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

явления в двухф азной области

зам к н уты х м еж д ен др и т ­

ных объемов с повыш енной за

счет действия

вращ ения

концентрацией примесей п с

пониж енной в

результате

этого температурой

кристаллизации . О ст а в а я сь дли тель ­

ное время в ж и дком

состоянии ,

они м огут увеличиваться

ходимо

отметить, что

представленны й м ехан и зм

о б р а зо ­

вания

этого деф екта,

по-ви дим ом у, н уж д ается

ещ е в

некоторой дальнейш ей

р азр аботке и детали заци и .

В ч аст ­

что эти и некоторые другие

особенности

пятнистой л и к ­

вации окаж ется возм ож ны м

объяснить

в р а м к а х новых

представлений о м еханизм е

возникновения другого д е ­

фекта — внеосевой неоднородности .

Внеосевая неоднородность.

Э т о т деф ект кри сталли че­

ского строения, так ж е как

и пятнистая

ли квац и я , пред ­

ных

сли тках

и отливках, затвердеваю щ и х в и злож н и ц ах

или

ф о р м ах ,

но встречается

т ак ж е

и в сл и тках , п о л у чае ­

мы х

м етодами переплава р асхо д уем ы х

электродов. И с ­

следование

услови й , которые

соп р овож даю т появление

в таких слитках и, в частности ,

при В Д П

внеосевой

неод­

нородности,

необходим о преж де

всего

для того,

чтобы

предупреж дать образование

д еф екта, но, помимо

этого,

такое

исследование долж н о

способствовать раскры тию

м еханизм а его возникновения.

Н а

продольны х м акротем плетах из слитков В Д П вне­

осевая

неоднородность вы является

обы чно в виде

полос

кально,

без характерн ого А -об р азн о го наклона (рис.

62).

Н и ж н я я

часть слитка свободна от неоднородности .

Н а

чек или пятен, относительно равном ерно

р асп олож ен н ы х

в кольцевой зоне примерно на середине

р ади уса слитка.

Н а рис.

62 четко проявляется ещ е одна хар ак тер н ая

осо ­

бенность

р асполож ен и я внеосевой неоднородности :

ш н у ­

<*2,7 к г/м и н

С к о р о ст ь н а п л а в л е н пя

> 3 ,6

кг/м м н

1.

Жидкая

панна

имеет

полу­

1. Форма жидкой ванны ко­

сферическую форму. Фронт кри­

нусообразная. На значитель­

сталлизации слабо наклонен к го­

ном протяжении фронт кри­

ризонтальной

плоскости

сталлизации

круто

наклонен

2. У фронта кристаллизации на

к горизонтали

2. В осевой части слитка

всех его участках имеется замет­

температурный

градиент у

ный температурный

градиент, не­

фронта затвердевания

незначи­

смотря

на относительно

низкую

телен, что проявляется в обра­

температуру

поверхности

панны.

зовании зоны

неориентирован­

В результате этого слиток по все­

ных кристаллов

му

сечению

имеет

столбчатую

структуру

с высоким

темпера­

3.

В слитке,

начиная пример­

3.

В

связи

турным

градиентом

протяжен­

но с серсдны радиуса, разви­

ность двухфазной зоны

невелика

вается

широкая

двухфазная

зона

Склонность ж ароп рочн ы х

сплавов разного со става к

образованию

деф екта т а к ж е

неодинакова. Т а к , в сплаве

Х Н 6 7 М В Т Ю

внеосевая

неоднородность

появл ял ась у ж е

в слитке ди ам етром 280

мм

при силе

тока переплава

4,1 к А ,

в то время как в сплаве Х Н 7 7

Т Ю Р при тех ж е у с ­

лови ях

неоднородности не было [9 5

]. О м а о б н ар у ж и в а ­

л ась в этом сплаве лиш ь

в более крупны х слитках (диа­

метром

380 мм) при силе

тока > 4 ,5

к А . Такой силе тока

соответствует скорость

плавления 2,6— 2,8 кг/мин. П ри

вой

неоднородности ,

распространяю щ иеся на значитель­

ную часть высоты слитка.

