Переплавные процессы

Структура электрошлакового металла

Высокая химическая однородность электрошлакового металла благоприятно сочетается с высокой структурной его однородностью, которая обусловлена специфическими условиями кристаллизации электрошлакового слитка или отливки.

Строение электрошлаковых слитков

Деформированная электрошлаковая сталь, катаная или кованая, отличается от стали обычного производства значительно более высоким качеством структуры. Это существенно предопределяет повышение общего уровня физико-механических характеристик и их изотропности, а также служебно-эксплуатационных свойств, в том числе и таких факторов, как надежность и долговечность работы изделий.

Качественная основа структуры стали как конструкционного материала закладывается еще в период ее кристаллизации. Результаты протекающих при этом физико-химических и теплофизических  процессов фиксируются в затвердевшем металле в виде структурной, физической и химической неоднородности.

Как известно, макроструктура обычных слитков состоит из поверхностной зоны мелких неориентированных кристаллов, зоны транскристаллизации, переходной зоны направленных и неориентированных кристаллов, зоны крупных равноосных кристаллов и, наконец, зоны осаждения индивидуальных кристаллов, образующих «конус» в нижней части слитков (рисунок 1). Каждая из перечисленных зон отражает определенные изменения теплофизических условий кристаллизации стали. Таких изменений при затвердевании обычного слитка происходит четыре.

Структурные зоны слитка, отлитого в чугунную изложницу
Рисунок 1 — Структурные зоны слитка, отлитого в чугунную изложницу 1 — зона мелких неориентированных кристаллов; 2 — зона транскристаллизации; 3 — переходная зона; 4 — зона равноосных кристаллов; 5 — зона осаждения кристаллов.

Кристаллическое строение электрошлаковых слитков более однородно. Их макроструктура характеризуется сквозной транскристаллизацией и, следовательно, отражает высокую стабильность теплофизических условий затвердевания металла. И только в крупных электрошлаковых слитках, диаметр которых превышает 500 мм, наблюдается двухзонное строение — периферийная область столбчатых кристаллов и центральная область равноосных кристаллов (рисунок 2).

Структурные зоны электрошлаковых слитков малого (а) и большого (б) сечения
Рисунок 2 — Структурные зоны электрошлаковых слитков малого (а) и большого (б) сечения 1 — зона столбчатых кристаллов; 2 — зона равноосных кристаллов

Сравнивая дендритную структуру, следует отметить, что высокие скорости кристаллизации и температурный градиент у фронта затвердевания электрошлакового металла создают благоприятные условия для роста относительно более тонких кристаллов. Расстояние между осями второгопорядка (дисперсность структуры) в литом металле электрошлакового переплава на 20% меньше, чем в металле обычного  производства.

В. А. Ефимов отмечает, что неоднородность размеров, формы и мест распределения кристаллов в объеме слитка является главной проблемой получения качественного слитка. Эта проблема успешно решается на основе ЭШП.

Физическая неоднородность обычных слитков, если исключить дефекты разливочного происхождения, проявляется в наличии газовых пор различных размеров и раковин (см. рисунок 1). Поры располагаются преимущественно в переходной зоне и зоне равноосных кристаллов, а раковины — в осевой части слитков. Возникновение этих несплошностей в металле вызвано затрудненностью или полным отсутствием подпитки жидким металлом фронта затвердевания. Поэтому обычный слиток в литом состоянии не может быть использован непосредственно для получения изделия и подвергается обязательной горячей деформации не только с целью формоизменения, но и для заваривания внутренних дефектов. При прокатке слитков степень деформации их сечения составляет не менее 6, а при ковке — не менее 3. Заваривание газовых пустот способствует некоторому повышению удельной плотности деформированного металла.

Пористость в металлической матрице обычных слитков вызывается также выделением неметаллических включений. Размер таких пор в отдельных случаях может достигать 500 мкм. В процессе прокатки и ковки металла такие поры не исчезают, не завариваются, а только изменяют свою форму, вытягиваясь в сплошные или прерывистые строчки.

