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

а

— В Д П

Р и с . 50. М а к р о с т р у к т у р а

сл и тк о в

с т а л и

0 X 1 IH 4 :

в к р и с т а л л и з а т о р е д и а м е т р о м

400 м м ;

б —- р а з л и в к а в о б ы ч н у ю и з ­

л о ж н и ц у с м а с с о й сл и тк а

0,5 т

вы зы ваю щ ая

особы х

сомнений,

будет

подтверж дена

в дальнейш ем

результатам и исследования

свойств м е­

т ал л а . С тал ь

с такой

структурой

хар актер и зуется отсут ­

ра

физической плотности стали

З О Х З С Н М Ф В

методом

гидростатического взвеш ивания.

О б р азц ы

вы резали

из

fVi

I

ГО

У

8

J2

/6

20

Край

Центр

Расстояние порадиусуслитка,см

Р и с . 51. И з м е н е н и е ф и з и ч е ск о й п л о т н о ст и м е т а л л а п о р а д и у ­

разны х

с у

с л и т к а с т а л и

З О Х З С Н М В Ф

д и а м е т р о м

400

мм

видно

из

зон

слитка ди ам етром 400

мм.

К а к

рис.

51,

м аксим альны е

отклонения

плотности

не

превы ­

ш аю т 0 ,5 % .

электрическим реж и м ом переплава

на

х а ­

Н а р я д у с

ся т ак ж е п одусадочн ая ры хлость.

П ричины

влияния электрического реж и м а переплава

и ди ам етра

слитка на хар актер его

м акроструктуры д о ­

вольно очевидны : увеличение силы

тока ведет к ум ен ь ­

столбчаты х

кристаллов становится невозм ож н ы м .

М енее

ясна роль

вращ ен и я : вероятнее всего , она

т а к ж е

св я з а ­

на с изменением тем пературного поля ванны ,

т. е. с ум ен ь ­

шением теплового потока, п оступаю щ его

к

ф ронту

з а ­

твердевания на больш ей части сечения сл и тка , хотя

су-

ш ествует

мнение

[67] о

возмож ности облам ы вания коп ­

чиков

р асту щ и х

депдритов и образования

за счет

этого

равноосной зоны .

слитка,

д аж е при

одинаковой

Увеличение

ди ам етра

линейном

плотности тока, сопровож дается

заметны м

из­

менением

условий кристаллизации : ум еньш ается и тем ­

пературны й

градиент на

фронте,

и скорость перемещ ения

последнего .

Э то

вызы-

Т а б л и ц а

24

вает

огрубление

м а к ­

Влияние диаметра слитка на глубину

залегания усадочной раковины

роструктуры и, как бу ­

в слитках стали

ЗОХЗСНМФВ

дет

показано

дал ее ,

(линейная плотность тока 165

А/см)

ск азы вается

и

на ден ­

Г л у б и н а

з а л е г а н и я ,

мм

дритном

строении

Д и а м е т р

сли тка.

у са д о ч н о й

п о д у са д о ч н о й

мое

Н ак о н е ц , н абл ю д ае ­

с л имтмк а ,

увеличение

глуби ­

раковины

р ы хл ост и

ны

залеган и я

усадки

320

50

объ ясняется

тем ,

что с

—

2 0 0

76

ростом ди ам етра

слит­

400

103

175

460

148

190

ка

становится

больш е

объем

ж и дкой

ванны ,

а сл едовательно ,

и объ ­

ем

усадочной

ракови ­

и пониж ен ­

ны. З агл уб лен и ю

усадки способствует такж е

ная скорость затвердевания крупного слитка.

И звестн о

[81,

8 2 ], что вы являем ая обычными м етода­

рекристаллизация

м еталла, причем характер

о б р азу ю ­

щ ейся

вторичной

структуры

определяется

тепловы ­

ми услови ям и при

рекристаллизации .

и

В

связи

с

этим

р асхож д ен и е

м еж ду

вторичной

первичной

структурой

оказы вается

тем

значительнее,

чем больш е

различаю тся

условия

затвердевания

и

рекристалли ­

зации .

из этого, при изучении структуры

м еталла не­

И сх о д я

обходим о

преж де

всего

устанавливать

тип

вы являем ой

структуры и в сл учае необходимости дополнительно

и с­

следовать

первичную литую структуру.

Т акое и ссл ед ова ­

лги дендрптов. Э та характери сти ка

ш ироко прим енялась

во многих исследовани ях [80, 82, 83]

и как свидетельство

больш ей или меньш ей степени

внутрикрпсталлической

неоднородности м еталл а, и как

ф акто р , о тр аж аю щ и й в

известной мере услови я его затверд еван и я .

