Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Качество и сортамент металла при электрошлаковом переплаве


Электрошлаковый переплав улучшает служебные свойства практически всех сталей и сплавов. Как и в других способах СЭМ, предназначенных для производства высококачественных слитков, это достигается за счет рафинирования металла, уменьшения степени физической и химической его неоднородности, снижения уровня загрязненности включениями, измельчения их и равномерного распределения в металлической матрице.

При ЭШП металл рафинируется в основном от кислорода и серы, и в меньшей мере — от азота. Тем не менее вредное влияние последнего на свойства металла также снижается благодаря измельчению нитридов и равномерному их распределению по высоте и сечению слитка.

Направленное формирование электрошлакового слитка предупреждает возникновение в нем дефектов, свойственных обычным слиткам, обеспечивает плотную, однородную кристаллическую структуру металла, уменьшает степень химической его неоднородности. Высокое качество поверхности слитка ЭШП позволяет осуществлять его передел без какой-либо предварительной обработки. Возможность получать слитки любой формы поперечного сечения, простота технологии, оборудования и управления процессом обусловили широкое распространение ЭШП на металлургических и машиностроительных заводах нашей страны, а также за рубежом. В настоящее время в мире существует более 200 печей ЭШП, предназначенных для производства слитков массой от нескольких десятков килограммов до нескольких десятков тонн. По самым скромным подсчетам общая установленная мощность этих печей превышает 300 МВт.

Метод ЭШП применяется и для получения сверхкрупных кузнечных слитков. По опубликованным данным, самые крупные электрошлаковые слитки (массой до 160 т) производят в ФРГ. Однако на VII Международной конференции по специальной металлургии, состоявшейся в 1982 г., специалистами КНР было сделано сообщение о действующей на машиностроительном заводе в Шанхае печи ЭШП, на которой получен кузнечный слиток массой 240 т.

В области качественной металлургии России на долю ЭШП приходится около двух третей производства специальных сталей и сплавов, общий годовой объем которого измеряется сотнями тысяч тонн. Сортамент металла ЭШП охватывает сегодня практически все виды и классы сталей и сплавов (подшипниковые, конструкционные, инструментальные, нержавеющие, жаропрочные и др.), из которых производят практически все виды проката, выпускаемые металлургической промышленностью (сортовой и листовой, трубы, кольца и др.), поковки и штамповки.

Подшипниковые стали. Подшипниковые стали явились тем первым классом металлических материалов, с которого началось широкомасштабное освоение ЭШП в отечественной промышленности. В мае 1958 г. на заводе «Днепроспецсталь» по технологии, разработанной ИЭС им. Е.О. Патона AН Украины совместно с заводскими специалистами, впервые в мировой практике был получен слиток электрошлаковой стали 1ПХ15.

Сначала с целью повышения надежности и долговечности подшипников специального назначения переплаву подвергали стали марок ШХ15, ШХ15СГ. Позже началось производство электрошлаковой стали для изготовления подшипников, работающих при повышенных температурах (ШХ15СМ, 8Х4В9Ф2), в агрессивных средах (95X18), крупногабаритных роликовых подшипников (20Х2Н4А) .

В сравнении с металлом открытой выплавки в электрошлаковой подшипниковой стали содержание кислорода ниже на 25—40 %, азота — на 5—15 %, загрязненность включениями — более чем в два раза. Благоприятные условия затвердевания металла наряду с улучшением структуры способствуют уменьшению пористости и повышению его плотности. Причем плотность металла ЭШП выше, чем исходного даже при меньшей степени укова (табл. 49).
Качество и сортамент металла при электрошлаковом переплаве

Иногда даже литой металл ЭШП по плотности превосходит деформированный исходный металл. Это послужило основанием для изготовления крупногабаритных изделий из электрошлаковой литой стали. Так, в ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины решена задача изготовления литых заготовок, не требующих деформации при производстве крупногабаритных подшипников. Наконец, многолетние многочисленные измерения, проведенные различными исследователями, свидетельствуют, что сталь ЭШП имеет более высокую плотность по сравнению с металлом не только обычного производства, но и других методов СЭМ.

В подшипниковой стали после ЭШП уменьшается общее количество включений, исчезают крупные их скопления. Как правило, более 90% включений имеют размер менее 6 мкм и равномерно распределяются в объеме металла (рис. 96). Подшипники, изготовленные из металла ЭШП, в 1,5—2,0 раза долговечнее обычных (рис. 97).

