» » Электронно-лучевой переплав
30.01.2015

Одним из преимуществ электронно-лучевого переплава является возможность получения металла с плотной однородной структурой. Для макроструктуры слитков, полученных в электронно-лучевых печах, характерным является наличие следующих зон: зоны мелких равноосных кристаллов на поверхности слитка; зоны крупных столбчатых кристаллов, занимающих почти все сечение слитка; зоны, соответствующей ванне жидкого металла в момент отключения печи и расположенной в верхней части слитка.
При малых скоростях переплава, обеспечивающих мелкую ванну жидкого металла плоской формы, устанавливается высокий температурный градиент, равномерный по диаметру ванны. В этом случае столбчатые кристаллы растут почти вертикально, а зона равновесных отсутствует. Такая макроструктура характеризуется отсутствием каких-либо дефектов пористости, минимальным развитием химической неоднородности.
При увеличении скорости плавки температурный градиент на фронте затвердевания уменьшается вплоть до значений, близких к нулю, когда рост столбчатых кристаллов становится невозможным. Структура таких слитков характеризуется наклонным расположением столбчатых кристаллов к оси слитка и наличием зоны равновесных кристаллов.
В слитках электронно-лучевого переплава полностью отсутствует пятнистая неоднородности, часто наблюдаемая при других способах выплавки и даже при вакуумном дуговом переплаве. Малая сила тока при электронно-лучевом переплаве полностью исключает возможность вращения ванны и появление этого дефекта макроструктуры. Н.Г. Антропова установила причины появления таких дефектов макроструктуры слитков нержавеющей стали после электронно-лучевого переплава, как прерывистая кристаллизация и участки повышенной травимости. Первый дефект связан с перерывами нагрева металла и изменением при этом температурного градиента. Анализ участков повышенной травимости показал присутствие в них повышенного содержания марганца, кремния, титана, хрома и алюминия по сравнению с основным металлом. Возникновение таких участков связано с образованием грубой короны на стенках кристаллизатора и попаданием ее в жидкий металл.
Химическая неоднородность слитков характеризуется макро- и микроликвацией. Первый вид ликвации называется зональной и заключается в различии химического состава центральной и периферийной зон слитка. Ликвация в микрообъемах называется дендритной и характеризуется различием химического состава осей и межосных промежутков внутри зерен. Дендритная и зональная ликвации определяются в конечном итоге коэффициентом распределения компонента в сплаве и его коэффициентом диффузии в твердом и жидком металле. Если при зональной ликвации большое значение имеет конвективное перемешивание расплава, а диффузия имеет второстепенное значение, для дендритной ликвации определяющей является диффузия.
Одним из преимуществ получения слитков в водоохлажденном кристаллизаторе является практически полное отсутствие нормальной зональной ликвации, иными словами отсутствие перемещения компонента в направлении затвердевания. При кристаллизации в изложнице концентрация компонентов, понижающих температуру плавления сплава, увеличивается в центре слитка, а повышающих температуру плавления — на периферии слитка. Одним из основных факторов, определяющих возможность развития зональной ликвации, является коэффициент распределения, который зависит от типа диаграммы затвердевания и условий кристаллизации.
Н.Ф. Аношкин исследовал зональную ликвацию при переплаве в водоохлаждаемый кристаллизатор и установил, что степень этой ликвации тем выше, чем больше коэффициент распределения отличается от единицы, чем шире температурный интервал кристаллизации, интенсивнее движение расплава в ванне, больше глубина ванны и диаметр слитка.
Значения равновесного коэффициента распределения для сплавов на основе железа, никеля и кобальта экспериментально определены в работе, из которой следует, что его значения для никеля, кобальта, железа, хрома и молибдена почти равны единице. Для марганца, ниобия, кремния и меди равновесный коэффициент распределения находится в пределах 0,45—0,70. Наиболее низкие значения равновесного коэффициента имеют фосфор (0,05), сера (0,002—0,16), кислород (0,07—0,15). Экспериментально установлено, что уже при скорости кристаллизации более 1,5 мм/мин эффективный коэффициент распределения приближается к единице для элементов, имеющих K0>0,05. Поэтому зональная ликвация большинства элементов при переплаве в водоохлаждаемые кристаллизаторы сталей не должна наблюдаться.
Электронно-лучевой переплав

Одной из причин неравномерности химического состава слитка электронно-лучевого переплава может быть обогащение боковой поверхности слитка летучими компонентами вследствие их концентрации на внутренней поверхности кристаллизатора. При электронно-лучевом переплаве сталей отмечено повышенное содержание на поверхности слитка свинца (0,003 % по сравнению с 0,0009 % свинца в центре слитка).
Отмечена значительная неоднородность стальных слитков по кислороду в разных зонах. Обогащение ванны жидкого металла кислородом свидетельствует о вытеснении кислорода фронтом кристаллизации почти по всему сечению слитка вследствие малых значений коэффициента распределения этого элемента. Периферийные спои слитка, кристаллизующиеся с большой скоростью, фиксируют значительную часть кислорода ванны.
Микронеоднородность стальных слитков по кислороду после электронно-лучевого переплава была изучена А.С. Калугиным. Исследовалось распределение кислорода по сечению слитка стали ОХ16Н11МЗ, переплавленной с различными скоростями (рис. 80). Установлено, что в слитке электронно-лучевого переплава наблюдается распределение кислорода, типичное для обратной ликвации при кристаллизации в изложнице: наиболее низкое содержание в центре, постепенно повышающееся к периферии.
Кроме зональной ликвации, химическая неоднородность стальных слитков характеризуется дендритной неоднородностью, причина которой также заключается в избирательном характере кристаллизации стали, когда образующиеся оси дендритов отличаются по своему составу от состава расплава. В затвердевающем слитке между изотермами ликвидуса и солидуса появляется двухфазная область, где образующиеся кристаллы в виде каркаса осей дендритов обогащены тугоплавкими составляющими сплава, а остающийся расплав обогащен легкоплавкими составляющими. Характер дендритной структуры оказывает существенное влияние на качество переплавляемого металла, особенно на качество сложнолегированных сталей и сплавов. Ликвационные процессы при дендритной кристаллизации определяют возможность образования второй фазы в литой структуре, в том числе наличие легкоплавких структурных составляющих. Это в значительной мере определяет условия горячей деформации слитков. Кроме того, дендритная ликвация в значительной степени определяет размеры, состав, распределение неметаллических включений, которые влияют на многие технологические и эксплуатационные свойства сталей и сплавов. Дендритная ликвация определяет анизотропию механических свойств сталей.
Дендритная структура характеризуется двумя главными параметрами: дендритной химической неоднородностью, показателем которой может быть эффективный коэффициент распределения примеси, и дисперсностью дендритной структуры, показатель которой - расстояние между соседними осями дендритов. Чем меньше дендритная химическая неоднородность и чем выше дисперсность структуры, тем однороднее литой металл.
Степень развития структурной и химической микронеоднородности определяется продолжительностью кристаллизации. Продолжительность кристаллизации определяет длительность протекания разделительной диффузии в процессе затвердевания металла, поэтому с ее увеличением возрастает дендритная неоднородность.