книги из ГПНТБ / Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали

G

что

изменением

тем пературного

градиента

показы вает,

и м ож н о

при

пони­

женном

скорости

обеспечить

м еньш ую

продолж ительность

в

пребы вания

м еталла

д в ухф азн ом

состоянии.

Э то

о к аж ет ся

сущ ест ­

венным при соп остав ­

лении дендритной стр у ­

0,0t

0,05О,Г

0,1

1

2 45 102040

ктуры

слитков,

полу ­

Температурныйградиент, °С/мм

ченны х

разны ми

м ето­

Р и с .

*16. В л и я н и е

т е м п е р а т у р н о г о

г р а ­

дам и .

вы р аж е ­

Р азд ел и в

д и ен та н а

ф р о н т е

з а т в е р д е в а н и я и

л и ­

ние (39) па (35), полу­

н ей н ой ск о р о ст и р о с т а н а п р о д о л ж и ­

т е л ь н о ст ь

п р е б ы в а н и я

м е т а л л а в д в у х ­

чим

ф ор м улу для опре­

ф а з н олми нсое йстон а яя н исик о р(оцситфьр, ым му/мкирни)в ы х —

деления продолж и тель­

ности

кристаллизации

м еталл а :

(tu

tK)

1п

а*

т к р —

—

0„

(43)

В ы р аж ен и е

(GK — GH)2

(43)

по аналогии с

(40), мож но п редста­

вить в виде

Т'кр ~

/ПХ

\ (/„ —

tK)-

(44)

И з

этой

( 1 - Х ) 3І

ф ормулы

следует, что продолж ительность

кристаллизации

ещ е

в

больш ей

степени, чем ш ирина

д в ухф азн ой

области , зависит

от

интенсивности отвода

тепла и от интервала затвердевания. В

то ж е время под ­

вод тепла в дв ухф азн ую

),

%

область влияет на бткр отню дь не

однозначно .

К а к видно

из рис.

44

(кривая

с ростом

п арам етр

р=

іп х

дости гая

м иним у­

( 1 - Х ) 2сн ачала убы вает,

ма при х = 0 ,2 8 5 ,

а затем быстро увеличивается .

кр и стал ­

А н алоги чн о меняется и продолж ительность

л и зац ии ,

т.

е.

ес

сокращ ение

вследствие

подвода тепла

возм ож но лиш ь в том

сл учае , когда доля этого тепла в

общ ем

теплоотводе

не

превы ш ает

28,5 % .

С

учетом

х а ­

рактера

функции р

и

м

е ю

щ е

й

довольно

пологий

х

зации во зр астает по2.левой ветви, соответствую щ ей этому

п ар ам етр у

кривой

У

края ,

наоборот

увеличивается

(об н ар уж и в а ем ая при

этом

в

ряде

случаев

остановка

ф ронта затвердевания свидетельствует, что

=-1),

и в о з­

растание

п р о д о л ж и ­

тельности кр и стал ­

лизации

описы вает­

ся

правой

ветвью

той ж е кривой .

С л ед у ет отметить

т а к ж е ,

что

и

при

крайне

м едленном

наплавлении

слитка

с

поддерж анием

очень м елкой

ванны

в осевой зоне возм о ­

I,

ж ен

переход

на

п р а ­

Р и с .

47.

В л и я н и е

си л ы

т о к а

па п р о т я ж е н ­

вую

ветвь:

в р езул ь ­

тате того,

что ум ень­

н о ст ь

д в у х ф а з н о й

о б л а с т и ( з а ш т р и х о в а н ­

шение линейной ск о ­

н ая

зо н а ) в сл и т к е В Д П

( / і< / з < / з )

рости не ком пенси ­

протяж енности

двухф азн ой

зоны ,

руется

сокращ ением

продолж ительность

кристаллизации

м ож ет

оказаться

вы ш е, чем при более высокой силе тока.

