ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ХРОМА И СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ХРОМА Российский патент 2015 года по МПК C22C27/06 C22C1/06 

Группа изобретений относится к области металлургии и может быть использована для изготовления деталей из жаропрочного сплава на основе хрома, работающего при высоких температурах и в агрессивных средах, и к специальной электрометаллургии, а именно к вакуумно-индукционной выплавке жаропрочного сплава.

Известен жаропрочный сплав на основе хрома, содержащий, вольфрам, цирконий или гафний, титан, окисел лантаноида, марганец (RU 2236480 C1, С22С 27/06, 20.09.2004).

Наиболее близким аналогом изобретения является сплав на основе хрома, содержащий, мас. %: Ni - 32, W - 1,5, V 0,1-0,4, Ti 0,05-0,25, примеси не более: С 0,08, О₂ 0,03, N₂ 0,04, Cr - основа (Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Справочник т. 3, «Специальные стали и сплавы», под ред. Химушина Ф.Ф., М., Машиностроение, 1968, с. 423).

Однако указанный состав не позволяет осуществлять производство реальных промышленных сплавов, поскольку в нем отсутствуют пределы содержаний никеля, вольфрама и соответственно хрома. Кроме того, недостаточность ограничений по содержанию примесей не позволяет получить сплав необходимой чистоты, это приводит к увеличению количества неметаллических включений и снижает технологическую пластичность сплава. Кроме того, не регламентированы требования к структуре сплава в литом состоянии, в частности к наличию или отсутствию эвтектики. Наличие в структуре эвтектики снижает пластичность сплава, затрудняя его пластическую деформацию.

Известен способ выплавки высокохромистого сплава, включающий загрузку шихты, содержащей электролитически нерафинированный хром, никель, шлакообразующие компоненты и раскислители, их расплавление и разливку в изложницы (RU 2070228 C1, С21С 5/52, 10.12.1996).

Отсутствие в известном способе регламентированной температуры разливки сплава, не позволяет стабильно получать качественные слитки, иметь высокий выход годного металла.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является получение сплава, с малым количеством неметаллических включений и не содержащего в структуре эвтектики, что обеспечивает повышение технологических свойств сплава, а именно горячей пластичности, а также обеспечение качества слитка и повышения выхода годного металла за счет исключения подкорковых пузырей на поверхности слитка и уменьшения усадочной раковины.

Для достижения технического результата жаропрочный сплав на основе хрома, содержит никель, вольфрам, ванадий, титан, алюминий, кремний, кислород, азот, железо, углерод при следующем соотношении компонентов, мас. %:

никель 31-33 вольфрам 1-3 ванадий 0,1-0,4 титан 0,05-0,3 алюминий + кремний не более 0,2 кислород не более 0.08 азот не более 0,04 железо не более 0,5 углерод не более 0,08 хром остальное,

имеющий в литом состоянии структуру, не содержащую эвтектики.

Ограничения по содержанию кремния, алюминия, железа уменьшает количество неметаллических включений; содержание никеля в сплаве не более 33 мас. % в соответствии с диаграммой состояния Ni-Cr (фиг.1) обеспечивает отсутствие эвтектики в структуре (табл. 1), все это приводит к повышению пластичности сплава - относительного удлинения (δ) и сужения (ψ).

В соответствии с диаграммой состояния Ni-Cr сплав с содержанием 35% масс. Ni содержит до 10% об. эвтектики (фиг. 2); при содержании 34% масс. Ni эвтектики быть не должно (фиг. 1). Однако вследствие ликвации в реальных сплавах образуется эвтектика в зонах, обогащенных никелем (фиг. 3).

Особенно важно, что при повышенных температурах горячей пластической деформации показатели пластичности предлагаемого сплава выше в полтора-два раза (табл. 2) за счет изменения его химического состава.

Таблица 1 Содержание Ni в сплаве, масс. % Наличие эвтектики в структуре 34,9 присутствует (см. фиг.2) 33,8 следы (см. фиг.3) 33,0 отсутствует

Снижение содержания никеля в сплаве менее 31 масс. % приводит к повышению температуры солидус (см. фиг. 1), укрупнению зерна и снижению механических свойств и горячей пластичности.

Для достижения технического результата способ выплавки сплава на основе хрома включает загрузку в вакуумную электоропечь шихты, состоящей из чистых исходных материалов: электролитически рафинированного хрома, никеля вольфрама, ванадия, титана, микролегирующих добавок в виде церия и лигатуры никель-магний-церий для раскисления и модифицирования сплава, их расплавление и разливку расплава в изложницы при температуре 1550-1570°С.

Пример реализации способа

Осуществляли выплавку высокохромистого сплава. Для выплавки сплава использовали следующие шихтовые чистые исходные материалы: электролитический рафинированный хром марки ЭРХ, никель, вольфрам, ванадий, титан. Использование чистых исходных материалов связано с необходимостью обеспечения высоких требований по ограничению содержания в сплаве газовых примесей и примесей железа, углерода, кремния и алюминия. Для раскисления и модифицирования сплава в качестве микролегирующих добавок использовали церий и лигатуру никель-магний-церий.

