плавильный тигель; 2 — расходуемый элект­род; 3 — жидкий щлак; 4 — расплавленный металл; 5 — металлическая форма (изложница); 6 — зали­вочная воронка; 7 — крышка

Разливка металла при ЭКЛ.

Электрошлаковое кокильное литье предусматривает заливку в кокиль металла вместе со шлаком. Кокиль — металлическая неохлаждаемая форма. Превосходно ведут себя и стальные, и чугунные формы: в ряде случаев вполне оправдывают себя и массивные неохлаждаемые формы из меди или бронзы. Но в качестве кокиля могут служить и обычные неметаллические литейные формы.

Нетрудно догадаться, что коль скоро эти технологии отличаются от всех известных ранее совместной заливкой металла со шлаком, то они должны отличаться наличием специальных мер или средств для разделения этих двух расплавов. Ведь потребителю нужна отливка из металла, а не из шлака и тем более не из шлакометаллической (или металлошлаковой) смеси. Рассмотрим, что же происходит (или может произойти), если эти специальные меры не предпринимаются.

При заливке обоих расплавов в металлическую форму на ее стенках образуется шлаковый гарнисаж, затрудняющий в известной степени теплопередачу от расплава в форму. Тем не менее, затвердевание происходит достаточно быстро, о чем свидетельствует направленная макроструктура отливок (рис. 12).

(а)

(б)

Рис. 12. Типичные макроструктуры отливок, полученных методом ЭКЛ (а) и ЦЭШЛ (б).

Процесс совместной заливки двух расплавов неизбежно сопровождается эмульгированием шлака в металле. В отличие от того, что происходит при внепечной обработке стали в ковше синтетическим шлаком, в случае ЭКЛ процесс обособления шлака от металла не успевает пройти до конца. Несмотря на то, что основная масса попавшего в форму жидкого шлака всплывает в верхнюю часть формы, образуя здесь шлаковую тепловую надставку, довольно много обособленных шлаковых включений, имеющих, как правило, сферическую форму, запутываются между растущими столбчатыми кристаллами и их ветвями. В результате получается своего рода композит: стальная отливка, армированная шлаковыми шариками. В отдельных случаях такого рода композитная отливка может оказаться прекрасно работающей деталью, но потребителю чаще всего нужна все же чисто металлическая отливка, а не композит.

Соответствующие исследования, выполненные на физических моделях, позволили найти ключ к решению задачи. Суть подхода состоит в том, что нужно бороться не со следствием, а с причиной образования композита: следует предотвратить эмульгирование шлака в металле, а для этого требуется свести к минимуму кинетическую энергию струи, образуемой двумя расплавами. На практике это обозначает отказ от слива расплавов из электрошлаковой тигельной печи в виде свободно падающей струи. Требуется переливать содержимое тигля в форму в виде спокойно движущегося ламинарного потока. В этом случае не создаются условия для эмульгирования шлака в металле, а, следовательно, и условия засорения металла отливки шлаковыми включениями.

Есть, конечно, и другое решение проблемы: можно сохранить струйный слив расплава в форму, но создать условия для полного всплывания частиц шлака с помощью, например, электрошлаковой подпитки. Использование этой усложненной технологии может быть оправдано лишь в производстве уникальных крупных отливок. В массовом же производстве мелких отливок заслуживает предпочтения технология ЭКЛ, предусматривающая перелив расплава из тигля в форму.

Многократно подчеркивалась положительная роль шлакового гарнисажа в обеспечении хорошей ровной и гладкой поверхности отливки. Но, сделав свое дело, шлак должен отделиться от поверхности отливки. Это далеко не простая задача. Дело в том, что не всякий шлаковый гарнисаж способен на это.

Проблема отделимости шлака от металла уже несколько десятилетий занимает сварщиков. Причем она имеет значение не только при электрошлаковой сварке или сварке под флюсом, но и при различных видах электродуговой сварки и не только при сварке покрытыми электродами со шлакообразующим покрытием, но и при сварке голой проволокой, когда шов может покрываться пленкой оксидов, т. е. тем же шлаком.