Т аки м

о бр азо м , в тех сл у ч ая х , когда для обеспечения

требуем ого качества

м еталла

необходимо

создавать н а ­

иболее

благоприятны е

условия затвердевания, процесс

В Д П

следует

вести

при относительно низкой

опти м аль ­

8— 995

113

ростыо наплавления слитка:

фронт перем ещ ается

зам е т ­

но м едленнее, чем при более вы сокой силе

то ка ,

когда

ум еньш ается или полностью

исчезает торм озящ ее дей ст ­

вие теплового потока

qa.

такой сл у ч ай ,

когда

тепло ­

М ож н о

представить себе

вые потоки

на гр ан и цах двухф азн ой зоны

н аход ятся в

ной форм е это м ож ет быть

осущ ествлено

при

плавке с

иерасходуем ы м электродом .

П р и этом фронт зат в ер д ев а ­

ния долж ен оставаться на

месте до тех

пор,

пока не

б у ­

дет сниж ен тем или иным способом тепловой

поток

q„.

по­

П ри плавке с иерасходуем ы м электродом

его

м ож н о

низить путем

уменьш ения

мощ ности дуги ,

а

в

услови ях

непрерывного

наплавления

тенденция

к

сни ж ению

qu

чению за счет этого ее глубины п сниж ению

тем п ер атур ­

ного градиента на фронте кристаллизации .

qn,

бл и з­

С л едовательн о , при

повы ш енны х значениях

ких к

q

соответствую щ их

у ч а ­

K, фронт затвердевания на

стк ах

перем ещ ается лиш ь по мере

плавления электрода

и поступления ж и дкого

м еталла

в ванну.

Э то т аспект

взаим освязи плавления

и затвердевания

засл у ж и в ае т ,

на наш взгляд , дополнительного

рассм отр ения , в

ходе

ны м еж д у собой ,

по равны ли т ак ж е

и мгновенны е

их

значения? П р авом ер н ость

постановки

этих

вопросов

о с ­

новы вается п реж де всего

на

принципиальном

различии

природы д в ух процессов.

Н епреры вны й

подвод

энергии к р асхо д у ем о м у элект ­

роду

ведет к столь ж е

непреры вном у

его

оплавлению .

В р я д

ли м ож но

о ж и д ать ,

наприм ер , что в

какой -то

м о ­

мент времени часть энергии, до этого

затр ачи ваем ой

на

плавление, пойдет на дополнительны й

перегрев

м етал л а .

Д а и

сравнительно вы сокая

частота

падения

капель в

ж и д кую ванну (примерно

одна капля

в секунду) т ак ж е

позволяет считать процесс плавления непреры вны м .

И н ач е обстоит дело

в

сл у ч ае затвердеван и я. Н еп р е ­

рывный отвод тепла в зависим ости от услови й

на гр ан и ­

це р азд ела ф аз

(содер ж ан и я

примесей в

пограничном

слое,

определяю щ его равновесную тем п ер атур у началц

вы ш ает равновесную .

Таки е изменяю щ иеся

условия воз­

м ож ны , в частности ,

у

верш ин

первичных

осей депдри-

тов, о б р азу ю щ и х

фронт затвердевания (в том см ы сле, в

каком мы его рассм атр и вал и до сих п ор ).

П р о д в и ж ен и е

этих

вершим

в

глубь р асп л ава обычно

контролируется лиш ь

скоростью

отвода тепла.

О б

этом

сви детельствует хотя

бы то обстоятельство, что

коэф ф и ­

циент

затвердевания

/г в известном уравнении

к вад р ат ­

ного

корня

х2= Іг

т

(х

— толщ ина затвердевш его

слоя;

%■

порядок с коэф фициентом

тем пе­

— врем я) имеет одни

ратуропроводности

металлов (0,1

см 2/ с). В

то ж е

время

боковой рост тех ж е осей деидритов

контролируется

пре­

им ущ ественно

не отводом тепла,

а

м ассопереиосом .

Д о ­

казательством

м ож ет служ ить то,

что толщ ина

осей деп-

дритов т ак ж е

описы вается законом

квадратного

корня,

но коэф ф ициент

k

в этом сл учае

на

несколько

порядков

меньш е и близок по

величине

к коэф ф ициентам д и ф ф у ­

зии атом ов в ж и дки х м еталл ах

[64,

75].

