УДК 669.245.018.44.046.5
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕКОНДИЦИОННЫХ ОТХОДОВ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
© Сидоров Виктор Васильевич, д-р техн. наук; Ригин Вадим Евгеньевич, канд. техн. наук; Горюнов Александр Валерьевич; Мин Павел Георгиевич
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». Россия, Москва. E-mail: lab16@viam.ru Статья поступила 29.10.2013 г.
На основе проведенных исследований разработана ресурсосберегающая технология получения шихтовых заготовок из литейных жаропрочных сплавов с использованием до 100% некондиционных отходов. Технология позволяет при выплавке сплавов использовать отходы всех видов, обеспечивает экономию дорогих и дефицитных легирующих металлов и снижает стоимость сплавов без снижения их качества.
Ключевые слова: жаропрочный сплав; отходы; фильтрация; примеси; свойства.
При производстве литых прутковых (шихтовых) заготовок из литейных жаропрочных сплавов и литье из них деталей газотурбинных двигателей (лопаток, створок сопла и др.) наряду с кондиционными отходами (обрезь донной и головной части прутковых заготовок, обрезь металла после отбора проб на химический и газовый анализы, прибыльные и литниковые части отливок, забракованные отливки и др.) образуются некондиционные (н/к) отходы в виде гар-нисажа плавильного тигля, промежуточного ковша и литейной оснастки, скрапин, сплёсов и корольков металла, а также отходы в виде стружки, образующейся после механической обработки литых прутковых заготовок и отлитых из них деталей.
Некондиционные отходы образуются также на авиационных ремонтных заводах в виде турбинных и сопловых лопаток газотурбинных двигателей, которые отработали свой ресурс и непригодны для дальнейшей эксплуатации. Поскольку лопатки длительное время работали в продуктах сгорания авиационного топлива в различных климатических средах, металл таких лопаток загрязнен вредными примесями (сера, фосфор, свинец, мышьяк и др.), поступившими из топлива и накапливающимися на поверхности лопаток.
На рис. 1 приведены результаты сканирования методом Оже-электронной спектроскопии лопатки из сплава ЖС6У-ВИ, отработавшей свой ресурс в составе газотурбинного двигателя Д30КУ. Анализировали матрицу сплава и поверхностный слой лопатки. Видно, что в матрице
сплава присутствуют только основные легирующие металлы, а в поверхностном слое металла лопатки обнаружены включения серы и фосфора, что подтверждается также и металлографическими исследованиями.
Наряду с примесями на поверхности лопаток могут оставаться различные защитные покрытия после алитирования, хромоалитирования, многокомпонентные покрытия и др., а в поверхностных слоях металла лопаток могут присутствовать не-
Jl П Р | I I 11 11 П I 11J I I 11 Г111 L11 | J 11 | | < | И 11 III | I I м |
В.Ъ 11 ■ 1
Рис. 1. Результаты сканирования методом Оже-электронной спектроскопии рабочей лопатки из сплава ЖС6У-ВИ после эксплуатации в газотурбинном двигателе Д30КУ:
а - матрица сплава; б - поверхность лопатки (1 - включение, содержащее серу)
а
б
Рис. 2. Некондиционные отходы литейных жаропрочных сплавов:
а - гарнисаж тигля после плавки; б - стружка после механической обработки; в - металлокерамика после фильтрации; г - сплёсы и корольки после разливки; д - лопатки, отработавшие свой ресурс
металлические включения в виде оксидов и нитридов в результате длительного окисления материала лопаток при эксплуатации.
Суммарный объем всех образующихся некондиционных отходов составляет 8-10% от массы используемых исходных шихтовых материалов.
Технология переработки до 100% кондиционных отходов разработана и успешно применяется в ФГУП «ВИАМ» при производстве литейных жаропрочных сплавов [1-7]. Однако технология переработки некондиционных отходов, имеющих повышенную загрязненность оксидными, нитридными, сульфидными, фосфидными и керамическими включениями, до настоящего времени не разработана, поэтому такие отходы при плавке не используются и в основном утилизируются для извлечения только никеля и кобальта. При этом теряются остальные дорогостоящие и дефицитные легирующие металлы (рений, тантал, рутений, гафний, вольфрам, молибден и др.), и их воспроизводство требует дополнительных производственных и энергетических затрат.
Сложность решения этой проблемы состояла в том, что вышеперечисленные некондиционные отходы загрязнены кислородом, азотом, углеродом, серой, фосфором и др., содержат повышенное количество оксидных плен и неметаллических, в том числе керамических, включений (рис. 2). Повышенное содержание этих примесей в готовом металле неизбежно отразится на качестве литых изделий: низкий выход годного и снижение служебных характеристик отливок [8-13]. Эти отходы имеют повышенную окисленность, загрязнены керамикой; стружка после механической обработки покрыта маслом и эмульсией. Использовать такие отходы непосредственно при выплавке сплавов не представляется возможным,
поэтому некондиционные отходы необходимо предварительно подготовить. Подготовка включает в себя их предварительную сортировку, измельчение, промывку и обезжиривание стружки.
