30.01.2015

Степень химической и структурной микрооднородности сталей и сплавов существенно возрастает в результате их электрошлакового переплава. Это объясняется условиями кристаллизации и рафинирования металлов в процессе электрошлаковой плавки.
В.М. Epeyc, С.Ф. Бобылева и А.Ф. Каблуковский исследовали влияние электрошлакового переплава на однородность трубной стали 12Х1МФ. Опыты показали, что электрошлаковый переплав значительно улучшает макроструктуру и измельчает дендритное строение металла, повышает его однородность. Содержание кислородных включений в результате переплава уменьшается в 1,5-2,0 раза, сульфидных и оксисульфидных включений в 10-15 раз. После электрошлакового переплава металл более однородный по сравнению с исходным и выдерживает большее число скручиваний (примерно в 4—5 раз).
Электрошлаковый переплав сталей и сплавов сопровождается не только резким снижением содержания в них газов и неметаллических включений, но и существенным изменением тонкой структуры металла, границы которого после переплава становятся тонкодисперсными. Зерна металла имеют более тонкое строение.
Электрошлаковый переплав и применяемое при этом модифицирование оказывают большое влияние на структуру и свойства быстрорежущих сталей (Р18, Р12, Р9, Р6М5) в литом и кованом состояниях. Так, согласно исследованиям А.И. БоровкоТ электрошлаковый переплав улучшает распределение, форму и размеры карбидной фазы и изменяет их состав по сравнению с получаемым при обычной выплавке. Карбиды Me6 С имеют, например, более мелкие размеры, преимущественно округлую форму, распределены более равномерно и содержат меньше вольфрама в результате электрошлакового переплава.
Улучшение структуры в результате электрошлакового переплава сопровождается повышением горячей пластичности (ковкости), увеличением прочности и вязкости сталей соответственно на 10-30 и 15-20 % в литом и на 15-40 и 25-60 % в кованом состоянии.
Модифицирование быстрорежущих сталей в процессе электрошлакового переплава титаном и церием в количествах соответственно 0,02-0,30 и 0,01-0,15 % способствует дополнительному улучшению их структуры и свойств в литом и кованом состояниях.
Параметр решетки карбида Me6C в сталях электрошлакового переплава несколько меньше, чем в сталях обычной выплавки, что объясняется условиями кристаллизации и охлаждения слитков в* электропере-плавных процессах. Вследствие ускоренного охлаждения карбиды Me6C, образовавшиеся в жидком металле в случае электрошлакового переплава, длительное время испытывают воздействие высоких температур, что приводит к меньшему насыщению их легирующими элементами из твердого раствора. Менее легированные и мелкие карбиды сталей электрошлакового переплава полнее растворяются при нагреве под закалку, вследствие чего в твердом растворе закаленных сталей содержится больше легирующих элементов, чем в сталях обычной выплавки (табл. 18).
Электрошлаковый переплав

Высокая химическая однородность электрошлакового металла благоприятно сочетается с высокой структурной его однородностью, которая обусловлена специфическими условиями кристаллизации электрошлакового слитка. Деформированная электрошлаковая сталь, катаная ли кованая, отличается от стали обычного производства значительно более высоким качеством структуры. Это в значительной мере предопределяет повышение общего уровня физико-механических характеристик и их изотропности, а также служебно-эксплуатационных свойств, в том числе надежности и долговечности работы изделий.
Известно, что качественная основа структуры стали формируется еще в процессе кристаллизации. Результаты протекающих при этом физико-химических и теплофизических процессов фиксируются в виде структурной, физической и химической неоднородности. Если макроструктура обычных слитков состоит из поверхностной зоны мелких неориентированных кристаллов, зоны транскристаллизации, переходной зоны направленных и неориентированных кристаллов, зоны крупных равноосных кристаллов, то кристаллическое строение электрошлаковых слитков более однородно. Их макроструктура характеризуется сквозной транскристаллизацией и, следовательно, отражает высокую стабильность теплофизических условий затвердевания металла. Однако в крупных электрошлаковых слитках, диаметр которых превышает 500 мм, наблюдается двухзонное строение — периферийная область столбчатых кристаллов и центральная область равноосных кристаллов.
В отношении дендритной структуры следует отметить, что высокие скорости кристаллизации и температурный градиент у фронта затвердевания электрошлакового металла обеспечивают благоприятные условия для роста более тонких кристаллов. Дисперсность структуры, определяемая расстоянием между осями второго порядка, в литом металле электрошлакового переплава на 20 % меньше, чем в металле обычного производства. Именно неоднородность размеров, формы и мест распределения кристаллов в объеме слитка является главной проблемой получения качественного слитка. Практика подтвердила, что эта задача успешно решается посредством электрошлакового переплава металлов и сплавов.
Физическая неоднородность обычных слитков проявляется в наличии газовых пор различных размеров и раковин. Электрошлаковый слиток отличается от обычного резким повышением физической однородности. Направленное снизу вверх последовательное затвердевание металла в условиях беспрепятственной подпитки жидким металлом фронта кристаллизации практически препятствует появлению физической неоднородности в виде газовых пор. Высокая физическая однородность электрошлаковых слитров обеспечивает возможность использования их в литом состоянии для изготовления различных деталей, в том числе весьма ответственного назначения.
Химическая неоднородность в макроструктуре обычного слитка проявляется в виде V-образной внецентренной зоны положительной ликвации, Л-образной осевой зоны положительной ликвации, подприбыльной зоны положительной, ликвации и зоны отрицательной ликвации, расположенной в его нижней части. В электрошлаковых слитках с однородной транскристаллитной структурой зональная химическая неоднородность отсутствует. При этом наблюдается равномерное распределение основных и легирующих элементов, а также примесей в виде серы, фосфора, кислорода и неметаллических включений. Вместе с тем в крупных электрошлаковых слитках, диаметр которых более 1000 мм, при равномерном распределении серы по сечению наблюдается некоторое укрупнение сульфидных включений в зоне равноосных кристаллов.
Следует отметить, что повышение структурной, физической и химической однородности металла в результате электрошлакового переплава наследственно передаётся деформированному металлу в виде проката, поковок и штамповок. Многолетние исследования Б.И. Медовара и др. макроструктуры деформированного электрошлакового металла позволили выявить следующие его преимущества по сравнению с деформированным металлом обычного производства. Загрязненность сульфидными включениями была снижена на 2—4 балла при контроле на серных отпечатках. При этом для металла электрошлакового переплава характерна резко выраженная пониженная травимость вследствие повышения общей плотности и однородности металла. В электрошлаковом металле происходит значительное снижение механической текстурованности, проявляющейся в виде волокнисто-строчечной структуры, в результате уменьшения общего содержания размеров и более равномерного распределения неметаллических включений. Кристаллографическая ориентация, однако, электрошлакового деформированного металла существенно улучшается, что предопределяется более высокой структурной однородностью слитков. Последнее особенно важно при производстве электротехнических сталей. Для электрошлакового металла характерно тонковолокнистое строение излома, отсутствие дефектов типа сколов, слоистости, шиферности, вызываемых локальным отложением неметаллических включений по границам литых кристаллов. Все эти преимущества электрошлакового металла оказывают непосредственное влияние на изотропность его свойств.
Электрошлаковый переплав

