Выбор рациональных параметров слитков

Рациональная форма исходного слитка является одним из решающих условий обеспечения высокого качества поковки и в то же время элементом технологического процесса, определяю­щим степень его экономичности.

Главные требования к слитку заключаются в минимальном развитии усадочных и ликвационных явлений, в плотном строе­нии центральной зоны слитка. Эти требования особенно важны применительно к легированным и высоколегированным сталям, содержащим никель, хром, ванадий, титан и другие элементы, так как характер поковок, изготовляемых из специальных сталей, во многих случаях не только не позволяет удалить осевую зону слитка, но и вынуждает использовать ее для формирования наи­более ответственных участков детали (например, дисков газовых турбин без центральных отверстий). При этом усадочные дефекты слитка во время деформирования завариваются с большим тру­дом и нередко даже специальные сложные приемы ковки не при­водят к получению годного изделия.

Развитие металлургических пороков в слитке во многом за­висит от его веса и профиля, главными параметрами которого являются отношение высоты к среднему диаметру и конусность, обусловливающие направленность кристаллизации слитка. Сочетание этих элементов оказывает решающее влияние на его физическое строение и степень химической однородности. Увеличение относительной высоты слитка, с одной стороны, умень­шает внецентренную ликвацию вследствие быстрого затвердева­ния слитка и ограниченного протекания диффузионных процес­сов, с другой — способствует развитию осевой рыхлости, так как в данном случае горизонтальное затвердевание опережает вертикальное; в укороченных же слитках наблюдается обратное явление. Менее четкая направленность затвердевания в слитках с увеличенным отношением вызывает формирование менее плотной осевой зоны. Повышение конусности слитка улучшает его внутреннее строение — сужает зону распространения осевой рыхлости. Подбором оптимальных параметров и конусности может быть получен слиток, в наибольшей степени удовлетворяю­щий требованиям по физической и химической однородности ме­талла. Однако при этом надлежит учитывать и экономический фактор: слиток удлиненной формы, как правило, оказывается более рентабельным, чем укороченный. Экономичность удлинен­ного слитка определяется, во-первых, более высоким выходом годного в связи с относительно уменьшенным объемом прибыли и, во-вторых, повышенной производительностью ковочного обо­рудования в тех случаях, когда коэффициент укова при вытяжке оказывается достаточным для данных конкретных поковок.

Выбор оптимального профиля слитка должен производиться с учетом применяемых сталей, конфигурации поковок и степени их ответственности. Например, при выполнении из специальных сталей поковок типа колец или втулок вопрос о высокой плотно­сти макроструктуры слитка имеет не столь решающее значение, как при ковке газотурбинного диска без центральной расточки. В первом случае осевая зона слитка в известной мере удаляется при прошивке, во втором — эта же зона слитка формирует кон­структивно наиболее напряженную часть диска — ступицу, кон­тролируемую травлением, ультразвуком и механическими испы­таниями на тангенциальных образцах. Отдельные поковки даже сложной формы, выполняемые из хорошо завариваемой при ковке стали, могут быть вполне надежно изготовлены из слитков с менее плотным строением, но такие же слитки иногда совершенно не­пригодны при использовании труднозавариваемой стали (напри­мер, ЭИ802 или 15X11МФБ).

Таким образом, для поковок из специальных сталей, типы, классы и номенклатура которых отличаются большим разнообра­зием, нецелесообразно ориентироваться на универсальный про­филь слитка. Изучение особенностей поковок и применяемых ма­рок стали в конкретных производственных условиях позволяет вполне уверенно классифицировать их по степени требуемой плот­ности осевой зоны исходного слитка и для каждой группы поковок выбрать слиток, наиболее рациональный не только по условиям качества поковок, но и по экономичности его использования.

В табл. 2 приведены основные размеры и другие параметры слитков, используемых для изготовления поковок ответственного назначения из специальных сталей. Форма слитков в поперечном сечении во всех случаях восьмигранная.

На НЗЛ значительным распространением пользуются слитки с повышенной конусностью при отношении около 1,7. Слитки весом до 5,7 т выполняются со стационарной надставкой, слитки большего веса — с плавающей надставкой. Профиль слитка создает условия для известной направленности кристаллизации с минимальным развитием усадочных явлений. Длительной про­изводственной проверкой установлены вполне удовлетворитель­ные результаты при использовании слитков с повышенной ко­нусностью для сложных поковок из многих легированных и вы­соколегированных сталей перлитного и аустенитного классов, чтo подтверждает относительно плотное и однородное строение слитка. Характер развития осевых дефектов в слитке таков, что они успешно завариваются в нормальных условиях ковки, в том числе при выполнении поковок типа роторов из стали 2X13, сплошных дисков без центральных отверстий из сталей ЭИ415, Х18Н9Т, ЭИ572 и даже поковок из аустенитной стали весьма сложного состава (Х18Н22В2Т2). При этом в поковках не отмечены отрицательные явления, которые могли бы быть связаны с повы­шенной ликвационной неоднородностью слитка.