Электрошлаковый слиток отличается от обычного резким повышением физической однородности. Направленное снизу вверх последовательное затвердевание металла в условиях беспрепятственной подпитки жидким металлом фронта кристаллизации практически блокирует появление физической неоднородности в виде газовых пор и раковин. Это подтверждает тот факт, что горячая деформация электрошлакового металла практически не влияет на его удельную плотность. Суммарная площадь пор, образованных неметаллическими включениями, у электрошлаковой стали в несколько раз меньше, чем у обычной, а размер единичных пор не превышает 30 мкм. Поэтому удельная плотность литой электрошлаковой стали превосходит удельную плотность деформированной стали обычного производства (таблица 1). По этой же причине и литая и деформированная электрошлаковые стали при прочих равных условиях всегда обладают более высокими пластическими и вязкими свойствами. Высокая физическая однородность электрошлаковых слитков обеспечила возможность использования их в литом состоянии для изготовления различных изделий.

Удельная плотность литой электрошлаковой стали и деформированной стали обычного производства
Таблица 1 — Удельная плотность литой электрошлаковой стали и деформированной стали обычного производства

В макроструктуре обычного слитка химическая неоднородность проявляется ввиде V-образной внецентренной зоны  положительной ликвации, Λ-образной осевой зоны положительной ликвации, подприбыльной зоны положительной ликвации и зоны отрицательной ликвации, расположенной в его нижней трети. Зоны положительной ликвации характеризуются повышенным (в 2—5 раз выше, чем в других зонах) содержанием углерода, серы, фосфора, кислорода, водорода и некоторых других примесей. В зоне отрицательной ликвации содержание перечисленных элементов понижено, за исключением кислорода. Всем зонам присуща повышенная загрязненность неметаллическими включениями. Горячая деформация и термообработка не устраняют химической неоднородности, и она наследственно передается прокату или поковкам. Это приводит к разнородности физико-механических свойств деформированного металла, полученного из одного слитка.

В электрошлаковых слитках с однородной транскристаллитной структурой зональная химическая неоднородность отсутствует. Макроструктура характеризуется равномерным распределением основных и легирующих элементов, а также примесей — серы, фосфора, кислорода и неметаллических включений. Макроструктура деформированного металла отличается высокой плотностью и однородностью.

В крупных электрошлаковых слитках, диаметр которых более 1000 мм, при равномерном распределении серы по сечению наблюдается некоторое укрупнение сульфидных включений в зоне равноосных кристаллов. Вместе с тем при оценке распределения серы по отпечаткам Баумана, снятым с сечений поковок, электрошлаковый металл превосходит металл обычной выплавки. Высокая плотность структуры крупных электрошлаковых поковок подтверждается статистикой контроля качества в производственных условиях — не известны случаи забракования поковок из-за трещин и раковин, образующихся в центральных объемах обычных слитков при их кристаллизации.

Повышение структурной, физической и химической однородности металла в результате ЭШП наследственно передается деформированному металлу в виде проката, поковок и штамповок. Многочисленные данные исследований и промышленного контроля макроструктуры деформированного электрошлакового металла позволили выявить следующие его преимущества, по сравнению с деформированным металлом обычного производства:

  1. Снижение загрязненности сульфидными включениями на 2—4 балла при контроле на серных отпечатках.
  2. Резко выраженная пониженная травимость вследствие повышения общей плотности и однородности металла. Длительность травления темплетов из металла ЭШП возрастает в 1,5—3,0 раза по сравнению с травлением металла обычного производства.
  3. Значительное снижение механической текстурованности, проявляющейся в виде волокнисто-строчечной структуры, в результате уменьшения общего содержания, размеров и более равномерного распределения неметаллических включений. Вместе с тем кристаллографическая ориентация деформированного металла улучшается, что предопределяется более высокой структурной однородностью слитков. Это особенно важно для электротехнических сталей.
  4. Тонковолокнистое строение излома, отсутствие дефектов типа сколов, слоистости, расслоений, шиферности, вызываемых локальным отложением неметаллических включений по границам литых кристаллов.

