Рафинирующие переплавы стали и сплавов в вакууме
Бояршинов В.А.
Металлургия, 1976 г.
СТРУКТУРА И КАЧЕСТВО ЛИТОГО МЕТАЛЛА
СТРОЕНИЕ СЛИТКОВ ВДП
В слитке ВДП наблюдаются три макроструктурные зоны: периферийная зона мелких неориентированных кристаллитов, зоны столбчатых и равноосных кристаллитов. При ВДП сталей и сплавов на низких плотностях тока, а также при ВДП металлов, склонных к транскристаллизации на принятых плотностях тока, зоны равноосных кристаллитов не наблюдается, и в основном структура такого слитка, кроме периферийной зоны, представлена столбчатыми кристаллитами.
Типичным представителем трехзонной кристаллизации является конструкционная сталь 30ХГСНМА. Ниже приведены соотношения между кристаллизационными зонами слитков стали 30ХГСНМА различного диаметра, выплавленных при I/D= 200 А/см:
DKV, мм..............
Протяженность зон кристаллизации, мм:
380 610 710
Столбчатой 270 280 220
Равноосной 100 320 480
Ниже приведена протяженность зоны столбчатой и равноосной кристаллизации в слитках сплава на никелевой основе, выплавленных при I/D=120 А/см.
DKV, мм........... 150 280 380 480
Протяженность зон кристаллизации, мм:
столбчатой ....... 115 240 170 180
равноосной ....... 30 135 200 290
Из этих данных следует, что с увеличением диаметра слитка происходит увеличение протяженности зоны равноосной кристаллизации и уменьшение зоны столбчатых кристаллитов. Это имеет место вследствие снижения температурного градиента у фронта кристаллизации слитков большого диаметра по сравнению с его значениями для слитков меньших размеров.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Одной из основных задач ВДП является обеспечение максимальной однородности свойств слитка. В соответствии с этим в дополнение к структурным исследованиям представляется целесообразным изучение по зонам свойств литого слитка, выплавленного в различных по размеру кристаллизаторах при разной силе тока.
При исследовании слитков сплава на никелевой основе было установлено, что наиболее представительной характеристикой механических свойств является степень сужения поперечного сечения ψ. Зависимость степени сужения поперечного сечения от угла наклона столбчатых кристаллитов к направлению отбора образца (рис. 94) свидетельствует
о том, что наиболее высокие значения ψ соответствуют образцам, отобранным по направлению роста столбчатых кристаллитов, и наиболее низкие — образцам, отобранным в перпендикулярном направлении.
Такая анизотропия свойств не может являться исключительно результатом дендритной ликвации. Она, по-видимому, связана с основными свойствами межкристаллитных зон, в частности с присутствием в них повышенного количества примесей, неметаллических включений, выделением избыточных фаз. Об этом свидетельствует повышенная травимость границ кристаллитов, появление межкристаллитных трещин при грубой механической обработке холодного металла и при деформации металла при высоких температурах.
В табл. 41 приведены данные, характеризующие изменение механических свойств литой стали 30ХГСНМА по сечению слитков ВДП различного диаметра. Прочностные свойства в продольном и поперечном направлениях в исследованных слитках различаются незначительно. При этом абсолютная величина прочностных характеристик литого металла заметно превосходит нормы, установленные техническими условиями для деформированного металла (σΒ > = 1600 Н/мм2 — продольные, σΒ,> =1550 Н/мм2 — поперечные образцы). Характеристики прочности почти не снижаются от периферии к центру слитков различного диаметра. В этом заключается одно из преимуществ литого металла ВДП по сравнению с металлом обычной выплавки.
Уровень значений относительного удлинения и относительного сужения снижается от периферии к центру слитков всех исследованных диаметров. Например, на расстоянии половины радиуса слитка относительное удлинение на 10—20%, а в осевой зоне на 25—30% меньше, чем в краевой зоне. В поперечном направлении эти соотношения составляют соответственно 10— 25 и 20—40 %. Относительное сужение в зоне равноосных кристаллитов (для слитков разных диаметров) в 1,5—2,0 раза (продольные образцы) и в 2,0—2,5 раза (поперечные образцы) меньше, чем в периферийной зоне слитка.
С увеличением диаметра слитка значения относительного удлинения и сужения, а также ударной вязкости уменьшаются. Особенно это заметно в зоне равноосной кристаллизации и на расстоянии I/2Rот периферии слитка. Так, снижение относительного сужения в осевой зоне слитка диаметром 710 мм стали 30ХГСНМА по сравнению с этой же зоной слитка диаметром 380 мм составляет более 40% в продольном направлении и 50% в поперечном. Аналогичные соотношения для зоны направленных кристаллитов составляют 18 и 21% соответственно. Снижение относительного удлинения и ударной вязкости с увеличением диаметра слитка стали 30ХГСНМА проявляется в меньшей степени, чем относительного сужения.
Механические свойства по сечению слитков диаметром 710 мм стали 30ХГСНМА в зависимости от электрического режима ВДП приведены в табл. 42. Анализ представленных в табл. 42 результатов испытаний механических свойств подтверждает полученную выше зависимость пластических характеристик металла от зоны направленных кристаллитов к зоне равноосной кристаллизации. Наиболее низкие значения пластичности и ударной вязкости получены на образцах из слитка, выплавленного при силе тока дуги 22 кА (линейная плотность тока 310 А/см, скорость наплавления слитка 13,8 кг/мин). Образцы из слитка, выплавленного при силе тока дуги 14 кА, показали наиболее высокий уровень свойств.