коля / u-lectures

рению?

21.Способы получения фасонных отливок из легкоплавких сплавов.

22.Какие сплавы относятся к тугоплавким?

23.Характеристика тугоплавких металлов.

24.Особенности поведения тугоплавких металлов при высоких температурах.

25.Область применения ниобиевых и молибденовых сплавов.

26.Почему рафинирование тугоплавких сплавов осуществляют в процессе плавления?

27.Какие материалы используют в качестве шихты для тугоплавких сплавов?

28.Что такое «штабики»?

29.Назовите варианты плавки с использованием вакуумных дуговых и электронно-лучевых печей?

30.Особенности плавки молибденовых сплавов.

31.Операции подготовки шихты для плавки тугоплавких сплавов.

Состав и свойства никеля и никелевых сплавов.

Широко используемый в современной технике как конструкционный и электротехнический металл, никель является основой наиболее распространенных в настоящее время жаропрочных сплавов, идущих на изготовление ответственных деталей и узлов газотурбинных двигателей и энергетических установок. Никель также является основой современных жаростойких и коррозионностойких сплавов.

Никель обладает гранецентрированной кубической кристаллической решеткой, плотность его составляет 8,9 г/см3, температура плавления 1455 оС, температура кипения 2900 оС.

При температурах ниже 360 °С никель ферромагнитен, но магнитные свойства его выражены значительно слабее, чем у железа и кобальта. Никель обладает высокой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред (морская и пресная вода). При нагреве на воздухе никель взаимодействует с кислородом с образованием оксида никеля NiO [1].

Химический состав никеля разных марок по ГОСТ 849-97 представлен в табл. 27.

Наиболее вредные примеси никеля (сера, кислород и углерод), растворяются в жидком никеле, а при кристаллизации выделяются в виде эвтектик: никель – сульфид никеля NiS, никель – NiO и никель – графит по границам зерен. Эвтектика никель – сульфид никеля плавится при температуре 645 оС и вызывает горячеломкость металла при обработке давлением. Эвтектики никель – NiO и никель – графит существенно ухудшают пластичность никеля. Висмут и свинец вызывают горячеломкость никеля; сурьма и мышьяк ухудшают обрабатываемость давлением; фосфор и кадмий резко снижают его механические, физические и технологические свойства.

241

242

Никель технической чистоты используют в виде листов, лент, прутков, труб для работы в агрессивных средах. Механические свойства никеля марки НП-4 в отожженном состоянии следующие: σв = 400-500 МПа; δ = 35-40 %.

Никелевые сплавы, промышленные, классифицируют по химическому составу и области применения (жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие и специальные).

Жаропрочные сплавы – наиболее важная группа сплавов на основе никеля. К ним относятся сложнолегированные литейные сплавы серии ЖС, ВЖЛ (ЖСЗ, ЖС6, ЖС6К, ЖС6У и др.) и деформируемые. Они широко используются в современных газотурбинных двигателях. Из жаропрочных никелевых сплавов делают рабочие лопатки и диски турбины, направляющие лопатки, камеры сгорания газотурбинных двигателей. Использование современных сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов позволило повысить температуру газов на входе в турбину с 800 до 1100 оС, что привело к значительному повышению мощности, уменьшению расхода топлива, увеличению ресурса и надежности работы двигателей.

По химическому составу (табл. 28) жаропрочные сплавы никеля относят к сложнолегированным. Основными легирующими элементами являются:

хром (10-25 %), алюминий (0,5-6,0 %), титан (1,0-3,0 %).

На рис. 99-101 представлены диаграммы состояния Ni-Cr, Ni-Al и Ni-Ti. В системе Ni-Cr образуются эвтектика и широкие области твердых растворов на основе никеля (γ) и хрома (α). С понижением температуры растворимость несколько снижается. Однако растворимость хрома в никеле при комнатной температуре довольно высокая и составляет около 30 %.

В системе Ni-Al при температуре 1385 оС образуется эвтектика. С понижением температуры растворимость алюминия в никеле уменьшается с 11 до 6 % при температуре 750 оС.

243

244

В этой системе в равновесии с γ-раствором на основе никеля находится γ-фаза, представляющая раствор на основе интерметаллида Ni3Al.

При температуре 1304 °C в системе Ni-Ti также наблюдается эвтектическое равновесие. Растворимость титана в никеле уменьшается с 12,5 % Ti при эвтектической температуре до 8 % Ti при температуре 750 °С. В равновесии с γ-раствором находится η-фаза – твердый раствор на основе интерметаллида

Ni4Ti.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе, помимо хрома, алюминия и титана, содержат еще 6-8 легирующих элементов, которые способствуют повышению жаропрочности, коррозионной и эрозионной стойкости сплавов.