Перечисленные достоинства оказываютнепосредственное влияния на изотропность свойств электрошлакового металла. Особенно ярко это проявляется в листовом  прокате. Если в обычном листе механические свойства, особенно пластические и вязкие, в продольном, поперечном и перпендикулярном направлениях находятся в зависимости 1:0,9:0,2—0,4, то в электрошлаковом листе эта зависимость 1:0,98:0,7—0,9. Из этого очевидно, что свойства листа по толщине в металле ЭШП в 2—4 раза выше, чем в обычном металле.

Строение электрошлаковых отливок

Служебные свойства отливок в большой степени зависят от качества металла, их строения и структуры. Последние факторы в свою очередь тесно связаны с конструкцией отливок. Важное значение имеют температура заливки металла, характер отвода тепла в стенку литейной формы.

Литой электрошлаковый металл, как известно, имеет направленную и в основном ориентированную структуру. Это связано с постепенным наплавлением отливки, наличием мелкой металлической ванны, повышенным отводом тепла в стенку охлаждаемой литейной формы. Металл электрошлакового слитка имеет преимущественно радиально-осевую направленность кристаллического строения (см. рисунок 2) благодаря прямолинейной форме внутренней стенки кристаллизатора.

У литейной формы электрошлаковой отливки внутренняя стенка не имеет прямолинейной формы, это накладывает определенный отпечаток на характер теплоотвода в стенку формы и, следовательно, кристаллизацию металла отливки. Как видно на макрофотографии продольного сечения отливки корпуса запорного клапана энергоблока атомной электростанции (рисунок 3), в отливке образуются зоны встречной кристаллизации с четко выраженной границей встречи кристаллов. Эти зоны образуются в результате изменяющегося в соответствии с очертанием внутренней стенки формы направления фронта отвода тепла.

Макроструктура отливки запорного клапана без внутренней полости (а) и схематическое строение зон встречной кристаллизации (б)
Рисунок 3 — Макроструктура отливки запорного клапана без внутренней полости (а) и схематическое строение зон встречной кристаллизации (б)

Количество зон встречной кристаллизации еще более увеличивается, если электрошлаковая отливка отливается вместе с полостью (рисунок 4). Внутренний дорн, формирующий центральное отверстие в той же отливке корпуса клапана, создает дополнительный отвод тепла. Отвод тепла в дорн более интенсивен, чем в боковую стенку отливки, так как при усадке отливка отходит от внутренней стенки формы и обжимает дорн. В результате этого граница встречи кристаллов смещается в сторону наружной поверхности стенки отливки.

Макроструктура отливки запорного клапана с внутренней полостью (а) и схематическое строение ее зон встречной кристаллизации (б)
Рисунок 4 — Макроструктура отливки запорного клапана с внутренней полостью (а) и схематическое строение ее зон встречной кристаллизации (б)

Зоны встречных кристаллов в отливках ЭШЛ традиционно вызывают определенное опасение, основанное на представлениях, сложившихся под влиянием результатов многочисленных исследований качества литого металла открытой выплавки. Действительно, в обычном стальном литье в местах встречи кристаллов отливка всегда имеет пониженные свойства. Это объясняется тем, что здесь скапливаются неметаллические включения и зона встречи кристаллов поражается микропористостью вследствие развития усадочных явлений.

Обычно стальные отливки характеризуются трехзонным строением. У поверхности стенок отливки это зоны столбчатых кристаллов, между которыми находится зона равноосных кристаллов. Последняя зона, особенно в центральной части, имеет низкие служебные свойства, отличается более низкой плотностью, чем другие зоны отливки.