в неоди­

П ри чи н а такого

различия, вероятно, кроется

ла ф аз

у верш ины и у боковой грани оси дендритов.

П е р е д

верш иной,

скорость продвиж ения которой

на не­

сколько порядков

превы ш ает скорость ди ф ф узи и ,

не со ­

зд ается

какого бы то ни было концентрационного

уплот­

верш ина оси не о каж ется в области ,

где тем пература м е­

тал л а

превы ш ает точку ликвидус.

В этом сл учае неиз­

б е ж н а ,

по крайней

мере, кратковрем енная остановка

р оста,

необходим ая

для того, чтобы

тем пература м етал ­

В

ходе дальнейш его

анали за мы попы таем ся д о к а ­

зать,

что тем п ература, при которой затвердевание м ож ет

возобновиться

д а ж е после

кратковременной

остановки ,

сущ ественно ниж е

тем пературы , при которой

эта о ст а ­

новка

п рои зош ла.

Д е л о

в

том , что если непрерывный

рост

верш ины

дендрита

осущ ествляется из

р асп л ав а

8*

115

шиной возникает такой ж е обогащ енны й прим есям и

по ­

граничный слой, как и перед боковыми граням и

(рис.

4 8).

Возникновение

концентрационного

уплотнения

в этом

сл учае следует

из представления о

ф луктуи рую щ ей

гр а ­

атом ам и м еж д у

твердой

и ж и дкой

ф азам и

атомы

разного

сорта о к азы в аю т ­

ся

неравноценны м и .

В е ­

роятность

возвращ ения

атом ов

примеси

с к о эф ­

фициентом

из

р асп р ед ел е ­

ния

<

1

р асп л ава в

пР риос д. о л48ж .а ю щВ еермшс яи н ар о стд еен д р(аи)т а и приво

кристалл м еньш е,

чем для

атом ов

основного

ком п о ­

в р е м я о ст а н о в к и (б ) ( з а ш т р и х о в а н

нента.

П о этом у па

о ст а ­

п о гр а но иб оч гнаыщйе н нслы ойй п ржиимдексяо йм и )ф а з ы ,

новивш ейся

границе

р а з ­

дела ф аз

долж ен

идти

процесс

разделения

ком ­

та (ш ирина обогащ енной зоны

не

играет

сущ ественной

роли)

приведет к том у, что ее

рост

не

см о ж ет возобн о ­

виться при лю бом , сколь угодно

м ал ом ,

сниж ении тем п е­

ратуры

относительно тем пературы

остановки . П о т р е б у ­

ется некоторое соверш енно определенное

п е р е о х л а ж д е ­

ветствую щ ей ем у

равновесной

тем пературой

ликвид ус.

П о сл е

того,

как эта тем пература будет дости гн ута, вер ­

шины депдритов вновь начнут п родвигаться ,

пока не о к а ­

ж у т ся

в области ,

где тем пература превы ш ает точку л и к ­

видус

сп л ав а .

П о сл ед у ет

новая о стан овк а ,

и

весь

цикл

повторится.

сл у ч ая

постепенного

н аплавления

Т акой процесс д л я

слитка

м ож н о

пояснить

с

пом ощ ью

схем ы ,

показанной

на рис.

49.

В

моменты

времени то, т і,

2

поверхность

Т , . . .

ж и дкой

ванны

зан и м ает

полож ения

li0, hu h2,

. . . ,

а р а с ­

пределение

тем пературы

в

слитке описы вается

соответ­

ствую щ им и

кривы ми. П у ст ь

в

момент то верш ина

д ен д ­

рита остановлена на уровне

10

при тем пературе

t0.

Т огда

возобновления

роста м ож н о

ож и д ать

только

после сн и ­

ж ения

тем пературы

до

tn-

О!н о

будет обеспечено

н а п л ав ­

лением

слитка

до

высоты

ц.

Н ач а в ш е е ся

после

этого

Р и с .

49.