Алюминий и хром обеспечивают стойкость к окислению, тогда как хром и титан повышают стойкость к газовой коррозии. Газовая коррозия получает развитие при высоких температурах при совместном влиянии обычного окисления и взаимодействия с серой и другими примесями, содержащимися в топливе и попадающими в рабочую зону двигателя с продуктами горения топлива.

Основой многих жаростойких сплавов является система Ni-Сr (табл. 29). Легирование никеля хромом приводит к сильному повышению стойкости против окисления при высоких температурах. Высокая жаростойкость сплавов никеля с хромом обусловлена образованием под внешним тонким слоем оксида NiO второго окисного слоя Сr2О3, а также промежуточного слоя шпинели NiCr2О4. Высокая жаростойкость никелевых сплавов обусловлена также тем, что коэффициенты линейного расширения никеля и NiO близки по величине и поэтому резкие колебания температур не вызывают отслаивания оксидного слоя от металла. На рис. 102 приведена микроструктура никелевого сплава (по границам и внутри зерен сложнолегированного твердого раствора имеются включения карбидов).

Примечание. Ni – остальное.

Сплавы никеля с хромом получили название нихромов. К ним относят-

ся Х10Н90, Х20Н80, X30H70, Х40Н60, Х50Н50 и др.

Жаростойкие никелевые сплавы обладают повышенным электрическим сопротивлением, поэтому нихромы и другие близкие по составу сплавы используют в качестве нагревательных элементов электрических печей сопротивления, работающих в воздушной атмосфере при температурах до 1000-

245

1200 °С. Сплавы этой группы также используют для изготовления печной арматуры, защитных трубок термопар и других деталей.

Рис. 102. Микроструктура жаропрочного никелевого литого сплава ВХН1. ×200.

К коррозионностойким и специальным сплавам относятся сплавы на основе системы Ni-Сu (Ni-Сu-Si, Ni-Сu-Sn и др.), Ni-Mo, а также двойные сплавы никеля с кремнием, бериллием, алюминием и титаном.

Сплавы на основе системы Ni-Си отличаются высокой стойкостью в различных средах (серная и органические кислоты, растворы щелочей, морская вода, атмосфера пара при температуре 350-450 °С), антифрикционными свойствами и стабильностью механических свойств при повышенных температурах.

Монель и никелевая бронза – наиболее распространенные сплавы системы Ni-Си. Отливки из монелей применяют для изготовления клапанов, рабочих колес и корпусов насосов, втулок, кранов и других деталей, работающих в агрессивных средах. Никелевые бронзы используют для изготовления литых втулок, уплотнительных колец и других деталей, работающих на трение в агрессивных средах.

В химическом машиностроении применяют литые детали, изготовленные из сплавов системы Ni-Mo. Некоторые сплавы, содержащие около 30 % Мо и 5 % Fe, стойки в соляной кислоте любой концентрации при высоких температурах.

Хорошей коррозионной и антифрикционной стойкостью в ряде агрессивных сред обладают детали, изготовленные из двойных сплавов никеля с

246

алюминием, бериллием, титаном и кремнием.

Ряд сплавов на никелевой основе (хромель, копель, алюмель) применяют для изготовления термоэлектродной проволоки.

Особенности никеля и никелевых сплавов.

Отличительной особенностью никеля и сплавов на его основе является повышенная склонность к его взаимодействию с газами печной атмосферы. Жидкий никель растворяет при температуре 1600 °С до 0,5 % кислорода, около 2,5 % углерода и до 43 см3/100 г металла водорода. Выделение водорода при кристаллизации – основная причина газовой пористости в отливках. При взаимодействии с парами воды происходит одновременное загрязнение никеля кислородом и водородом.

С целью предупреждения взаимодействия с газами плавку никеля ведут под слоем флюса, в качестве которого применяют стекло, плавиковый шпат, известь, молотый магнезит со стеклом и др. Недопустимо применение древесного угля и гипса. Флюс берут в количестве 3-5 % от массы шихты. Он должен покрывать поверхность расплава слоем толщиной 10-15 мм.

Плавку никеля ведут в индукционных канальных и тигельных печах, которые позволяют быстро достигать необходимой температуры, и форсировано вести процесс. Иногда применяют дуговые печи. Выплавку никеля для вакуумной техники ведут в вакуумных индукционных тигельных печах при остаточном давлении 0,66 Па.