Однако эффект использования слитков рассматриваемого профиля не всегда положителен. На практике иногда фиксируются случаи, когда в центральных зонах поковок выявляются остаточ­ные дефекты слитка в виде расслоений и незаварившихся пор, несмотря на интенсивную механическую проработку металла. Это отмечено главным образом в поковках высокохромистых сложнолегированных сталей мартенситного класса (ЭИ802 и 15X11МФБ).

Разрезка одного из слитков весом 3,75 т из стали ЭИ802, действительно, подтвердила наличие в осевой зоне, преимуще­ственно в средней трети слитка по высоте, довольно развитых уса­дочных пороков. Наиболее существенные дефекты в виде сосредо­точенной усадочной рыхлости по вертикали длиной около 150 мм и шириной 40—50 мм расположены примерно на половине высоты слитка. Усадочная раковина не выходит за пределы прибыли, ниже которой расположен слой плотного металла. Не имеет следов рыхлости и нижняя часть слитка. Степень развития зоны осевых дефектов в поперечном направлении только в одном се­чении достигает 50 мм, в остальных сечениях она менее ярко выражена и не превышает 20—30 мм.

Плохая завариваемость при ковке стали ЭИ802 и других ана­логичных ей сталей не позволяет уверенно применять слиток рас­сматриваемого профиля для ответственных поковок, при выпол­нении которых осевая зона слитка не удаляется. Только исполь­зование особо чистых плавок и применение сложных приемов деформирования приводит к полной заварке усадочных дефектов слитка.

Применительно к сложным высоколегированным сталям, ис­пользуемым для производства поковок со сплошным сечением, представляет интерес группа слитков (табл. 2), профиль которых отличается тройной конусностью и низким отношением .

В слитке с тройной конусностью по мере перехода от верхней части к средней и от средней к нижней конусность резко повышается (от 5,7 до 53% на обе стороны). Отношение равно 1,5. Форма донной части сферическая. Прибыльная часть по сравне­нию с обычными слитками велика и составляет 28% от общего веса. Слитки такого профиля запроектированы и впервые исполь­зованы для производства поковок из высоколегированных сталей на Уралмашзаводе. В дальнейшем применение их распространи­лось и на некоторые другие заводы, изготовляющие поковки из специальных сталей. Главное преимущество слитков с трой­ной конусностью заключается в меньшем распространении уса­дочных пороков и, следовательно, в большей плотности и одно­родности слитка.

При разрезке и исследовании слитка весом 1,3 т из стали ЭИ405 [14] установлено, что в слитке при отсутствии развитой осевой рыхлости наблюдаются только очень тонкие прерывистые межкристаллитные трещины в узкой области осевой зоны слитка, т. е. усадочная рыхлость имеет весьма ограниченное распростра­нение. Аналогичная картина получена и при исследовании на H3JI трехконусного слитка весом 2,1 т из стали 15X11МФБ. Отсутствие на поверхности продольного темплета крупных усадочных дефек­тов выгодно отличает его от других слитков.

Анализ результатов производства позволяет дать положитель­ную оценку слитку с тройной конусностью с точки зрения каче­ства. готовых поковок из сложнолегированных сталей. Это, в частности, относится к сложным в металлургическом отношении поковкам из стали ЭИ802 и 15X11МФБ, контролируемым весьма тонкими видами дефектоскопии.

Однако трехконусный слиток является неэкономичным: боль­шой вес прибыли резко повышает удельный расход металла про­тив слитков с обычными параметрами, а относительно большой диаметр (в тех случаях, когда он не требуется по условиям укова) усложняет технологический цикл ковки, вызывая дополнительные нагревы и повышенную трудоемкость изготовления поковки. В сопоставлении со слитками обычных параметров расход металла на тонну годных поковок увеличивается в среднем на 15—17%.

Наиболее экономичным, резко повышающим основные технико-экономические показатели производства поковок являются слитки удлиненной формы (табл. 2). Их применение на 10—15% умень­шает расход металла, на 10—20% повышает производительность ковочного оборудования и увеличивает пропускную способность нагревательных печей. В связи с этим анализ и техническая оценка возможности использования удлиненных слитков для ши­рокой номенклатуры поковок из специальных сталей представляют большой практический интерес.

