Влияние переплавных процессов на структуру и свойства стали

Башнин Ю.А.

Металлургия, 1991 г.

МАКРОДЕФЕКТЫ СЛИТКОВ РАФИНИРУЮЩИХ ПЕРЕПЛАВОВ

При значениях технологических параметров, отличных от оптимальных, в структуре слитков ВДП возникают как дефекты, присущие слиткам, отлитым в изложницу (внеосевая ликвация, пятнистая ликвация), так и специфические для данного процесса дефекты (послойная кристаллизация, "корона"). Дефекты слитков ВДП подробно описаны в книге В.А.Бояршинова и др. [57].

Для сложнолегированных сталей и сплавов, содержащих в своем составе сильно ликвирующие элементы, внеосевая ликвация является одним из наиболее характерных дефектов макроструктуры слитков ВДП . К возникновению внеосевой ликвационной неоднородности приводит повышение скорости плавления (при превышении силы тока сверх определенного значения). При травлении продольных макротемплетов  внеосевая ликвация выявляется в виде вытянутых шнуров, направленных под небольшим углом к фронту кристаллизации. На поперечных макротемплетах она представляет собой отдельные пятна повышенной травимости. Методами металлографического и локального спектрального анализа установлено, что шнуры в сплавах на основе никеля обогащены карбонитридами и нитридами титана и алюминия.

Пятнистая ликвация является основным дефектом крупных слитков из сплавов типа нимоник, отлитых по обычной технологии. Пятнистая ликвация в слитках ВДП возникает из-за преждевременного смыкания осей дендритов, в результате чего оставшаяся жидкая фаза не имеет возможности перемешиваться с основной жидкой ванной. При травлении продольных или поперечных макротемплетов пятнистая ликвация выявляется в виде пятен с повышенной концентрацией титана, алюминия, углерода, обогащенных теми же фазами, что и шнуры внеосевой ликвации. Наличие пятнистой ликвации снижает деформируемость в горячем состоянии и ухудшает прочность при разрыве и длительную пластичность в направлении, перпендикулярном направлению деформации в готовых поковках [I].

В жаропрочных никелевых сплавах возможно появление специфического для ВЦП дефекта - "короны". Появление этого дефекта связано с тем, что довольно хрупкий у сплавов на никелевой основе гарнисаж (корона), расположенный выше уровня ванны слитка ВДП, разрушается, и кусочки короны падают в ванну жидкого металла. Явление это наблюдается при нарушении постоянства межэлектродного промежутка или при увеличении дуги свыше допустимых пределов. Кусочки короны иногда обнаруживаются в металле ВДП. Иногда в макроструктуре выявляются пятна различной формы (например, в виде закручивающейся спирали - "улитка"), представляющие собой, по данным микрорентгеноспектрального и металлографического анализов, скопления нитридов, карбонитридов и оксидов титана.

При травлении специальными реактивами на литой макроструктуре слитков всех рафинирующих переплавов можно выявить равномерно чередующиеся полосы, полностью или частично повторяющие очертания фронта жидкой металлической ванны. Такая регулярная полосчатость присуща структуре слитка, кристаллизующегося в водоохлаждаемой изложнице, и является следствием периодичности затвердевания при постепенном наплавлении слитка. Возникновение послойной кристаллизации связывают с изменением температурного градиента на фронте кристаллизации или с механическим смещением ванны жидкого металла относительно твердой фазы. Слоистую структуру слитка часто считают дефектом его макростроения. В то же время, по мнению авторов [63], слоистое строение следует рассматривать как положительное явление, способствующее диспергированию примеси. Нарушение этой регулярности может вызвать развитие локальной химической неоднородности, выражающейся в резком различии концентраций ликвирующих элементов в объеме кристаллизационного слоя и межслойной прослойки".

Чередование полос зависит от химического состава металла, диаметра кристаллизатора, скорости плавления. Например, при ЭШП в кристаллизаторе диаметром 150 мм сплава на никелевой основе чередование полос по времени составляет 10-15 с, а по высоте слитка 4,0 - 5,5 мм [63]. В зоне послойной кристаллизации меньше твердость и дендритная ликвация, мельче неметаллические включения [64]. После деформации и термообработки в ней наблюдается разнозернистость, но, что самое главное, свойства металла с послойной кристаллизацией ибез нее практически одинаковы. Если зона послойной кристаллизации перпендикулярна направлению деформации, то наблщается только некоторая тенденция к уменьшению характеристик пластичности таких образцов.

Изучение послойной кристаллизации металла в слитках ЭЛЛ с ложно легированного сплава  показало, что в большинстве случаев слоистость не нарушает направленного роста столбчатых кристаллов, однако в отдельных участках на границе раздела между слоями рост кристаллов прерывается, зарождаются и растут новые зерна.

По мнению авторов работы [65], неоднородность распределения структурных составляющих может привести к различному напряженному состоянию и различным свойствам в разных кристаллизационных слоях слитка.

Как уже упоминалось, по качеству макроструктуры электрошлаковый металл равноценен вакуумному дуговому. Как и в случае ВДП, наличие жесткой связи источника нагрева и переплавляемой заготовки при ЭШП создает трудности при производстве бездефектных слитков большого диаметра. Например, при ЭШП крупных слитков (диаметром 1000 мм) образуются продольные осевые трещины из-за захолаживания донной части слитка в стационарном кристаллизаторе. В то же время при ЭШП имеется множество возможностей для влияния на процесс переплава, например широкое варьирование диаметра расходуемого электрода и слитка, силы тока и напряжения, химического состава и, следовательно, электропроводности применяемых шлаков, тогда как при ДДП практически можно изменять лишь силу тока.

Качество слитков зависит от скорости плавления. При нарушении оптимальных параметров ЭШП в структуре слитков никелевых сплавов могут появиться такие дефекты, как корки и загрязнения. Они представляют собой шлаковые частицы, которые не успели всплыть на поверхность жидкой металлической ванны из-за неправильного электрического режима процесса или нарушения его стабильности, приводящих к недостаточному выделению тепла и (в соответствии с этим) к увеличению вязкости жидкого металла и скорости его кристаллизации, ЭЛП и ЩЩ по сравнению с ВДП и ЭШП обеспечивают наибольшие возможности для управления процессом кристаллизации, так как в этом случае скорость плавления заготовки не связана однозначно с мощностью источника нагрева. Плавное регулирование температуры нагрева поверхности расплава (путем изменения мощности электронного луча и диаметра фокального пятна при ЭЛП или путем радиального расположения нескольких плазмотронов вокруг кристаллизатора при ЦДЛ) позволяет осуществить более полное выведение усадочной раковины.