Электрошлаковый металл - Патон Б.Е., Медовар Б.И.

Автор: Патон Б.Е. Медовар Б.И.
Теги: металлургия черных металлов железо, чугун и сталь металлургия обработка металлов металлы сплавы монография
Год: 1981
Похожие
Жаропрочные стали и сплавы
Аморфные металлы
Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы
Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана
Текст
                    ЗЛЕКТРОШЛАКОВЫЙ
МЕТАЛЛ


ЭЛЕКТРОШЛДКОВЫИ

МЕТАЛЛ

ПОД РЕДАКЦИЕЙ АКАДЕМИКА Б. Е. ПАТОНА
И АКАДЕМИКА АН УССР Б. И. МЕДОВАРА

КИЕВ «НАУКОВА ДУМКА» 1981

Перевгрено 2006 р
ж

УДК 669.187.26.004.12

Электрошлаковый металл / Под ред.. Б. Е. Па-
тона, Б. И. Медовара.—Киев, Наук, думка,
1981 —680 с

Монография посвящена вопросам качества
электрошлакового металла, т. е. металлических
материалов и заготовок из них, получаемых ме-
тодами электрошлаковой технологии: электро-
шлаковым переплавом, электрошлаковым ли-
тьем, электрошлаковой обработкой и всеми спо-
собами укрупнения заготовок.

Приведены сведения о химическом составе,
структуре, механических, физико-механических
и технологических свойствах электрошлакового
металла: сталей практически всех существую-
щих классов, жаропрочных сплавов, чугунов,
ряда цветных, высокореакционных и тяжелых
металлов и сплавов.

Изложены данные о технико-экономической
эффективности производства и применения элек-
трошлакового металла.

Книга содержит справочные материалы, ко-
торые буду! полезными специалистам-металлур-
гам и машиностроителям, конструкторам, сту-
дентам технических вузов и многим другим спе-
циалистам, связанным с производством, потреб-
лением и обработкой металлов.

Ил. 424. Табл. 524. Список лит.: с. 648—677.

АВТОРЫ:

Б. И. МЕДОВАР. Л М. СТУПАК,
Г. А. БОЙКО, А. К. ЦЫКУЛЕНКО,
А. Б. КУСЛИЦКИИ Л. В. ЧЕКОТИЛО,
В. Я. САЕНКО. |С. А. ЛЕЙБЕНЗОН
Ю. Г. ЕМЕЛЬЯНЕНКО, Ю. В. ЛАТАШ,
В. П. АНДРЕЕВ, I И. И. КУМЫШ |,
А. Г. БОГАЧЕНКО, А. Е. ВОРОНИН,
И. Ю. ЛЮТЫЙ, Н. И. ПИНЧУК,
В. Л. АРТАМОНОВ, А. М. БРЕЧАК.
И. Н. ИВАНОВ, Г. В. БЕРГАУЗ,
Т. В. НОВИКОВА

РЕЦЕНЗЕНТЫ

Б. А. МОВЧАН и В. А. ЕФИМОВ

Редакция технической

4-130^

литературы

„ 31206-227 „

° М22Й041-81 Б3~5-22-^ 2704060000

© Издательство «Наукова думка»; 1981
ПРЕДИСЛОВИЕ

В нашей стране ежегодно производятся многие
сотни тысяч тонн электрошлакового металла.
Сортамент металла ЭШП охватывает сегодня
практически все виды и классы сталей и спла-
вов, все виды проката, выпускаемые металлур-
гической промышленностью. Здесь сортовой
прокат и проволока, толстый и тонкий лист,
трубы и кольца, бандажи и пр. Весьма широк
ассортимент электрошлаковых поковок и штам-
повок. Все больше становится разновидностей
отливок, в том числе и фасонных, получаемых
из электрошлакового металла.

Электрошлаковому переплаву (ЭШП) под-
вергают шарикоподшипниковые и инструмен-
тальные, конструкционные и высокопрочные,
нержавеющие и жаростойкие стали, сплавы на
железной, никелевой, никелекобальтовой и же-
лезоникелекобальтовой основе, медь и ее спла-
вы, электротехнические стали и сплавы, в том
числе железоалюминиевые. В последние годы
переплавляют высокореакционные и даже туго-
плавкие металлы.

Наряду с переплавным процессом, т. е. соб-
ственно ЭШП расходуемого электрода, разви-
ваются и другие направления электрошлаковой
технологии, т. е. технологии, использующей в
качестве источника нагрева джоулево тепло,
выделяемое в синтетическом шлаке при про-
хождении через него электрического тока.

Важным новым технологическим процессом
является электрошлаковое литье (ЭШЛ) и пре-
жде всего такие его виды, как фасонное и цент-
робежное, основанные на заливке электрошла-
кового металла в стационарную или вращаю-
щуюся форму.

Развиваются электрошлаковые процессы, в
которых расходуемые электроды используются
лишь частично либо вовсе не применяются
(электрошлаковая отливка, в том числе и пор-
ционная, электрошлаковая обработка, электро-
шлаковый обогрев, электрошлаковое рафини-
рование, электрошлаковая подпитка и др ).

Одним из новых применений электрошлако-
вого процесса является его использование при
электропечной выплавке стали из металлизован-
ных железных окатышей, электрошлаковой вы-
плавке синтетического чугуна из продуктов
прямого восстановления железа (окатышей,
губчатого железа).

Так или иначе, как бы ни назывался тот или
иной вариант электрошлаковой технологии, его
конечным продуктом является металл, то ли в
виде слитка или огливки, то ли в виде поковки
или штамповки. Во всех случаях этот продукт
носит обшее наименование — электрошла-
ков ы й металл.

Электрошлаковый металл — это не только
продукция черной или цветной металлургии.
Поэтому необходимо сказать несколько слов о
понятии специальной электрометаллургии, ко-
торое еще недавно воспринимали довольно уз-
ко, подразумевая лишь производство металла
в электрошлаковых и других переплавных пе-
чах. Видимо, пришло время несколько расши-
рить трактовку этого термина, имея в виду, что
к специальной электрометаллургии и к ее важ-
ному разделу — электрошлаковой металлур-
гии — следует отнести все те процессы, в кото-
рых для расплавления твердого или рафиниро-
вания жидкого металла используется электро-
шлаковый процесс.

Едва ли следует здесь подробно говорить о
том большом значении, которое имеет для на-
учно-технического прогресса металл высокого
качества, высокой надежности, однородности,
с постоянно воспроизводимыми от плавки к
плавке высокими показателями, каким являет-
ся электрошлаковый металл. Невозможно даже
представить себе, что произошло бы в ряде от-
раслей новой техники и наиболее современных
производств, если бы металл по своим качест-
венным показателям и уровню свойств был бы
таким, как 15—20 лет назад.

Сегодня хорошо известно, что главным ре-
зультатом электрошлакового передела металла,
как и других рафинирующих переплавных про-
цессов, очищающих металл от вредных приме-
сей и неметаллических включений, улучшающих
его структуру, является существенное повыше-
ние показателей пластичности, вязкости при
практически неизменном уровне прочностных
свойств. Это замечательное свойство металла,
освобожденного от загрязняющих его примесей,
достаточно плотного и однородного, имеющего
требуемое строение, позволяет, используя запас
вязкости и пластичности, заметно повысить
прочность стали или сплава. Именно это обсто-
ятельство и позволило обеспечить современное
машиностроение сталями, имеющими в доста-
точно крупных сечениях весьма высокую проч-
ность (100—200 кгс/мм2) при надлежащем за-
пасе пластичности и вязкости. Однако в ряде
случаев, когда именно эти два показателя име-
ют решающее значение для служебных свойств,
надежности, долговечности конструкции, маши-
ны или детали, имеет смысл не стремиться

к получению наиболее высокой прочности, а в
полной мере использовать высокие пластиче-
ские и вязкие свойства рафинированного ме-
талла.

Двадцать лет тому назад в период станов-
ления специальной электрометаллургии пере-
плавляли только дорогие стали и сплавы. В по-
следние годы сначала у нас, а затем и за рубе-
жом наметилась четкая тенденция применения
ЭШП в производстве относительно дешевых
средне- и низколегированных, а иногда и просто
углеродистых сталей. ЭШП стал крупномас-
штабным производством, хотя, разумеется, да-
же через 10 или 20 лет электрошлаковая сталь
едва ли составит более 1—2% всего выпускае-
мого в мире металла.

Известно, что решениями партии и прави-
тельства предусматривается быстрое развитие
электрошлаковой технологии (переплава и ли-
тья) в нашей стране. Однако, как бы быстро ни
развивалась эта отрасль, едва ли удастся в
обозримом будущем полностью удовлетворить
стремительно растущие потребности народного
хозяйства в электрошлаковом металле. Металл
этот не дорог, но пока что еще дефицитен. По-
этому использовать его нужно только в тех
случаях, когда это действительно необходимо
и дает существенный технический и экономи-
ческий эффект, т. е. когда электрошлаковый
металл действительно незаменим. Электрошла-
ковый металл следует применять тогда, когда
он действительно повышает долговечность, на-
дежность, работоспособность конструкции или
изделия. Вряд ли, например, следует изготав-
ливать гильзы двигателя из металла ЭШП,
если общий ресурс двигателя определяется во-
все не сроком службы этой гильзы, а работо-
способностью и живучестью коленчатого вала
или недостаточной стойкостью других механиз-
мов данного двигателя. Едва ли есть смысл
делать из электрошлакового металла тела ка-
чения подшипников, если кольца производят из
металла обычной выплавки. Таких примеров
можно было бы привести немало.

При назначении электрошлакового металла
для использования в данной конструкции, ма-
шине или в данном механизме конструкторы,
технологи, производственники должны учиты-
вать не только служебные характеристики этого
металла, но и экономическую целесообразность
принимаемого решения. Здесь очень важно учи-
тывать конечный результат. Сплошь и рядом
применение электрошлакового металла может
привести и приводит к удорожанию продукции,
особенно в тех случаях, когда стоимость соб-
ственно металла в значительной мере определя-
ет цену изделия. Однако увеличение ресурса
изделия или повышение его эксплуатационных
характеристик, обусловленные использованием
электрошлакового металла, могут принести и
действительно приносят на практике сущест-
венные выгоды в сфере применения этого изде-
лия (машины, механизмы, конструкции). Толь-
ко такая комплексная оценка эффективности
применения электрошлакового металла позво-
лит наиболее разумно его использовать в про-
мышленности и строительстве.

Коммунистическая партия и Советское го-
сударство уделяют огромное внимание пробле-
ме повышения качества металлопродукции и
эффективному использованию металла на осно-
ве внедрения малоотходной технологии. Элект-
рошлаковый переплав — одно из наиболее эф-
фективных средств повышения качества метал-
ла. Другие электрошлаковые процессы, такие,
как обогрев, подпитка, отливка, служат реше-
нию задачи повышения выхода годного в ме-
таллургическом производстве, т. е. в конечном
счете способствуют наиболее эффективному ис-
пользованию металла. Такие разновидности
электрошлаковой технологии, как литье в водо-
охлаждаемые формы, фасонное, центробежное
литье, служат решению задачи снижения трудо-
затрат в металлообрабатывающей промышлен-
ности, снижения потерь металла в виде струж-
ки, обрези, облоя и т. д.

В XI пятилетке упор будет сделан на интен-
сивное развитие и металлургии, и машиностро-
ения, на всемерное повышение качественных
характеристик металла, его экономное исполь-
зование. Бережливое отношение к металлу,
полное использование имеющихся резервов и
возможностей его экономии является делом
всей партии, всенародным делом — подчерки-
вается в постановлении ЦК КПСС «О работе
министерств металлургии, машиностроения и
строительства по повышению качества метал-
лопродукции, эффективному использованию ме-
талла на основе внедрения малоотходной тех-
нологии в свете требований ноябрьского
(1979 г.) Пленума ЦК КПСС» (см. газету
«Правда» от 8 июня 1980 г.).

Весь многолетный опыт производства и при-
менения электрошлакового металла свидетель-
ствует о больших перспективах дальнейшего
развития и совершенствования электрошлако-

вой технологии в интересах народного хозяй-
ства нашей страны.

По мере увеличения производства электро-
шлакового металла растет и в нашей стране и
за рубежом число публикаций, относящихся к
качеству, свойствам этого металла. Сегодня нам
известны уже многие тысячи подобных статей.
Однако ни в одной стране мира пока нет изда-
ния, в котором обобщались бы бесчисленные
данные, касающиеся физических, механических
и иных свойств сталей и сплавов, прошедших
ЭШП. Это обстоятельство значительно затруд-
няет задачу правильного выбора металла и ра-
зумного использования его потенциальных воз-
можностей.

Перед авторским коллективом Института
электросварки (ИЭС) им. Е. О. Патона АН
УССР и некоторых других организаций, прини-
мавших участие в написании предлагаемой
читателям книги, стояла непростая задача кри-
тически осмыслить и обобщить огромный ин-
формационный материал, достаточно противо-
речивый, а иногда и недостаточно достоверный.
Тем не менее это сделано, и мы надеемся, что
книга будет полезна для широкого круга спе-
циалистов, производящих и потребляющих
электрошлаковый металл.

Авторы решили отойти от стандартного по-
строения, обычно принятого в любой книге, от-
носящейся к металловедению или металлообра-
ботке, т. е. от расположения материала по ви-
дам или классам сталей и сплавов. Была при-
нята иная, как нам кажется, более подходящая
систематика — сортовой прокат, поковки и
штамповки, трубы, листовой металл, отливки,
крупнотоннажные заготовки. Внутри каждого
из таких крупных разделов материал располо-
жен по классической схеме — от простых и ма-
лолегированных сталей к сложным и высоко-
легированным сталям и, наконец, к сплавам.
Исключение сделано лишь для чугуна и неже-
лезных металлов и сплавов.

Поскольку сравнительно недавно в издатель-
стве «Наукова думка» была выпущена
книга «Электрошлаковые печи», вопросы обо-
рудования для ЭШП и ЭШЛ в данной кни-
ге рассматриваются весьма кратко. Вместе с
тем впервые большое внимание уделено общим
закономерностям влияния ЭШП на химическим
состав, физические, механические, коррозион-
ные свойства, а также на его чисто технологи-
ческие характеристики, та^ие, как деформируе-
мость, обрабатываемость, свариваемость.
Главу I написали Б. И. Медовар, Г. А. Бой-
ко, Л. М. Ступак; главу II — Г. А. Бойко,

А. Б. Куслицкий, Ю. Г. Емельяненко, Н. И. Пин-

чук; главу III — Л. М. Ступак, Л. В. Чекотило,
Б. И. Медовар, А. Б. Куслицкий; главу IV —
А. Б. Куслицкий, С. А. Лейбензон ,Ю. Г. Еме-
льяненко, Л М. Ступак; главу V — А. Б. Кус-

лицкий, । С. А. Лейбензон , А. К- Цыкуленко,
Л. В. Чекотило, Л. М. Ступак, И. И. Кумыш
В. Я. Саенко, В. Л. Артамонов; главу VI —
В. Я. Саенко, А. Г. Богаченко; главу VII —
Г. А. Бойко; главу VIII — А. К. Цыкуленко,
Ю. Г. Емельяненко, Ю. В. Латаш, А. Е. Воро-
нин, В. П. Андреев; главу IX — Л. М. Ступак,
И. Ю. Лютый; главу X — И. Ю. Лютый,
Л. М. Ступак, Т. В. Новикова; главу XI —
Б. И. Медовар, И. Н. Иванов, Г. В. Бергауз,
А. М. Бречак.

С момента подготовки рукописи до выхода
книги прошло более двух лет. За это время в
отечественной и зарубежной технической лите-
ратуре появились многочисленные новые дан-
ные, освещающие качество металлических ма-
териалов, получаемых методами электрошлако-
вой технологии.

Естественно, авторы не могли включить их
в текст книги. Тем не менее, стремясь помочь
читателям сориентироваться в большом потоке
новой информации, авторы книги сочли нуж-
ным в конце каждой главы дать список наибо-
лее важной дополнительной литературы об
электрошлаковом металле, вышедшей в свет за
время издания этой книги.

Авторы будут благодарны за критические
замечания, которые смогут быть использованы
в дальнейшем.
§ 1. История создания ЭШП
на основе электрошлакового
сварочного процесса

ГЛАВА I

ЧТО ТАКОЕ ЭШП И ЭШЛ

Способ электрошлакового переплава рас-
ходуемых электродов в охлаждаемом кри-
сталлизаторе как процесс рафинирующе-
го переплава металла [15, 16, 19] обыч-
ной выплавки возник в начале 50-х годов
на основе электрошлаковой сварки [6, 5,
29].

Электрошлаковый процесс — физиче-
ское явление, наблюдаемое при прохож-
дении электрического тока через расплав-
ленный шлак. Расплавленный шлак пред-
ставляет собой омическое сопротивление:
при прохождении электрического тока в
нем выделяется джоулево тепло. Темпера-
тура расплава может превышать 2000° С.
Схематически процесс электрошлаковой
сварки представлен на рис. 1. Ванна рас-
плавленного шлака 3 заключена между
кромками свариваемого изделия 1 и фор-
мирующими шов медными водоохлаждае-
мыми ползунами (подкладками) 2. Элек-
трический ток проходит через ванну рас-
плавленного шлака между погруженным
в шлак концом расходуемого электрода 4
и ванной жидкого металла 5. Шлак, на-
гретый выше температуры плавления ме-
талла, расплавляет электрод и кромки
свариваемого изделия. Расплавленный ме-
талл образует металлическую ванну, из
которой формируется сварной шов 6.

Электрический режим сварки подбира-
ют таким образом, чтобы скорость по-
ступления жидкого металла соответство-
вала скорости кристаллизации шва, т. е.
объем металлической ванны в установив-
шемся режиме сварки сохраняется прак-
тически постоянным. Металл кристаллизу-
ется последовательно снизу вверх. Отно-
сительно невысокие скорости наплавления
электродного металла и его капельный пе-
ренос через шлак обеспечивают высокую
степень рафинирования металла и плот-
ное строение металла шва. Содержание
примесей, газов и неметаллических вклю-
чений в металле шва значительно ниже,
чем в металле электрода и свариваемого
изделия. Качество металла электрошлако-
вого шва не только не уступает качеству
металла шва, сваренного дуговым спосо-
Рис* 1. Схема электрошлаковой сварки:

7 — свариваемые кромки; 2 — водоохлаждаемое фор-
мирующее устройство; 3 — шлаковая ванна; 4 — элек-
тродная проволока; 5 — металлическая ванна; 6 —
сварной шов; 7 — шлаковая корочка.

бом под флюсом [7, 25, 29], но по ряду
показателей превосходит его. Это объяс-
няется значительно более высокими зна-
чениями времени взаимодействия и удель-
ной поверхности контакта металла со шла-
ком при электрошлаковой сварке и исполь-
зованием высокоосновных флюсов.

В ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР в
начале 50-х гг. была выдвинута идея ис-
пользования сварочного электрошлакового
процесса для улучшения качества метал-
ла [15, 19, 20]. Для этого нужно было вы-
делить сварной шов из сварного соедине-
ния, превратив его в слиток. В водоохлаж-
даемую емкость-кристаллизатор помести-
ли шлаковую ванну и погрузили в эту
емкость плавящийся электрод. Таким об-
разом, вместо электрошлакового свароч-
ного процесса был осуществлен переплав-
ной процесс, получивший название элект-
рошлакового переплава (рис. 2).

В те годы (1952—1956 гг.) за рубе-
жом, прежде всего в США, уже существо-
вал иной способ получения металла высо-
кого качества — вакуумнодуговой пере-
плав (ВДП) расходуемых электродов в
охлаждаемом кристаллизаторе. Следует
напомнить, что основные принципы элек-
тродугового переплава расходуемых элек-

тродов были разработаны русским инже-
нером Н. Г. Славяновым и изложены в
его книге еще в 1892 г. [22]. Схема про-
цесса ВДП приведена на рис. 3. Меж-
ду концом расходуемого металлического
электрода 1 и ванной жидкого метал-
ла 2 в вакуумной камере 6 (5 • 10-3—
5 - 10~2 мм рт. ст.) горит электрическая
дуга. Процесс переплава ведут в медной
водоохлаждаемой изложнице 4, в которой
формируется слиток 3.

В связи с малой устойчивостью дуги
переменного тока в вакууме используют
постоянный ток прямой полярности (ми-
нус на электроде). Поступление жидкого
металла происходит со скоростью его за-
твердевания. Металл кристаллизуется по-
следовательно снизу вверх. Слиток полу-
чается плотным, свободным от ликваци-
онных дефектов. Последовательное на-
плавление слитка и направленная вверх
кристаллизация благоприятствуют удале-
нию неметаллических включений и газов.

Таким образом, условия кристаллиза-
ции металла при электрошлаковой и ва-
куумнодуговом переплавах практически
идентичны. Различаются эти два процесса
условиями плавления металла и рафини-

Рис. 2. Схема ЭШП:

/ — расходуемый электрод; 2 —- шлаковая ванна; 3 —
металлическая ванна; 4 — слиток; 5 — кристаллизатор;

6 — поддон.
рующей средой: при ЭШП — это шлак,
при ВДП — вакуум.

Эффективная обработка переплавляе-
мого электрошлаковым способом металла
протекает на всех стадиях контакта ме-
талла со шлаком — в пленке металла на
оплавляющемся конце расходуемого элек-
трода, при прохождении капель электрод-
ного металла через шлаковую ванну и,
наконец, в металлической ванне.

Процесс ЭШП имеет следующие пре-
имущества перед ВДП:

1.	В отличие от ВДП электрошлако-
вый процесс устойчив на переменном токе
промышленной частоты, т. е. для его осу-
ществления можно использовать более
простое электрооборудование.

2.	Наличие ванны шлака в плавильной
емкости обеспечивает защиту жидкого ме-
талла от взаимодействия с окружающей
атмосферой, что исключает необходимость
герметизации плавильного пространства и
значительно упрощает оборудование.

3.	Шлаковая ванна является менее
концентрированным источником тепла, чем
электрическая дуга. Это облегчает полу-
чение слитков квадратного, прямоуголь-
ного сечения, а также фасонных отливок.
Слитки ВДП имеют только круглое се-
чение.

Первые электрошлаковые слиточки бы-
ли получены в ИЭС им. Е. О. Патона еще
в 1952 г. путем переплава сварочной про-
волоки диаметром 3 мм (рис. 4) с исполь-
зованием аппарата для электрошлаковой
сварки. Чтобы сделать это, достаточно
было заменить кромки свариваемого изде-
лия (см. рис. 1) еще одной парой водо-.
охлаждаемых ползунов. Так родился но-
вый металлургический процесс, названный
вначале электрической отливкой слитков
[19, 20] и широко известный теперь как
электрошлаковый переплав расходуемых
электродов в водоохлаждаемой металли-
ческой изложнице [9, 10].

В ИЭС АН УССР был опробован спо-
соб электрошлаковой выплавки слитков с
легированием металла в процессе плавки
путем подачи в плавильное пространство
ферросплавов в виде крупки или порош-
ков. По аналогии с электрошлаковой свар-
кой применяли плавящийся электрод срав-
нительно малого сечения (проволока диа-

1 — расходуемый электрод; 2 — ванна жидкого метал-
ла; 3 — слиток; 4 — водоохлаждаемый кристаллизатор;

5 — водоохлаждаемый поддон; 6 — вакуумная камера.

метром до 6 мм). Плотность тока на
электроде составляла 50—60 А/мм2.

В 1955—1956 гг. в институте были до-
стигнуты дальнейшие успехи в области
электрошлаковой сварки. Была показана
возможность ведения электрошлакового
процесса при использовании электродов
большего сечения при значительно мень-
шей плотности тока (5—6 А/мм2 и даже
менее 1 А/мм2). Это позволило осущест-
вить электрошлаковую сварку пластинча-
тым электродом [24] и разработать спо-
соб контактно-шлаковой сварки [8].

При ЭШП от плавки проволок пере-
шли к электродам большого сечения. Дру-
гим усовершенствованием был переход к
переплаву электродов конечного химиче-
ского состава. Процесс приобрел свою,
хорошо тепещг—известную, каноническую
форму.

Итак^сущностй способа ЭШП в его
нынешнем виде состоит в следующем.
Изготовленный из металла обычного про-
изводства расходуемый электрод погру-
жен в слой расплавленного рафинирую-
щего шлака. Электрический ток проходит
от электрода в шлак. Под действием джо-
улева тепла, выделяющегося в жидком
шлаке при прохождении через него элек-
трического тока, электрод плавится. Кап-
ли жидкого металла опускаются на дно
шлаковой ванны и образуют металличе-
скую ванну, которая, последовательно за-
твердевая снизу вверх в охлаждаемом кри-
сталлизаторе, образует слиток. По мере
сплавления расходуемый электрод пода-

стей в шлаковую ванну, непрерывно вос-
полняя объем кристаллизующейся метал-
лической ванны. Плавящийся металл об-
рабатывается шлаком соответствующего
состава. Направленную кристаллизацию
металла обеспечивают условия непрерыв-

ного подвода тепла сверху (от электрод-
ного металла и шлаковой ванны) при от-
воде тепла в слиток и стенку кристалли-
затора. Направленной кристаллизации
слитка способствует также образование
между слитком и стенкой кристаллизато-
ра шлакового гарнисажа, уменьшающе-
го теплоотвод в горизонтальном направ-
лении. Шлаковый гарнисаж обусловли-
вает получение слитка с гладкой поверх-
ностью.

При ЭШП получают плотные, свобод-
ные от дефектов ликвационного и усадоч-
ного происхождения слитки с минималь-
ным развитием химической и физической
неоднородности. Кроме того, значительно
возрастает общая чистота металла. В нем
снижается содержание вредных примесей
и газов, значительно уменьшается содержа-

ние неметаллических включений. Металл
характеризуется высокой однородностью
структуры и свойств. По качеству электро-
шлаковый металл не уступает металлу
ВДП, а по ряду показателей превосходит
его. /4

Кроме ВДП и ЭШП в промышленно-

сти находят применение также электрон-
нолучевой и плазменнодуговой переплавы
(ЭЛП, ПДП). Свое название они получи-
ли от используемого источника тепла.
При ЭЛП — это формируемый в вакууме
(10-5—10“7 мм рт. ст.) электронный луч,

> алри ПДП — низкотемпературная плазма.

Электрошлаковый переплав отличает-
ся от всех других переплавных процессов
Р своей простотой. Он не требует сложного
| и дорогостоящего оборудования и боль-
уших капитальных затрат^

Промышленное производство сталей и
сплавов методом ЭШП было начато на
запорожском электрометаллургическом за-
воде «Днепроспецсталь», где в мае 1958 г.
была пущена первая в'мире электрошла-
ковая печь для получения слитков мас-
сой до 0,7 т. В последующие годы про-
цесс ЭШП был освоен практически всеми
заводами качественной металлургии (^ССР,
предприятиями цветной металлургии, а
также рядом машиностроительных заво-
дов. Были построены и строятся специа-
лизированные цехи ЭШП. В настоящее

время производятся листовые слитки мас-

сой до 50 т и кузнечные слитки диамет-
ром до 2500 мм, высотой до 4 м, массой
до 150—200 т.

Одним из преимуществ электрошлако-
вого процесса является то, что нагревае-
мая проходящим электрическим током
ванна электропроводного шлака является
менее концентрированным источником теп-
ла по сравнению с дугой, горящей в ва-
кууме. Это определяет важное преимуще-
ство ЭШП —• возможность получать слит-
ки самого разнообразного сечения (круг-
лого, квадратного, прямоугольного, с
большим отношением длин широкой и уз-
кой сторон). Использование этой особен-
ности электрошлакового процесса привело
* к созданию нового технологического про-
цесса — ЭШЛ? [ 17, 23, 11].

, Разработка способа ЭШЛ в ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР была начата

Рис. 4. Первый слиточек ЭШП, полученный пу-
тем переплава сварочной проволоки.
Рис, 5. Схема ЭШЛ:

а — отливка непосредственно в кристаллизатор; б —
отливка с переливом металла в литейную форму; / —
расходуемый электрод; 2 — шлаковая ванна; 3 — ме-
таллическая ванна; 4— водоохлаждаемая литейная
форма; 5 — отливка; 6 — плавильная емкость.

в 1960 г. Посредством ЭШП расходуемого
электрода в водоохлаждаемой металличе-
ской литейной форме (кристаллизаторе)
были получены первые фасонные изделия
из электрошлакового металла. На рис. 5
приведена схема процесса ЭШЛ непосред-
ственно в кристаллизаторе и с переливом
металла из плавильной емкости в полость
литейной формы. В последнем случае пла-
вильная емкость перемещается относитель-
но неподвижной формы по мере заполне-
ния ее металлом. При ЭШЛ реализуются
все достоинства ЭШП — рафинирование
металла шлаком, направленная кристал-
лизация металла, гладкая поверхность из-
делия, не требующая практически никакой
последующей обработки, отсутствие де-
фектов литейного и усадочного происхож-
дения, высокий выход годного.

Высокое качество электрошлакового
металла позволяет использовать его в из-
делиях самого ответственного назначения.
Установлено, что качество литого электро-
шлакового металла по своим свойствам
не уступает качеству кованого металла
обычного производства, а по некоторым
показателям даже превосходит его [18,
13]. Это определило возможность замены
части поковок, штамповок и проката от-
ветственного назначения электрошлаковым
литьем. В настоящее время методом ЭШЛ
изготавливают корпуса энергетической ар-
матуры, коленчатые валы судовых двига-
телей, сосуды высокого давления и другие
изделия.

Быстрому внедрению ЭШП и ЭШЛ в
промышленное производство способство-
вала их высокая экономическая эффектив-
ность. Простое, надежное и недорогое обо-
рудование и применение переменного то-
ка обусловили невысокие (как правило,
не превышающие 100 руб/т) расходы на
переплав и литье.

Экономическая эффективность ЭШП
обусловлена повышением качества метал-
ла и связанным с этим уменьшением бра-
ка на металлообрабатывающих предприя-
тиях, повышением выхода годного, сни-
жением трудоемкости при горячем переде-
ле металла, увеличением долговечности и
надежности изделий.

Созданный в Советском Союзе процесс
ЭШП интенсивно развивается и за рубе-
жом. ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР
получено более 600 зарубежных патентов
на основные разработки в области элек-
трошлаковой технологии. Советские ли-
цензии на электрошлаковые печи приоб-
рели многие капиталистические страны
(Франция, Япония, Швеция, США и др.)»
советские печи ЭШП успешно работают
в социалистических странах (ПНР, НРБ,
СРР, СФРЮ, ВНР и др.).

О масштабах применения ЭШП за ру-
бежом можно судить по таким цифрам:
в 1975 г. только в США произведено
114,3 тыс. т электрошлакового металла,
а в 198© г. намечается выплавить более
450 тыс. т [1]. По производству электро-
шлакового металла Советский Союз зани-
мает ведущее положение среди зарубеж-
ных стран.

§ 2. Сортамент
электрошлакового металла

Из металла ЭШП производят практически
все виды проката, поковок, штамповок,
прессовок, которые выпускают и из метал-
ла обычных методов выплавки. Сущест-
венное различие между этими видами
продукции состоит прежде всего в более
высоком и, что особенно важно, стабиль-
ном качестве переплавленного металла.
У металла ЭШП есть еще одно важное
преимущество — более высокий выход год-
ного, более высокая технологичность при
горячей и холодной деформации.
Плотная макроструктура слитка ЭШП,
отсутствие дефектов ликвационного и уса-
дочного происхождения, всевозможных
пустот, рыхлот и, наконец, прекрасная
гладкая поверхность, не требующая перед
дальнейшим переделом никакой обработ-
ки или зачистки, предопределили суще-
ственное изменение геометрии самого
слитка. Слиток ЭШП имеет правильную
геометрическую форму без так называе-
мой кюмпельной или хвостовой и голов-
ной частей. Если слиток выплавляется в
стационарном кристаллизаторе, он, как
правило, имеет некоторую конусность, не-
обходимую для облегчения операции раз-
девания (рис. 6, а). Если же переплав
осуществляется при относительном пере-
мещении кристаллизатора и слитка, по-
следний, конусности не имеет (рис. 6, б).

Исторически сложилось так, что на
первом этапе освоения ЭШП в конце
50-х гг. передельные слитки для сортового
проката имели только круглое сечение.
Это обстоятельство можно объяснить,
во-первых, относительной простотой изго-
товления кристаллизаторов из готовых
медных труб (в то время наша промыш-
ленность уже выпускала медные прессо-
ванные трубы диаметром до 425 мм) и,
во-вторых, наличием некоторого опыта
прокатки слитков ВДП, имевших только
круглое сечение.

Из слитков ЭШП диаметром от 150 до
425 мм прокатывали прутки круглого се-
чения для последующего изготовления тел
качения шариковых и роликовых под-
шипников, квадрат, полосу, трубную заго-
товку для последующей прошивки или
прессования.

Известно, однако, что основным типом
передельного слитка, идущего на обжим-
ные и сортопрокатные станы, является
слиток квадратного сечения. Поэтому по
мере развития мощностей по ЭШП и уве-
личения развеса слитка был осуществлен
переход от круглого сечения к квадратно-
му (естественно, при этом пришлось пе-
рейти к кристаллизаторам сварной кон-
струкции) .

По условиям прокатного производства
максимальное сечение слитка, обжимае-
мого на блюминге, не превышает 800 X
Х800 мм, а масса — 8—10 т. Поэтому и пе-

Рис. 6. Схема получения слитков в стационар-
ном кристаллизаторе (а) и при относительном
перемещении кристаллизатора и слитка (б).

редельные слитки ЭШП сортового сорта-
мента имеют массу и сечение не выше
указанных. Наиболее распространен сли-
ток ЭШП квадратным сечением от 400 до
600—650 мм. Имея такие слитки ЭШП,
можно изготовить практически любой сор-
тамент, любой профиль, получаемый из
металла открытой выплавки.

Передельные слитки ЭШП круглого
сечения, идущие на прокатку, составляют
теперь лишь небольшую часть общего про-
изводства металла ЭШП. Они, как и рань-
ше, чаще всего используются в трубном
производстве.

Отдельную группу составляют слитки
круглого сечения, имеющие полость
(рис. 7). Такие полые слитки большей
частью идут на последующий горячий пе-
редел, например на раскатку, раздачу,
прессование, протяжку. Иногда их подвер-
гают и различным видам холодной дефор-
мации. Однако все большее значение при-
обретает производство из металла ЭШП
полых слитков круглого сечения, исполь-
зуемых в литом виде, т. е. без всякой де-
формации. По существу это уже не слит-
ки, а трубы, подлежащие лишь некоторо-
му технологическому переделу (зачистке,
термической обработке, неразрушающему
контролю, торцовке и т. д.). Сортамент
таких слитков-труб достаточно широк —
11.

круглого

слитков

40 т.

Рис. 11. Выплавка электрошлаковых слитков-
слябов по двухручьевой схеме.

Рис. 7. Внешний вид палых слитков
сечения.

Рис. 8. Внешний вид полых круглых
с фигурной полостью.

Рис. 9. Листовой слиток ЭШП массой

Рис. 10. Внешний вид слитков-слябов.
наружный диаметр изменяется от несколь-
ких десятков до нескольких сотен милли-
метров, а внутренний диаметр назначается
таким, чтобы в зависимости от требова-
ний толщина стенки составляла, напри-
мер, 15—20 мм, но могла бы достигать и
сотни миллиметров.

Не обязательно, чтобы полость такой
трубы была круглой и коаксиальной.
В зависимости от назначения труб, меняя
соответствующим образом оснастку, мож-
но получать слитки-трубы с любой фасон-
ной полостью (рис. 8).

Строго говоря, нет никаких принципи-
альных трудностей в производстве мето-
дом ЭШП слитков-труб практически лю-
бого сортамента и любого диаметра. Та-
кому виду слитков ЭШП, несомненно,
принадлежит большое будущее.

В нашей стране впервые в мировой
практике было организовано крупномасш-
табное производство горяче- и холоднока-
таного листа из металла ЭШП. Сначала
для этих целей использовали слитки квад-
ратного и даже круглого сечения, так как
еще не умели выплавлять слитки прямо-
угольного сечения (как известно, при
ВДП и теперь не удается получать слит-
ки прямоугольной формы).

С появлением бифилярных многоэлек-
тродных печей ЭШП в 1966—1967 гг. за-
дача производства листовых слитков ЭШП
любой массы и сечения была успешно ре-
шена.

Как известно, толщина листового слит-
ка обычно не превышает 800 мм, что опре-
деляется конструкцией всех современных
обжимных станов, высота листового слит-
ка достигает 4—4,5 м, а ширина — 2,5—
3 м. Самый крупный в мире листовой сли-
ток ЭШП весит более 40 т и имеет при
толщине 500 мм, ширине 2500 мм высоту
более 4 м (рис. 9). Из такого слитка про-
катывают листы толщиной до 280 мм.
Эти размеры и масса листового слитка
ЭШП отнюдь не предельны.

Выше отмечалось, что металл ЭШП и
в литом виде достаточно плотен и прак-
тически не нуждается в деформации. По
этой причине нет необходимости подвер-
гать большим обжатиям листовые слитки
ЭШП. В случае передела слитков ЭШП
следует разграничивать понятия «дефор-

мация» и «формоизменение». Главной за-
дачей при переделе электрошлаковых
слитков является придание металлу необ-
ходимых геометрических размеров и фор-
мы, а не обжатие его для повышения
плотности и обеспечения заданных меха-
нических свойств. Именно поэтому в слу-
чае ЭШП нет необходимости стремиться
к получению слитков большой толщины.
Наоборот, толщина листового слитка мо-
жет быть минимальной, наиболее близкой
к толщине будущего листа. Так, напри-
мер, при прокатке на лист толщиной 70—
80 мм достаточно иметь слиток толщиной
150 мм. Это фактически уже не листовой
слиток, а слиток-сляб (рис. 10) и прока-
тывать его нужно только на листовом ста-
не, минуя слябинг или другой обжимный
стан.

Для повышения производительности
печей ЭШП (как известно, этот показа-
тель прямо пропорционален сечению слит-
ка) слитки-слябы производят по двух-
ручьевой схеме (рис. 11). Здесь имеется
прямая аналогия между непрерывным
литьем и ЭШП: чем меньше сечение от-
ливаемой заготовки, тем больше должно
быть число ручьев для обеспечения тре-
буемой производительности агрегата.

Идея многоручьевого ЭШП полностью
оправдала себя и в производстве сорто-
вых слитков малого сечения, например
150 X 150 мм (рис. 12). В этом случае
используют четырехручьевые печи ЭШП.
Действительно, нецелесообразно выплав-
лять слитки крупного сечения и пропус-
кать их через блюминг или заготовочный
стан, если можно пустить слиток ЭШП
малого сечения непосредственно в сорто-
прокатный стан.

Значительный непрерывно возрастаю-
щий удельный вес в производстве металла
ЭШП занимают кузнечные слитки. Пер-
вый кузнечный слиток диаметром 500 мм
и массой до 2 т получен на Ново-Кра-
маторском машиностроительном заводе
(НКМЗ) в Донбассе еще в 1958 г. Очень
скоро выявилась замечательная особен-
ность электрошлаковых кузнечных слит-
ков: способность подвергаться прямой
осадке, минуя предварительную вытяжку.
Именно так стали изготавливать первые
поковки из жаропрочных хромистых ста-
Рис. 12. Чегырехручьевая электрошлаковая печь
для производства сортовых слитков.

Рис. 13. Один из первых кузнечных слитков
ЭШП массой 10 т.

Рис. 14. Внешний вид кузнечных слитков ЭШП.

Рис. 15. Внешний вид многогранного кристалли-
затора печи для производства кузнечных слит-
ков массой до 200 т.
лей для дисков компрессора газотурбин-
ного двигателя.

С развитием ЭШП в тяжелом и энер-
гетическом машиностроении непрерывно
возрастала и масса кузнечного слитка.
Первый в мире 10-тонный слиток ЭШП
диаметром 1100 мм и высотой примерно
1,5 м был получен на НКМЗ уже в 1961 г. .
(рис. 13). Затем диаметр слитка был уве-
личен последовательно до 1300, 1500 и
1700 мм, а масса — соответственно до
17, 30 и 40 т (рис. 14). При диаметре
1800—2300 мм масса кузнечного слитка
ЭШП достигла 100—160 т; на очереди
слиток массой до 200 т.

Типичная для кузнечных слитков ЭШП
форма правильного цилиндра или усечен-
ного конуса (с весьма небольшой конус-
ностью) уступила место многогранной
форме (рис. 15). Выход годного благода-
ря малой донной и головной обрези элек-
трошлакового кузнечного слитка пример-
но вдвое выше, чем при переделе обычно-
го кузнечного слитка. Это очень важно,
поскольку слиток ЭШП массой 150—200 т
может быть использован для получения

заготовки, требующей наличия слитка
обычного производства массой соответ-
ственно не менее 300—450 т. Если учесть
значительно более высокое качество ме-
талла ЭШП по сравнению с металлом
обычной выплавки, то станет ясно, почему
во всем мире придается самое серьезное
значение созданию мощностей по произ-
водству сверхкрупных кузнечных слитков
ЭШП. Такие слитки совершенно необхо-
димы для изготовления заготовок валов
роторов сверхмощных альтернаторов, ро-
торов паровых турбин тепловых и атом-
ных электростанций, опорных валков уни-
кальных толстолистовых прокатных ста-
нов с длиной точки более 5 м, валков ли-
стосгибочных машин и т. д.

Вместе с тем можно и нужно идти не
только по пути получения моноблочных
заготовок, но и использовать современные
достижения сварочной техники, т. е. ори-
ентироваться на укрупнение заготовок за

Рис. 16. Укрупненная методом электрошлако-
вой сварки по бифилярной схеме заготовка ро-
тора генератора.
счет электрошлаковой сварки между со-
бой слитков ЭШП или поковок из них
относительно меньшей массы, например
до 100—150 т (рис. 16).

Итак, современный сортамент металла
ЭШП практически охватывает все извест-
ные нынешней технике виды проката и
поковок, все виды и классы сталей, начи-
ная от ферритных и кончая аустенитными.
В первые годы ЭШП подвергали преиму-
щественно дорогие высоколегированные
стали и сплавы, а также шарикоподшип-
никовые стали. Удельный вес последних
и теперь достаточно велик. Однако с каж-
дым годом все большее и большее значе-
ние приобретает ЭШП дешевых низколе-
гированных конструкционных сталей, пре-
имущественно в виде горячекатаного
листа для крупногабаритных сварных кон-
струкций. В настоящее время количество
марок сталей ЭШП измеряется многими
сотнями. Несмотря на серьезную конку-
ренцию со стороны других переплавных
процессов, достаточно велик сортамент
электрошлаковых жаропрочных сталей и
сверхсплавов. Непрерывно растет сорта-
мент штамповых и инструментальных ста-
лей ЭШП. Неоспоримы преимущества
ЭШП при переплаве ряда сплавов на
медной основе, например высокопрочных
бронз. Есть основания считать, что потен-
циальные возможности ЭШП еще далеко
не раскрыты и тем более не исчерпаны в
применении к высокореакционным и туго-
плавким металлам (в США, например,
успешно подвергают ЭШП уран, цирко-
ний, молибден, вольфрам).

Уже сегодня объемы производства ме-
талла ЭШП измеряются многими сотнями
тысяч тонн. К концу нашего столетия это
будут уже миллионы тонн. В зависимости
от потребностей народного хозяйства стра-
ны будет расширяться и сортамент элек-
трошлакового металла.

§ 3. Виды
электрошлаковых отливок

В настоящее время ЭШЛ осуществляется
по двум технологическим схемам. Первая
(рис. 17) состоит в том, что расходуемые
электроды переплавляются непосредствен-
но в кристаллизаторе, в котором форми-

руется отливка. При этом происходят ее
последовательное наплавление и кристал-
лизация.

В кристаллизаторе может быть вы-
плавлена целиком вся отливка или ее
объединяющая часть (рис. 18). В этом
случае заранее выплавленные или приго-
товленные другим методом элементы бу-
дущей литой заготовки устанавливаются
в соответствующие отверстия кристалли-
затора и при выплавке объединяющей
части приплавляются к ней.

Вторая схема (рис. 19) состоит в том,
что, переплавляя расходуемые электроды
в специальной плавильной емкости, на-
капливают жидкий электрошлаковый ме-
талл и затем заливают его в соответ-
ствующую форму. Этот способ получил
название фасонного электрошлакового
литья (ФЭЛ) и кокильного литья (ЭКЛ).

Метод ЭШЛ разработан в ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР и внедрен в
промышленность. Наибольшее применение
он нашел в производстве заготовок для
машиностроения и в первую очередь для
деталей ответственного назначения. Это
стало возможным благодаря исключитель-
но высоким свойствам литого электрошла-
кового металла, его изотропности, хими-
ческой и физической однородности. Пока-
затели механических свойств электрошла-
ковой отливки такие же, как у ковано-
го металла открытой выплавки и даже
выше.

Отливки, производимые методом ЭШЛ
и ФЭЛ, отличаются разнообразием как по
конфигурации, так и по назначению. Их
масса колеблется от нескольких десятков
граммов (зубные протезы и коронки) до
нескольких десятков тонн (коленчатые
валы судовых дизелей). Такие отливки
условно можно разделить на два типа.
К первому следует отнести отливки, имею-
щие внутренние несквозные полости, к
другому — отливки сплошного сечения с
приливами на наружной поверхности.

Наиболее типичным и простым по фор-
ме представителем первого типа отливок
являются цилиндрические отливки, имею-
щие наружную поверхность без приливов
и несквозную симметрическую полость
(рис. 20), напоминающие по внешнему
виду стакан.
17.	18.

Рис. 17. Схема ЭШЛ при выплавке в кристал-
лизаторе отливки целиком:

1 — электрод; 2 — шлаковая ванна; 3 — металлическая
ванна; 4 — отливка; 5 — кристаллизатор; 6 — поддон.

Рис. 18. Схема ЭШЛ при выплавке в кристал-
лизаторе части будущей заготовки:

/ — электрод; 2 — шлаковая ванна; <3 — металлическая
ванна; 4 — приплавляемая часть; 5 — кристаллизатор;

6 — отливка.

Рис. 19. Схема фасонного ЭШЛ с накоплением
жидкого металла и заливкой его в литейную
форму:

/ — расходуемый или нерасходуемый электрод; 2 —
шлак; 3 — жидкий металл; 4 — емкость; 5 — литейная
форма.

Рис. 20. Полая отливка с несквозной полостью.

Рис. 21. Заготовка корпуса сосуда.
Такие отливки используются в качест-
ве заготовок сосудов давления. При этом
отпадает необходимость в трудоемкой опе-
рации изготовления днищ, так как каж-
дый стакан уже снабжен днищем, которое
получается при выплавке отливки. Два
стакана, сваренные друг с другом кольце-
вым швом, представляют собой не что
иное, как заготовку сосуда или балло-
на (рис. 21, а, б). Обрабатывать наружную
поверхность такого сосуда практически
не требуется: ее форма и размеры получа-
ются уже при выплавке половинок со-
суда.

Цилиндрические отливки с несквозным
отверстием применяются также в трубном
производстве в качестве заготовок для по-
следующего изготовления труб среднего
диаметра путем горячей протяжки этих
заготовок.

Отливки такого типа, но уже с прили-
вами на наружной поверхности, например
кольцевыми у края полого торца стакана,
становятся заготовками сосуда (рис. 22),
у которого один торец заглушается съем-
ной крышкой. Приливы на наружной по-
верхности отливки «стакан» в виде ци-
линдрических выступов служат патрубка-
ми, к которым приваривают трубы необ-
ходимых коммуникаций.

Глуходонная полая отливка с фланцем
и цилиндрическими приливами на боковой
цилиндрической поверхности (рис. 23, а)
также является заготовкой корпуса энер-
гетической запорной арматуры (рис. 23, б).
Методом ЭШЛ получаются корпуса ар-
матуры с условным диаметром 100—
500 мм.

По традиционной технологии корпуса
арматуры отливаются в песчано-глини-
стые формы или изготовляются из по-
ковок. Оба технологических варианта по
эффективности существенно уступают тех-
нологии ЭШЛ заготовок корпусов арма-
туры.

Традиционная технология изготовления
сосудов высокого давления предусматри-
вает приварку к их корпусам патрубков.
Такая технология чрезвычайно трудоемка.
Это прежде всего связано с тем, что па-
трубок вваривается в корпус сосуда мно-
гослойной сваркой в течение многих ча-
сов. При обнаружении дефектов швы

вырубаются и завариваются вновь. Цикл
изготовления такого сосуда весьма дли-
телен.

Электрошлаковая технология получе-
ния сосудов высокого давления с патруб-
ками на их поверхности предусматривает
два решения. Когда сосуд имеет в диа-
метре несколько метров, заготовка па-
трубков выплавляется непосредственно на
его корпусе (рис. 24). Если диаметр сосу-
да невелик, он может быть выплавлен
одновременно с патрубками.

Отливки с полостью могут иметь при-
ливы, расположенные вдоль образующей
цилиндрической поверхности (рис. 25).
Такие приливы используются для после-
дующего изготовления патрубков. Про-
странство между патрубками может быть
образовано путем соответствующей меха-
нической обработки прилива (рис. 26)
для удаления лишнего металла.