различия

в

условиях

М о ж н о отметить

следую щ ие

кристаллизации м еталла при медленном и бы стром

н а ­

плавлении слитка

[96] (табл. 33).

Э ти особенности быстрого и медленного наплавления

слитков

необходим о

учиты вать

при

обсуж дении

воз­

м ож ного

м еханизм а

образования

внеосевой

неодородно-

стн.

Ц ел ь ю этого обсуж дения является рассм отрение но­

вы х

ф акторов,

которые появились

при

изучении деф екта

в сли тках В Д П ,

а так ж е описание повой интересной

ги­

потезы о м еханизм е образования ш нуров.

неоднород­

П ри

описании

происхож дения

внеосевой

ности чащ е всего исходят либо из того,

что шнуры пред ­

ставляю т собой

результат перемещ ения в слитке газовы х

пузы рей

[80]

или

обогащ енного

примесью р асп л ава

[82] снизу вверх,

либо , что

они образую тся

в

результа­

те

перемещ ений

сегрегированной

ж идкости

в

глубине

разветвленной

двухф азн ой

области ,

ком пенсирую щ их

уменьш ение объем а при затвердевании

[9 7 ]. Э т а послед ­

няя гипотеза, вы двинутая В .

М . Тагеевы м и Ю .

Д . С м и р ­

чила

в последние годы ряд дополнительны х подтверж де­

ний, в том числе при

исследовании слитков, полученны х

в вакуум е

[95, 9 6 ].В

этой гипотезе

учиты ваю тся

все

основны е

процессы , сопровож даю щ ие

затвердевание и,

в частности ,

сущ ествование развитой

двухф азн ой

зоны

с увеличением концентрации примесей по

ее

глубине,

ум еньш ение

объем а м еталла, приводящ ее

к о б р азо в а ­

нию микропустот, которые могут заполняться

обогащ ен ­

ной ж идкостью из вы ш ележ ащ их участков

двухф азн ой

области .

Н а р я д у с этим рассм атри ваем ая

гипотеза

им е­

ет ещ е одно

важ ное

преимущ ество перед

многими

д р у ­

гими, в том

числе и перед появивш имися

сравнительно

недавно

[9 8 ]: она объясняет наиболее сущ ественны е о со ­

бенности

м орфологии

ш нуров. П р а в д а , с этой точки зр е ­

ния

каж ет ся

удовлетворительной и «водородная »

гипо­

теза

Н . И .

Х вор и н ова, однако она опровергается

как

10— 995

145

раз тем , что

внеосевая неоднородность обн ар уж и вается

в слитках вакуум ной дуговой н

вакуум ной

индукцион ­

ной плавки , т. е.

в м еталле, подвергнутом глубокой

пред ­

варительной дегазаци и .

[9 6 ],

ш пуры наблю дали д а ж е

К а к

показано в работе

в слитках сп л ав а ,

вы плавленного в вакуум е

и разлитого

а

ff

в нейтральной

атм о ­

сф ере

при давлении

1 ата . В этих

у сл о ­

виях

никак

нельзя

было

ож и д ать

вы де­

ления

в

из

м еталл а

газов

виде

пузы ­

рей. П р ав и л ь н ее , ве ­

роятно,

мнение

о

Р и с . 65.

С х е м а

зо н н о й

п л а в к и с

т е м п е р а ­

том ,

что газовы деле-

нпе

м ож ет

со п утст ­

а

— ч а с т ь

т у р н ы м

гр а д и е н т о м [66]:

б — ф и з и ­

вовать

образован и ю

д и а г р а м м ы

с о с т о я н и я :

ш нуров ,

их

уси ли вая

ч е с к а я с и с т е м а ,

в к л ю ч а ю щ а я р а с п л а в л е н ­

степень

развития

к о м п о н е н т а Л и в п о л е т е м п е р а т у р н о г о

[9 9 ].