ди м ая протяж енность первичны х осей дендрптов,

одно­

временно

меняется

и

разветвленность

структуры

(рис. 52). В краевой

зоне по сущ еству вся

структура

со ­

стоит из первичны х осей,

причем

у сам ого

к р ая , судя

по

поперечном у ш лиф у

(рис.

5 2 ,6 ) ,

они представляю т собой

скорее элементы структуры ячеистого типа

[8 4 ]. П о мере

перехода

к центру слитка

первичные оси

в поперечном

сечении

приобретаю т

хар актер н ую ф ор м у

крестов,

а

з а ­

тем на

них появляю тся вторичные оси и д а ж е

оси

треть­

степени при 4,5

кА (рис. 53).

порядка так ж е з а ­

Р асстоян и е

м еж д у осям и второго

висит от технологии В Д П (табл . 2 5).

В кри сталлизаторе

или, наоборот, низкий градиент, что

вращ ение ие м ож ет

сильно изменить его.

строения сущ ественны м

Д и сп ерсн ость

дендритного

образом зави сит

от ди ам етр а

слитка

(рис. 5 4), об этом

свидетельствует,

в частности , двукратное увеличение р ас-

Т а б л и ц а 25

Т а б .4 и ц а 26

Влияние тока

и динамического

Влияние диаметра слитка

состояния ванны

на дисперсность дендритного

на дисперсность дендритного

строения

стали

ЗОХЗСНМФВ

строения стали 40ХН2СМА

(линейная

плотность тока

(осевая

зона

слитка

165 А/см; середина

радиуса

диаметром 320 мм)

слитка)

Р а с с т о я н и е м е ж д у

Р а с с т о я н и е

м е ж д у

С и л а

о сям и втор ого п о р я д к а ,

Д и а м е т р

м м

с в р а щ е ­

о с я м и ,

м м

т о к а , А

об ы ч н ая

с л н т к а , м м

п е р в о го

в то р ого

нием

техн ол о ги я

м ет ал л а

п о р я д к а

п о р я д к а

5200

0,24

0,26

320

0,70

0,14

6500

0,29

0,34

1,04

0,18

2 0 0

1,46

8000

0,41

0,42

400

0,24

460

1,76

0,29

стоянии

м еж д у вторичными

ветвями

при

переходе

от

слнтка

ди ам етром

200 мм к

слитку

ди ам етром

460 мм

(табл . 26).

тат

Е сл и

последний р езул ь ­

вполне

естествен ,

так

как с ростом

д и ам етр а сли т ­

ка

ум ен ьш ается

линейная

слитка, пм

скорость к р и сталли заци и , то

Р н с . 53.

В л и я н и е си л ы

т о к а

на

влияние тока, а т а к ж е

и х а ­

рактер

изменения

д и сп ер с­

д р и т о в

п е р в о го п о р я д к а

в

с л и т ­

ности структуры

по сечению

р а с с т о я н и е м е ж д у

о с я м и

д е н ­

слитка

за сл у ж и в аю т

до п о л ­

ке( с т а лВьД ПI2 X 2

дHи4аAм, е трраос мс т о я320н и я

ми зм­

м ер е н ы

н а

п о п е р е ч н ы х

о б р а з ­

нительного

р ассм отр ен и я .

1

— 4,5

ц а х ) :

к А

Э то

связан о

с

тем ,

что

в

к А ; 2 — 5,5

сл и тк ах

В Д П , как

прави ло ,

не

со бл ю д ается

устан о влен ­

ная при изучении обы чны х слитков

[80, 82]

зави сим ость

м еж д у линейной

скоростью

затвердеван и я

и д и сп ер сн о ­

стью дендритов.

В первы е это

отмечено

в

работе

[3 6 ],

в которой

было

вы сказан о

предполож ен и е,

что

р а сст о я ­

ние м еж д у

осям и

дендритов

определяется

п р о д о л ж и ­

тельностью

пребы вания м еталла

в

дв ухф азн ом

со сто я ­

нии. Сопоставлен и е

м еж осн ы х

расстояний

с

линейной

скоростью

кристаллизации

(рис.

55)

показы вает, что

в

сл и тках В Д П

эти расстояния при одинаковой скорости,

как п рави ло , значительно меньш е, чем в обычных.

II хар ак тер

изменения м еж осны х пром еж утков с ро­

Р и с . 54. Д е н д р и т н а я с т р у к т у р а

сл и т к о в В Д П

(Ѵг

р а д и у с а )

с т а л и

З О Х З С Н М В Ф в

п р о д о л ь н о м

( а , б)

н п о п ер ечн о м

{о ,

г)

сеч е н и и

сл и т к о в

р а з н о го

д и а м е т р а

(л и н е й н а я п л о тн о ст ь т о к а

165

А / см ):

д в ухф азн ой

области и

продолж ительностью

пребы вания

в ней м еталла ( с м .г л .

4 ).

