Литейные сплавы на никельхромовой основе

Литейные сплавы на никельхромовой основе являются в настоящее время широко распространенными жаропрочными сплавами.

Метод точного литья по выплавляемым моделям позволяет отливать из этих сплавов детали самой сложной конфигурации с минимальными припусками на механическую обработку.

В последнее время рядом заводов освоено литье деталей с припуском только на полировку (0,1 мм на сторону), что значительно снижает трудоемкость механической обработки деталей. Однако, наряду с этими положительными качествами, указанные сплавы обладают некоторыми недостатками, из которых наиболее существенными являются склонность сплавов к плепообразова-ншо и малая пластичность. Окисные плены, основу которых составляют оксиды и нитриды химических активных элементов алюминия и титана, образуются в результате соприкосновения жидкого металла с воздухом в течение плавки или при заливке. Плены, попавшие в отливку, снижают ее прочность и являются очагом для начала разрушения детали при работе в условиях высоких температур и больших напряжений, поэтому вопрос борьбы с плепообразовапием в отливках из жаропрочных сплавов является одним из актуальных вопросов.

Существующие в настоящее время методы борьбы с окисными пленами сводятся, как правило, к частичному уменьшению их с помощью специальных технологических методов.

К числу таких методов относится применение для плавки металла и заливки форм порционной поворотной печи типа МБ, применение сифонных и щелевых тормозящих литниковых систем, увеличение температуры заливаемого металла, применение тиглей с узкой горловиной и др. Однако, несмотря на это, брак деталей по окисным пленам продолжает оставаться высоким.

Необходимость увеличения температуры заливаемого металла с целью уменьшения количества плен и увеличения жидкотекучести сплава, а также высокая температура прокалки форм приводят к тому, что сплав значительно теряет свою исходную пластичность.’

В связи с изложенным возникла необходимость разработки новых радикальных средств борьбы с окисными пленами, а также поднятия пластических и других свойств сплава.

Применение вакуума открывает новые широкие возможности в развитии металлургии. В настоящее время уже можно говорить о «вакуумной металлургии», как о новой своеобразной отрасли металлургического производства, которая создавалась в основном за последние 25 лет и особенное развитие получила в послевоенные годы.

Вакуумная металлургия приняла несколько направлений. Одним из таких направлений является обработка стали под вакуумом в ковше с целью уменьшения содержания кислорода, азота, водорода и неметаллических включений в сталях и сплавах. В этом направлении большие работы проведены Л. М. Самариным [1] и Л. М. Новик [2], которые производили вакуумную обработку жидкой стали в ковше и разливку в защитной атмосфере на Енакиевском металлургическом заводе, заводе «Днепроспец-сталь» и заводе «Серп и молот». Такой обработке подвергались трансформаторная сталь, легированные конструкционные стали, шарикоподшипниковая сталь и др. При вакуумировании трансформаторной стали было достигнуто понижение содержания углерода (0,02—0,03%) и серы (не выше 0,005%), а также устранение случаев роста слитков.

При вакуумировании в ковше шарикоподшипниковой стали было несколько снижено содержание водорода в металле.

Проведенная разливка в атмосфере аргона показала, что поверхность слитков при этом значительно улучшается. К другому направлению следует отнести плавку и разливку металлов под вакуумом. Плавка и разливка металлов под вакуумом с целью их дегазации и очистки от вредных примесей была впервые проведена W. Rohn, который в 1930 г. плавил и разливал стали и сплавы в высокочастотных печах емкостью до 5 т в вакууме около 5 льи рт. ст. После второй мировой войны получили распространение высоковакуумные плавильные печи емкостью от 25 кг до 1 т, которые работали при вакууме 10^-4 льн рт. ст. В таких печах плавили и разливали в слитки в основном жаропрочные деформируемые стали типа нимоник-90, М-252, GMR-235, удимет-500 и др., содержащие в своем составе алюминий и титан.

F. Т. Chesnut [3], описывая, например, опыт работы одной американской фирмы, указывает, что слитки, отлитые в вакууме из перечисленных выше сплавов, не содержали окислов алюминия и титана. Кроме того, при этом было уменьшено содержание водорода и азота.

Об аналогичных результатах говорится в работе Darmara and Shuntingon [4], которые описали плавки в вакууме сплавов на никелевой основе.

Выплавленный в вакууме сплав разливали также под вакуумом в изложницы.

При усовершенствовании технологии плавки удалось увеличить длительную прочность в 3 раза по сравнению со сплавом, выплавленным в атмосфере воздуха.

Кроме того, плавки в вакууме дали возможность выдержать содержание титана и алюминия в сплаве в узких пределах. Такие же данные были получены и на других сплавах с никелевой основой, например сплаве М-252, и в каждом случае налицо было увеличение времени до разрыва и пластичности, если сравнивались "плавки в атмосфере воздуха и плавки в вакууме. Улучшение свойств при плавке в вакууме и нейтральной среде наблюдалось не только у деформируемых сплавов, но и литейных.

