Характеристика слитков и режимов их деформирования в машиностроении

Металлургические условия получения слитков
 Выплавка и разливка стали. Производство деформированных заготовок с высокими механическими свойствами металла включает следующие основные переделы:
 1) выплавку и разливку стали;
 2) пластическое деформирование слитков;
 3) термообработку заготовок.
 Качество деформированного металла в значительной мере зависит от качества слитков, применяемых для получения деформированных заготовок для машиностроения.
 Связь конечных свойств деформированных стальных изделий со структурой литой заготовки впервые установлена П. П. Аносовым.
 Внутреннее строение слитка определяется условиями кристаллизации жидкого металла в изложницах, в зависимости от которых образуются три характерные зоны макроструктуры у небольшого слитка и пять зон у крупного.
Наряду с большой структурной неоднородностью в слитках, выпускаемых для нужд машиностроения, значительно выражена химическая неоднородность (дендритная и зональная) как следствие перераспределения примесей при кристаллизации — образование зон вне осевой ликвации, вытянутых под углом к оси слитка, в которых содержание серы может быть увеличено в 25— 30 раз.
 После окончания разливки металла, при последующей кристаллизации в изложнице, образуются усадочная раковина, осевая пористость, внутренние и наружные трещины. Осевая пористость обусловливает низкие механические свойства металла в довольно обширной области протяженностью, составляющей до 60 % высоты конуса слитка и до 15 % его поперечного сечения. Внутренние поперечные и мелкие осевые трещины также снижают качество литого металла. При кристаллизации слитков уменьшается растворимость газов в металле, что приводит к образованию пузырей в подкорковой зоне. Повышенное содержание водорода в стали служит причиной образования флокенов; загрязненность слитка неметаллическими включениями (оксидами, силикатами, сульфидами и др.) понижает пластические характеристики стали. Для улучшения качества металла слитков применяют циркуляционное вакуумирование жидкого металла, а также обработку металла в ковше инертными газами, жидкими синтетическими шлаками, что позволяет снизить содержание неметаллических включений, газов и повысить механические свойства металла. Определенные результаты может дать регулирование фронта кристаллизации металла в слитке. Экспериментальными исследованиями доказано, что при скорости кристаллизации, превышающей 1,8 мм/мин, ликвация серы, фосфора и азота может быть практически исключена. В частности, применение микрохолодильников в изложнице в виде железного порошка позволяет рассредоточить ликвационные зоны по сечению слитка. Улучшить внутреннее строение слитка и повысить качество металла удается путем изменения условий работы прибыли, например при использовании закрытых прибыльных надставок, обогреве прибыльной части слитка, что является также средством уменьшения расхода металла и увеличения выхода годного. Электрошлаковый переплав позволяет повысить качество исходного жидкого металла, однако в настоящее время этим способом возможно получить слитки массой лишь в несколько десятков тонн. Использование слитков электрошлакового переплава для получения крупных заготовок массой 110—200 т стало реальным благодаря электрошлаковой сварке.
 Особенности строения слитков. Наибольшее распространение в машиностроительном производстве получили слитки восьмигранного сечения с объемом прибыли 18—22 %, конусностью корпуса (на обе стороны) 2—5 % и отношением длины к диаметру сечения 1,8—2,3. При изготовлении поковок типа валов выход годного из этих слитков составляет в среднем 65 %.
 Для поковок из высоколегированных сталей и крупных поковок ответственного назначения применяют слитки с повышенной, двойной и тройной конусностью. Объем их прибыли 22—27 %, конусность 10—12 %, отношение длины к поперечному размеру 1,5—1,6. Выход годного из этих слитков 60—62 %. Для поковок, получаемых только протяжкой, все большее применение находят удлиненные слитки, для которых отношение длины к поперечному размеру составляет 3,7—4,3, конусность корпуса 5—6 %, объем прибыли 12—14 %, выход годного до 75 %. Удлиненные слитки отливают массой не более 13 т.
 Особую группу составляют слитки с отношением длины к поперечному размеру, близким к единице, и конусностью корпуса 13—16 %. Они применяются при изготовлении поковок роторов и валков, но ввиду низкого выхода годного (55—58 %) широкого распространения в машиностроении не получили. Для большинства слитков характерно наличие поверхностных дефектов, неоднородность макроструктуры и ликвация химических элементов. Продольные и поперечные трещины возникают при усадке металла; завороты корочки, плены образуются на поверхности слитка из-за разбрызгивания металла при разливке; в участках, примыкающих к ребрам слитков, могут возникать продольные трещины и прослойки металла, обогащенные ликватами. Наибольшее число внутренних дефектов слитка сосредоточено в двух зонах его макро строения — осевой и вне осевой.
 Осевая зона, характеризующаяся мелкой усадочной пористостью и скоплением примесей серы, фосфора и углерода, получила название зоны V-образной ликвации, так как усадочные пустоты и скопления примесей дают характерный V-образный рисунок. Вне осевая зона неоднородности, получившая название зоны А-образной ликвации, расположена между зоной столбчатых кристаллов и осевой зоной в области, образованной дендритами, не имеющими четко выраженной ориентации. В верхней части слитка эта зона расположена дальше от поверхности, чем в нижней, образуя конусообразную область.
 Содержание углерода, серы и фосфора резко повышается в осевой зоне под прибыльной части слитков и в ликвационных зонах. Различие в составе металла одного слитка в разных зонах бывает настолько велико, что соответствует разным маркам стали. Ликвация химических элементов отрицательно сказывается на пластичности металла слитка. Отдельные случаи неудовлетворительных результатов эксплуатации изделий могут быть прямо или косвенно связаны именно с этими недостатками слитка. Например, зона дефектов в поковках, обнаруженная ультразвуковым контролем, соответствует зоне наибольшего скопления дефектов усадочного происхождения в слитке и зоне максимальной ликвации элементов. Способ выплавки и разливки значительно влияет на содержание неметаллических включений в стали, на его газонасыщенность, а следовательно, и на качество слитка. В то же время качество слитка связано с конфигурацией и соотношением его размеров. Так, характерной особенностью укороченного слитка является развитая зона внеосевой (А-образной) неоднородности и относительно менее развитая зона осевой (V-образной) ликвации и высокая плотность металла в осевой зоне. Слитки с отношением высоты к поперечному размеру, близким к единице, имеют плотную осевую зону и развитую внеосевую ликвацию. Удлиненные слитки характеризуются слабо развитой внеосевой неоднородностью, резко выраженной V-образной неоднородностью и осевой зоной пониженной плотности, занимающей более 75 % высоты корпуса слитка. Увеличение конусности слитка благоприятно сказывается на повышении плотности осевой зоны ввиду хороших условий питания жидким металлом затвердевающего объема. Таким образом, изменяя конструкцию изложницы, можно воздействовать на образование дефектов в слитке, а следовательно, и управлять его качеством в соответствии с последующими конкретными условиями эксплуатации получаемых из них деформированных изделий. При затвердевании слитка происходит перераспределение примесей в результате диффузии (молекулярной и конвективной) из области двухфазного состояния стали в жидкую область. Следовательно, на качество слитка будет оказывать влияние скорость кристаллизации, так как процессы диффузии проходят во времени. Движение потока жидкости в процессе кристаллизации металла является условием образования зоны осевой неоднородности в слитке. Медленная кристаллизация металла в изложнице способствует развитию зоны осевой неоднородности. Уменьшить осевую неоднородность слитка можно путем создания условий для последовательного затвердевания, направленного к источнику питания слитка жидким металлом, т. е. к прибыльной надставке. Точно так же скорость кристаллизации влияет на внеосевую ликвацию. Чем больше скорость кристаллизации, тем глубже от поверхности и тем менее выражена внеосевая ликвация. Увеличение массы слитков сопровождается ростом ликвационных пороков вследствие снижения скорости кристаллизации и более полного прохождения диффузионных процессов. Скорость кристаллизации обусловлена главным образом интенсивностью теплоотвода с поверхности изложницы в процессе затвердевания. Поэтому различными способами интенсификации теплоотвода можно снижать неоднородность макро строения металла слитка. Одним из путей интенсификации теплоотвода является увеличение площади теплоотводящей поверхности слитка без изменения его массы.
 Таким образом, слитки как объекты деформирования интересны наличием особенностей в виде зон ликвации элементов и дефектов усадочного происхождения, занимающих различные участки объемов. Знание исходной структуры объекта деформации необходимо для правильной разработки технологии ковки, обеспечивающей закрытие дефектов усадочного происхождения в заданной зоне исходного слитка. Знание природы образования дефектов в слитке позволяет перераспределять их в объеме слитка в соответствии с особенностями пластического течения в процессе ОМД и с требованиями, предъявляемыми при эксплуатации изделий. Частично эту задачу решают путем изменения конфигурации слитка (соотношения размеров, конусности, формы поперечного и продольного сечений).