Электрошлаковый переплав значительно улучшает кристаллическую структуру слитка, его так называемый дендритный остов. Например, оси дендритов занимают в стали ШX15 открытой выплавки 65 % объема слитка, а в металле электрошлакового переплава этот показатель возрастает до 80 %, причем дендритная ликвация в слитках электрошлакового переплава на 10—30 % меньше. Согласно исследованиям Г.А. Хасина и Н.А. Ерманович, металл электрошлакового переплава отличается от исходного более упорядоченными атомными связями, характеризующими своеобразное генетическое влияние структуры расплава. В хромоникелевом сплаве обычной выплавки плотность дислокаций составляла в среднем 10*10в5 линий на 1 см, а в электрошлаковом металле она не превышала 4*10в5 линий на 1 см. Зерна металла электрошлакового переплава являются монокристальными образованиями, причем разориентировка главных дендритных осей в пределах одного зерна не превышает 0°10', в то время как у металла обычной выплавки эта величина была в 3 раза больше. Количество фрагментов в кристаллитах металла обычной выплавки достигает четырех-шести, а в металле электрошлакового переплава их количество не превышает двух. Угол разориентировки по фрагменту в металле электрошлакового переплава достигает 0°08', а в обычном металле он в два раза выше.
Физико-химическая микронеоднородность металла электрошлакового переплава намного меньше, чем у металла обычной выплавки. Так, разность микротвердости зерен электростали из дуговой печи марки 12Х2Н4А составляет 1500 МПа, а у металла электрошлакового переплава — всего 850. При кристаллизации сложнолегированных сталей и сплавов обычной выплавки возникает большая структурная неоднородность слитка по сечению. В частности, наблюдается карбидная ликвация, карбидная сетка, которые в центре слитка более грубой формы, чем на его периферии. Электрошлаковый переплав сталей сопровождается значительным ослаблением структурной неоднородности. Это видно из рис. 82, полученного Б.И. Медоваром и Ю.В. Латашем. Опыты показали, что плотность электрошлакового металла значительно выше, чем металла обычной выплавки. Стали электрошлакового переплава отличаются не только размерами карбидов, но и их составом. После электрошлакового переплава в карбидном осадке быстрорежущих сталей содержится меньше вольфрама, хрома и ванадия, а карбиды молибдена имеют меньший параметр решетки.
Электрошлаковый переплав

На рис. 83 представлены экспериментальные данные авторов данной книги по влиянию метода выплавки стали Р6М5 в открытой дуговой электропечи (рис. 83, а, б) и электрошлаковым переплавом на карбидную микронеоднородность. Из этих данных видно, что при электрошлаковом переплаве удается устранить появление грубых крупных карбидов. Для обоих методов выплавки отмечено снижение степени карбидной неоднородности в направлении от центра слитка к его поверхности. Это объясняется различной скоростью затвердевания металла в указанных зонах.
Очень четкая разница в развитии карбидной микронеоднородности стали Р6М5, выплавленной в открытой индукционной печи и разлитой в слитки развесом 0,56 т, на поверхности и в центре слитка видна из рис. 84.
Электрошлаковый переплав
Электрошлаковый переплав

В значительной степени развитие карбидной неоднородности в инструментальных сталях зависит от их химического состава (рис. 85). С ростом содержания вольфрама в стали (рис. 85, а) карбидная неоднородность выражается более грубыми скоплениями. Это отмечено на слитках одинаковой массы.
При увеличении степени укова карбидная микронеоднородность сталей существенно снижается. Это видно на примере стали Р6М5 (рис. 86), имеющей степень укова 3,5 (рис. 86, а) и 11,5 (рис. 86, б). Заготовки были получены в обоих случаях из круглых слитков одинаковой массы (0,56 т.)
Ступенчатая высокотемпературная термическая обработка кованой стали Р6М5 по режиму 1117°C, 2ч + 1200°С, 2ч + 1230°С, 2ч + 1150°С, 2 ч способствовала уменьшению размеров карбидных включений (рис. 87).
Электрошлаковый переплав
Электрошлаковый переплав