относительно

К р ае в а я

зона слитка форм ируется при

кристаллизации м еталла н объясняется увеличение

р а с ­

стояний м еж д у

осями дендритов

от края к центру сли т ­

ков,

а

т а к ж е

влияние

ди ам етр а

последних и

силы тока

В Д П .

Бы ло бы н еправи ль ­

но

представлять

дело

таким о б р азо м ,

что у к а ­

зан н ая

связь м еж д у д и ­

сперсностью

дендрит­

ной структуры и вре­

менем

перехода

м етал ­

ла из

ж и дкого

со сто я ­

ния в твердое относит­

ся лиш ь к сл и ткам ,

н а ­

плавляем ы м

с

тем п е­

Линейнаяскоростьзатвердевания,

ратурны м

градиентом

мм/мин

в ж и дкой

ф азе.

Эти

з а ­

Р и с . 55.

В л и я н и е л и н ей н о й

с к о р о ст и з а т в е р ­

кономерности

дей ству ­

ют,

конечно,

и

при

з а ­

ддре нв атно ви я

в неал нртаксес тВо яДнПи е прим е жрдауз л ио чс янмо йи сид елне-

твердевании

обы чны х

I

II

т о к а :

слитков ст о й

лиш ь р а з ­

— 3,0;

III

к А [36];

/ — к р ай

ницей,

что в

них

из-за

2 — 4,3 к А ; 3 — 6,0

с л и т к а ;

— ц е н т р ;

— '/г

р а д и у с а ;

бы строго

исчезновения

/ 1 — д а н н ы е Б .

Б . Г у л я е в а

[82]

тем пературного

гр ад и ­

ента

ум еньш ению

ли-

долж ительности кристаллизации

м еталл а . В

результате

мы и

наблю даем

однозначную

зави сим ость

м еж д у л и ­

нейной

скоростью

затвердевания и разм ером

м еж осн ы х

пром еж утков.

влияния рассм отренны х

В чем ж е состоит м еханизм

Н ач и н ая

с известны х

р абот

Г . П . И в а н ц о в а

[6 8 ],

Д ж . Р аттер а

и Б . Ч а л м е р са

[85]

разветвленность

литой

дения. В . Т . Бори сов [86]

предлож ил теорию квазиравно-

весной двухф азн ой зоны ,

суть которой состоит в том , что

в результате разветвления

структуры

концентрационное

п ереохл аж д ен и е сним ается

во

всех

точках

двухф азной

зоны . И сх о д я из этого, следует,

по-видим ом у,

хар актер и ­

плоским

[8 7 ].

Э т а

величина, как известно, зависит от от­

нош ения

градиента

температуры

G

к

скорости

w

: чем

больш е скорость и чем меньш е градиент,

тем больш е кон ­

центрационное

переохлаж дение перед плоским фронтом

и, следовательно,

тем сильнее разветвляется

структура.

У сл ови е устойчивости плоского

],)

фронта в

бинарном

сп л аве имеет, согласн^ о данны- . / »

м( k p [6 71

вид

где

w ''

C p

G

k0D

w— температурны й градиент у фронта;

С

— линейная скорость роста;

0— исходная концентрация;

т

— тангенс

угла наклона

линии ликвидус

на д и а ­

k

грам м е состояния;

Dn— равновесны й коэф фициент распределения;

— коэф фициент диф ф узии атомов в р асп л аве.

Н ед авн о

было

показано

[8 7 ],

что

для

данного

сп л ава

G

определяю т не только

появле­

критические значения —

ние

ячеистой

структуры

и переход

от нее к

столбчатой

ячеисто-дендритной,

но такж е

и дальнейш ее

разветвле­

ние такой структуры ,

вы раж ением которого сл уж и т о б р а ­

ляю тся в углеродистой стали с 1,5% С г

при отношении

— < 5 0 0 0 ° С -с / см 2.

структуры : яче­

W

В слитке В Д П имеются все три вида

9— 995

129

не влияет

и долж н о соп ровож даться

увеличением или

уменьш ением числа дендритны х осей,

так как только т а ­

ким путем

м ож ет

обеспечиваться соответствие м еж д у

скоростям и

отвода

тепла н затвердевания. П о сл едн ю ю

ф азы в данном сечении

двухф азн ой

области за единицу

времени (относительной

скоростью

затвердевания)

[7 5 ].

Среднее значение этой скорости

представляет

собой

d f_

G„и)

(47)

где

сіт

mC0 (1 — k„)

f — доля твердой фазы ;

т — время;

градиент у изотермы ликвидус.

С

G,, — температурны й

учетом диф ф узионного контроля

бокового роста

дендритов

1\

м ож но вы разить ф орм улой

где

/і = а ] ' /иС0 (1 —

k0)D/Gtlw,

(48)

а

D

— постоянный коэф ф ициент;

м еталле.

—

коэф ф ициент ди ф ф узи и в ж и дком