Электрошлаковые сварные швы большой толщины, выполненные на теплоустойчивой стали 15Х2МФ, тоже имеют зону равноосных кристаллов. Однако эта зона имеет такие же плотность и механические свойства, как и зона столбчатых кристаллов:

Структура электрошлакового металла То же можно сказать и об электрошлаковых отливках. Рафинированный электрошлаковый металл как в шве, так  и в отливках имеет значительно более низкое содержание неметаллических включений. Границы кристаллов здесь гораздо чище границ кристаллов металла литья открытой выплавки. В результате механические свойства электрошлаковых отливок отличаются высокими показателями и изотропностью в направлении вдоль и поперек кристаллов, а также по границе встречи кристаллов. На рисунки 5  представлена схема вырезки образцов из литой электрошлаковой плиты (сталь 20Х2М), а в таблице 2 приведены механические свойства литого электрошлакового металла в зависимости от направления вырезки образцов для испытаний.

Схема вырезки образцов из литой электрошлаковой плиты для оценки ее изотропности
Рисунок 5 — Схема вырезки образцов из литой электрошлаковой плиты для оценки ее изотропности

Механические свойства литой электрошлаковой плиты (6 = 100 мм) из стали 20Х2М в зависимости от направления вырезки образцов для испытаний
Таблица 2 — Механические свойства литой электрошлаковой плиты (δ = 100 мм) из стали 20Х2М в зависимости от направления вырезки образцов для испытаний

Как видно из представленных в таблице 2 данных, в литом электрошлаковом металле нет традиционной для обычных отливок зоны слабины.

Характерной особенностью кристаллизации электрошлаковых отливок из аустенитных сталей является отсутствие зоны равноосных кристаллов. Тем не менее зона встречи кристаллов и в этом случае имеет высокие физико-химические и механические свойства, такие же, как в остальных частях отливки.

При изучении макростроения зоны встречи кристаллов в электрошлаковой отливке обращает на себя внимание вид кончиков кристаллов встречающихся кристаллизационных фронтов. Они, как правило, невелики по размерам, изгибаются и вытягиваются вдоль общей границы встречи кристаллов в направлении кристаллизации жидкого металла. Такое расположение кристаллов в этой зоне обусловлено постепенным характером кристаллизации наплавляемого металла, когда исключается возможность защемления между их концами порций металлического расплава.

Видимо, эта особенность строения зоны встречи кристаллов, связанная с относительно низкими скоростями кристаллизации электрошлаковых отливок, и обусловливает высокие свойства металла в этом месте.

С увеличением скорости кристаллизации литого металла, например, на порядок, как это имеет место при полунепрерывной или непрерывной разливке стали (ПНРС и НРС), строение зоны встречи кристаллов изменяется. Угол встречи кристаллов при ПНРС или НРС увеличивается по сравнению с отливками ЭШЛ. На их стыке отсутствуют кристаллы, изогнутые в направлении кристаллизации слитка. Граница встречи кристаллов четко выражена, а их концы притуплены. В этих условиях возможны защемление порциижидкого металла между вершинами растущих кристаллов в месте их встречи и образование пористости вследствие его усадки, что неизбежно влечет за собой снижение механических свойств слитка в этой зоне.

Зоны встречной кристаллизации могут образовываться также в электрошлаковых отливках, получаемых путем приплавления заранее выплавленных частей будущей заготовки к объединяющей их части, выплавляемой на заключительной стадии изготовления заготовки.

В этом случае приплавляемые части устанавливаются в соответствующих отверстиях боковой стенки литейной формы для выплавки объединяющей части заготовки. Они являются как бы неохлаждаемыми элементами боковой стенки формы. Во время выплавки объединяющей части эти элементы частично оплавляются и приплавляются к отливке. В результате теплоотвода в них со стороны отливки образуются зоны встречной кристаллизации (рисунок 6). При этом граница встречи кристаллов смещается в сторону этих элементов, так как превалирует отвод тепла в охлаждаемую стенку литейной формы.

Макроструктура отливки с приплавленими и элементами (а) и схематическое строение зон встречной кристаллизации (б)
Рисунок 6 — Макроструктура отливки с приплавленими иэлементами (а)  и схематическое строение зон встречной кристаллизации (б)

Применение дорнов, формирующих внутренние полости в электрошлаковых отливках, способствует улучшению их кристаллизационной структуры. Это связано с тем, что наличие границ встречи кристаллов приводит к сдерживанию роста последних. Однако при больших скоростях наплавления отливок под дорнами иногда могут образовываться дефекты в виде усадочных раковин.

Обычно для улучшения свойств литого металла его подвергают деформации с целью дробления первичной структуры и термической обработке. Дробление необходимо, чтобы разобщить участки скопления неметаллических включений, какими являются границы кристаллов, и тем самым повысить стойкость металла против хрупких разрушений.

Особенность электрошлаковых отливок состоит в том, что необходимые механические свойства отливок могут быть обеспечены применением лишь одной термической обработки. Это связано с тем, что на границах первичных кристаллов в отливках ЭШЛ нет скопления неметаллических включений. Границы чисты, и поэтому с точки зрения хрупких разрушений они не представляют такой опасности, как у обычного литого металла открытой выплавки.

Дополнительно улучшить структуру электрошлаковой отливки можно путем введения электромагнитных колебаний в зону плавления, кусковых присадочных материалов в металлическую ванну для  искусственного переохлаждения металлической ванны и создания дополнительных центров кристаллизации, а также путем ведения выплавки в импульсном режиме.

Специфические особенности кристаллического строения электрошлакового металла

Как уже отмечалось, ЭШП улучшает кристаллическую структуру слитка, или так называемый дендритный остов. Так, если оси дендритов занимают в стали ШХ15 открытой выплавки 65% объема слитка, то в металле ЭШП этот показатель возрастает до 80%, причем дендритная ликвация в слитках ЭШП на 10—30% меньше. Металл ЭШП отличается от исходного более упорядоченными атомными связями, отражающими своеобразное генетическое влияние структуры расплава. В хромоникелевом сплаве исходной выплавки плотность дислокаций составляла (4—10)·105 линий на 1см, а у металла ЭШП она не превышала 4·105 линий на 1 см.

Исследования  показали, что зерна металла ЭШП являются монокристальными образованиями, причем разориентировка главных дендритных осей в пределах одного зерна не превышает 0° 10′, в то время как у металла открытой плавки эта величина в 3 раза больше (0°30′). Если количество фрагментов в кристаллитах  металла обычной выплавки достигает четырех — шести, то в металле ЭШП их количество не превышает двух. Угол разориентировки по фрагменту в металле ЭШП постоянен — 0°08′, а в обычном металле этот угол переменный и больше по величине (0°09’—0°13′).

В литом металле ЭШП наблюдаются два типа границ: четко очерченные границы кристаллитов, проходящие по междендритным объемам без грубых выделений избыточных фаз и без зубчатого характера границ, а также более тонкие субграницы внутри кристаллитов. Физико-химическая микронеоднородность металла ЭШП намного меньше, чем у металла открытой выплавки. Так, например, разность микротвердости зерен электростали 12Х2Н4А составила ΔНμ= 150 кгс/мм2, а у металла ЭШП — всего 85 кгс/мм2.

В отличие от слитков аустенитной стали обычной выплавки, где наблюдается значительное увеличение содержания первичного феррита (δ-фаза) по мере приближения от периферии к оси слитка, а также огрубления зерен феррита в осевой части, в слитках электрошлаковой стали феррит распределен равномерно (рисунок 7) и его структура гомогенна по сечению.

Распределение феррита в электродуговом (1) и электрошлаковом (2) слитках аустенитной стали
Рисунок 7 — Распределение феррита в электродуговом (1) и электрошлаковом (2) слитках аустенитной стали

То же имеет место и в других двухфазных сталях и сплавах.