В работах обобщен анализ 1500 плавок стали ШХ15 на четырех отечественных заводах по производству трубных заготовок диаметром 90—160 мм для колец шарикоподшипников. При трубном переделе очень важно, чтобы металл обладал хорошей технологической пластичностью. Обычно ее оценивают по результатам испытаний образцов на горячее скручивание и отбраковки труб по внутренним пленам. Основная причина пониженной технологической пластичности заготовок из металла обычного производства заключается в повышенной ее загрязненности включениями (табл. 50). Рафинирование и благоприятные условия кристаллизации стали при ЭШП придают ей высокую технологическую пластичность. Трубы, изготавливаемые из этой стали, не имеют дефектов на наружной и внутренней поверхностях.

Высокое качество металла ЭШП позволило исключить брак при производстве тяжелонагруженных авиационных подшипников. По данным 4-го ГПЗ, производственный брак по кольцам из обычной стали ШХ15 достигал 50—60 %, а в некоторых случаях и 100 %, что приводило к срывам выпуска продукции. После перевода этих колец на электрошлаковый металл брак был ликвидирован. Аналогичные результаты получены при внедрении электрошлаковых сталей марок ЭИ161, ЭИ347, ЭИ760 и др. Ho более важно, что при этом повысились надежность и долговечность авиационных подшипников. По данным 3-го ГПЗ, средняя и минимальная работоспособность подшипников при изготовлении их наружных колец из электрошлаковой стали увеличилась соответственно более чем в 3,5 и в 53,5 раза. Большой эффект дает применение электрошлаковой стали даже только для тел качения. Так, подшипники серии 200, укомплектованные шариками из стали ЭШП, в 2,5 раза долговечнее аналогичных подшипников из стали открытой злектродуговой выплавки.

Высокую эффективность двойного ЭШП при получении особо чистого металла впервые использовали именно для производства высококачественной подшипниковой стали. Сталь ШХ15 двукратного ЭШП отличается высокой плотностью и чистотой (табл. 51). Она полностью отвечает высоким требованиям, предъявляемым к металлу для изготовления приборных подшипников, и дешевле, чем сталь, получаемая методом ЭШП + ВДП.


Наконец, отметим еще одно преимущество ЭШП, иллюстрируемое в работе. Вследствие высокого качества поверхности слитка, отсутствия усадочной раковины, отличного формирования его донной части и, разумеется, металлургической чистоты, при переделе подшипниковой стали от слитка диаметром 230 мм до сортового проката, сечением 10х10 мм выход годного составляет 94 %. Это означает что на 1 т сортового проката затрачивается 1065 кг литого металла — показатель, недостижимый при любой другой технологии выплавки и разливки.

Известно, что качество подшипниковой стали зависит от массы слитка. Установлено, что увеличение массы слитка обычной стали от 2,7 до 4,5 т приводит к повышению степени ее загрязненности, в первую очередь глобулярными включениями, резко ухудшается макроструктура катаной стали, увеличивается общая и осевая пористость заготовки. Наиболее плотная макроструктура обеспечивается при отливке стали в слитки массой 2,7 т. Слиток массой 6,2 т для разливки подшипниковой стали вообще непригоден.

В отличие от обычной технологии увеличение массы слитка при ЭШП не приводит к существенному ухудшению качества металла. Статистическая обработка данных сдаточного контроля большого числа промышленных плавок показала, что чистота стали в слитках массой от 0,7 до 4 т практически одинакова (табл. 52). Производственный опыт свидетельствует, что массу слитка ЭШП подшипниковой стали можно увеличивать по крайней мере до 5,5—6,0 т. Однако при этом требуются оптимизация режима наплавления и строгое соблюдение технологии переплава.

Конструкционные стали. Ранее отмечалось, что основными требованиями, предъявляемыми к представителям этого класса материалов, являются высокий уровень механических свойств при минимальной их анизотропии. Рафинирование металла и благоприятные условия его кристаллизации при ЭШП способствуют решению этих задач. Одна из примечательных особенностей ЭТПП заключается в том, что вместе с очищением металла от оксидов достигается эффективное снижение содержания в нем серы, т. е. сульфидов. Поскольку такой тип включений наиболее вреден для низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей, ЭШП служит средством радикального повышения качества цементуемых и улучшаемых сталей, что достигается улучшением не прочности, а пластичности и вязкости сталей, особенно у поперечных образцов (табл. 53). Это увеличивает сопротивляемость конструкционных сталей, предназначенных для изделий ответственного назначения, динамическому нагружению и хрупкому разрушению, особенно при отрицательных температурах. Причем механические свойства электрошлаковых сталей выше не только по сравнению с обычным металлом, но и с металлом ВДП.