В качестве шихтовых материалов при плавке чистого никеля используют катодный никель Н-0 и Н-1, гранулы никеля и крупные отходы собственного производства в количестве, не превышающем 50 % от массы шихты. Недопустимо использовать катодные листы с наростами на поверхности. С начала в печь загружают отходы, поверхность которых засыпают флюсом. По мере расплавления металла сразу или частями вводят катодный никель. Листы никеля предварительно разрезают на куски размером 150×150 мм, просушивают, а в некоторых случаях (при большом содержании водорода) отжигают. Плавку ведут при форсированном режиме, не допуская перегрева расплава.

При температуре расплава 1500-1600 оС его очищают от кислорода и серы. С этой целью в расплав вводят раскислители и десульфуризаторы. Характерная особенность плавки чистого никеля это применение комплексного раскислителя – углерода, кремния, марганца, магния. Основным раскислителем является углерод, который вводят в виде графита или лигатуры Ni-С, содержащей 1,5-2 % С. При введении углерода в виде графита его загружают одновременно с первой порцией шихты. Для полного удаления кислорода требуется значительный избыток углерода. Однако избыток углерода сообщает никелю хрупкость. Поэтому основное количество кислорода удаляют с помощью углерода, а его остаток – кремнием и марганцем после доведения температуры расплава до 1600 оС. Общее количество комплексного раскисли-

247

теля принимают в пределах 0,18-0,22 % от массы расплава. Углерод берут в количестве 0,05-0,1 %, кремний 0,07-0,15 %, марганец 0,05-0,2 %, магний 0,05-0,1 %. Для раскисления никеля используют также силикокальций, содержащий до 23 % Са. Этот раскислитель вводят в расчете на 0,05-0,1 % Са. После раскисления расплав перемешивают никелевой мешалкой, выдерживают в течение нескольких минут и при температуре 1550-1650 оС заливают в формы. Во избежание попадания флюса в полость формы его сгущают. С этой целью на поверхность расплава засыпают молотый магнезит в количестве 0,2 % от массы шихты.

При плавке чистого никеля загрязненные и смешанные отходы никеля от разных плавок не используют в шихте. Их переплавляют отдельно. Перед плавкой всю шихту обдувают воздухом с целью удаления загрязнений. Плавку ведут в индукционной канальной печи под слоем флюса. Примеси удаляют путем окисления [1].

С целью ускорения окисления в расплав вводят NiO или никель с большим содержанием кислорода. Примеси выгорают в следующем порядке: кремний, магний, марганец, цинк и углерод. Конец окисления определяют по искрению металла и по излому пробы. Последующее раскисление никеля производят лигатурой Ni-Мg или кремнием и лигатурой Ni-С. Лигатуру Ni-Mg в количестве 0,06 % присаживают завернутой в никелевую фольгу при температуре расплава 1550-1600 оС. Жаростойкие и коррозионно-стойкие никелевые сплавы, а также жаропрочные сплавы некоторых марок, идущие для изготовления малоответственных деталей, плавят в открытых индукционных тигельных, индукционных канальных и электродуговых печах.

Состав флюсов, в %, для предохранения расплава от интенсивного взаимодействия с газами:

№1 100 СаО

№2 70 СаО; 30 CaF2

№3 50 СаО; 50 CaF2

№4 50 CaF2; 50 MgF2

№5 100 стекло

№6 30 MnО2; 30 NiO; 20 Fe2О3; 20 SiO2.

Расход флюсов составляет 2-5 % от массы расплава. С помощью флюсов невозможно полностью исключить растворение в металле водорода, поэтому одной из важнейших операций при выплавке никелевых сплавов является рафинирование их от растворенных газов. Эту операцию осуществляют наведением окислительного шлака (МnО2 + CuO + Na2CО3 + SiО2) или продувкой расплава инертными газами (аргоном или гелием). Перед введением легирующих компонентов, образующих твердые нерастворимые оксиды, никель раскисляют марганцем, углеродом, кремнием и магнием, порознь или совместно; в качестве раскислителей используют также титан и силикокальций.

Для измельчения зерна отливок и повышения уровня их эксплуатаци-

248

онных свойств некоторые жаропрочные сплавы модифицируют присадками бора (0,01-0,03 %) и циркония (0,03-0,1 %).

При плавке в дуговых печах первыми загружают никель и кусковые отходы; затем под электроды вводят шлакующую смесь (известь с плавиковым шпатом 1:1) в количестве 3-5 % от массы шихты. Смесь вводят небольшими (по 3-5 кг) порциями для предохранения расплава от науглероживания и насыщения водородом. После расплавления вводят лигатуры и чистые металлы (Mo, Nb, W и др.) и нагревают расплав до полного растворения тугоплавких элементов. Затем отбирают пробу на химический анализ, расплав подвергают рафинированию и раскислению. Для этого используют раскисляющие смеси (известь с алюминиевым порошком 1:1), которые вводят из расчета 3-4 кг на тонну расплава небольшими порциями, марганец (0,25 %), алюминий (0,3-0,5 %) и титан (0,01-0,15 %). Перед разливкой в расплав вводят присадки циркония и бора.