Исследование проводили с применением стружки, образовавшейся после обдирки на токарном станке сплава ВЖМ4-ВИ, содержащего наиболее дорогостоящие легирующие металлы - 6% рения и 4% рутения [14-16]. Содержание примесей кислорода, азота, углерода и серы в стружке до и после промывки приведено в табл. 1. Промывка стружки в специально приготовленном растворе позволяет снизить содержание в сплаве кислорода, азота, углерода и серы. С использованием 100% подготовленных таким образом некондиционных отходов выплавлено четыре плавки в вакуумной индукционной печи ВИАМ 2002 (вместимость тигля 20 кг) с применением технологии их эффективного рафинирования от примесей и газов в вакууме. В качестве шихты использовали некондиционные отходы в виде 60% промытой стружки, 25% скрапа, корольков и гарнисажа и 15% кондиционных отходов в виде головных частей прутковых заготовок. Металл заливали в стальную трубу с установленной на ней утеплительной вставкой, в которую был вмонтирован пенокерамический фильтр с активной рабочей поверхностью.
В полученной таким образом заготовке сплава ВЖМ4-ВИ анализировали содержание примесей: углерода, серы, кислорода и азота (табл. 2). Видно, что содержание всех примесей в заготовке весьма
Таблица 1. Содержание примесей в стружке из сплава ВЖМ4-ВИ
Способ подготовки Содержание элементов, мас. %
C S
Без промывки 0,009 0,0005 0,0080 0,0006
После промывки 0,006 0,0003 0,0043 0,0003
Таблица 2. Содержание примесей в заготовке сплава ВЖМ4-ВИ, полученного с использованием 100% отходов, включая 85% н/к отходов
Номера плавок Содержание элементов, мас. %
°2 C S
1 0,0009 0,0002 0,004 0,0012
2 0,0007 0,0003 0,003 0,0011
3 0,0005 0,0003 0,004 0,0012
4 0,0005 0,0003 0,0065 0,0010
Таблица 3. Отклонения по химическому составу и содержание примесей в сплаве ВЖМ4-ВИ, полученном с использованием рафинированных некондиционных отходов
Номера Отклонение по содержанию основных легирующих элементов Содержание примесей*, %
плавок А1 Сг Мо Та Со Ке Ки С о2 Р
1 +0,12 -0,11 - -0,17 +0,02 -0,04 -0,20 - 0,0036 0,0007 0,0039
2 +0,18 +0,09 +0,09 -0,08 -0,09 +0,11 -0,03 +0,15 0,0025 0,0007 0,0049
3 +0,18 +0,14 +0,06 -0,11 -0,06 +0,09 -0,04 +0,09 0,0023 0,0013 0,0053
4 +0,25 +0,20 +0,06 -0,12 -0,09 +0,09 -0,13 +0,05 0,0028 0,0008 0,0052
5 - +0,11 +0,13 -0,06 -0,05 +0,09 -0,05 +0,11 0,0015 0,0008 0,00017
Норма ТУ 1-595-1-948-2006 <0,008 <0,001 <0,010
* 0,0009% Б (по ТУ <0,003%); 0,0003% Ы2 (по ТУ <0,001%); < 0,05% (по ТУ <0,20%); <0,10% Мп (по ТУ <0,20%); <0,10% Бе (по ТУ <0,50%); <0,0004% РЬ (по ТУ <0,0005%); <0,0001% Ы (по ТУ <0,0001%).
низкое: кислорода и азота (<0,001% каждого), содержание углерода в пределах от 0,003 до 0,0065%, содержание серы в пределах от 0,001 до 0,0012%.
Полученные из 100% отходов рафинированные заготовки были использованы при выплавке сплава ВЖМ4-ВИ. Выплавку проводили в той же вакуумной индукционной печи с введением различного количества рафинированных некондиционных отходов (остальное - кондиционные отходы в виде обрези заготовок и свежие шихтовые материалы):
плавка 1 - 100% н/к отходов;
плавка 2 - 25% н/к отходов + 75% кондиц. отходов;
плавка 3 - 50% н/к отходов + 50% кондиц. отходов;
плавка 4 - 25% н/к отходов + 75% кондиц. отходов;
плавка 5 - 25% н/к отходов + 25% кондиц. отходов + 50% свежих шихтовых материалов.
После расплавления брали пробу жидкого металла для экспресс-анализа, после чего проводили дошихтовку сплава до оптимального состава.
В табл. 3 приведены данные по отклонению содержания основных легирующих элементов от заданного расчетного состава и содержание вредных примесей в полученном сплаве ВЖМ4-ВИ. Анализ табл. 3 показывает, что во всех плавках отклонение по содержанию основных легирующих элементов от заданного состава находится в пределах ±(0,2-0,3)%, а по некоторым элементам даже менее 0,20%. Содержание вредных примесей соответствует требованиям технических условий на сплав ВЖМ4-ВИ.
Из металла пяти плавок на установке УВНК-9 были отлиты заго-
товки с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией <001> [17, 18]. Была определена кристаллографическая ориентация заготовок и выбраны заготовки, которые имели отклонение от ориентации <001> не более 10°, проведена их стандартная термическая обработка и изготовлены образцы для испытания на длительную прочность по нормам ТУ. Результаты испытаний приведены в табл. 4. Анализ табл. 4 показывает, что разработанная технология позволяет даже при использовании при плавке 100% предварительно подготовленных в виде марочной заготовки некондиционных отходов получать характеристики длительной прочности, удовлетворяющие требованиям ТУ: время до разрушения т при температуре 1000 °С и нагрузке 300 МПа превышает 80 ч (102 ч). При использовании в шихте 25, 50, 75% некондиционных отходов в виде марочных заготовок время до разрушения также превышает 80 ч.
При плавке с использованием 50% свежих шихтовых материалов наряду с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.