Повышение чистоты низко- и среднелегированных сталей, предназначенных для сварных конструкций, по сере, газам, HB, улучшает их свариваемость, особенно при больших толщинах деталей, предотвращает образование горячих и ламелярных трещин, снижает чувствительность стали к перегреву и повышает пластичность металла в околошовной зоне.

Замечательной особенностью ЭШП является возможность получения слитков любой формы поперечного сечения, в том числе прямоугольного. Наряду с повышением металлургического качества таких слитков возрастает технико-экономическая эффективность передела металла за счет ликвидации трудоемких операций обжатия цилиндрических слитков на браму, сляб или блюм. В этом состоит неоспоримое преимущество ЭШП в сравнении с другими процессами, например ВДП, при производстве высококачественных слитков низко- и среднелегированных конструкционных сталей, предназначенных для передела на сорт и лист, особенно большой толщины.

Однако для высокопрочных и мартенситно-стареющих сталей с повышенной чувствительностью к хрупкости более вредны не силикаты и сульфиды, а частицы глинозема и его производных (алюминаты кальция, муллит, шпинели), а также нитриды. Эти стали характеризуются также особой флокеночувствительностью. Учитывая меньшую эффективность рафинирования стали при ЭШП от водорода и азота, необходимость дополнительных технологических мероприятий (раскисление шлака, покрытие электрода) для предотвращения угара из мартенситно-стареющих и трипсталей высокореакционных легирующих элементов, высокопрочные стали для изделий ответственного назначения, а также крупные (40—50 т) кузнечные слитки производят в основном способом ВДП.

Инструментальные стали. К этому классу относятся стали, из которых изготавливают инструмент, предназначенный для резания, штамповки и других изменений формы материалов. Наиболее дефицитными и ценными являются быстрорежущие, а также штамповые стали для горячего и холодного деформирования. Они характеризуются сложностью при выплавке и получении качественного слитка,; а также малым коэффициентом использования металла в связи с отбраковкой при переделе.

Быстрорежущие стали наряду с высоким содержанием углерода легированы вольфрамом, молибденом, ванадием, хромом, кобальтом в таком количестве, при котором почти весь углерод связан в карбиды. Последние придают сплавам твердость и износостойкость при высоких температурах, развивающихся при повышенных скоростях резания.

Особенности химического состава обусловливают склонность быстрорежущей стали к карбидной ликвации, результатом которой является грубое строение карбидной сетки в осевых объемах слитка. Пластическая деформация литой структуры дробит ледебуритную сетку, но не создает равномерного распределения карбидов по объему металла. Карбидная неоднородность быстрорежущей стали отрицательно влияет на свойства инструмента: значительно снижает прочность материала и вызывает анизотропию этого показателя, а также объемных изменений при закалке, снижает красностойкость и износостойкость стали, т. е. увеличивает трещино-чувствительность и усиливает выкрашивание рабочих кромок инструмента. Поэтому требования, предъявляемые к качеству быстрорежущих сталей, своеобразны. Основным критерием его служит не чистота металла по вредным примесям, а однородность его макро- и микроструктуры. Попытки уменьшить карбидную неоднородность и размеры карбидов в быстрорежущей стали путем введения модификаторов, изменения массы слитков, способов разливки металла и горячей его обработки не приводят к успеху.

Существенно повысить качество быстрорежущих сталей удалось с освоением рафинирующих переплавов. Наряду с ВДП таким способом стал и ЭШП. Хотя ЭШП инструментальных сталей развивался менее интенсивно, чем подшипниковых и конструкционных, к настоящему времени накоплен большой фактический материал, свидетельствующий о благоприятном влиянии переплава на служебные свойства инструментальных сталей.

В слитках диаметром 180—350 мм быстрорежущих сталей, полученных в оптимальных условиях ЭШП, отсутствуют осевая сегрегация и пористость. Значительно улучшилась чистота металла, повысилось качество подповерхностных областей слитков и особенно их поверхности, что в совокупности с резким улучшением деформируемости позволило регулярно добиваться высокого выхода годного металла не менее 85 %. Несмотря на то что ледебуритная сетка наблюдается и в слитке ЭШП, карбиды однороднее по размеру и форме и равномернее распределены по его сечению. Требуемый размер зерна для быстрорежущей стали обычного производства достигается после деформации со степенью укова 20—25, для металла ЭШП достаточен значительно меньший уков (рис. 98).

Применение электрошлаковых быстрорежущих сталей служит большим резервом увеличения надежности и срока службы инструмента, что обусловлено повышением уровня и значительным снижением анизотропии механических свойств и загрязненности HB.