Использование для раскисления и модифицирования сплава микролегирующих добавок в количестве 0,123 (табл.3) не влияют на окончательный состав сплава.

Расчетное содержание легирующих элементов и пример шихтовки сплава приведен в табл. 3.

Шихтовые материалы загружают в тигель печи. Часть хрома укладывают в корзину печи для введения в тигель после расплавления основной части шихты. Титан, ванадий и микродобавки размещают в ячейках дозатора.

После размещения шихты камеру печи герметизируют и вакуумируют до давления 10^-3 мм.рт. ст., выдерживают при этом давлении в течение 10-15 мин для дегазации шихты, а затем в камеру напускают нейтральный газ аргон повышенной чистоты и включают источник питания - преобразователь высокой частоты для нагрева и расплавления шихты.

Шихту нагревают до температуры 1600-1620°С до полного расплавления, выдерживают при этой температуре 5-10 мин, а затем снижают температуру до 1550-1570°С и вводят в расплав ванадий и титан, а через 1-2 мин - церий и лигатуру, после чего разливают в кокильные изложницы диаметром 90 мм. Из одной плавки сплава массой ~120 кг изготавливают 3 слитка массой ~40 кг (с прибыльной частью) каждый.

Всего было выплавлено 4 плавки, отлито 12 слитков сплава, их состав, приведенный в табл. 4, соответствовал ТУ 1-809-321-87.

При отработке параметров процесса на отдельных плавках варьировали температуру разливки.

Параметром, существенно влияющим на качество слитка, является температура разливки металла.

Для исследования влияния температуры разливки на качество слитка были проведены плавки с температурой металла перед разливкой 1600-1620°С, 1550-1570°С, 1500-1520°С.

Температура расплава свыше 1600°С надежно обеспечивает разливку всей плавки в три изложницы без захолаживания металла в плавильном тигле. Однако, в этом случае наблюдали сильное разбрызгивание металла в изложнице. Капли металла застывали на поверхности изложницы и приводили к образованию неровной, пористой поверхности слитка и подкорковых пузырей (фиг. 4).

Такие дефекты снижают коэффициент использования металла и увеличивают затраты на механическую обработку слитков для дальнейшего передела.

При разливке металла с температурой ниже 1520°С наблюдали ускоренную кристаллизацию металла в изложнице и прибыльной надставке, что приводит к увеличению глубины залегания усадочной раковины до 1/3 высоты слитка и снижению выхода годного металла (фиг. 5).

Удовлетворительное качество поверхности слитка и образование малой усадочной раковины на глубине не более 50 мм от прибыльной части обеспечивается при разливке металла в изложницы с температурой расплава 1550-1570°С (фиг. 6).

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумно-индукционной выплавке сплава на основе хрома. Для повышения горячей пластичности используют жаропрочный сплав, содержащий, в мас. %: никель 31-33, вольфрам 1-3, ванадий 0,1-0,4, титан 0,05-0,3, алюминий + кремний не более 0,2, кислород не более 0.08, азот не более 0,04, железо не более 0,5, углерод не более 0,08, хром - остальное и имеющий в литом состоянии структуру, не содержащую эвтектики. Для обеспечения высокого качества слитка из указанного сплава и повышения выхода годного металла за счет исключения подкорковых пузырей на поверхности слитка и уменьшения усадочной раковины, а также повышенной пластичности сплава при последующей горячей пластической деформации в вакуумную электрическую печь загружают шихту, состоящую из чистых исходных материалов: электролитически рафинированного хрома, никеля вольфрама, ванадия, титана, микролегирующих добавок для раскисления и модифицирования сплава, расплавляют шихту и полученный расплав металла разливают в изложницы при температуре 1550-1570°С. 2 н. п. ф-лы, 4 табл., 6 ил., 1 пр.

1. Жаропрочный сплав на основе хрома, содержащий никель, вольфрам, ванадий, титан, алюминий, кремний, кислород, азот, железо, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
никель 31-33 вольфрам 1-3 ванадий 0,1-0,4 титан 0,05-0,3 алюминий + кремний не более 0,2 кислород не более 0,08 азот не более 0,04 железо не более 0,5 углерод не более 0,08 хром остальное,

2. Способ выплавки жаропрочного сплава по п. 1, включающий загрузку в вакуумную электоропечь шихты, состоящей из чистых исходных материалов, включающих электролитически рафинированный хром, никель и вольфрам, нагрев шихты до температуры 1600-1620°С до ее полного расплавления, выдержку 5-10 минут, снижение температуры до 1550-1570°С и ввод в расплав ванадия и титана, а через 1-2 минуты для раскисления и модифицирования - микролегирующих добавок, после чего разливают расплав в изложницы при температуре 1550-1570°С с обеспечением получения в литом состоянии сплава структуры, не содержащей эвтектики.