В энергетическом машиностроении
большим спросом пользуются отводы (их
еще называют коленами) под разными
углами, например 90 и 180°, для присо-
единения прямых участков трубных комму-
никаций при строительстве энергоблоков
тепловых и атомных электростанций. Элек-
трошлаковые отливки с полостью и кри-
волинейной осью (рис. 27) могут заме-
нить отводы, которые обычно производят
методами штамповки и сварки.

Требование энергетиков изготавливать
отводы со стенкой переменного сечения
для более рационального использования
металла как нельзя лучше соответствует
возможностям ЭШЛ и чрезвычайно за-
труднительно при других методах их про-
изводства.

Имеется еще один тип отливок. Это
отливки, которые получают в виде загото-
вок сплошного сечения с приливами или
углублением самой разнообразной формы
на наружной поверхности. В качестве
примера такой отливки можно привести
заготовку небольшого по размерам запор-
ного клапана (рис. 28) энергоблока атом-
ной электростанции, валок прокатного
стана (рис. 29) или калибры (рис. 30)
трубопрокатного стана.

На рис. 31—34 приведены образцы
отливок: заготовки шатуна (рис. 31), эле-
мент венца шестерни (рис. 32), бандаж
и Эш л

Суда С флая.

ДНО

р стенка; 3

«-« Корпуса

Рис. 23

”ой аР^атупьг^ к.°Рпуса ЭНрп„

Рис. 24 гт а и внешниг еТ1*ческой ЧЯп

^г?рубКй’

ОД1ювременно"Вка К0Рпуса	РпУсе

РИС' с Т/ПЗТ₽& СУДЭ- п°^ченнз

Вом и и^па отл«вки с п	ННая

ЗГ0^енной „зХ^ным пр|гля.
Рис. 27. Отливка с полостью и криволинейной
осью (отвод).

Рис. 28. Отливка запорного клапана.

Рис. 29. Отливка валка прокатного стана.

Рис. 30. Отливка калибров трубопрокатных
станов.

Рис. 31. Отливка шатуна судового дизеля.

Рис. 32. Элемент венца шестерни.

Рис. 33. Бандаж цементной печи.
Рис. 34. Литой коленчатый вал судового ди*
зеля.

Рис. 35. Отливки нестандартного профиля.

Рис. 36. Отливки зубных протезов и коронок.

Рис. 37. Отливки штамповых вставок с гравю*
рой.
цементной печи (рис. 33) и заготовка ко-
ленчатого вала (рис. 34).

Заготовка шатуна судового дизеля име-
ет переменное по высоте сечение, а заго-
товка коленчатого вала имеет простран-
ственную форму. К отливкам, имеющим
переменное сечение по высоте, можно так-
же отнести заготовки кривошипов круп-
ных судовых дизелей. В качестве примера
отливки, но с криволинейной осью можно
привести заготовку бандажа цементной
печи или элемент венца шестерни.

Развитую поверхность и постоянное по
высоте сечение имеют электрошлаковые
отливки нестандартного профиля (рис. 35).

К отливкам сплошного сечения можно
отнести мелкие заготовки зубных проте-
зов и коронок (рис. 36), штамповых вста-
вок (рис. 37), отливаемых вместе с гра-
вюрой.

Следует отметить, что новая техноло-
гия не ставит целью замену традицион-
ных способов литья. Она должна приме-
няться лишь в тех случаях, когда к отлив-
ке предъявляются повышенные требова-
ния по качеству металла или получение
такой отливки сопряжено с большой тру-
доемкостью и затратами на изготовление
оснастки, а также в случае необходимости
производства изделий относительно мелки-
ми сериями.

§ 4. Перспективы развития
ЭШП и ЭШЛ

Вслед за Советским Союзом ЭШП полу-
чил развитие и за рубежом. Следует отме-.
тить, что промышленное применение про-
цесса ЭШП на Западе идет быстрее, чем
других видов переплава. На рис. 38 по-
казано увеличение годового производства
и максимальной массы слитков, получен-
ных методами ВДП и ЭШП в период
1960—1975 гг. по данным Вальстера [4].
Причина опережающего роста производ-
ства металла методом ЭШП по сравне-
нию с ВДП — его преимущества в таких
показателях, как выход годного, стои-
мость оборудования, универсальность, на-
дежность и др.

Известно, что промышленное примене-
ние ВДП началось значительно раньше,
чем ЭШП. Считают [23], что развитие

Рис. 38. Увеличение годового производства и
максимальной массы слитка в Западной Европе
и США [101]:

а — печи ЭЛП; б — печи ВДП; в — печи ЭШП.

процесса ВДП в основном завершено.
В настоящее время ВДП главным обра-
зом используется для получения относи-
тельно небольших слитков (до 20 т) из
жаропрочных сплавов, коррозионностой-
ких и высокопрочных сталей, а также вы-
сокореакционных металлов (титана, цир-
кония, урана и др.), хотя сам по себе ме-
тод позволяет получать и сравнительно
крупные слитки. Масса наиболее крупных
слитков ВДП за рубежом составляет око-
ло 50 т при диаметре 1500 мм.

В настоящее время ЭШП успешно кон-
курирует с ВДП в производстве слитков
средней массы из сталей и сплавов раз-
личного класса и занимает доминирующее
положение в производстве крупных слит-
ков. Так, в СССР уже сейчас выплавля-
ются слитки массой 60—100 т. В ФРГ
еще в 1971 г. была построена 160-тонная
печь ЭШП. Некоторые зарубежные фир-
мы планируют строительство печей ЭШП
для слитков массой 250—300 т.

Процесс ЭШП имеет более широкие
возможности, чем вакуумные переплавы.
Он может удовлетворить самые разнооб-
разные потребности промышленности. Это-
му способствуют высокая гибкость и уни-
версальность процесса. Универсальность
процесса находит свое выражение в мно-
гообразии электрических схем и конструк-
ций печей, а также в возможности исполь-
зования оборудования для различных спе-
циальных целей.

Возможность управления процессом в
относительно широком диапазоне пара-
метров определяет его гибкость и одно-
временно расширяет возможности приме-
нения. Высокая гибкость процесса ЭШП
определяется значительно большим, чем
при ВДП, количеством регулируемых па-
раметров (химический состав шлака, глу-
бина шлаковой ванны и ее температу-
ра, состав газовой фазы над шлаком)
и более широким диапазоном их регу-
лирования (скорость плавления, соотно-
шение сечения электрода и кристаллиза-
тора).

Большим преимуществом ЭШП по
сравнению с ВДП является относительно
низкая стоимость оборудования. Процесс
переплава протекает в обычной атмосфе-
ре. При этом используется переменный
ток, что исключает необходимость иметь
вакуумные системы и достаточно сложные
источники питания. Оборудование для
ЭШП проще и надежнее, чем для ВДП.
Процесс ЭШП легко управляем.

Одно из главных достоинств ЭШП —
высокий выход годного, что обусловлено
малыми отходами в обрезь и высоким ка-
чеством поверхности слитка. Существен-
ным достоинством процесса является воз-
можность получения слитков самого раз-
нообразного сечения: квадратных, прямо-
угольных, листовых слитков с большим
соотношением сторон, слитков-слябов, а
также фасонных отливок.

Для слитков ЭШП характерна более
высокая скорость кристаллизации, чем
для слитков вакуумных переплавов [26].
Производительность печей ЭШП выше,
чем печей ВДП и ЭЛП, а слитки имеют
более тонкую структуру.

К числу достоинств ЭШП относятся
также улучшение обрабатываемости ста-
лей в горячем состоянии, а также высо-
кая однородность структуры и свойств,
которая характерна для слитков электро-
шлакового переплава даже самых больших
размеров.

1/а основании анализа потребностей
промышленности и тенденций развития
ЭШП и других переплавных процессов за
последние 5—10 лет следует полагать, что
увеличение применения ЭШП будет про-
должаться. В применении процессов пере-
плава в вакууме значительный рост не
предвидится. Некоторые области примене-
ния ВДП постепенно сузятся. Ряд мате-
риалов будет изготавливаться более уни-

версальным способом ЭШП. Это относит-
ся к производству коррозионностойких
сталей, инструментальных сталей, сталей
для валков холодной прокатки и др. Все
больше утверждается ЭШП в производ-
стве жаропрочных сталей, а также спла-
вов на основе никеля.

Жаропрочные сплавы, полученные ме-
тодом ЭШП, успешно заменят сплавы
ВДП в производстве газовых турбин и в
других областях [3, 30]. Применение
ЭШП для этих сплавов экономичнее ВДП
и может обеспечить требуемый уровень
качества.

По мере повышения требований к ка-
честву металлопродукции процесс ЭШП
все более широко охватывает дешевые
марки сталей. Следует отметить, что, на-
пример, предполагаемый в США рост про-
изводства металла ЭШП от 114,3 тыс. т
в 1975 г. до 450 тыс. т в 1980 г. будет про-
исходить преимущественно за счет увели-
чения доли дешевых углеродистых и низ-
колегированных сталей.

Возможности ЭШП использованы да-
леко не полностью. Простота и значитель-
ные преимущества процесса открывают
все новые области его применения. Одной
из таких областей, которая, несомненно,
будет развиваться в будущем, является
производство крупных заготовок массой
до нескольких сот тонн.

Необходимость в крупных высококаче-
ственных поковках все более возрастает с
развитием энергетики. Поковки массой до
200 т уже сейчас нужны для валов турбин
и генераторов; крупные поковки также
нужны для строительства уникальных
прокатных станов. Использование слитков
ЭШП для этих поковок имеет значитель-
ные преимущества: улучшение конечных
свойств изделия и упрощение технологии
производства поковок за счет уменьшения
массы слитка и лучшей деформации при
горячей обработке давлением. Полагают
[27], что вследствие более высокого вы-
хода годного слиток ЭШП массой 150—
175 т сможет заменить слиток обычного
производства массой 300—400 т.

В некоторых зарубежных странах ори-
ентируются на создание уникальных уста?
новок ЭШП для производства кузнечных
слитков массой до 300 т. В нашей стране
предложен и осуществляется другой путь
укрупнения слитка ЭШП — соединение не-
скольких слитков посредством электро-
шлаковой сварки по бифилярной схеме
[12, 18, 21]. Нужную заготовку (100—
300 т) можно получить из двух или не-
скольких слитков меньшего размера (60—
150 т). При электрошлаковой сварке
(ЭШС) слитков или поковок из них тол-
щина сварного шва соизмерима с длиной
свариваемых частей.

Таким образом, сварной шов становит-
ся элементом заготовки. Для ЭШС исполь-
зуют расходуемые электроды большого
сечения. Применяются электрические схе-
мы (бифилярная) и технология, исполь-
зуемые при ЭШП (жидкий старт и т. п,).
Соединение между собой слитков по су-
ществу производится наплавлением круп-
ного слитка в форме, две противополож-
ные стенки которой представляют собой
торцы соединяемых деталей.

Расходуемые электроды для сварки из-
готавливают из того же металла, который
подлежит сварке. При этом достигается
полная адекватность химического состава
и физико-механических свойств металла
шва и металла слитков. Сварная заготов-
ка подвергается деформации. В результа-
те деформации и последующей терми-
ческой обработки составная заготовка
становится полностью однородной [2, 21].
Измельчение и перекристаллизация зерна
в околошовной зоне обеспечивают необхо-
димое соответствие структуры и свойств
и в этом участке заготовки. Новым мето-
дом ЭШС уже сваривают слитки и заго-
товки диаметром до 3 м и сечением до
10 м2.

Укрупнение слитков посредством их
сварки целесообразно также и для листо-
вых слитков. Масса листовых слитков
обычного производства достигла 70 т. На
повестке дня 140-тонный листовой слиток.
Такой слиток нужен для получения тол-
стого широкоформатного листа, необходи-
мого для строительства атомных реакто-
ров и гигантских судов. Крупные листо-
вые слитки нужны также для непрерыв-
ной прокатки тонколистовой стали. Полу-
чить 60—100-тонный электрошлаковый
слиток можно посредством сварки более
мелких слитков (20—40 т) подобно укруп-

нению кузнечных слитков. Увеличение
массы листовых слитков достигается пре-
имущественно за счет увеличения их вы-
соты и ширины. Как уже отмечалось, тол-
щина слитков ограничивается условиями
прохода в обжимном стане и обычно не
превышает 800 мм.

Большие потенциальные возможности
применения, которые, несомненно, будут
расширены в будущем, имеет способ ЭШЛ
[13, 14, 18]. Перспективность этого спосо-
ба определяют его широкие технические
возможности и экономические преимуще-
ства.

Изготовление литой заготовки слож-
ной формы значительно дешевле, чем из-
готовление ее другими методами. Однако
свойства литой заготовки обычного про-
изводства значительно ниже, чем у ана-
логичного металла, подвергнутого дефор-
мации. Поэтому в изделиях ответственно-
го назначения обычно используют дефор-
мированный металл.

Многочисленные исследования, выпол-
ненные в СССР, США, Японии и других
странах, показали, что литой металл, по-
лученный ЭШП, не уступает по свойствам
металлу, подвергнутому деформации.

Высокое качество литого электрошла-
кового металла открывает возможность
его использования в изделиях самого от-
ветственного назначения. Производство
таких изделий методом ЭШЛ начато в
СССР, а затем и в других странах.

Из предварительно отлитых беспри-
быльных заготовок кривошипов и шеек
после незначительной механической обра-
ботки собирается коленчатый вал. Масса
отлитых частей вала практически не ли-
митируется.

Важным преимуществом литого элек-
трошлакового металла является высокая
термостойкость. По этому показателю ли-
той электрошлаковый металл значительно
превосходит кованый металл обычной вы-
плавки. Это позволило применить ЭШЛ в
производстве прокатных валков, калибров,
оправок, штампов и других деталей ме-
таллургического оборудования и метал-
лургического инструмента. Возможность
управления структурой металла при ЭШЛ
используется в производстве режущего
инструмента. Применение ЭШЛ, особенно
при рациональном расположении дендри-
тов, относительно режущей кромки позво-
ляет значительно повысить стойкость ин-
струмента (в 1,5—2,5 раза).

Техника ЭШЛ позволяет изготавли-
вать литые трубы, бандажи цементных
печей специального профиля, колеса сверх-
мощных тракторов, гребные винты и дру-
гие заготовки и детали самой различной
формы и практически неограниченных
размеров и массы. Методом ЭШЛ может
быть получен специальный профиль, в
том числе и периодический, для изготовле-
ния однотипных деталей, например шесте-
рен, рычагов и др.

В настоящее время ЭШЛ используется
в производстве изделий, геометрическая
форма которых может быть получена пу-
тем свободного заполнения формы жид-
ким металлом. Минимальная толщина сте-
нок отливки ЭШЛ составляет 20 мм.
Отливки отличаются относительной просто-
той формы. Это в известной степени огра-
ничивает возможность применения ЭШЛ.
Решение этих проблем требуется уже се-
годня. Для этой цели в ИЭС им. Е. О. Па-
тона разработан новый способ литья пу-
тем заливки электрошлакового металла в
соответствующую форму, получивший на-
звание фасонного электрошлакового литья
(ФЭЛ).

Большие перспективы имеет способ
центробежного электрошлакового литья
(ЦЭШЛ), предусматривающий заливку
электрошлакового металла во вращаю-
щуюся форму.

Электрошлаковая технология открыва-
ет большие возможности в производстве
композитных изделий, что также будет
способствовать лучшему использованию
металла и повышению служебных харак-
теристик.

Несомненно, первостепенное значение
для развития ЭШП и ЭШЛ имеет повы-
шение степени рафинирования металла,
улучшение структуры и расширение воз-
можностей управления процессом. Воз-
можности ЭШП в этом направлении дале-
ко не исчерпаны. В СССР и других стра-
нах ведутся исследования рафинирующей
способности шлаков и создание новых
шлаковых систем. Исследуются и частич-
но уже нашли применение методы, приме-

няемые в большой металлургии,— элек-
тромагнитные и механические воздействия
на кристаллизующийся металл, модифи-
цирование металла, создание контроли-
руемой атмосферы, применение атмосфе-
, ры с повышенным и пониженным дав-
лением, обработка металла и шлака
нейтральными газами, газопорошковыми
смесями.

Одним из основных факторов, влияю-
щих на экономику ЭШП, является стои-
мость производства электродов. Значи-
тельное снижение стоимости электродов
достигается при изготовлении их литыми
на установках непрерывной или полуне-
прерывной разливки. Для крупнотоннаж-
ных печей можно использовать электро-
ды, получаемые отливкой в специальные
чугунные изложницы.

Значительное снижение стоимости элек-
тродов может быть получено при исполь-
зовании кислородно-конвертерной стали.
Эти работы успешно ведутся в СССР.
Как показали исследования, довести сталь
до кондиции можно уже в процессе ЭШП.
Такие операции, как дополнительное ле-
гирование, раскисление и модифицирова-
ние металла, можно выполнить в процессе
переплава без удорожания стоимости про-
цесса. Дополнительным преимуществом
этой технологии, кроме снижения стои-
мости электродов, является низкое содер-
жание в конвертерной стали водорода,
азота, серы и других примесей.

Другим важным средством снижения
себестоимости ЭШП является снижение
расхода электроэнергии. В этом направ-
лении положение значительно улучшилось
с переходом на переплав по бифилярной
схеме в коротких подвижных кристалли-
заторах.

Одной из важных мер повышения тех-
нико-экономических показателей электро-
шлаковой технологии является создание
автоматизированных систем управления
печами и установками для ЭШП и ЭШЛ.
Для решения этой важной задачи необхо-
димы широкие исследования металлурги-
ческих и теплофизических характеристик
процесса и его математическое описание.
Ряд вариантов математической модели
процесса ЭШП создан в СССР, а также
других странах. Уже созданы печи ЭШП,
снабженные автоматической системой
управления, использующей электронно-вы-
числительную технику. Такие установки
для электрошлакового переплава, литья,
сварки и наплавки, управляемые ЭВМ,
дают продукцию самого высокого и ста-
бильного качества в наиболее экономич-
ном режиме.

В предстоящие годы несомненно будет
возрастать выпуск электрошлакового ме-
талла в виде проката, поковок, литых и
сварных заготовок. Со временем, по мере
совершенствования технологии и техники
переплава, литья, сварки, себестоимость
электрошлакового металла будет постоянно
снижаться. Тем не менее вопросы эконом-
ного, разумного использования электро-
шлакового металла останутся в центре вни-
мания его потребителей.

Одним из путей решения этой важной
задачи является повторное использование
электрошлакового металла. Уже сегодня в
СССР и за рубежам все более широкое
применение находит использование отрабо-
тавших свой ресурс валков холодной про-

катки из электрошлакового металла в ка-
честве расходуемых электродов для ЭШП.
Это относится и к другим видам металлур-
гического и металлорежущего инструмента,
а также к различным отслужившим свой
срок изделиям и целым конструкциям.

Современная технология и техника ЭШП
и ЭШЛ позволяет без особых затруднений
многократно использовать электрошлако-
вый металл путем его переплава в различ-
ных электрошлаковых агрегатах и получе-
ния из него новых слитков, отливок и заго-
товок. Однако непосредственное повторное
использование электрошлакового металла
в виде расходуемых электродов может ока-
заться экономически нецелесообразным. В
таких случаях есть смысл применить элек-
трошлаковый металл в качестве шихты,
например для плавки в индукционных или
дуговых электропечах. Установлено, напри-
мер, что отливки, полученные из металла,
выплавленного из такой первоклассной ра-
финированной шихты, обладают значитель-
но более высокими характеристиками, чем
в случае плавки на обычной шихте.
§ 1. Химический состав

ГЛАВА II

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ, СТРУКТУРА
И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО МЕТАЛЛА

Э л ектрош лаковому переплаву, как прави-
ло, подвергается металл конечного хими-
ческого состава. При этом стремятся к
тому, чтобы слиток имел тот же состав,
что и электрод, исключая вредные приме-
си (8, О, Н, Ы и др.). При ЭШП возмож-
но, а в ряде случаев и целесообразно до-
легирование металла. Этот вариант про-
цесса пока используется недостаточно, но
ему принадлежит большое будущее.

В процессе ЭШП обеспечивается прак-
тически полное соответствие химического
состава металла слитка и электрода по
основным легирующим элементам. Труд-
ности, имеющие место при вакуумных пе-
реплавах в связи с испарением некоторых
летучих элементов (Мп, Сг), в случае
ЭШП отсутствуют. Испарение этих эле-
ментов при ЭШП незначительно и не при-
водит к существенным изменениям соста-
ва металла.

Некоторые затруднения при ЭШП воз-
никают при наличии в переплавляемом
металле легкоокисляющихся элементов
(А1, Т1, В, 2г), особенно при малом их
содержании. Однако значительная гиб-
кость процесса позволяет избежать этих
трудностей и достичь оптимального уров-
ня рафинирования металла от примесей.
Современная технология и техника ЭШП
располагает целым арсеналом средств ак-
тивного воздействия на металлургические
процессы, протекающие при переплаве.

Процесс ЭШП протекает в условиях
активного взаимодействия двух жидких
фаз — металла и шлака и газовой атмо-
сферы. Равновесие на границе раздела
металл—шлак связано с процессами, про-
текающими в тройной системе металл—
шлак—атмосфера над шлаком.

Взаимодействие металла со шлаком
зависит от химического состава обеих
фаз, состава газовой фазы, а также от
температурных и электрических условий
на границе раздела. Взаимодействие фаз
обусловливает протекание химических и
электрохимических реакций, в результате
которых осуществляется массоперенос эле-
ментов из одной фазы в другую.

Поведение высокоактивных элементов.
Окисление активных легкоокисляющихся
элементов в металле происходит в резуль-
тате взаимодействия их с кислородом,
основным источником которого является
атмосфера над шлаком. На открытой по-
верхности электрода и шлаковой ванны
протекают реакции окисления, в результа-
те которых осуществляется переход кисло-
рода из газовой фазы в шлак с образова-
нием ионов кислорода. На границе ме-
талл—шлак протекают реакции восста-
новления, в результате которых ионы
кислорода разряжаются и кислород пере-
ходит в металл. В металле кислород свя-
зывается активными элементами, которые
обладают наибольшим сродством к кисло-
роду и выполняют роль раскислителей.
Реакции раскисления протекают на по-
верхности раздела металл—шлак, и об-
разовавшиеся окислы поглощаются шла-
ком, что приводит к некоторому уменьше-
нию содержания в металле элементов-рас-
кислителей.

Кроме атмосферы источником кисло-
рода в системе металл—шлак может
являться и сам шлак, поскольку кроме
фторидов в нем имеется и некоторое коли-
чество окислов. В результате взаимодей-
ствия металла и шлака между ними про-
исходят реакции обмена, направленные на
приближение системы к равновесию. Со-
держащиеся в металле активные элемен-
ты, обладающие большим сродством к
кислороду, восстанавливают менее актив-
ные элементы из их окислов в шлаке. При
этом происходит обмен элементами меж-
ду шлаком и металлом. Окислившийся
элемент переходит из металла в шлак, а
восстановленный — из шлака в металл.
Например, по реакции окисления алюми-
ния закисью железа:

2 (А1] + 3 (РеО)	3 [Ре] + (А12О3).

(И. 1)

Эту реакцию можно представить также в
виде реакции обмена зарядом:

2 |А1] + 3 (Ре2+)	3 [Ре] + 2 (А13+). (П.2)

Протекание обменных реакций между
металлом и шлаком зависит от состава
шлака и содержания в нем непрочных
окислов, к числу которых в первую оче-
редь относят закись железа РеО. При на-
личии в шлаке РеО могут быть окислены
не только такие активные элементы, как

А1, Т1, В, 2г, 81, но также Мп и Сг. Окис-
ление этих элементов сопровождается вос-
становлением железа:

[Мп] -р (РеО )<± [Ре] -Р (МпО); (П.З)
[81] -р 2 (РеО) 2 [Ре] 4- (8Ю2).	(11.4)

Образованию закиси железа способ-
ствует наиболее высокое значение свобод-
ной энергии системы. Обменные реакции
между металлом и шлаком идут с умень-
шением свободной энергии системы, при
этом образуются окислы с более низким
значением термодинамического потенци-
ала. Поэтому при взаимодействии металла
со шлаком, содержащим закись железа,
активно могут протекать обменные реак-
ции окисления всех металлических эле-
ментов, более активных, чем железо.

Кроме закиси железа к числу непроч-
ных окислов в шлаке, определяющих его
окислительный потенциал, относят также
закись марганца МпО и двуокись крем-
ния 81О2. Понятие прочности окисла весь-
ма относительно, поскольку участие окис-
ла в обменных реакциях зависит от хими-
ческого состава металла и определяете^
наличием в нем элементов, более актив-
ных, чем металл окисла в шлаке. Поэтому
один и тот же окисел в условиях взаимо-
действия с различным металлом может
вести себя по-разному. В одних условиях
он участвует в обменных реакциях с ме-
таллом, в других — не участвует и рас-
сматривается как прочный окисел, присут-
ствие которого в шлаке не приводит к
окислению элементов металла.

Таким образом, закись железа являет-
ся наиболее универсальным окислом,
окислительное действие которого распро-
страняется на все основные элементы в
стали. Почти столь же широким спектром
действия обладает закись марганца. Окис-
лительная способность двуокиси кремния
проявляется только при наличии в метал-
ле элементов, более активных, чем крем-
ний.

Протекание обменных реакций и их
развитие зависят не только от активности
окислов и элементов, а также и от их кон-
центрации. С увеличением концентрации
активность возрастает. При этом оказы-
вается возможным восстановление метал-
ла из окисла менее активным металлом,
например алюминием, титаном и даже
кремнием:

3 [Т1] + 2 (А12О3)

3 [811 + 2 (А1г03)

3 (ТЮ2) 4- 4 [А1]; (11.5)

3 (81О2) 4- 4 (АП- (П.6)

Возможно восстановление кальция алю-

минием или титаном:

ГТ1] 4- 2 (СаО) (ТЮ2) 4- 2 [Са].	(П.7)

Переход кальция в металл ограничен
его малой растворимостью. Поэтому при
протекании реакций восстановления воз-
можно образование нейтральных атомов
кальция, находящихся в шлаковом рас-
плаве:

[Т1] 4- 2 (СаО) (ГЮ2) + 2 (Са).	(П.8)

Присутствие в шлаке атомов кальция
может способствовать поглощению кисло-
рода по реакции

2 (Са) 4- (О2) -> 2Са2+ + 2 (О2~)- (П.9)

В результате этой реакции в шлаке уве-
личивается содержание окиси кальция и
возрастает количество свободных ионов
кислорода. Это приводит к увеличению
окислительной способности шлака, кото-
рая проявляется не только по отношению
к таким активным элементам, как титан
и алюминий при переплаве сталей и спла-
вов, но и к кремнию в случае отсутствия
в сталях более активных элементов.

Развитие реакции определяется значе-
нием ее константы равновесия, вычисляе-
мой как отношение активностей элементов
и соединений, участвующих в реакции.

Изменяя отношение активностей окис-
лов в шлаке, можно регулировать разви-
тие реакций. На практике управление хо-
дом реакций осуществляется подбором
шлака с нужным соотношением содержа-
ний окислов. При этом учитывают взаимо-
действие системы с газовой фазой над
шлаком и образование окислов на поверх-
ности электрода.

Кроме развития окислительных реак-
ций и реакций обмена для обеспечения
заданного химического состава в слитке
необходимо учитывать также различную
интенсивность этих реакций в различные
периоды плавки. Например, реакция вос-
становления кремния получает наиболь-
шее развитие в начальный период плавки
и замедляется по мере наплавления слит-

ка вследствие расходования двуокиси
кремния, содержащейся в шлаке.

Для предупреждения попадания в шлак
окислов, образовавшихся на поверхности
электродов при горячей обработке давле-
нием или литье, используют электроды
с зачищенной и протравленной поверх-
ностью. В качестве дополнительных мер
защиты при наличии в металле легкоокис-
ляющихся элементов применяют различ-
ного рода краски и покрытия электродов.

С целью уменьшения угара активных
элементов в некоторых случаях над по-
верхностью шлаковой ванны создают за-
щитную атмосферу. При этом исключает-
ся окисление металла кислородом атмо-
сферы, однако не устраняется возможность
окисления вследствие обменных реакций
между металлом и шлаком. Создание за-
щитной атмосферы при ЭШП снижает
степень десульфурации и имеет другие
отрицательные стороны, одной из которых
является увеличение интенсивности проте-
кания обменных реакций между металлом
и шлаком.

Более приемлемым решением вопроса
уменьшения окисления активных элемен-
тов является раскисление шлака [20, 22,
30]. Существенное улучшение в отноше-
нии снижения угара элементов в началь-
ный период плавки достигается уже при
предварительном раскислении шлака в
ковше перед заливкой в кристаллизатор.
Однако вследствие непрерывного поступ-
ления в шлак окислов железа ЕеО и кис-
лорода атмосферы в процессе ЭШП воз-
никает необходимость непрерывного рас-
кисления по ходу плавки.

Наибольшее распространение получил
ввод алюминия. Раскисление шлаковой
ванны алюминием и алюмокальцием пред-
отвращает угар кремния, титана и других
легирующих элементов, а также способ-
ствует более эффективному обессерива-
нию металла. Наиболее равномерное рас-
пределение титана, алюминия и других
элементов по высоте слитка достигается
при дифференцированном раскислении,
учитывающем интенсивность окислитель-
ных процессов в различные периоды плав-
ки. При введении алюминия в шлаковой
ванне протекают реакции его окисления,
на которые расходуется окислительный по-
тенциал шлака. Окисление алюминия в
первую очередь происходит за счет кисло-
рода, поглощаемого шлаком из атмосфе-
ры. При этом происходят реакции восста-
новления катионов трехвалентных метал-
лов (Ре3+, Мп3+, Т13+) до двухвалентных
с образованием АЬОз. Во вторую очередь
идут реакции восстановления менее актив-
ных металлов из их окислов. В результа-
те изменения содержания окислов в шла-
ке и отношения их активностей изменя-
ются условия равновесия системы ме-
талл—шлак. Состояние равновесия дости-
гается при значительно более высоких
значениях концентраций активных элемен-
тов. При этом удается обеспечить практи-
чески полное усвоение таких элементов,
как титан, алюминий, бор.

Раскисление шлаковой ванны алюми-
нием позволяет также регулировать со-
держание в металле кремния и марганца.
Процессы раскисления шлака описывают-
ся соответствующими реакциями окисле-
ния алюминия. Возможность регулировать
распределение кремния и марганца объ-
ясняется изменением отношения актив-
ностей глинозема и окислов этих эле-
ментов.

Раскисление шлака возможно также
углеродом. При температурах ЭШП угле-
род обладает значительной раскислитель-
ной способностью, которая с повышением
температуры возрастает. Преимущество
этого варианта раскисления состоит в том,
что продуктами реакций являются газооб-
разные вещества, которые к тому же соз-
дают над шлаком защитную атмосферу.
Использование плавающих угольных или
графитовых поплавков позволяет резко
снизить окисление титана при переплаве
нержавеющей стали.

Раскисление шлаковой ванны алюми-
нием или другим раскислителем использу-
ется в основном при переплаве сталей и
сплавов, содержащих легкоокисляемые
элементы. Сохранение легирующих эле-
ментов при ЭШП основной массы сталей
обеспечивается подбором состава шлака
и другими технологическими мерами (тем-
пературный режим, коэффициент заполне-
ния кристаллизатора и др.).

Одним из важных моментов взаимо-
действия металла и шлака при ЭШП яв-

ляется переход в металл алюминия из
шлаков, содержащих глинозем. Восста-
новление алюминия происходит в резуль-
тате обменных реакций между металлом
и шлаком. В этом случае глинозем шлака
является источником кислорода для окис-
ления активных элементов металлического
расплава. При высоком содержании в
шлаке глинозема возможно протекание
реакций восстановления алюминия тита-
ном и кремнием. В реакциях восстановле-
ния алюминия может принимать участие
также углерод. Алюминий может перехо-
дить из шлака в металл также в резуль-
тате протекания катодных реакций

(А13+) + Зё -> [А1].	(П.10)

Переход алюминия из шлака в металл
при ЭШП осуществляется в малых коли-
чествах (тысячные — сотые доли процен-
та). Присутствие его способствует измель-
чению структуры и улучшению свойств.
Однако в некоторых конструкционных ста-
лях алюминий даже в очень малом коли-
честве оказывает отрицательное влияние.
Даже незначительное увеличение содер-
жания алюминия выше его остаточного
содержания в некоторых сталях обуслов-
ливает их склонность к трещинам. Выде-
ление включений глинозема при кристал-
лизации трансформаторной стали препят-
ствует образованию требуемой текстуры
и снижает магнитные свойства. Поэтому
увеличение содержания алюминия при
ЭШП этих сталей недопустимо.

Увеличению интенсивности перехода
алюминия в металл может способствовать
отсутствие или ослабление других источ-
ников окисления металла. В условиях пе-
реплава в нейтральной или слабоокисли-
тельной атмосфере возможно протекание
реакций восстановления алюминия желе-
зом. Снижению интенсивности реакций
восстановления алюминия способствуют
повышение содержания в шлаке двуокиси
кремния, а также одновременное увели-
чение содержания окиси кальция.

Содержание алюминия при ЭШП регу-
лируют подбором шлака. В соответствии
с законом распределения интенсивность
процессов восстановления алюминия за-
висит от отношения активностей глинозе-
ма и других окислов в шлаке. Изменяя
3

Таблица 1. Химический состав некоторых сталей и сплавов, подвергнутых ЭШП, %

Марка стали, сплава

с	81	Мп	Сг	«	Мо	XV	V	А1	Т1

Строительные и конструкционные

Сталь 35

09Г2С

10ХСНД

18Х2М

18ХНВА

38ХМЮА

36ХН1МФАР

ЭЗ

ШХ15

ШХ15СГ

9Х

9Х2МФ

Р18М

Р18Ф2Н2М

ЗХЗМЗФ

4Х4М2ВФС

Г13

Х28

ЭИ961

0,34
0,33
0,10
0,10
0,12
0,11
0,16
0,16
0,17
0,17

0,40
0,41
0,37
0,37
0,03
0,03

1,02
1,01

1,06
1,04
0,91
0,90
0,87
0,83

0,75
0,75
1,09
1,04
0,29
0,33
0,38
0,41
1,21

1,15

0,33
0,23
0,68
0,70
0,99
0,92
0,34
0,34
0,28
0,26
0,36
0,38
0,27
0,28
3,22
2,98

0,27
0,18
0,53
0,46
0,49
0,47
0,33

0,31

0,21
0,19
0,17
0,16
0,26
0,36
0,63
0,65
0,34
0,31

0,56
0,54

1,55
1,46
0,63
0,61
0,43
0,43
0,44
0,43
0,46
0,46
0,34
0,37

0,11

0,09

0,06
следы

0,76

0,75

2,27

2,29

1,44

1,44

1,51

1,52

1,41

1,30

0,08
0,08
0,06
0,06
0,94
0,95
0,43
0,46
4,28

4,28

1,40

1,42

0,28

0,29

0,21

0,21

0,35
0,34

0,89

0,87

0,78

0,70

0,016

0,046

стали

0,24

0,23

0,56

0,56

0,10

0,10

0,14

0,13

Шарикоподшипниковые стали и

0,27
0,26

1,07
1,03
0,38
0,39
0,31
0,30

1,46

1,46

1,48

1,47

1,50

1,52

1,92

1,88

0,23

0,21

0,30

0,24

0,19

0,19

0,023

0,035

стали

для

в а л ко|

0,11

Не оп;

X о л о

0,16
0,15

0,28
0,28

0,42
0,39

0,31
0,37

12,12
11,76

4,40
4,40

4,05
4,18

2,9
3,2

3,7
3,8

Инструментальные и износостойки

0,22	0,45	17,85	1,19			
0,22	0,47	17,88	1,18			
0,17	1,04	17,23	2,24			
0,19	. 1,15	17,00	2,22			
	2,7		0,47			
	3,0		0,52			
	1,4	0,8	0,36			
	1,4	0,8	0,41			
					— --	

жаропрочны

ста л

Коррозионностойкие и

0,12	0,45	0,30	28,4					
0,13	0,47	0,30	28.6				1	
0,12	0,23	0,34	11,35	1,71	0,42	1,64	0,30	
0,13	0,19	0,34	11,40	1,64	0,45	1,56	0,25	

ста л 1
ыь

	Си	В	5	Р	Литературный источник

стали

!



:то ик ие

0,23

0,56

0,10

0,10

0,11

Не опр.

холодной пр

стали

0,024
0,004

0,030

0,013

0,010
0,003

0,015

0,009

0,015

0,007

0,007
0,004'

0,020

0,009
0,0056
0,0027

0,009
0,006
0,010
0,007
0,012
0,006

0,015

0,008 |

0,024
0,013
0,011
0,006
0,030
0,013
0,010
0,005
0,007
0,005

стали и сплавы

_ _ °>016

0,014

0,016

“	“	0,009

0,011

0,009

0,018

0,014
0,013
0,015
0,015
0,012
0,013
0,014
ОДЛЗ
0,020
0,018

0,016
0,015
0,019
0,021
0,016
0,017

0,010

0,027

0,027

0,049

0,020
0,015
0,077
0,066

0,027

Г. А. Бойко

[44]

[46]

[44]

[30]

[30]

Б. И. Медовар

Г. П. Кагановский

О. С. Якушев

[30]

Б. И. Медовар

Б. И. Медовар

[30]

[47]

[49]

[49]

[30]

[30]

[30]

это отношение, можно достичь нужного
распределения элементов.

Особенностью процессов взаимодей-
ствия металла и шлака, в состав которого
входит глинозем, является то, что при ре-
акциях перехода в металл алюминия со-
держание кислорода в металле выше обыч-
ного. Для объяснения этого явления про-
теканием термохимических реакций дис-
социации глинозема

(А12О3)	2 [А1] + 3 [О]	(11.11)

необходимо допустить существование в
шдаковой ванне зон с температурой выше
2000° С. Однако реальное содержание кис-
лорода в металле не соответствует сте-
хиометрическому соотношению 2А1 : 30,
Кислород оказывается в избытке. Связь
процессов перехода алюминия в металл с
кислородом объясняют протеканием элек-
трохимических реакций [39, 64]. Согласно
этим представлениям, переход алюминия
в металл сопровождается одновременным
переходом в металл кислорода в резуль-
тате протекания реакций анодной нейтра-
лизации ионов алюминатов:

(А1О2)-> [А1] + 2 [О] + ё.

(П.12)

Соотношение алюминия и кислорода
по этой реакции (1:2) удовлетворительно
согласуется с данными практики. Суще-
ствуют и другие объяснения. По мнению
авторов работы [55], повышение содержа-
ния кислорода в металле, сопутствующее
переходу алюминия из шлака в металл,
можно объяснить протеканием цепи элек-
трохимических реакций, одним звеном в
которой является реакция восстановления
алюминия на катоде (реакция (11.10)), а
другим — анодная реакция поляризации
железа:

[Ре] (Ре2+)+ 2е-

(11.13)

Образование в шлаке ионов Ре2+, как
известно, ведет к поглощению кислорода
и его переходу в металл.

Возможно также, что поведение кисло-
рода объясняется изменением условий на
межфазной поверхности металл—шлак и
затруднением реакций раскисления метал-
ла в условиях протекания процессов вос-
становления алюминия, поскольку актив-
ность продуктов раскисления и скорость
Мирка стали, сплава	с	81	Мп	Сг	Ы‘1	Мо	\А/	V	А1	И	№
1Х18Н10Т	0,12	0,48	1,20	17,7	9,20				0,48		
	0,12	0,46	1,18	17,6	9,17				0,40		
ЭИ769	0,07	0,62	1,73	13,70	14,9				0,90		
	0,07	0,60	1,77	13,65	15,0				0,80		
ЭИ481	0,32	0,57	0,22	13,48	8,35	1,35				0,09	0,46
	0,33	0,54	0,10	13,43	8,52	1,33				0,06	0,43
ЭИ437БУ	0,07	0,18	0,30	20,04	Осн.	11		—' -	1,09	2,80	
	0,06	0,20	0,29	20,75					0,95	2,78	
ЭИ698	0,05	0,42	0,22	14,45		2,91	—	—- 	1,62	2,60	2,08
.. .	0,04	0,48	0,20	14,45		3,00			1,50	2,60	2,02

Примечание. В числителе состав до ЭШП: в знаменателе — после ЭШП. В сплаве ЭИ437БУ содержание железа

основа.

Таблица 2. Содержание кислорода в сталях и сплавах

Марка стали, сплава 			1	Содержание кислорода, %		Изменение содер- жания, отн. %	Литературный источник
	до ЭШП	после ЭШП		
Армко-железо	0,0900	0,0048	94,7	[14]
09Г2С	0,0100	0,0021	79	[43]
16ГНМ	0,0055	0,0017	69,1	[43]
10ХСНД	0,0053	0,0018	66,1	[45]
18Х2М	0,0054	0,0017	68,6	[43]
ШХ15	0,0024	0,0013	45,9	О. С. Якушев
9Х	0,0029	0,0014	51,8	Б. И. Медовар
5ХНВ	0,0030	0,0015	50	[61]
4Х5МФС	0,0065	0,0032	50,8	[61]
60Х2СМФ	0,0091	0,0015	85,6	Б. И. Медовар
12Х12М4А	0,0037	0,0017	54,1	[59
ЭИ961 (1Х12Н2ВМФ)	0,0040	0,0021	47,5	1 л  [30]
Х18Н10Т	0,0099	0,0038	61,7	[30]
ЭИ847 (1Х14Н19ВЗБ)	0,0057	0,0026	55	[36]
ЭП168 (Х18Н15Р4)	0,0064	0,0025	61	В. С. Рудой
ЭИ698 (ХН15МТЮБ)	0,0007	0,0004	42,9	Н. И. Пинчук
Сплав на основе никеля				
ЭИ867	0,0013	0,0007	42,3	[30]
Железоникелевый сплав	0,0026	0,0015	40	К. Я. Шпунт
ЖС-6КП	0,0006	0,0004	33,4	К. Я. Шпунт

их удаления зависят от состава и свойств
шлака у межфазной поверхности.

Общий характер изменения химиче-
ского состава металла при ЭШП можно
проследить на примере сталей и сплавов
различных марок, приведенных в табл. 1.
Как следует из этой таблицы, существен-
ных изменений в содержании основных
легирующих элементов при ЭШП не на-

блюдается. Характерным изменением в со-
держании примесей является значитель-
ная десульфурация металла.

Эффект рафинирования металла. Основ-
ными задачами повышения качества ме-
талла, которые успешно решает ЭШП,
является рафинирование металла и полу-
чение совершенной структуры. Решение
второй задачи в определенной степени свя-
*	Си	В	8	р	Литературный источник
4	——*	 —	0,018  0,010	0,033  0,032	[30]
		 —	0,013  0,006	0,012  0,014	[30]
	— -		0,011  0,006 	0,024 О’,024	[30]
	0,03  0,03	0,010  0,010	0,004  0,004	0,007  0,010	М. И. Кричевец
	0,0056  0,0050	0,005  0,005	0,008  0,005	0,006  0,006	Н. И. Пинчук

0.40 П.

составляет -“—-г- %; в остальных сталях и сплавах железо



зано с решением первой. Поэтому рафини-
рование металла приобретает первосте-
пенное значение.

Наиболее важными показателями ра-
финирования металла при ЭШП является
удаление серы и кислорода и других при-
месей.

Десульфурация металла является од-
ним из важных преимуществ ЭШП перед
вакуумными видами переплавов. Степень
десульфурации металла при ЭШП в от-
крытом кристаллизаторе составляет 70—
80%. При вакуумных видах переплава
десульфурация металла практически отсут-

ствует. Десульфурация металла в вопро-
сах рафинирования имеет большое значе-
ние, поскольку сера не только отрицательно
влияет на механические свойства металла,
его деформируемость и устойчивость про-
тив трещин, но и как сильноликвирующий
элемент способствует образованию несо-

вершенств

слитка, чем

макроскопического строения
снижает качество металла.

Степень удаления кислорода при ЭШП,
как и серы, составляет 40—80%. Степень
деазотации металла в зависимости от
композиции сплава составляет 10—80%.
Удаление всех этих элементов также име-
ет большое значение как для обеспечения
качества металла в изделии, так и
для получения слитка без макронесовер-
шенств.

Эффективность рафинирования метал-
ла при ЭШП по кислороду и азоту иллю-
стрируют данные табл. 2 и 3.

Особое место в металлургии ЭШП за-
нимает вопрос удаления водорода. В усло-
виях плавки в открытом кристаллизаторе
и наличии в атмосфере повышенного со-
держания водяных паров процессы погло-
щения водорода из атмосферы превалиру-
ют над процессами удаления его из
металла, в результате чего содержание во-
дорода в металле возрастает. Интенсифи-
кация процессов удаления водорода тре-
бует применения специальной технологии
(продувка шлака и металла инертным

Таблица 3. Содержание азота в сталях и сплавах

Содержание азота, %

Марка стали, сплава

до ЭШП

после ЭШП

Изменение содержа-
ния, зтн. %

Литературный
источник

Армко-железо
09Г2С
16ГНМ
18Х2М
10ХСНД
ШХ15

ЭИ961 (1Х12М2ВМФ)
15X11МФБ

Х18Н10

ЭИ847 (0Х16Н15МЗБ)
1Х14Н19В2Б

Никелевый сплав ЭИ867
16Г2АФ

0,0148
0,0120
0,0048
0,0040
0,0050
0,0104
0,0100
0,0250
0,0286
0,0757
0,0544
0,0527
0,0107
0,0165

0,0126
0,0019
0,0014
0,0015
0,0052
0,0080
0,0070
0,0190
0,0247
0,0272
0,0574
0,0607
0,0051
0,0152

—15

—74,2

—70,9

—24

15

[14]

[43]
43]
43]
451

А. Г. Фридман

136]
(«1
[36]

[46]
Рис. 39. Диаграммы загрязненности стали
ШХ15 оксидными (а) и сульфидными (б) вклю-
чениями:

2—исходный металл; 3— металл после ЭШП.

Рис. 40. Диаграмма загрязненности стали
ЭИ847 оксидными включениями:

1 — исходный металл; 2 — металл после ЭШП

газом, применение дополнительной цепи
постоянного тока с нерасходуемым электро-
дом), что ведет к усложнению процесса.
Поэтому в практике ЭШП в отношении
водорода ограничиваются мерами предот-
вращения попадания влаги в реакцион-
ную зону процесса. При этом удается по-
лучать слитки с относительно низким со-
держанием водорода (не более 2  10-4%
даже в очень крупных слитках). К тому же
образование флокенов в металле ЭШП
менее вероятно, чем в металле обычного
слитка. Как известно, флокены образуют-

ся преимущественно в местах появления
ликвации и по границам неметаллических
включений. Более высокая чистота метал-
ла ЭШП обусловливает уменьшение веро-
ятности образования флокенов, что позво-
ляет считать допустимым содержание во-
дорода в слитках ЭШП. на уровне его со-
держания в кузнечных слитках (2 - 10-4%).

Эффект рафинирования металла при
ЭШП наглядно проявляется в уменьше-
нии загрязнения металла неметаллически-
ми включениями, поскольку основная
часть их связана с наличием примесей.
На рис. 39 приведены частотные диаграм-
мы загрязненности шарикоподшипниковых
сталей ШХ15СГ и ШХ15 оксидными и
сульфидными включениями до и после
ЭШП [30]. Указанные диаграммы иллю-
стрируют высокую эффективность ЭШП в
удалении оксидных и сульфидных вклю-

Рис. 41. Распределение оксидных (а) и суль-
фидных (б) включений в слитке стали 12Х1МФ
электродугового производства (1) и ЭШП (2)
[41] (/—IX —уровни по высоте слитка).
Расстояние от оси слитка, доли к

Рис. 42. Распределение сульфидных включений
в слитке стали 12Х1МФ мартеновского произ-
водства (1) и ЭШП (2) [59] (I—IX—уровни
по высоте слитка).

Рис. 43. Влияние чистоты исходной стали ШХ15
(I) на содержание неметаллических включений
в ней после ЭШП (II) [30]:

А — электросталь обычного производства; Б — марте'
новская сталь, обработанная синтетическим шлаком
в ковше; 1 — оксиды; 2 — сульфиды; 3 — нитриды.

Рис. 44. Изменение содержания включений в
стали 12Х2Н4А при ЭШП:

7 — исходный металл; II — однократный ЭШП; III —
двукратный ЭШП; 1 — оксиды; 2 — сульфиды; 3 —
нитриды.

чений. После ЭШП чистота металла повы-
шается в 2—3 раза. Аналогичные данные
получены при исследовании различных
марок сталей и сплавов. На рис. 40 пока-
зано изменение чистоты по оксидным вклю-
чениям легированной стали, ЭИ847 [8].

Распределение неметаллических вклю-
чений в металле определенным образом
может характеризовать однородность ме-
талла по химическому составу, в частно-
сти по распределению примесей. Однород-
ность металла ЭШП в отношении распре-
деления таких примесей, как сера и кис-
лород, хорошо иллюстрирует распределе-
ние окисных и сульфидных включений.
Распределение этих включений по высоте
и сечению слитка котельной стали 12Х1МФ
электродуговой выплавки и ЭШП, по дан-
ным исследования [41], показано на рис. 41.
В слитке электростали обычного произ-
водства оксидные и сульфидные неметал-
лические включения распределены нерав-
номерно. Эта неоднородность в распреде-
лении включений и связанных в них при-
месей в слитке ЭШП отсутствует.

Еще более контрастным является по-
вышение в результате ЭШП однородности
стали 12X1 МФ мартеновской выплавки.
Мартеновская сталь отличается более вы-
соким содержанием серы, ликвация кото-
рой приводит к образованию неоднород-
ности. Поэтому сульфидные включения в
слитке мартеновской стали 12X1 МФ рас-
пределены еще более равномерно, чем у
электростали [4] (рис. 42). В слитке
ЭШП значительно меньше содержание
сульфидов и распределены они равно-
мерно.

Эффект рафинирования металла при
ЭШП тем выше, чем более загрязнен ме-
талл примесями. С уменьшением содержа-
ния примесей эффект рафинирования
уменьшается, однако достигаемая степень
чистоты металла, т. е. глубина рафиниро-
вания, возрастает. Поэтому для получе-
ния металла наиболее высокой чистоты
необходимо, чтобы металл электродов
был по возможности более чистый.

Влияние чистоты исходного металла
на глубину рафинирования электростали
показано на рис. 43 [30]. Наибольшая
глубина рафинирования достигается при
использовании электродов из стали, обра-
Рис. 45. Изменение загрязненности стали ШХ15
неметаллическими включениями и газами при
различных вариантах переплава:

1	— нитриды; 2 — сульфиды; 3 — оксиды.

ботанной систематическим шлаком, а так-
же из вакуумированного металла, т. е. бо-
лее чистого исходного металла. При пере-
плаве стали с очень низким содержанием
серы получена сталь, практически не со-
держащая сульфидных включений [37].

Исключительно высокая чистота ме-
талла может быть достигнута при двой-
ном ЭШП (рис. 44). Особенно эффекти-
вен двойной переплав под разными флю-
сами. Изменение загрязненности стали
ШХ15 при двойном ЭШП по специальной
технологии Запорожского машинострои-
тельного института [30] показано на рис. 45.
Чистота этой стали выше, чем стали двой-
ного переплава ЭШП + ВДП.

§	2. Структура

Высокая химическая однородность элек-
трошлакового металла благоприятно соче-
тается с высокой структурной его одно-

родностью, которая обусловлена специфи-
ческими условиями кристаллизации элек-
трошлакового слитка или отливки.

Строение электрошлаковых слитков.
Деформированная электрошлаковая сталь,
катаная или кованая, отличается от стали
обычного производства значительно бо-
лее высоким качеством структуры. Это
существенно предопределяет повышение
общего уровня физико-механических ха-
рактеристик и их изотропности, а также
служебно-эксплуатационных свойств, в том
числе и таких факторов, как надежность и
долговечность работы изделий.

Качественная основа структуры стали
как конструкционного материала закла-
дывается еще в период ее кристаллиза-
ции. Результаты протекающих при этом
физико-химических и теплофизических
процессов фиксируются в затвердевшем
металле в виде структурной, физической
и химической неоднородности.

Как известно, макроструктура обыч-
ных слитков состоит из поверхностной
зоны мелких неориентированных кристал-
лов, зоны транскристаллизации, переход-
ной зоны направленных и неориентиро-
ванных кристаллов, зоны крупных равно-
осных кристаллов и, наконец, зоны осаж-
дения индивидуальных кристаллов, обра-
зующих «конус» в нижней части слитков
(рис. 46). Каждая из перечисленных зон 
отражает определенные изменения тепло-
физических условий кристаллизации ста- [
ли. Таких изменений при затвердеваний ;
обычного слитка происходит четыре.

Кристаллическое строение электрошла-
ковых слитков более однородно. Их ма-
кроструктура характеризуется сквозной
транскристаллизацией и, следовательно,
отражает высокую стабильность теплофи-
зических условий затвердевания металла.
И только в крупных электрошлаковых
слитках, диаметр которых превышает
500 мм, наблюдается двухзонное строе-
ние — периферийная область столбчатых
кристаллов и центральная область равно-
осных кристаллов (рис. 47).

Сравнивая дендритную структуру, сле-
дует отметить, что высокие скорости кри-
сталлизации и температурный градиент у
фронта затвердевания электрошлакового
металла создают благоприятные условия
Рис. 46. Структурные зоны слитка, отлитого в
чугунную изложницу:

/ — зона мелких неориентированных кристаллов; 2 —
зона транскристаллизации; 3 — переходная зона; 4 —
зона равноосных кристаллов; 5 — зона осаждения кри-
сталлов.

Рис. 47. Структурные зоны электрошлаковых
слитков малого (а) и большого (б) сечений:
/ — зона столбчатых кристаллов; 2 — зона равноос-
ных кристаллов.

для роста относительно более тонких кри-
сталлов. Расстояние между осями второго
порядка (дисперсность структуры) в ли-
том металле электрошлакового переплава
на 20% меньше, чем в металле обычного
производства.

В. А. Ефимов отмечает [11], что неод-
нородность размеров, формы и мест рас-
пределения кристаллов в объеме слитка
является главной проблемой получения
качественного слитка. Эта проблема успеш-
но решается на основе ЭШП.

Физическая неоднородность обычных
слитков, если исключить дефекты разли-
вочного происхождения, проявляется в на-
личии газовых пор различных размеров и
раковин (см. рис. 46). Поры располага-
ются преимущественно в переходной зоне
и зоне равноосных кристаллов, а ракови-
ны — в осевой части слитков. Возникнове-
ние этих несплошностей в металле вызва-
но затрудненностью или полным отсутстви-

ем подпитки жидким металлом фронта за-
твердевания. Поэтому обычный слиток в
литом состоянии не может быть использо-
ван непосредственно для получения изде-
лия и подвергается обязательной горячей
деформации не только с целью формоиз-
менения, но и для заваривания внутрен-
них дефектов. При прокатке слитков сте-
пень деформации их сечения составляет
не менее 6, а при ковке — не менее 3. За-
варивание газовых пустот способствует
некоторому повышению удельной плотно-
сти деформированного металла.

Пористость в металлической матрице
обычных слитков вызывается также выде-
лением неметаллических включений. Раз-
мер таких пор в отдельных случаях мо-
жет достигать 500 мкм. В процессе про-
катки и ковки металла такие поры не
исчезают, не завариваются, а только изме-
няют свою форму, вытягиваясь в сплош-
ные или прерывистые строчки.

Электрошлаковый слиток отличается
от обычного резким повышением физиче-
ской однородности. Направленное снизу
вверх последовательное затвердевание ме-
талла в условиях беспрепятственной под-
питки жидким металлом фронта кристал-
лизации практически блокирует появле-
ние физической неоднородности в виде га-
зовых пор и раковин. Это подтверждает
тот факт, что горячая деформация элек-
Таблица 4. Удельная плотность литой
электрошлаковой стали и деформированной стали
обычного производства

Марка стали	Удельная плотность, г/см*	
	до ЭШП	после ЭШП (литой металл)
ШХ15	7,8150	7,8210
ШХ15СГ	7,7690	7,8040
X18Н9Т	7,8250	7,9210
Х18Н12Т	7,9002	7,9056
2X13	7,7360	7,8090
Х17Н2	7,6390	7,7350
Х18	7,6220	7,7270
ЭИ844Б	8,0211	8,0346
34ХМ	7,7811	7,8201
20ХНЗА	7,8050	7,8160

трошлакового металла практически не
влияет на его удельную плотность. Сум-
марная площадь пор, образованных неме-
таллическими включениями, у электро-
шлаковой стали в несколько раз меньше,
чем у обычной, а размер единичных пор
не превышает 30 мкм. Поэтому удельная
плотность литой электрошлаковой стали
превосходит удельную плотность дефор-
мированной стали обычного производства
(табл. 4). По этой же причине и литая и
деформированная электрошлаковые стали
при прочих равных условиях всегда обла-
дают более высокими пластическими и
вязкими свойствами. Высокая физическая
однородность электрошлаковых слитков
обеспечила возможность использования их
в литом состоянии для изготовления раз-
личных изделий.

В макроструктуре обычного слитка хи-
мическая неоднородность проявляется в
виде У-образной внецентренной зоны
положительной ликвации, Л-образной осе-
вой зоны положительной ликвации, под-
прибыльной зоны положительной ликва-
ции и зоны отрицательной ликвации, рас-
положенной в его нижней трети. Зоныпо-
. ложительной ликвации характеризуются
повышенным (в 2—5 раз выше, чем в дру-
гих зонах) содержанием углерода, серы,
фосфора, кислорода, водорода и некото-
рых других примесей. В зоне отрицатель-
ной ликвации содержание перечисленных
элементов понижено, за исключением кис-
лорода. Всем зонам присуща повышенная

загрязненность неметаллическими включе-
ниями. Горячая деформация и термообра-
ботка не устраняют химической неодно-
родности, и она наследственно передает-
ся прокату или поковкам. Это приводит
к разнородности физико-механических
свойств деформированного металла, полу-

ченного из одного слитка.

В электрошлаковых слитках с одно-
родной транскристаллитной структурой зо-
нальная химическая неоднородность от-
сутствует. Макроструктура характеризует-
ся равномерным распределением основных
и легирующих элементов, а также приме-
сей — серы, фосфора, кислорода и неме-
таллических включений. Макроструктура
деформированного металла отличается вы-
сокой плотностью и однородностью.

В крупных электрошлаковых слитках,
диаметр которых более 1000 мм, при рав-
номерном распределении серы по сечению
наблюдается некоторое укрупнение суль-
фидных включений в зоне равноосных
кристаллов. Вместе с тем при оценке рас-
пределения серы по отпечаткам Баумана,
снятым с сечений поковок, электрошлако-
вый металл превосходит металл обычной
выплавки. Высокая плотность структуры
крупных электрошлаковых поковок под-
тверждается статистикой контроля каче-
ства в производственных условиях — не
известны случаи забракования поковок
из-за трещин и раковин, образующихся
в центральных объемах обычных слитков
при их кристаллизации.

Повышение структурной, физической и
химической однородности металла в ре-
зультате ЭШП наследственно передается
деформированному металлу в виде прока-
та, поковок и штамповок. Многочисленные
данные исследований и промышленного
контроля макроструктуры деформирован-
ного электрошлакового металла позволи-
ли выявить следующие его преимущества,
по сравнению с деформированным метал-
лом обычного производства:

1.	Снижение загрязненности сульфид-
ными включениями на 2—4 балла при
контроле на серных отпечатках.

2.	Резко выраженная пониженная тра-
вимость вследствие повышения общей
плотности и однородности металла. Дли-
тельность травления темплетов из метал-
Рис. 48. Макроструктура отливки запорного
клапана без внутренней полости (а) и схема-
тическое строение зон встречной кристалли-
зации (б).

ла ЭШП возрастает в 1,5—3,0 раза по
сравнению с травлением металла обычно-
го производства.

3.	Значительное снижение механиче-
ской текстурованности, проявляющейся в
виде волокнисто-строчечной структуры, в
результате уменьшения общего содержа-
ния, размеров и более равномерного рас-
пределения неметаллических включений.
Вместе с тем кристаллографическая ори-
ентация деформированного металла улуч-
шается, что предопределяется более высо-
кой структурной однородностью слитков.
Это особенно важно для электротехниче-
ских сталей.

4.	Тонковолокнистое строение излома,
отсутствие дефектов типа сколов, слои-
стости, расслоений, шиферности, вызывае-
мых локальным отложением неметалличе-
ских включений по границам литых кри-
сталлов.

Перечисленные достоинства оказывают
непосредственное влияния на изотропность
свойств электрошлакового металла. Осо-
бенно ярко это проявляется в листовом
прокате. Если в обычном листе механиче-
ские свойства, особенно пластические и
вязкие, в продольном, поперечном и пер-
пендикулярном направлениях находятся в
зависимости 1:0,9: 0,2—0,4, то в электро-
шлаковом листе эта зависимость 1: 0,98 :

0,7—0,9. Из этого очевидно, что свойства
листа по толщине в металле ЭШП в
2—4 раза выше, чем в обычном металле.

Строение электрошлаковых отливок.
Служебные свойства отливок в большой
степени зависят от качества металла, их
строения и структуры. Последние факто-
ры в свою очередь тесно связаны с кон-
струкцией отливок. Важное значение име-
ют температура заливки металла, харак-
тер отвода тепла в стенку литейной
формы.

Литой электрошлаковый металл, как
известно, имеет направленную и в основ-
ном ориентированную структуру. Это свя-
зано с постепенным наплавлением отлив-
ки, наличием мелкой металлической ван-
ны, повышенным отводом тепла в стенку
охлаждаемой литейной формы. Металл
электрошлакового слитка имеет преимуще-
ственно радиально-осевую направленность
кристаллического строения (см. рис. 47)
благодаря прямолинейной форме внутрен-
ней стенки кристаллизатора.

У литейной формы электрошлаковой
отливки внутренняя стенка не имеет пря-
молинейной формы, это накладывает опре-
деленный отпечаток на характер теплоот-
вода в стенку формы и, следовательно,
кристаллизацию металла отливки. Как
видно на макрофотографии продольного
сечения отливки корпуса запорного кла-
пана энергоблока атомной электростан-
ции (рис. 48), в отливке образуются зоны
встречной кристаллизации с четко выра-
женной границей встречи кристаллов. Эти
Рис. 49. Макроструктура отливки запорного
клапана с внутренней полостью (а) и схема-
тическое строение ее зон встречной кристалли-
зации (б).

зоны образуются в результате изменяю-
щегося в соответствии с очертанием внут-
ренней стенки формы направления фронта
отвода тепла.

Количество зон встречной кристалли-
зации еще более увеличивается, если элек-
трошлаковая отливка отливается вместе с

1

I



г

г

полостью (рис. 49).

Внутренний дорн,

формирующий центральное отверстие в
той же отливке корпуса клапана, создает
дополнительный отвод тепла. Отвод тепла
в дорн более интенсивен, чем в боковую
стенку отливки, так как при усадке отлив-
ка отходит от внутренней стенки формы
и обжимает дорн. В результате этого гра-
ница встречи кристаллов смещается в сто-
рону наружной поверхности стенки от-
ливки.

Зоны встречных кристаллов в отлив-
ках ЭШЛ традиционно вызывают опреде-
ленное опасение, основанное на представ-
лениях, сложившихся под влиянием ре-
зультатов многочисленных исследований
качества литого металла открытой вы-
плавки. Действительно, в обычном сталь-
ном литье в местах встречи кристаллов
отливка всегда имеет пониженные свой-

ства.

Это объясняется тем, что здесь

скапливаются неметаллические включения
и зона встречи кристаллов поражается
микропористостью вследствие развития
усадочных явлений.

Обычно стальные отливки характери-
зуются трехзонным строением. У поверх-
ности стенок отливки это зоны столбча-
тых кристаллов, между которыми нахо-
дится зона равноосных кристаллов. По-
следняя зона, особенно в центральной час-
ти, имеет низкие служебные свойства, от-
личается более низкой плотностью, чем

другие зоны отливки.

. Электрошлаковые сварные швы боль-
шой толщины, выполненные на теплоустой-
чивой стали 15Х2МФ, тоже имеют зону
равноосных кристаллов. Однако эта зона
имеет такие же плотность и механические

свойства, как и зона
лов:

Место отбора проб

Головная часть
Средняя часть
Донная часть

столбчатых кристал-

Плотность, г/см3

7,8666—7,8672

7,8661—7,8646

7,8667—7,8656

То же можно

сказать и об электро-

шлаковых отливках. Рафинированный
электрошлаковый металл как в шве, так
и в отливках имеет значительно более
низкое содержание неметаллических вклю-
чений. Границы кристаллов здесь гораздо
чище границ кристаллов металла литья
открытой выплавки. В результате механи-
ческие свойства электрошлаковых отливок
отличаются высокими показателями и изо-
тропностью в направлении вдоль и попе-
рек кристаллов, а также по границе встре-
чи кристаллов. На рис. 50 представлена
схема вырезки образцов из литой элек-
трошлаковой плиты (сталь 20Х2М), а в
Таблица 5. Механические свойства литой электрошлаковой плиты (6= 100 мм) из стали
20Х2М в зависимости от направления вырезки образцов для испытаний

Направление вырезки образцов

в, кгс/мм2

°0,2’ кгс/см*

кгс-м/см2

Поперек кристаллов

Вдоль кристаллов

По зоне встречи кристаллов
(по толщине плиты)

По толщине листа, б =
= 110 мм (листовой прокат
открытой выплавки)

65,4—67,1
66,0

65,2—66,8
65,1

61,1—62,1

61,7

45,4—52,2

48,7

50,8—53,6
52,5

51,0—54,3
51,3

49,5—51,2
50,4

31,8—36,4
33,3

20,8—22,6
21,8

20,4—22,0

21,4

20,0—20,7
20,4

10,3—13,3

12,5

72,2—73,3
73,0

72,2—74,0
73,1

75,6—76,6
76,0

37.0—43,5
~ ~40,0 ~

17,9—20,3
19,0

19,4—21,0

20,3

18,2—20,9
19,2

3,9—7,8

5,5

Примечание. В числителе даны минимальное и максимальное значения по результатам всех образцов, в
знаменателе — средние.

табл. 5 приведены механические свойства
литого электрошлакового металла в зави-
симости от направления вырезки образцов
для испытаний.

Как видно из представленных в табл. 5
данных, в литом электрошлаковом метал-
ле нет традиционной для обычных отли-
вок зоны слабины.

Характерной особенностью кристалли-
зации электрошлаковых отливок из аусте-
нитных сталей является отсутствие зоны
равноосных кристаллов. Тем не менее зо-
на встречи кристаллов и в этом случае

Рис. 50. Схема вырезки образцов из литой элек-
трошлаковой плиты для оценки ее изотроп-
ности.

Направление прокатка

имеет высокие физико-химические и меха-
нические свойства, такие же, как в осталь-
ных частях отливки.

При изучении макростроения зоны
встречи кристаллов в электрошлаковой
отливке обращает на себя внимание вид
кончиков кристаллов встречающихся кри-
сталлизационных фронтов. Они, как пра-
вило, невелики по размерам, изгибаются и
вытягиваются вдоль общей границы встре-
чи кристаллов в направлении кристалли-
зации жидкого металла. Такое располо-
жение кристаллов в этой зоне обусловлено
постепенным характером кристаллизации
наплавляемого металла, когда исклю-
чается возможность защемления между их
концами порций металлического расплава.
Видимо, эта особенность строения зоны
встречи кристаллов, связанная с относи-
тельно низкими скоростями кристаллиза-
ции электрошлаковых отливок, и обуслов-
ливает высокие свойства металла в этом
месте.

С увеличением скорости кристаллиза-
ции литого металла, например, на поря-
док, как это имеет место при полунепре-
рывной или непрерывной разливке стали
(ПНРС и НРС), строение зоны встречи
кристаллов изменяется. Угол встречи кри-
сталлов при ПНРС или НРС увеличива-
ется по сравнению с отливками ЭШЛ. На
их стыке отсутствуют кристаллы, изогну-
тые в направлении кристаллизации слит-
ка. Граница встречи кристаллов четко вы-
ражена, а их концы притуплены. В этих
«=

Е

I



I

1

$
Г

а

*

*

///

Рис. 51. Макро-
структура от-
ливки с при-
плавленными
элементами (а)
и схематическое
строение зон
встречной кри-
сталлизации

условиях возможны защемление порции
жидкого металла между вершинами расту-
щих кристаллов в месте их встречи и об-
разование пористости вследствие его усад-
ки, что неизбежно влечет за собой сни-
жение механических свойств слитка в этой
зоне.

Зоны встречной кристаллизации могут
образовываться также в электрошлаковых
отливках, получаемых путем приплавле-
ния заранее выплавленных частей буду-
щей заготовки к объединяющей их части,
выплавляемой на заключительной стадии
изготовления заготовки.

В этом случае приплавляемые части
устанавливаются в соответствующих отвер-
стиях боковой стенки литейной формы
для выплавки объединяющей части заго-
товки. Они являются как бы неохлажда-
емыми элементами боковой стенки фор-
мы. Во время выплавки объединяющей
части эти элементы частично оплавляются
и приплавляются к отливке. В результате
теплоотвода в них со стороны отливки
образуются зоны встречной кристаллиза-
ции (рис. 51). При этом граница встречи
кристаллов смещается в сторону этих эле-
ментов, так как превалирует отвод тепла
в охлаждаемую стенку литейной формы.

Применение дорнов, формирующих
внутренние полости в электрошлаковых

отливках, способствует

улучшению их кри-

сталлизационной структуры. Это связано
с тем, что наличие границ встречи кри-
сталлов приводит к сдерживанию роста
последних. Однако при больших скоро-
стях наплавления отливок под дорнами
иногда могут образовываться дефекты в
виде усадочных раковин.

Обычно для улучшения свойств литого
металла его подвергают деформации с
целью дробления первичной структуры и
термической обработке. Дробление необхо-
димо, чтобы разобщить участки скопления
неметаллических включений, какими явля-
ются границы кристаллов, и тем самым по-

высить стойкость металла против

разрушений.

Особенность
состоит в том,
ческие свойства

электрошлаковых
что необходимые



1-

хрупких

отливок
механи-

отливок могут быть обеспе-

чены применением лишь одной термиче-
ской обработки. Это связано с тем, что на
границах первичных кристаллов в отлив-
ках ЭШЛ нет скопления неметаллических
включений. Границы чисты, и поэтому с
точки зрения хрупких разрушений они не
представляют такой опасности, как у

обычного литого
плавки.

Дополнительно
электрошлаковой

металла открытой вы-

улучшить структуру
отливки можно путем
Рис. 52. Распределение феррита в электродуго-
вом (1) и электрошлаковой (2) слитках аусте-
нитной стали [34].

введения электромагнитных колебаний в
зону плавления, кусковых присадочных
материалов в металлическую ванну для
искусственного переохлаждения металли-
ческой ванны и создания дополнительных
центров кристаллизации, а также пу-
тем ведения выплавки в импульсном ре-
жиме.

Специфические особенности кристалли-
ческого строения электрошлакового метал-
ла. Как уже отмечалось, ЭШП улучшает
кристаллическую структуру слитка, или
так называемый дендритный остов. Так,
если оси дендритов занимают в стали
ШХ15 открытой выплавки 65% объема
слитка, то в металле ЭШП этот показа-
тель возрастает до 80%, причем дендрит-
ная ликвация в слитках ЭШП на 10—30%
меньше [56]. По данным работы [57], ме-
талл ЭШП отличается от исходного более
упорядоченными атомными связями, отра-
жающими своеобразное генетическое влия-
ние структуры расплава. В хромоникеле-
вом сплаве исходной выплавки плотность
дислокаций составляла (4—10) • 105 ли-
ний на 1 см, а у металла ЭШП она не
превышала 4  105 линий на 1 см.

Исследования [57] показали, что зерна
металла ЭШП являются монокристальны-
ми образованиями, причем разориентиров-
ка главных дендритных осей в пределах
одного зерна не превышает 0° 10', в то

время как у металла открытой плавки эта
величина в 3 раза больше (0°30'). Если
количество фрагментов в кристаллитах
металла обычной выплавки достигает че-
тырех — шести, то в металле ЭШП их ко-
личество не превышает двух. Угол разори-
ентировки по фрагменту в металле ЭШП
постоянен — 0° 08', а в обычном металле
этот угол переменный и больше по вели-
чине (0° 09'—0° 13').

В литом металле ЭШП наблюдаются
два типа границ: четко очерченные грани-
цы кристаллитов, проходящие по межден-
дритным объемам без грубых выделений
избыточных фаз и без зубчатого характе-
ра границ, а также более тонкие субгра-
ницы внутри кристаллитов. Физико-хими-
ческая микронеоднородность металла
ЭШП намного меньше, чем у металла
открытой выплавки. Так, например, раз-
ность микротвердости зерен электростали
12Х2Н4А составила = 150 кгс/мм2, а
у металла ЭШП — всего 85 кгс/мм2 [57].

В отличие от слитков аустенитной ста-
ли обычной выплавки, где наблюдается
значительное увеличение содержания пер-
вичного феррита (б-фаза) по мере при-
ближения от периферии к оси слитка, а
также огрубления зерен феррита в осевой
части, в слитках электрошлаковой стали
феррит распределен равномерно (рис. 52)
и его структура гомогенна по сечению.
То же имеет место и в других двухфаз-
ных сталях и сплавах.

При кристаллизации сложнолегирован-
ных сталей и сплавов обычного производ-
ства наблюдается большая структурная
неоднородность слитка по сечению. Возни-
кает так называемая карбидная ликвация,
карбидная сетка в центре слитка более
грубая, чем на периферии. При наличии
боридной фазы она располагается в виде
грубых скоплений, гроздьев. То же имеет
место и при наличии карбидов или кар-
бонитридов в аустенитных сталях. ЭШП
существенно ослабляет структурную неод-
нородность (рис. 53).

Удаление газов, неметаллических вклю-
чений и вредных примесей, особенно серы,
а также весьма благоприятные условия
кристаллизации переплавляемого металла
в охлаждаемом кристаллизаторе, обеспе-
чивающие преимущественное наличие раз-
витой зоны столбчатых кристаллов, наря-
ду с улучшением структуры способствуют
повышению плотности металла. Многочис-
ленными измерениями плотности, прове-
денными различными исследователями [5,
19, 34, 44, 48, 51, 56], установлено, что
электрошлаковый металл обладает более
высокой плотностью по сравнению не толь-
ко с обычным металлом, но и с металлом
других рафинирующих переплавов.

Характерно, что величины плотности
металла ЭШП превышают аналогичный
показатель исходного металла и тогда,
когда степень укова переплавленного ме-
талла намного меньше, чем исходного.
Табл. 6 дает наглядное представление о
большом преимуществе сталей ЭШП пе-
ред исходным металлом электродуговой
выплавки (ЭД). Следует отметить, что
приведенные в таблице данные — резуль-
таты первых, часто опытных, плавок [31].
Дальнейшие работы в этом направлении
позволили получить еще более высокие
результаты.

Установлено, что литой металл ЭШП
по плотности не только не уступает, но и
нередко превосходит деформированный ис-
ходный металл. Именно этот факт послу-
жил основанием для использования элек-
трошлаковой литой стали без последую-

Рис. 53. Влияние степени деформирования
металла на карбидную неоднородность ис-
ходной электродуговой (1) и электрошлаковой
(2) быстрорежущей стали Р18 [34].

Таблица 6. Влияние ЭШП на плотность
различных сталей [31]

Марка стали	Способ выплавки (степень дефор- мации)	Плотность, г/см3
ШХ15	ЭД (19) ЭШП(5)	7,824  7,850
2X13	ЭД(19)  ЭШП(6)	7,736  7,809
Х17Н2	ЭД(8) ЭШП(5)	7,689  7,735
Х28	ЭД(8) ЭШП(5)	7,622  7,727
1Х18Н9Т	ЭД(19)  ЭШП(6)	7,825  7,921
ШХ15СГ	ЭД(19)  ЭШП(5)	7,769  7,804
20Х2Н4А	эд  ЭШП	7,8420  7,8524

щей ковки для изготовления крупногаба-
ритных изделий.

Необходимо отметить, что существенно
большая плотность электрошлакового ме-
талла является главным преимуществом
макроструктурного характера, обеспечи-
вающим резкое снижение брака по дефек-
там макроструктуры. Если, по рекоменда-
ции авторов работы [57], в качестве меры
сравнения плотности металла при различ-
ных методах изготовления принять отно-
сительную плотность (отношение плотно-
сти металла в различных частях слитка к
плотности матрицы), то для металла
ЭШП этот показатель является макси-
мальным (0,994—0,996) и превышает по-
казатель металла ЭД (0,982—0,993).

Преимущество металла ЭШП в значи-
тельной степени связано с резким умень-
шением пористости. Как видно из табл. 7,
пористость металла ЭШП (особенно в

Таблица 7. Относительная площадь пор
литой стали ШХ15, % [57]

Способ выплавки	Место отбора проб		
	Центр	1/2 Я	Край
эд	1,010	0,440	0,115
ЭШП	0,250	0,260	0,111
Таблица 8. Плотность (г/см3) литой стали
ШХ15 [57]

	Способ выплавки	Место отбора проб			
		Зона по высоте слитка	Центр	1/2 Я	Край
	эд	Верх	7,8047	7,8025	7,8076
		Середина	7,8083	7,8108	7,8124
		Низ	7.8086	7,8109	7,8100
		Разброс	0.0039	0,0084	0,0048
-	ЭШП	Верх	7.8167	7,8156	7,8169
		Середина	7,8146	7,8150	7,8180
		Низ	7,8140	7,8145	7,8171
		Разброс	0,0027	0,0011	0,0011
					
					

центральной части слитка) заметно мень-
ше, чем у обычной стали. Естественно, все
это благоприятно отражается на плот-
ности электрошлаковой стали. Из табл. 8
видно, что в любой из исследованных де-
вяти зон плотность металла ЭШП
(7,8140—7,8180 г/см3) выше, чем самый
высокий показатель плотности металла
ЭД (7,8124 г/см3).

Весьма существенное повышение плот-
ности металлов и сплавов при ЭШП име-
ет большое значение не только потому,
что, как показано выше, это улучшает
микро- и макроструктуру слитка, благо-
приятно отражается на механических и
других свойствах металла. Есть отрасли
техники, для которых очень важно обеспе-
чить наиболее высокую плотность приме-
няемых металлов. Такой отраслью явля-
ется прежде всего вакуумная техника, для
которой вакуум-плотность является важ-
нейшим критерием качества металла.
Естественно, что для вакуумной техники
широкое использование электрошлакового
металла весьма перспективно.

§ 3. Механические свойства

Общим показателем, отражающим все
благоприятные изменения в чистоте, струк-
туре, плотности и в других физических
параметрах металла ЭШП, являются ме-
ханические свойства стали, в частности
прочность, пластичность, вязкость, сопро-
тивление хрупкому и усталостному раз-
рушению.

Хотя в работе [10] утверждается, что

чистота стали практически не влияет на
ее прочность и пластичность, уже первые
публикации [31, 42, 43] по ЭШП конста-
тировали высокое качество, в том числе
и прочность, переплавляемого металла.

Прочность металла — весьма интеграль-
ный показатель, характеризующий усред-
ненную способность металла сопротив-
ляться деформации. Сравнивая прочность
загрязненного и рафинированного метал-
ла, нельзя забывать, что на прочность ока-
зывают влияние много факторов. Посколь-
ку прочность характеризует прежде всего
величину межатомных связей, то с этой
точки зрения влияние рафинирования,
обеспечивающее более упорядоченные
атомные связи, безусловно, благоприятно.
Например, по данным работы [57], мо-
дуль нормальной упругости стали ЭИ736
у переплавленного металла на 12% выше,
чем у исходного.

Удаление неметаллических включений
в результате рафинирования мягких пла-
стичных металлов, например низкоуглеро-
дистых сталей, армко-железа и т. п.. мо-
жет иногда привести не к увеличению, а
к некоторому снижению предела прочно-
сти и предела текучести металла. Для вы-
сокопрочных металлов и сплавов резуль-
таты ЭШП однозначны — повсеместно
фиксируется повышение прочностных ха-
рактеристик, особенно на образцах, выре-
занных поперек направления проката или
по толщине.

Очень показательными в этой связи
являются результаты сравнительных испы-
таний толстолистовых (50 X НО X 300 мм)
образцов с надрезом мартеновской и элек-
трошлаковой стали 18Х2М [44]. Если
образцы мартеновской стали после нор-
мализации с отпуском разрушились при
усилии 48 тс, а после закалки с отпу-
ском— при усилии 120 тс, то образцы ста-
ли ЭШП разрушились при усилиях соот-
ветственно 75 и 180 тс.

Особенно проявляется преимущество в
прочности металла ЭШП при действии
высоких температур (т. е. в жаропрочно-
сти и длительной прочности). Так, напри-
мер, если долговечность при температуре
650° С и напряжении 38 кгс/мм2 продоль-
ных и поперечных образцов исходной
электродуговой стали ЭИ481 составила со-
Рис. 54. Частотная зависимость величин удар-
ной вязкости образцов стали 18ХНВА ЭД (1)
и ЭШП (2) [34].

Рис. 55. Влияние температуры испытаний 7 на
ударную вязкость электродуговой (1) и элек-
трошлаковой (2) сталей 18Х2Н4ВА, обработан-
ных на прочность 100 кгс/мм2.

ответственно 54 и 23, то у стали ЭШП
долговечность составила соответственно
171 и 136 ч. Особенно характерными явля-
ются показатели испытаний поперечных
образцов — долговечность металла ЭШП
возрастает почти в 6 раз [34].

Очень велико влияние ЭШП на пла-
стические свойства металлов. Удаление и
особенно диспергирование крупных вклю-
чений в результате ЭШП существенно по-
вышает пластичность металла, в частно-
сти поперечное сужение ф. Так, например,
в работе [51] отмечается, что ЭШП до
4 раз повысил показатель -ф хромистых и
хромоникелемолибденовых сталей. Анало-
гичные данные приведены и в других пу-
бликациях [31, 34, 43, 44]. Определенную
роль в повышении пластичности электро-
шлакового металла играет также повы-
шение скорости кристаллизации слитка
[3], обеспечивающее меньшую загрязнен-
ность междендритных участков, где и про-
исходят преимущественное зарождение и
развитие трещин.

Особенно заметно воздействие ЭШП на
ударную вязкость — характеристику ме-
талла, наиболее чувствительную к особен-

ностям строения и степени чистоты. Еще
не найдено удовлетворительной корреля-
ции величины ударной вязкости с различ-
ными эксплуатационными свойствами ме-
таллов и сплавов. Тем не менее для кон-
струкционных сталей испытания на удар-
ную вязкость представляют собой пока
незаменимый сравнительно простой, эко-
номичный, эффективный и достаточно на-
дежный способ определения вязкостных
свойств, характеристик отпускной хруп-
кости, показателей хладноломкости и сте-
пени сопротивления динамическим на-
грузкам и хрупкому разрушению.

Ударная вязкость является не только
одним из сертификатных показателей ста-
ли, ее величина до сих пор служит глав-
ным критерием оценки влияния различной
технологии выплавки стали на ее свой-
ства. Испытания на ударную вязкость
остаются в арсенале исследователей и по
сей день, а их результаты весьма убеди-
тельно свидетельствуют о достоинствах
или недостатках различных факторов, воз-
действующих на сталь.

Уменьшение загрязненности стали не-
металлическими включениями в результа-
те ЭШП приводит к весьма существенно-
му повышению ее ударной вязкости. Осо-
бенно здесь следует отметить роль удале-
ния из металла серы и, как следствие,
резкого уменьшения размера сульфидных
строчек. Поскольку испытания на удар-
ную вязкость проводятся на большом ко-
личестве образцов, результаты таких ис-
пытаний более наглядно показывать ча-
стотной характеристикой (рис. 54), анализ
которой неопровержимо свидетельствует о
преимуществе стали ЭШП.

Повышая ударную вязкость стали,
ЭШП оказывает положительное воздей-
ствие [9] на ее сопротивление хрупкости
при отрицательных температурах (рис. 55).
Так, ЭШП существенно снижает склон-
ность стали к обратимой хрупкости
(рис. 56) и ослабляет склонность к необ-
ратимой хрупкости (рис. 57).

ЭШП не только повышает абсолютные
значения ударной вязкости, но и суще-
ственно сдвигает в минусовую область
критическую температуру хрупкости. Так,
если для кислой мартеновской хромонике-
лемолибденовой дисковой стали эта тем-
пература была в диапазоне 35—15° С, то
для стали ЭШП она составила —35° С
[24].

Рис. 56. Влияние способа выплавки на склон-
ность стали 18Х2Н4ВА к обратимой отпускной
хрупкости:

а — охлаждение после отпуска в воде; б — охлажде-
ние с печью (у = 60 град/ч) при температуре отпуска
600э С (/>; 650° С (//) [9]; 1 — ЭД; 2 — ЭШП.

Рис. 57. Влияние способа выплавки на склон-
ность стали 18Х2Н4ВА к необратимой отпуск-
ной хрупкости [9]:

2 —ЭД; 2 —ЭШП.

Рис. 58. Влияние способа выплавки на вели-
чину критерия К\с (а), достоверность величины
К1С (б) и предел текучести стали 25ХНЗМФА
(в) [54]:

1 — мартеновская выплавка; 2 — ЭШП.

Некоторые исследователи [10] счита-
ют, что ЭШП повышает ударную вязкость
стали только за счет увеличения работы
развития трещины, т. е. повышения сопро-
тивления вязкому разрушению. В то же
время имеются данные [51], свидетель-
ствующие о том, что ЭШП увеличивает
работу зарождения трещины, т. е. сопро-
тивление хрупкому разрушению.

Последние годы характерны быстрым
развитием линейной механики разрушения
материалов и, в частности, введением но-
вых характеристик для оценки свойств
металлов, по которым можно определить
величину допустимого дефекта (длину тре-
щины) и средний уровень допускаемых
напряжений из условий предотвращения
опасности хрупкого разрушения. Несмотря
на то что методика таких испытаний не
стандартизирована и многие ее положения
все еще дискуссионны, определение коэф-
фициентов интенсивности напряжений К\с
и Сю получило широкое распространение.

Исследуя сталь 25ХНЗМФА мартенов-
ской выплавки и ЭШП, авторы работы
[54] определили критические коэффициен-
ты интенсивности напряжений Аю, пред-
варительно создав на образцах толщиной
100 мм для внецентренного растяжения
усталостные трещины. Результаты этого
исследования, обобщенные на рис. 58, убе-
дительно показывают, что металл ЭШП
обладает значительно более высоким со-
противлением хрупкому разрушению, чем
мартеновская сталь, причем критическая
температура, соответствующая резкому
40Х

50Х

Таблица 9. Характеристика вязкости
разрушения сталей 40Х, 50Х и 40ХНМ
в низкоотпущенном состоянии [51]

40ХНМ

Марка
стали

Способ выплавки	*1с кгс/мм’3/2,	$1с* кгс/мм
Мартеновский	146	1,07
эд	176	1,55
ЭШП	233	2,71
эд	124	0,77
ЭШП	147	1,1
эд	295	4,41
ЭШП	402	8,52

снижению вязкости разрушения, у стали
ЭШП на 30° С ниже, чем у мартеновского
металла.

Аналогичные результаты, описанные в
работе [51], свидетельствуют (табл. 9) о
значительном преимуществе металла ЭШП
по характеристике вязкости разрушения
перед металлом обычных методов произ-
водства. Следует отметить, что и в высо-
коотпущенном состоянии металл ЭШП
также сохраняет свои преимущества: ве-
личина критического раскрытия трещины
при —70° С у электрошлаковых сталей в
2,5—10 раз больше, чем у электродугового
металла. Если у образцов из стали ЭД
развитая магистральная трещина появи-
лась при запасе работы 2,4 кгс-м (испыта-
ния на ударный изгиб без доведения
образца с усталостной трещиной до раз-
рушения [51]), то у образцов стали
ЭШП при запасе работы 5 кгс*м появле-
ния магистральной трещины не наблюда-
ется, происходит лишь раскрытие уста-
лостной трещины.

Приведенные данные являются доста-
точным основанием для утверждения, что
ЭШП способствует существенному увели-
чению энергоемкости стали в процессе де-
формации и разрушения при наличии кон-
центрации напряжений (т. е. в условиях
стесненной пластической деформации).

Особо следует остановиться на факте
существенного понижения критической
температуры хрупкости металлов и спла-
вов в результате ЭШП. Эта проблема сей-
час приобрела особую актуальность, во-
первых, из-за назревшей необходимости
быстрого освоения многих районов Аркти-

ки. Восточной Сибири, Якутии, а также
обеспечения надежности исследований в
Антарктиде; во-вторых, в связи с бурным
развитием авиационной и особенно косми-
ческой техники, в-третьих, вследствие воз-
росших требований криогенной техники
(производство, транспортировка и хране-
ние жидкого азота, кислорода, водорода,
природного газа и т. д.).

Отмеченная положительная особен-
ность ЭШП, а также его достаточно высо-
кая технико-экономическая эффективность
должны привести к массовому применению
в указанных областях электрошлаковых
сталей.

Есть еще одна сторона у этой пробле-
мы. Известно, что для снижения критиче-
ской температуры стали проводится ее ле-
гирование никелем — весьма дефицитным
и дорогостоящим металлом. Для низко-
углеродистой стали 06НЗ (0,06% С, 3%
М) ЭШП снижает порог хладноломкости
от —150 до —180° С. Следует ожидать,
что с помощью ЭШП можно эффективно
экономить никель, снижая содержание его
в стали, не снижая ее хладостойкость.

Интересным представляется использо-
вание преимуществ ЭШП для повышения
прочности стали. Сейчас уже нет сомне-
ний в том, что по сравнению с металлом
открытой выплавки сталь ЭШП имеет на-
много более высокие показатели пластич-
ности и вязкости, особенно в вертикаль-
ном направлении (по толщине листа).
Имеется реальная возможность повысить
каким-либо способом (снижением темпе-
ратуры отпуска, повыше,нием содержания
легирующих элементов, в том числе угле-
рода или азота) прочность металла ЭШП,
несмотря на неизбежное при этом ухуд-
шение пластических и вязкостных свойств.
При этом уровень этих свойств все же не
опустится ниже аналогичных показателей
мартеновской стали. Исследования угле-
родистых, хромоникелемолибденовых и
аустенитных сталей [45, 53, 58] однознач-
но свидетельствуют о перспективности это-
го направления.

Все отечественные и зарубежные пуб-
ликации, посвященные исследованию влия-
ния ЭШП на качество переплавленного
металла, отмечают как одно из основных
преимуществ металла ЭШП весьма близ-
кие значения показателей различных ме-
ханических свойств образцов, вырезанных
вдоль, поперек и перпендикулярно на-
правлению прокатки. Действительно,
уменьшение анизотропии механических
свойств — это замечательное качество элек-
трошлакового металла.

Допускаемые напряжения для деталей
машин выбираются, как правило, по ре-
зультатам испытаний образцов, вырезан-
ных вдоль и поперек направления про-
катки, т. е. с учетом так называемого ко-
эффициента анизотропии. Однако по пла-
стичности и ударной вязкости показатели
поперечных образцов металла ЭШП не
уступают аналогичным показателям про-
дольных образцов сталей рядовых мето-
дов производства (а иногда и превосхо-
дят их). Следовательно, детали, которые
изготавливаются из металла ЭШП, могут
иметь меньшее сечение.

Накопленный к настоящему времени
экспериментальный материал неопровержи-
мо свидетельствует о том, что наряду с вы-
сокими абсолютными значениями механиче-
ских свойств и высокой их изотропностью
металл ЭШП характеризуется еще одним
примечательным свойством — значительно
меньшим, чем у сталей рядовой выплавки
и многих других рафинирующих техноло-
гий, разбросом экспериментальных дан-
ных при различных испытаниях. Это свой-
ство обеспечивает высокую эксплуатаци-
онную надежность металла ЭШП, особенно
в качестве конструкционного матери-
ала. К сожалению, еще нет удовлетвори-
тельных методов расчета, которые мо-
гли бы учесть указанное свойство. Это
обстоятельство иногда сдерживает при-
менение электрошлакового металла.

§ 4.	Выносливость

Опыт эксплуатации многих изделий на
протяжении ряда лет показал, что детали,
изготовленные из электрошлакового ме-
талла, обладают большим ресурсом, дли-
тельным сроком службы и повышенной
надежностью. Это объясняется прежде
всего тем, что электрошлаковый металл
значительно лучше противостоит перемен-
ным или повторным нагрузкам, т. е. в

большей степени сопротивляется уста-
лости.

Технический прогресс неизбежно обус-
ловливает повышение мощности, уровня
нагрузок, рабочих скоростей и увеличение
масс различных установок, аппаратов и
деталей, расширение температурного ин-
тервала их работы. В связи с этим важ-
ным критерием качества металла, предна-
значенного для их изготовления, стано-
вятся не показатели статической проч-
ности (ов, Оо,2) или пластичности (6, ф),
определяемые по результатам статиче-
ских испытаний образцов на растяжение,
а характеристики сопротивления металла
повторным нагрузкам, т. е. показатели вы-
носливости, в частности предел выносли-
вости о-1 при обычной (многоцикловой)
усталости или долговечность № (циклы до
разрушения) при малоцикловой, контакт-
ной и некоторых других видах усталости.

Отмеченные показатели выносливости
становятся еще более существенными для
характеристики высококачественного ме-
талла, особенно конструкционных сталей,
предназначенных для изделий ответствен-
ного назначения. Естественно, улучшение
качества металла в результате ЭШП
должно найти свое отражение в повыше-
нии его выносливости вследствие благо-
приятного изменения количественных (со-
держание, размер, форма) и качествен-
ных (природа, физические, химические и
другие свойства) характеристик загряз-
ненности металла неметаллическими вклю-
чениями.

Необходимо отметить, что неметалли-
ческие включения играют исключительно
важную роль при усталости стали — они
являются инициатором зарождения уста-
лостных трещин. В научно-технической
литературе последних лет наблюдается
тенденция повышенного внимания к вопро-
сам инициирования усталостного разру-
шения, причем отмечается факт зарожде-
ния трещин усталости именно у неметал-
лических включений.

В настоящее время существуют две
отличные друг от друга точки зрения на
роль неметаллических включений при ус-
талости металла. Согласно одной из них,
более ранней, главная причина опасности
неметаллических включений — создавае-
мая ими (как внутренними надрезами)
концентрация напряжений при действии
внешних нагрузок. Исследования по рас-
чету и измерению напряжений у включе-
ний показали, что максимальная концент-
рация напряжений возникает у полости
(поры) и неметаллических включений, у
которых модуль упругости Е меньше, чем
у стали (пластичные силикаты, сульфиды
и т. д.). Неметаллические включения,
имеющие модуль упругости больше, чем
у стали (глинозем и его производные, нит-
риды титана и т. п.), напротив, не пред-
ставляют опасности. Однако указанный
вывод находится в противоречии с экспе-
риментальным материалом, свидетель-
ствующим о том, что наиболее опасными
включениями, у которых возникали тре-
щины усталости в высокопрочных сталях,
являются глиноземистые включения, хотя
в некоторых случаях отмечены факты по-
явления трещин усталости в низко- и
среднеуглеродистых сталях у пластичных
включений сульфидов [7].

Указанное противоречие послужило ос-
нованием для появления другой, сравни-
тельно новой, точки зрения, согласно ко-
торой основной причиной опасности неме-
таллических включений является возник-
новение очага зарождения усталостной
трещины при охлаждении металла (при
кристаллизации, термообработке, ковке и
т. д.) вследствие различия в физических
свойствах (прежде всего коэффициента
термического расширения а и модуля
упругости Е) матрицы и включения, оста-
точных термических напряжений, величи-
на которых может в отдельных случаях
превысить предел текучести металла и вы-
звать появление зоны предразрушения
[28].

Поскольку наиболее опасные с точки
зрения усталости включения (глинозем и
его производные) обладают высокими зна-
чениями Е и имеют сравнительно малую
величину а, в их окрестности возникают
остаточные термические напряжения мак-
симальной величины, что и обусловливает
возникновение усталостного разрушения
именно в районе этих включений.

Дальнейшие исследования показали,
что если для высокопрочных сталей, в
частности шарикоподшипниковой стали

ШХ15, вторую точку зрения можно счи-
тать обоснованной, то для крупнозерни-
стых пластичных сталей ее выводы оши-
бочны. Косвенные измерения величины ос-
таточных термических напряжений в рай-
оне неметаллических включений показали
[2], что на крупнозернистых сталях
Х18Н9Т и 12Х1МФ уровень этих напря-
жений сравнительно невелик и поэтому
они вряд ли могут стать решающим фак-
тором, влияющим на зарождение устало-
стной трещины. В связи с этим нам пред-
ставляется, что вопрос о главной причине
опасности неметаллических включений при
усталости металлов надо рассматривать
в зависимости от химического состава ме-
талла, его структуры, уровня прочности и
пластичности.

Что же касается высокопрочных, на-
пример мартенситных мелкозернистых ме-
таллов и сплавов с повышенной чувстви-
тельностью к хрупкости, то для них
справедлив тезис о превалирующей роли
остаточных термических напряжений. Наи-
более опасными неметаллическими вклю-
чениями для таких металлов являются ча-
стицы глинозема и его производных (алю-
минаты кальция, муллит, шпинели и т. п.).
Меньшую опасность представляют суль-
фиды и другие пластичные включения.

Для мягких, пластичных, крупнозерни-
стых металлов и сплавов основной причи-
ной опасности неметаллических включе-
ний следует считать концентрацию напря-
жений при действии внешних нагрузок,
поэтому для них наиболее опасны неме-
таллические включения сульфидов, пла-
стичных силикатов и т. п. Следует учиты-
вать и другие факторы, которые в этом
чисто качественном анализе не рассматри-
вались. В частности, наиболее существен-
ным фактором, влияющим на выносли-
вость металлов, следует считать размер
включений. Несмотря на то что четких
рекомендаций относительно так называе-
мого критического размера включения до
сих пор нет (по различным данным от 3
до 35 мкм), ясно, что уменьшение разме-
ров включений, их раздробление (диспер-
гирование), происходящее в результате
рафинирования, в том числе и ЭШП, иг-
рают определяющую роль в повышении
выносливости рафинированного металла,
так как у неметаллического включения
малого размера и концентрация напряже-
ний, и уровень остаточных термических
напряжений значительно снижаются.

