,05% иттрия и 0,05% скандия от массы отходов. В готовом металле были получены низкие содержания кислорода (0,001%), азота (0,0007%) и серы (0,0008%); жаропрочные свойства металла при Т=1000^oС и σ=25 кгс/мм² получены τ=120-130 ч (при норме для данного сплава не менее 100 ч).According to the proposed method, 100% waste of the casting heat-resistant alloy 3 of the Ni-Co-Cr-W-Mo-Al-Ti-Nb-Re system was remelted. Melting was carried out in a vacuum induction furnace in a crucible with a capacity of 20 kg. The alloy wastes were loaded and melted into the crucible; the wastes were refined in a vacuum of 10 ^-3 mm Hg. Art. at a melt temperature of 1700 ^o C for 8 minutes, after which they introduced together 0.05% cerium, 0.05% lanthanum, 0.05% yttrium and 0.05% scandium by weight of the waste. In the finished metal, low levels of oxygen (0.001%), nitrogen (0.0007%) and sulfur (0.0008%) were obtained; the heat-resistant properties of the metal at T = 1000 ^o C and σ = 25 kgf / mm ² obtained τ = 120-130 h (at a rate of at least 100 h for this alloy).

Использование изобретения позволяет получать кондиционные шихтовые заготовки из 100% отходов литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, при этом обеспечивается высокая чистота металла по примесям (кислороду, азоту и сере) и соответственно высокие свойства сплава. The use of the invention allows to obtain conditioned charge billets from 100% waste of casting heat-resistant alloys based on nickel, while ensuring high metal purity by impurities (oxygen, nitrogen and sulfur) and, accordingly, high properties of the alloy.

За счет использования 100% отходов и экономии при этом свежих шихтовых материалов (никеля, кобальта, хрома и др.) понижается стоимость сплава по сравнению со способом-прототипом на 25-30%. By using 100% waste and saving fresh charge materials (nickel, cobalt, chromium, etc.), the cost of the alloy is reduced by 25-30% compared with the prototype method.

Литература
1. А. с. 357235.Literature
1. A. p. 357,235.

2. П. РФ 1709738, БИ 8, 2000 г. 2. P. RF 1709738, BI 8, 2000

Claims (3)

1. Способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий загрузку и расплавление отходов литейного производства никелевых сплавов, рафинирование отходов в вакууме, введение РЗМ, отличающийся тем, что рафинирование отходов осуществляют в вакууме 3•10^-2-10^-3 мм рт.ст. при температуре расплава 1500-1700^oС в течение 2-8 мин, а РЗМ вводят в количестве 0,015-0,20% от массы отходов.1. A method of producing casting heat-resistant nickel-based alloys, including loading and melting waste from the foundry of nickel alloys, refining waste in vacuum, introducing rare-earth metals, characterized in that the waste refining is carried out in a vacuum of 3 • 10 ^-2 -10 ^-3 mm RT. Art. at a melt temperature of 1500-1700 ^o C for 2-8 minutes, and rare-earth metals are introduced in an amount of 0.015-0.20% by weight of waste. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве РЗМ используют один или несколько элементов из группы церий, иттрий, лантан, скандий. 2. The method according to claim 1, characterized in that as the rare-earth metals use one or more elements from the group of cerium, yttrium, lanthanum, scandium. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество используемых отходов составляет 100 мас.% металлошихты. 3. The method according to claim 1, characterized in that the amount of waste used is 100 wt.% Metal charge.

Images