При кристаллизации сложнолегированных сталей и сплавов обычного производства наблюдается большая структурная неоднородность слитка по сечению. Возникает так называемая карбидная ликвация, карбидная сетка в центре слитка более грубая, чем на периферии. При наличии боридной фазы она располагается в виде грубых скоплений, гроздьев. То же имеет место и при наличии карбидов или карбонитридов в аустенитных сталях. ЭШП существенно ослабляет структурную неоднородность (рисунок 8).

Влияние степени деформирования металла на карбидную неоднородность исходной электродуговой (1) и электрошлаковой (2) быстрорежущей стали Р18
Рисунок 8 — Влияние степени деформирования металла на карбидную неоднородность исходной электродуговой (1) и электрошлаковой (2) быстрорежущей стали Р18

Удаление газов, неметаллических включений и вредных примесей, особенно серы, а также весьма благоприятные условия кристаллизации переплавляемого металла в охлаждаемом кристаллизаторе, обеспечивающие преимущественное наличие развитой зоны столбчатых кристаллов, наряду с улучшением структуры способствуют повышению плотности металла. Многочисленными измерениями плотности, проведенными различными исследователями, установлено, что электрошлаковый металл обладает более высокой плотностью по сравнению не только с обычным металлом, но и с металлом других рафинирующих переплавов.

Влияние ЭШП на плотность различных сталей
Таблица 3 — Влияние ЭШП на плотность различных сталей

Характерно, что величины плотности металла ЭШП превышают аналогичный показатель исходного металла и тогда, когда степень укова переплавленного металла намного меньше, чем исходного.

Таблица 3 дает наглядное представление о большом преимуществе сталей ЭШП перед исходным металлом электродуговой выплавки (ЭД). Следует отметить, что приведенные в таблице данные — результаты первых, часто опытных, плавок. Дальнейшие работы в этом направлении позволили получить еще более высокие результаты.

Установлено, что литой металл ЭШП по плотности не только не уступает, но и нередко превосходит деформированный исходный металл. Именно этот факт послужил основанием для использования электрошлаковой литой стали без последую щей ковки для изготовления крупногабаритных изделий.

Необходимо отметить, что существенно большая плотность электрошлакового металла является главным преимуществом макроструктурного характера, обеспечивающим резкое снижение брака по дефектам макроструктуры. Если, по рекомендации авторов работы, в качестве меры сравнения плотности металла при различных методах изготовления принять относительную плотность (отношение плотности металла в различных частях слитка к плотности матрицы), то для металла ЭШП этот показатель является максимальным (0,994—0,996) и превышает показатель металла ЭД (0,982—0,993).

Преимущество металла ЭШП в значительной степени связано с резким уменьшением пористости. Как видно из таблицы 4, пористость металла ЭШП (особенно в центральной части слитка) заметно меньше, чем у обычной стали.  Естественно, все это благоприятно отражается на плотности электрошлаковой стали.

Относительная площадь пор литой стали ШХ15, %
Таблица 4 — Относительная площадь пор литой стали ШХ15, %

Из таблицы 5 видно, что в любой из исследованных девяти зон плотность металла ЭШП (7,8140—7,8180 г/см3) выше, чем самый высокий показатель плотности металла ЭД (7,8124 г/см3).

Плотность (г/см3) литой стали ШХ15
Таблица 5 — Плотность (г/см3) литой стали ШХ15

Весьма существенное повышение плотности металлов и сплавов при ЭШП имеет большое значение не только потому, что, как показано выше, это улучшает микро- и макроструктуру слитка, благоприятно отражается на механических и других свойствах металла. Есть отрасли техники, для которых очень важно обеспечить наиболее высокую плотность применяемых металлов. Такой отраслью является прежде всего вакуумная техника, для которой вакуум-плотность является важнейшим критерием качества металла. Естественно, что для вакуумной техники широкое использование электрошлакового металла весьма перспективно.