При этом, когда при прецизионном литье в качестве шихты используется металл, выплавленный в вакууме, жаропрочность возрастает вдвое по сравнению с тем, когда в качестве шихты использовался металл, выплавленный в атмосфере воздуха. Прецизионное литье непосредственно в вакууме должно дать еще более высокие прочностные свойства.

Увеличение жаропрочности объясняется стабилизацией химсостава сплава по алюминию и титану, чистотой границ зерен, уменьшением содержания вредных примесей, таких как марганец и свинец, и уменьшением количества растворенных в металле газов.

Появление первых работ в области точного литья жаропрочных сплавов в вакууме в иностранных источниках относится к периоду 1954—1956 гг. F. Iverson [5] описывает первые опыты литья по выплавляемым моделям в вакууме, проводившиеся со сплавами на основе никеля и кобальта. Американская фирма Austenal Ing [6] организовала массовое производство турбинных лопаток по выплавляемым моделям в вакууме. Процесс проводится в порядке предварительного изготовления слитков сплава требуемого химического состава плавкой в вакууме. Последующий переплав отдельных порций готового сплава также осуществляется в вакуумных печах непосредственно перед заливкой металла в формы. Такой метод давал большую равномерность состава сплава. Химические активные элементы при переплаве в вакууме выгорали значительно меньше по сравнению с обычными, методами переплава.

В статье W. W. Dyrkacz [7] говорится о применении углерода и водорода в качестве раскислителей при плавке в вакууме жаропрочных сплавов, содержащих легкоокисляющиеся элементы — алюминий и титан. При отливке лопаток из сплавов типа «вас-паллой» в вакууме было получено улучшение ползучести и жаропрочности сплава. Улучшение ползучести происходило за счет уменьшения колебания содержания алюминия и титана, которое составляло ±0,10% (вместо ±0,25% при плавке в атмосфере воздуха). Увеличение жаропрочности при вакуумных плавках объясняется тем, что в сплаве меньшее количество алюминия и титана находится в виде нитридов и оксидов и, таким образом, в твердом растворе имеется в наличии большее количество эффективного алюминия и титана для выделения их в виде интерметаллоидов типа NijAlTi, которые и увеличивают жаропроч-

кость сплавов. Кроме того, возрастание свойств происходит бла. годаря удалению таких примесей, как олово, свинец, сурьма, висмут. Плавки осуществлялись в вакууме примерно I • 10^-3 лщ рт. ст.

В статье Н. О. McIntire (8] затронуты некоторые вопросы, касающиеся огнеупоров и формовочных материалов для плавки и заливки под вакуумом. Автором были проведены плавки в тиглях из окиси алюминия, окиси магния и стабилизированной двуокиси циркония.

Опытные плавки чистого железа, никеля и кобальта под вакуумом показали, что равновесие между металлом и тиглем из окиси магния устанавливается для железа при 0,005%, для никеля при 0,003% и для кобальта при 0,001% кислорода.

При плавке железа под вакуумом в тиглях из глинозема равновесное содержание кислорода составляет 0,005%, а в тиглях из двуокиси циркония 0,007%. Установлено, что при плавке под вакуумом никелевых сплавов в тиглях из окиси магния равновесное содержание кислорода было меньше 0,003%.

Автор делает заключение, что одинаковые и вполне приемлемые в производственных условиях равновесные содержания кислорода получаются при плавке под вакуумом в тиглях из всех трех материалов.

В Советском Союзе исследования в области применения вакуума при литье деталей по выплавляемым моделям начались в 1056 г. Вопрос этот является новым и мало изученным,-

В работе [9] приведены результаты исследования, которые показали. что литье деталей из жаропрочных сплавов в вакууме является радикальным средством борьбы с окисными пленами.

В статье говорится о необходимости создания специальной печи, предназначенной для заливки форм в вакууме. По мнению авторов, печь должна иметь специальную камеру для предварительной дегазации форм в вакууме, оборудованную электропо-д огрев ателем.

Конструкция такой печи должна предусматривать возможность периодической загрузки новых форм и шихты и выгрузку залитых форм без нарушения вакуума в основном рабочем пространстве установки т. е. осуществлять полунепрерывный процесс литья. Были проведены работы, посвященные литью деталей из жаропрочных сплавов в вакууме, в которых изыскивается возможность получения отливок без окисных плен в относительно неглубоком вакууме (0,2 0,3 лди рт. ст.) при применении в качестве шихты слитков, выплавленных в атмосфере воздуха.

Подтверждено мнение о том, что решающую роль в деле исчезновения окисной плены играет реакция восстановления окис-лов углеродом в вакууме.

Опубликованные работы [9]—[10] и др. в известной степени способствовали разработке и внедрению в производство плавки и литья по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов в вакууме.