ны й сл о й ( А -г В ) м е ж д у т в е р д ы м и б л о к а м и

В

сам ое

п осл ед ­

/ — т в е р д а я ф а з аг р акдоимепнотнае:н т а Л ;

/ / — р а с ­

п л а в

( А -Ь В ) ; / / / — т в е р д а я ф а з а

нее врем я

возникло

новое

оригинальное

происхож дении

внеосевой

п редполож ени е

В

о

неоднородности

[1 0 0 ].

его

основе явление

так назы ваем ой

зонной

плавки

с

тем пе­

ратурны м градиентом , описанное П ф ап н ом

[6 6 ].

ц е ­

Д л я

того

чтобы суть повой гипотезы

бы ла яснее,

описание.

систем у

А

—

В,

часть

д и а гр а м ­

Р ассм отр и м двойную

мы состояния которой п оказан а

на

рис. 65

и в

которой

компонент Л является растворителем , а

В

— р аств ор ен ­

ное вещ ество или прим есь. П ом ести м

м еж д у дв ум я твер ­

ды ми о бр азц ам и вещ ества

/1 тонкий

слой

твердой

ф а ­

В.

теперь

эту си стем у

таким

о б р азо м ,

чтобы

зы Н агр еем

тем пература

слоя

превы сила точку

плавления

л егк о ­

плавкого компонента

В,

но

чтобы

и аивы сш ая

тем п ер а ­

тура твердой ф азы

Гт а х Ао.ставал ась

ниж е

тем пературы

плавления растворителя

Н а х о д я сь

повсю ду

в

соп ри ­

косновении с твердой ф азой

А ,

слой

после расплавлен и я

растворит некоторое ее

количество

п

увеличится

в

раз-

Мере

(на

рис. 6 5 ,6 в

вертикальном

направлени и ).

ГІо

мере

растворения

вещ ества

А

у обеих поверхностей р а з ­

дела концентрация

В

в слое ум еньш ается.

В,

Т о ч к а , о б озн ачаю щ ая

па

рис. 65, а

концентрацию

дви ж ется

сп р ава палево,

пока менее

нагретая

поверх­

ность

р азд ел а не

достигнет

при тем пературе

Г ь линии

л и кви д уса

с концентрацией

в точке

пересечения С ь Р а с ­

творение вещ ества

А

у этой

поверхности раздела теперь

п р ек р ащ ается , но

оно

продолж ается

у

другойТ, 2,более го ­

рячей

поверхности

раздела при тем пературе

пока

не

будет

достигнута линия

ликвидуса

с

концентрацией в

точке

пересечения

С2.

Таким

образом ,

в зоне устан авл и ­

нает ди ф ф ундировать к

холодной поверхности

раздела

и при этом

затвердевает

слой твердого раствора с кон ­

центрацией

В,

равной

kC\.

П р о ц есс растворение — д и ф ­

ф у з и я — затвердевание ведет к перемещ ению

ж идкого

слоя по обр азц у .

М о ж н о

сказать, что расплавленная зо ­

на «взби рается » по ликвидусу.

осущ ест ­

И з описания

процесса

следует, что для его

рацией

мог бы

оставаться

в

ж идком состоянии в о кр у ­

ж ении

твердой

ф азы . И дея

о

возм ож ности образования

нейш ую ее разр аботку

и эксперим ентальную проверку

вы полнил Ю . Л ам б р ехт

[108]. С о гл асн о его п редставле­

ния расплавленной зоны.

гипотезы яв­

Б езусловны м достоинством описанной

ляется то, что она основана на реальном

физическом

процессе. Следует отметить, что условия,

приводящ ие к

пока не изучены в такой

степени, чтобы

мож но

было в

д ет ал я х

представить картину появления

ш нуров.

Н е и с­

клю чено,

что дальнейш ие

исследования

в этом

н ап р ав ­

лении не только помогут

уточнить м еханизм о б р азо в а ­

на

147

пия

внеосевой неоднородности ,

по т а к ж е

пом огут

вы яс­

нить

некоторые

моменты возникновения

пятнистой л и к ­

вации в слитках В Д П .