Испытания сверл, изготовленных из электрошлаковой стали P18, показали повышение срока службы на 23 % и улучшение постоянства срока эксплуатации. Срок службы инструментов, изготовленных из металла, взятого в центре и по краям электрошлакового слитка, изменялся весьма незначительно. Фрезы, изготовленные из электрошлаковой стали Р6М5К5, имеют стойкость в среднем на 45 % больше, чем из той же стали обычного производства.

Гомогенность электрошлаковых слитков быстрорежущих сталей послужила причиной использования последних даже в литом состоянии. Результаты испытаний точением показывают, что резцы, изготовленные из слитков электрошлаковых быстрорежущих сталей сечением 260X260 мм, по сроку службы не уступают инструменту, изготовленному из кованого металла. He было обнаружено различий в сроке службы и при испытании конических и червячных фрез, изготовленных из литого и деформированного металла. Аналогичное положительное влияние ЭШП на качество быстрорежущих сталей Р18, Р6М5, Р12ФЗ и других марок отмечается и в работах.

Наряду с улучшением служебных свойств металла немаловажное значение имеет повышение эффективности производства быстрорежущих сталей благодаря улучшению их обрабатываемости в горячем состоянии. Опыт показал, что массу слитков ЭШП высоколегированных инструментальных сталей можно увеличить в 2—3 раза по сравнению с обычными слитками, не ухудшая при этом качества структуры. Гомогенность металла ЭШП позволяет ограничиться выборочным контролем и ввести менее жесткие ограничения на применение его в промышленности.

Необходимый комплекс свойств штамповых сталей, используемых как для холодного, так и для горячего деформирования, достигается легированием их карбидообразующими элементами (хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием). Эти стали также содержат никель или марганец в количестве 1,0—1,5 % для повышения прокаливаемости и кремний до 1 % для увеличения окалиностойкости.

С повышением концентрации карбидообразующих элементов в сталях для горячих штампов (5ХНМ, 4Х5В2ФС, 4ХЗВФ2М2 и др.) заметно увеличивается теплостойкость. Однако при этом может снижаться пластичность и ударная вязкость, особенно в заготовках больших размеров из-за их структурной и химической неоднородности.

Стали для штампов холодного деформирования (Х12, Х12ВМ и др.) характеризуются большим количеством (до 30 %) карбидной фазы. Поэтому для них, как и для быстрорежущих сталей, большое значение имеет всемерное снижение карбидной сегрегации.

При изготовлении штампов механической обработкой удаляются, как правило, наиболее качественные поверхностные слои заготовки, а наиболее ответственные рабочие участки штампа (гравюра, хвостовики, замки) представляют собой менее проработанные ковкой глубинные слои заготовки, нередко пораженные дефектами металлургического происхождения. В связи с этим ЭШП, резко снижающий зональную и дендритную неоднородность, карбидную сегрегацию и, следовательно, анизотропию механических свойств сталей (табл. 54), обеспечивает особые преимущества по сравнению с обычным производством штампов. Улучшение механических свойств электрошлаковых штамповых сталей, естественно, сказывается и на служебных характеристиках изготовленного из них инструмента.

По данным Д.С. Кассова, инструмент, изготовленный из электрошлаковой стали 3Х2В8, при прессовании латунных труб показал заметно более высокую стойкость, чем из металла электродуговой выплавки (табл. 55). У штампов, изготовленных из стали марки Z37CDV5 ЭШП, стойкость повысилась на 100 % при обработке латуни на 35 % — при штамповке стальных деталей и на 45 %— при деформации меди по сравнению со штампами из той же стали обычного производства. Для электрошлаковой стали 55CNDV6 количество отштампованных деталей увеличилось на 40 % по сравнению со сталью открытой дуговой выплавки. Так же благоприятно сказывается ЭШП на качестве штамповых сталей, предназначенных для холодного деформирования. Обычно ЭШП подвергают стали особо ответственного назначения (крупногабаритный инструмент сложной формы, пуансоны и матрицы объемного деформирования для работы при высоких удельных давлениях и др.) и в первую очередь высокохромистые стали повышенной износостойкости. Варьируя параметры ЭШП, в частности скорость плавления электрода, можно в достаточно широких пределах изменять форму и размеры карбидов, обеспечивая тем самым стабильное и высокое качество штамповых сталей. При этом отмечаются улучшение структуры, равномерное распределение карбидной фазы, улучшение полируемости, уменьшение деформации при термической обработке.

