Даже идеально подобранный химический состав сплава не гарантирует его высоких эксплуатационных характеристик. Не менее важна внутренняя структура металла. Если в процессе кристаллизации внутри слитка образовались скрытые дефекты, прочность, пластичность и долговечность изделия могут существенно снизиться.
К наиболее опасным внутренним дефектам литого металла относятся усадочная раковина, усадочная пористость и газовые раковины. На первый взгляд все они представляют собой обычные пустоты. Однако такие дефекты нередко становятся причиной преждевременного разрушения деталей, снижения механической прочности, появления трещин при обработке и сокращения срока службы изделий.
Почему возникают такие дефекты? Чем они отличаются друг от друга? Разберемся по порядку.
Чтобы понять природу усадочной раковины, достаточно вспомнить обычную форму для льда. При замерзании вода увеличивается в объеме, поэтому лед слегка выступает над краями формы.
С металлами происходит обратный процесс. При переходе из жидкого состояния в твердое большинство сплавов уменьшается в объеме. Если в процессе затвердевания расплав не получает подпитку жидким металлом, внутри слитка образуется крупная полость — усадочная раковина.
Представим, что было отлито 10 тонн стали. После полной кристаллизации объем металла уменьшится примерно на 5 %, что соответствует 0,5 т стали. Образовавшийся недостаток объема и превращается в крупную внутреннюю полость.
Как правило, усадочная раковина располагается:
Такое расположение объясняется особенностями процесса кристаллизации. Наружные слои охлаждаются быстрее и раньше переходят в твердое состояние, тогда как центральная часть еще долго остается жидкой. Именно здесь и концентрируется объемная усадка.
Если усадочную раковину своевременно не удалить, дефект может попасть в дальнейшую обработку. Во время прокатки или ковки крупная полость вытягивается вдоль направления деформации и превращается во внутреннее расслоение или центральную рыхлость, что резко ухудшает эксплуатационные свойства металлопроката.
Полностью исключить образование усадочной раковины невозможно — она является следствием законов физики. Поэтому задача металлургов заключается не в устранении самого явления, а в управлении процессом кристаллизации.
Современная металлургия использует целый комплекс методов борьбы с усадочными раковинами. Все они направлены на обеспечение непрерывной подпитки затвердевающего металла жидкой фазой вплоть до окончания кристаллизации.
Если усадочная раковина напоминает одну большую пещеру, то усадочная пористость больше похожа на структуру швейцарского сыра, состоящую из множества пустот. Она возникает на завершающей стадии кристаллизации, когда металл уже сформировал пространственный дендритный каркас.
Между растущими дендритами остаются небольшие объемы жидкого расплава. По мере дальнейшего охлаждения каналы становятся слишком узкими для поступления новой жидкой фазы. В результате оставшийся металл уже не способен компенсировать объемную усадку, и на месте последних участков расплава формируются микропоры.
Обычно такие дефекты концентрируются:
Хотя размеры отдельных пор могут составлять лишь несколько десятков микрометров, их суммарное влияние на свойства материала весьма заметно.
Даже микроскопическая пустота существенно изменяет распределение напряжений внутри материала.
Основные негативные последствия усадочной пористости включают:
Особенно опасно то, что каждая пора становится естественным концентратором напряжений: локальные напряжения вблизи таких дефектов могут многократно превышать средние значения по объему детали. Поэтому развитие усталостной трещины практически всегда начинается в области внутренних пустот.
Кроме того, пористость способствует развитию коррозии. В микрополостях способны задерживаться влага, электролиты и агрессивные химические вещества. В результате создаются благоприятные условия для локальной, в том числе питтинговой, коррозии, которая постепенно разрушает материал изнутри.
Несмотря на внешнее сходство с усадочными дефектами, газовые раковины имеют совершенно иной механизм образования. Во время плавки жидкий металл активно взаимодействует с окружающей средой и способен растворять различные газы, в частности, кислород, водород, азот и оксид углерода.
Растворимость газов в жидком состоянии значительно выше, чем в твердом. Во время охлаждения расплав начинает «выталкивать» избыточные газы обратно. Если затвердевание происходит слишком быстро или металл недостаточно очищен, пузырьки не успевают выйти на поверхность и остаются внутри слитка. Так образуются газовые раковины.
Хотя оба вида дефектов представляют собой внутренние полости, их происхождение принципиально различается. Усадочные дефекты возникают из-за уменьшения объема металла при затвердевании, тогда как газовые — вследствие выделения растворенных газов во время кристаллизации.
Это различие хорошо заметно при металлографическом исследовании.
Для газовых раковин характерны:
Усадочные поры, напротив, отличаются:
По этим признакам специалисты нередко определяют природу внутренних дефектов и причины их возникновения.
Для сплавов, не требующих сверхнизкого содержания газов, мы применяем открытые индукционные печи средней частоты. Их преимущество — активное рафинирование под шлаком.
Переменное электромагнитное поле вызывает интенсивное перемешивание жидкого металла. Благодаря этому расплав становится более однородным по химическому составу и температуре, а процессы рафинирования протекают намного эффективнее.
Во время плавки одновременно происходят:
Дополнительно в шихту вводятся специальные раскислители, которые связывают свободный кислород в устойчивые оксиды, предотвращая образование газовых дефектов.
Однако полностью исключить взаимодействие расплава с атмосферой открытая плавка не позволяет. Поэтому для наиболее ответственных сплавов применяется вакуумная индукционная плавка.
Когда заказчику требуется особенно чистый сплав, мы используем выплавку в вакуумных индукционных печах. Расплавление шихты происходит в герметичной камере, из которой откачан воздух.
Что это дает?
Усадочные и газовые дефекты — это не случайность, а закономерный результат физических процессов, сопровождающих плавление и кристаллизацию металлов. Металл неизбежно уменьшается в объеме при затвердевании и способен растворять значительное количество газов в жидком состоянии. Задача современной металлургии заключается не в том, чтобы изменить законы физики, а в том, чтобы максимально эффективно управлять ими.
Именно поэтому на ПЗПС используются современные технологии выплавки, позволяющие получать металл с высокой структурной однородностью и минимальным количеством внутренних дефектов. В зависимости от требований к продукции применяются как открытая индукционная плавка с эффективным рафинированием под шлаком, так и вакуумная индукционная плавка, обеспечивающая глубокую дегазацию расплава и исключительную металлургическую чистоту.
Для различных отраслей промышленности ПЗПС выпускает широкий ассортимент холоднокатаной ленты из специальных сталей и прецизионных сплавов:
Современные технологии выплавки, строгий контроль химического состава и качества металла на всех этапах производства обеспечивают стабильность свойств продукции и ее соответствие высоким требованиям машиностроения, приборостроения, авиационной, энергетической и электронной промышленности.