СЛОИСТАЯ СТРУКТУРА

стали ,

П ри исследовании литой и

деф орм и рованной

переплавленной

в вакуум н ы х дуговы х печах ,

ч ащ е

всего

встречаю тся две

разновидности

слоистой

структуры :

Р и с . 6G. М а к р о с т р у к т у р а п р о д о л ь н о г о

м а к р о т е м п л е т а в е р х н е й ч а с т и

с л н т к а В Д П с т а л и 1 2 Х 2 Н 4 А д и а м е т р о м

200 м м с п о сл о й н о й к р и с т а л л и ­

з а ц и е й

так

назы ваем ая «послойная

кристалли заци я » (р егул я р ­

ная

или

нерегулярная ) и «светлы й контур». С тр уктур а

такого

типа характери зуется

пониж енной

травим осты о

отдельны х слоев м еталл а . О б р азо ван и е ее

связан о

с о п ­

ределенными

особенностям и

условий постепенного

н а ­

плавления слитка.

представляет

собой

Послойная

кристаллизация

слоев с норм альной и пониж енной травим осты о ,

очерчи ­

ваю щ и х на р азр езах

слитка

контур ж и дкой

ванны

(рис.

6 6). Слои стость

хорош о

видна и на серном

отпе­

чатке.

П о сл ой н ая кристаллизация обн ар уж и вается толь ­

В зави сим ости

от характера литой структуры

и у сл о ­

вий деф орм ац и и послойная кристаллизация на

попереч­

ных тем плетах из поковок и проката

м ож ет приобретать

сам у ю различную

ф орм у. О собенно

«нерегулярной» вы ­

глядит послойная

кристаллизация па пробах от нижней

различная

степень

дисперсности

осей

дендритов.

В светлой

полосе

они упакованы значительно

плот­

нее,

чем

в

темной,

о

чем свидетельствую т и

р езул ь ­

таты

подсчета

на

участке слитка,

показанном

на

рис.

68:

число

осей

дендритов первого

порядка

на

1 м м 2 площ ади

ш лиф а

составило в светлой полосе 24, а

в темной — всего 8.

Т а 6 л и ц а 3-1

Дендритная

неоднородность

н зоне слоистой

структуры

Н о м е р о б р а зц а

К о н ц е н т р а ц и я , %

С т е п е н ь л н к -

м а к си м а л ь н а я

| м и н и м ал ь н ая

п а ц и н , %

1

1 ,7 9

1 ,4 9

1 6 ,8

2

1 ,7 9

1 ,4 9

1 6 ,8

1

1 ,7 9

1,3 4

2 5 , 0

2

1,7 9

1,5 6

1 2 ,9

обн аруж и ть

различия ни в общ ем

со дер ж ан и и , ни в сте­

пени дендритной ликвации

хром а

в разны х сл о ях

(ср ед ­

нее содерж ан и е 1 ,6 % ):

(табл . 34).

неоднородности

Н езначительна

и разница в уровн ях

по угл ер од у,

определенны х

методом

микротвердости

( т а б л .35).

Т а б л и ц а 35

Дендритная неоднородность сталей 12Х2Н4А и 40ХН2СМА

с послойной кристаллизацией

(определение методом микротвердости)

С р е д н е е

Т в е р д о ст ь

Н Ѵ

Р а с ч е т н о е с о д е р ж а ­

ние у г л е р о д а , %

С т е п е н ь ,

С т а л ь

с о д е р ж а -

пне у г л е ­

ОСИ

м е ж о с н ы е

м е ж о сн ы е

л и к в а ц и и ,

р о д а , %

оси

%

у ч а с т к и

у ч а с т к и

12 Х 2 Н 4 А

0 ,1 3

324

352

0 , 1 1

0 ,1 3

15,4

330

382

0 , 1 1

0 ,1 4

2 1 ,4

4 0 Х Н 2 С М А

0 ,4 0

730

750

0 ,3 9

0 ,4 1

4 , 9

715

768

0 ,3 8

0 , 4 3

1 0 , 1