В заключение необходимо отметить, что сортамент инструментальных сталей особого назначения поделен примерно поровну между ВДП и ЭШП. Как отмечают авторы, ЭШП дополняет ВДП благодаря своим преимуществам при производстве высоко углеродистых сталей. Электрошлаковому переплаву подвергается большинство быстрорежущих и высокоуглеродистых среднелегированных сталей для холодных штампов. При производстве среднелегированных сталей для горячих штампов ЭШП не имеет особых преимуществ перед ВДП, позволяющим удалить водород из этих флокеночувствительных сталей и получить продукцию более высокого качества. Поэтому ЭШП в его каноническом виде подвергаются лишь некоторые марки сталей для горячей штамповки. Вместе с тем иногда и при производстве последних использование ЭШП обеспечивает большую техникоэкономическую эффективность, чем ВДП. Речь идет об изготовлении отливок, близких по форме и размерам к деталям кузнечно-прессового оборудования (штамповых кубиков), методом электрошлакового литья.

Нержавеющие стали. Как отмечалось ранее, рафинирующие переплавы, в том числе и ЭШП, улучшают антикоррозионные свойства таких сталей косвенным путем: за счет исключительно высокой однородности их химического состава, металлургической чистоты, ликвидации дефектов в слитках. Особенно важно это в тех случаях, когда при переплаве получают многотонные слитки, предназначенные для передела на толстый лист. He менее, а часто и более важной особенностью влияния рафинирующих переплавов на нержавеющие стали считается улучшение технологичности последних: горячей и холодной деформируемости, полируемости, свариваемости, а также механических свойств (кратковременной и длительной прочности, ударной вязкости, пластичности).

Электрошлаковый переплав оказался незаменимым способом производства высококачественных нержавеющих сталей для трубного передела. Переплав хромоникелевых аустенитных сталей, стабилизированных титаном, ниобием, молибденом (ЭИ847, ЭП172, ЭИ851 др.), существенно повышает их горячую пластичность, чем обеспечивает устойчивую прошивку заготовок. При этом снижаются значения расходных коэффициентов металла, повышается эксплуатационная надежность изделий, значительно улучшается качество тонкостенных полированных труб.

Электрошлаковый переплав является эффективным и надежным средством улучшения свариваемости аустенитных сталей. Изготовленные из них трубы часто приходится сваривать без присадки, и стойкость металла против горячих трещин во многом определяется качеством свариваемой стали. Например, ЭШП стали Х16Н15, легированной ниобием, резко улучшил ее свариваемость и позволил избавиться от кратерных трещин при АДС труб.

Исключительно сложной оказывается иногда проблема предотвращения локальных разрушений в аустенитных сталях. Массовое разрушение сварных стыков на паропроводах из сталей типа 18-8, стабилизированных титаном и ниобием, в США, Англии и ФРГ, из сталей 15Х14Н14В2М на Черепетской ГРЭС и 12Х18Н12Т на Челябинской ТЭЦ и Днепровской ГРЭС послужило в свое время причиной ограничения применения аустенитных сталей для этих целей, а в ряде случаев — и полного отказа от их применения. Из большого арсенала средств, предлагаемых для предотвращения разрушения сварных соединений аустенитных сталей, повышение чистоты и пластичности их с помощью ЭШП имеет первостепенное значение.

При рассмотрении металлургических особенностей ЭШП указывалось, что в отношении удаления азота этот процесс уступает способу ВДП. Однако иногда эта черта УШП превращается в его позитивную особенность. Так, производство нержавеющих аустенитно-мартенситных ЭП310 (Х15Н4АМЗ), ЭП410 (Х15Н5Д2АТ) и аустенитных сталей ЭИ878 (Х17Г9АП4), ЭИ222 (07Х21Г7АН5), ЭИ835 (Х25Н16Г7АР), легированных азотом в количестве от 0,1 до 0,5 %, сопряжено с рядом трудностей. Азотсодержащая сталь, выплавляемая обычно в открытых дуговых печах, отличается повышенным содержанием включений, располагающихся в виде строчек и отдельных гроздей. При горячей деформации слитков в прокате и поковках образуются внутренние дефекты и несплошности, что приводит к значительной отбраковке металла. В связи с этим применение рафинирующих переплавов является решающим условием радикального повышения экономической эффективности передела, а также качества изделий из азотсодержащих сталей. Поскольку необходимо сохранить азот в металле при переплаве, ЭШП оказался основным способом улучшения качества таких сталей.

После ЭШП содержание кислорода в стали ЭП310 снижается примерно в 2 раза. В 3—4 раза уменьшается загрязненность стали силикатными и глобулярными включениями. Коэффициент анизотропии стали близок к единице, в то время как для стали открытой выплавки его значение колеблется в пределах 2—5 (табл. 56). В результате электрошлаковый металл отличается более высокой технологической пластичностью. Ультразвуковой контроль поковок стали ЭП310, в том числе крупного сечения, свидетельствует об отсутствии внутренних дефектов, в то время как около 18 % поковок металла открытой выплавки бракуются. Аналогичные положительные результаты получены при ЭШП сталей ЭП410, ЭП222, ЭИ835 и других марок.

