7.3. Плавка современных жаропрочных сплавов
Применение чистых шихтовых материалов высших сортов и вакуумная плавка являются необходимыми условиями плавки сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов. Только вакуумная плавка обеспечивает:
глубокую дегазацию расплава, а, следовательно, высокую чистоту металла от окисных плен и неметаллических включений;
рафинирование металла от вредных примесей, имеющих высокую упругость пара (Pb, Bi и др.);
получение стабильного химического состава сплавов;
введение в расплав высокоактивных модификаторов (Ce, Y, Zr и др.).
При производстве фасонных отливок из жаропрочных сплавов широко применяют дуплекс-процессы, когда на первом этапе получают шихтовые заготовки с заданным химическим составом, которые затем переплавляют, рафинируют, модифицируют и разливают по литейным формам.
7.3.1. Физико-химические особенности плавки в вакууме
Создание в плавильной камере глубокого вакуума от 1,33 до 0,133 Па (10-2 – 10-3 мм рт. ст.) существенно влияет на протекание физико-химических процессов при плавке никелевых сплавов.
Одной из наиболее важных задач при плавке никелевых сплавов является проведение раскисления. В вакууме в качестве раскислителей удобнее использовать вещества, которые приводят к образованию газообразных продуктов раскисления. Таким раскислителем для никеля является углерод. При взаимодействии углерода с кислородом образуются пузырьки СО и СО2, нерастворимые в расплаве, которые всплывают и переходят в газовую фазу. Всплывающие пузырьки захватывают растворенные в металле водород и азот, а также неметаллические включения, т.е оказывают рафинирующий эффект.
Раскислительная способность углерода зависит от парциального давления СО в газовой фазе. Чем ниже давление, тем выше раскислительная способность углерода. Однако эта зависимость справедлива только при понижении давления от атмосферного до 1·103 (7,6 мм. рт. ст.). При дальнейшем понижении давления вплоть до 0,1 Па (7,6·10 -4 мм. рт. ст.) возрастает скорость перехода кислорода в металл из плавильного тигля.
При плавке в магнезитовом тигле некоторые компоненты расплава (особенно хром) взаимодействуют с оксидами футеровки тигля. Тигель постепенно разрушается, а металл загрязняется металлическими и неметаллическими примесями. Углерод, кроме раскисляющего действия, будет вступать в реакции с магнезитом и восстанавливать магний. Это и приводит к снижению раскислительной способности углерода.
Вакуумная плавка позволяет провести рафинирование от примесей таких металлов, как олово, свинец, сурьма и висмут, снижающих жаропрочность сплавов, так как они образуют легкоплавкие эвтектики или интерметаллиды. В вакууме эти примеси легко испаряются. Влияние вредных примесей может быть устранено и введением в расплав компонентов, которые образуют с ними более тугоплавкие соединения, например церия.
7.3.2. Печи для плавки и заливки никелевых сплавов
Для плавки и заливки никелевых сплавов в настоящее время используют сложные плавильно – заливочные устройства (ПЗУ), в состав которых входят собственно печи и различные вспомогательные устройства. Входящие в состав ПЗУ, вакуумные печи могут быть периодического и полунепрерывного действия.
В печах периодического действия после каждой плавки проводится разгерметизация камеры и извлекается залитая форма. После этого проводится очистка камеры и плавильного тигля. В тигель загружается шихта, а в камеру устанавливается литейная форма. После закрытия камеры печи, в ней создают вакуум, производят плавку и заливку формы.
Такие печи имеют низкую производительность. После разгерметизации камеры, на ее поверхности и на стенках тигля адсорбируется влага. Остаток металла в тигле окисляется с поверхности. Расплав в печах периодического действия может быть загрязнен окисными пленами, газами и примесями.
В печах полунепрерывного действия производится несколько плавок без нарушения вакуума. Число плавок определяется стойкостью материала тигля. Установка форм и загрузка шихты в таких печах осуществляется при помощи шлюзовых устройств, которые отделены от плавильной камеры печи шиберами. Пока в плавильной камере идет плавка в загрузочных камерах при атмосферном давлении производят подготовку следующих литейных форм и заполняют корзины шихтой. После окончания предыдущей плавки плавильная камера перекрывается шибером, а залитая форма остается в загрузочной камере до полного охлаждения. В другой, заранее подготовленной камере, собственными насосами создается вакуум, как в плавильной камере. Плавильная камера соединяется с загрузочной, открываются шиберные затворы, и производится следующая плавка.
Печи полунепрерывного действия имеют неоспоримые преимущества перед печами периодического действия:
высокая производительность установок, так как не нужно перед новой плавкой вновь создавать вакуум в плавильной камере;
повышенная стойкость огнеупорных тиглей, которые не испытывают многократных температурных колебаний, неизбежных при открывании плавильных камер в печах периодического действия;
стенки тигля меньше пропитываются окислами металлов, остающихся после плавки и окисляющихся атмосферным воздухом при снятии вакуума в печах периодического действия, что уменьшает загрязнение расплава при следующих плавках.
Чтобы полнее реализовать перечисленные преимущества необходимо поддерживать высокий вакуум (не менее 1,33 Па) в плавильной камере. Для этого в плавильно-заливочном устройстве должны быть надежные уплотнения всех соединительных устройств и вакуумных шиберных затворов. Величина натекания воздуха (количество воздуха попадающего в камеру в единицу времени при отключенных насосах) должна быть минимальной. В результате большого натекания воздуха в камеру в расплаве растет число окисных плен. Тигель должен быть химически стойким к расплаву, тугоплавким, прочным и не хрупким, а также обладать стойкостью к тепловым ударам. Перед началом первой плавки тигель необходимо тщательно прокалить с целью его полной дегазации.
В настоящее время для плавки никелевых сплавов используют как печи периодического действия (ИСВ-0,01, ИСП-0,016, ИСВ-0,06, ВПЗА-15/50) так и печи полунепрерывного действия (ВИАМ 100, ОКБ-694, ИСВ- 0,025, ВИАМ-24, УППФ-3М, УППФ-4, УВП-4). Схема плавильно-заливочной установки УППФ-3М с печью полунепрерывного действия приведена на рис. 37.
Кроме основных элементов ПЗУ на рис. 37 показаны дополнительные приборы управления: N1, N2– ; N3– вакуумные насосы; V1, V2, V3, V4, V5– затворы вакуумные; V6, V8 – клапаны вакуумные для пуска воздуха; V7, V9– клапаны вакуумные для выравнивания давления; V10– клапан предохранительный
Рис. 37. Схема плавильно-заливочной установки УППФ-3М: 1–камера загрузочная; 2– печь подогрева форм; 3– электроподвод; 4– затвор вакуумный; 5– механизм подачи форм; 6– пульт пирометриста; 7– устройство загрузочное; 8– камера плавильная; 9– печь индукционная; 10– крышка задняя; 11– площадка обслуживания; 12– путь рельсовый; 13– лестница; 14– система водоохлаждения; 15– тележка; 16– батарея конденсаторная; 17 пневмоподвод; 18– преобразователь тиристорный; 19– механизм поворота тигля; 20– шкаф силовой; 21– токоподвод; 22– токоподвод печи; 23– глазок; 24– шкаф управления; 25– пульт плавильщика; 26– гидроразводка