научная статья по теме МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ВНЕОСЕВОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В СТАЛЬНЫХ СЛИТКАХ Металлургия

Текст научной статьи на тему «МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ВНЕОСЕВОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В СТАЛЬНЫХ СЛИТКАХ»

УДК 620.192.4:669.187

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ВНЕОСЕВОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В СТАЛЬНЫХ СЛИТКАХ

© Швед Феликс Иосифович, канд. техн. наук ООО «Ласмет». Россия, г. Челябинск. E-mail: mail@lasmet.ru

Статья поступила 03.03.2010 г.

Представлен возможный механизм образования внеосевой неоднородности в стальных слитках и отливках.

Исследования строения слитков вакуумно-дугового переплава и вакуумной индукционной плавки подтверждают ликвационно-усадочную гипотезу образования внеосевой неоднородности.

Ключевые слова: дефект слитка; затвердевание металла; усадочные микропустоты; ликвационная неоднородность.

В неосевая (внецентренная) неоднородность —

один из наиболее распространенных дефектов явно выраженного ликвационного происхождения. Обнаруживается она как на продольных разрезах слитков в виде полос повышенной травимости, так и на поперечных темплетах готового проката в виде множества пятен, занимающих кольцевую область на середине радиуса слитка. В отличие от дендритной и зональной неоднородности этот дефект относят к типу локальных, т.е. занимающих ограниченную область слитка.

Множество гипотез относительно механизма образования дефекта можно свести к одной из следующих групп:

- внеосевая неоднородность образуется в результате накопления примесей перед двухфазной областью и их фиксации в зоне, где продвижение фронта затвердевания замедляется;

- дефект появляется вследствие выделения газов при затвердевании металла и заполнения образующихся каналов сегрегированной, обогащенной примесями жидкостью;

- образование дефекта обусловлено конвективными потоками в жидкой фазе слитка, способствующими «вымыванию» примесей из двухфазной области и их концентрации в отдельных участках, либо вызывающими появление в слитке трещин с их последующим заполнением междендритной жидкостью;

- первичным явлением в процессе формирования «шнуров» внеосевой неоднородности является образование усадочных микропустот, заполняемых относительно легкоплавкой междендритной жидкостью из вышележащих объемов двухфазной зоны; в свою очередь на место вытекшего металла поступает новая порция такой жидкости, возникает своеобразная «цепочка» последовательных перемещений, в результате которых формируется «шнур».

Последняя из перечисленных «ликвационно-усадочная» гипотеза явилась результатом ряда экспериментов, выполненных в середине прошлого века В.М.Тагеевым [1]. Выдвинутые им идеи были развиты его учениками, в частности Ю.Д.Смирновым [2, 3]. Новому этапу изучения внеосевой неоднородности положило начало становление вакуумной металлургии, объединяющей такие процессы, как вакуумная индук-

ционная плавка (ВИП) и вакуумный дуговой переплав (ВДП).

В первом из них металл выплавляют в вакууме, что обеспечивает эффективное удаление газов, но разливают в обычные изложницы. Во втором процессе совмещены плавление и медленное формирование слитка из небольшой по объему ванны подогреваемого электрическим разрядом металла. В результате фронт затвердевания, как правило, отличается небольшим (менее 45°) наклоном к горизонтали. В то же время имеется возможность при большой скорости наплавления воспроизводить режимы, при которых на значительной протяженности фронт приобретает близкое к вертикальному направление. В последнем случае условия также близки к наблюдаемым в обычной изложнице.

Привлекая к объяснению природы внеосевой неоднородности материалы исследований слитков ВИП и ВДП, исходили из того, что предпочтение следует отдать той гипотезе, которая позволяет «без натяжек» объяснить следующие известные факты.

1. «Шнуры» неоднородности чаще всего появляются в зонах слитков, в которых фронт затвердевания имеет направление, близкое к вертикальному. Это относится не только к обычным слиткам, но и к ускоренно наплавленным слиткам ВДП.

2. Внеосевая неоднородность наблюдается обычно на середине радиуса слитка в зоне равноосных кристаллов. В зоне столбчатых кристаллов дефект не образуется. В слитках ВДП преобладает ориентированная структура, и неоднородности нет, но ее обнаруживают в аналогичных слитках, полученных при плавке на высоком токе, и этому сопутствует широкая зона равноосных кристаллов, захватывающая большую часть сечения слитка.

3. Для шнуров характерно близкое к вертикальному направление, при этом в обычных слитках и отливках они заметно отклонены к тепловому центру, т.е. к оси слитка (рис. 1). Обращает на себя внимание разное 5 строение границ «шнура» с окружающим металлом. .

В слитках ВДП отклонение к центру менее выра- » жено, а в примере, показанном на рис. 5, этот наклон • вообще оказался обратным. |

4. С внутренней стороны (со стороны оси слитка, 5 т.е. его теплового центра) граница размыта, она со- г

Рис. 1. Внеосевая неоднородность в отливке диам. 240 мм [4]. Травление «на дендрит» реактивом Обергоффера.

Центр отливки справа

ставлена проросшими в «шнур» дендритами. Со стороны наружной шнур окаймлен тонкой светлой полосой (см. рис. 1).