Исключительно благотворным оказался ЭШП при производстве нержавеющих жаропрочных хромистых (ферритных и мартенситных) сталей 2X13, ЭИ268, ЭИ747, ЭИ961, ЭП65 и др., являющихся важнейшими конструкционными материалами для турбостроения. После ЭШП хромистые стали оказываются значительно чище и структурно однороднее, чем обычный металл. Как следствие возрастают механические свойства, особенно для поперечных образцов. Данные ряда исследований свидетельствуют, что по этим показателям дисковые и лопаточные стали ЭШП не уступают металлу ВДП (табл. 57). Поскольку положительное влияние ЭШП, уменьшающего анизотропию прочности, пластичности и вязкости хромистых сталей, сохраняется при повышенных температурах, пластическая деформация их осуществляется без затруднений, резко сокращается отбраковка изделий, особенно изготавливаемых из крупного сорта. Однако сокращение брака деталей — не единственная причина перевода хромистых сталей в сортамент ЭШП. Главное при этом — повышение надежности и долговечности деталей авиационных двигателей, турбогенераторов и других ответственных машин.

Жаропрочные сплавы. В сфере производства жаропрочных сплавов доминирующие позиции занимают процессы вакуумной электрометаллургии. Жаропрочные сплавы содержат высокореакционные легирующие элементы и микродобавки (см. табл. 20). Поскольку эксплуатационные свойства таких сплавов весьма чувствительны даже к незначительным изменениям химического состава, обычно их выплавляют в вакуумных индукционных печах из особо чистой шихты. Вторичный переплав применяют не с целью рафинирования металла, хотя этот эффект может частично достигаться, а для уменьшения его структурной и химической неоднородности, т. е. для получения высококачественного слитка.

Наиболее «стерильные» условия формирования слитка путем направленной кристаллизации жаропрочных сплавов обеспечивает ВДП. Вместе с тем со времени промышленного освоения значительно более простого в конструктивном и гибкого в технологическом отношении способа ЭШП начались работы по вовлечению в его сортамент и жаропрочных сплавов. Зачастую эти два процесса рассматривают как конкурирующие, и особенно отчетливо тенденция к их противопоставлению выражается в зарубежных публикациях. Надо сказать, что такая точка зрения неверна и отражает в основном коммерческие интересы тех или иных фирм. Процессы ЭШП и ВДП нуждаются не в противопоставлении, а в разумном сопоставлении качества получаемого с их помощью металла и его технико-экономических показателей. Какие же преимущества могут быть обеспечены при выплавке жаропрочных сплавов в печах ЭШП и какие имеются при этом затруднения? В аспекте рафинирования при ЭШП вряд ли можно достигнуть каких-либо положительных изменений по сравнению с ВДП. Исходный металл достаточно чист, содержание серы в нем незначительно, а в части удаления газов и вредных цветных примесей ЭШП уступает ВДП.

Оба процесса создают условия направленного затвердевания металла. Однако в случае ЭШП при сопоставимой скорости плавления электрода глубина металлической ванны меньше, значит, меньше протяженность области двухфазного состояния металла и время локального затвердевания. Это, несомненно, положительно сказывается на показателях кристаллического строения жаропрочных сплавов и химической неоднородности, загрязненности включениями, распределении упрочняющих и других фаз и, в конечном счете, на служебных и технологических свойствах.

Жаропрочные сплавы особенно склонны к ликвации. При ВДП, использующем постоянный ток, требуется строго регламентировать и стабилизировать электрический режим, чтобы избежать чрезмерного увеличения глубины металлической ванны и интенсивного движения расплава. Эти же причины ограничивают диаметр слитков ВДП. При ЭШП возможности регулирования производительности процесса значительно шире, а вредное влияние электромагнитных возмущений выражено слабее, следовательно, существует возможность формировать слиток большего диаметра, свободный от пятнистой и внеосевой сегрегации.

Слиток ЭШП не имеет короны. Это, во-первых, исключает падение ее кусков и фиксацию их в металле, что характерно для ВДП. Во-вторых, высокое качество поверхности электрошлакового слитка значительно облегчает горячую деформацию металла и сокращает расход дорогостоящих сплавов при переделе. Если учесть возможности ЭШП в формировании слитка любой формы поперечного сечения, то его преимущества перед ВДП кажутся несомненными.