С х е м а

п е р и о д и ч е ­

*Псо

с к о г о п р о ц е с с а к р н с т а л л и з а -

цин

п р и

Н;,

н а ­

п о ст е п е н н о м

^

п л а в л е н и и :

1 /,•—1

п о с л е д о -

в а т с л ь н ы с

п о л о ж е н и я

п о -

*5.

*

в е р х п о ст н

в ан н ы

и

вер ш и н ы

§

д е н д р и т а в м о м е н т ы в р е м е -

'■о

пн

Tj*:

t

tQ—

^

t8

J'ncu — т е м п е р а т у р а

п о в е р х н о ст и в а н н ы ;

0,

т е м п е р а т у р а

в ер ш и н ы д е н - 4-

а

д р п т а в м о м е н т о ст а н о в к и и

в о з о б н о в л е н и я р о с т а ;

— и з ­

I,

ho

h,

h,

м е н е н и е т е м п е р а т у р ы в е р ш и ­

4

Расстояние

4 ,

ны д е н д р и т а по м ор с се п р о ­

4 4

д в и ж е н и я

что

равновесная

концентрация

примеси

Е сл и учесть,

C0/k

С0

па границе раздела ф аз в пределе равна для бинарного

сп л а в а

0

[67]

(

— н ачальная

концентрация,

/е0 —

равновесны й

коэф ф ициент р асп р еделен и я ),

то о к аж ется ,

что

возобновления

роста

следует

ож идать

при д о сти ж е ­

нии сплавом в данной точке тем пературы

соли дус.

С л е ­

довательно , расстояние, которое

дол ж н а

пройти

верш и ­

ма

дендрита

м еж д у

двум я остановкам и ,

м ож но

вы чис­

лить по ф орм уле

h =

^5Е _ ,

(45)

где

О,,

интервал

затвердевания

Д/кр— температурны й

(равновесны й ), °

С .

оценки расстояния

П ри годность

ф орм улы

(45)

для

мя

остановки . В то ж е

врем я, ясно,

что

это расстояние

тем

больш е,

чем ш ире интервал затвердевания сп л ава и

чем

меньш е

градиент

температуры

в

ж и дкой части

сл и тка .

приш ли к заклю чению , что при

Т аки м обр азом , мы

поступлению

новых порций

ж и дкого

м етал л а , долж ен

наблю даться

периодический

процесс кристалли заци и .

Н аи бо лее благоприятны е для

осущ ествления такого

п р о ­

ц есса условия

склад ы ваю тся

по всем у

ф ронту зат в

ер д е ­

причиной возникновения р ассм атр и ваем о й

ниж е сл о и с ­

той структуры (послойной кристаллизации )

в сл и тк ах ,

первую попы тку такого

рода. Н аи б о л ее

сущ ественны й

вклад в разр аботку этого воп р оса , как

нам к аж ет ся ,

сд е ­

лали Б . И .

М ед о вар

и М .

М .

К лю ев [7 7 ].

П о их

мнению ,

с которым

нельзя не согл аси ться , периодичность

за т в е р ­

девания свойственна

всем

процессам

постепенного

н а ­

плавления

слитков в кр и сталл и затор ах .

П ри чи н у этого

они видят в том . что такой процесс хар актер и зуется

д и ­

нам ическим

равновесием

м еж д у количеством теп л а,

вн о ­

поддон к р и сталли затора.

В о п р осом ,

не

получивш им д о ­

статочного освещ ения

в

преды дущ и х

р або тах

[77 — 7 9 ],

является происхож дение тех

наруш ений

равновесия теп ­

ловы х

потоков,

которые

вы зы ваю т

остановки

ф ронта.

П р ед п

о л а га л о сь ,

что

одной

из причин

м ож ет

явиться

ления. О дн ак о такое объяснение недостаточно

по сл е ­

дую щ и м

причинам . В о -п ер вы х ,

в усл ови ях,

когда затв е р ­

девание

идет навстречу потоку

тепла

(в

сторону повы ­

шения тем пературы р а с п л а в а ),

вряд ли м ож но

ож и д ать

отвода скры той теплоты в ж и дкую ф азу .

В о -втор ы х, в у с ­

ловиях последовательной направленной

кристаллизации

причинно-следственная связь м еж д у

отводом

скры той

теплоты

и ростом твердой ф азы

вообщ е вы глядит, види ­

возм ож ной

при

достиж ении изотермы ликвидус

сп л ава .

П ояв лен и е

в результате такой остановки

избытка

при­

месны х атом ов

перед верш иной ведет к

том у,

что

для

возобновления

ее роста тем пература м еталла в

данной

точке д о л ж н а ум еньш иться на конечную

величину — до

ствую щ ей концентрации примесей

в обогащ енном слое.

Г Л А В А 5

СТРОЕНИЕ И ДЕФЕКТЫ СЛИТКА

В акуум н ы й

дуговой переплав в

основе своей со дер ­

ж и т целый ряд

предпосы лок получения м еталла с плот­

ной однородной структурой . Э то и

предварительное р а ­

ф инирование р асп л ава от газов и нем еталлических вкл ю ­

по сечению

слитка условий

затвердевания

(при

ум ерен ­

ной плотности т о к а ),

и неизменность состава ж идкой ф а ­

зы в связи

с

непрерывным

разбавлением ее стекаю щ им

с электрода

м еталлом . И з преды дущ их глав следует,

что

при В Д П

возм ож но

т ак ж е

управление отдельны ми

п а ­

рам етрам и затвердевания:

тем пературны м градиентом ,

линейной

скоростью ,

протяж енностью двухф азн ой

о б л а ­

сти и продолж ительностью

пребы вания в

ней

м еталл а.

В се эти преим ущ ества мож но использовать для

у л у ч ­

ш ения

структуры II

свойств

м еталл а, однако непремен­

ным условием этого является предварительное

вы ясне­

ние связи

м еж д у характеристикам и структуры ,

с

одной

стороны ,

и

парам етрам и затвердевания, а

т ак ж е

р еж и ­

мом переплава — с другой .

однородны х

Е щ е

один

аспект

проблемы получения

слитков

методом В Д П состоит в том , что под влиянием

ность, внеосевую

неоднородность и светлый контур .

Д л я

м акроструктуры

слитков, получаем ы х

методом п ер еп л а ­

ва р асходуем ы х

электродов, характерн а т ак ж е так

н а ­

зы ваем ая послойная кристаллизация

(нам к аж ется

б о ­

видов неоднородности ,

непосредственно

связан н ы х

с у с ­

ловиями затвердеван и я , сущ ествую т

некоторы е деф ек ­

ты,

о бразую щ и еся в слитке независим о

от этих услови й .

Типичными

прим ерам и

такого

рода

являю тся

свищ и

и

грубы е

ш лаковы е

вклю чения

в

подкорковой

зоне

слитка.

прави ло , склонна

К образованию этих деф ектов , как

критериями

при вы боре

оптим ального

р еж и м а

пере­

плава .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАКРОСТРУКТУРЫ СЛИТКА

сл и т ­

С тр ук тур а

слитков В Д П в отличие от обы чны х

ков в

гораздо больш ей степени зави сит

от

условий

их

получения. В

зависим ости

от электрического

реж и м а

п е ­

реплава в вакуум н ом слитке м огут ф орм и роваться

либо

только

столбчаты е ориентированны е преим ущ ественно

В

сли тках ди ам етром 200— 400

мм появление

такой

зоны

н аблю дается при линейной

плотности тока

180—

зоны ,

и глубина

ее залеган и я в слитке.

О дноврем енно

ум еньш ается угол

наклона столбчаты х кристаллов

к го­

ризонтали . П ри

линейной плотности тока

250

А /см

и б о ­

лее структура

слитков

В Д П

м ало отличается

от стр ук ­

туры обы чны х слитков

с присущ им и им деф ектам и :

гл у ­

бокой

усадочной

раковиной ,

подусадочной

ры хлостью

и т. д.

хар актер е

структуры сказы вается

т ак ж е , как из­

Н а

вестно, ди нам ическое состояние ж идкой ванны :

вращ ение

м еталла почти независим о от силы тока

ведет

к ф о р м и ­

рованию равноосной структуры .