5. Ликвационные «шнуры» обогащены углеродом, серой, фосфором и др. Следствием этого является их повышенная загрязненность включениями, например, сульфидами в углеродистых сталях, карбо-нитридами титана — в жаропрочных сплавах на никелевой основе.

6. Склонность к образованию внеосевой неоднородности стали и сплавов различных марок возрастает с увеличением усадки при затвердевании. Этим можно с большой вероятностью объяснить частое обнаружение дефекта в жаропрочных сплавах на никелевой основе.

7. В зоне обычного слитка на середине радиуса наблюдается сочетание факторов, способствующих развитию внутрикристаллической (дендритной) неоднородности: низкий градиент температуры перед фронтом затвердевания; широкая двухфазная область; температура, при которой завершается кристаллизация металла в междендритных промежутках («неравновесный солидус») минимальна [2].

8. Образованию «шнуров» необязательно сопутствует повышенное газовыделение при затвердевании: дефект наблюдается в ряде случаев в слитках ВИП и ВДП. Металл при вакуумной плавке глубоко очищается от газов, и выделение их при затвердевании незначительно.

При изучении процессов и строения слитков ВДП и ВИП, как нам представляется, удалось найти дополнительное подтверждение ликвационно-усадочной гипотезы. В дополнение к уже упомянутым фактам рассмотрим некоторые особенности ВДП литых электродов из жаропрочных сплавов [5, 6]. Оказалось, что скорость плавления ряда сплавов (ХН77ТЮР, ХН62МБКТЮ, ХН45МВТЮБР и др.) периодически меняется в значительных пределах (рис. 2).

Было установлено, что колебания вызваны усадочными пустотами типа V-образной неоднородности, периодически расположенными в теле литого расходуемого электрода (рис. 3). Выяснилось при этом, что для одних и тех же сплавов характерна

Рис. 2 Диаграммы скорости

плавления сплавов на никелевой основе: а и б —

сплав ХН62МВТЮ; в — сплав ХН77ТЮР (кристаллизатор диам. 400 мм, электроды диам. 280-290 мм; высота штрихов на диаграмме соответствует изменению массы

электрода за 1 мин; отсчет времени против часовой стрелки, цена деления 20 мин; рабочий ток 4,5 кА; наведение ванны в начале

плавки при 7,0 кА; окончание плавки постепенным снижением тока; средняя скорость плавления около 3 кг/мин)

Рис. 3. Фрагмент продольного разреза литого расходуемого электрода сплава ХН35ВМТЮ с У-образной неоднородностью

в осевой зоне (показана стрелками) (исследования завода «Днепроспецсталь»)

наибольшая склонность к внеосевой неоднородности (правда, только при ускоренном наплавлении) и наиболее заметные колебания скорости, связанные с усадочными пустотами в электродах. В то же время в сплаве ХН73МБТЮ, который отличается отсутствием усадочных пустот в литом электроде и постоянством скорости плавления (рис. 4), нет и ликвационной неоднородности в слитках ВДП.

Слиток, показанный на рис. 5, наплавляли на умеренном режиме, не приводящем к образованию внеосевой неоднородности. Окончание плавки на рабочем токе без выведения усадочной раковины. Ее появление в самой верхней части вызвано отключением тока и прекращением подогрева жидкого металла.

Характерной особенностью структуры металла, выявленной на серном отпечатке благодаря искусственно повышенному содержанию серы (добавкой

Рис. 4. Диаграмма скорости плавления сплава ХН73МБТЮ, не склонного к периодичности плавления

(кристаллизатор диам. 400 мм, электрод диам.

280 мм, рабочий ток 4,5 кА; средняя скорость плавления около 3 кг/мин)

Рис. 5. Внеосевая неоднородность на серном отпечатке в верхней части слитка ВДП диам. 1120 мм из стали 22К (а); фрагмент, выделенный рамкой на рис. а (б)

Рис. 6. Микроструктура сплава ХН73ВМТЮ в участке внеосевой неоднородности (увеличение х300):

а — карбонитриды титана в слитке с содержанием углерода 0,03%; б — усадочные поры в слитке с содержанием углерода 0,01%

сернистого железа), являются светлые полосы, параллельные «шнурам» с их внутренней стороны. Там, где «шнур» прерывается (это происходит из-за непараллельности «шнура» плоскости темплета), светлая полоса не исчезает. Более того, наблюдаются светлые полосы, вообще не сопровождаемые «шнурами». Это позволяет проследить взаимодействие шнура с окружающим металлом. Вполне уместно предположить, что осветленная зона представляет собой объем, из которого сера и другие примеси перешли в ликваци-онный «шнур». Если рядом со светлой полосой отсутствует «шнур», он расположен либо под, либо над плоскостью темплета.

Почему осветленная зона всегда окаймляет «шнур» со стороны осевой, т.е. более горячей, зоны слитка? Обогащенный примесями «шнур» представляет собой «слиток в слитке», затвердевающий позже

остального металла в неоднородном поле температур. На внешней границе температура ниже, и здесь возможен лишь диффузионный обмен атомами между жидкой фазой «шнура» и формирующейся кристаллической оболочкой, которая лучше видна на отливке, исследованной в работе [1] (см. рис. 1). Этот обмен обусловливает преимущественное присоединение к кристаллам твердой фазы атомов элементов, повышающих температуру затвердевания, и отторжение в жидкую фазу примесей, которые эту температуру понижают. На границе со сторон

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком