книги из ГПНТБ / Вакуумная металлургия [сб. ст

У Д К 669 : 658.562

РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПЕРЕПЛАВЛЕННЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Г. ШПИТЦЕР, П. В. БАРДЕНХЕЕР

Приведены результаты контроля качества, проведенного фирмой DEW в течение последних лет, при переплаве специальных сталей.

Рассмотрены определенные виды дефектов и очевидный эффект раскисления стали алюминием и влияние содержания серы на чи­ стоту некоторых переплавленных в вакууме сталей. После обширных предварительных испытаний [1, 2] фирма DEW начала работу на своей первой вакуумной дуговой печи в 1964 г. Ее максимальная емкость 12 т; максимальный диаметр кристаллизатора 860 мм. Вторая печь максимальной емкостью 7 т с диаметром кристаллиза­ тора 660 мм была пущена в 1967 г. и третья печь той же емкости пущена в 1968 г. Эти три печи обеспечивают общий объем переплава в 7 тыс. т. Предполагаемая добавка тока позволит в 1970 г. пустить переплавной завод ЭШП на 2 тыс. т металла в год. В общем с этой добавкой объем переплава DEW составит в год ~ 9 тыс. т и в основ­ ном будет использоваться для производства специальных сталей.

В США и в некоторых странах Западной Европы переплавные заводы используются в основном для производства жаропрочных и высокопрочных материалов. В ФРГ этой частной задаче не при­ дается значения. Кроме переплава жаропрочных и высокопрочных материалов, немецкие работы по специальным сталям на переплав­ ных заводах в основном концентрируются на переплаве специальных сталей для гражданского назначения.

На рис. 1 приведена классификация материалов, переплавляе­ мых в настоящее время фирмой DEW. Кроме круга марок, она показывает следующее соотношение производства: легированные конструкционные стали 15%; шарикоподшипниковые стали 11%; штамповые и быстрорежущие инструментальные стали 14%; нержа­ веющие стали (раздельное производство которых является главной продукцией компании) 41% и жаропрочные материалы 19%.

Переплав этих сталей производится в основном под вакуумом, в атмосфере различных газов, а также под шлаком. В основном используют установки постоянного тока, но в некоторых случаях и переменного тока. В зависимости от типа материала и окончатель­ ного его применения электроды плавятся в электрических печах или

61

в вакуумных индукционных печах. Результаты контроля качества показаны ниже.

Насколько возможно, результаты сравниваются с литературными данными. Были проведены различные испытания сталей, опробованы разные процессы переплавов, так же как и размеры слитка. Резуль­ таты переплава в значительной степени зависят от степени чистоты металла электрода, содержания фосфора, серы и остаточных элемен­

ченные для слитков таких размеров, не могут характеризовать раз­ личные процессы.

Так, для ВДП, например, хорошо известно, что чистота мелких слитков часто хуже, чем крупных. Это связано с более высокой скоростью кристаллизации и уменьшением всплывания неметалли­ ческих включений. На практике переплавляют в основном крупные слитки. В случае ЭЛП и ЭШП скорость переплава, а следовательно, и скорость кристаллизации также могут быть меньше на небольших слитках, так что и маленькие слитки, естественно, имеют более высокую степень чистоты.

Данных по ВДП для слитков диаметром <300 мм нет, хотя для сравнения будут использоваться данные по небольшим слиткам ЭЛП и ЭШП.

Эффективность различных переплавных процессов часто опре­ деляется по остаточному содержанию кислорода. На рис. 2 приве­ дено содержание кислорода в разных сталях, которые были выплав­ лены и переплавлены разными методами. В левой части рис. 2 при­ ведены результаты испытаний, полученные на легированной кон-

62

струкционной и шарикоподшипниковой сталях [3]. После ЭЛП

на холоднокатаной стали ВДП. Здесь опять частотный пик содержа­ ния кислорода находится в пределах 0,0011—0,0020%. Влияние исходной плавки на содержание кислорода показано на правой части фигуры, где приведены данные для стали «Марейджинг» после ВИП

и последующего ВДП, по определению «DEW». Так же, как и после переплава, частотный пик находится даже при более низких содер­ жаниях кислорода.

На рис. 3 сделана попытка показать содержание включений в раз­ личных сталях после переплава, определенное по различным шка­ лам: ГОСТ, Диргартен и ASTM — маркировки Е 45—63. В соответ­ ствии с ГОСТ, легированные конструкционные стали и шарикопод­ шипниковые стали, переплавленные один раз в ЭЛП (левая часть рис. 4), имеют максимальный балл 4. Продукция ЭШП изредка имеет более высокий балл. Опыты на холоднокатаной стали, легированных конструкционных сталях и сталях с 13% Cr (центральная часть фигуры) показывают, что после ВДП максимальное число вклю­ чений по шкале Диргартен около 1 балла, очень редко 2 балла.

63

Рис. 4. Содержание включений в легированных конструкционных сталях:

64

наблюдаемая после вакуумного переплава, следующая: ГОСТ — 4; Диргартен — 1; ASTM — метод D — 2;

Качество легированных конструкционных сталей в значительной степени зависит от чистоты стали, дефектов слитка, окончательной полосчатости, зависящей от кристаллической ликвации, степени деформации, от примененной горячей обработки.

Стали, выплавленные и разлитые обычными методами, имеют большую загрязненность и полосчатость и, следовательно, оптималь­ ную величину для удлинения, сужения и ударной вязкости в по­ перечном направлении при степени деформации 2—3. При большей степени деформации механические свойства снижаются. Предел усталости при знакопеременном изгибе и напряжение при кручении увеличиваются до степени деформации 2—3. При дальнейшем уве­ личении степени деформации предел прочности при изгибе умень­ шается, в то время как нижний предел чувствительности Ѵ-образных образцов уменьшается при кручении менее четко [5].

В результате переплава значительно снижается разброс величин при получении слитка полной длины [6] (например, массой 50 т и диаметром 1500 мм после ВДП). При этом также происходит умень­ шение полосчатости [7, 8] . На рис. 4 приведено содержание включе­ ний в легированных конструкционных сталях после ВДП. В верх­ ней части рис. 5 показана легированная конструкционная сталь, сравнимая с SAE 4150, на центральной части — сталь с 5% Сг, сходная с Н И , и на нижней части — сталь типа «Марейджинг». Сверхвысокая чистота стали «Марейджинг» является результатом того, что плавка проведена в вакууме, а также исключительно низкого содержания серы, не более нескольких тысячных процента.

Ударная вязкость увеличивается после переплава легированных конструкционных сталей очень значительно. На рис. 5 сделана попытка обобщить графически ряд результатов, полученных в на­ стоящее время. Были использованы данные [4, 9] . Величина удар­ ной вязкости в зависимости от удлинения в изломе, сужения, удель­ ной ударной вязкости, предела усталости при знакопеременной нагрузке (левая часть рис. 5) показывает пропорциональное улучше­ ние с увеличением прочности. То же самое получено в поперечном направлении. Улучшение ударной вязкости (центральная часть рис. 5) уменьшается с ростом содержания кислорода, серы, фосфора и увеличением полосчатости структуры. Разброс значений ударной вязкости (правая часть рис. 5), который является важным показа­ телем качества, уменьшается с увеличением чистоты, например при вакуумном переплаве исходного слитка, при повторном переплаве или при увеличении степени деформации. Увеличение размера слитка и повышение прочности способствуют возрастанию разброса.

Чистота переплавленного материала, которая значительно выше, чем у стали, выплавленной на воздухе и нормально дегазированной, увеличивает тенденцию применения переплавленной шарикопод­ шипниковой стали типа 52100.