Аналогичную технологию применяют и при плавке в индукционных тигельных печах. В качестве шлакующей используют смесь извести (70 %) с плавиковым шпатом (30 %), которую вводят на поверхность шихты в количестве 3-4 %. Раскисление осуществляют порошком алюминия (2 кг/т) пли марганцем и титаном.

Плавку монелей осуществляют в индукционных печах. В качестве флюса используют стекло или смесь фторидов кальция и магния.

При изготовлении сплава из чистых металлов и собственных отходов первыми загружают никель, медь, железо, отходы и др. После полного расплавления садки температуру расплава поднимают до 1450-1500 оС и вводят марганец. Для раскисления расплава используют лигатуру Ni-С. Углерод вводят в количестве 0,1-0,15 % и после непродолжительной выдержки перед началом литья вводят магний (до 0,3 %).

При плавке специальных термоэлектродных сплавов типа хромель принимают следующий порядок загрузки и расплавления шихты. В жидкую ванну вводят большую часть хрома. Затем загружают никель и отходы. Одновременно засыпают флюс в количестве до 5 % от массы металла. Расплавление ведут по возможности интенсивно. Для раскисления сплава вводят 0,12- 0,15 % марганца и 0,06 % магния.

Таким же образом осуществляют плавку других термоэлектродных сплавов. Некоторое различие в технологии плавки состоит в порядке загрузки составляющих шихты и в раскислении сплавов. При выплавке алюмеля и копеля вначале загружают никель, отходы и флюс, затем алюминий, кремний и марганец. Поскольку все эти сплавы содержат марганец, раскисление их производят магнием, вводимым в количестве 0,03 % при приготовлении алюмеля и 0,1 % при плавке копеля. Перед разливкой сплавы корректируют на содержание марганца.

Технология плавки жаростойких нихромов Ni-Сr и Ni-Cr-Fe мало чем отличается от технологии приготовления хромеля. Раскисляют эти сплавы

249

марганцем, титаном и силикокальцием в количестве 0,1-0,15 %.

Восновном нихромы выплавляют в электродуговых печах. В целях удаления водорода, поглощенного расплавом, в конце плавки наводят окислительный шлак, который вызывает кипение ванны. Растворенный водород может быть удален также продувкой расплава аргоном. Основное условие при плавке нихромов – предотвращение загрязнения расплава серой и углеродом, резко снижающими эксплуатационные свойства деталей из этих сплавов.

Жаропрочные сплавы содержат в своем составе 8-12 легирующих элементов; ряд элементов присутствует в сплавах в виде примесей. Часть этих элементов при плавке на открытом воздухе интенсивно окисляется с образованием стойких окисных плен, которые загрязняют металл, снижают его механические свойства и служат причиной преждевременного разрушения деталей. Кроме того, при плавке на воздухе не удается снизить содержание примесей, например кремния, серы и др., до требуемого уровня. Эти и другие причины не позволяют вести плавку большинства жаропрочных сплавов в открытых печах.

При производстве фасонных отливок применяют вакуумные индукционные тигельные печи непрерывного и периодического действия.

Впечах этого типа плавка и разливка металла по формам осуществляется при давлении 0,13-13,0 Па. При производстве слитков из жаропрочных сплавов наибольшее распространение получила схема дуплекс-процесса, когда плавку металла проводят в дуговой печи на воздухе, а затем его переплавляют в вакуумных электродуговых печах с расходуемым электродом, либо в вакуумных индукционных тигельных печах с последующей переплавкой в вакуумных электродуговых печах с расходуемым электродом. Перспективными для жаропрочных сплавов являются различные варианты дуплекспроцесса, в которых используют электроннолучевую, электрошлаковую и плазменную плавки.

Особенности технологии производства фасонных отливок.

Фасонные отливки из никелевых сплавов изготавливают литьем в разовые формы – песчаные и керамические (по выплавляемым моделям и Шоупроцессу). Песчаные формы применяют для изготовления относительно массивных и больших по габаритам отливок. Ввиду того, что никелевые сплавы имеют большую литейную усадку (2 %) и склонны к газонасыщению, песчаные формы должны быть податливы и иметь низкую газотворность и высокую газопроницаемость (не менее 80 см3/см2).

При изготовлении отливок, работающих в условиях повышенных давлений, применяют сухие окрашенные формы; для менее ответственных отливок с толщиной стенок менее 15 мм – сырые или подсушенные. Для окраски форм используют водную графитовую краску, содержащую 5 % каолина и 1 % крепителя. Для окраски можно использовать также порошок сплава алю-

250