При = 3,33,4 и увеличенной конусности слитки весом до 6 т имеют видоизмененную прибыль, составляющую одно це­лое с изложницей и расширяющуюся кверху, что способствует более плотному строению слитка и сокращению глубины распро­странения усадочной раковины.

Разрезка слитка из перлитной хромомолибденовой стали весом 2,17 т и изучение продольного темплета показали, что усадочная раковина имеет чашеобразную форму и по максимальной протя­женности соответствует примерно ²/₃ прибыли. На полированной поверхности темплета не наблюдается каких-либо пороков и только после глубокого травления в центральной части, в радиусе до 30 мм от оси, обнаружились дефекты в виде точечной рыхлости н мелких нор. По высоте слитка зона дефектов имеет общую про­тяженность около 30%. Отмечено относительно более слабое по сравнению с обычными слитками развитие внецентренной ликвации.

Слитки удлиненной формы широко применяются на НЗЛ для большого количества поковок разного веса и различных конфи­гураций (в том числе для дисков без центральных отверстий) из сталей перлитного класса. В ответственных поковках, изготов­ленных из этих слитков даже с коэффициентами укова, меньшими, чем при ковке слитков обычных параметров, дефекты, связанные с осевыми пороками слитка, как правило, не обнаруживаются.

Получены положительные результаты использования удли­ненных слитков и для поковок из аустенитных сталей. В частности, из слитков удлиненного профиля весом 2,17 и 3,5 т было освоено производство поковок сложного газотурбинного диска со сплошной ступицей (аустенитная сталь ЭИ572). При контроле опытной партии таких поковок, а затем и большого количества производственных партий не выявлены следы усадочных дефектов слитка. При исследовании удлиненного слитка весом 2,17 т из аустенитной стали Х18Н9Т в осевой зоне обнаружено наличие тонкой, но явно выраженной межкристаллитной трещины про­тяженностью до ²/₃ высоты слитка, локализованной строго по гео­метрической оси слитка. В верхней его части трещина начинается ниже места плотного металла, в нижней — на расстоянии 400— 450 мм от кюмпельной части. В поперечных сечениях слитка раз­меры трещины не превышают 2—3 мм; развития осевой рыхлости и пор в радиальном направлении почти не наблюдается. Таким образом, особенностью удлиненного слитка из аустенитной стали является весьма ограниченное развитие усадочных дефектов в поперечном направлении при большой протяженности их в про­дольном направлении.

Сопоставление данных исследования с практическими резуль­татами контроля поковок, откованных из слитков такого типа, приводит к заключению, что отсутствие внутренних дефектов в по­ковках из аустенитной стали обусловлено не столько высокой плот­ностью осевой зоны удлиненного слитка, сколько хорошей завариваемостью дефектов при ковке. Помимо самой физической природы стали этому способствует и надежная изоляция межкристаллитной трещины в слитке, предохраняющая ее от окисления стенок при нагреве. Что касается минимальных степеней укова, требуемых для эффективной заварки усадочных пороков удлиненного слитка, то, как показали обстоятельные исследования, подробно приве­денные в гл. VIII, они невелики и, как правило, вполне обеспе­чиваются обычными процессами ковки.

На некоторых заводах применение слитков с тройной конус­ностью для поковок из аустенитных сталей без центральных от­верстий считалось обязательным условием успешного их выпол­нения. Опыт H3J1 по применению слитков удлиненной формы из высоколегированных сталей, в том числе и из сталей аустенитного класса, показал возможность широкого их использования для сложных, весьма ответственных поковок.

Значительно сложнее обстоит вопрос с использованием удли­ненных слитков для группы высокохромистых сталей мартенситного класса (ЭИ802, 15X11МФБ и др.).

Попытки использовать удлиненный слиток даже небольшого веса (2,17 т) для поковок сплошного сечения практически сле­дует оценить как безуспешные: в единичных случаях поковки ока­зывались высокого качества, но стабильных удовлетворительных результатов получить не удалось, несмотря на применение ряда эффективных технологических процессов ковки с попеременно направленной деформацией и большими степенями укова в бла­гоприятных температурно-скоростных условиях. Дефекты, вы­являемые в поковках ультразвуком, а затем и макроисследованием (при разрезке деталей), подтверждали их связь с незаварившимися пороками слитка.

