» » Особенности плавки никелевых сплавов
23.04.2015

Особенности никеля и никелевых сплавов — высокая температура плавления и склонность к интенсивному взаимодействию с газами печной атмосферы. Жидкий никель растворяет при 1600 °C до 0,5 % (по массе) кислорода, около 2,5 % углерода и до 43 см3 на 100 г водорода. Выделение водорода при кристаллизации — основная причина газовой пористости в отливках. При взаимодействии с парами воды происходит одновременное загрязнение никеля кислородом и водородом.
В целях предупреждения взаимодействия с газами плавку никеля ведут под слоем флюса, в качестве которого применяют стекло (бутылочный бой), плавиковый шпат, известь, молотый магнезит со стеклом и др. Недопустимо применение древесного угля и гипса. Флюс берут в количестве 5—10 % от массы шихты. Он должен покрывать поверхность расплава слоем толщиной 10—15 мм.
В большинстве случаев для плавки используют индукционные низкочастотные и высокочастотные печи, которые позволяют быстро достигать необходимой температуры и форсированно вести процесс. Значительно реже применяют дуговые печи. Выплавку никеля для вакуумной техники ведут в вакуумных высокочастотных печах при остаточном давлении 0,66 Па.
Футеровка плавильных печей основная или нейтральная. Под низкочастотных индукционных печей с железным сердечником набивают огнеупорной массой, состоящей из 98 % плавленого магнезита и 2 % буры или борной кислоты. Для футеровки высокочастотных печей применяют смесь состава: 80 % магнезита, 8 % жидкого стекла и 12 % воды.
В качестве шихтовых материалов при плавке чистого никеля используют катодный никель H0 и H1, гранулы никеля и крупные никелевые отходы собственного производства в количестве, не превышающем 50 % от массы шихты. Недопустимо использовать катодные листы с наростами на поверхности.
Первоначально в печь загружают отходы, поверхность которых засыпают флюсом; после этого по мере расплавления металла сразу или частями вводят катодный никель. Листы никеля предварительно разрезают на куски размером 150x150 мм, просушивают, а в некоторых случаях (при большом содержании водорода) отжигают. Плавку ведут на форсированном режиме, не допуская перегрева расплава.
При температуре расплава 1500—1600 °С его очищают от кислорода и серы. С этой целью в расплав вводят раскислители и десульфуризаторы. Характерная особенность плавки чистого никеля — применение комплексного раскислителя (углерода, кремния, марганца, магния). Основным раскислителем является углерод, который вводят в виде графита (бой) или лигатуры Ni—С, содержащей 1,5—2 % С. При введении углерода в виде графита его загружают одновременно с первой порцией шихты. Для полного удаления кислорода требуется значительный избыток углерода. Однако избыток углерода сообщает никелю хрупкость, Поэтому с помощью углерода удаляют основное количество кислорода, а остаток его — кремнием и марганцем после доведения температуры расплава до 1600 °С. Общее количество комплексного раскислителя принимают в пределах 0,18—0,22 % от массы расплава. Углерод берут в количестве 0,05—0,1 %, кремний 0,07—0,15 %, марганец 0,05—0,2 %, магний 0,05—0,1 %. Для раскисления никеля используют также силикокальций, содержащий до 23 % Ca, Этот раскислитель вводят в расчете на 0,05—0,1 % Ca.
После раскисления расплав перемешивают никелевой мешалкой, выдерживают в течение нескольких минут и при 1550— 1650 °С заливают в формы. Во избежание попадания флюса в полость формы его сгущают. С этой целью на поверхность расплава засыпают молотый магнезит в количестве 0,2 % от массы шихты.