В общем виде можно считать, что главным условием хорошей отделимости твердого шлака от твердого металла является отсутствие сходства кристаллических решеток металла шва и покрывающего его шлака. Известно, что окислительные шлаки отделяются хуже, чем восстановительные, особенно в том случае, если они содержат шпинели, способные достраивать решетку железа.

Имеющийся сегодня опыт, накопленный и в сварочном производстве и в спец.электрометаллургии, позволяет достаточно успешно решать на практике задачи отделения шлакового гарнисажа с поверхности электрошлаковых отливок. Если речь идет об отливках простой формы, то здесь особых трудностей нет. Гораздо сложнее, если отливка имеет так называемые поднутрения, сложную криволинейную форму, полости различных формы и размеров. Здесь начинает действовать такой серьезный фактор, как различие физических характеристик металла и шлака. Имеется в виду, прежде всего то, что металл обычно имеет более высокий коэффициент термического сжатия, чем шлак. Это значит, что при остывании отливок может происходить простое сжатие, защемление шлака в различных полостях, резких переходах от одного сечения к другому, поднутрениях. Бороться с этим неприятным явлением приходится своеобразным способом: нужно, чтобы после остывания шлаковый гарнисаж самопроизвольно разрушался и легко высыпался из полостей отливки. Достигается этот эффект саморазрушения соответствующим подбором состава шлака.

До сих пор речь шла в основном о плавке и разливке электрошлакового металла, мы не рассматривали его затвердевания в форме. Между тем известно, что главная причина недостаточно высокого качества отливок по сравнению с поковками состоит в наличии различного рода дефектов усадочного происхождения в виде усадочной раковины, пустот, пористости. Современные литейные технологии знают немало средств предотвращения образования таких литейных дефектов. К ним относятся, в частности, литье под регулируемым давлением, литье с подпрессовкой жидкого металла (или прессование жидкого металла), использование составных литейных форм с дифференцированным теплоотводом. Но все же самым древним и, пожалуй, самым надежным средством служат прибыли. Они играют своеобразную роль, замедляя затвердевание верхней части отливки и осуществляя подпитку внутренних объемов затвердевающей отливки жидким металлом. Но прибыли по массе достигают почти половины массы отливки. Это значит, что в цикле литейной технологии участвует вдвое больше жидкого и твердого металла, чем это требуется для формирования собственно отливки. Едва ли можно считать такую технологию совершенной, хотя она привычна для литейщиков. Так вот, замечательное достоинство ЭКЛ состоит в том, что при этой технологии получения отливок прибыли не требуются: с их ролью успешно справляется довольно глубокая шлаковая ванна, занимающая верхнюю часть формы. Положительное действие шлаковой ванны в качестве своего рода тепловой надставки хорошо иллюстрирует рис. 13

Одним только утепляющим действием шлаковой ванны нельзя объяснить, почему отливки, полученные способом ЭКЛ, отличаются высокой плотностью и химической однородностью, отсутствием зональной ликвации. Все дело в том, что затвердевание жидкого металла в металлической форме происходит в условиях направленного теплоотвода в стенку этой формы.

Если толщина отливки не очень велика, достигается эффект транскристаллизации, хорошо известный в СЭМ, точнее в технологиях, использующих рафинирующие переплавы. При высокой степени чистоты металла по вредным примесям нет оснований опасаться ухудшения качества отливки в зоне встречи кристаллов, растущих от противоположных стенок кокиля (формы) к его оси. Таким образом, при ЭКЛ, как и при ЭШЛ, высокое качество отливки является следствием, во-первых, чистоты заливаемого в форму жидкого металла и, во-вторых, направленной кристаллизации расплава.

Если же толщина отливки настолько велика, что в ее внутренних объемах уже не проявляется охлаждающее действие стенок металлического кокиля и могут появиться дефекты усадочного и ликвационного происхождения, в дело должны быть введены средства активного воздействия на процесс затвердевания отливки.

К их числу относятся, наложение электромагнитных полей, ввод в расплав упругих колебаний, использование внутренних микро- и макрохолодильников.