Как и при производстве других материалов, процесс контроля переплавленного материала начинается со стадии анализов. На

Содержание включений

Рис. 5. Улучшение удар­ ной вязкости после пере­ плава легированной кон­ струкционной стали:

/ — поперечные: 2 — про ­ д о л ь н ы е

Степень деформации

Прочность

рис. 6 приведен химический состав образцов головной части слитка вакуумного переплава как функция ковшового анализа на основные элементы. Пределы анализов по ASTM-A-295—61 показаны для каждого элемента пунктирными линиями. Точность попадания в заданный состав в каждом случае обеспечивалась. Исключение составляли марганец и медь, которые частично испаряются при низком давлении, попадание в заданный состав для исходного и пере­ плавленного сплавов очень хорошее. Отношение содержания мар­ ганца подсчитывается. Однако кажется возможным отказаться от

Новшодаш cocmaä ( до лере/глаба), %

Рис. 6. Химический состав шарикоподшипниковой стали (типа 52100) до и после вакуумного дугового переплава

анализа переплавленного материала и основываться на результатах ковшового анализа исходной плавки.

Содержание включений, определяющих срок службы подшип­ ников, приведено на рис. 7 как для переплавленного, так и для вы­ плавленного на воздухе и дегазированного материалов. Рис. 8 пока­ зывает среднее число загрязненных полей и относительное улучше­ ние чистоты. Вакуумный переплав не уменьшает содержания серы, но вместе с тем распределение сульфидов (включения типа А) улуч­ шается и их размер уменьшается. Хотя содержание включений, определяемых по ASTM-E—45 (методы А и D), может быть сравнимо с относительными содержаниями включений типа В только условно, улучшение после переплава очевидно.

Содержание сульфидов — это один из факторов, определяющих свойства полирования. Это исключительно важно для производства особо прецизионных подшипников, которые теперь изготовляют из вакуумной стали, чтобы уменьшить возможность аварии. Как пока­ зано на рис. 8, очень низкое содержание серы, не более чем несколько тысячных процента, в значительной мере уменьшает содержание сульфидов.

Удовлетворительное содержание включений в этой стали может быть только после добавки 0,010—0,020% AI . Часто утверждают, что высокое содержание алюминия обеспечивает хорошую чистоту. Относительные данные на рис. 9, кажется, доказывают, что это мнение справедливо. На рис. 9 среднее число всех полей с включе­ ниями (а не только среднее число загрязненных полей) показано графически, как функция содержания алюминия. Может показаться, что под влиянием повышенного содержания алюминия максималь­ ный размер включений типа В падает от 2 до 1,5, в то время как

темненная площадь) увеличивается с повышением содержания алю­

69

для заготовок большого масштаба, которые после воздушной плавки и обычной разливки имеют грубые скопления карбидов в центре, применение новых условий плавки значительно улучшает распре­ деление карбидов.

Результаты определений срока службы шарикоподшипниковых сталей, полученные различными методами, значительно расхо­ дятся. Однако можно сказать, что частота преждевременных аварий значительно уменьшается [9]. Различные результаты, которые были получены, следует считать влиянием двойного переплава [11, 12]. Это может быть связано также с исходным содержанием включений

I

i

и способом раскисления. Опыты показывают, что окислы и сульфиды, остающиеся в стали после переплава, влияют на материал.

Стали для холодной прокатки алюминиевой фольги и нежелез­ ных материалов в последнее время также успешно переплавляют в вакууме. По сравнению с материалом воздушной плавки при соответствующем раскислении и подготовке электрода можно суще­ ственно улучшить качество полировки и время между повторными полировками [3], хотя в некоторых случаях высококачественная полировка не требуется. Главной причиной является присутствие очень хорошо распределенного ничтожного количества включений окиси алюминия, которые нельзя оценить ни по одной из известных шкал.

На рис. 10 приведены результаты оценки чистоты, полученные по ASTM—D для стали с 0,80% С и 2,30% Cr. Вначале считалось, что в связи с тем, что переплавленный металл имеет значительно меньшее содержание включений, склонность скапливаться, часто наблюдающаяся на высоконагруженных валках, будет увеличи­ ваться. Это еще неопределенно, но кажется понятным, что мы теперь знаем значительно больше о действительных причинах скапливания.

70,