Наряду с этим, ЭШП имеет ряд особенностей, которые, в основном, и ограничивают его использование для производства слитков жаропрочных сплавов. Главная из них заключается в опасности окисления алюминия, титана и других высокореакционных элементов. Для однофазных жаропрочных сплавов (нихромов и инконелей), не содержащих этих элементов, возможные изменения химического состава менее опасны. Однако для дисперсионно-твердеющих сплавов (нимоников), у которых незначительные потери титана и алюминия вызывают существенное изменение количества упрочняющей фазы и, следовательно, ухудшение служебных свойств, отклонения от марочного состава особенно нежелательны.

Надо отметить, что при ЭШП жаропрочных сплавов можно избежать значительного угара легирующих элементов. Однако достигается это за счет дополнительных технологических мероприятий: раскисления шлака, применения покрытий электрода, изоляции плавильного пространства от атмосферы и наддува в него инертных или восстановительных газов. Нельзя сказать, что обязательное использование перечисленных мероприятий значительно усложняет конструкцию печи и чрезмерно затрудняет переплав. Тем не менее при этом частично теряются основные достоинства ЭШП, поскольку из открытого способа переплава электродов он превращается в камерный.

Кроме того, в случае ЭШП жаропрочных сплавов требуются особо чистые шихтовые материалы для наведения шлаковой ванны. Обычно применяют одно-, трехкомпонентные шлаки, составленные из фтористого кальция, оксидов кальция и алюминия. В них должно быть минимальное количество (или вовсе отсутствовать) оксидов железа, кремния, марганца, цветных примесей, серы, фосфора, углерода. Повышенные требования к чистоте шлаков усложняют их изготовление и увеличивают расходы на переплав.

Даже из приведенного краткого перечисления достоинств и недостатков двух рассматриваемых способов переплава понятно, что рекомендации к использованию какого-либо из них в конкретном случае должны исходить из тщательного сравнительного анализа технико-экономических особенностей производства и, разумеется, качества получаемого продукта. К сожалению, подробное объективное сопоставление качества жаропрочных сплавов, произведенных обоими способами, в литературных источниках встречается не часто. В основном металл ЭШП сравнивается со сплавами ВИП и ДСП, затвердевшими в изложнице. Понятно, что при этом показатели чистоты, однородности сплавов, их технологические и служебные свойства, как правило, выше у электрошлакового металла.

Большой опыт ЭШП жаропрочных сплавов типа твердых растворов накоплен за рубежом. Типичным представителем этой группы материалов является сплав на никелевой основе Хастеллой X. Сравнительные исследования качества его в деформированном состоянии (листы, прутки, проволока), проведенные статистической обработкой данных нескольких сотен плавок на одной из фирм США, показали следующее. Химический состав сплавов после ЭШП и ВДП равнозначен. Однако ЭШП обеспечивает более высокую степень чистоты и гомогенности металла. Карбидные включения в нем тоньше и равномернее по размеру, оксидные включения мельче, а крупные включения встречаются реже. В совокупности с более высоким качеством поверхности слитка это сказалось на свойствах сплава (табл. 58). Прочность металла, полученного в обоих процессах, практически одинакова, но разброс данных по пределу прочности и пластичности у металла ЭШП меньше, что позволяет повысить минимальную конструктивную прочность. Металл ЭШП имеет большую горячую пластичность и допускает деформирование в широком температурном интервале (рис. 99, а).

Аналогичные данные получены при переплаве сплавов типа твердых растворов на никелькобальтовой основе. Металл, полученный в обоих процессах, имеет мелкозернистую структуру, свободную от пористости и сегрегации. Распределение всех элементов по высоте и сечению слитков равномерное. Загрязненность сплавов микровключениями всех типов также примерно одинакова. Механические испытания не выявили существенной разницы между материалами ЭШП и ВДП. Однако, хотя электрошлаковый металл и удовлетворяет требованиям технических условий, значения жаропрочности и пластичности сплавов ВДП несколько выше (табл. 59).

Имеется также опыт выплавки способом ЭШП жаропрочных сплавов с интерметаллидным упрочнением. Сплавы на железоникелевой основе ЭИ702 (36НХТЮ), ЭИ787 (ХН35ВТЮ) после ЭШП демонстрируют высокую степень чистоты по газам и включениям, равномерное распределение последних, снижение степени дендритной сегрегации титана, хрома, никеля. Уменьшается анизотропия механических свойств, существенно расширяется температурный интервал горячей пластичности сплавов.