При плавке чистого никеля загрязненные и смешанные отходы никеля от разных плавок не используют в шихту. Эти отходы переплавляют отдельно. Перед плавкой всю шихту обдувают воздухом с целью удаления загрязнений. В некоторых случаях отходы протирают керосином. Плавку ведут в индукционной низкочастотной печи с железным сердечником под тонким слоем флюса (стекло). Примеси удаляют путем окисления. С этой целью поверхность расплава частично оголяют от флюса. Для ускорения окисления в расплав вводят закись никеля или никель с большим содержанием кислорода. Примеси выгорают в следующем порядке: кремний, магний, марганец, цинк и углерод. Конец окисления определяют по искрению металла и излому пробы. Последующее раскисление никеля производят лигатурой никель—магний, а при необходимости кремнием и лигатурой никель—углерод. Лигатуру никель—магний в количестве 0,06 % присаживают завернутой в никелевую фольгу при температуре расплава 1550—1600 °C. Степень раскисления определяют с помощью технологической пробы. Для этого отливают слиток диаметром 20—22 мм в графитовую изложницу. Если металл дает нормальную усадку, он готов для разливки. Если металл «растет», его дополнительно раскисляют лигатурой никель—магний, которой берут в два раза меньше, чем при первом раскислении. Затем вновь отливают пробу.
При сильном окислении металла кислородом полное восстановление его проводят комплексным раскислителем — углеродом, кремнием и магнием.
Технология плавки никелевых сплавов аналогична описанной для чистого никеля. Ее ведут в открытых дуговых и индукционных печах с магнезитовой футеровкой. Для выплавки наиболее ответственных сплавов применяют вакуумные индукционные печи.
Плавка никелевых сплавов на воздухе сопровождается окислением и интенсивным насыщением расплава водородом. Эти процессы предопределяют загрязнение расплава твердыми нерастворимыми включениями оксидов легирующих компонентов (TiO2, Cr2O3, BeO и др.) и образование газовых раковин и пористости в отливках.
Для предохранения расплава от интенсивного взаимодействия с газами применяют флюсы (табл. 39), расход которых составляет 2—5 % от массы расплава С помощью флюсов невозможно полностью исключить растворение водорода, поэтому одной из важнейших операций при выплавке никелевых сплавов является рафинирование их от растворенных газов. Эту операцию осуществляют наведением окислительного шлака (MnO2 + CuO + Na2CO3 + SiO2) или продувкой инертными газами (аргоном или гелием). При выплавке большинства никелевых сплавов предпочтение отдается окислителям. Необходимое количество окислителя определяют в зависимости от содержания в расплаве водорода; оно редко превышает 1—2 % от массы расплава. Перед введением легирующих компонентов, образующих твердые нерастворимые окислы, никель раскисляют марганцем, углеродом, кремнием и магнием, порознь или совместно; в качестве раскислителей используют также титан и силикокальций.
Для измельчения зерна отливок и повышения уровня их эксплуатационных свойств некоторые жаропрочные сплавы модифицируют присадками 0,01—0,03% В и 0,03 -0,1% Zr.
Особенности плавки никелевых сплавов

При плавке в дуговых печах первыми загружают никель и кусковые отходы; затем под электроды вводят шлакующую смесь (известь с плавиковым шпатом 1:1) в количестве 3—5 % от массы шихты. Смесь вводят небольшими (по 3—5 кг) порциями для предохранения расплава от науглероживания и насыщения водородом. После расплавления вводят лигатуры и чистые металлы (Mo, Nb, W и др.) и нагревают расплав до полного растворения тугоплавких элементов. Затем отбирают пробу на химический анализ и расплав подвергают рафинированию и раскислению. Для этого используют раскисляющие смеси (известь с алюминиевым порошком 1:1), которые вводят из расчета 3—4 кг на тонну расплава небольшими порциями, марганец (0,25 %), алюминий (0,3—0,5 %) и титан (0,01—0,15 %). При необходимости осуществляют продувку расплава инертным газом или наводят окислительный шлак. Перед разливкой в расплав вводят присадки церия и бора.
