ГЛАВА 2
АНАЛИЗ ПРИМЕСЕЙ, СОДЕРЖАЩИХСЯ В ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СПЛАВАХ, И КЛАССИФИКАЦИЯ ОТХОДОВ СПЛАВОВ
2.1. Примеси, попадающие в расплав при выплавке сплавов
В процессе ВИП примеси могут попадать в металл из шихтовых материалов, в том числе из отходов, из футеровки плавильного тигля, а также вследствие повышенного натекания или невысокого вакуума в печи (газовые примеси) [41, 78 - 80]. Концентрация примесей и газов в исходных шихтовых материалах приведена в табл. 2.1.
Так, например, сера в жаропрочных сплавах является вредной примесью, которая, как было показано в разделе 1.3, понижает их свойства и в первую очередь жаропрочность. Все шихтовые материалы, применяемые при плавке литейных жаропрочных сплавов, содержат серу (табл.2.2), и в выплавляемый сплав может перейти до 0,009 % серы. Следует отметить, что около половины этого количества серы переходит в сплав из катодного никеля.
Для устранения или существенного уменьшения количества примесей, которое может перейти из керамики тигля при выплавке сплавов, как правило, для изготовления тигля применяют плавленные керамические материалы, в частности порошок из плавленного магнезита (ТУ 14-8-149-75), который содержит (%, мас.): MgO - не менее 94; Al2O3 - не менее 3; Fe2O3 - не более 0,5; SiO2 - не более 1,0.
Что касается газовых примесей, которые могут попасть в сплав из атмосферы печи, то для предупреждения газонасыщения расплава плавку рекомендуется проводить при давлении остаточных газов не менее 0,13 Па, а натекание наружного воздуха в плавильную камеру поддерживать на уровне ~ 1,3 Па·л/с.
2.2. Примеси, попадающие в сплав при литье лопаток ГТД
Металлургические дефекты в лопатках, а также снижение свойств сплавов могут являться следствием попадания в металл примесей щелочных металлов, а также кремния, азота, кислорода и некоторых других элементов при технологическом процессе прецизионного литья лопаток по выплавляемым моделям.
Каталитическое воздействие щелочных металлов на окисление жаропрочных сплавов при высоких температурах рассмотрено в работе [80]. Природа активного каталитического воздействия щелочных металлов на окисление жаропрочных сплавов при высоких температурах связана со способностью натрия и калия при температурах порядка 900С образовывать перекиси:
2R2O + O2 2R2O2
Перекиси калия и натрия, в свою очередь, легко восстанавливаются до окислов алюминием, титаном, углеродом и другими активными по сродству к кислороду элементами, входящими в состав жаропрочных сплавов, по реакциям:
R2O3 + Al, Ti, C R2O + Al2O3, TiO2, CO
При протекании этих реакций на поверхности деталей из жаропрочных сплавов имеет место язвенная коррозия, а при протекании на границе кристаллизующегося расплава в отливке образуются дефекты в виде плен (оксиды Al2O3, TiO2) и газовых "прострелов" в случае образования окиси углерода.
Существующий технологический процесс получения лопаток методом литья по выплавляемым моделям не исключает возможности контакта кристаллизующего расплава с перекисями щелочных металлов и, как следствие этого, образование дефектов в лопатках.
Источником попадания этих примесей в литейные жаропрочные сплавы может являться материал модельной массы. Для выплавляемых моделей при литье охлаждаемых лопаток на некоторых моторных заводах применяли и продолжают применять в настоящее время модельную массу на основе мочевины МОН-10К, состоящую из 90 % мочевины (N2H2CO) и 10 % калиевой селитры (KNO3). Эта модельная масса обеспечивает высокую чистоту поверхности и требуемую точность модели, достаточно технологична и термостойка.
Поскольку после удаления модельной массы из керамической оболочковой формы в горячей воде внутреннюю полость формы в зоне лопатки проконтролировать не удается, то имеется вероятность неполного удаления массы из керамической формы (на внутренней поверхности литейной формы могут оставаться ее следы), в результате чего неудаленные остатки массы могут являться источником загрязнения расплава калием и азотом. Кроме того, образующиеся при удалении массы щелочные составляющие способны разрушать связующую пленку на основе SiO2 первого слоя формы, вызывая ее осыпание и шелушение.
Керамические материалы, с которыми контактирует расплав в процессе плавки и отливки лопаток, также могут являться источником попадания щелочных металлов в литейные жаропрочные сплавы. В табл. 2.3 приведены концентрации Na2O, K2O и SiO2 в материалах, которые применяются при технологии литья лопаток по выплавляемым моделям с равноосной и направленной структурой.
Широкое применение на моторных заводах нашли сменные плавильные муллитокорундовые тигли, изготовляемые из массы КМК, которая имеет шихтовой состав (%, мас.): глина пластичная - 10, глина огнеупорная - 10, каолин - 10, карбид кремния - 35, глинозем - 10, электрокорунд - 15 [81]. Выбор огнеупорной массы данного состава обусловлен ее высокой термостойкостью. Однако в ее состав входят компоненты, которые содержат
Таблица 2.3
Концентрация примесей в огнеупорных материалах
МатериалNa2OK2OSiO2 %, мас. Электрокорунд марок
М63-М50, М40-М14, М10-50,30-0,50-0,15-0,20Дистенсилиманит марки КДСП (ТУ 48-4-307-74)0,20-39-42 Каолин марок П-1-О, П-П-О
(ГОСТ 2186-82)0,10-0,300,6-1,250-55 Глинозем марок ГОО, ГО
(ГОСТ 6912-74)0,40-0,50-0,02-0,03 Глина формовочная
(ГОСТ 3226-77) Сумма Na2O+ K2O
1,5-3,0-
щелочные составляющие - окись натрия и окись калия (табл. 2.3); особ