Дисперсионно-твердеющие сплавы на никелевой и никелькобальтовой основах, упрочняемые интерметаллидной или боридной фазами ЭИ437БУ (ХН77ТЮР), ЭИ617 (ХН70ВМТЮ), ЭИ867 (ХН62ВМКЮ), наиболее склонны к пятнистой сегрегации и агломерации первичных карбидов в междендритных областях. За рубежом такие сплавы известны под марками Нимоник и Юкар (Англия), Юдимет, Рене, Инколой (США) и др. Электрошлаковый переплав позволяет получать слитки таких сплавов с хорошим качеством поверхности, без пористости и сегрегации, с мелкозернистой кристаллической структурой металла, при равномерном распределении легирующих элементов, дисперсных HB, карбидов, упрочняющих фаз.

В результате ЭШП механические свойства сплавов оказываются выше, чем у исходного металла электродуговой или вакуумной индукционной плавки и близки к свойствам металла ВДП (табл. 60). Однако основным достоинством ЭШП считают улучшение горячей пластичности жаропрочных сплавов (рис. 99, б), которая повышается, как полагают, вследствие десульфурации металла и высокого качества поверхности слитка. В результате улучшается деформируемость сплавов и повышается выход годного металла.

Однако к положительным достижениям при ЭШП жаропрочных сплавов относятся с осторожностью даже за рубежом. Это объясняется тем, что из жаропрочных сплавов изготавливают в основном изделия особо ответственного назначения для удовлетворения нужд отраслей судо-, авиа- и ракетостроения. Вполне понятно, что к такому металлу предъявляются очень высокие требования прежде всего в аспекте его служебных свойств, от которых зависит надежность изделий при эксплуатации. Высокая ответственность производителей жаропрочных сплавов за качество готового продукта привела к тому, что эта отрасль производства очень консервативна. Основными способами получения сплавов здесь традиционно и по праву считаются ВПП и ВДП. Внесение каких-либо изменений в этот устоявшийся технологический процесс всегда происходит с большим трудом и только после того, как металл пройдет полный, весьма длительный цикл испытаний, в том числе и в готовом изделии. Получение другими способами переплава жаропрочных материалов с механическими свойствами, даже равноценными металлу ВДП, еще не свидетельствует о том, что их служебные свойства, а также надежность изделий из них будут равнозначны таковым у сплавов вакуумной выплавки. Поэтому улучшение технологичности жаропрочных сплавов и повышение выхода годного металла, достигаемые за счет ЭШП, играют при производстве суперсплавов не основную, а вспомогательную роль. В случае гомогенных жаропрочных сплавов эти преимущества в совокупности с возможностью формирования более крупного, чем при ВДП, слитка иногда оказываются решающими и технология ЭШП признается оптимальной. Производство дисперсионно твердеющих жаропрочных сплавов пока что является привилегией вакуумных процессов СЭМ.

Сортамент сталей и сплавов, подвергаемых ЭШП с целью повышения чистоты металла, уменьшения степени его химической и структурной неоднородности и, в конечном счете, повышения механических и служебных свойств, не ограничивается перечисленными в этом параграфе. Облагораживающее влияние ЭШП распространяется также и на стали валковые для станов холодной прокатки, долотные, электротехнические (трансформаторные) и многие другие, а также на некоторые цветные металлы и сплавы на их основе.

В связи с тем что цель данной книги — раскрыть сущность всех современных способов производства высококачественных стальных слитков и что книга имеет ограниченный объем, для детального ознакомления с возможностями ЭШП в деле повышения качества металла мы рекомендуем специальную монографию.

В заключение отметим еще раз, что широкое распространение ЭШП обусловлено высокими технико-экономическими показателями процесса, а также той выгодой, которую получают потребители металла. Это связано со следующими основными факторами; значительным повышением качества слитка; повышением выхода годного металла по сравнению с обычными методами производства слитков и другими способами переплавов за счет отсутствия обдирки слитков перед дальнейшим переделом, снижения степени деформации металла и т. д.; уменьшением объема работ на передельном оборудовании, обусловленным сокращением переделов при изготовлении листа, получении слитков сложной формы, близкой к форме изготавливаемого изделия и т. д.; простотой конструкции печей, источников питания и технологии переплава.

В настоящее время ЭШП является основным способом производства высококачественного металла следующего сортамента: слитков небольшого развеса (до 6—8 т) сверхчистых сталей и сплавов (подшипниковые, инструментальные, нержавеющие, жаропрочные и др.); плоских слитков-слябов массой до 40 т; кузнечных слитков, в том числе крупных; слитков сложной конфигурации (трубные заготовки, арматура и емкости больших давлений и т. д.). Широко распространено электрошлаковое литье, позволяющее получать изделия сложной формы.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: