Строение стального слитка и его дефекты

Слитки затвердевают в изложнице неравномерно, поэтому их строение неоднородно (рис. 5.9). У стенок изложницы охлаждение происходит быстрее, поэтому здесь получаются мелкие кристаллы 3. Дальше от стенок охлаждение замедляется, и рост кристаллов идет в направлении теплоотвода, вследствие чего получаются вытянутые к центру столбчатые кристаллы 2. Они занимают большую часть слитка. В центре металл охлаждается медленнее и равномернее; при этом получаются крупные беспорядочно ориентированные кристаллы 1. Уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое приводит к образованию в центре слитка, в верхней его части, усадочной раковины 4. Усадочные раковины могут быть небольших размеров, а могут быть вытянуты вдоль слитка на большую глубину; они могут быть сосредоточены в одном месте или рассеяны. Чтобы устранить усадочную раковину, применяют специальные утепленные керамические надставки – прибыли, которые срезают вместе с раковиной.

Кроме усадочных раковин, в слитке могут образоваться и другие дефекты: усадочная рыхлость, ликвация, газовые пузыри, трещины.

Рис. 5.9. Строение стального слитка: 1 – крупные равноосные кристаллы; 2 – столбчатые кристаллы; 3 – мелкие равноосные кристаллы; 4 – усадочная раковина

Усадочная рыхлость – мелкие пустоты, скапливающиеся в центре слитка; причина их появления – неравномерное охлаждение и уменьшение объема при затвердевании.

Ликвация – химическая неоднородность слитка, т.е. неравномерное распределение примесей по сечению слитка. Она вызывается неравномерностью кристаллизации. Вначале кристаллизующиеся зерна содержат меньше серы и фосфора, т.к. эти элементы понижают температуру плавления стали. В кристаллах, затвердевающих позднее, этих примесей значительно больше. Химическая неоднородность отрицательно влияет на механические свойства металлов.

Газовые пузыри (раковины) – пустоты внутри слитка (иногда на поверхности). Образуются вследствие растворения газов в жидком металле.

Трещины – наружные, внутренние, продольные и поперечные. Причина трещин – внутренние напряжения, возникающие вследствие неравномерности охлаждения металла.

^ Способы повышения качества стали

Развитие машиностроения и приборостроения предъявляет все более высокие требования к качеству стали: прочности, пластичности, износостойкости. Повысить эти показатели можно уменьшением в металле вредных примесей, газов, неметаллических включений. Для этого существует несколько способов.

^ Обработка металлов синтетическими шлаками.

Синтетический шлак, состоящий из 55% СаО, 40% Al₂O₃, небольшого количества SiO₂, MgO и минимума FeO выплавляют в электропечи и заливают в ковш. В этот же ковш заливают сталь. При перемешивании стали и шлака поверхность их взаимодействия резко возрастает, и реакция между ними протекает гораздо быстрее, чем в плавильной печи. Обработанная таким образом сталь содержит меньше серы, кислорода и неметаллических включений, что повышает её пластичность и прочность. Такие стали используют для изготовления ответственных деталей машин.

^ Вакуумная дегазация.

Сущность процесса заключается в снижении растворимости газов в жидкой стали при снижении давления над жидким металлом, при этом газы выделяются из металла. При вакуумировании стали в ковше сталеразливочный ковш помещают в вакуумную камеру на 12…15 минут. Кроме вакуумирования в ковше применяется циркуляционное и поточное вакуумирование.

^ Электрошлаковый переплав (ЭШП).

Этот метод применяют для выплавки высококачественных сталей шарикоподшипниковых и жаропрочных сталей. Переплаву подвергают выплавленный в дуговой печи и прокатанный на круглые прутки металл.

Рис.5.10. Схема электрошлакового переплава расходуемым электродом.

Источником теплоты при ЭШП является шлаковая ванна, нагреваемая при прохождении через неё электрического тока. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1 (рис.5.10), погруженному в шлаковую ванну 2, и к поддону 9, установленному в водоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8. Выделяющаяся теплота нагревает шлаковую ванну до температуры свыше 1700 º С и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходя через шлак, образуют под шлаковым слоем металлическую ванну 4.

Перенос капель металла через основной шлак способствует удалению из металла серы, неметаллических включений и растворенных газов. Металлическая ванна непрерывно пополняется путем расплавления электрода и под воздействием кристаллизатора формируется в слиток 6. Направленная кристаллизация способствует получению плотного однородного слитка, что гарантирует высокие механические и эксплуатационные свойства стали.

^ Вакуумно-дуговой переплав (ВДП).

Этот метод позволяет уменьшить содержание в стали газов и неметаллических примесей. Процесс осуществляется в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом (рис. 5.11). Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и помещают в печь 1, а далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из печи откачивают воздух. При подачи напряжения между расходуемым электродом – катодом 3 и затравкой – анодом 8 возникает дуга. Возникающая дуга расплавляет конец электрода; капли жидкого металла 4, проходя зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Сильное охлаждение слитка и разогрев дугой ванны металла создают условия для направленной кристаллизации, поэтому неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка. Слитки после ВДП отличаются высокой химической однородностью и повышенными механическими свойствами.

Чем крупнее слиток, тем больше время его затвердевания, тем сильнее развиваются ликвациоиные процессы. Хотя последующий передел слитков (ковка и термическая обработка) несколько уменьшают микро- и макронеоднородность, особенности первичной структуры   могут в той или иной степени сохраняться, [c.607]
Обычно стальной слиток состоит из трех структурных зон наружной мелкозернистой, так называемой зоны замороженных кристаллов, затем следует столбчатая зона и в центре слитка — зона равноосных кристаллов. В некоторых случаях в крупных стальных слитках обнаруживали пять структурных зон три равноосные и две столбчатые. Центральнаяравноосная зона также неоднородна как в радиальном, так и в осевом направлениях. Размер кристаллов по радиусу центральной зоны увеличивается с приближением к оси слитка. В нижней области центральной зоны слитка часто наблюдается конус осаждениямелких кристаллов, а в верхней, около усадочных раковин, сосредоточены крупныеравноосные кристаллы. Для изучения механизма образования структурных зон слитка необходимо проводить исследования в условиях, исключающих вклад такого неконтролируемого фактора, как способ разливки , цлияющегр [c.74]