Один из слитков стали 15X11МФБ весом 2,17 т подвергался разрезке. По всей длине центральной области слитка, за исключе­нием подприбыльной и донной частей, наблюдается развитая усадочная рыхлость с вытянутыми вдоль оси слитка прерывистыми трещинами и раковинами. Ширина зоны ярко выраженной осе­вой рыхлости составляет 50—70 мм. Анализом микроструктуры металла центральной зоны установлено наличие цепочек карби­дов и окислов, расположенных по границам зерен, а также дефекты в виде межкристаллитной несплошности. По-видимому, процесс полной заварки осевых дефектов в стали такого типа может быть завершен только при использовании металла очень высокой сте­пени чистоты. Так как при выплавке сложнолегированных высо­кохромистых сталей в дуговых электропечах это условие практи­чески трудно выполнимо, следует особо критически отнестись к выбору оптимального профиля слитка. Несмотря на повышен­ный расход металла представляется целесообразным использова­ние для сложных поковок из таких сталей слитка с тройной конусностью, как наиболее надежного в отношении конечных результатов производства, или, по крайней мере, слитка с повы­шенной конусностью (табл.2).

К дополнительным факторам, оказывающим влияние на плот­ность строения слитка, относятся характер прибыльной надставки и толщина стенок изложницы. В практике производства кузнеч­ных слитков из специальных сталей широко применяются два вида прибыли: стационарная и с плавающей надставкой. Наличие плавающей надставки, установленной ближе к нижнему положе­нию, неблагоприятно сказывается на качестве слитка, так как вызывает значительный отвод тепла в верхнюю выступающую часть изложницы, способствуя образованию предприбыльного «моста» и ухудшая условия кристаллизации центральной зоны. Поэтому при заливке слитков ответственного назначения весьма желательно избегать такого положения плавающей надставки, ^а еще лучше применять изложницы со стационарной прибылью.

Представляет известный интерес вопрос о применении тонко­стенных изложниц. Исследования, проведенные в этой области [15, 16], показывают, что использование таких изложниц для слитков из высоколегированных сталей повышает плотность осе­вой зоны слитка и приводит к улучшению качества поковок.

Экспериментальные работы по применению тонкостенных из­ложниц для слитков удлиненного профиля из стали 15X11МФБ проводились и на H3JI. Исследованием слитка весом 2,17 т уста­новлено заметное уменьшение объема осевой усадочной рыхло­сти. Партия опытных поковок, откованных из таких слитков, оказалась удовлетворительного качества. Однако результаты опыт­ных работ требуют дополнительных исследований и более обстоя-^- тельной проверки в производственных условиях целесообразно­сти применения тонкостенных изложниц.

С увеличением веса слитка повышается степень развития в нем дефектов ликвационного и усадочного происхождения. Поэтому надо стремиться к использованию слитка минимально необходи­мого веса. Однако общее правило- о преимущественном выборе слитка минимального веса с расчетом использования его на одну поковку не всегда является оптимальным. Дело не только в боль­шей экономичности процесса, которая иногда сопутствует исполь­зованию одного слитка на несколько поковок, или в более рацио­нальной организации работ при разливке жидкой стали, но и в особенностях технологии ковки, оказывающих влияние на эффек­тивность механической проработки металла, а следовательно, и на качество поковок. В виде примера можно привести один из техно­логических процессов ковки газотурбинного диска из стали ЭИ802, при ковке которого была установлена необходимость пред­варительной эффективной вытяжки слитка (до промежуточной осадки) с целью заварки осевых дефектов. Такой процесс оказа­лось возможным осуществить только при условии выбора слитка удвоенного веса, т. е. на две поковки. В некоторых случаях це­лесообразность выбора слитка больших размеров, чем это не­обходимо по его весовому соотношению с готовой поковкой, определяется нежелательностью применения больших степеней осадки. Это бывает, например, при ковке некоторых деталей типа колец из труднодеформируемых сталей, когда применение зна­чительной осадки слитка или заготовки до раскатки не вызывается соображениями качества детали. В данном случае использование слитка большего веса (на 2—3 детали) позволяет (в связи с увели­ченным поперечным сечением) резко уменьшить степень осадки каждой заготовки и улучшить условия деформируемости стали без ущерба для качества изделия. Наконец, применение слитка на 2—3 поковки при благоприятной их конфигурации, когда цен­тральная зона слитка удаляется, иногда целесообразно по тех­нико-экономическим соображениям.

Таким образом, общий принцип использования слитка мини­мального веса следует считать правилом, не исключающим в от­дельных случаях и иных решений, особенно применительно к слиткам весом до 4—5 т.

Дата добавления: 2014-01-07