Аналогичная технология применяется и при плавке в индукционных высокочастотных печах. В качестве шлакующей используют смесь извести (70 %) с плавиковым шпатом (30 %), которую вводят на поверхность шихты в количестве 3—4 % (по массе). Раскисление осуществляют порошком алюминия (2 кг/т) или марганцем и титаном.
Монель-металл лучше всего плавить в индукционных печах, так как в этом случае почти полностью предотвращается насыщение водородом. В качестве флюса используют стекло или смесь фторидов кальция и магния.
При изготовлении сплава из чистых металлов и собственных отходов первыми загружают никель, медь, железо, отходы и др. После полного расплавления садки температуру расплава поднимают до 1450—1500 °С и вводят марганец.
Для раскисления расплава используют лигатуру никель— углерод. Углерод обычно вводят в количестве 0,1—0,15 %. После непродолжительной выдержки перед началом литья вводят магний (до 0,3 %).
Плавку сплавов Ni—Ti и Ni—Be (3 %) ведут в индукционных высокочастотных печах Первоначально под слоем флюса (стекло, известь) расплавляют никель; расплав перегревают до 1600 °C и рафинируют кремнием и марганцем (0,1 % от массы шихты), затем лигатурами или в чистом виде вводят титан и бериллий. Расплав тщательно перемешивают, выдерживают в течение 5—10 мин и заливают в формы.
Из всех сплавов на основе никеля наиболее сложными в приготовлении являются термоэлектродные сплавы — хромель и алюмель. Сложность состоит в необходимости соблюдать узкие допуски по химическому составу, так как термоэлектродвижущая сила в большой степени зависит от состава. Приготовление термоэлектродных сплавов на отечественных заводах, как правило, ведут в низкочастотных индукционных печах с магнезитовой футеровкой. Для этих сплавов с успехом могут быть применены и высокочастотные печи, в том числе и вакуумные.
Порядок загрузки и расплавления шихты при плавке сплава хромель принимают следующий. В жидкую ванну вводят большую часть хрома (1—2 кг недогружают для последующей корректировки состава сплава по результатам определения т. э. д. с.). Затем загружают никель и отходы. Одновременно засыпают флюс в количестве 10 % от массы металла. Расплавление ведут по возможности интенсивно. Для раскисления сплава вводят 0,12—0,15 % марганца и 0,06 % магния. Корректировку состава сплава по содержанию хрома производят по результатам определения т. э. д. с.
Аналогичным образом осуществляют плавку других термоэлектродных сплавов. Некоторое отличие в технологии плавки состоит в порядке загрузки составляющих шихты и в раскислении сплавов. При выплавке алюмеля и копеля вначале загружают никель, отходы и флюс, затем алюминий, кремний и марганец. Поскольку все эти сплавы содержат марганец, раскисление их производят магнием, вводимым в количестве 0,03 % при приготовлении алюмеля и 0,1 % при плавке копеля. Перед разливкой сплавы корректируют на содержание марганца по результатам определения т. э. д. с.
Технология плавки двойных (Ni—Cr) и тройных (Ni—Cr—Fe) нихромов мало чем отличается от технологии приготовления хромеля. Раскисляют эти сплавы марганцем, титаном и силико кальцием, в количестве 0,1—0,15 %.
В основном нихромы выплавляют в электродуговых печах. В целях удаления водорода, поглощенного расплавом, в конце плавки наводят окислительный шлак, который вызывает кипение ванны. Растворенный водород может быть удален также продувкой расплава аргоном. Известно, что добавка циркония (до 1 %) уменьшает склонность нихромов к поглощению водорода.
Основное условие при плавке нихромов — предотвращение загрязнения расплава серой и углеродом, резко снижающими эксплуатационные свойства сплавов.
Аналогична нихромам технология плавки сплавов типа хастеллой (Ni—Mo—Fe; Ni—Mo—Cr-Fe, Ni—Si). Эти сплавы ввиду значительного содержания молибдена менее склонны к поглощению водорода. Сплавы Ni—Si (хастеллой D) изготавливают по технологии, применяемой при плавке монель-металла.