В связи с тем что в результате ЭШП
происходит диспергирование крупных, осо-
бенно строчечных, включений следует ожи-
дать, что выносливость электрошлакового
металла будет более высокой, чем у ме-
талла обычных способов производства.
Действительно, уже первые испытания
на усталость стали ШХ15, подвергнутой
ЭШП, подтвердили [48, 19] эти предпо-
ложения. Начиная с середины 60-х годов
такие испытания становятся уже массовы-
ми и им подвергаются электрошлаковые
стали почти всех марок, предназначенные
для внедрения в различные отрасли на-
родного хозяйства. Результаты этих испы-
таний однозначно свидетельствовали о
больших преимуществах ЭШП. Тем не
менее до последнего времени встречаются
работы, где либо говорится об отсутствии
влияния на предел выносливости неме-
таллических включений [6], либо ставит-
ся под сомнение необходимость рафиниро-
вания металла, поскольку его более высо-
кая стоимость якобы не компенсируется
соответствующим увеличением комплекса
механических свойств. В других работах
утверждается [13], что рафинирование
целесообразно проводить лишь в двух
случаях — для высокопрочной стали
(<Тв>140 кгс/мм2) в массивных сечениях
и для сталей высокой и средней прочности
в тонких сечениях (лента, проволока
и т. п.).

В связи с существованием таких, по
нашему мнению, ошибочных взглядов, ос-
нованных на односторонней или неполной
информации, возникает необходимость
рассмотреть более подробно вопрос о
влиянии различных сопутствующих факто-
ров на выносливость исходной и электро-
шлаковой стали.

Что касается многоцикловой (обыч-
ной) усталости, то преимущество метал-
ла ЭШП по пределу выносливости перед
металлом обычных методов производства
обычно составляет несколько процентов
и зависит от влияния различных факторов
(уровень прочности и пластичности метал-
ла, направление силового потока относи-

тельно оси детали, наличие надреза
и т. д.). В общем случае предел выносли-
вости стали после ЭШП тем больше, чем
выше уровень прочности стали и чем боль-
ше прирост пластичности в результате
ЭШП. При наличии острого надреза пре-
имущество стали ЭШП в выносливости
уменьшается.

Особо следует упомянуть о влиянии
величины напряжений (деформаций) на
выносливость загрязненных и рафиниро-
ванных сталей. Здесь следует четко раз-
граничить два различных показателя: пре-
дел выносливости и циклическую долго-
вечность.

При многоцикловой усталости метал-
лов критерием сопротивления усталости
является предел выносливости, определяе-
мый по ГОСТ 23026—78 при изгибе с вра-
щением цилиндрического образца диамет-
ром 6—8 мм. В этом случае различие меж-
ду рафинированным и исходным металлом
существенно зависит от прочности ста-
ли и колеблется от 20—30% (для высо-
копрочных сталей, например ШХ15) до
2—5% (для низкоуглеродистых пластич-
ных сталей), что, видимо, и явилось осно-
ванием для утверждения [13] о сравни-
тельно незначительном влиянии рафиниро-
вания на выносливость конструкционных
сталей.

Однако нельзя забывать, что предел
выносливости — это в некоторой степени
усредненная критическая величина напря-
жения, ниже которой не развиваются тре-
щины усталости. Эта величина самым
существенным образом зависит от парамет-
ров приповерхностного слоя образца (ше-
роховатости поверхности, наклепа, вели-
чины и знака остаточных напряжений
и т. д.), которые, естественно, нивелируют
влияние загрязненности металла.

Если попытаться сравнить показатели
тех же образцов, но в области ограничен-
ной выносливости (при напряжении выше
предела выносливости сравниваемых ме-
таллов), т. е. сопоставить их циклическую
долговечность, картина существенно ме-
няется. При различии в пределах уста-
лости 2—2,5 кгс/мм2 (что типично, напри-
мер, для стали 20 и аналогичных пластич-
ных сталей) циклическая долговечность
рафинированных' металлов выше, чем


исходных, в 2—3 раза, а у высокопрочных
сталей это отличие нередко достигает од-
ного-двух порядков. Поэтому при анализе
свойств обычного металла и ЭШП исполь-
зование показателя предела выносливости,
по нашему мнению, недостаточно для объ-
ективного и разностороннего сравнения их
характеристик, особенно в условиях, при-
ближенных к эксплуатационным. Это дав-
но поняли специалисты тех отраслей про-
мышленности, где особенно высоки требо-
вания к качеству металла, в частности
авиационной, судостроительной, подшип-
никовой и т. п. Например, при испытании
подшипниковой стали на контактную уста-
лость можно, конечно, определять предел
выносливости. Однако во всех технически
развитых странах, которые производят
подшипниковые стали, испытания этих
сталей проводятся в области ограничен-
ной выносливости, т. е. при напряжениях,
превышающих предел выносливости.

При более высоком уровне напряжений
намного эффективнее, чем при низких на-
пряжениях, проявляется влияние неметал-
лических включений и кристаллизацион-
ных дефектов, т. е. факторов металлурги-
ческой наследственности. Таким образом,
наличие высоких напряжений способству-
ет более четкому выявлению роли неме-
таллических включений в процессе уста-
лостного разрушения металлов и, как
следствие, более объективному сравнению
показателей выносливости рафинирован-
ных и исходных металлов. Вероятно, имен-
но этим можно объяснить широко извест-
ный факт, что максимальное влияние не-
металлические включения оказывают имен-
но при контактной усталости, где уровень
напряжений (400—600 кгс/мм2) во много
раз выше, чем при многоцикловой устало-
сти, и значительно превышает предел кон-
тактной выносливости стали ШХ15. По
той же причине различия во влиянии раз-
ных способов производства и рафинирова-
ния на выносливость металлов значитель-
но лучше выявляются при их испытании
не на многоцикловую, а на малоцикловую
усталость, т. е. при низкочастотном упру-
го-пластическом циклическом деформиро-
вании.

Имеется еще одно немаловажное об-
стоятельство, на которое надо обращать

внимание, когда обсуждаются вопросы
влияния неметаллических включений (или
рафинирования) на выносливость метал-
лов. Анализ исследований последних лет
свидетельствует о том, что влияние вклю-
чений в значительной степени зависит от
вида напряжений — нормальных или ка-
сательных.

Казалось бы, испытания при растяже-
нии, где в напряженном состоянии оказы-
вается весь объем, все сечение металла,
а не только поверхностный слой (как при
изгибе или кручении), должны быть в
этом случае самыми эффективными, одна-
ко опыты показали противоположные ре-
зультаты: при нормальных напряжениях
влияние неметаллических включений ока-
залось несущественным. В то же время
испытания металлов на усталость при из-
гибе или кручении, особенно при высоких
уровнях деформаций, дают достаточно
объективные (в сравнительном и абсолют-
ном аспектах) данные, которые являются
достоверным показателем влияния неме-
таллических включений на выносливость
конструкционных сталей.

Анализ многочисленных фрактограмм
разрушения исходной (электродуговой) и
электрошлаковой стали показал, что в ме-
талле ЭШП микропластическая деформа-
ция распределена более равномерно. От-
сутствие в металле ЭШП грубых, особен-
но строчечных, включений, локализующих
пластическую деформацию в сравнительно
малом объеме и вызывающих поэтому бо-
лее раннее разрушение, обеспечивает вы-
сокий уровень выносливости электрошла-
ковой стали.

Таким образом, сравнивать металл
ЭШП с исходным загрязненным сле-
дует при довольно высоком уровне дефор-
маций, т. е. при контактной и малоцикло-
вой усталости. Однако и здесь различие
в выносливости рафинированного и за-
грязненного металлов зависит от различ-
ных факторов. Например, при малоцикло-
вой усталости (рис. 59) повышение содер-
жания углерода, приводящее к росту
прочности хромистых и хромоникелемолиб-
деновых сталей, в большинстве случаев
увеличивает преимущества стали, рафини-
рованной ЭШП. Наибольшее преимущест-
во ЭШП наблюдается на высокопрочных
Рис. 59. Зависимость коэффициента влияния
ЭШП (рт) от содержания углерода в хроми-
стых (1) и хромоникелемолибденовых (2) ста-
лях. Сплошные линии — низкий отпуск, штри-
ховые — высокий [52].

сталях, это объясняется тем, что в резуль-
тате ЭШП повышаются пластичность и
вязкость металла (это не всегда выявля-
ется стандартными испытаниями на рас-
тяжение), что в свою очередь значительно
увеличивает способность стали длительное
время сопротивляться повторным нагруз-
кам.

Отметим еще один характерный мо-
мент. Электрошлаковый металл характе-
ризуется весьма высокой живучестью при
усталости, т. е. большой длительностью пе-
риода распространения усталостной тре-
щины. Это качество металла имеет исклю-
чительно важное значение для тех слу-
чаев, когда уровень действующих напряже-
ний в изделии достаточно высок, срок его
службы ограничен, а возможность срочной
замены исключена.

В загрязненной исходной стали энергия
деформации сосредоточивается главным

образом у структурных дефектов (в основ-
ном у неметаллических включений), по-
этому по сечению детали энергия распре-
деляется неравномерно, для такой стали
характерны большие колебания величи-
ны поглощаемой энергии, косвенно оцени-
ваемой по площади петли гистерезиса
(рис. 60). Металл ЭШП, свободный от
крупных включений, способен распреде-
лять энергию деформации значительно
равномернее, площадь петли гистерезиса
в этом случае изменяется всего лишь на
3—5% (а не на 30%, как у исходного ме-
талла), что позволило электрошлаковой
стали, несмотря на весьма высокий уро-
вень напряжений и наличие трещины уста-
лости уже после 50-го цикла, выдержать
более 2000 циклов повторных нагрузок
(исходная сталь выдержала лишь 500 цик-
лов) .

Выше подробно освещен вопрос об
эффективности десульфурации металла
при ЭШП. Для низко- и среднеуглероди-
стых (особенно сваривающихся) сталей
удаление серы из металла исключительно
важно и благоприятно отражается почти
на всех свойствах стали, в том числе и на
выносливости. Однако удаление серы не
всегда является необходимым. В некото-
рых случаях максимальная десульфура-
ция вообще не нужна, а при переплаве
шарикоподшипниковой стали, имеющей
включения специфических оксисульфидов
небольшого размера и повышенное содер-
хжание серы, иногда вовсе нет необходи-
мости в десульфурации металла.

Технологическая маневренность и гиб-
кость ЭШП и его преимущество перед

Рис. 60. Изменение площади петли гистерезиса
при малоцикловой усталости исходной (1) и
электрошлаковой (2) стали 25Х2ГНТА.
I
I
(

I

Г

г.

1

I

!

I

I

1



I
Г

>
г
Г

м 92

86

20

* 88

О	№	□  	-		 - 1 о-2 △ -5  □ -4 0 -5	
						а
о		1	□_	  —		—	
		Л 				б

15	50	45	60	75	90 105

Включения , об. % 10~+

Рис. 61. Влияние суммарной загрязненности ок-
сидами и нитридами на предел выносливости
(а) и контактную выносливость (6) шарико-
подшипниковой исходной стали (1) и стали,
переплавленной на глиноземистых (4,5) и без-
глиноземистых флюсах (2,3) [26].

всеми существующими рафинирующими
методами заключаются именно в том, что,
изменив тип флюса, можно, существенно
изменяя загрязненность переплавляемого
металла, повысить его свойства, в частно-
сти выносливость. В справедливости этого
можно убедиться, проанализировав ре-
зультаты исследований выносливости ша-
рикоподшипниковой стали исходной вы-
плавки и после ЭШП (рис. 61). Несмотря
на то что в исходной стали было очень
много серы (93% включений —-сульфи-
ды, 6% — оксиды, содержание кислорода
0,008%), ее выносливость достаточно вы-
сока. ЭШП на глиноземистых флюсах
(4, 5) вследствие повышения загрязнен-
ности оксидами вызвал снижение выносли-
вости, а электрошлаковый переплав на без-
глиноземистых флюсах снизил количество
оксидов (и содержание кислорода), что
сразу же обусловило повышение выносли-
вости стали.

Одним из наиболее жестких современ-
ных требований, предъявляемых к каче-
ственным конструкционным материалам,
в частности к сталям, является требование
минимальной анизотропии механических
свойств, в том числе и выносливости. Не-
смотря на то что детали машин могут быть

изготовлены из заготовок, вырезанных \
вдоль (продольные образцы), поперек (по-

перечные образцы)

и перпендикулярно

(вертикальные или толщинные образцы)
оси прокатки металла, все они должны
удовлетворять определенным техническим
условиям по прочности, пластичности, вы-
носливости и другим показателям. Осо-
бенно высокими являются сейчас требова-
ния к изотропности корпусных материа-
лов, так как в реальной конструкции кор-
пуса технологические и иные нагрузки мо-
гут быть направлены по всем трем осям
листа.

Необходимо отметить, что обычные ме-
тоды производства конструкционных ста-
лей не могли удовлетворить возросшие
требования к уменьшению анизотропии.
Это объясняется тем, что для сталей
обычных методов производства к анизо-
тропии, вызванной различным направле-
нием прокатанных волокон металла отно-
сительно действия внешней нагрузки, до-

бавляется
ориентации
включений.

Такие
(сульфиды,

анизотропия от различной
строчечных неметаллических

неметаллические включения

пластичные силикаты и осо-

бенно оксиды), дробящиеся или вытяги-
вающиеся при прокатке металла, в случае
действия внешних нагрузок поперек на-
правления ориентации включений сущест-
венно нарушают сплошность металла. Они
вызывают преждевременное его разруше-
ние либо при значительно меньших на-
пряжениях (при обычной усталости), ли-
бо при значительно меньшем числе циклов
переменных нагружений (при малоцикло-

вой усталости)

чем в случае, когда на-

грузки направлены вдоль направления
ориентации включений.

Рафинирование металла методом
ЭШП, приводящее к большому снижению
загрязненности металла, прежде всего
уменьшает количество крупных включений,
исчезают или значительно диспергируются
строчечные включения. Именно этот фак-
тор способствует значительному снижению
анизотропии выносливости электрошлако-
вого металла, так как остающиеся в стали
точечные включения практически индиф-
ферентны к направлению действия внеш-
них нагрузок.



I

1
Как видно из рис. 62, предел вынос-
ливости продольных образцов стали
25Х2ГНТРА электродуговой выплавки и
рафинированной ЭШП различаются не
очень существенно (примерно на 7%).
В то же время предел выносливости по-
перечных образцов стали ЭШП намного
превышает аналогичный показатель нера-
финированной, анизотропной стали. Еще
более значительным оказывается анизо-
тропия малоцикловой долговечности листо-
вых сталей (рис. 63).

Особо следует остановиться на марте-
новской стали 16ГНМА, анизотропия дол-
говечности которой достигает 500%
(рис. 64). Использование ЭШП позволяет
не только существенно повысить уровень
выносливости, но и резко (более чем в
3 раза) уменьшить степень анизотропии
такого важного механического свойства,
как долговечность.

При этом, конечно, надо учесть, что
уменьшение анизотропии показателей вы-

Рис. 62. Пределы усталости продольных (7)
и поперечных (2) образцов стали 25Х2ГНТРА
ЭД и ЭШП.

Рис. 63. Влияние ЭШП на коэффициент ани-
зотропии ра (отношение малоцикловой долго-
вечности продольных и поперечных образцов),
вычисленный по результатам испытаний стали
25Х2ГНТА.

Рис. 64. Влияние ЭШП на малоцикловую дол-
говечность продольных (1), поперечных (2) и
вертикальных (3) образцов стали 16ГНМА.

носливости зависит от ряда сопутствую-
щих факторов, таких, как прочность ста-
ли и т. п. Обычно, чем выше прочность
стали, тем сильнее анизотропия прочно-
стных свойств. Соответственно ЭШП бо-
лее прочной стали эффективнее повлияет
на уменьшение анизотропии. Значительное
повышение изотропности свойств, в част-
ности выносливости металла, является
громадным преимуществом ЭШП.

Как известно, предел выносливости ма-
лых образцов и деталей выше, чем у об-
разцов и деталей большого размера. Это
снижение прочности у последних названо
масштабным эффектом, а причина сниже-
ния прочности вследствие увеличения раз-
меров — масштабным фактором.

Для объяснения природы масштабного
эффекта выдвинуты различные теории,
в том числе статистические, согласно ко-

торым в силу того, что в реальных поли-
кристаллических телах всегда имеется
большое количество неоднородностей и де-
фектов, представляющих собой потенци-
альные очаги разрушения, вероятность на-
личия таких дефектов на поверхности об-
разца малого диаметра меньше, чем на
поверхности образца большого диаметра.
Это и обусловливает меньшую цикличе-
скую прочность последнего. Поскольку не-
металлические включения являются имен-
но такими дефектами, которые вызывают
усталостное разрушение, их наличие или
отсутствие, по всей вероятности, может от-
разиться на масштабном эффекте. Несмот-

арлюс лн-291) арлюсАЮ-9)
Рис. 65. Влияние размера диаметра образцов и
технологии выплавки металла на циклическую
прочность стали типа 12ХНЗА [23]:

/ — мартен; 2— ЭШП.

Рис. 66. Влияние неметаллических включений
и механической обработки на контактную вы-
носливость шарикоподшипниковой стали ШХ15
[18].

ря на то что этот вопрос представляет
собой значительный интерес, влияние ра-
финирования стали на проявление ма-
сштабного эффекта совершенно не изуче-
но ни в теоретическом, ни в практическом
аспектах. В статистических теориях (см.,
например, работу [1]) возможность такой
постановки вопроса даже не рассматри-
вается.

Испытания мартеновской и электро-
шлаковой стали типа 12ХНЗА [23] пока-
зали (рис. 65), что масштабный эффект
проявляется по-разному у загрязненной и
рафинированной стали. Так, если различие
в пределах выносливости мартеновской и
электрошлаковой стали типа 12ХНЗА на
образцах диаметром рабочей части 5 мм
было всего 2 кгс/мм2, то на образцах диа-
метром 25 мм оно составляло уже
6 кгс/мм2. Это значительное (в 3 раза)
различие с увеличением диаметра об-
разца в пределах выносливости исходной
и электрошлаковой стали свидетельствует
о том, что электрошлаковое рафинирова-
ние стали ослабляет масштабный эф-
фект.

Приведенные результаты свидетель-
ствуют о том, что указанное явление нуж-
но учитывать, когда решается вопрос о
конкретном применении ЭШП для про-
изводства стали, идущей на крупногаба-

ритные изделия. В данном случае не реко-
мендуется проверять выносливость на об-
разцах малых диаметров (даже стан-
дартных), поскольку результаты таких
испытаний приведут к искаженной инфор-
мации, нивелирующей свойства разных по
загрязненности сталей и вуалирующей ис-
тинную эффективность применения стали,
рафинированной ЭШП.

Представляется важным еще один вы-
вод: ЭШП оказывается особенно эффек-
тивным (по критерию выносливости) для
тех случаев, когда переплавляемая сталь
предназначается для изделий большого се-
чения.

От плавильной печи до готового изде-
лия металл проходит очень длинный путь,
в течение которого его свойства не оста-
ются постоянными. Поэтому, получив ме-
талл высокого качества, следует к нему
относиться бережно. Во многих отраслях
народного хозяйства применение рафини-
рованного металла стало уже массовым,
однако рекомендаций о том, как его обра-
батывать, нет.

В связи с этим были проведены иссле-
дования [18], ставившие задачу изучить
совместное влияние дефектов металлурги-
ческого (неметаллических включений) и
технологического (различное состояние
приповерхностных слоев) происхождения
на контактную выносливость стали. В ка-
честве объекта исследований выбрали ша-
рикоподшипниковую сталь ШХ15, контакт-
ная выносливость которой очень чувстви-
тельна к наличию указанных дефектов.
Вариации количества неметаллических
включений обеспечивали применением ме-
талла различных способов производства и
рафинирования, а критерием загрязнен-
ности служил объемный процент содержа-
ния хрупких неметаллических включений
(оксидов и нитридов).

Применением различных режимов шли-
фования и шлифовальных кругов достига-
ли определенных различий в состоянии
приповерхностных слоев, которое оценива-
ли градиентом микротвердости ДЛ/ц — раз-
ностью между стабильным значением
микротвердости металла и минимальным
ее значением (рис. 66). Режим А ~ шли-
фовка электрокорундовым кругом, твер-
дость СТ, поперечная подача 0,03 мм/дв.
хода = 180 кгс/мм2); режим Б —
то же,что и режим А, но подача 0,02 мм/дв.
хода (Д//ц = 150 кгс/мм2); режим В —
твердость круга СМ 1, подача
0,015 мм/дв.хода (ДЛ/р, = 75 кгс/мм2); ре-
жим Г — то же, что и режим В, но круг
алмазный (ДТ/р. = 30 кгс/мм2). После
шлифования все образцы полировали
алмазными пастами. Испытания на кон-
тактную выносливость проводились на ма-
шинах МКВ-К в стандартной («Индустри-
альное-50») смазке. Результаты испыта-
ний обрабатывали методом математиче-
ской статистики.

Как следует из рис. 66, контактная вы-
носливость стали ШХ15 существенно за-
висит от степени загрязненности металла
и от выбранных ражимов обработки. Раз-
личие в выносливости самой чистой и са-
мой загрязненной стали в значительной
степени зависит от механической об-
работки изделия. Если при самой гру-
бой обработке это различие состав-
/21 — 15

ляло всего 40% I	[5—АОО!	т0 ПРИ

самом мягком режиме различие состав-
/45—17	\

ляет 165% (—[у—, т. е. возрастает
в 4 раза. Интересно, что стали, очень за-
метно отличающиеся по загрязненности,
будучи обработанными по грубому режи-
му (а он не очень отличается от типового
заводского), практически нивелировали
свою контактную выносливость. Другими
словами, преимущество высококачествен-
ных рафинированных сталей перед исход-
ными после такой обработки исчезает. На-
против, обработка на мягких режимах уве-
личивает это преимущество.

Результаты опыта свидетельствуют о
необходимости учета факторов механиче-
ской обработки (или так называемой тех-
нологической наследственности).

Если будет обеспечена качественная
обработка (т. е. ее режимы не будут гру-
быми, жесткими), рафинированный ме-
талл, безусловно, оправдает свое назначе-
ние и компенсирует затраченный на него
труд. В противном случае незачем, види-
мо, применять дефицитный и дорогой ме-
талл.

Повышение выносливости электрошла-
ковых сталей объясняется, как правило,

уменьшением количества и размеров не-
металлических включений, улучшением
макро- и микроструктуры слитка и увели-
чением плотности металла. Вместе с тем
при тщательных и всесторонних исследо-
ваниях выявляется ряд фактов, объяснить
которые с помощью указанных причин не
представляется возможным. Обращает на
себя внимание непропорционально высо-
кое увеличение выносливости электрошла-
кового металла. В связи с этим интерес-
ный материал для сравнения дают резуль-
таты испытаний исходных и рафинирован-
ных сталей ЗОХГСНА, ВКС-1 и ЭИ643 на
обычную и малоцикловую выносливость
[29].

Известно [63], что величина пределов
выносливости конструкционных сталей
коррелирует с произведением овф. Как
видно из рис. 67, эта зависимость действи-
тельно имеет место для сталей открытой
выплавки, ВДП и ЭЛП. Электрошлако-
вая сталь такой закономерности не подчи-
няется.

Если сопоставить долговечность стали

при малоцикловой выносливости с показа-

телем ап6

О

[40], то можно наблюдать

Рис. 67. Зависимости пределов выносливости
сталей ЗОХГСНА (7), ВКС-1 (II) и ЭИ643 (III)
после ЭД (1), ВДП (2), ЭШП (3) и ЭЛП (4)
от произведения Овф [29].

Рис. 68. Зависимости циклической долговеч-
ности сталей ЗОХГСНА, ВКС-1 и ЭИ643 при
малоцикловой усталости с относительной де-
формацией 0,5% после ЭД, ВДП, ЭШП и ЭЛП

от произведения <гв6

[29 ] (условные обо-

1 —

значения те же, что на рис. 67).
картину, почти аналогичную предыдущей
(рис. 68): показатели металла открытой
плавки, ВДП и ЭЛП (по каждой марке
стали в отдельности) свидетельствуют о
достаточно хорошей корреляции сравни-
ваемых величин, а на электрошлаковый
металл эта закономерность не распростра-
няется.

Надо полагать, что металл ЭШП об-
ладает каким-то специфическим свойством,

которого не имеют остальные сравнивае-

мые стали и которое в достаточной степе-

ни не отражают показатели

авф. Это свойство благоприятно влияет на

выносливость высокопрочных конструкци-
онных сталей. Объяснить это явление, не-
видимому, можно наличием мельчайших
неметаллических включений, возникающих
при кристаллизации слитка при ЭШП, и
вызываемым ими эффектом упрочнения
[25]. Наиболее типичными неметалличе-
скими включениями в электрошлаковых
сталях следует считать мелкодисперсные
включения оксидов и нитридов [60]; имен-
но они обусловливают эффект упрочнения
стали, который не отражается на показа-
телях статической прочности металла
ЭШП.

Как было показано выше, в результате
существенных отличий физических свойств
металлической матрицы и неметалличе-
ских включений в металле возникают ос-
таточные термические напряжения. В ок-
рестности сравнительно крупных включе-
ний глинозема, муллита и других, обла-
дающих высокими значениями Е и малыми
значения а, эти остаточные напряжения
зачастую превышают предел текучести
металла, происходит его локальная пла-
стическая деформация, что вызывает по-
явление зон предразрушения, т. е. потен-
циальных очагов разрушения металла.
Однако в том случае, когда включение
весьма мало, возникающие в металле ос-
таточные напряжения, как правило, не
превышают предела текучести металла и
зоны предразрушения не появляются, не-
смотря на то, что напряженность металла
сохраняется.

Громадное количество таких мелкоди-
сперсных включений и их равномерное
распределение в матрице способствуют

созданию более или менее однородного
напряженного состояния в электрошлако-
вой стали, т. е. сталь ЭШП оказывается
как бы внутренне упрочненной. Упрочнен-
ный электрошлаковый металл может
поглощать больше водорода, его электрод-
ный потенциал более отрицателен, а кор-
розионная стойкость может оказаться ни-
же, чем у неупрочненного металла. Воз-
можны также некоторые другие отрица-
тельные эффекты упрочнения (например,
увеличение водородной проницаемости,
снижение гелиевой плотности и т. д.). Од-
нако положительное влияние мелкодис-
персных неметаллических включений в
электрошлаковой стали и вызываемого
, ими упрочнения вполне компенсируют эти
. недостатки. Во-первых, в результате упроч-
нения конструкционные стали ЭШП по
своей выносливости превосходят не только
металл обычной выплавки, но и стали
других рафинирующих технологий. Это
преимущество сохраняется и зачастую
становится решающим фактором при экс-
плуатации сталей в рабочих средах (ад-
сорбционных, коррозионных, наводорожи-
; вающих и др.). Во-вторых, упрочненная
I структура электрошлаковой стали более
• изотропна, т. е. менее чувствительна к
анизотропии механических свойств (осо-
бенно выносливости), зависящей от на-
правления действия сил относительно на-
правления прокатки. По изотропности
электрошлаковая сталь превосходит ме-
талл всех других способов выплавки.
В-третьих, упрочнение способствует суще-
ственному повышению стабильности меха-
нических свойств (особенно выносливости)
металла электрошлаковых конструкцион-
ных сталей.

Наличие упрочненной структуры ме-
талла в окрестности мелкодисперсных не-
металлических включений является специ-
фическим признаком электрошлаковой
конструкционной стали и обусловливает
ее существенное преимущество перед ста-
лями других способов производства и ра-
финирования по ряду свойств.

Итак, ЭШП повышает выносливость
металлов и сплавов. Факторами, увеличи-
вающими преимущество в выносливости
металла ЭШП перед обычным, являются:
повышение прочности, более мелкозерни-
стая структура, увеличение размера дета-
ли, мягкие режимы механической обработ-
ки деталей, высокий уровень напряжений.
Снижают преимущество электрошлаково-
го металла перед обычным следующие
факторы: более низкая прочность вслед-
ствие соответствующей термообработки,
крупнозернистая, грубая структура, нали-
чие надреза (концентратора напряжений),
малые размеры детали, грубая механиче-
ская обработка деталей, низкий уровень
напряжений.

Понимание причин различного каче-
ственного воздействия указанных факторов
представляется весьма важным для уясне-
ния влияния ЭШП на комплекс служеб-
ных свойств самых разнообразных метал-
лов и сплавов.

§ 5.	Коррозионно-механическая
прочность

Способность успешно сопротивляться воз-
действию сред, в частности коррозионных,
является одним из наиболее жестких тре-
бований, предъявляемых к современным
конструкционным материалам, прежде все-
го к сталям. Для нержавеющих сталей
указанная способность представляет со-
бой главный, основной критерий ка-
чества.

Необходимо отметить, что инициатора-
ми широкого внедрения ЭШП в производ-
ство нержавеющих, жаропрочных и других
специальных сталей и сплавов явились не
исследователи и не потребители этого
дефицитного и дорогостоящего металла,
а металлурги — производители металла
ЭШП. Они понимали, что самый лучший
открытый процесс выплавки этих сталей —
электродуговая плавка, к сожалению, не
может обеспечить высокого качества ме-
талла. Из-за низкой пластичности и боль-
шой загрязненности такие стали очень
плохо ковались и прокатывались, имели
большое количество различных специфи-
ческих дефектов (рванины, плены, горя-
чие и холодные трещины, усадочные рако-
вины, развитая пористость, волосовины,
ликвационная неоднородность и т. д.).
У сталей многих марок, особенно высоко-
легированных, брак был настолько велик,

что выход годного нередко составлял все-
го несколько процентов.

Первые опытные плавки ЭШП таких
сталей показали правильность прогнозов
металлургов и исключительную перспек-
тивность этого метода, резко сокращающе-
го брак. Однако исследования влияния
ЭШП на служебные свойства таких сталей
долгое время не проводились, что объяс-
няется, по-видимому, укоренившейся точ-
кой зрения о превалирующем влиянии ви-
да и количества легирующих элементов на
эти свойства и сравнительно незначитель-
ном воздействии всех остальных факторов,
в том числе и загрязненности неметалли-
ческими включениями.

Именно поэтому первые исследования
в указанном направлении были проведены
на не типичном для этого случая метал-
ле— стали ШХ15, поскольку для этой
стали загрязненность включениями явля-
ется наиболее важным критерием.

В связи с изложенным целесообразно
прежде всего рассмотреть вопрос о зави-
симости сопротивления металла воздей-
ствию сред от характеристик загрязнен-
ности.

Наличие остаточных термических на-
пряжений растяжения и концентрация
механических напряжений вокруг неметал-
лических включений в металле оказывают
исключительно большое влияние на его
взаимодействие с активными жидкими
средами [16]. Возникающее вокруг вклю-
чений объемно-напряженное состояние вы-
зывает диффузию компонентов жидкой
среды в данную зону металла. Посред-
ством диффузии значительно увеличива-
ется площадь контакта и интенсифициру-
ется сам процесс контакта среды с ме-
таллом, активизированным деформацией,
в результате чего адсорбционное, коррози-
онное, абсорбционное и любое другое воз-
действие активных жидких сред на за-
грязненный нерафинированный металл
должно быть значительно сильнее, чем на
чистый, рафинированный металл. При этом
надо учесть, что граница раздела ме-
талл — включение является межфазной и
служит местом скопления дислокаций, ва-
кансий, примесных атомов и других де-
фектов, мигрирующих из матрицы, особен-
но в результате действия деформации.
Естественно, такие границы представляют
собой наиболее химически активные места
деформированного металла, привлекаю-
щие к себе инородные атомы.

Наиболее универсальны поверхностно-
активные среды (типичный представи-
тель— смазочное масло), взаимодействие
которых с деформированными металлами
происходит согласно адсорбционному эф-
фекту, или так называемому эффекту Ре-
биндера. Адсорбционный эффект связан
с понижением поверхностной энергии ме-
талла на границе со средой и облегчением
выхода дислокаций на поверхность. Стрем-
лению дислокации выйти на поверхность
препятствует сила, пропорциональная по-
верхностной энергии, поэтому при пони-
жении поверхностной энергии в активной
среде уменьшается противодействие выхо-
ду дислокации, что объясняет понижение
прочностных характеристик металла —
пределов прочности, текучести, выносли-
вости и т. д.

Увеличение адсорбционной активности
смазочного масла (например, добавление
к стандартной смазке — маслу «Индустри-
альное-50» 0,1% стеариновой кислоты) су-
щественно снижает контактную выносли-
вость стали, однако у рафинированной
стали этот эффект проявляется заметно
меньше, чем у сталей обычных методов
производства, загрязненных неметалличе-
скими включениями. Следовательно, влия-
ние загрязненности металла на контакт-
ную выносливость закаленной стали в по-
верхностно-активной среде оказывается
значительно сильнее, чем в нейтральной.
Для выяснения причин указанного явле-
ния были проведены измерения микротвер-
дости тонкого поверхностного слоя сталей
различной загрязненности в слабой и силь-
ной поверхностно-активных средах на глу-
бине 0,4 мкм. Результаты этих исследова-
ний сопоставлены с данными испытаний
этих сталей на контактную выносливость
в тех же средах.

Обобщенные результаты исследований
(рис. 69) указывают на весьма значитель-
ную зависимость контактной выносливости
в активных средах от микротвердости по-
верхностного слоя (в той же среде). По-
скольку величина микротвердости поверх-
ностного слоя в воздухе (т. е. исходная

Рис. 69. Зависимость между градиентом микро-
твердости Д1 Н[1 и контактной долговечностью
стали ШХ15 с различным уровнем загрязнен-
ности в слабой (1) и сильной (2) адсорбцион-
но-активных средах.

микротвердость) зависит от большого ко-
личества факторов, для анализа исследо-
вали не абсолютную величину этой харак-
теристики, а разность (градиент) между
ней и величиной микротвердости в поверх-
ностно-активной среде, так как последняя
является функцией только исходной мик-
ротвердости и адсорбционного влияния
среды.

Изменение микротвердости поверхно-
стного слоя в адсорбционно-активной сре-
де, как видно из рис. 69, существенно за-
висит от загрязненности металла. Так,
если для самой загрязненной стали элект-
родуговой выплавки снижение микро-
твердости составило 139 кгс/мм2 (для
сильной поверхностно-активной среды) и
115 кгс/мм2 (для среды слабой активно-
сти), то у наиболее чистой стали эти вели-
чины значительно снизились и равнялись
соответственно 57 и 42 кгс/мм2. Поэтому
с достаточной степенью достоверности
можно утверждать, что присутствие по-
верхностно-активной среды не только при-
водит к снижению микротвердости поверх-
ностного слоя вследствие пластифициро-
вания, т. е. эффекта Ребиндера, но и
вызывает весьма отчетливые различия в
свойствах (в данном случае, контактной
Рис. 70. Зависимость между градиентом микро-
твердости Л2/7|1 (разность показателей микро-
твердости металла поверхностного слоя образ-
цов в слабой и сильной поверхностно-активных
средах) и коэффициентом влияния поверхно-
/ р IV-, — Л^2 ,	\

стно-активнои среды I рпас =-д?----100% I, вы-

численным по результатам испытания стали
ШХ15 с различным уровнем загрязненности на
контактную выносливость в этих средах (раз-
личные значки означают различные виды тех-
нологии производства стали).

выносливости) разных по загрязненности
сталей.

Как видно из рис. 70, адсорбционное
снижение контактной выносливости линей-
но зависит от величины градиента микро-
твердости поверхностного слоя. Следова-
тельно, повышение чистоты металла приво-
дит к ослаблению вредного адсорбционно-
го влияния и выражается в данном случае
количественно в меньшем снижении твер-
дости поверхностного слоя стали и ослаб-
лении снижения ее контактной выносли-
вости. Это происходит вследствие того, что
в более чистом металле (особенно высо-
копрочном) меньше величина остаточных
термических напряжений, поэтому слабее
интенсивность адсорбции поверхностно-
активных веществ и меньше снижение мик-
ротвердости поверхностного слоя.

Количественный показатель снижения
контактной выносливости стали вследствие
адсорбционного эффекта находится в весь-

ма тесной зависимости от загрязненности
металла. Эта зависимость обусловлена
специфической ролью неметаллических
включений, которую они играют в про-
цессе адсорбционной усталости.

При этом виде усталости, по-видимому,
как и при усталости в воздухе (учитывая,
что в режиме контактной усталости экс-
плуатируются преимущественно высоко-
прочные стали), главная опасность неме-
таллических включений заключается в со-
здании термических остаточных напряже-
ний в металлической матрице. Однако
существует различие между функциями
включений в воздухе и в поверхностно-
активной среде. При усталости в воздухе
они создают различный уровень остаточ-
ных напряжений и обусловливают различ-
ную напряженность или дефектность ме-
талла и различную выносливость стали
(большую для металла с меньшим уров-
нем остаточных напряжений и меньшую
для металла с большим уровнем остаточ-
ных напряжений).

При адсорбционной усталости различ-
ная напряженность, или дефектность ме-
талла разной загрязненности, обусловли-
вает еще и различную интенсивность про-
цесса адсорбции поверхностно-активных
веществ на поверхности металла. Посколь-
ку в обоих случаях основным фактором
оказывается уровень остаточных напряже-
ний, влияние неметаллических включений
при усталости в воздухе и в поверхностно-
активной среде качественно одинаково, од-
нако в связи с появлением дополнительно-
го адсорбционного фактора количественно
это влияние различно, причем при уста-
лости в поверхностно-активной среде оно
оказывается большим, чем при усталости
в воздухе.

Как показали исследования, снижение
загрязненности металла повышает кон-
тактную выносливость стали в адсорбци-
онной среде. В связи с этим применение
рафинирующих методов, в частности ЭШП,
обеспечивает значительное повышение ад-
сорбционной контактной выносливости
стали за счет уменьшения загрязненности
неметаллическими включениями, а также
их диспергирования.

При прочих равных факторах (форме,
размере, количестве) наиболее опасными
I

Таблица 10. Влияние ЭШП на контактную
выносливость стали ШХ15 в поверхностно-
активных средах

Спссоб выплавки и тип флюса при ЭШП	М млн. циклов		Рпас
	в стан- дартной смазке	в активи- рованном масле	
эд	17,2	8,1	53,0
ЭШП (глиноземис- тый)	20,6	13,3	35,4
ЭШП (глиноземис- тый)	21,3	13,9	34,8
ЭШП (безглинозе- мистый)	27,6	18,8	32,0
ЭШП (безглинозе- мистый)	25,0	17,1	31,6
ЭШП (кислый)	20,0	12,6	37,0

неметаллическими включениями для этого
случая следует считать глинозем и его
производные (алюминаты кальция, мул-
лит, шпинели и т. п.). Поэтому для обе-
спечения высокого уровня выносливости
стали в адсорбционно-активной среде и,
следовательно, существенного ослабления
вредного влияния этой среды необходи-
мо, во-первых, максимальное уменьшение
размера включений (это всегда остается
главным фактором) и, во-вторых, уда-
ление из стали глиноземистых вклю-
чений.

Исследования [27] влияния ЭШП на
разных флюсах стали ШХ15 на ее кон-
тактную выносливость подтверждают сде-
ланные выводы (табл. 10). Использование
безглиноземистых флюсов при ЭШП не
только повысило контактную выносливость
стали (вследствие значительного сниже-
ния содержания хрупких глиноземистых
оксидов), но и заметно ослабило адсорб-
ционный эффект. Характерно, что после
переплава на кислом флюсе сталь ШХ15,
несмотря на увеличение суммарной за-
грязненности более чем в 2 раза, все же
имеет показатели лучше, чем исходная
сталь. Ее показатели вследствие сравни-
тельно небольшого содержания хрупких
оксидов незначительно уступают показа-
телям металла ЭШП, переплавленного на
глиноземистых флюсах.

В поверхностно-активной среде экс-
плуатируется не только шарикоподшипни-
ковая сталь ШХ15, но и другие стали, в

частности сталь 9Х, из которой изготов-
ляют валки для станов холодной прокат-
ки. Холодная прокатка металлов всегда
осуществляется в присутствии различ-
ных смазочно-охлаждающих жидкостей
(СОЖ), представляющих собой жидкую
поверхностно-активную среду.

Основной причиной выхода из строя
валков холодной прокатки является воз-
никновение питтинга при контактной
усталости, причем на этот процесс очень
большое влияние оказывает адсорбцион-
ная среда. Так, если контактная выносли-
вость стали 9Х в слабой поверхностно-
активной среде (масло «Индустриаль-
ное-50») составила 35 млн. циклов, то в
СОЖ она снизилась до 11,7 млн. циклов,
т. е. коэффициент влияния поверхностно-
активной среды в этом случае составил
66,6%. Использование электрошлаковой
стали, имеющей меньшую загрязненность
неметаллическими включениями, особенно
хрупкими — наиболее опасными для дан-
ной среды, снижает вредное адсорбцион-
ное влияние.

Еще одним примером адсорбционной
усталости сталей является разрушение бу-
ровых шарошечных долот. Лапа долота,
вокруг которой на шариках и роликах об-
катывается шарошка, зачастую выходит из
строя вследствие питтинга на его беговой
дорожке. Появлению питтинга в значи-
тельной степени способствует наличие
агрессивной среды (буровые промывочные
жидкости: глинистые растворы, раство-
ры, содержащие нефть, пластовые воды
и т. д.).

Насколько велико отрицательное воз-
действие этих сред на стойкость долот,
можно судить по результатам испытаний
долотной стали 20ХНЗА за контактную
выносливость. Если в сравнительно слабой
поверхностно-активной среде (масло «Ин-
дустриальное-50») долговечность этой ста-
ли была на уровне 12 млн. циклов, то в
глинистом растворе она уменьшилась бо-
лее чем в 10 раз (1,14 млн. циклов), а в
пластовой воде составила всего 0,56 млн.
циклов. Исследования показали, что при-
менение в этом случае электрошлаковой
долотной стали позволяет на 20—30%
ослабить вредный адсорбционный эффект,
т. е. в 1,2—1,3 раза повышает стойкость



1
долот, что в целом по стране дает гро-
мадный экономический эффект.

Наиболее распространенной жидкой
средой является коррозионная среда —
вода и различные водные растворы. Од-
ним из основных факторов, определяющих
коррозионное поведение стали, является
электрохимическая гетерогенность поверх-
ности, работающей в контакте с электро-
литом. Наличие неметаллических включе-
ний, отличающихся по физико-химическим
свойствам от металлической матрицы, при-
водит к появлению коррозионных микро-
элементов и усилению электрохимической
гетерогенности поверхности стального из-
делия. Даже при металлических включе-
ниях в матрице из другого металла возни-
кает электрохимическая гетерогенность,
выражающаяся в значительной разности
потенциалов включения и матрицы. Свой-
ства неметаллических включений еще
больше отличаются от свойств металличе-
ской матрицы, поэтому следует ожидать
весьма существенной электрохимической
гетерогенности поверхности стали с неме-
таллическими включениями.

Для исследования микроэлектрохими-
ческой гетерогенности стали с различными
включениями в электролите состава
0,009 н. Н28О4 —0,14% Н2О2 —0,0005%
К2СГ2О7 была измерена разность электрод-
ных потенциалов поверхности нормализо-
ванной стали 20 в окрестности различных
неметаллических включений. Все включе-
ния оказались катодами по отношению к
металлической матрице и располагались
в ряд в порядке убывания величины <₽:
сульфиды, глинозем, кремнезем, нитриды
титана. Характерно, что в таком же по-
рядке следуют включения и по увеличению
удельного электрического сопротивления:
1016 Ом* см для А120з и 1018 Ом-см для
81О2. Электрическое сопротивление нитри-
да титана должно быть еще выше, по-
скольку его термодинамическая устойчи-
вость ниже, чем у окислов титана, а за-
щитные свойства намного выше.

Характер распределения потенциалов
в окрестности включений [17] (рис. 71)
свидетельствует о большой величине гра-
диента потенциала на границе включения
и матрицы, что обусловливает появление
больших плотностей тока в этой области.

0	0,1	0,2 0	4 в 12

Расстояние от кроя	б, кг с/мм 2

включения, мм

Рис. 71. Микроэлектрохимическая гетероген-
ность продольных (штриховые линии) и попе-
речных (сплошные линии) образцов стали 20
с неметаллическими включениями сульфи-
дов (Г), глинозема (2), кремнезема (3) и ни-
тридов титана (4) при отсутствии (а) и нали-
чии (б) внешней нагрузки [17].

Действительно, наблюдения под микроско-
пом показали, что в течение короткого
промежутка времени включения «всплы-
вали» с поверхности металла, так как про-
исходило быстрое растворение металла
матрицы на границе с включением. В наи-
большей степени это проявилось на вклю-
чениях сульфидов, в меньшей — на вклю-
чениях нитрида титана, что согласуется с
отношением величин градиента потен-
циала.

Как видно из рис. 71, наименее благо-
приятными являются потенциалы металла
с сульфидами (кривые 1) и глиноземисты-
ми включениями (кривые 2). При вклю-
чениях нитридов титана электродные по-
тенциалы «разблагораживаются» мини-
мально. Отсюда следует, что при наличии
сульфидных и глиноземистых включений
можно ожидать наибольшего коррозион-
ного поражения металла, а при нитри-
дах — наименьшего. Обращает на себя
внимание большое разблагораживание
металла в направлениях, перпендикуляр-
ных текстуре, причем эта закономерность
наблюдается почти для всех видов вклю-
чений. Увеличение напряжений от внешней
нагрузки, как это видно из рис. 71, од-
нозначно разблагораживает потенциал,
т. е. приводит к усилению коррозионного
поражения, причем эта закономерность по-
стоянна для всех видов включений. Разли-
чие в величинах электродного потенциала
образцов, вырезанных вдоль и поперек
текстуры, увеличивается с повышением
напряжений.

Таким образом, увеличение электропро-
водности неметаллических включений и
снижение потенциала металла при дефор-
мации приводят к усилению электрохи-
мической неоднородности загрязненной
стали.

Приведенные выше соображения под-
тверждаются многими экспериментальны-
ми данными, показывающими очень боль-
шое отрицательное влияние неметалличе-
ских включений (прежде всего сульфидов)
на антикоррозионные свойства металлов.
Поэтому ЭШП, интенсивно удаляя серу и
диспергируя сульфиды, должен существен-
но повысить сопротивление металлов кор-
розии. Действительно, по имеющимся дан-
ным, в среде, имитирующей кислотные про-
мывки барабанов котельных установок
ТЭЦ, скорость коррозии образцов стали
16ГНМА ЭШП была примерно в 2 раза
меньше, чем у образцов мартеновского ме-
талла, причем если с повышением темпе-
ратуры коррозия приобретает язвенный
характер, то у металла ЭШП эти язвы
имеют меньшие глубину и диаметр. Ана-
логичные данные получены для нержавею-
щей стали [65]. Проверка коррозионной
стойкости немагнитного сплава 40 КХНМ
в семи коррозионных средах при комнат-
ной и повышенной температурах показала
[13], что ЭШП повышает сопротивление
коррозии этого сплава. Так, например, ес-
ли нерафинированный сплав в 20%-ном
растворе НС1 обладает пониженной стой-
костью, то сплав ЭШП в этой среде весь-
ма стоек.

Особенно ощутимо преимущество ме-
талла ЭШП в том случае, когда коррозия
действует совместно с напряжениями либо
статическими (коррозионное растрескива-
ние), либо циклическими (коррозионная
усталость), т. е. при коррозии под напря-
жением.

Наиболее полно исследовано влияние
ЭШП на коррозионное растрескивание ко-
тельной стали 16ГНМА. Так, например,
при испытании в 30%-ном растворе едкого
натрия при температуре 100° С и скорости
деформации V = 10-3 мм/мин поперечные
образцы мартеновского металла при на-
пряжениях о = 38 4- 40 кгс/мм2 растрес-
кивались за 260 ч, в то время как в ана-
логичных образцах из стали ЭШП при
большем напряжении (о — 48 кгс/мм2)
даже после 1800 ч не было отмечено сле-
дов разрушения [5].

При испытании таких же образцов в
кипящем растворе нитратов кальция и ам-
мония обнаружено, что мартеновская
сталь разрушается через 48—96 ч, а на
образцах металла ЭШП трещины не об-
наружены после ИЗО—1350 ч. Аналогич-
ные результаты были описаны в работе
[38].

Наиболее опасным видом воздействия
коррозионной среды на металл является
коррозионная усталость. Согласно адсорб-
ционно-электрохимической гипотезе корро-
зионной усталости снижение выносливости
металла в жидких коррозионных средах
происходит вследствие двух процессов —
адсорбционного (первичного) и коррози-
онного. Если учесть еще и фактор соб-
ственно усталости металла, то становится
понятным сложность и многообразие про-
цессов, влияющих на коррозионно-устало-
стную выносливость металлов.

Закономерности усталости металлов в
воздухе и даже в жидкой поверхностно-
активной среде нельзя перенести на кор-
розионную усталость, так как кроме дей-
ствия деформационного фактора (уста-
лость в воздухе) и адсорбционного факто-
ра (усталость в поверхностно-активной
среде) при усталости металла в коррози-
онной среде эффективно влияет коррози-
онный, или электрохимический, фактор.
Вызывая в металле большие качествен-
ные и количественные изменения, этот
фактор в свою очередь существенно зави-
сит от величины и вида напряжений (де-
формаций), времени действия среды, типа
и характеристики нагрузок (длительные
или кратковременные, высоко- или низко-
частотные и т. д.). При изучении влияния
типа неметаллических включений на кор-
розионную выносливость программно-за-
грязненной стали 20 было установлено, что
наиболее неблагоприятными неметалличе-
скими включениями при коррозионной вы-
носливости металла являются сульфиды и
глинозем, менее опасны — нитриды титана
и кремнеземистые включения. Эти данные
подтверждаются результатами исследова-
ний стали 45Л, раскисленной алюминием.
Наихудшие свойства отмечены у стали, рас-
кисленной 0,02% алюминия, где наблюда-
лось большое количество пленочных суль-
фидов, выделившихся по границам зерен,
а также у стали, раскисленной 0,5% алю-
миния, где образовалось большое количе-
ство крупных высокоглиноземистых алю-
мосиликатов.

Следовательно, при коррозионной уста-
лости проявляется специфическая функ-
ция неметаллических включений, которая
принципиально отлична от аналогичной
при усталости в воздухе и в поверхностно-
активной среде. В коррозионной среде не-
металлические включения являются мик-
рокатодными участками, т. е. они изме-
няют электрохимическую гетерогенность
металла. В зависимости от своей приро-
ды (состава) включения могут быть от-
носительно активными микрокатодными
участками, т. е. значительно увеличивать
гетерогенность металла (например, суль-
фиды или глинозем), они могут быть и
малоактивными микрокатодными участка-
ми, сравнительно мало изменяющими
электрохимическую гетерогенность метал-
ла (например, нитриды титана).

Учитывая отмеченную роль неметалли-
ческих включений при коррозионной уста-
лости металлов и принимая во внимание
уменьшение количества и размеров вклю-
чений (особенно сульфидов) в результате
ЭШП, следует ожидать существенного по-
ложительного влияния ЭШП на коррози-
онную выносливость стали. Как уже было
отмечено, такое влияние действительно
было обнаружено даже для стали ШХ15.

Дальнейшие исследования показали
весьма высокое сопротивление коррозион-
ной усталости различных металлов и спла-
вов, подвергнутых ЭШП. Следует, однако,
отметить отсутствие тщательных исследо-
ваний, которые смогли бы раздельно оце-
нить качественный и количественный вклад

различных факторов (субмикроструктур-
ных, микроструктурных, макроструктур-
ных, наличие газов, неметаллических
включений и т. д.) в наблюдаемое повы-
шение выносливости и долговечности
электрошлакового металла в коррозион-
ных средах.

В последние годы особую актуальность
приобрели вопросы, связанные с изуче-
нием взаимодействия металла с такой
агрессивной средой, как водород. Важ-
ность этой проблемы продиктована, с од-
ной стороны, большим отрицательным
влиянием водорода на служебные свой-
ства металлов и сплавов и, с другой сто-
роны, большим количеством источников
наводороживания при эксплуатации совре-
менного оборудования. Сорбция металлом
водорода (т. е. наводороживание) из жид-
кой среды возможна, неизбежна и проис-
ходит при нанесении различных покрытий
(особенно гальванических), при всех про-
цессах химического или электрохимическо-
го травления, при катодной защите от кор-
розии и, что очень важно, при всех про-
цессах добычи, транспортировки, хранения
и переработки нефти и газа, особенно вы-
сокосерннстого.

Этот далеко не полный перечень воз-
можных источников наводороживания по-
казывает, что водородная усталость часто
встречается на практике, а катастрофиче-
ское падение выносливости сталей, особен-
но высокопрочных, в этой среде настоя-
тельно требует постановки подробных ис-
следований. Одним из насущных и мало-
исследованных вопросов в общей проблеме
водородной усталости является изучение
влияния металлургических факторов, в ча-
стности загрязненности металла и его ра-
финирования.

Эксперименты на бездефектных моно-
кристаллах металлов показали, что, не-
смотря на удовлетворительную водородную
проницаемость этих монокристаллов, они
совершенно не поглощали (не окклюдиро-
вали) водорода. Учитывая свойственный
водороду «эффект ловушки», можно при-
йти к выводу, что количество водорода,
поглощенного металлом, будет в очень
большой степени зависеть от наличия и
параметров дефектов структуры металла.
Поскольку неметаллические включения
представляют собой весьма многочислен-
ный и разнообразный класс таких дефек-
тов, можно утверждать, что именно они
играют весьма существенную роль в коли-
чественном распределении поглощенного
металлом водорода. Граница раздела
металл — включение является коллекто-
ром, в котором может сегрегироваться
водород, так как для атомарного водорода
эта граница представляет собой свободную
поверхность, на которой потенциально
возможна и энергетически выгодна моли-
зация атомов водорода. Наиболее совре-
менная адсорбционная гипотеза водород-
ной хрупкости [15] предполагает, что во-
дород хемосорбируется на наружных и
внутренних поверхностях (особенно юве-
нильных) раздела двух фаз (в том числе
на границе раздела металл — включение),
а затем начинает действовать эффект Ре-
биндера.

Эксперименты на многих исследуемых
сталях показали, что количественные и ка-
чественные характеристики загрязненности
металла оказывают исключительно боль-
шое влияние как на окклюзионную способ-
ность по водороду (т. е. на количество во-
дорода, поглощенного металлом), так и на
статическую и циклическую прочность этих
металлов в наводороживающей среде.
Установлено, что все перечисленные выше
показатели, как правило, находятся между
собой в определенном соответствии. Повы-
шение загрязненности металла приводит
к росту окклюзионной способности, значи-
тельному снижению кратковременной и
длительной статической прочности и к рез-
кому падению выносливости конструкци-
онных сталей в наводороживающей среде.

В экспериментах с металлом программ-
но-загрязненных плавок стали 20 было
установлено (рис. 72), что из пяти типов
исследуемых неметаллических включений
(кремнезем, глинозем, нитриды титана,
сульфиды, пластичные силикаты) наиме-
нее опасными включениями оказались ни-
триды, наиболее опасными — сульфиды,
пластичные силикаты, а также глинозем.
Сравнение малоцикловой долговечности в
наводороживающей среде сверхчистого ме-
талла и металла программно-загрязненных
плавок стали 20 показывает, что в этой
среде наибольшее снижение выносливо-

сти (Рн-в 3, ГДе Рн.в = А/св-чис / ЛГпр.загр)
наблюдается у металла с включениями
глинозема, сульфидов и пластичных сили-
катов (рис. 73).

Как показали исследования окклюзион-
ной способности по водороду ненапряжен-
ного и напряженного металла исследуе-
мых плавок (рис. 74), одна из основных
причин, вызывающих различие в окклюзии
водорода сталью, состоит, вероятно, в раз-
личии химического состава включений,
обусловливающим разный адсорбционный
эффект включений. Большую роль в этом
случае могут играть ненасыщенные хими-
ческие связи на поверхности адсорбента
(включения) и образование в отдельных
случаях водородных связей. Поэтому на-
именьшей окклюзионной способностью по
водороду обладал металл с нитридами.
Максимальную окклюзию водорода метал-
ла с сульфидами можно объяснить изве-
стным большим сродством этих включе-
ний к водороду.

Следует отметить, что одной из основ-
ных причин указанного различия может
быть стерический (геометрический) фак-
тор. Поскольку адсорбция водорода ве-
роятнее всего происходит на границе раз-
дела металл — включение, от протяжен-
ности этой границы в значительной степени
зависит локальный объем адсорбирован-
ного сталью водорода. Большая протяжен-
ность и развитая поверхность строчечных
сульфидов и пластичных силикатов (а так-
же строчечных хрупких высокоглиноземи-
стых алюмосиликатов) обусловливают ад-
сорбцию в их окрестностях сравнительно
большого количества водорода, вследствие
чего указанные включения становятся пре-
имущественным очагом разрушения стали,
особенно при усталости металла.

В связи с изложенным представляется
возможным утверждать, что при водород-
ной усталости металлов неметаллические
включения выполняют еще одну специфи-
ческую для наводороживающей среды
функцию — функцию коллекторов водоро-
да. При этом основное значение, по-види-
мому, начинает приобретать размер вклю-
чений, точнее — величина их поверхности.

У больших, особенно вытянутых стро-
чечных пластичных включений протяжен-
ность поверхности раздела металл — вклю-
чение оказывается значительной. Это и
обусловливает довольно большую опас-
ность при водородной усталости пластич-
ных силикатов, сульфидов и строчечных
высокоглиноземистых алюмосиликатов.
С другой стороны, мелкие точечные вклю-
чения (например, нитриды титана) не
представляют в этой связи большой опас-
ности, и металл с такими включениями
имеет значительно более высокую вынос-
ливость в наводороживающей среде.

Специфика роли коллекторов, которы-
ми являются неметаллические включения
при водородной усталости металлов, зна-
чительно усугубляет их вредное влияние
на выносливость стали. Ни при каком

Рис. 72. Зависимость коэффициента влияния
наводороживающей среды рн-с (отношение дол-
говечности в воздухе и среде) от типа неметал-
лических включений, вычисленная по результа-
там испытаний стали 20 на малоцикловую уста-
лость]

/ — нитриды; 2 —кремнезем; 3 — глинозем; 4 — пла-
стичные силикаты; 5 — сульфиды.

Рис. 73. Малоцикловая водородная долговеч-
ность сверхчистого металла по сравнению с дол-
говечностью металла с различными типами не-
металлических включений, вычисленная по ре-
зультатам испытаний стали 20 на малоцикловую
усталость (условные обозначения те же, что на
рис. 72).

Рис. 74. Влияние типа неметаллических вклю-
чений на окклюзионную способность стали 20
по водороду при различной деформации е край-
него волокна образца при изгибе:

/ _ сульфиды; 2 — пластичные силикаты; 3 — глино-
зем; 4 — кремнезем; 5 — нитриды титана.

другом виде усталости включения так не
опасны, как при водородной. Действитель-
но, удаление и диспергирование включе-
ний в результате рафинирования металла
существенно повышают выносливость кон-
струкционных сталей в наводороживающей
среде [25]. Эти выводы подтверждают и
зарубежные исследователи [62].

Среди других факторов, обеспечиваю-
щих высокое сопротивление металла ЭШП
воздействию водорода, следует назвать
прежде всего удаление серы, а также дис-
пергирование крупных включений, осо-
бенно сульфидов, что значительно повы-
шает изотропность всех механических
свойств, в том числе и выносливости в на-
водороживающей среде.

Испытания стали 25Х2ГНТРА на мало-
цикловую усталость в наводороживающей
среде показали следующие результаты:
продольные образцы имели долговечность
на 40—50%, а поперечные — на 80—90%
больше, чем образцы электропечного ме-
талла. Еще более показательно сравнение
мартеновского и электрошлакового метал-
лов. Как видно из результатов испы-
таний на малоцикловую усталость стали
16ГНМА, анизотропия выносливости в
наводороживающей среде больше, чем
в воздухе, однако ЭШП и в этом слу-
чае резко повышает изотропность метал-
ла (табл. 11).

Если проанализировать результаты
тех же испытаний стали 16ГНМА с точки
зрения влияния ЭШП на чувствительность
Таблица 11. Коэффициенты анизотропии, вычисленные по результатам испытаний стали
16ГНМА на малоцикловую выносливость в воздухе и наводороживающей среде

Коэффициент анизотропии «а	Среда	Способ выплавки			
		Мартен	ЭШП	ЭШП + А]	ЭШП -Ь РЗМ
^прод /^поп	Воздух	1,83	1,4	1,18	1,13
^прод /^поп	Наводороживающая	2,0	1,6	1,42	1,38
пред /^верт	Воздух	5,0	1,75	1,56	1,41
№ прод/^верт	Наводороживающая	6,0	2,24	2,19	2,18

металла к воздействию сред, то четко вы-
рисовывается (табл. 12) тенденция суще-
ственного ослабления агрессивного воздей-
ствия водорода на металл ЭШП.

Более высокое сопротивление металла
ЭШП вредному воздействию наводорожи-
вающей среды свидетельствует о том, что
применение электрошлаковых металлов и
сплавов оказывается более эффективным
именно в наводороживающей среде, так
как выигрыш долговечности изделий в
этом случае будет значительно больше,
чем при их эксплуатации в воздухе или
коррозионной среде. Так, например, в ра-
боте [52] указано, что если в результате
ЭШП увеличение выносливости сталей 20,
40, 50Х, а также 15, 20, 40ХНМА в воз-
духе составило (в среднем) 55%, в корро-
зионной среде 80%, то в наводороживаю-
щей оно превысило 100%,-

В результате коренного изменения при-
роды неметаллических включений и улуч-
шения их формы, несмотря на некоторое
повышение общего содержания включе-
ний, сталь ЭШП с присадками РЗМ обна-
руживает явное превосходство в водород-
но-усталостной долговечности не только

Таблица 12. Коэффициент влияния
наводороживающей среды 0Н_ с, вычисленный
по результатам испытаний стали 16ГНМА на
малоцикловую усталость

Направление вы- резки образцов	Способ выплавки			
	Мар- тен	ЭШП	ЭШП 4- +А1	ЭШП + +РЗМ
Продольное	4,57	3,6	2,81	2,3
Поперечное	5,0	4,1	3,37	2,8
Вертикальное	5,5	4,6	3,91	3,53

перед исходным металлом, но и перед
обычной сталью ЭШП, хотя по выносли-
вости она уступает последней.

В заключение следует отметить, что
во всех случаях преимущество металла
ЭШП перед обычным металлом при экс-
плуатации в сложных, тяжелых условиях
воздействия агрессивных сред значительно
больше, чем в сухом чистом (лаборатор-
ном) воздухе. Этот важный вывод, к со-
жалению, малоизвестен большинству спе-
циалистов машиностроения, нефтехимиче-
ской, газовой, энергетической, и других
отраслей народного хозяйства.

Очень важным, на наш взгляд, пред-
ставляется правильное понимание того, что
для определения преимуществ металла
ЭШП перед обычным металлом сравнивае-
мые металлы надо испытывать в усло-
виях, максимально приближенных к экс-
плуатационным. Это значит, что обяза-
тельным элементом сравнительных испы-
таний должна быть, кроме среды, нагруз-
ка (статическая, циклическая, динамиче-
ская). Кроме того, должен учитываться
такой первостепенный фактор, как время.
Правильное сочетание этих факторов обес-
печивает объективность испытаний и до-
стоверность получаемой информации.

К сожалению, вопросы сопротивления
металлов и сплавов ЭШП воздействию
сред не получили пока всестороннего осве-
щения. Тем не менее приведенные выше
материалы неопровержимо свидетель-
ствуют о громадных и далеко не всегда
используемых резервах электрошлакового
металла с точки зрения существенного по-
вышения надежности и долговечности де-
талей машин и аппаратов, эксплуатирую-
щихся в агрессивных средах.
ГЛАВА III

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО
МЕТАЛЛА

История развития человечества тесно свя-
зана с использованием металлических ма-
териалов. С древних времен человек добы-
вает и обрабатывает металлы, ищет но-
вые. Первыми материалами, освоенными
человеком, еще в IV тысячелетии до н. э.
были бронза и медь. Из всех изобретен-
ных человеком видов обработки металли-
ческих материалов самыми древними из
пригодных для массового производства
продукции были плавка и литье. Широкое
применение бронзы в первобытнообщинном
периоде развития человечества [7] и обу-
словилось ее легкоплавкостью и хорошими
литейными свойствами.

Несколько позднее человек обнаружил,
что получить изделие нужной формы мож-
но не только методом литья, но и механи-
ческим, ударным воздействием па медную
или бронзовую заготовку. Лучшие резуль-
таты получались, если заготовка была на-
гретой. Так, первый кузнец столкнулся с
явлением ковкости, т. е. технологической
пластичности, или деформируемости, ме-
талла при ковке.

Уже ранний опыт ковки металлических
материалов показал, что одни металлы
легко куются, податливо меняют свою фор-
му под действием молота, а другие тре-
буют гораздо больших усилий для дефор-
мации либо растрескиваются, не меняя
формы. Большое развитие кузнечный про-
цесс обработки металлов получил при ос-
воении человеком железа, которое относят
к I тысячелетию до н. э. [7, 21]. Ковка
являлась тогда неотъемлемым элементом
технологического процесса изготовления
изделий из кричного железа, выплавляемо-
го в сыродутных горнах.

Современная технология располагает
широким арсеналом методов горячей ме-
ханической обработки: ковкой, прессова-
нием, штамповкой, прокаткой, прошивкой,
раскаткой, термомеханической обработкой.
Качество готовых изделий в большой ме-
ре определяется правильным выбором ре-
жима горячей механической обработки
заготовок: температурой, степенью и скоро-
стью деформации. Прямое влияние на вы-
бор этих параметров оказывает способ-
ность металлического материала подвер-
гаться горячей механической обработке,
т. е. степень деформируемости или техно-
логической пластичности материала. По
степени деформируемости металлические
материалы можно условно разделить на
четыре группы: легкодеформируемые, сред-
недеформируемые, труднодеформируемые
и недеформируемые (литейные).

Стремительное развитие современных
отраслей техники, авиакосмической, хими-
ческой, ядерной энергетики и ряда других
связано с разработкой новых сталей и
сплавов, обладающих комплексом специ-
альных свойств. Это некоторые трубные
материалы, сплавы для изготовления дета-
лей, узлов реактивных двигателей и т. п.
Такие сплавы и стали, как правило, отно-
сятся к сложно- и высоколегированным и
плохо поддаются горячей механической
обработке. Так, жаропрочные сплавы ха-
рактеризуются небольшим температурным
интервалом горячей механической обра-
ботки (250—100° С), высоким сопротивле-
нием деформированию, малой пластично-
стью при обработке и допускают малые
степени деформации (всего 50—20% при
горячей осадке), требуют сложной, много-
стадийной схемы передела [113]. Горячая
обработка при пониженных температурах
способствует появлению в металле полу-
горячего наклепа и при последующей тер-
мической обработке — разнозернистости
структуры вследствие рекристаллизации
металла.

Перегрев металла выше оптимальной
температуры приводит к растрескиванию
металла при горячей механической обра-
ботке. Известны случаи, когда слишком
энергичное деформирование металла при-
водило к перегреву его сердцевинных сло-
ев и вызывало внутренние расслоения.

Способность подвергаться горячей ме-
ханической обработке прямо сказывается
на выходе годного металла и на эффек-
тивности производства. Поэтому вопрос
повышения технологической пластичности
металлических материалов имеет немало-
важное значение. Остановимся вкратце на
теоретической стороне вопроса о пласти-
ческой деформации металла при высоких
температурах.

Процесс пластической деформации в
реальных поликристаллах может проте-

кать различно: путем двойникования, сдви-
гов, межзеренного смещения и (благода-
ря высокой диффузионной подвижности
атомов в решетке при повышенных темпе-
ратурах) диффузионного перемещения.
Наиболее широко распространена сдвиго-
вая пластическая деформация. При этом
виде деформации происходит смещение
групп ориентированных в кристаллической
решетке атомов относительно других
групп, дробление кристалла на более мел-
кие части. Такая деформация сопровожда-
ется образованием линий скольжения.
Форма линий скольжения зависит от типа
кристаллической решетки. Эти сведения
получены многими исследователями — ме-
таллофизиками и металловедами в резуль-
тате изучения изменений формы кристал-
лов при пластической деформации. Описа-
ны возможные простейшие схемы, по ко-
торым могут протекать смещения при
сдвигах, двойниковании и блокообразова-
нии.

Имеется несколько теорий физической
сущности пластической деформации. Эти
теории не дают еще полной картины при-
роды пластической деформации. Вслед-
ствие гипотетичности они дают мало прак-
тических рекомендаций по улучшению
технологической пластичности металличе-
ских материалов.

Наиболее распространенная среди ме-
таллофизикой и металловедов теория —
теория, предложенная Грифитсом [126],—
сводится к тому, что дефекты, возникаю-
щие в реальных кристаллах в процессе
кристаллизации металла при его охла-
ждении, приводят к резким местным кон-
центрациям напряжений. Эти напряжения
значительно превышают средние величины
напряжений, действующих в сечении об-
разца пли детали при деформировании, и
могут привести к разрушению металла.
К таким кристаллизационным дефектам
относятся неоднородность кристаллов, де-
фекты кристаллической решетки, а также
места решетки, не заполненные атомами
(т. е. вакансии и сопутствующие им дисло-
кации), включения других атомов, двой-
ники.

Другая широко распространенная тео-
рия— теория дислокаций [141, 36, 80] —
описывает пластическую деформацию как
результат перемещения дислокаций по
плоскости сдвига, в результате чего одна
часть кристалла оказывается смещенной
относительно другой. В соответствии с этой
теорией дислокации могут образовываться
не только под действием приложенных на-
пряжений, но и в результате несовер-
шенств строения кристаллической решет-
ки, возникающих от инородных включе-
ний. В то же время указанные несовер-
шенства могут служить препятствиями для
перемещения дислокаций, и это может
явиться вероятной причиной упрочнения
металла, т. е. снижения его пластичности.
Из указанных теорий следует вывод о том,
что пластичность металла находится в
прямой зависимости (при прочих равных
условиях) от степени микрочистоты, кри-
сталлизационной однородности и совер-
шенства кристаллической решетки ме-
талла.

Металлурги-экспериментаторы также
занимались изучением вопросов техноло-
гической пластичности металлов. Замече-
но, что пластичность металлов и сплавов
в значительной степени зависит от темпе-
ратуры деформации. У большинства ме-
таллов с повышением температуры пла-
стичность увеличивается. Вместе с тем для
многих металлов и сплавов зависимость
пластичности от температуры имеет бо-
лее сложный характер. Пластичность ме-
таллов оказывается в ряде случаев зави-
симой от структурных изменений, проте-
кающих в металле при высоких темпера-
турах (например, дисперсионное упрочне-
ние в жаропрочных сплавах при выделе-
нии интер мета ллидных или карбидных
фаз), от скорости деформирования. Заме-
чено, в частности [113], что значения
предела прочности в горячем состоянии
0,5%-ной молибденовой среднеуглероди-
стой стали, полученные при больших ско-
ростях испытания, в 2,5 раза выше, чем
при малых скоростях. Пластические свой-
ства при этом также изменяются с изме-
нением скорости испытания, а характер
излома вместо внутрикристаллического
(при больших скоростях) становится меж-
кристаллическим (при меньших скоро-
стях). Влияние скорости деформации на
пластичность замечено и для других ма-
териалов.

Способность металла к горячей механи-
ческой обработке оценивают по изменению
механических свойств при высоких темпе-
ратурах, главным образом относительного
удлинения при испытании на разрыв и ра-
боты удара (ударной вязкости). Кроме то-
го, для оценки технологической пластич-
ности при том или ином виде горячей об-
работки применяются специальные испы-
тания. Так, применительно к ковке и штам-
повке проводят испытание материала на
осадку. Условия прокатки хорошо воспро-
изводит метод испытания прокаткой на
клин, а условия прошивки трубной заго-
товки — метод прошивки конических об-
разцов. Весьма универсальным методом
испытания материалов на деформируе-
мость, достаточно хорошо воспроизводя-
щим условия деформации при многих ви-
дах обработки, является метод испытания
на горячее скручивание.

В общем случае факторы, влияющие
на способность металлических материалов
подвергаться действию горячей механиче-
ской обработки, можно разделить на две
группы. К первой группе относятся факто-
ры, связанные с природой материала, его
структурой и превращениями ее при темпе-
ратурах деформации. Ко второй — факто-
ры, связанные с качеством материала, ко-
торое определяется возможностями техно-
логии его производства. Остановимся на
рассмотрении факторов первой группы.

Известно, что с повышением температу-
ры пластичность большинства металлов
увеличивается, но вместе с тем для мно-
гих сплавов и металлов пластичность не
является прямой функцией температуры.
В зависимости от природы металла и его
структурного состояния температурная за-
висимость показателя пластичности имеет
тот или иной характер.

Весьма важным обстоятельством при
рассмотрении вопросов деформируемости
материалов является структурное состоя-
ние металла при температурах деформа-
ции. Вопросы связи деформируемости ста-
ли с ее структурой исследованы в работах
[3, 47, 83, 84, 108].

Замечено, что если у одних материалов
(рис. 75) проявляется плавное увеличение
пластичности (число оборотов до раз-
рушения) с повышением температуры в
Рис. 75. Зависимость показателя пластичности п
от температуры:

1 — окалиностойкая сталь Х25Т; 2Л—углеродистая
сталь 10 [3].

области горячей механической обработки
(900- 1350° С), то у других имеется резко
выраженный максимум (рис. 76) или ми-
нимум (рис. 77) пластичности.

К материалам первой группы относят-
ся, в частности, окалиностойкие хромистые
стали со структурой твердого а-раствора
и углеродистые стали, имеющие в состоя-
нии нагрева структуру нелегированного
твердого у-раствора. К материалам второй
группы, характеризующимся наличием
выраженного максимума на кривой пла-
стичности, относятся стали и сплавы аусте-
нитного класса, имеющие структуру высо-
колегированного твердого у-раствора. Тре-
тью группу представляют, например, стали
полуферритного класса, для которых в об-
ласти температур горячей механической
обработки характерны полиморфные пре-
вращения.

Итак, максимальную пластичность в
горячем состоянии обнаруживают однород-
ные сплавы со структурой твердого а-ра-
створа (см. рис. 75). Полностью феррит-
ные стали деформируются лучше чисто
аустенитных. Горячая механическая обра-
ботка их не представляет сложностей. Та-
кое сочетание строения и степени пластич-
ности в горячем состоянии объясняется
большой скоростью диффузионных процес-
сов в решетке а-раствора и, следователь-
но, весьма эффективным развитием про-
цессов рекристаллизации.

Любопытно, что высокая горячая пла-
стичность феррита резко снижается при
появлении небольших количеств у-фазы,
и. наоборот, удовлетворительная, горячая

пластичность аустенита ухудшается при
вкраплении в у-матрицу даже небольших
количеств пластичной а-фазы.

Обратимся к рис. 76. Кривая показа-
теля пластичности совмещена с кривой,
характеризующей содержание ферритной
фазы в аустенитной основе хромоникеле-
вой стали. Пластичность стали интенсивно
растет до температуры 1200° С. Этот рост
пластичности сопровождается уменьше-
нием содержания а-фазы. Кривая пластич-
ности достигает максимума и снижается
в области температур, превышающих
1200—1250° С, при которых происходит
резкое увеличение содержания в структу-
ре а-фазы.

Рассмотрим связь изменения пластич-
ности со структурными превращениями на
примере полуферритной стали. При нагре-
ве выше точки появления у-фазы с ростом
ее содержания пластические свойства этой
стали резко понижаются. При температу-
ре выше 1150° С благодаря образованию
высокотемпературного феррита количество
у-фазы вновь уменьшается и пластичность
стали возрастает.

Замечено, что на пластичность двухфаз-
ных сталей и сплавов оказывают влияние

Рис. 76. Зависимость показателя пластичности п
(штриховая кривая) и содержания а-фазы
(сплошная кривая) от температуры нержавею-
щей хромоникелевой стабилизированной тита-
ном стали 1Х18Н9Т [3].
Рис. 77. Зависимость показателя пластичности и
(сплошная кривая) и содержания у-фазы
(штриховая кривая) от температуры (сталь по-
луферритного класса ЭИ428. э — эвтектоид)
[3].

не только наличие второй фазы, но и ха-
рактер распределения и форма избыточ-
ных структурных составляющих Напри-
мер, в аустенитных катаных сталях а-фаза
часто находится в виде вытянутых вклю-
чений по границам зерен, что отрицатель-
но сказывается на дальнейшей горячей
механической обработке В то же время
кованые заготовки не имеют столь небла-
гоприятных вытянутых выделений ферри-
та и дальнейший их передел протекает
успешней. Отметим, что у чисто аустенит-
ных сталей и сплавов, свободных от фер-
рита, обычно наблюдаются плавное уве-
личение пластичности с повышением тем-
пературы и вполне удовлетворительная
способность к горячему деформированию.

Немаловажной характеристикой спо-
собности материалов воспринимать горя-
чую деформацию является сопротивление
деформации. При испытании материалов
на горячее скручивание оно характеризу-
ется крутящим моментом.

Сопротивление деформации не всегда
равномерно уменьшается с ростом темпе-
ратуры. Если в области температур горя-
чей механической обработки в структуре
материала не происходит превращений,
ход температурной кривой изменения со-
противления деформации будет плавным
(рис. 78, кривые 1 и 5). Для сталей, пре-
терпевающих структурные превращения,
ход кривой сопротивления деформации
может иметь резкие возмущения, соответ-

ствующие моменту выделения или раство-
рения новой фазы (кривая 2). Наимень-
шее сопротивление деформации проявляют
стали, имеющие при температурах дефор-
мации чисто ферритную структуру.

Остановимся кратко на температурном
интервале деформации. Этот весьма удоб-
ный в практическом отношении техноло-
гический фактор ограничен нижней и верх-
ней температурами. Нижняя температура,
или температура конца обработки, огра-
ничивается уровнем сопротивления метал-
ла деформации. Верхняя температура опре-
деляется моментом потери пластичности,
т. е. состоянием металла, при котором на-
ступает хрупкость в горячем состоянии,
связанная с явлением предплавления, ко-
гда жидкой фазы еще нет, но в межзерен-
ных прослойках развиваются процессы,
сильно снижающие сопротивление зерен

Рис. 78. Сопротивление деформации сталей
различного класса в зависимости от темпера-
туры:
отрыву, что и приводит к хрупкому меж-
зеренному разрушению металла при горя-
чей механической обработке. Температура
хрупкости в горячем состоянии прямо за-
висит от температуры солидуса. Стали
аустенитного класса, имеющие более низ-
кую температуру солидуса, чем феррит-
ные стали, охрупчиваются при более низ-
ких температурах, чем ферритные. Поэто-
му важной структурной характеристикой
металла с точки зрения его деформируе-
мости является температура начала оплав-
ления границ зерен: чем ниже эта темпе-
ратура, тем более ограничены возмож-
ности применения высокотемпературного
нагрева при горячей механической обра-
ботке, когда сопротивление деформации
металла минимально.

Итак, рассмотрев связанные с приро-
дой материала факторы, влияющие на его
деформируемость, приходим к выводу, что
возможность влияния на эти факторы с
целью улучшения деформируемости мате-
риалов практически отсутствует. Действи-
тельно, если речь идет о горячей обработ-
ке аустенитных сталей, легированных бо-
ром, для структуры которых характерно
выделение легкоплавкой боридной фазы,
то весьма трудно представить себе какие-
либо облагораживающие воздействия на
сталь, которые позволили бы повысить
верхнюю температуру интервала деформа-
ции. Вместе с тем благодаря чрезвычайно
благоприятным условиям кристаллизации
металла, которые имеют место при ЭШП
(см. гл. II, § 2), переплав указанных бо-
ристых сталей позволяет достичь тонкого
и равномерного по всему сечению слитка
строения боридной фазы (рис. 79). В ре-
зультате этого электрошлаковые борид-
ные стали обладают повышенной пластич-
ностью в интервале горячей механической
обработки, хотя, естественно, проявляют
склонность к потере пластичности при
той же верхней температуре, что и стали
обычной выплавки *.

Перейдем ко второй группе факторов,
влияющих на способность материалов под-
вергаться горячей механической обработке
и определяющих качество материалов.

* По данным Я. Е. Осады, В. С. Рудого,
Н. С. Алферовой.

Многочисленными исследованиями уста-
новлено, что существенное влияние на
технологическую пластичность металличе-
ских материалов оказывают процессы, ко-
торые протекают при рафинировании ме-
талла и его кристаллизации. Процессы ра-
финирования влияют на содержание в ме-
талле вредных примесей, газов, в значи-
тельной мере — на состав, форму и на
размеры неметаллических включений. Про-
цессы рафинирования определяют в изве-
стной мере состав избыточных фаз и сте-
пень чистоты границ зерен.

Кристаллизационные процессы опре-
деляют такие влияющие на деформируе-
мость показатели совершенства материа-
лов, как развитие ликвации, в том числе
дендритной, строение и равномерность рас-
пределения вторых и избыточных фаз, со-
стояние дендритной структуры, направлен-
ность кристаллизации, наличие кристалли-
зационных дефектов усадочного происхо-
ждения и другие показатели.

Процессы рафинирования металла и
специфические условия его кристаллиза-
ции, характерные для ЭШП, позволяют
активно воздействовать на качество метал-
ла и, следовательно, влиять на способ-
ность металла подвергаться горячей меха-
нической обработке. Рассмотрим конкрет-
ные примеры этого влияния.

Углеродистая нелегированная сталь.
Простые углеродистые стали, как правило,
характеризуются вполне удовлетворитель-
ной деформируемостью при высоких тем-
пературах (они имеют структуру нелеги-
рованного у-раствора). Вместе с тем встре-
чаются случаи пониженной деформируе-
мости этих сталей. Причины понижения
пластичности простых углеродистых сталей
кроются в чрезмерной загрязненности не-
металлическими включениями экзогенного
характера, в развитии ликвации примесей,
в повышенной пористости. Кроме того, это
явление связано с серьезными металлурги-
ческими дефектами кристаллизационного
происхождения. Так, в работе [9] исследо-
вали влияние некоторых из указанных
факторов на технологическую пластич-
ность конвертерной стали 20СП, разлитой
в слитки массой 10 т. Способность к горя-
чей деформации оценивали по результатам
испытаний прокаткой на клин при темпе-
ратурах 1000—1300° С. Отмечена четкая
связь возникновения очагов разрушения с
дефектами металлургического происхо-
ждения. В частности, показано, что заро-
ждение и распространение трещин проис-
ходит преимущественно в междендритных
участках, обогащенных ликватами. Много-
численные исследования свидетельствуют
о том, что ЭШП полностью исключает об-
разование в металле указанных дефектов
167].

Теплоустойчивая сталь. Влияние ЭШП
на технологическую пластичность трубной
теплоустойчивой стали 12Х1МФ, предна-
значенной для котлостроения, исследовано
авторами работ [10, 44]. Сравнивали ме-
талл открытой электродуговой выплавки

(слитки массой 2,8—3,3 т) с металлом
ЭШП (слитки массой 4,0—4,5 т) в ката-
ной трубной заготовке диаметром 180 мм
[44] и металл мартеновский или откры-
той электродуговой выплавки (слитки
массой 6,5 т) с металлом ЭШП (слитки
массой 4,0 т) в катаной трубной заготов-
ке диаметром 240 мм [10]. В работе [10]
отмечается, что если макроструктура обыч-
ного металла характеризовалась наличи-
ем центральной пористости и точечной не-
однородности, то металл ЭШП отличался

Рис. 79. Строение боридной фазы в стали
ЭИ846(Х70):

а — исходный металл, уков 6,3; б — то же, уков 20;
в — переплавленный металл, уков 6.3: г — то же,
уков 20.
Таблица 13. Влияние ЭШП на загрязненность стали 12Х1МФ [10]

Вредные примесн	Мартеновская сталь		Сталь открытой электродуговой выплавки	
	обычная	после переплава	обычная	после переплава
Сера, %	0,0170	0,005—0,007	0,009	0,003—0,006
Азот, %	0,0062	0,0064	0,0097	0,0091
Кислород, %	0,0032	0,0025	0,0034	0,0029
Оксидные включения, об. %	0,0100	0,0073	0,0134	0,0061
Оксисульфидные включения, об. %	0,0096	0,0006	0,0060	0,0005
Сульфидные включения, об. %	0,0434	0,0024	0,0129	0,0009

плотностью и отсутствием дефектов. Со-
держание кислорода в результате пере-
плава уменьшилось от 0,0050 до 0,0030%.
Содержание нитридных включений после
ЭШП уменьшилось в 2,5—3 раза; а суль-
фидных — примерно в 10 раз. Оценка про-
изводилась металлографически по объем-
ным процентам на 300 полях зрения при
увеличении 520. Электрошлаковый металл
характеризовался отсутствием крупных не-
металлических включений и равномерным
распределением мелких Технологическая
пластичность оценивалась методом горя-
чего скручивания образцов до разрушения

Рис. 80. Влияние ЭШП на технологическую
пластичность трубной стали 12Х1МФ:

I — сталь открытой электродуговой выплавки; 2 —
сталь ЭШП [44].

(рис. 80). Увеличение числа скручиваний
образцов электрошлакового металла по
сравнению с обычным металлом с 40—50
до 116—120 оборотов объясняется эффек-
том снижения содержания газов и неме-
таллических включений. В работе [10]
отмечается плотная, бездефектная ма-
кроструктура электрошлаковой стали
12Х1МФ, в то время как макроструктура
стали открытой электродуговой выплавки
и мартеновской стали имела при контро-
ле точечную неоднородность до 2 баллов
по ГОСТ 10 243—62, и иногда — ликваци-
онный квадрат. О влиянии ЭШП на за-
грязненность стали можно судить по дан-
ным табл. 13. Содержание кислорода и об-
щего азота определяли методом вакуум-
плавления и дополнительно — химическим
методом (содержание азота).

Результаты металлографического кон-
троля загрязненности металла неметалли-
ческими включениями (по ГОСТ 1778—
62) свидетельствуют о том, что благодаря
ЭШП содержание кислородсодержащих
включений снизилось в 1,5—2 раза. Пол-
ностью исчезли грубые строчки включе-
ний. Оксидные включения в электрошлако-
вом металле состояли в основном из ко-
рунда и алюмосиликатов, сульфидные,
крайне немногочисленные, представле-
ны двойным сульфидом марганца и
железа.

Анализ неметаллических включений, вы-
полненный по методу электролитического
растворения, показал следующее соотноше-
ние в составе включений силикатной и
шпинельно-глиноземной фракций: в марте-
новской стали оно составило соответствен-
но 60 и 40%, в металле открытой электро-
дуговой выплавки — 30—50 и 70—50% и
Таблица 14. Влияние ЭШП на деформируемость стали 12Х1МФ [10]

т. °с	Место заготовки в слитке	Число оборотов до разрушения образца			
		Мартеновская сталь		Сталь открытой электродуговой выплавки	
		обычная	после ЭШП	обычная	после ЭШП
1180	Верх	35,2	78,2	42,4	78,3
	Низ	31,3	123,4	37,2	124,1
1210	Верх	38,7	79,9	48,7	91,1
	Низ	32,6	130,0	43,1	134,2
1240	Верх	41,2	90,0	54,1	98,4
	Низ	36,2	135,8	43,0	141,1

электрошлаковой стали — 30 и 70%. Отме-
чено, что трубные заготовки металла обыч-
ного производства, соответствующие голов-
ной части слитка, характеризовались повы-
шенным содержанием сульфидных включе-
ний, а заготовки, прокатанные из донных
частей слитков, имели наибольшее содержа-
ние кислородных включений. Электрошла-
ковый металл отличался высокой однород-
ностью по содержанию неметаллических
включений и макроструктуре. Испытание
металла на горячее скручивание было про-
ведено при скорости скручивания 60 об/мин
без приложения осевой нагрузки. Резуль-
таты испытаний приведены в табл. 14. Уве-
личение числа скручиваний благодаря пе-
реплаву примерно в 4 раза, свидетельст-
вующее о повышенной деформируемости
электрошлаковой стали, авторы работы
объясняют значительно лучшей макро-
структурой электрошлаковой стали, более
мелким дендритным строением ее, а так-
же повышенной однородностью и чисто-
той.

Шарикоподшипниковые стали. Влияние
ЭШП на технологическую пластичность
трубных заготовок из шарикоподшипнико-
вой стали исследовали в работе [8]. Сра-
внению были подвергнуты металл откры-
той электродуговой выплавки, обработан-
ный в ковше известково-глиноземистым
синтетическим шлаком, металл кислой
мартеновской выплавки и металл ЭШП.
Критерием оценки технологической пла-
стичности трубных заготовок был принят
брак по внутренним пленам прокатанных
труб, а также результаты испытаний на
горячее скручивание образцов диаметром

8 мм и длиной 40 мм. Результаты контро-
ля качества труб и данные о качестве
трубной заготовки приведены в табл. 15,
а результаты испытания стали методом го-
рячего скручивания — в табл. 16. Сделан
вывод о том, что технологическая пластич-
ность трубных заготовок из стали ШХ15
зависит от макроструктуры заготовок, ти-
па и количества неметаллических включе-
ний в стали. Электрошлаковая сталь имеет
плотную макроструктуру, в ней нет неме-
таллических включений, и это обеспечи-
вает высокую технологическую пластич-
ность. Трубы, изготовляемые из электро-
шлаковой стали, отличаются высоким ка-
чеством и лишены дефектов на внутренней
поверхности, свойственных металлу обыч-
ного производства.

Быстрорежущая сталь. Технологиче-
ская пластичность быстрорежущих воль-
фрамовых сталей во многом определяется
характером выделения карбидов. При
кристаллизации в изложнице слитков
обычного производства образуется значи-
тельная структурная неоднородность по
сечению слитка. Это обусловлено разви-
тием процесса карбидной ликвации вслед-
ствие различной скорости затвердевания
центральных и периферийных областей
слитка. В слитках обнаруживается более
грубое строение карбидной фазы в цент-
ральных областях и более тонкое у их
поверхности. При нагреве такого слитка
под горячий передел возникают трудности
с выбором режима нагрева. Действитель-
но, при оптимальной для поверхности тем-
пературе нагрева в центре слитка мо-
жет происходить размягчение карбидной
Таблица 15. Зависимость брака труб из стали ШХ15 от качества трубной заготовки [8]

Способ выплавки	Диаметр заготов- ки. мм	Количе- ство пла- вок	Брак по внутрен- ним пле- нам, %	Осевая по- ристость, балл  (ГОСТ 801—60)	Содержание			
					серы, %	суль- фидов, баллы	ОКСИ-  ДОВ, баллы	глобу- лей, балл
Открытая дуговая	115	77	0,18	<2,0	0,005	1,92	2,29	1,83
плавка 4- обработка	120	55	0,195	<2,0	0,006	2,03	2,29	1,78
синтетическим шлаком	130	192	0,22	<2,0	0,005	2,2	2,0	1,94
	150	41	0,29	<2,0	0,006	2,2	2,31	1,83
Кислая мартеновская	150	70	1,93	1,0	0,012	2,52	2,17	2,1
плавка	160	50	2,32	1,0	0,012	2,54	2,2	2,07
	170	52	1,74	1,0	0,013	2,48	2,16	2,13
	180	78	2,86	1,0	0,013	2,55	2,17	2,06
ЭШП	105	118	—	0,5	0,0035	0,94	1,19	1,05
	120	20	—	0,5	0,0030	0,99	1,25	1,06
	140	48	—	0,5	0,0035	0,99	1,13	1,09
	180	50	—	0,5	0,0037	1,15	1,18	1,19

эвтектической фазы. При механической об-
работке возможно растрескивание металла
в центральной части слитка. Наоборот,
при нагреве слитка до температуры, опти-
мальной для его сердцевины, периферий-
ные его зоны окажутся в недогретом и,
следовательно, малопластичном состоянии,
что также может отрицательно сказаться
при деформировании металла. Результаты
переплава быстрорежущей вольфрамовой
стали Р18М показали, что благодаря бла-
гоприятным условиям кристаллизации
процессы карбидной ликвации при ЭШП
эффективно подавляются и в слитке элек-
трошлаковой стали распределение кар-

бидной эвтектики по всему сечению равно-
мерно [45].

Улучшение ковкости и повышение вы-
хода годного быстрорежущих сталей отме-
чено также английскими исследователями
в работе [34]. Ряд исследователей полу-
чили данные о том, что температура горя-
чей деформации быстрорежущих сталей
ЭШП может быть снижена на 20—30° С.
Кроме того, выход годного возрастает
приблизительно на 10% по сравнению с
наиболее эффективным методом обычного
производства [20].

Высокохромистая жаростойкая сталь
Х28. В работах [48, 94] описан случай

Таблица 16. Результаты испытания на горячее скручивание образцов стали ШХ15 [8]

Способ выплавки	Диаметр трубной заготов- ки, мм	Место образ- ца в слитке	Число скручиваний до разрушения при тем- пературе, °С					
			1060	1080	поо	1112	1140	1160
Кислая мартеновская плавка	160	Верх	56	53	60	62	62	69
		Середина	49	41	58	59	60	67
			44	38	59	59	59	68
		Низ	49	49	60	59	59	65
Открытая дуговая выплавка	140	Верх	100	103	108	98	97	97
+ обработка синтетическим		Середина	102	107	ПО	106	120	113
шлаком			106	104	106	108	119	ПО
		Низ	93	103	112	111	117	109
ЭШП	140	Верх	127	130	141	135	133	136
		Середина	128	128	135	137	130	132
			125	123	144	130	130	129
		Низ	127	135	130	137	135	131
Рис. 81. Внешний вид кованых штанг стали Х28
диаметром 130 мм:

очень низкой пластичности этой стали при
ковке. Образование рванин и трещин не
позволяло выполнить ряд заказов по этой
стали. Столь низкая пластичность объяс-
нялась сильной загрязненностью стали не-
металлическими включениями. Включения
оксидов оценивались третьим — пятым и
более высокими баллами по шкале
ГОСТ 1778—70. Неметаллические включе-
ния располагались в виде грубых скопле-
ний. Переплав полностью забракованных
по рванинам и трещинам штанг стали Х28
позволил получить электрошлаковые слит-
ки, которые были прокованы без ка-
ких-либо затруднений, и поковки с совер-
шенно гладкой поверхностью (рис. 81).
Основной причиной улучшения ковкости
стали Х28 в результате ЭШП авторы ра-
бот [48, 94] считают резкое очищение ме-
талла от неметаллических включений
(балл по оксидам снизился до 1,0, а по
сульфидам составил 0,5) и, что особенно
важно, полное исключение грубых стро-
чечных их скоплений (рис. 82).

Жаропрочные неаустенитные стали.
Хромоникелевые стали с содержанием
хрома 12—18% и никеля 1—5% вслед-
ствие образования в структуре вторых фаз
проявляют низкую технологическую пла-

а. — исходный металл открытой электродуговой вы-
плавки; б — электрошлаковый металл.

стичность. В ряде случаев для сталей этой
группы образование вторых фаз (б-желе-
за, прочных карбидов) связано с процес-
сами ликвации.

Исследуя мартенситную нержавеющую
сталь типа РУ448 с содержанием 0,1% С,
11% Сг, 0,75%	0,7% Мо, 0,15% V/

и 0,4% МЬ, английские исследователи [50]
пришли к выводу, что технологическая
пластичность этой стали в большой мере
определяется образованием в структуре
значительного количества 6-железа (осо-
бенно в осевой зоне крупных слитков).
Причиной образования этой фазы служит
сочетание макро- н микроликваций. Отме-
чается, что относительная чистота метал-
ла от ликвации, в том числе дендритной,
и качественная структура слитков, приоб-
ретенные в результате ЭШП, значительно
улучшают горячую пластичность и, следо-
вательно, ковкость сталей этого типа.
В качестве иллюстрации приведены дан-
ные о положительном влиянии ЭШП на
горячую пластичность стали марки 17/4 РН
Рис. 82. Неметаллические включения в стали
Х28 (максимально загрязненные участки, Х86):
а — исходный металл; б — электрошлаковый металл.

с 0,05% С, 17% Сг, 4,25% Ы1, 3,5% Си и
0,35% ЫЬ (рис. 83).

Хромистая жаропрочная нержавеющая
сталь марки ЭИ961 была исследована в
работе [77]. В структуре этой хромистой
малоникелевой двухфазной стали при тем-
пературах 1000—1350°С происходит рост

Рис. 83. Данные испытания на горячее скручи-
вание стали 17/4/РН (продольные образцы из
слитков диаметром 127 мм):

1 — металл открытой выплавки; 2 — электрошлаковый
металл.

содержания б-феррпта, что крайне небла-
гоприятно сказывается на ее ковкости. По-
ковки из металла открытой электродуго-
вой выплавки зачастую имели рванины,
ультразвуковой контроль обнаруживал не-
сплошности в осевой зоне поковок, а трех-
ступенчатые контрольные образцы метал-
ла бывали поражены волосовинами (до
10 волосовин общей длиной 12—30 мм на
образце). Исследование стали ЭИ961, по-
лученной методом ЭШП, показало, что
электрошлаков а я сталь имеет плотную и
однородную структуру в поковке из слит-
ков массой 1,5 т, характеризуется большей
степенью механической изотропности,
меньшей загрязненностью неметаллически-
ми включениями и газами (кислородом и
водородом), повышенной пластичностью.

Результаты испытания стали ЭИ961 на
горячее скручивание показали (рис. 84),
что ЭШП существенно повышает пластич-
ность металла и расширяет температур-
ный интервал удовлетворительной пла-
стичности этой стали. Поковки из элект-
рошлаковой стали ЭИ961 были полностью
свободны от рванин (рис. 85), результаты
ультразвукового контроля свидетельство-
вали об отсутствии внутренних дефектов.

Положительное влияние ЭШП на тех-
нологическую пластичность жаропрочных
нержавеющих сталей ЭИ961 и ЭП65 от-
мечается также в работе [105]. Авторы
указывают на отсутствие в поковках из
Рис. 84. Данные испытания на горячее скручи-
вание стали ЭИ961:

1 — металл открытой электродуговой выплавки; 2 —
электрошлаковый металл.

электрошлаковой стали внутренних рас-
слоений и других дефектов, характерных
для поковок из металла обычного произ-
водства.

Улучшение ковкости и качества поковок
из стали Х17Н2 отмечается в работах
[45, 94]. Плохая деформируемость этой
стали в процессе ковки и наличие крупных
пороков в осевой зоне слитков открытой
электродуговой выплавки создавали боль-
шие трудности при изготовлении за-
готовок деталей турбин. В работах указы-
вается, что ЭШП значительно улучшил
ковкость этой стали. Слитки и изготовлен-
ные из них поковки совершенно свободны

Рис. 85. Внешний вид поковок дисков из стали
ЭИ961 обычного производства (а) и ЭШП (б).

от каких-либо поверхностных и внутрен-
них дефектов и характеризуются высоки-
ми и однородными механическими свой-
ствами в продольном, радиальном и тан-
генциальном направлениях.

В работе [48] также приводятся сведе-
ния об улучшении технологической пла-
стичности стали Х17Н2 при ковке. Этот
эффект, полученный в условиях другого
завода, объясняется улучшением макро-
структуры стали и ее чистоты в результа-
те ЭШП.

Хромоникелевые аустенитные стали.
Хромоникелевые аустенитные стали при
наличии в их структуре включений фер-
ритной фазы характеризуются понижен-
ной способностью воспринимать горячую
механическую обработку. Пониженная
пластичность в сочетании с высоким со-
противлением деформации (особенно
сложнолегированных упрочненных сталей)
затрудняет их прокатку, прошивку, рас-
катку. Остановимся на некоторых приме-
рах улучшения технологической пластич-
ности хромоникелевых аустенитных сталей
после ЭШП.

Сталь 0Х18Н9 является типичным
представителем сталей класса 18-8. Влия-
ние ЭШП на технологическую пластич-
ность этой стали исследовали в работе
[106]. Деформируемость стали оценивали
испытанием образцов диаметром 8 мм
на горячее скручивание со скоростью
180 об/мин. Образцы отбирали из слитков
массой 400 кг. Результаты испытания, сви-
детельствующие о повышении технологи-
ческой пластичности стали в результате
переплава, приведены в табл. 17.

Отдельную группу представляют хро-
моникелевые трубные стали аустенитного
класса.
Таблица 17. Данные испытания образцов стали ОХ18Н9 и ЭИ847 на горячее скручивание [106|

Способ выплавки		Число оборотов до разрушения образца при Т, С°								
		900	950	1000	1050	1100	1150	1200	1250	1300
Открытый	электродуговой	20,5	24,5	32,5	Сталь 0Х18Н9  38,0 1 51,0 1 59,0			85,5	91,0	83,5
ЭШП		36,0	47,5	61,0	61,5	86,5	112,5	103,5	98,5	96,5
Открытый  ЭШП	электродуговой	21,5  27,5		25,0 40	Ст	а л ь 5  37,5  53,5	ЭИ847  38,0  67,5	47,0 69,5	62,5  74,5	26,5  70,5

Примечание. Диаметр образцов 8 мм, скорость скручивания 280 об/мин.

Хромоникелемолибденовая сталь с ни-
обием марки ЭИ847 (0Х17Н15МЗБ), пред-
назначенная для производства цельнока-
таных труб, явилась предметом, пожалуй,
наибольшего числа иследований [2, 15,
16, 94, 106]. Исследования, выполненные
как металлургами — изготовителями ме-
талла и трубных заготовок, так и трубо-
прокатчиками, которые эти трубные за-
готовки переделывают в трубы, позволяют
сопоставить качественные характеристики
металла с его деформируемостью на основ-
ных стадиях передела стали: слиток —
трубная заготовка — труба.

Качество стали и ее деформируемость
в стадии изготовления трубной заготовки
исследованы в работах [15, 16, 106]. От-
мечается, что электрошлаковая сталь в
литом виде характеризуется плотной без-

Рис. 86. Данные испытания на горячее скручи-
вание образцов стали ЭИ847 [16]:

1 —• сталь открытой электродуговой выплавки (лучший
технологический вариант); 2 — электрошлаковая
сталь; 3 — вакуумнодуговая сталь.

дефектной макроструктурой, в то время
как слитки исходной электродуговой вы-
плавки иногда были поражены трещинами
в осевой зоне. Границы дендритов в слит-
ках ЭШП выражены значительно слабее,
чем в слитках обычного производства, что
объясняется меньшим развитием дендрит-
ной неоднородности в литом электрошла-
ковом металле [16]. Методом электролити-
ческого осаждения установлено [16], что
содержание неметаллических включений в
стали в результате ЭШП снизилось в 1,5—
2 раза. Отмечается, что в электрошлако-
вой трубной заготовке исчезли строчечные
скопления неметаллических включений.

Комплексное облагораживание стали
ЭИ847 в результате ЭШП, вероятно, и
является причиной того, что электрошлако-
вая сталь обладает лучшей технологиче-
ской пластичностью. Результаты испыта-
ния образцов стали ЭИ847 на горячее
скручивание, приведенные на рис. 86, под-
тверждают это. Для сравнения авторы
указанных работ привели данные по ис-
пытанию металла ВДП. Эти данные пока-
зывают, что если в диапазоне температур
1000—1100° С пластичность вакуумнодуго-
вого металла несколько выше, чем у
электрошлакового, то при температурах
выше 1150° С пластичность металла ВДП
снижается, в то время как электрошлако-
вая сталь демонстрирует весьма высокие
показатели вплоть до 1300° С. Это свиде-
тельствует о том, что сталь ЭИ847 ЭШП
менее склонна к перегреву.

Аналогичные результаты, свидетельст-
вующие о благотворном влиянии ЭШП на
вание образцов стали ЭИ847 [15]:

2 —сталь открытой электродуговой выплавки, свежая
шихта, раскисление алюминием; 2— то же, с допол-
нительным вводом 0,1% металлического кальция; 3—
электрош лаковая сталь (переплав стали открытой
электродуговой выплавки на свежей шихте, раскис-
ленной алюминием).

технологическую пластичность стали
ЭИ847, приведены в работе [106] (см.
табл. 17). Эти результаты свидетельствуют
о том, что показатель пластичности стали
в результате ЭШП увеличился на 30—
40%.

Влияние загрязненности стали ЭИ847
неметаллическими включениями на ее тех-
нологическую пластичность описано в ра-
боте [15]. В работе [16] отмечалось по-
ложительное влияние повышения общей
чистоты металла на его деформируемость,
а в работе [15] —влияние типа включений
на этот показатель. Отмечая, что электро-
шлаковая сталь ЭИ847 более пластична
при высоких температурах и менее склон-
на к перегреву, авторы работы [15], ис-
следуя обычный металл, приходят к сле-
дующему выводу: предположение о том,
что пониженная пластичность металла свя-
зана с повышенной загрязненностью его
неметаллическими включениями, необосно-
ванно. К этому выводу авторы пришли,
сравнивая сталь ЭИ847 открытой электро-
дуговой выплавки, полученной по различ-
ной технологии. В частности, отмечается,
что дополнительное раскисление ванны в
конце рафинирования металлическим каль-
цием приводит к сильному загрязнению

металла хрупкими силикатами и глобуля-
ми. Средний балл при контроле загрязнен-
ности металла составил соответственно
2,75 и 2,89 против 2,50 и 1,83 при раскис-
лении стали только алюминием. Между
тем пластичность такой стали при высо-
ких температурах улучшается (рис. 87).

Вероятно, такое прямое утверждение
об отсутствии связи пониженной пластич-
ности стали с повышенной ее загрязнен-
ностью недостаточно точно. По-видимому,
речь можно вести о различном влиянии
разных типов включений на деформируе-
мость. Приведенные в этой работе данные
свидетельствуют лишь о малом влиянии
прежде всего глобулярных включений
на деформируемость стали ЭИ847. Об
этом же свидетельствуют данные
Е. П. Акимовой, В. С. Рудого, Л. Н. Шев-
ченко и Н. Н. Нестеровой, исследовавших
также сталь ЭИ847 и пришедших к заклю-
чению о том, что эта сталь, выплавленная
как в электродуговой, так и в индукцион-
ной открытых печах с раскислением алю-
минием пли силикокальцпем, загрязнена
в основном оксидными включениями —
силикатами, корундом, окислами металлов.
Глобулярные включения даже в наиболее
загрязненных ими плавках (прежде всего
металл, раскисленный силикокальцпем)
встречаются сравнительно редко. При этом
исследователи обнаружили прямую связь
между загрязненностью металла заготов-
ки оксидными неметаллическими включе-
ниями и образованием расслоений в горя-
чекатаных трубах.

Таким образом, мы подошли к рассмот-
рению вопроса о связи качественных по-
казателей стали ЭИ847 с ее деформируе-
мостью на стадии передела заготовок в
трубы.

Е. П. Акимова, В. С. Рудой, Л. Н. Шев-
ченко и Н. Н. Нестерова исследовали пла-
стичность трубных заготовок из стали
ЭИ847, полученной ЭШП и открытыми
электродуговой и индукционной плавками.
При исследовании пластичности применя-
ли два вида испытаний — на прошивае-
мость конических образцов и на горячее
скручивание. Испытания в интервале
1000—1275° С показали, что металл индук-
ционной выплавки имел самую низкую
пластичность по сравнению с металлом
электродуговой выплавки и тем более с
электрошлаковым металлом (рис. 88). От-
личием электрошлаковой стали явился не-
прерывный рост пластичности при темпе-
ратурах горячей обработки, в то время как
пластичность электродугового металла при
температурах выше 1250° С снижалась.

Аналогичные данные содержатся и в
работе [2]. В этой работе результаты ис-
пытания металла на горячее скручивание
и результаты контроля металла на за-
грязненность неметаллическими включе-
ниями были сопоставлены с результатами
прошивки заготовок и прокатки труб. Ис-
следованию подвергли металл трех видов:
индукционной и электродуговой открытых
плавок, а также электрошлаковый Горя-
чую прошивку заготовок диаметром 85 и
100 мм осуществляли при температуре за-
готовок 1015—1100° С (после прошивки
температура их составила 1140—1200° С).
Горячекатаные трубы-заготовки диамет-
ром 89—96 мм со стенкой толщиной 9—
11 мм подвергались термообработке и
травлению. Осмотр показал, что на трубах
встречаются дефекты прокатного проис-
хождения — внутренние плены. Наиболь-
шее количество этих дефектов наблюда-
лось на трубах из металла индукционной
выплавки, меньшее количество плен обна-
ружили на трубах из электродугового ме-
талла. Полное отсутствие дефектов наблю-
далось в трубах из электрошлакового ме-

талла. Эти данные хорошо согласуются с
приведенными выше результатами испыта-
ний образцов трубных заготовок на пла-
стичность. При контроле расточенных труб
на внутренней поверхности их обнаружи-
вали расслоения. Металлографическое ис-
следование дефектных мест показало, что
расслоения совпадают с местами скопле-
ний оксидных неметаллических включений.
Результаты осмотра расточенных труб по-
казали, что на трубах из электрошлаково-
го металла расслоения полностью отсут-
ствуют. В то же время трубы из металла
обычного производства были поражены
этими дефектами. При контроле загряз-
ненности металла трубных заготовок было
обнаружено, что подавляющим видом не-
металлических включений являются ок-
сидные включения. При этом загрязнен-
ность стали разных методов выплавки оце-
нивалась по шкалам УкрНИТИ 1959 г.
(табл. 18).

Следует учесть, что оксидные включе-
ния в электрошлаковом металле состоят
из отдельных рассредоточенных мелких
включений; включений других видов обна-
ружено не было. Оксидные включения в
электродуговой металле, раскисленном
силикокальцием, представляют главным
образом грубые скопления строчек хруп-
ких и пластичных силикатов.

Электродуговая сталь, раскисленная
алюминием, была загрязнена скоплениями

1000 1050	1100	1150

1200	1250 1300 1000 1050	1100	1150	1200	1250 Т'С
Таблица 18. Влияние метода выплавки на загрязненность стали ЭИ847 и выход годного при
изготовлении труб

Сталь	Преобладаю- щий балл	Наибольший балл	Расходный коэффи- циент при изготов- лении труб
Электрошлаковая	1	Менее 2,5	1,6—2
Электродуговая (раскисление силикокальцием)	4	7,5	17 и более
Электродугова я (раскисление алюминием)	3	7	1,9—3,1
Индукционная	4	6	2,0—2.5

включений и отдельными строчками. Ис-
следователи указывают, что при подсчете
расходных коэффициентов при изготовле-
нии труб была получена такая же законо-
мерность, как и для загрязненности стали
неметаллическими включениями.

Анализ исследований стали ЭИ847 по-
зволяет сделать следующие выводы: ЭШП
повышает технологическую пластичность
стали при ее прошивке и прокатке труб;
в результате переплава резко повышается
чистота стали по неметаллическим вклю-
чениям, а дефекты — расслоения, являю-
щиеся неустранимым браком на трубах
стали ЭИ847 обычного производства, на
трубах, изготовленных из электрошлаково-
го металла, отсутствуют.

К нержавеющим хромоникелевым труб-
ным сталям, для улучшения технологич-
ности которых применяется ЭШП, отно-
сятся стали ЭИ654, ЭИ769 (0Х13Н15Т),
ЭИ770 (0Х13Н18В2Т), 0Х18Н12ДЗ. Все
эти стали в связи с их низкой пластично-
стью при горячей механической обработке
относятся к разряду так называемых труд-
попрошиваемых. Прокатка труб из таких
сталей затруднительна. В одних случаях
прошивка обычной катаной или кованой
заготовки приводит к разрушению ее в зо-
не деформации, в других — резко ухудша-
ет качество прошитых труб (на внутрен-
ней поверхности обнаруживаются дефек-
ты в виде плен, рванин и трещин). Поло-
жительные результаты применения труб-
ной заготовки из электрошлаковых сталей
ЭИ654, ЭИ769 и ЭИ770 описаны в работах
[45, 48, 94]. На рис. 89 показаны внутрен-
ние поверхности труб, прокатанных из
обычной и электрошлаковой стали ЭИ770.
Если поверхность трубы из металла обыч-
ной выплавки сплошь поражена пленами
и рванинами, то на внутренней поверхно-

сти трубы из металла той же исходной вы-
плавки, подвергнутого ЭШП, дефекты от-
сутствуют.

Причиной столь резкого улучшения
прошиваемости сталей явилось равномер-
ное распределение по сечению слитка от-
носительно небольшого количества феррит-
ной фазы, исчезновение грубых скоплений
нитридов и осевой рыхлости, что последо-
вало в результате ЭШП. Кроме того, на
стали ЭИ770 была определена температу-
ра начала оплавления границ зерен, явля-
ющаяся одним из критериев пластичности
аустенитных сталей. Исследования пока-
зали, что при одинаковой температуре ис-
пытания оплавление границ зерен в элект-
рошлаковом металле происходит менее
интенсивно, чем в обычном металле, что
свидетельствует о высокой чистоте границ
зерен электрошлаковой стали.

Аналогичное влияние ЭШП на техно-
логическую пластичность медьсодержащей
хромоникелевой аустенитной трубной ста-
ли 0Х18Н12ДЗ отмечено в работе [118].
В ней, в частности, указано, что благода-
ря высокой плотности макроструктуры
трубной заготовки, высокой чистоте по не-
металлическим включениям электрошлако-
вая сталь марки 0Х18Н12ДЗ обладает
высокой пластичностью при относительно
низком сопротивлении деформации в об-
ласти 1225—1250° С.

Опыты по производству труб из элект-
рошлаковой стали марок ЭП167 и ЭП168,
выполненные Я. Е. Осадой, В. С. Рудым,
Н. С. Алферовой и др., еще раз подтверди-
ли высокую эффективность ЭШП с точки
зрения повышения технологической пла-
стичности сложнолегированных сталей.
Трубные нержавеющие аустенитные высо-
кобористые стали ЭП167 и ЭП168 весь-
ма чувствительны к перегреву, обладают
чрезвычайно низкой пластичностью и отно-
сятся к непрошивающпмся. Для изготовле-
ния бесшовных труб из сталей этих марок
обычного производства применяли сверле-
ные трубные заготовки. При этом зачастую
трубы имели поверхностные дефекты в ви-
де плен и трещин. Особенно большим не-
достатком таких труб являлось наличие
огромного количества дефектов — расслое-
ний, обнаруживаемых при расточке труб
и залегающих в местах скопления неме-
таллических включений.

Испытание образцов трубных загото-
вок из электрошлаковых сталей на горячее

Рис. 89. Внутренняя поверхность труб из ста-
ли ЭИ770, прокатанных из обычного (а) и под-
вергнутого переплаву (б) металла.

скручивание показало, что ЭШП повышает
уровень пластичности металла, но вместе
с тем не вызывает качественного измене-
ния кривой пластичности (т. е. падение
кривой пластичности при 1200° С такое же,
как и для исходного металла). Последнее
связано с тем, что ЭШП, облагораживая
металл, не меняет саму природу высокобо-
ристой стали, для которой характерна низ-
кая температура оплавления боридной фа-
зы. Результаты исследования качества
металла и опытов по изготовлению горя-
чекатаных труб с использованием сплош-
ных заготовок из электрошлаковых сталей
ЭП167 и ЭП168 позволили сделать сле-
дующие выводы:

1.	Электрошлаковая сталь характери-
зуется отсутствием ликвапионных скопле-
[

ышает
[вместе
змене-
рдение
кое же,
реднее
живая
ркобо-
а низ-
ки фа-
чества

горя-
пл ош-
талей
» сле-

стер и-
юпле-

ний боридов в центре заготовок, меньшей
загрязненностью неметаллическими вклю-
чениями и более однородным характером
их распределения по сравнению с заготов-
ками металла обычного производства.

2.	Применение ЭШП позволяет повы-
сить технологическую пластичность бори-
стых сталей ЭП167 и ЭП168 и осуществить
прошивку сплошных заготовок.

3.	В горячекатаных трубах из электро-
шлакового металла отсутствуют расслое-
ния по неметаллическим включениям, на-
блюдающиеся при прокатке труб из ме-
талла обычной выплавки.

Жаропрочные стали. ЭШП улучшает
деформируемость также жаропрочных ста-
лей и сплавов [63]. Эти сложнолегирован-
ные металлические материалы должны об-
ладать высокими прочностными свойства-
ми в горячем состоянии. Обладая высоки-
ми прочностными свойствами, жаропроч-
ные стали и сплавы, естественно, имеют
при нагреве весьма низкие пластические
свойства и плохо поддаются горячей ме-
ханической обработке. Вопрос повышения
деформируемости в этом случае приобре-
тает особую важность.

Следует отметить, что иногда довольно
трудно провести четкую грань между кор-
розионностойкими и жаропрочными аусте-
нитными сталями. Это связано с непрерыв-
ным повышением рабочих параметров
(температуры, давления) процессов и агре-
гатов, в которых работают коррозионно-
стойкие аустенитные стали. Поэтому на-
ряду с выполнением своей главной функ-
ции — стойкостью против коррозионного
воздействия среды — такие аустенитные
стали должны дополнительно выдержи-
вать воздействие механических нагрузок
в условиях повышенных температур. Кроме
того, в результате повышения агрессивно-
сти рабочих сред высокотемпературных
агрегатов возрастают требования к корро-
зионной стойкости применяемых жаропроч-
ных материалов. Наконец, существует
чисто сортаментная специализация сталей.
Так, при рассмотрении трубных аустенит-
ных сталей некоторые из них можно от-
нести и к жаропрочным.

Влияние ЭШП на качество и дефор-
мируемость хромоникелевольфрамовой
стабилизированной ниобием аустенитной

900	1000	1100	1200 °С

Рис. 90. Данные испытания образцов стали
ЭИ851 на горячее скручивание [68]:

1 — электрошлаковый металл; 2 — исходный электро-
дуговой металл.

жаропрочной стали ЭИ851 (1Х14Н19ВЗБ)
исследовано в работах [48, 94]. Способ-
ность стали подвергаться деформации ис-
следовалась при испытании на горячее
скручивание образцов диаметром 8 мм при
скорости скручивания 180 об/мин. Резуль-
таты испытания (рис. 90) свидетельствуют
о том, что начиная с 1000° С и выше об-
разцы электрошлаковой стали выдержи-
вают на 10—15 скручиваний больше, чем
образцы стали обычного производства.
Причиной улучшения пластичности стали
являются повышение общей чистоты ме-
талла и его однородности [94], снижение
содержания кислорода более чем в 2 раза,
очищение от неметаллических включений,
в частности от силикатных (с 2,6; 1,0 и
. 1,4 балла при отборе образцов по схеме
голова — середина — дно слитка до 0,5;
0,5 и 0,5 балла в металле ЭШП [68]).

Влияние ЭШП на технологическую пла-
стичность дисперсионно твердеющей жаро-
прочной стали Х12Н20ТЗ исследовали в
работе [11]. Используя метод локального
микрорентгеноспектрального анализа для
сравнения степени дендритной ликвации в
металле слитков открытой электродуговой
выплавки верхним диаметром 280 мм и
слитков ЭШП диаметром 250 мм, авторы
работы [11] пришли к выводу о том, что

I
Рис. 91. Зависимость относительного удлине-
ния 6 сплава ЭИ787 от температуры испыта-
ния [97]:

/, 2 — литой и деформированный металл обычного
производства; 3,	4— литой и деформированный

электрошлаковый металл.

технологическая пластичность стали при
1180° С зависит от развития дендритной
ликвации. Металл ЭШП, как менее под-
верженный дендритной ликвации, обладал
лучшей пластичностью. В работе указыва-
ется также, что уровень анизотропии ме-
ханических свойств стали при температу-
рах 20 и 700° С зависит от чистоты по не-
металлическим включениям.

Исследование качества и деформируе-
мости при ковке слитков стали ЭИ726
(1Х15Н19В2БР) обычного производства
и электрошлаковых также показало [45],
что ЭШП значительно улучшает ковкость
этой стали. Слитки и изготовленные из них
поковки в отличие от изготовленных из
металла обычного производства совершен-
но свободны от каких-либо внутренних де-
фектов.

Влияние ЭШП на качество и техноло-
гическую пластичность жаропрочного
сплава марки ЭИ787 (0Х15Н35ВЗТЗЮР)
на железоникелехромовой основе исследо-
вано в работе [97]. Исследование было
выполнено для изыскания возможности по-
вышения качества металла и устранения
трещинообразования в процессе штампов-
ки ответственных авиационных деталей.
Изучался сплав ЭИ787 открытой электро-
дуговой выплавки и ЭШП в слитках мас-

сой соответственно 750 и 1000 кг, а также
на образцах с уковом 2, 3 и 4. Проконтро-
лированы механические свойства и техно-
логическая пластичность металла в интер-
вале температур 20—1200° С. Технологиче-
ская пластичность оценивалась по резуль-
татам испытаний образцов на статическую
прочность, пластичность, ударную вяз-
кость, горячее скручивание и на осадку
при различной степени деформации. Одно-
временно определялось и сопротивление
деформации. Статическая прочность и пла-
стичность были определены испытанием
на растяжение образцов диаметром
5 мм с шестикратной расчетной длиной
(ГОСТ 1497—42). Скорость деформации
растяжением составляла 2,5 мм/мин. По
среднему из трех измерений определяли
предел текучести, предел прочности, истин-
ное сопротивление разрыву, относительное
удлинение и относительное сужение. Полу-
чены следующие результаты.

Относительное удлинение (рис. 91)
электрошлакового литого металла при всех
температурах испытания более чем в 2 ра-
за выше, чем у литого обычной выплавки.
Относительное удлинение деформирован-
ного электрошлакового металла при высо-
ких температурах на 30—40% выше, чем
деформированного металла обычного про-
изводства.

Относительное сужение литого электро-
шлакового металла в интервале 80—
1100° С на 10—15% больше, чем литого ме-
талла обычного производства. Для дефор-

Рис. 92. Зависимость относительного сужения
Ф сплава ЭИ787 от температуры (обозначения
те же, что на рис. 91) [97].
мированного металла при 800° С этот пока-
затель в 4 раза выше, а при более высоких
(900—1100° С) температурах — на 10—15%
больше (рис. 92). При температурах выше
1100° С относительное сужение (как и от-
носительное удлинение) резко снижается
вследствие наличия в структуре сплава
низкоплавкой боридной эвтектики, выде-
ляющейся по границам зерен.

Ударная вязкость определялась на
стандартных образцах сечением 10 X
X 10 мм, длиной 55 мм, с полукруглым
надрезом глубиной 2 мм (ГОСТ 9454—78).
Сопротивление изгибу при динамических
нагрузках литого электрошлакового ме-
талла оказалось на 50—60% выше, чем
литого обычного металла. Для деформи-
рованного металла эта разница составила
15—25% (рис. 93).

Пластичность при горячем скручивании
до разрушения была определена на об-
разцах длиной 260 мм с рабочей частью
диаметром 7 мм при скорости испытания
60 об/мин. Абсолютное число скручиваний
до разрушения литого и деформированно-
го электрошлакового металла при темпе-
ратурах горячей деформации в 2—4 раза
больше, чем для металла обычного произ-
водства (рис. 94).

Испытание на осадку наиболее полно
имитирует деформационную картину при
ковке и штамповке. При этом испытании
определяют допустимую степень деформа-
ции до разрушения или возникновения
трещин при различных температурах ис-

Рис. 93. Зависимость ударной вязкости аа спла-
ва ЭИ787 от температуры (обозначения те же,
что на рис. 91) [97].

Рис. 94. Данные испытания сплава ЭИ787 на
горячее скручивание (обозначения те же, что
на рис. 91) [97].

пытания. Использовались образцы диамет-
ром 30 мм и высотой 40 мм для испыта-
ния на прессе и образцы вдвое больших
размеров для испытания на молоте. Уста-
новлено, что при статической (на прессе)
и динамической (на молоте) деформациях
удельное давление течения электрошлако-
вого металла на 15—25% ниже, чем обыч-
ного металла (рис. 95, 96). При обоих
методах выплавки удельное давление тече-
ния для предварительно деформирован-
ного металла на 20—30% выше, чем лито-
го (рис. 97). Максимально допустимая сте-
пень деформации до разрушения за один
ход пресса или удар молота для литого
электрошлакового металла составляет
40%, для металла обычного производст-
ва — 25—30%. Для' предварительно дефор-
мированного электрошлакового металла
этот показатель на 15—20% возрастает по
сравнению с литым электрошлаковым ме-
таллом (рис. 98). Для установления при-
чины столь благотворного влияния ЭШП
на деформируемость сплава ЭИ787 было
оценено качество сплава обоих методов
выплавки (табл. 19). Установлено, что в
результате переплава в металле уменьши-
лось почти вдвое содержание кислорода и
в 5 раз уменьшилось общее содержание


Рис. 95. Зависимость удельного давления те-
чения кд сплава ЭИ787 от температуры и сте-
пени деформации (осадка на прессе) [97].
Сплошные линии — обычный металл, штрихо-
вые — электрошлаковый.

Рис. 96. Зависимость удельного давления те-
чения сплава ЭИ787 в литом состоянии при
динамической деформации (на молоте) от сте-
пени деформации е и температуры испытания
[97]. Сплошные линии — электрошлаковый
металл, штриховые — металл обычной вы-
плавки.

Рис. 97. Зависимость удельного давления тече-
ния сплава ЭИ787 от степени деформации е и
температуры испытания (осадка на прессе)
[97]. Сплошные линии — электрошлаковый ли-
той металл, штриховые — электрошлаковый
деформированный металл.

Рис. 98. Допустимая степень деформации спла-
ва ЭИ787 [97]:

I — литой обычный металл; 2, 3 — соответственно ли-
той и деформированный электрошлаковый металл.
Таблица 19. Влияние ЭШП на загрязненность сплава ЭИ787 [97]

Метод производства сплава	Содержание в металле, %			Химический состав неметалли- ческих включений, %		
	кислорода	водорода	неметалличе- ских включе- ний	8Ю2	А12О3	РеО
Открытая электродуго- вая выплавка  ЭШП	0,0080  0,0041	0,0010  0,0013	0,005 0.001	37,63  31,60	41,38  52,42	7,14  5,24

неметаллических включений. Содержание
водорода в металле практически не изме-
нилось (данные по газонасыщенности ме-
талла получены методом вакуум-плавле-
ния, а по содержанию неметаллических
включений — методом электролитического
осаждения). Эти результаты хорошо со-
гласуются с данными работы [97] и под-
тверждают большое влияние содержания
кислорода, водорода и количества неме-
таллических включений на пластичность
сплавов.

В результате анализа результатов все-
го комплекса исследований авторы работы
[97] приходят к следующим выводам:

ЭШП расширяет температурный интер-
вал деформации сплава ЭИ787 в 2 раза
(800—1100°С вместо 950—1100°С), т. е.
от 150 до 300° С.

Технологическая пластичность электро-
шлакового металла на 10—15% выше, а
удельное сопротивление деформации на
15—30% ниже, чем металла обычной вы-
плавки. Это позволяет при других неиз-
менных условиях применять кузнечно-прес-
совое или прокатное оборудование мень-
шей мощности или допускать повышенную
степень одновременного обжатия, т. е. по-
высить производительность и экономич-
ность горячего передела.

Более благоприятные условия горячей
обработки электрошлакового металла обу-
словлены повышенной чистотой его по не-
металлическим включениям. Кроме того,
авторы отмечают благоприятные особенно-
сти дендритного строения электрошлаково-
го слитка.

Жаропрочные сплавы. Проблема повы-
шения горячей обрабатываемости весьма
остро стоит и применительно к высоко-
жаропрочным сплавам на никелехромо-

вой, никелекобальтохромовой и кобальто-
вой основах. И в этом случае, как свиде-
тельствуют результаты ряда работ, ЭШП
является эффективным средством повы-
шения деформируемости металла. Так, по
данным В. С. Култыгина и В. В. Топили-
на, применение ЭШП положительно ска-
зывается на способности воспринимать го-
рячую деформацию никелевых жаропроч-
ных сплавов с интерметаллидным упроч-
нением марок ЭИ867, ЭИ929, а также
сплавов на никелекобальтохромовой осно-
ве марок Х19К20 и К14Н56 также с ин-
терметаллидной упрочняющей фазой. По
данным исследователей, ЭШП позволил
устранить такие дефекты металла обычной
выплавки, как расслоения, ликвационную
полосчатость, и получить плотный слиток,
свободный от дефектов усадочного проис-
хождения, характерных для металла обыч-
ной выплавки. Электрошлаковый металл
отличается повышенными характеристика-
ми пластичности и значительно улучшен-
ной технологической пластичностью
(табл. 20, рис. 99, 100). При этом для
сплавов Х19К20 и К14Н56 характерно
расширение температурного интервала де-
формации, а для сплавов ЭИ867 и ЭИ929
в результате ЭШП в 1,5—2,5 раза увели-
чивается ударная вязкость. Отмечается
также весьма существенное уменьшение
чувствительности сплава ЭИ867 к надрезу.

В работе [6] исследовано влияние раз-
личных методов выплавки на характери-
стики качества и технологическую пластич-
ность дисперсионно твердеющего сплава
36НХТЮ. В частности, отмечается, что в
результате ЭШП металла, полученного в
открытой индукционной печи, снижается
содержание в металле кислорода (пример-
но в 1,7 раза) и азота (с 0,020 до 0,016%).
Таблица 20. Влияние ЭШП на пластические свойства сплава ЭИ867 при кратковременном

разрыве

Способ выплавки	Температура, °С													
	20		700		800		900		1100		1150		1200	
	б, %		0, %	яЬ %	б- %	%	б. %	%	Л °/  V» /о	%	б. %	Я). %	б. %	%
Обычный	15,5	17,6	13,0	16,6	7,4	22,2	13,8	22,2	78,0	64,0	101,9	74,1	101,1	74,2
ЭШП	16,0	17,3	11,4	174	8,9	19,7	15,1	29,1	104,8	77,4	110,8	77,8	103,1	76,6

Отмечено также, что ЭШП позволяет
очистить металл от неметаллических вклю-
чений — нитридов. При этом в электро-
шлаковом металле в отличие от исходно-
го отсутствуют строчечные скопления ни-
тридов, оставшиеся включения расположе-
ны в поле шлифа равномерно в виде раз-
розненных частиц. Деформируемость спла-
ва в горячем состоянии оценивали по ре-
зультатам испытаний на ударный изгиб
и на горячее скручивание. Результаты ис-
пытаний на ударный изгиб приведены в
табл. 21. Из этих данных следует, что
максимальное значение ан для металла
открытой индукционной выплавки прихо-
дится на более узкий интервал темпера-
тур (1000—1125° С).

Сопротивление деформации при испы-
тании сплава методом горячего скручива-
ния авторы работы [6] оценивали по на-
пряжению сдвига

, о ^тах	/ТТТ

*Чпах — 12	,	(III. 1)

где ЛТтах — максимальный момент, необ-
ходимый для скручивания образца.

Пластичность металла оценивали
условным сдвигом

я&г

Т = ~

(Ш.2)

где (1 и I —- соответственно диаметр и дли-
на скручиваемой части образца; п — чис-
ло скручиваний (оборотов) до разруше-
ния образца.

На рис. 101 представлены расчетные
температурные кривые деформируемости
сплава, полученные по результатам горя-
чего скручивания поперечных образцов
исследованного металла. На рисунке вид-
но, что максимум кривой условного сдви-
га у для металла обычного производст-
ва соответствовал области 1050—1150° С.
Для электрошлакового металла эта кри-
вая располагается на значительно более
высоком уровне. Это означает, что интер-
вал горячей пластичности для электрошла-
кового металла повышается и существен-
но расширяется.

Улучшение деформируемости жаро-
прочных сплавов в результате ЭШП отме-
чается также рядом зарубежных исследо-
вателей. Так, в работе [94] указывается
на увеличение выхода годного металла на
20% в случае переплава никелевого жа-
ропрочного сплава Юдимет-700. Приведе-

Примечание. В числителе — данные для продольных образцов, в знаменателе —для поперечных.


Рис. 99. Зависимость ударной вязкости сплавов
Х19К20 (а) и К14Н56 (б) от температуры:
1 — исходный металл; 2, 3 — электрошлаковый металл,
полученный по различным вариантам технологии.

ны результаты определения пластичности
сплава, свидетельствующие о том, что во
всем температурном интервале пластич-
ность сплава ЭШП Юдимет-700 была хо-

Рис. 100. Зависимость ударной вязкости спла-
вов ЭИ929 и ЭИ867 от температуры:

< и 2 — исходный и переплавленный сплавы ЭИ929;

5 и 4 — исходный и переплавленный сплавы ЭИ867.

рошей с точки зрения проковываемости,
в то время как у металла ВДП хорошая
проковываемость была только в узком
температурном интервале (рис. 102).

В работе [114], посвященной сплавам
типа нимоник, указывается, что у сплавов
этого типа весьма опасным дефектом, ха-
рактерным для металла обычного про-
изводства, является пятнистая ликвация

Рис. 101 Характеристики деформируемости
сплава 36НХТЮ [6]. Сплошные линии — элек-
трошлаковый металл, штриховые — металл от-
крытой индукционной выплавки (т —напряже-
ние сдвига, у — условный сдвиг).
Рис. 102. Данные испытания пластичности спла-
ва Юдимет-700 на машине Глибля [20].

(сочетание местной концентрации алюми-
ния и титана с выпадением крупных пер-
вичных карбидов типа НС). Этот дефект
отрицательно сказывается на деформируе-
мости металла в горячем состоянии. ЭШП
ликвидировал этот дефект. На рис. 103
представлены данные о положительном
влиянии ЭШП на распределение карбидов
в сплаве нимоник 901 (по сравнению с
металлом ВДП). Деформируемость спла-
ва в результате ЭШП улучшилась. Тех-
нология производства сплава Нимоник
901 методом ЭШП внедрена в произ-
водство.

Авторы работы [111] исследовали воз-
можности применения ЭШП для улучше-
ния деформируемости дисперсионно твер-
деющих жаропрочных сплавов на нике-
левой основе. Указывается, что сплавы
Юкар 90 (20% никеля, 18% хрома, ко-
бальт, титан, алюминий, цирконий, бор)
и Юкар С-263 (20% никеля, 20% хрома,
6% кобальта, молибден, титан, алюминий,
бор), будучи гомогенными и чистыми от
неметаллических включений, имеют очень
узкий температурный интервал горячей
деформируемости. Раньше эти сплавы по-
лучали методом вакуумной индукционной
плавки (ВИП) + ВДП. Технология ковки
заготовок будущих деталей отличалась
многостадийностью. Внедрение технологии
производства этих сплавов по схеме ВИП +
ЭШП благодаря улучшению однородности
и повышению чистоты металла при ЭШП
позволило успешно освоить изготовление
заготовок будущих деталей методом пря-
мой ковки слитков. При этом отпали опе-
рация механической обработки слитков и
многостадийность процесса ковки.

Существенное улучшение обрабатывае-

мости сплава Хастеллой X в результате
ЭШП отмечается в работе американских
исследователей [33]. Это обстоятельство
явилось причиной того, что основное про-
изводство сплава Хастеллой X осуществ-
ляется на фирме «Стеллит дивижн (Кэ-
бот)» методом ЭШП.

Улучшенную деформируемость и упро-
щение технологии ковки в случае при-
менения электрошлаковых жаропрочных
сплавов на никелевой основе отмечают
также другие американские исследовате-
ли [39]. Причину положительного влия-
ния ЭШП авторы усматривают в мелко-
зернистой структуре и исключительно
гладкой поверхности электрошлаковых
слитков.

В заключение укажем еще на несколь-
ко факторов, оказывающих положительное
влияние на деформируемость материалов
благодаря ЭШП. Прежде всего следует
указать на благоприятную направленность
столбчатых кристаллов в электрошлако-
вом слитке. Роли направленности столб-
чатых кристаллов посвящена работа [НО],
хорошо подтверждающая высказанное со-
ображение. Ряд исследователей в качестве
еще одного фактора, улучшающего горя-
чую деформируемость электрошлакового
металла, указывают очень чистую поверх-
ность электрошлаковых слитков и отсут-
ствие подкорковых дефектов в виде пузы-
рей и других пороков. Следует отметить
еще одну немаловажную особенность, ха-
рактерную для электрошлакового метал-
ла. Комплексное рафинирование и благо-

Рис. 103. Распределение карбидов в сплаве Ни-
моник 901 [114]:

/ — металл ЭШП; 2 — металл ВДП.
приятная кристаллизация металла при
ЭШП приводят к тому, что электрошла-
ковый металл, как правило, не требует
высоких степеней обжатия, так как уже
в литом виде имеет высокую плотность
структуры и хорошие изотропные механи-
ческие свойства. Это обстоятельство во
многом упрощает задачу горячей механи-
ческой обработки.

Следовательно, если большая деформа-
ция не требуется с точки зрения формо-
образования, то можно применять элек-
трошлаковый металл с малой степенью
обжатия или вовсе без деформации.

Таким образом, благодаря комплекс-
ному облагораживающему воздействию на
металл ЭШП благотворно в той или иной
мере влияет на способность воспринимать
пластическую деформацию в горячем ви-
де применительно к сталям и сплавам са-
мых разных классов.

§ 2. Свариваемость

ЭШП помимо уже перечисленных харак-
теристик (химический состав, структура,
деформируемость, прочность, пластичность,
коррозионная стойкость и др.) влияет так-
же на весьма важную технологическую ха-
рактеристику металлических материалов —
свариваемость.

Под свариваемостью понимают способ-
ность сталей, сплавов и металлов проти-
востоять отрицательному воздействию тер-
модеформационного цикла сварки, други-
ми словами, обеспечивать получение при
заданной технологии сварки качественных,
без дефектов, надежных в эксплуатации
сварных соединений [104, 117].

В процессе сварки, как известно, дейст-
вуют два фактора: термический (нагрев
металла до температуры плавления и ох-
лаждение) и силовой (возникновение в
сварном соединении напряжений и дефор-
маций). Под воздействием этих основных
факторов (а также и ряда других, о кото-
рых мы будем говорить ниже) в сварном
соединении могут возникнуть дефекты.

При сварке сталей, сплавов и метал-
лов в сварных соединениях могут возник-
нуть следующие дефекты: 1) горячие тре-
щины; 2) холодные трещины (отрывы, от-
колы и др.); 3) поры; 4) термические тре-

щины; 5) рост зерна в околошовной зоне;
6) структурные изменения металла в око-
лошовной зоне; 7) деформация сварных
соединений, узлов и конструкций (потеря
формы).

Сварные соединения должны обладать
заданными прочностью и пластичностью.
Во многих случаях требуется обеспечить
также ряд специфических свойств сварных
соединений: стойкость против различных
видов коррозии, определенную жаропроч-
ность в сочетании с приемлемой длитель-
ной пластичностью, жаростойкость, стой-
кость против разрушения при криогенных
температурах, против кавитации и др.

Рассмотрим причины образования пе-
речисленных выше дефектов в сварных со-
единениях и способы их предотвращения.
Имеется много чисто сварочных методов
улучшения свариваемости металлических
материалов. Они изложены в специальной
литературе по сварке [104, 117] и мы на
них не останавливаемся.

Горячие трещины являются наи-
более частым и наиболее опасным дефек-
том сварных соединений. Они образуются
как в шве, так и в околошовной зоне.
Между ними существует тесная взаимо-
связь. Трещины, образовавшиеся в шве,
могут проникать в околошовную зону, и
наоборот. Поэтому предотвращение трещин
в шве еще не решает проблемы получения
качественных сварных соединений.

Во многих случаях горячие трещины
имеют весьма малую протяженность (менее
1 мм), поэтому зачастую их бывает трудно
обнаружить при контроле. В процессе экс-
плуатации изделия такие трещины разви-
ваются и могут стать причиной хрупкого
разрушения сварного соединения или кон-
струкции в целом.

Горячие трещины в шве и околошов-
ной зоне подразделяются на кристалли-
зационные (рис. 104) и подсолидусные
(рис. 105, 106). Первые образуются в про-
цессе кристаллизации металла шва и зо-
ны сплавления (металла шва со свари-
ваемым металлом), вторые уже после
сварки.

Причиной образования кристаллизаци-
онных трещин является повышенное содер-
жание в свариваемом и сварочном матери-
алах серы, фосфора, газов (О, 14, Н), лег-
Рис. 104. Горячие кристаллизационные трещины в шве и околошовной зоне:

а, 6 — жаропрочный сплав ЭИ725 (ХН35ВТ) (а— макроструктура; б — микроструктура, X 70); в — жаро-
жаропрочная трубная сталь ЭП184 (10Х18Н16В2МВР), X 100; е — жаропрочный дисковый сплав ЭИ787
ванная хромоникелемолибдеиовая сталь типа 25ХЗНМ.Х 200 (по данным А. М. Макары и Ю. Я. Ковалева)

коплавких (РЬ, 8п, В1, Аз, 8Ь) и других
вредных примесей. Эти примеси скапли-
ваются на границах зерен (в основном
металле) и кристаллитов (в шве или ли-
том основном металле) в виде прослоек.
Температура затвердевания их ниже, чем
у матрицы сплава (зерен, кристаллов),
а это приводит, как известно, к резкому
снижению технологической прочности ме-
талла шва и зоны сплавления в момент
их кристаллизации. Увеличивается темпе-

ратурный интервал хрупкости металла и
в результате этого сильно возрастает ве-
роятность образования несплошностей в
шве и околошовной зоне под действием
сварочных напряжений.

Образование кристаллизационных тре-
щин в шве и околошовной зоне не исклю-
чается при сварке плавлением сталей,
сплавов и металлов практически всех
классов, однако чувствительность к этому
дефекту у них разная. Так, при сварке
прочная трубная сталь ЭП17 (10Х16Н14В2БР), X 100; г — жаропрочный сплав ЭИ437Б (ХН77ТЮ). X 70; д —
(ХН35ВТЮ), X 100: ж — жаростойкая аустенитная сталь ЭИ283	(20Х25Н20С2), X 100; з — низколегиро-

иизкоуглеродистых конструкционных ста-
лей (до 0,25% С) образование кристалли-
зационных трещин маловероятно, в то
время как при сварке высоколегирован-
ных стабильно-аустенитных и высокопроч-
ных мартенситных они образуются весьма
часто (см. рис. 104).

Крупнозернистые стали и сплавы (2—
3 балла и выше) более склонны к около-
шовным кристаллизационным трещинам,
чем мелкозернистые (рис. 107), поэтому

литой металл сваривать труднее, чем де-
формированный (рис. 108).

Подсолидусные горячие околошовные
трещины (см. рис. 105, 106) образуются
по грубым скоплениям неметаллических
включений в свариваемом металле.

В литых сплавах, а также в некоторых
деформированных, например в сплаве
ЭИ437Б (ХН77ТЮ), скопления неметал-
лических включений имеют разветвленную
форму. Околошовные подсолидусные тре-
Рис. 105. Околошовные слоистые (ламелярные)
трещины по скоплениям неметаллических вклю-
чений:

а — жаростойкая сталь ЭИ417 (Х23Н18), трещины
преимущественно по скоплениям карбидов, X 120; б —
жаропрочная трубная сталь ЭИ695Р (02Х14Н19В2БР),
X 100; в — жаропрочный сплав ЭИ725 (ХН35ВТ),
X 100; г — высокопрочная средиелегированная сталь
25ХЗНМ, трещины преимущественно по скоплениям
сульфидов марганца (по данным А. М. Макары и
Ю. Я. Ковалева).

Рис. 106. Типичная ламелярная ступенчатая
трешина, образовавшаяся в зоне сварного шва
на толстолистовой хромомолибденованадиевой
теплоустойчивой стали [142].

щины, образовавшиеся при сварке этих
сплавов, имеют также разветвленную
форму.

Пластичные неметаллические включе-
ния- например, на основе сульфидов типа
Мп8, как это имеет место в котельных
сталях 16ГНМ, 18Х2М, 09Г2С [41, 89],
или на основе алюмосиликатов, как и в
Жаропрочном сплаве ЭИ725 (ХН35ВТ)
[115], или на основе Мп8 и алюмосилика-
тов, как, например, в сталях типа В81501-
161 (0,17—0,25% углерода; 0,55—1,20%
марганца; 0,10—0,35% кремния; до 0,05%
серы; до 0,05% фосфора; никель, хром, мо-
либден, медь — примеси), вытягиваются в
деформированном металле, образуя своеоб-
разную прослойку в направлении дефор-
мации (прокатки, ковки). При сварке таких
сплавов в околошовной зоне образуются
так называемые слоистые [17], или как их
еще называют, ламелярные [136, 142] тре-
щины (см. рис. 105, 106). Ламелярные око-
лошовные трещины были обнаружены нами
Рис. 107. Влияние величины зерна в катаном
жаропрочном сплаве ЭИ725 (ХН35ВТ) на око-
лошовные кристаллизационные трещины, X 100:
а — 5—6 баллов преимущественно, нет трещин, б —
1 балл и выше, есть трещины.

еще в 50-е гг. при сварке катаной жаростой-
кой стали Х23Н18 и жаропрочных сплавов
типа Х15Н35, а несколько позже — и в
толстолистовой стали типа 09Г2С. В попе-
речном сечении такие скопления неметал-
лических включений имеют вид строчек, по-
этому трещины этого типа часто называют
строчечными [74].

Эффективным средством борьбы с го-
рячими трещинами в шве и околошовной
зоне является повышение чистоты свари-
ваемого и сварочного материалов.

Холодные околошовные тре-
щины образуются чаще всего при свар-
ке высокопрочных перлитных и мартен-
ситных низко- и среднелегированных ста-
лей (рис. 109, а—г) [53, 104], а также
некоторых литых и деформированных ма-
лопластичных высоколегированных сталей
и сплавов с большим содержанием упроч-

няющих элементов или элементов, введен-
ных в сплав для придания ему специаль-
ных свойств, например жаростойкости
(81), стойкости против нейтронного облу-
чения (В) и др. (рис. 109, д) [64, 69,
116].

Холодные трещины на высокопрочных
сталях образуются вследствие возникнове-
ния в околошовной зоне закалочных струк-
тур и резкого снижения пластичности ме-
талла (закалочная гипотеза), а также воз-
никновения больших межзеренных напря-
жений вследствие выделения водорода,
имеющегося в основном металле и диф-
фундирующего в околошовную зону из
металла шва (водородная гипотеза) [53,
104]. В реальных условиях действуют оба
эти фактора. Тем не менее считают, что
на мартенситных сталях повышенной
прочности за образование холодных тре-
щин ответственны в основном закалочные
структуры, образующиеся в зоне термиче-
ского влияния сварного шва, а на перлит-
ных сталях, имеющих большую пластич-
ность,— в основном выделение водорода
[104, 117].
Рис. 108 Влияние деформации жаростойкой
аустенитной стали ЭИ283 (20Х25Н20С2) на
чувствительность к околошовным горячим тре-
щинам, Х100:

а — литая сталь: б — катаная.

Рис. 109. Холодные трещины в шве и около-
шовной зоне, образующейся при сварке высоко-
прочной среднелегированной стали ‘35ХЗНЗМ (а,
б, в, г) [1171 и малопластичного жаростойкого
аустенитного сплава 30Х18Н35СЗ (д) [116]:

а — продольные околошовные (отколы); б — продоль-
ные в зоне сплавления (отрывы); в — поперечные в
металле шва; г — поперечные околошовные; д — про-
извольного направления в околошовной зоне.
Повышение запаса пластичности низко-
11 среднелегированных высокопрочных ста-
лей и снижение содержания водорода в
свариваемых и сварочных материалах спо-
собствуют снижению вероятности возник-
новения околошовных холодных трещин.
Повысить стойкость высоколегированных
сталей и сплавов против холодных трещин
можно только путем повышения их пла-
стичности.

Основной причиной возникновения пор
при сварке углеродистых, низко- и средне-
легированных сталей является наличие
водорода, азота и окиси углерода при
сварке высоколегированных аустенитных
сталей и сплавов, а также алюминия и
его сплавов — водорода, а при сварке ме-
ди— паров воды (рис. НО) [104, 117].
Основное средство предупреждения пор в
сварных швах — снижение содержания во-
дорода, азота, а также кислорода в сва-
риваемом и сварочных материалах.

Термические трещины, возни-
кающие в околошовной зоне сварных со-
единений, обусловлены недостаточной пла-
стичностью свариваемого металла. Они
могут возникать в процессе сварки, после
сварки, например при термической обра-
ботке, но чаще всего в процессе длитель-
ной эксплуатации сварного изделия.

Разновидностью такого вида трещин
являются так называемые локальные раз-
рушения в околошовной зоне (рис. 111)
[28, 51, 64]. Это хрупкие трещины, обра-
зующиеся в околошовной зоне на расстоя-
нии нескольких зерен от поверхности
сплавления шва с основным металлом.
Локальные разрушения в околошовной
зоне могут инициироваться околошовными
горячими трещинами.

В результате термического воздействия
на металл, вызванного сваркой, в около-
шовной зоне наблюдается рост зерна.
В ряде случаев, например при сварке
12%-ных хромистых сталей [32, 104] или
при ЭШС котельных сталей [117], это
приводит к заметному падению ударной
вязкости металла в околошовной зоне. Эф-
фективным средством борьбы с этим недо-
статком является термическая обработка
сварного изделия после сварки.

Сварочный нагрев вызывает в ряде
случаев структурные изменения в около-

Рис. ПО. Поры в однопроходных швах на стали
12Х18Н10Т:

а — сварка иа прямой полярности, пор нет; б — свар-
ка на обратной полярности, имеются поры.

шовной зоне. Выше отмечалось [53], что
при сварке высокопрочных сталей в око-
лошовной зоне образуются закалочные
структуры (избыточное количество мар-
тенсита), которые являются причиной об-
разования холодных трещин. При сварке
антикоррозионных сталей на границах зе-
рен в зоне перегрева, т. е. вблизи поверх-
ности сплавления, возможно выпадение
карбидов хрома, что приводит, как из-
вестно [32, 64], к появлению ножевой
коррозии. Повышение чистоты основного
металла является одним из эффективных
средств борьбы с этим дефектом.

Борьба со сварочными деформациями
(потерей формы сварного изделия) не вхо-
дит в арсенал задач металлургов. Эту за-

Рис. 111. Локальные разрушения в зоне свар-
ного шва на паропроводной трубе из стали
ЭИ257 (15Х14Н14В2М) [51, 64].
дачу решают путем рационального констру-
ирования узлов и применения соответству-
ющей технологии сварки.

На основе изложенного можно сделать
вывод, что получение качественных, на-
дежных в эксплуатации сварных соедине-
ний является весьма нелегкой задачей.
Сварщики, как известно, научились успеш-
но бороться с предотвращением дефектов
в сварных швах. Значительно сложнее об-
стоит дело с предотвращением указанных
дефектов в околошовной зоне, так как об-
разование их обусловлено самой природой
свариваемого материала и в основном за-
висит от его чистоты. Последнее имеет
исключительно важное значение, поэтому
основная роль в предотвращении дефек-
тов в околошовной зоне отводится не свар-
щикам, а металлургам.

Применение чистых сварочных материа-
лов (сварочной проволоки, стержней элек-
тродов), как будет показано ниже, резко
повышает стойкость сварных швов против
трещин, пор и других дефектов. Эффек-
тивным средством улучшения свариваемо-
сти сталей и сплавов является ЭШП.
Многолетний опыт показал, что повыше-
ние чистоты свариваемых сталей, сплавов
и присадочных материалов является эф-
фективным и надежным способом борьбы
с дефектами в сварных соединениях [64,
104]. Химически и структурно гемогенный
металл повышенной чистоты сваривается
значительно лучше, чем металл, неодно-
родный по составу и строению и содержа-
щий избыточные количества неметалличе-
ских включений, газов и вредных приме-
сей.

С точки зрения сварочной техники
представляют интерес все металлургиче-
ские методы производства сталей, сплавов
и металлов, при которых достигается су-
щественное повышение их чистоты. К ним
в первую очередь относятся рафинирую-
щие переплавы, ЭШП, ВДП, ПДП *, ЭЛП
[35, 42, 46, 67, 78, 128], вакуумноиндук-
ционная плавка [49], плазменная плавка
[109], внепечное вакуумирование металла
[49], обработка сталей синтетическими
шлаками [5, 14] и инертными газами [81],

* Плазменнодуговой переплав.

выплавка сталей и сплавов с использова-
нием свежей шихты [37] и др.

Рафинирующие переплавы более эф-
фективно улучшают свариваемость сталей,
сплавов и металлов, так как они не толь-
ко повышают их чистоту и плотность, но
и существенно улучшают химическую и
структурную гомогенность металла [87,
141, 142, 143].

Особый интерес представляет ЭШП,
который не только удовлетворяет указан-
ным требованиям, но по ряду показателей
превосходит все остальные рафинирующие
переплавы. При ЭШП удаляется сера,
что очень важно, так как она является од-
ним из основных возбудителей горячих
трещин при сварке. ЭШП превосходит
ВДП и все остальные переплавы ио чисто-
те металла (в частности, по удалению
крупных включений), химической и струк-
турной однородности. Этот метод рафи-
нирования сталей и сплавов наиболее де-
шевый из перечисленных. Возможности
его в части номенклатуры и массы изде-_
лий практически неограничены, что тоже
очень важно для сварки. Наконец, обору-
дование для ЭШП является наиболее де-
шевым и простым в обслуживании. Все
это предопределило широкое использова-
ние сталей и сплавов, полученных мето-
дом ЭШП, для сварных изделий во мно-
гих отраслях техники.

Исторически сложилось так, что ЭШП
на первом этапе был использован преиму-
щественно для улучшения качества высо-
колегированных сталей и сплавов. Поэто-
му по изучению свариваемости этих мате-
риалов накоплено наибольшее количество
данных. В дальнейшем по мере расшире-
ния номенклатуры сталей и сплавов,
улучшаемых с помощью ЭШП, была из-
учена свариваемость низко- и среднелеги-
рованных электрошлаковых сталей.

Наибольшие трудности приходится пре-
одолевать при сварке высоколегированных
сталей и сплавов [32, 62, 64]. Эти мате-
риалы при сварке чувствительны практи-
чески ко всем перечисленным выше дефек-
там. ЭШП оказался весьма полезным для
преодоления этих трудностей.

Известно много случаев, когда высоко-
легированные стали и сплавы обычной
выплавки из-за повышенной чувствитель-
Рис. 112. Предотвращение горячих кристалли-
зационных и ламелярных околошовных трещин
иа сплаве ЭИ725 (ХН35ВТ) с помощью ЭШП,
Х120:

о. б — исходное состояние, сплав ЭД. листы толщиной
15 и 25 мм, имеются трещины; в, г — после ЭШП, нет
трещин (в — поковки толщиной 45 мм; г — листы тол-
щиной 25 мм).

ности к горячим трещинам обладали не-
удовлетворительной свариваемостью и для
сварных изделий их не рекомендовали.
Так было в свое время с жаропрочными
сплавами ЭИ725 (ХН35ВТ) [72], ЭИ437Б
(ХН77ТЮ) [73], ЭИ787 (ХН35ТЮ) [64,
115], ЭИ867 (ХН62МВКЮ) [70], коррози-
онностойкой сталью ЭИ344Б (03Х16Н15
МЗБ) [79] и другими. Применение ЭШП
позволило перевести их в категорию свари-
ваемых и рекомендовать для сварных изде-
лий ответственного назначения.

Впервые наиболее тщательно влияние
ЭШП на свариваемость было изучено на
сплаве ЭИ725 (ХН35ВТ) [64, 72, 74, 115],
предназначенном для эксплуатации при

температурах до 750- 800° С. Этот сплав
при толщине 15, 25 мм и более при свар-
ке плавлением оказался весьма склонным
к образованию околошовных кристаллиза-
ционных (рис. 112, а) и слоистых трещин
(рис. 112, б). Наличие в сплаве микродо-
бавок бора (0,005% по расчету) еще боль-
ше повысило его чувствительность к кри-
сталлизационным трещинам.

Микроисследованиями установлено, что
сплав ЭИ725 электродуговой выплавки за-
грязнен неметаллическими включениями,
вытянутыми вдоль прокатки (рис 113, а).
В местах, где слои неметаллических вклю-
чений соприкасаются с металлом шва,
образуются слоистые трещины (см.
Рис. 113. Микроструктура катаного сплава
ЭИ725 (ХН35ВТ), Х120:

а — в исходном состоянии (плавка ЭД); б — после
ЭШП.

рис. 112). В тех случаях, когда скопления
неметаллических включений непосредствен-
но не соприкасаются с металлом, но нахо-
дятся в зоне его термического влияния,
также наблюдается образование трещин
этого типа (рис. 114).

Была предпринята попытка избавиться
от указанных дефектов чисто сварочными
методами. Опробование различных спосо-
бов сварки (ручная покрытыми электро-
дами, механизированная под флюсом и в
аргоне, плазменная, электроннолучевая) и
ряда технологических приемов (изменяли
в широких пределах погонную энергию и
скорость сварки, производили сварку с
предварительным охлаждением сплава
до —65° С и подогревом вплоть до 1100° С,
применяли проволоку различных диамет-

ров, изменяли калибр шва и др.) не приве-
ли к положительным результатам.

При сварке малокалиберными швами
на малой погонной энергии удалось толь-
ко несколько уменьшить размеры и коли-
чество околошовных кристаллизационных
трещин. Слоистые трещины образовыва-
лись во всех случаях.

Применение ЭШП (выплавляли слит-
ки диаметром 600 мм массой 2,5 т в про-
мышленных условиях) позволило избави-
ться от горячих трещин обоих типов, так
как ЭШП устраняет причины их возник-
новения. После ЭШП резко повысилась
чистота сплава ЭИ725 (см. рис. 113, б).
Так, общее содержание неметаллических
включений снизилось с 0,0101 до 0,0044—
0,0061%, серы с 0,013 до 0,005—0,007%.

Рис. 114. Отрывы (ламслярные трещины) вбли-
зи шва:

а — сплав ЭИ725 (ХН35ВТ), X 120; б — сплав ЭИ437Б
(ХН77ТЮ), X 70.
Рис. 115. Жаропрочные свойства при 800° С
кованого сплава ЭИ725 (штанги диаметром
140 мм, диски толщиной 45 мм, кружок —
сталь в исходном состоянии; крестик — после
ЭШП; цифры означают относительное удлине-
ние в %) [72].

кислорода с 0,0062 до 0,0019—0,0026%,
азота с 0,0108 до 0,0053%, водорода с
0,0048 до 0,0023%. В результате полностью
исчезло слоистое расположение неметал-
лических включений, т. е. по сути устра-
нена главная причина образования слои-
стых трещин (см. рис. 112, в, г).

Снижение в сплаве содержания серы и
других вредных примесей и равномерное
распределение элементов (в первую оче-
редь бора как поверхностно-активного
элемента) резко повысили стойкость спла-
ва ЭИ725 против кристаллизационных
околошовных трещин.

Были высказаны предположения, что
стойкость сплава ЭИ725 против кристал-
лизационных околошовных трещин увели-
чилась в результате угара бора в процес-
се ЭШП. Однако тщательная и много-

Рис. 116. Корпус (а) и днище (б) турбины вы-
сокого давления газотурбинной установки
ГТУ-50-800 из сплава ЭИ725 (ХН35ВТ) элек-
трошлаковой выплавки [72].

кратная проверка не подтвердила этого
предположения (содержание бора в ис-
ходном сплаве 0,005% по расчету, а после
ЭШП — 0,0041—0047%).

Поскольку определить микродобавки
бора в сложнолегированных сплавах за-
труднительно, была проведена сравнитель-
ная оценка жаропрочности сплава ЭИ725
до ЭШП и после. Жаропрочность сплава
ЭИ725 при 800° С после ЭШП осталась
на уровне исходного металла, длительная
пластичность повысилась от 10—18 до 16—
27% (рис. 115).

Повышение длительной пластичности
сплава ЭИ725 положительно сказалось на
его стойкости против локальных разруше-
ний. Из сплава ЭИ725 ЭШП был изготов-
лен сварной корпус газотурбинной уста-
новки ГТУ-50-800 (рис. 116). Несмотря на
большую жесткость конструкции (корпус
состоит из обечаек толщиной 14 и 24 мм
и ободьев диаметром 1340—1800 мм, тол-
щиной 80—120 мм), локальных разруше-
ний не было обнаружено ни в процессе
сварки, ни при термической обработке, ни
в процессе опытно-промышленной эксплуа-
тации турбины.

Аналогичные результаты были получе-
ны на ряде других высоколегированных
сталей и сплавов. Так, в работе [98] по-
казано, что для жаропрочного аустенит-
ного сплава ЭИ787 (ХН35ВТЮ) обычного
производства температурный интервал
хрупкости на ветви охлаждения сварочно-
го термического цикла составляет 180° С,
а для ЭШП — всего лишь 25° С (чем уже
температурный интервал хрупкости (ТИХ),
тем выше сопротивляемость металла око-
лошовным горячим трещинам). Подобные
данные получены в работе [99] и для
Рис. 117. Влияние ЭШП на возникновение око-
лошовных кристаллизационных и ламеляриых
трещиии иа сплаве ЭИ437Б (ХН77ТЮ), Х70:
а, б — сплав исходный, ЭД; в — после ЭШП.

жаропрочного сплава на никелехромовой
основе ЭИ445Р (ХН60МВТЮ).

Интересен с точки зрения сваривае-
мости и никелехромовый жаропрочный
сплав ЭИ437Б (ХН77ТЮР) [22, 35, 64,
73]. Этот сплав находит применение при
изготовлении сварных деталей и узлов
авиационных газотурбинных двигателей.
Пока он применялся в виде тонколистово-
го проката (толщиной менее 5 мм), свар-
ка его не вызывала особых трудностей.
В сварных соединениях больших толщин
(15, 25 мм и более) обнаруживается боль-

шое количество околошовных горячих тре-
щин: кристаллизационных (рис. 117, а,
см. также рис. 104, а) и подсолидусных по
скоплениям неметаллических включений
(рис. 117, б).

Этот сплав, как и ЭИ725, содержит
микродобавки бора. В исходном состоянии
он склонен к разнозерннстости, загрязнен
неметаллическими включениями. Отличие
его от ЭИ725 в том, что в нем неметал-
лические включения реже располагаются
в виде слоев, а чаще имеют произвольную
разветвленную форму (рис. 118, а). По
этим включениям образуются крупные
околошовные трещины также разветвлен-
ной формы (см. рис. 117, б).

Использование различных методов
сварки, ь том числе и электроннолучевой
Таблица 22. Влияние рафинирующих
переплавов на пластичность и вязкость
деформированного сплава ЭИ867
(ХН62ВМКЮ) [70]

[73], и различных технологических при-
емов, как и в предыдущем случае, не при-
вело к ликвидации околошовных горячих
трещин. Радикальным средством преодо-
ления этих трудностей оказался ЭШП
(см. рис. 117, в; 118, б).

Даже при крупном зерне (1—2 балла)
устойчивость сплава против околошовных
кристаллизационных трещин оказалась
удовлетворительной. Оптимальная величи-
на зерна в сплаве ЭИ437Б ЭШП с точки
зрения стойкости его против околошовных
кристаллизационных трещин была 4—
8 баллов по ГОСТ 5639—65.

Жаропрочность сплава ЭИ437Б при
750° С после ЭШП осталась такой же, как
и у сплава электродуговой выплавки. Дли-

Рис. 118. Микроструктура сплава ЭИ437Б
(ХН77ТЮ), Х70:

а — металл ЭД есть скопления неметаллических
включений; б — металл ЭШП.

тельная пластичность возросла в среднем
в 1,2—1,4 раза.

Технология изготовления сварных из-
делий с использованием сплава ЭИ437Б
электрошлаковой выплавки была призна-
на оптимальной. ЭШП оказался наиболее
эффективным способом улучшения каче-
ства и свариваемости труднодеформируе-
мых сложнолегированных жаропрочных
сплавов.

При сравнении трех видов рафинирую-
щих переплавов ЭШП, ЭЛП и ПДП на
трудноформируемом никелехромокобаль-
товом сплаве ЭИ867 (ХН62ВМКЮ) ЭШП
дал наилучшие результаты [70].

Сплав ЭИ867 (исследовали металл ЭД
и ВИП) отличается низкой пластичностью,
и поэтому сам сплав и особенно сварные
соединения склонны к образованию тер-
мических трещин. Чтобы избавиться от
этого недостатка, надо повысить пластич-
ность сплава. В этом случае наиболее эф-
фективным оказался ЭШП (табл. 22).

В процессе исследования свариваемо-
сти сплава ЭИ867 выявлены следующие
особенности:

1)	в металле ЭШП несколько больше
неметаллических включений, чем в метал-
ле ЭЛП, и практически такое же, как в
металле ПДП, но они более дисперсны и

распределены более равномерно;

2)	в металле ЭЛП, ПДП и ВДП встре-
чаются крупные неметаллические включе-
ния, в металле ЭШП их нет;

3)	в металле ЭШП наиболее дисперс-
на и наиболее равномерно распределена
упрочняющая у'-фаза;
Таблица 23. Изменение химического состава сплава ЭИ867 после рафинирующих
переплавов, % [70]

Способ выплавки	А1	5	р	В1	РЬ	О	н	ы
ВИП (исходный) ЭШП  ПДП  ЭЛП	4,69  4,43  4,70  4,90	0,009 0,005 0,007 0,008	0,008 0,008 0,008 0,009	0,00035 0,00026 0,00022 0,00014	0,00084  0,00072  0,00056  0,00032	0,0022 0,0013 0,0016 0,0010	0,00192 0,00061 0,00042 Следы	0,031  0,022 0,019  0,014

4)	металл ЭШП в деформированном
виде (штанги диаметром 85—140 мм) рав-
нозернист (2—3 балла), а металл ЭЛП
и ПДП — разнозернист (наряду с зерна-
ми 3—4 балла встречаются зерна 1 балл);

5)	в металле ЭШП наименьшее коли-
чество серы (табл. 23), влияющей на сва-
риваемость сплава;

6)	металл ЭШП свободен от ликваци-
онных полос, характерных для сплава
ВИП,

7)	сплав ЭШП обладает наибольшим
запасом пластичности (рис. 119) при оди-
наковой со сплавами ЭЛП и ПДП проч-
ностью.

Сплав ЭИ867 используется для изго-
товления узлов методом прессовой свар-
ки— пайки (ПСП). При этой технологии
изготовления изделий сплав ЭИ867 толь-
ко электрошлаковой выплавки не проявил
склонности к образованию термических
трещин (табл. 24). Электрошлаковый
сплав ЭИ867 рекомендован для про-
мышленной технологии изготовления уз-
лов.

Об улучшении свариваемости сложно-
легированного сплава на никелевой основе
типа уаспалой, содержащего 3,1% Т1 и

1,75% А1, в результате ЭШП упоминается
в работе [136].

ЭШП уже многие годы используется
для улучшения свариваемости и других
свойств аустенитных сталей [35, 46, 64,
67]. Так, ЭШП стабильно-аустенитной ста-
ли Х16Н15, легированной ниобием, позво-
лил избавиться от кратерных трещин при
аргонодуговой сварке (АДС) [66]. Это
очень важно, так как трубы из этой стали
часто приходится сваривать без присадоч-
ной проволоки. Шов в этом случае пол--
ностью образуется из основного металла,
и стойкость его против горячих трещин во
многом определяется качеством сваривае-
мой стали.

Улучшение свариваемости стали
Х16Н15 наблюдается уже при ЭШП ее по
обычной классической технологии (табл. 25
и рис. 120, 121). Так, показатель техноло-
гической прочности при аргонодуговой
сварке (АДС) стали ЭШП увеличился до
10 мм/мин (скорость деформации шва во
время сварки до образования горячей
трещины) по сравнению с исходной сталью
(6 мм/мин). При этом удалось практиче-
ски ликвидировать кратерные трещины,
уменьшить так же, как и в сплавах ЭИ787

1

I

(
Т

Г
и
н
т

Таблица 24. Результаты испытания сплава ЭИ867 на свариваемость при ПСП [70]

Температура пспы- тания» °С	Количество термических трещин в околошовной зоне в металле различных видов выплавки *		
	ЭД + ЭШП	эшп + ПДП	ЭШП -Ь ЭЛП
1200	ЭД—4 трещины ЭШП — нет трещин	ЭШП — нет трещин ПДП—2 трещины	ЭШП — нет трещин ЭЛП — 1 трещина
1220	ЭД—8 трещин ЭШП — нет трещин	ЭШП — нет трещин ПДП — нет трещин	ЭШП — иет трещин ЭЛП—3 трещины

* Приведены данные по пяти образцам.

2 "С Д „I л СО Й
Рис. 119. Влияние переплава на пластичность
сплава ЭИ867 при нагреве и охлаждении в
условиях нагружения по сварочному термиче-
скому циклу на машине ИМЕТ-1 [70]:

с—нагрев; б — охлаждение; / — ЭД: 2 — ЭШП; 3 —
ПДП; 4 — ЭЛП.

Рис. 120. Показатель технологической прочности
сварных соединений из стали Х16Н15 Д№, пе-
реплавленной по различным технологиям ЭШП
(обозначения см. в табл. 25) [66].

[98, 99] и ЭИ445Р [99], ТИХ металла.
Возросла величина восстановленной пла-
стичности металла в конце ТИХ (см.
рис. 121).

В результате обработки расплава в
процессе ЭШП Се, Се + Са и Се + А1 при
использовании флюсов указанных систем
(см. табл. 25) повысился показатель тех-
нологической прочности до 13 мм/мин (см.
рис. 120), уменьшился ТИХ, значительно
повысилась пластичность металла. Пол-
ностью устранено образование кратерных
трещин. Наиболее ощутим эффект от ком-
плексной обработки расплава по ходу
ЭШП Се 4- Са при использовании флюса
системы СаЕз — АЬОз — СаО — М^О +
+ 8Ю2 (АНФ-25).

Положительный эффект, полученный
при обработке расплава по ходу ЭШП це-
рием, а также совместно с раскислителя-
ми А1 и Са связан не только со свойством

Таблица 25. Условия ЭШП стали Х16Н15Б [66]

Ин деке слит- ка	Система (марка) флюса	Наличие добавок при ЭШП
Р0	Исходная сталь ЭД		
Р1	Сар2 — СаО (АНФ-7)	—
Р5	СаР2 — СаО (АНФ-7)	Сеф-А!
РЗ	СаР2 — А12О3 (АНФ-6)	—
Р4	СаР2 — А12О3 (АНФ-6)	Се + А1
Р2	СаР, — А12О., — СаО — — МрО — 5Ю2 АНФ-25)	—
Р7	То же	Се
Р9	» »	Се + А1
Рис. 121. Зависимость механических свойств
деформированной стали Х16Н15Б при высо-
ких температурах от способа ее выплавки (обо-
значения см. в табл. 25) [66].

Рис. 122. Склонность стали типа 25-20 к обра-
зованию горячих трещин в шве и околошовной
зоне при АДС вольфрамовым электродом в за-
висимости от содержания в ней газов и ниобия
[121]:

1 — Ы; 2 — Ы +О; 3 — трещины в шве; 4 — трещины
в околошовной зоне.

церия образовывать тугоплавкие окисли,
сульфиды и нитриды [96], но и с его спо-
собностью уменьшать сегрегацию углерода
и ниобия на границах зерен, оттесняя их
в объем последних. На это указывают ре-
зультаты микрорентгеноспектрального ис-
следования, а также характер изменения
пластичности металла вблизи солидуса.
Так, коэффициент сегрегации 0 = 1 —
Сов / Сгр (Сое и Сгр — содержание элемен-
та в объеме зерна и на его границах) для
ниобия у сварных соединений, выполнен-

ных из металла, обработанного в процессе
ЭШП Се и Са, понизился до 0,46, тогда
как для необработанного металла (ср. Р9
и Р2 в табл. 25) он равен 0,69.

Судя по кривым горячей пластичности,
уменьшение диапазона ТИХ произошло в
основном за счет сокращения его низко-
температурной части (ориентировочно до
1300° С), существование которой связано с
наличием на границах зерен участков эв-
тектики между аустенитом и комплексной
фазой (преимущественно МЬС, 8, Р, 81).
Рафинирование стали от указанных
примесей и газов, а также частичное свя-
зывание некоторых примесей церием в ту-
гоплавкие соединения (окислы, сульфиды,
нитриды) резко улучшили свариваемость
стали типа Х16Н15.

В работе [137] описано исследование
свыше 36 промышленных плавок аустенит-
ной хромоникелевой стали СК-20 (типа
25-20), в том числе и с дополнительным
легированием ниобием в количестве 0,24—
2,9%. Сделан вывод, что повышение чисто-
ты свариваемого металла и сварочной про-
волоки является наиболее эффективным
средством увеличения стойкости металла
шва и околошовной зоны против образо-
вания горячих трещин (рис. 122). К ана-
логичному выводу пришли авторы работ
[121], исследовавшие влияние ЭШП на
свариваемость хромомарганценикелеазоти-
стой аустенитной стали 04Х20Н10АГ7 с
0,15—0,4% Кг, и авторы работы [1], из-
учавшие влияние ЭЛП на стойкость свар-
ных швов и околошовной зоны против об-
разования горячих трещин на примере
коррозионностойкой стабильно-аустенитной
стали ЭИ943 (06ХН28МДТ).

Исключительно сложной оказалась
проблема предотвращения локальных раз-
рушений в аустенитных сталях. Массовое
разрушение сварных стыков на паропрово-
дах из сталей А181347 (18-8ДМЬ|Та) и
А181 321 (тип 18-8АТ1) в США [26, 28,
119, 120], Англии и ФРГ, из сталей ЭИ257
(15Х14Н14В2М) на Черепетской ГРЭС и
12Х18Н12Т на Челябинской ТЭЦ и Дне-

Рис. 123. Микронадрывы (горячие кристаллиза-
ционные трещины) в околошовной зоне по скоп-
лениям сульфидов при ЭШС высокопрочной
стали 35Х2Н2М мартеновской выплавки, Х500:
а — в светлом поле: б — в темном поле [5].

провской ГРЭС [107, 38] послужило при-
чиной ограничения применения аустенит-
ных сталей для этих целей, а в ряде слу-
чаев — и полного отказа от их примене-
ния.

Имеется много различных точек зрения
на природу локальных разрушений [27,
29, 51, 64, 66]. Однако общим является
мнение, что разрушение сварных соедине-
ний происходит в результате значительно-
го снижения пластичности металла в око-
лошовной зоне при длительной эксплуата-
тации. Поэтому вполне естественно, что
из большого арсенала средств, предлагае-
мых для предотвращения этого вида раз-
рушения аустенитных сталей, повышение
чистоты и пластичности их с помощью
ЭШП имеет первостепенное значение.
С 1960 г. на Черепетской ГРЭС успешно
эксплуатируются паропроводы из стали
12Х18Н12Т, подвергнутой ЭШП. За истек-
шие годы локальных разрушений на этих
паропроводах не наблюдалось.

С серьезными трудностями приходится
сталкиваться при сварке низко- и средне-
легированных сталей [104, 117]. В соот-
ветствии с ГОСТ 4543—71 к низколегиро-
ванным относятся стали, содержащие до
0,23% С и до 2% каждого из легирующих
элементов, а суммарное количество леги-
рующих не должно превышать 5%. Это
конструкционные стали типа 14Г, 09Г2,
09Г2С,' 14Г2, 12ГС, 17ГС, 10Г2С1, 14ХГС,
15Г2Ф, 10ХСНД, 15ХСНД, 15Г2СФ,
16ГНМ, 18Г2АФ и 15Г2АФ с нитридным
упрочнением, 10Г2Б, теплоустойчивые
стали типа 12ХМ, 15ХМ, 20ХМ, 12Х1МФ,
15Х1М1Ф, 20ХМЛ, 20ХМФЛ и др. В эту
группу входят также среднелегированные
(до 0,4% С) и низколегированные (на-
пример, 25ХГСА. ЗОХГСА. 35ХМ и др.)
стали.
гиям [57]

Таблица 26. Химический состав сталей 20Х2МА и 16ГНМА, полученных по различным техноло

Марка стали	Способ выплавки	Номер плавки	Масса слитка,!
20Х2МА	Мартеновский дуплекс-процесс	Н-2732	21
	То же + обработка Т1 в изложнице с защи- той аргоном	Н-6904	7
	То же + обработка Т1 + РеСе в изложнице с защитой аргоном	Е-6727	
	Мартеновский, основной	716 538	34
20Х2МШ	ЭШП	Исходная плавка 716 538	9
16ГНМА	Мартеновский, основной	123 323	21
16ГНМШ	ЭШП + обработка А1 + РеСе	Исходная плавка 123323	14
			

	с	М1
	0,20	0,5
	0,21	0,5
	0,21	0,5
	0,16	0,4
	0,16	0,4
	0,17	1,0
	0,17	1,0

К среднелегированным относятся стали
с содержанием 2,5—10% легирующих. Со-
держание углерода в этих сталях зависит
от их назначения. Так, стали, предназна-
ченные для изготовления конструкций, мо-
гут содержать до 0,5% С, а теплоустойчи-
вые— не более 0,25% С и до 6% Сг. Ста-
ли этого класса содержат в качестве леги-
рующих М1, Мо, XV, V, Т1, М, В и другие
элементы. К ним относятся стали типа
06НЗ, 30ХН2МФА, 12Х5МА, 20Х2МА,
ЗОХГСНА и много других. При сварке
этих сталей обычной выплавки, особенно
при больших толщинах, наблюдается об-
разование в околошовной зоне горячих
кристаллизационных трещин — надрывов
(рис. 123) [56, 57, 122], ламелярных тре-
щин (см. рис. 105, г, 106) [17, 136, 142],
а при сварке высокопрочных сталей —
и холодных трещин (см. рис. 109, а—г) [53,
54]. При электродуговой сварке, и особен-
но электрошлаковой, происходят рост зер-
на в околошовной зоне и снижение удар-
ной вязкости [58, 82, 89] металла.

В последние годы на кованых издели-
ях из теплоустойчивых хромомолибдено-
ванадиевых сталей (корпуса клапанов, за-
движек и др.) обнаружены также локаль-
ные разрушения [4, 29]. Причиной обра-
зования горячих трещин в сталях этих
классов в основном является наличие
сульфидных включений [95], а также дру-
гих вредных примесей (Р, О, легкоплав-
кие элементы типа Аз, 2п, РЬ, попадаю-
щие в них из ферросплавов, металличе-

Эти
ского лома, шлаков и др.). При этом ре-	обра«

шающую роль играют состав и распреде-	рии

ление сульфидных включений в околошов-	ются

ной зоне [18, 60].	трещ

По данным работы [58], надрывы в	рр

околошовной зоне при ЭШС листов тол-	плав

щиной 100—120 мм из сталей типа	ража

20Х2МА, 16ГНМА и 25ХЗНМ мартенов-	лей !

ской выплавки с повышенным содержани-	обра:

ем серы (0,012—0,015%, табл. 26) обра-	4, у>

зуются даже в тех случаях, когда не на-	рр

блюдается грубых скоплений сульфидных	мощг

включений (см. рис. 104, з; 123). Протя-	меся!

женность трещин достигает 0,5—0,8 мм.

Таблица 27. Химическим состав сварных шво»,.______________

	Номер шва	Марка стали, номер плавки	Сварочная проволоке			
					с	Мп
					0,15  0,10 0,12 0,13 0,10  0,11  0,18  0,10 0,10 0,10 0,12 0,11	0,97 1,3( 0,7( 1,3 1,3  0,6!  0,7!  0,8С 0,8( 0,64 0,7( 0,6!
	1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12	20Х2МА, Н-2732  20Х2МА, 716538  16ГНМА, 123323  20Х2МА, Е-6727  20Х2МШ, 716538 (ис- ходная)  16ГНМШ 123327 (ис- ходная)  20Х2МА. Н-2732  20Х2МА, Н-2732  20Х2МА, Н-2732  20Х2МА, Н-2732  16ГНМА, 123323 16ГНМШ, 123323 (ис- ходная)	Св-08ХЗГ2СМ Св-08ХЗГ2СМ Св-ЮНМ Св-08ХЗГ2СМ  Св-08ХЗГ2СМ  Св-ЮНМ ЭШП  20ХМА 'опытная пла ка, Н-6904) Св-ЮНШ  Св-ЮНМ ЭШП Св-10Х5М Св-ЮНМ ЭШП Св-ЮНМ			
						
гиям [57]

Содержание, %

С	Мп	81	8	р	Сг		Мо	Си	Т1, А1	Се	[О]	(М
0,20	0,55	0,28	0,013	0,016	2,34	0,54	0,29	0,10	—	—	0,0088	0,0028
0,21	0,51	0,33	0,012	0,017	2,21	0,46	0,25	0,10	0,24Т|	—	0,0067	0,0042
0,21	0,52	0,30	0,015	0,019	2,10	0,46	0.35	0,07	0.05Т1	0,007	0,0070	0,0115
0,16	0,42	0,34	0,017	0,015	2,27	0,43	0,28	0,10	—	—	0,0030	0,0040
0,16	0,42	0,34	0,008	0,015	2,27	0,43	0,28	0,10	—	—	0,0019	0,0040
0,17	1,0	0,33	0,014	0,012	0,16	1,16	0,51	0,15	—	—	0,0044	0,0067
0,17	1,0	0,33	0,005	0,012	0,16	1,16	0,51	0,15	0,04 А1	0.005	0.0014	0,0019

Эти трещины очень опасны, особенно при
обработке сталей на повышенные катего-
рии прочности. В этом случае они явля-
ются источником зарождения холодных
трещин (хрупкого разрушения).

Изменение процесса мартеновской
плавки (дуплекс-процесс основной) не от-
ражается существенно на склонности ста-
лей 20Х2МА и 16ГНМА к надрывам: они
образуются в обоих случаях (швы 1, 2, 3,
4, 7, 8, 9, 10, табл. 27).

Повышение чистоты этих сталей с по-
мощью ЭШП по сере, газам и другим при-
месям (см. табл. 26), снижение общего

содержания неметаллических включений и
равномерное распределение оставшихся
(рис. 124, 125) дали возможность пол-
ностью избавиться от образования надры-
вов в околошовной зоне. При этом уста-
новлена связь образования этих дефектов
с чистотой металла шва. Применение чи-
стой проволоки ЭШП (шов 11, табл. 27,
28) для сварки металла мартеновской
плавки или, наоборот, обычной проволоки
для сварки металла ЭШП (шов 5) не все-
гда дает положительный эффект. Избави-
ться от надрывов в околошовной зоне уда-
лось только при одновременном примене-

выполненных ЭШС на сталях 20Х2МА, 20Х2МШ, 15ГНМА и 15ГНМШ [57]

Содержание, %													
	с	Мп	81	5	Р	Сг	№	Мо	Си	Т1. А]	Се	[О]	[И]
	0,15	0,95	0,47	0,015	0,019	2,19	0,35	0,30	0,046					6,0095	0,0045
	0,10	1,30	0,52	0,012	0,020	2,30	0,19	0,52	0,08—	—	—	0,0088	0,0035
	0,12	0,70	0,23	0,017	0,019	0,10	1.0	0,54	0,17	—		0,0075	0,0145
	0,13	1,3	0,49	0,010	0,018	2,25	0,27	0,43	0,06	0,03 Т1	Следы	0,0092	0,0080
	0,10	1,3	0,52	0.009	0,020	2,30	0.19	0.52	0,08	—	—	0,0095	0,0154
	о.п	0,62	0,21	0,0046	0.014	0.12	1,00	0,55	0,15	0,02 А1	Следы	0,0054	0,0055
	0,18	0.72	0.32	0,012	0,014	2,10	0,47	0,36	0,05	0,08 Т1	—	0,0165	0,0053
	0,10	0,80	0,25	0,020	0,020	0,68	0,78	0,51	0,08	—	—	0,0097	0,0030
	0,10	0,80	0,25	0.006	0,020	0,68	0,78	0,51	0,08	—	—	0,0078	0,0027
	0,10	0,68	0,28	0,014	0,026	4,0	0,33	0,62	0,05	—	—	0,0085	0,0080
	0,12	0,70	0,23	0,0036	0,019	0,10	1.0	0,54	0,17	—	—	0,0080	0,0100
	0,11	0,62	0,21	0,020	0,014	0,12	1.0	0.55	0,15	0,02 А1	Следы	0,0064	0,0148
Рис. 124. Серные отпечатки продольного сечения листовой стали 16ГНМ толщиной 115 мм
(а, б), 18Х2М толщиной ПО (в, г) мм и 09Г2С толщиной 80 мм (д, е):

а. в, д — мартеновский металл; б. г, е — металл ЭШП [891.
Таблица 28. Влияние чистоты и микролегирования Т|, А1 и РеСе сталей типа 20Х2МАи 16ГНМА
на образование надрывов при ЭШС [57]

Группа опытов	Номер шва	Марка стали, номер плавки	Способ выплавки	Сварочная проволока	Количество надрывов в околошовной зоне на	
					3 микро- шлифах	12 микро- шлифах
Первая	1	20Х2МА,	Мартеновский дуплекс-	Св-08ХЗГ2СМ	5	6
	2	Н-2732 20Х2МА.  716538	процесс  Мартеновский, основной	Св-08ХЗГ2СМ	5	6
						
						
	3	16ГНМА, 123323	» »	Св-ЮНМ	3	4
	11	16ГНМА, 123323	д	я	Св-ЮНМ ЭШП	4	7
	6	16ГНМШ,	ЭШП + обработка (А1 +	Св-ЮНМ ЭШП	0	0
		123327	+ РеСе), исходная плавка,			
		(исходная)	мартеновский, основной			
Вторая	5	20Х2МШ	ЭШП, исходная плавка,	Св-08ХЗГ2СМ	0	1
		716538 (исходная)	мартеновский, основной			
	4	20Х2МА	Мартеновский дуплекс-про- цесс + обработка (Т1-|-ЕеСе)	Св-08ХЗГ2СМ	2	3

нии чистого свариваемого и сварочного
материалов, полученных методом ЭШП
(шов 6, табл. 27, 28).

Обработка расплава по ходу ЭШП
А1 + РеСе повышает сопротивляемость
свариваемой стали образованию надрывов
в околошовной зоне.

Рис. 125. Микроструктура катаной стали
16ГНМ толщиной ПО мм в околошовной зоне,
Х300:

а — мартеновский металл; сульфиды имеют вытянутую
форму; б — металл ЭШП; крупных сульфидов нет [41].

Если в стали имеются крупные скоп-
ления неметаллических включений на ос-
нове сульфидов, то в деформированном
металле они вытягиваются в виде слоев.
Это в большей мере характерно для ста-
лей с повышенным содержанием марган-
ца, например 09Г2С (см. рис. 124, д) [71,
89], 16ГНМ (см. рис. 124, а; 125, а) [59],
16Г2АФ [17] и др. В хорошо раскислен-
ной (кремнием и алюминием) марганцо-
вистой стали, когда Мп/8 > 30, сернистые
включения представляют собой почти чис-
ый Мп8 [13, 17], отличающийся высокой
пластичностью. Включения такого типа хо-
рошо раскатываются (табл. 29), резко
снижают прочность и пластичность стали
по толщине (табл. 30) [41, 71, 89, 90, 125,
129, 131] и образуют при сварке околошов
ные слоистые (ламелярные) трещины (см.
рис. 105, г, 106) [17, 89].

Критерием оценки стойкости сталей
против ламелярных трещин в околошов-
ной зоне принята величина относительного
сужения фг (в процентах) в направлении
толщины проката [17, 136, 142]. Считают,
что если относительное сужение стали при
испытании на статическое растяжение в
направлении толщины проката больше
25%, то сталь стойкая против ламелярных
трещин, при фг = 15 4-25% она ведет себя
умеренно, а при фг < 15% весьма склон-
на к образованию указанных трещин.
Исходя из этого критерия мартенов-
ские стали 16ГНМА, 09Г2С и 16Г2АФ
конкретных исследованных плавок мож-
но оценить следующим образом (см.
табл. 30):

1)	сталь 16ГНМА (ф2 — 42,5 4-
47,0%) — стойкая против ламелярных тре-
щин;

2)	сталь 16Г2АФ (ф2 = 22,2%)—уме-
ренно склонна;

3)	сталь 09Г2С	(ф2 = 0) — весьма

склонна.

Эффективным средством предотвраще-
ния склонности сталей и сплавов к ламе-
лярным трещинам при сварке является
ЭШП. Из табл. 30 следует, что ЭШП
значительно повысил стойкость сталей
16Г2АФ, 09Г2С и 16ГНМ против этого
вида трещин. Так, относительное сужение
фг стали 16Г2АФ по толщине листа уве-
личилось с 22,2 до 75,2 % (в 3,4 раза),
стали 16ГНМ — с 42,5—47,0 до 64,5—70,4%
(в 1,4 раза), а стали 09Г2С — с 0 до 77,4—
78,0%. Значительно улучшились осталь-
ные прочностные и пластические свойства
указанных сталей.

Авторы работы [55] оценивали склон-
ность сварных соединений из высокопроч-
ной среднелегированной листовой стали
35Х2Н2М толщиной 15 мм, прошедшей
ЭШП, по сравнению с исходной мартенов-
ской сталью к холодным трещинам (за-
медленному разрушению) (табл. 31). При
длительном нагружении образцов (в те-
чение более 24 ч) сварные соединения на
металле ЭШП не разрушаются при на-
грузке 13 кгс/мм2, в то время как на ис-
ходном мартеновском металле холодные
трещины образовались уже при нагрузке
8 кгс/мм2 (рис. 126).

Стойкость сварных соединений против
холодных трещин на металле ЭШП воз-
росла на 50%.

Таблица 29. Сравнительная характеристика листов стали 09Г2С мартеновской выплавки (над чертой)
и после ЭШП (под чертой) по дефектам, обнаруживаемым с помощью ультразвукового контроля [90]

Виды дефектов (включений)	Топография дефектов по длине листа (% к донной части)				
	0—20 (низ слитка)	20—40	40—60	60—80	80—100 (верх слитка)
Отдельные точечные	+	+	+	+	+
	—	—.	—.	.—	+
Скопления точечных	+	+	+	+	+
	—	——	—.	—	—
Отдельные площадью 50000 мм2	+	+	+	+	+
					—	—	—
Скопления 5 < 1000 мм2 более 4 шт.					
в квадрате 200 x200 мм или более	+	—	—	+	+
15 шт. в квадрате 1000 X 1000 мм	—	—	—	—	—
Отдельные площадью 5> 1000 мм2	+	+	+	+	+
1	—	—	—	—	—

Примечание, 100%-ному ультразвуковому контролю подвергли по 8 листов толщиной 40 мм из мартенов-
ских н электрошлаковых слитков массой 14—15 т. Знак «плюс» — имеются дефекты; знак «минус» — дефектов
нет.
Таблица 30. Влияние ЭШП на стойкость листовых сталей 16ГНМ [41] 16Г2АФ [17] и 09Г2С
[62] против ламелярных трещин

Марка стали	Способ выплавки	Толщи- на лис- тов, мм	Направление вырез- ки образцов	Относитель- ное сужение при 20°С, %	Стойкость стали против ламеляр- ных трещин
16ГНМ	Мартеновский, основной	110	Вдоль проката  Поперек проката  По толщине листа	63,6—67,8  65,8  62,9—68,5  66,5  42,5—47,0  45,5	Стойкая
	То же, после ЭШП с раски- слением расплава А1 + РеСе по ходу плавки	но	Вдоль проката  Поперек проката  По толщине листа	66,8—71,4  69,3  66,5—69,5  68,1 64,51—70,4  67,5	Весьма стойкая
16Г2АФ	Мартеновский	30	Вдоль проката Поперек проката По толщине листа	67,3  71,7  22,2	Умеренно склонна к тре- щинам
	Мартеновский, после ЭШП под флюсом системы  СаР2 — СаО — А12О3 — М^О	30	Вдоль проката Поперек проката По толщине листа	77,2  76,0  75,2	Весьма стойкая
09Г2С	Мартеновский	80	Вдоль проката  Поперек проката  По толщине листа	70,0—76,6 75,4  71,6—73,3  72,4 0,0  (образцы разруша- лись хруп- ко)	Весьма склон- на к трещинам
	Мартеновский, после ЭШ П	80	Вдоль проката  Поперек проката  По толщине листа	78,9—84,8  80,1  80,5—83,2  81,9  77,4—78,0  77,7	Весьма стойкая

Примечание. Термическая обработка сталей перед испытаниями на разрыв: 16ГНМ — стандартная (состо-
яние поставки); 16Г2АФ — нормализация при 950° С; 09Г2С — нормализация при 920 ° С. В числителе даны пре-
дельные значения, а в знаменателе — средние.

По мнению авторов работы [55], хо-
лодные трещины на высокопрочных ста-
лях развиваются из зародышей — горячих
микронадрывов. В мартеновском металле
неметаллические включения располагают-
ся в виде слоев (строчек в поперечном
сечении) вдоль проката и представляют
собой железомарганцевые сульфиды, ок-
сисульфиды, а также сульфостекла. На
расстоянии до 0,1 мм от поверхности

сплавления в свариваемом металле суль-
фидные включения подплавляются под
действием сварочного нагрева. В резуль-
тате границы зерен обогащаются пленка-
ми сложных эвтектик, по которым обра-
зуются горячие микронадрывы, являющие-
ся источником холодных трещин.

В металле ЭШП неметаллические
включения, если они обнаруживаются,
имеют глобулярную форму (оксисульфид).
Таблица 31. Влияние ЭШП на содержание вредных примесей, газов и неметаллических
включений (%) в высокопрочной стали 35Х2Н2М [55]

Исследуемый металл	Содержание, %				Н, мл на 100 г	Неметалли- ческие вклю- чения, %
	5	р	О	ы		
Исходный мартеновский	0,025	0,016	0,0046	0,0123	1,10	0,0310
То же, после ЭШП	0,008	0,014	0,0031	0,0078	0,83	0,0115

Такие включения более тугоплавки и не
опасны с точки зрения образования го-
рячих микронадрывов в околошовной зоне.

Очищение стали только от сульфидов
для достижения повышенной стойкости
против холодных околошовных трещин не-
достаточно. Требуется очистить сталь
также от водорода, являющегося интен-
сивным возбудителем холодных трещин
[57, 89, 140]. Эта задача успешно реша-
ется с помощью ЭШП. На современном
этапе методом ЭШП получают слитки с
весьма низким содержанием водорода
(1,5—2,5 мл на 100 г), что удовлетворяет
самым жестким требованиям (58, 65].

Очень важно не допустить обогащения
водородом металла шва, так как он ин-
тенсивно диффундирует в околошовную
зону и вызывает холодные трещины. Во-
дород в шов попадает из сварочного флю-
са, покрытия электродов и с присадочной
проволокой. Так, при сварке стали
12Х2ГМР [100] под флюсом АН-17М
(система СаГ2 — СаО — 51О2 — А12О3 —
—М^О — РеО) с влажностью 0,017% со-
держание водорода в шве составляло 2 см3
на 100 г металла, а при 0,04% — уже 8 см3
на 100 г металла. Прокалка флюса при

Рис. 126. Кривые замедленного разрушения
сварных соединений на высокопрочной стали
35Х2Н2М толщиной 15 мм, выполненных про-
волокой Св-10ХГСН2МТ под флюсом АН-15:

1 — мартеновская сталь; 2 — мартеновская сталь
после ЭШП 1551.

470—500° С позволила ликвидировать на-
сыщение металла шва водородом.

Хорошие результаты обеспечивает в
этом случае применение чистой сварочной
проволоки, полученной методом ЭШП
[31]. Такая проволока имеет низкое со-
держание не только водорода, но и серы.
В результате стойкость металла шва про-
тив горячих надрывов и холодных трещин
резко возрастает.

Следует отметить еще один важный
факт. Стали ЭШП отличаются повышен-
ной плотностью [35, 46, 67] и, как резуль-
тат, пониженной водородопроннцаемостью.
Так, по данным работы [89], водородопро-
ницаемость стали 16ГНМ электрошлако-
вой выплавки в 2—2,5 раза ниже, чем
мартеновского металла (рис. 127). Это по-
ложительно сказывается на стойкости ста-
ли против образования холодных трещин
в околошовной зоне. Даже в случае при-
менения рядовых сварочных материалов
трещин типа отколов (см. рис. 109, а) на
металле ЭШП благодаря более высокой
его плотности (задерживается диффузия
водорода из металла шва в околошовную
зону) значительно меньше. Такие данные
были получены, например, при сварке ста-
ли 16ГНМ электродами УОНИ 13/45 и
АНО-4 [89] (табл. 32).

Повышение стойкости сварных соеди-
нений против холодных трещин было до-
стигнуто также на высокопрочных сталях
ЗОХГСНА, ВКС-1, ВЛ1-Д, ЭИ643, полу-
ченных методом ЭШП, ВИП, ВДП и ЭЛП
[40].

Английские исследователи [89, 127]
столкнулись с затруднениями при сварке
поковок из углеродистомарганцевой стали
типа 20 Г, выплавленной в вакууме и имею-
щей низкое содержание серы (0,008%).
Для объяснения пониженной свариваемо-
сти (склонности к холодным трещинам)
Таблица 32. Склонность к холодным трещинам в околошовной зоне стали 18Х2М на
модифицированной пробе Теккена * [89]

Марка сва- рочных элек- тродов	Т емпература прокалки электродов.  °С	Способ выплавки	Температура по- догрева образца перед сваркой, °С	Наличие трещин в сечеинях **				
				1	2	3	4	5
УОНН	550	Мартеновский	Без подогрева	4-	4-	—	—	—
13/45		ЭШП	» »	—	—	—	—	—
	350	Мартеновский	130	4-	+	4-		+
		ЭШП	130	+	+	—	—	—
АНО-4	350	Мартеновский	150	4-	+	+	4-	4-
		ЭШП	150	—	—	—	—	—

• Двусторонняя сварка толстой пластины со скошенной 15-образной разделкой.
Знак «плюс» — имеются трещины, знак «минус» — трещин нет.

чистой по сере стали они выдвинули гипо-
тезу критического давления водорода в
пустотах (ловушках), образующихся на
границе включений типа Мп8— железная
матрица. Эти пустоты возникают вслед-
ствие разного коэффициента их объемного
сжатия (у сульфида марганца он выше).

Согласно этой гипотезе снижение в
стали серы приводит к уменьшению числа
пустот. Давление, создаваемое водородом,
попадающим в околошовную зону различ-
ными путями (преимущественно из метал-
ла шва), в указанных пустотах тем боль-
ше, чем меньше суммарный их объем.
Следовательно, по мнению авторов этих
работ, водород в чистых сталях должен
оказывать большее давление в пустотах,
что и приводит к более высокой чувстви-
тельности стали в околошовной зоне к хо-
лодным трещинам.

Такая точка зрения не совпадает с
данными советских исследователей, бази-
рующимися на большом эксперименталь-
ном материале и свидетельствующими о
положительной роли чистоты стали по
сере и водороду на ее сопротивляемость
холодным трещинам при сварке. Это объ-
ясняется тем, что английские исследова-
тели недостаточно тщательно учли все
факторы, имевшие место при сварке стали
20Г с пониженным содержанием серы.
Так, при химическом анализе «чистого»
металла, показавшего склонность к холод-
ным трещинам, авторы работы [140] не
увидели, что поковки имели повышенное
содержание вредных примесей (0,041% Р;
0,037% 8п), понижающих стойкость ста-

лей против холодных трещин. Сварка про-
изводилась электродами с довольно высо-
ким содержанием водорода в металле шва,
равным 8—10 мл на 100 г. В результате
положительный эффект от уменьшения ко-
личества сульфидных включений в стали
не был реализован. Интересно отметить,
что при сварке в СОа, обеспечивающей бо-
лее низкое содержание водорода в метал-
ле шва (4,9 мл на 100 г), уменьшение серы
в стали 20Г уже не оказывало такого от-
рицательного влияния на ее свариваемость
[127, 89].

Гипотезу водородного охрупчивания
авторы статьи [140] основывают на пред-
посылке о меньшей скорости диффузии во-

Рис. 127. Влияние способа выплавки стали
16ГНМ на водородопроницаемость (т — время
до появления пузырьков водорода, прошедшего
через пластинку стали толщиной 0,6—0,62 мм):
1—диффузия водорода вдоль проката; 2 — то же,
поперек проката [89]; 7— мартеновский: /7 —ЭШП.
Таблица 33. Влияние ЭШП на механические свойства стали 09Г2С в участке перегрева
околошовной зоны [71]

Сталь	ан кгс-м/см2				
	Сталь до сваркн (поперек прока- та)	Околошовная зона			
		Без старения		После старения	
		Без нормали- зации	После нормали- зации	Без нормали- зации	После нормали- зации
Мартеновский  После ЭШП	9,5—22,0  22,5—24,5	3,5—13,0  26,0—35,5	15,5—21,5  Не определяли	1,5—12,5  16,5—19,5	9,0—10,0 Не определяли

Примечание. Сварка стали толщиной 100 мм выполнялась методом ЭШС с использованием стандартной
проволоки Св-10Г2 обычного качества и флюса АН-8. Ударная вязкость дана при —20 °С.

дорода в сталях, имеющих повышенное
содержание серы, по сравнению со ско-
ростью диффузии водорода в более чистых
сталях. В результате разницы в скоростях
диффузии водород вовлекается в большое
количество пустот, образуемых Мп8, и
чувствительность стали к холодным тре-
щинам снижается. Эта предпосылка явно
ошибочна. Скорость диффузии водорода в
чистой по сере стали, как уже указывалось
[89], наоборот, ниже.

Советские исследователи убедительно
доказали положительную роль ЭШП и
других рафинирующих переплавов в повы-
шении стойкости закаливающихся сталей
против холодных трещин при сварке. Од-
нако, поскольку имеются различные точки

зрения на эту проблему, проведение даль-
нейших исследований в этом направлении
представляется совершенно необходимым.

Исключительно важной является про-
блема повышения вязкости металла в око-
лошовной зоне. В производстве котлов,
сосудов и других изделий из толстолисто-
вых сталей широко применяется ЭШС.
Известно, что ЭШС вызывает перегрев
металла в околошовной зоне, сопровожда-
ющийся ростом зерна и заметным сниже-
нием его ударной вязкости (см. табл. 33,
34) [41, 71, 89, 90, 117]. Снижение удар-
ной вязкости наблюдается в ряде случаев
и при дуговой сварке.

Для восстановления ударной вязкости
сварных соединений требуется дорогостоя-

Таблица 34. Результаты испытаний на ударный изгиб металла околошовной зоны сварных швов
на стали 09Г2С толщиной 80 мм, выполненных методом ЭШС [90]

Способ выплавки	Режим тер- мической об- работки	ан кгс-м/см2, прн температуре испытаний. °С					
		20	—20	—30	—70	—90	-ПО
Мартенов- ский  ЭШП	Нормализа- ция Отпуск  Нормализа- ция  Отпуск	21,4—23,3  22,3  18,7—25,7  20.1  35,8—35,9  35,8  35,5—35,8  35,6	Не опр.  19,2—25,0 19,5  Не опр.	13,7—14,5 14,1 1,5—5,1 тк Не опр.  »	12,5—13,1 12,8  Не опр.  26,8—31,6  29,2  6,3—19,6  12.9	0,9—6,9  Т к Не опр.  11,6—21,2  16,4 2,5—18,7 т.	Не опр.  » »  1,9-8,5  Т к 0,4—1,0 0,75

Примечание. ЭШС выполнялась стандартной проволокой СВ-10Г2 диаметром 3 мм. Надрез выполнялся на
расстоянии 2 мм от линии сплавления шва с основным металлом. В числителе даны минимальные и максималь-
ные значечия а , в знаменателе—средние.
Рис. 128. Повышение ударной вязкости метал-
ла в околошовной зоне стали 16ГНМ с по-
мощью ЭШП (механизированная сварка под
флюсом листов толщиной НО мм; термическая
обработка — отпуск при 670+10°С, 5 ч [41]):
/ — мартеновский металл; 2 — металл ЭШП.

щая операция — нормализация. Эта опе-
рация далеко не всегда возможна, напри-
мер в монтажных условиях, из-за боль-
ших размеров изделий (котлы, сосуды)
или боязни потери их формы и т. д.

Если бы удалось уменьшить отрица-
тельное влияние сварки на ударную вяз-
кость металла в околошовной зоне, то
можно было бы отказаться от нормализа-
ции сварных соединений (920—950° С для
низко- и среднелегированных сталей) и
ограничиться только высоким отпуском
(600—650° С) для снятия сварочных на-
пряжений, а в ряде случаев и вообще от-
казаться от их термической обработки.

Такая возможность впервые предста-
вилась при использовании металла ЭШП
ЭШП весьма заметно повышает пластич-
ность сталей, поэтому естественно, что при
ЭШС переплавленных сталей практически
не наблюдается снижения ударной вязко-
сти металла в околошовной зоне (табл. 33
и 34) [71, 90] (рис. 128).

Из табл. 33 следует [71], что при элек-
трошлаковой сварке (ЭШС) стали 09Г2С
электрошлаковой выплавки ударная вяз-
кость металла в околошовной зоне без
нормализации практически не снижает-
ся. Даже после старения наклепом она
не падает ниже 16,5 кгс • м/см2 (против
1,5 кгс • м/мм2 для стали мартеновской вы
плавки).

Применение металла ЭШП позволяет
значительно снизить порог хладноломко-
сти Тк металла в околошовной зоне (см.
табл. 34).

Так, для нормализованных сварных со-
единений из стали 09Г2С ЭШП Тк сни-
зился на 20° С в сторону отрицательных
температур (от —90 до —110° С) по
сравнению с использованием мартеновской
стали, а для отпущенных — на 60° С (от
—30 до —90° С). Это еще раз свидетель-
ствует о более высокой пластичности элек-
трошлакового металла в околошовной
зоне.

Рис. 130. Малоцикловая усталость сварных
соединений литых патрубков диаметром 245 X
X 45 мм, полученных обычной отливкой (2,4)
и методом ЭШЛ (1, 8) из стали 15Х1М1Ф:

/. 2 — экспериментальные кривые при / = 60 циклов/ч
и Г = 565° С; 3, 4 — то же, при /	2 цикла/ч; Ыу—

число циклов до разрушения; а —амплитуда напря-
жений [2].

Рис. 129. Изменение ударной вязкости и крити-
ческой температуры хрупкости Тк металла в
в околошовной зоне сварного соединения труб
диаметром 245 X 45 мм из литых сталей
15Х1МФЛ обычной отливки (1) и 15Х1М1ФШ
электрошлаковой отливки (2), выполненного
электродами ЦЛ-20М (К — процент кристалли-
ческого излома) [4].
Таблица 35. Характеристики критического раскрытия трещины в околошовной зоне сварных
соединений патрубков диаметром 245x45 мм из стали 15Х1М1Ф обычной и электрошлаковой
отливки [4]

Марка стали	Критическое раскры- тие трещины, полу- ченное прямым из- мерением 6С , М’	Удельная энер- гия разрушения, кгс- мм/мм2	Вязкость разру- шения,  ° 5 ~6с ° 0,2
15Х1М1ФЛ (обычное литье): без термообработки	0,062—0,073			—
после стандартной термообработки	0,067 0,413—0,519	30,4	28,5
15Х1М1ФШ ЭШЛ: без термообработки	0,460  0,145—0,168	—	—-
после стандартной термообработки	0.157 0,60—0,65	44,6	42,0
	0,63		

Примечание Мет дика предусматривает испыт 1 не образцов с надрезом г=0,03 мм при Т-2& С и ско-
рости деф рмиров^ния о=1 Раскрытие трещины фиксируется с помощью микроскопа [112]- В числителе даны
минимальные и максимальные значения, в знаменателе — средине

Как видно из табл. 34, ударная вяз-
кость металла ЭШП в околошовной зоне
(в зоне перегрева) стали 09Г2С в состоя-
нии после отпуска (650° С) такая же
(и выше), как и для швов обычной мар-
теновской стали после нормализации
(920° С).

Таким образом, ЭШП делает сталь
09Г2С малочувствительной к перегреву,
вызванному ЭШС. Подобные данные были
получены также при исследовании свари-
ваемости котельных сталей 16ГНМ и
18Х2М [41, 90]

Весьма перспективным является при-
менение электроннолучевой сварки (ЭЛС)
в производстве изделий из толстолистовых
низко- и среднелегированных сталей [30,
82, 138]. При этом способе сварки наблю-
дается минимальный перегрев металла в
околошовной зоне и наименьшее снижение
ударной вязкости. Так, ударная вязкость
зоны термического влияния при ЭЛС тол-
столистовой стали 18Х2М ЭШП на 20—
30% выше, чем у мартеновской стали [82].
Подобное явление наблюдали также ав-
торы работы [30] при ЭЛС котельной ста-
ли 22К толщиной 120 мм.

Следует остановиться на влиянии ЭШП
на чувствительность сварных соединений
из низко- и среднелегированных сталей к
локальным разрушениям [35, 52]. Причи-

на образования этих опасных дефектов
та же, что и в случае применения высоко-
легированных сталей — неудовлетворитель-
ное сочетание длительной прочности и
пластичности металла в околошовной зоне.
Например, в работе [29] приводятся сле-
дующие данные о свойствах металла в
зоне локальной трещины на штампованном
корпусе из теплоустойчивой хромомолиб-
денованадиевой стали 14МоУ63, нахо-
дившемся в эксплуатации около 100 тыс. ч
(ов = 94 4- 100 кгс/мм2, а ан всего лишь
0,4—1,0 кгс-м/см2). Поскольку эта сталь
к тому же чувствительна к образованию
горячих надрывов в околошовной зоне,
вероятность образования локальных раз-
рушений велика. И здесь ЭШП оказался
весьма полезным.

В настоящее время методом ЭШЛ из-
готовляют первоклассные корпуса клапа-
нов и задвижек для тепловой и атомной
энергетики, всевозможные отливки [75,
88]. При сварке плавлением таких изде-
лий, несмотря на то что они имеют литую
структуру, кристаллизационные трещины,
локальные разрушения и другие дефекты
не возникают. В работе [4] исследовали
качество и эксплуатационную надежность
сварных соединений патрубков диаметром
245 X 45 мм из литых сталей 15Х1М1ФЛ
(обычное литье) и 15Х1М1ФШ (ЭШЛ).
Сварка производилась электродами
ЦЛ-20М в одинаковых условиях. Металл в
околошовной зоне литых патрубков, по-
лученных методом ЭШП, имеет высокие
свойства (грисх = 29%, а фэшл 68%) не
только после стандартной термической об-
работки (нормализация + отпуск), но и в
ИСХОДНОМ СОСТОЯНИИ ((1рисх = 32% и
фэшл = 65%), что является гарантией
его высокой стойкости против локальных
разрушений.

Преимущество ЭШЛ подтверждается
также определением критической темпера-
туры хрупкости Тк металла в околошов-
ной зоне (рис. 129), характеристик раз-
вития в нем трещин (табл. 35) и мало-
цикловой усталости сварных соединений
(рис. 130).

Из полученных данных следует, что Тк
литого электрошлакового металла в око-
лошовной зоне (см. рис. 130) равен 10° С,
а металла открытой дуговой выплавки —
35° С, что на 25° С выше. Это значит, что
в реальных условиях при сварке паропро-
водов и арматуры, отличающихся, как
известно, большой жесткостью, в сварных
соединениях на обычной литой арматуре
локальные разрушения могут возникнуть
уже в процессе сварки или во время тер-
мической обработки стыков.

Удельная энергия и вязкость разруше-
ния при критическом раскрытии трещины
(испытаниям подвергали образцы 15 X
15X150 мм с надрезом в околошовной
зоне, острота которого /? = 0,03 мм при-
ближалась к реальным трещинам) на
электрошлаковом литом металле в 1,5 ра-
за выше, чем обычного электродугового
(см. табл. 35), а долговечность (см.
рис. 130) выше в 1,5—2,0 раза. Это откры-
вает большие перспективы использования
литого электрошлакового металла для
сварных конструкций в энергетике, судо-
строении и других отраслях. Большой ин-
терес представляет получение методом
ЭШЛ бесшовных толстостенных (6 = 17 ->
4-82 мм) труб больших диаметров (500—
1200 мм) для сварных паропроводов теп-
ловых и атомных станций [92].

ЭШП повышает общую коррозионную
стойкость сталей и сплавов [43]. Данные
о влиянии этого процесса на коррозион-
ную стойкость сварных соединений (напри-

Рис. 131. Зависимость глубины проплавления Н
и ширины шва Ь от величины сварочного тока
при АДС стали ВКС-1 обычной выплавки
(крестики) и после ЭШП (кружки) [59].

мер, ножевую коррозию и др.) в литера-
туре пока отсутствуют, но есть все осно-
вания полагать, что это влияние также
будет положительным.

До сих пор речь шла о положитель-
ном влиянии ЭШП на свариваемость ста-
лей и сплавов. Есть, однако, и отрица-
тельные факторы. При АДС сталей, под-
вергнутых ЭШП, снижается глубина про-
плавления [59, 86], стали ЭШП более
склонны к росту зерна при нагреве [25].

При АДС * вольфрамовым электродом
высокопрочной листовой стали 42Х2ГСНМ
[86], подвергнутой ЭШП, было обнаруже-
но новое явление: по сравнению со сталью
обычной выплавки глубина проплавления
рафинированной стали уменьшается, а
ширина его увеличивается в 1,5—2 раза
(рис. 131, 132).

Аналогичное явление было обнаружено
также при АДС других высокопрочных
мартенситных сталей типа ХЗСНМВФ и
Х2ГСНМ и мартенситно-стареющей стали
типа Н18К9М5Т [59], рафинированных
методом ЭШП.

Попытка получить нормальную форму
шва на рафинированных сталях путем из-
менения тока, напряжения и скорости
сварки при АДС не дала положительного

♦ При сварке другими методами указанное яв-
ление не обнаруживается.
Глава Ш. Технологические свойства электрошлакового металла

128

Рис. 132. Изменение глубины проплавления при
АДС на одинаковом режиме стали 42Х2ГСНМ
обычной (а) и электрошлаковой выплавки (б)
[58. 86].

результата. Повышение тока как основно-
го средства увеличения провара при свар-
ке приводило лишь к перегреву металла
в околошовной зоне и снижению его удар-
ной вязкости, что крайне нежелательно
при изготовлении изделий из высокопроч-
ных сталей, обладающих и без того по-
ниженным запасом пластичности.

Изменение формы проплавления ме-
талла при АДС характерно и для других
методов улучшения качества металла. Так,
в работе [1] сообщается, что это явление
было обнаружено при АДС стабильно-
аустенитной коррозионностойкой стали
ЭИ943 (06ХН28МДТ), полученной мето-
дом ЭЛП. Причиной уменьшения проплав-
ления во всех случаях является повыше-
ние чистоты стали.

Наблюдениями установлено, что изме-
нение формы проплавления стали различ-

ных способов выплавки сопровождается
изменением формы столба дуги и темпе-
ратуры анода. Температура анода при
сварке стали ЭШП (сварка на прямой по-
лярности; анодом при этом служит сва-
риваемая сталь) снижается на 70—100° С,
что и приводит к заметному уменьшению
глубины проплавления.

Указанным изменениям соответствует
определенный состав паров основного ме-
талла в дуговом промежутке [123]. При-
чем это явление имеет место при практи-
чески незначительном изменении содержа-
ния легирующих элементов и примесей в
стали (табл. 36).

В процессе ЭШП сталь подвергается
эффективному рафинированию от кислоро-
да и серы. Было высказано предположе-
ние, что именно эти элементы ответствен-
ны за изменение формы шва при АДС.
Серия опытов по АДС вольфрамовой ду-
гой электрошлаковой стали Х2ГСНМ тол-
щиной 6 мм с подачей в зону дуги кисло-
рода или серы и сварка стали этой пар-
тии с одинаковым содержанием серы
(0,003—0,004%) и различным содержани-
ем кислорода, а также с одинаковым со-
держанием кислорода (0,0030—0,0035%) и
различным содержанием серы подтверди-
ли это предположение (рис. 133).

Дальнейшие опыты показали, что зави-
симость проплавления от содержания ука-
занных элементов в малых концентрациях
(до 0,01 %) имела место и для аустенитных,
перлитных и мартенситно-стареющих ста-
лей. При больших концентрациях измене-
ние серы и кислорода в пределах несколь-
ких тысячных долей процента влияет на
форму и размеры швов значительно мень-
ше, чем в рассмотренном выше случае.

Следовательно, сера и кислород могут
оказывать двоякое влияние на сваривае-
мость высокопрочных сталей. С одной сто-

Таблица 36.

Изменение химического состава

стали 42Х2ГСНМ в результате ЭШП [86]

Спосо< выплавки	Содержание, %												[Н] мл на  100 г
	С	81	Мп	Ст	Ы1	Мо	V	5	р	ГСП	[*П	Са	
Открытый дуговой ЭШП	0,40 0,39	1,05  1,00	1,0  1,08	1,88  1,8	0,71  0,76	0,58  0,61	0,1  0,1	0,007  0,005	0,008  0,008	0,0085 0,0050	0,011  0,004	0,0047  0,0017	1,7  0,6
Адъюстажное отделе-
для сортовых
- трошлаковых
•ков.

ортовой ччектр >шла-
• чток на про-
- -дне
Печной пролет для
произволе"— с,—
вых и ли, ых
трот паковых слитков

129

Таблиц
стали 42Х

Осковно!

Металл

П р к меч

РОНЫ, VМ
ле сог.

Приялй пролет д

•	 1ДСТВВ лис

электрошлаковых
- тков
Таблица 37. Механические свойства металла швов, выполненных АДС на электрошлаковой
стали 42Х2ГСНМ [86]

Объект анализа	Способ сварки	кгс/мм2	6. %	4'. %	аЕ • КГС - М/СМ*
Основной (свариваемый) металл	—	194	8,2	36,1	5,0—6,0 5,2
Металл шва	Без активирующего флюса	189	6,3	24,6	3,1—4,5 3,6
» »	С флюсом	192	8,7	34,3	5,5—6,0  5,6

Примечание. В числителе даны минимальные и максимальные значения, ч знаменателе — средние.

роны, уменьшение их количества в метал-
ле создает предпосылки для повышения
пластичности, вязкости и увеличения стой-
кости сварных соединений против холод-
ных и горячих трещин, а с другой — при-
водит к ухудшению проплавления металла.

Углубленные исследования показали,
что сера и кислород — не единственные
элементы, влияющие на глубину проплав-
ления при сварке. Регулирование содер-
жания серы, кислорода и других элемен-
тов в стали для облегчения условий свар-
ки является весьма трудной задачей. Бо-
лее перспективным и целесообразным

Рис. 133. Влияние серы и кислорода, содержа-
щихся в стали 42Х2ГСНМШ, на глубину про-
плавления при АДС вольфрамовой дугой на
постоянном токе:

1 — 0,004 % 8; 2 — 0,0030—0,0038% О, [58].

оказалось восстановление проплавляемости
рафинированных сталей путем применения
новых приемов сварки, в частности приме-
нения активирующих флюсов [86]. Это
простая, дешевая и производственно на-
дежная технология. Для восстановления
проплавляемости высокопрочных сталей
электрошлаковой выплавки на 1 пог. м
шва в зону дуги при АДС вводится 0,1 г
активирующего флюса. Этого достаточно,
чтобы получить провар требуемой формы.

Применение активирующих флюсов пг>и
АДС вольфрамовой дугой рафинированных
высокопрочных сталей позволило не толь-
ко восстановить их проплавляемость, но и
улучшить энергетические характеристики
дуги. Глубина проплавления стали с ис-
пользованием активирующих флюсов уве-
личилась. При этом величина тока не
только не увеличилась, но, наоборот,
уменьшилась на 50—60%. В результате
уменьшились объем жидкой сварочной
ванны и величина погонной энергии свар-
ки, что благоприятно сказалось на первич-
ной кристаллизации металла шва. Умень-
шился перегрев металла в околошовной
зоне, повысилась вследствие этого плас-
тичность металла и, как результат, улуч-
шилась сопротивляемость сварного соеди-
нения образованию околошовных холод-
ных трещин.

На структуру и свойства швов поло-
жительно влияет также переход в металл
шва ряда элементов модификаторов: ти-
тана, церия, циркония и других, входящих
в состав активирующих флюсов. В резуль-
тате такие швы по прочности и пластич-
ности не уступают основному металлу
(табл. 37).

Таким образом, применение активи-
рующих флюсов позволило не только лег-
ко преодолеть трудности АДС высокопроч-
ных сталей электрошлаковой выплавки, но
и дало возможность получать сварные со-
единения более высокого качества.

Более интенсивный рост зерна при на-
греве (сварке) сталей и сплавов повышен-
ной чистоты (ЭШП и др.), как было пока-
зано выше, не ухудшает их свариваемости
и не снижает свойств основного металла
и сварных соединений. Из сказанного ясно,
что ЭШП является эффективным и надеж-
ным средством улучшения свариваемости
сталей и сплавов. Спрос на электрошла-
ковые стали и сплавы для сварных кон-
струкций с каждым годом увеличивается

§ 3.	Обрабатываемость

Едва ли требуется доказывать, что
структура металла, степень его чистоты,
однородность физических и механических
свойств (твердость, хрупкость, прочность,
вязкость, пластичность) оказывают самое
непосредственное влияние на его обраба-
тываемость. Рассмотрим два вида обра-
ботки металла — механической и электро-
химической.

К механической обработке относятся
все виды резания — точения (обточки, рас-
точки и т. д.), сверления, строжки, фрезе-
рования, а также все виды шлифования
(в том числе и так называемого силового
шлифования) и полирования абразивным
инструментом; к электрохимической обра-
ботке относятся электрополировка, элек-
трохимическое фрезерование, электроис-
кровая обработка и тому подобные опе-
рации.

В известной нам отечественной и зару-
бежной литературе практически нет све-
дений о количественных характеристиках
обрабатываемости электрошлакового ме-
талла по сравнению с металлом обычных
методов выплавки. Нет подобных сведе-
ний и об обрабатываемости металла, под-
вергшегося другим известным методам
внепечного рафинирования, в том числе и
различным переплавным процессам. По-
этому здесь ограничимся лишь качествен-

ными характеристиками воздействия ЭШП
на обрабатываемость сталей и сплавов.

Более высокая однородность электро-
шлакового металла по сравнению с обыч-
ным металлом, естественно, придает лю-
бым операциям резания стабильность и
гем самым благоприятствует решению
всех задач, связанных с автоматизацией
технологических процессов холодной обра-
ботки. Вместе с тем повышенная плот-
ность, вязкость и пластичность рафиниро-
ванного металла, отсутствие пористости,
несплошностей, строчечности затрудняют
протекание всех процессов, связанных со
снятием стружки, т. е. с ее образованием
и ломкой.

Напомним, что режущий инструмент,
изготовленный из металла ЭШП, вслед-
ствие плотности, однородности свойств,
чистоты обладает повышенной износо-
стойкостью и красностойкостью, т. е. луч-
шими режущими свойствами. Что же ка-
сается собственно резания металла ЭШП,
то здесь многие характеристики, полезные
для инструмента, как бы оборачиваются
против этого инструмента.

При холодной механической обработке
электрошлаковой стали затруднены опера-
ции ломки стружки, иногда довольно за-
метно возрастают усилия резания. С этим
приходится считаться на практике и неред-
ко вносить известные коррективы либо в
технологию и технику резания, либо в со-
ответствующие нормативные показатели
холодной обработки металла ЭШП. Мож-
но констатировать, таким образом, что
обработка резанием электрошлакового ме-
талла по сравнению с обработкой обыч-
ного металла в целом более трудоемка,
а значит, и несколько более дорогая.

Иное дело финишная обработка рафи-
нированного металла. Если деталь должна
иметь шлифованную или полированную
поверхность, то в этом случае на первый
план выдвигаются степень микрооднород-
ности обрабатываемого металла в нали-
чие в нем неметаллических включений.

Нет нужды подробно говорить о роли
неметаллических включений в полируемо-
сти металлических материалов. Хорошо из-
вестно, что лишь при достаточно высокой
дисперсии весьма малого количества очень
мелких неметаллических включений дости-
гается наиболее высокое качество поли-
ровки. Широкое применение рабочего ин-
струмента в виде валков, цилиндров, фор-
мирующих плит из электрошлакового ме-
талла в производстве металлической фоль-
ги, различного рода полимерных пленок,
декоративных листов из органических ма-
териалов, отходов деревообрабатывающей
промышленности и т. п. объясняется пре-
красной полпруемостыо, самой низкой
степенью шероховатости формирующей по-
верхности этого инструмента.

Если в металле содержатся неметалли-
ческие включения, особенно, если эти
включения остроугольны и тверды, при по-
лировке образуются так называемые ко-
меты, т. е. своего рода хвосты в металли-
ческой матрице, примыкающие к указан-
ным включениям. Металл с такими вклю-
чениями никогда не будет иметь зеркаль-
но гладкой поверхности, поверхность будет
визуально матовой, а под микроскопом бу-
дут четко видны кометы. При достаточно
крупных размерах частиц неметалличе-
ских включений или при наличии скопле-
ний этих частиц кометы обнаруживаются
уже при небольшом (в несколько раз)
увеличении или даже невооруженным гла-
зом.

Одним из главных факторов, способ-
ствовавших стремительному развитию
ЭШП в производстве холоднокатаного
листа, явилась его превосходная полируе-
мость. Это относится к низкоуглеродистым
нержавеющим сталям как хромистым, так
и хромоникелевым, а также к ряду высо-
коуглеродистых хромистых сталей.

Высокая степень чистоты электрошла-
кового металла по таким твердым вклю-
чениям, как нитриды и корунд, обусловила
использование его в производстве особо-
тонкостенных полированных труб для
тепловыделяющих элементов атомных ре-
акторов.

Итак, если говорить о холодной меха-
нической обработке электрошлакового ме-
талла, необходимо четко разграничивать
вопросы, касающиеся резания и финиш-
ной обработки. Операции резания метал-
ла ЭШП более трудоемки, чем в случае
обработки такого же металла обычной вы-
плавки. Однако на финишных операциях,
предусматривающих шлифовку, полнров-

ку, хонингование металлической поверхно-
сти, некоторое увеличение трудоемкости
полностью компенсируется самой низкой
степенью шероховатости поверхности, не-
достижимой при обработке металла от-
крытой выплавки.

В предыдущих разделах этой главы
упоминалось достаточно подробно о повы-
шенной коррозионной стойкости металла
ЭШП. Вполне естественно, что это обсто-
ятельство в известной мере замедляет
протекание всех технологических процес-
сов, относящихся к электрохимической об-
работке металла. Тем не менее некоторое
увеличение трудоемкости этих операций,
как и в случае тонкой механической обра
ботки, целиком компенсируется конечным
итогом электрохимической обработки
существенно более высоким качеством об-
работанной таким образом поверхности де
талей из электрошлакового металла.

§ 4.	Прокаливаемость

Одним из важнейших технологических
свойств стали является ее прокаливав
мость, т. е. способность получать закален-
ный слой с мартенситной или троостомар-
тенситной структурой и высокой твер-
достью на определенную (достаточно боль
шую) глубину. Прокаливаемость стали
имеет большое значение для обеспечения
высокой твердости, прочности, долговеч-
ности изделий, а также стабильности их
размеров, что особенно важно для шари-
коподшипниковых, инструментальных и
тому подобных сталей.

Известно, что при данном режиме
охлаждения металла прокаливаемость тем
выше, чем меньше критическая скорость
закалки, иными словами, чем выше устой-
чивость переохлажденного аустенита. По-
этому те факторы, которые повышают
устойчивость аустенита, способствуют уве-
личению прокаливаемое™.

Кроме широко известного влияния ле-
гирующих элементов одним из главных
факторов, оказывающих воздействие на
прокаливаемость стали, является величи-
на зерна. Уменьшение этой величины уве-
личивает критическую скорость закалки и
снижает прокаливаемость.
В связи с тем что при ЭШП химиче-
ский состав стали (имеются в виду леги-
рующие элементы) практически не изменя-
ется, существенным с точки зрения про-
к ал ива ем ости может оказаться влияние
рачмсра зерна. Однако единого мнения
относительно влияния ЭШП на размер
зерна и различные факторы термической
обработки у исследователей пет. Так, на-
пример, судя по данным работы [139],
стали ЭШП склонны к перегреву (т. е. к
росту зерна) при обычно рекомендуемой
температуре закалки. В работе [76] ука-
зывается, что критическая скорость закал-
ки в чистых (т е. рафинированных) же-
лезоуглеродистых сплавах выше, чем в
технических, поэтому прокаливаемость ра-
финированной (в том числе электрошлако-
вой) стали должна быть ниже.

Исследования [103] показали, что ЭШП
не изменяет величину аустенитного зерна,
не влияет на температуру начала мартен-
ситного превращения, на величину коэф-
фициента линейного расширения, на ми-
кро шквапию хрома, никеля я молибдена.
В оаботе [19] сделан вывод, что ЭШП не
лпяет на закаливаемость и в незначитель-
ной степени снижает прокаливаемость
ег-|.1и. Устойчивость против отпуска не за-
вчбшт от чистоты стали, а устойчивость
переохлажденного аустенита стали ЭШП
меньше, чем у исходного металла Разли-
чии в размере зерна стали исходной вы-
и.пвки и ЭШП до температуры 1000° С
щ наблюдали, при более высокой темпе-
ра гуре зерно в стали ЭШП становится
заметно больше, чем в загрязненной ис-
ходной стали. По мнению авторов работы
[12], ЭШП усиливает склонность нержа-
веющей стали к росту зерна. В работе
[132] показано, что ЭШП, напротив, за-
держивает рост зерна, в частности у ста-
ли 20ХМБФР [93]. Имеются данные [13,
24] о том, что ЭШП увеличивает склон-
ность сталей к росту зерна при нагреве
до температуры 1200—1250° С.

В работе [128] показано, что для по-
вышения выносливости надо снижать тем-
пературх’ закалки быстрорежущей стали
ЭШП'от 1280—1290 до 1250—'1270° С. По-
сле закалки сталь ЭШП имеет твердость
60. ННС на глубине 23 мм, а исходная
сгаль имеет такую же твердость только

на глубине 13 мм. Сталь ЭШП меньше
склонна к ликвации ЭШП способствует
снижению устойчивости переохлажденного
аустенита рессорной стали 60С2 [102].
Если средние размеры феррита в марте-
новской стали 16Г2АФ составляют 8,1 мкм,
то в стали ЭШП они уменьшаются до
6,2 мкм [91].

По мнению авторов работы [61], для
повышения прокаливаемое™ стали необ-
ходимо уменьшить ее загрязненность ок-
сидами и увеличить содержание сульфи-
дов. Примером может служить шведская
сталь фирмы 8КР с большим содержанием
серы и высоким уровнем прокаливаемое™
Исследования [102] не подтвердили этих
выводов и показали, что определяющим
фактором в обеспечении максимального
уровня прокаливаемое™ стали является
снижение содержания остаточного алюми-
ния (не более 0,01%) п повышение содер-
жания азота (не менее 0,015%).

Прокаливаемость электрошлаковой ста-
ли весьма существенно зависит от типа
флюса при ЭШП, т. е. от природы полу-
ченных включений. Так, например, ЭШП
на глиноземистом флюсе АНФ-6 обеспе-
чивает содержание остаточного алюминия
0,021% (на 0,006% больше, чем у исход-
ного металла), что обусловливает низкий
уровень прокаливаемое™ электрошлако-
вой стали ШХ15, а ЭШП на безглинозе-
мистом флюсе АНФ-1П снижает количе-
ство остаточного алюминия до 0,007%, это
обеспечивает исключительно высокую про-
каливаемость стали (содержание азота
0,022% не изменяется) [102].

Таким образом, влияние ЭШП на раз-
мер зерна, прокачиваемость и некоторые
другие структурные факторы в значитель-
ной степени зависит от типа флюса, об-
условливающего то или иное остаточное
содержание таких элементов, как алюми-
ний, азот, кислород, водород, сера, кото-
рые и опредечяют соответствующий уро-
вень показателей.

Аналогичный вывод можно сделать от-
носительно влияния ЭШП на различные
химико-термические обработки: цемента-
цию, азотирование и т. и. Повышенная
пластичность и вязкость электрошлаково-
го металла, его более совершенная ма-
кро- и микроструктура обеспечивают опре-
деленные преимущества стали ЭШП, под-
вергающейся химико-термической обработ-
ке. Необходимо отметить, что наряду с
этим общим положительным влиянием ре-
шающим фактором влияния ЭШП может
оказаться указанное выше косвенное влия-
ние переплава. Мы имеем в виду измене-
ние остаточного содержания некоторых
элементов, переходящих в металл из флю-
са. Вместе с тем нужно отметить, что при-
веденные выше данные различных иссле-
дователей и очевидный разнобой их мне-
ний явно свидетельствуют о недостаточной
изученности этого исключительно важного
вопроса, которая в конце концов привела
к совершенно необоснованной, неправиль-
ной практике автоматического перенесения
режимов термической обработки сталей
открытой выплавки для обработки элек-
трошлаковых сталей.

В настоящее время нет ни одного спра-
вочника по термической обработке, где бы
для стали ЭШП приводились какие-то осо-
бые режимы. Между тем, например, в ра-

боте [128] есть прямое указание на необ-
ходимость снизить на 20—30° С темпера-
туру закалки быстрорежущей электро-
шлаковой стали. Несмотря на большое
количество работ, до сих пор не найдены
оптимальные режимы термической обра-
ботки (в частности, закалки) для самой
массовой электрошлаковой стали — ШХ15.

Надо полагать, что установленная ав-
торами работы [128] тенденция снижения
температуры нагрева под закалку элек-
трошлаковых сталей (в сравнении со ста-
лями обычной выплавки) — правильная.
Она объясняется лучшей макро- и микро-
структурой электрошлакового металла, бо
лее высокой его плотностью, лучшей чи-
стотой границ зерен, что в какой-то степе-
ни тормозит диффузионные процессы, су-
жает обычные каналы протекания этих
процессов. Задача теперь состоит в том,
чтобы подробно исследовать эту тенден-
цию в конкретном приложении к наибо-
лее распространенным электрошлаковым
сталям.
ГЛАВА IV

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ
ШАРИКОПОДШИПНИКОВАЯ
СТАЛЬ

Подшипники качения различных типов
(шариковые, роликовые) применяются
практически во всех современных машинах
и механизмах и во многих случаях явля-
ются теми деталями, надежность и долго-
вечность которых определяют надежность
и долговечность агрегата или изделия в
целом.

В настоящее время промышленность
выпускает подшипники многих сотен ти-
поразмеров. В зависимости от назначения
их размеры колеблются от миллиметров
(приборные подшипники) до метров (под-
шипники электрогенераторов гидростан-
ций). Так, крупные сферические ролико-
подшипники, используемые для дробилок
медной руды, имеют наружный диаметр
2180 мм, внутренний — 1810 мм. В каждом
подшипнике 122 ролика, масса каждого
ролика 6 кг, а масса подшипника в сборе
около 3 т.

Шарикоподшипниковые стали произво-
дятся в различных странах с конца прош-
лого века, а в СССР производство стали
ШХ15 началось в годы первых пятилеток
(с 1931 г.), когда у нас была создана ша-
рикоподшипниковая промышленность. Во
всем мире стали этого класса очень несу-
щественно отличаются по химическому со-
ставу, о чем свидетельствуют данные
табл. 38. Широкое распространение ука-
занных сталей для изготовления подшип-
ников качения, инструмента и других де-
талей объясняется тем, что они обладают
высокой контактной прочностью и сопро-
тивляемостью износу, хорошей прокали-
ваемостыо. Важно также то, что они мало
легированы и поэтому недороги. Кроме
стали ШХ15 для производства крупнога-
баритных шарико- и роликоподшипников
(в основном для увеличения прокаливае-
мости) используется сталь ШХ15СГ, кото-
рая содержит повышенное количество
кремния и марганца.

[ Основным требованием, предъявляе-
Л мым к шарико- и роликоподшипникам,
V является долговечность их работы, т. е.

прежде всего высокая контактная вынос-
ливость. Срок службы элементов подшип-
ника в процессе эксплуатации зависит от
1

типов
зняются
ашипах
х явля-

дол го-
дность
;елия в

Таблица 38. Химический состав высокоуглеродистых сталей типа ШХ15, %

Стра- на	Марка стали	С	Сг	Мп	51	5	р	Ы1	Си
							не бс	лее	
СССР	ШХ15	0,95—1,10	1,30—1,65	•,2>-»,4е	0,15—0,35 0,20—0,35	0,020 0,025	0,027 0,025	0,30 0,35	0,25 0,25
США	52 100	0,95—1,10	1,30—1,65	0,25—0,45	0,15—0,35	0.020	0.025	—	—
ФРГ	ЮОСгб	0,95—1,05	1,40—1,65	0,25—0,40	0,10—0,35	0,050	0,050	0,35	0,25
Англия	Еп31	00,90—1,2	1,00—1,60	0,30—0,75					
Швеция	8КГ-3	0,95—1,05	1,40—1,65	0,25—0,35	0,25—0,35	—	0,020	0,20	—
Япония	81Л-2	0.95—1,05	1,30—1,60	0,50	0,15—0,35	0,030	0,030	—	—

енпость
тен ти-
шченля
шетров
в (под-
роста н-
эолико-
обилок
иаметр
:аждом
аждого
5 сборе

эоизво-
прош-
стали
и лет о к
на ша-
гь Во
> несу-
му со-
(анные
е ука-
)ДШИП-
их де-
адают
сопро-
экали-
 мало
Кроме
пнога-
гников
чивае-
кото-
зество

большого количества взаимосвязанных
факторов, что обусловливает исключив
тельную сложность условий их работы^-?

Характерной особенностью условий экс-
плуатации подшипников качения является
наличие значительных циклических нагру-
зок, вызывающих большие контактные на-
пряжения (до 600 кгс/мм2). Если учесть,
что в некоторых изделиях развиваются
скорости вращения, измеряемые десятками
и сотнями тысяч оборотов в минуту, то
становится понятным значение однород-
ности свойств и чистоты металла, из ко-
торого изготавливаются детали подшип-

ников. Необходимо отметить, что/Трёбова-у

Лгия, которые предъявляются к стали ШХ15’<7в среднем на 15%. Тем не менее даже при

•-использовании только наиболее плотной

чвляе-
[икам,

т. е.
ынос-
дшип-
ит от

/ в отношении ее загрязненности неметал-
/ лическими включениями, являются наибо-
лее жесткими из предъявляемых к любым
сталям.

Чем выше загрязненность стали, тем
больше вероятность попадания неметал-
лических включений в область повышен-
ных контактных напряжений на кольцах и
телах качения подшипника, тем ниже его
^долговечность,' Опыт работы отечествен-
ных'заводов и зарубежных фирм показал,
что применение подшипниковой стали, чи-
стой по включениям, с однородной и плот-
ной структурой позволяет резко улучшить
эксплуатационные характеристики под-
шипников и значительно повысить срок их
службы.

Получение шарикоподшипниковой ста-
ли с минимальной загрязненностью неме-
таллическими включениями представляет
собой одну из самых трудных задач со-
временной металлургии качественных ста-

лей. Наличие пористости, ликвации и дру-
гих дефектов макроструктуры значительно
снижает эксплуатационные характеристи-
ки подшипниковой стали; решающее же

влияние на ее
микродефекты.

В катаных
подшипниковых

долговечность оказывают

или кованых заготовках
сталей обычного производ-

ства, как правило, наблюдаются централь-
ная пористость и грубые строчечные скоп-
ления неметаллических включений. При
изготовлении из таких заготовок деталей
подшипника приходилось удалять цен-
тральную часть заготовки (наиболее де-
' фектную), что увеличивало отход металла

части заготовки не удавалось избежать
дефектов в изготавливаемых деталях. При
шлифовке колец подшипников на их по-
верхности обнаруживались так называе-
мые черные точки, являющиеся местами
выхода на поверхность пор и крупных не-
металлических включений.

В местах этих дефектов в процессе
эксплуатации происходит выкрашивание
металла (питтинг), ведущее к преждевре-

менному разрушению
же двойной контроль
талла каждой плавки
на металлургическом

подшипников.* Да-
загрязненности ме-
(выходной контроль
заводе-поставщике

и так называемый входной контроль на
подшипниковом заводе), а также 100%-ный
контроль поверхности дорожек качения
визуальным осмотром и методом магнит-
ной дефектоскопии не могут служить до-
статочно надежной гарантией от случаев
преждевременного разрушения деталей
Рис. 134. Влияние неметаллических включений
на плотность стали ШХ15 [6] (здесь и на анало-
гичных рисунках значки означают различные
виды технологии производства стали):

а — все включения; б — оксиды; в — остроугольные
оксиды.

Рис. 135. Влияние неметаллических включе-
ний на контактную выносливость (цТср стали
ШХ15 (продольные образцы) [6] (обозначения
те же, что на рис. 134).

подшипников вследствие неметаллических
включений, оказавшихся на поверхности
либо в подповерхностном слое металла.

Анализ случаев разрушения подшип-
ников в изделиях и изучение причин таких
разрушений, связанных с наличием неме-
таллических включений в металле, убеди-
тельно показали, что без существенного
изменения технологии выплавки шарико-
подшипниковой стали невозможно обеспе-
чить в металле готовых подшипников от-
сутствие грубых неметаллических вклю-
чений. В ряде случаев брак по черным
точкам и раковинам, выходящим на по-
верхность дорожек качения, составлял

50—70%, а для отдельных партий колец
достигал 100%.

За последние 10—15 лет в разных стра-
нах, в том числе и в СССР проведено
огромное количество работ, цель которых
состояла в выяснении влияния различного
рода включений либо на долговечность
подшипников, либо на контактную вынос-
ливость шарикоподшипниковой стали. Про-
гнозирование влияния неметаллических
включений (заданного состава, формы,
размера и количества) на свойства под-
шипников представляет и сейчас серьезную
проблему. Вместе с тем определенно уста-
новлено, что чистота металла и его плот-
ность оказывают заметное влияние на со-
противление стали повторным нагрузкам,
т. е. усталости.

Данные по связи загрязненности метал-
ла с его долговечностью, полученные при
исследованиях, проведенных непосредст-
венно на готовых и прошедших испытания
подшипниках, показали строгую зависи-
мость между числом оксидных включений
и показателями долговечности подшипни-
ков. В работе [44] подсчитаны все оксид-
Рис. 136. Влияние неметаллических включений
па анизотропию хрупкой прочности стали
ШХ15 [6]. Условные обозначения те же, что на
рис. 134.

ные включения размером свыше 30 мкм в
большом количестве опытных колец с низ-
ким сроком службы и найдена удовлетво-
рительная связь между долговечностью
подшипников и числом оксидных включе-
ний. По другим данным, увеличение объ-
емного процента оксидных включений с
0,0015 до 0,0075% привело к снижению
гарантированной долговечности подшипни-
ков с 300 до 170 ч.

Авторы работы [5] показали, что при
увеличении содержания неметаллических
включений (главным образом недеформи-
рующихся оксидов остроугольной формы
типа корунда, высокоглиноземистых алю-
мосиликатов и шпинелей) снижались
плотность, предел выносливости (рис. 134)
и контактная выносливость (рис. 135) под-
шипниковой стали. Общее содержание
включений в пределах опыта не влияло
на долговечность подшипников, однако
увеличение доли оксидов в общем балан-
се включений, особенно оксидов остро-
угольной формы, приводило к снижению
долговечности подшипников.

В работе [12] установлена зависимость
контактной выносливости подшипниковой
стали в первую очередь от содержания

оксидов, причем показано, что с уменьше-
нием содержания глинозема долговечность
подшипников резко возрастает.

По данным работы [13], критерием для
предварительной оценки долговечности
шарикоподшипниковой стали может слу-
жить показатель анизотропии хрупкой
прочности металла ов ПОПер / ов прод, кото-
рый хорошо коррелирует с контактной вы-
носливостью и зависит от наличия строчеч-
ных включений. Анализ эксперименталь-
ных данных [6] показал, что снижение
загрязненности металла уменьшает анизо-
тропность хрупкой прочности (рис. 136),
причем основное влияние на этот показа-
тель оказывает наличие оксидных, осо-
бенно строчечных, включений (рис. 137).

Величина контактной выносливости и
предела выносливости в значительной сте-
пени зависит от природы и характера ок-
сидных включений. Так, например, повы-
шение содержания остаточного алюминия
в стали с 0,012 до 0,076% привело к со-
ответствующему увеличению количества
точечных включений и протяженности
строчечных включений корунда и высоко-
глиноземистых алюмосиликатов, что обу-
словило резкое снижение контактной вы-
носливости стали ШХ15 (с 14,6 до 5,8 млн.

Рис. 137. Влияние загрязненности металла стро-
чечными оксидными включениями на анизотро-
пию хрупкой прочности стали ШХ15. Обозна-
чения средних баллов структурной полосчато-
сти: до 1 (7); 1—2 (//); 2-3 (7/7); 3-4
(IV) [6].

Оксиды апрвчечныг, индекс загрязмшсыи • /7?^
Таблица 39. Взаимосвязь между качественными показателями шарикоподшипниковой стали [6]

Показатель	Парные коэффициенты корреляции			
	^окс	^ср	®-1	р
Содержание оксидных включений Еокс, об. % Контактная выносливость /V млн. циклов Предел выносливости б_], кгс/мм2  Плотность р, г/см3	-0.88  —0,95  —0.78	—0,88  0,96  0,96	—0,95 0,96  0,91	—0,78 0,96  0,91

циклов) [10]. Считают [42, 43], что наи-
более вредное влияние на характеристики
выносливости подшипниковой стали ока-
зывают именно оксидные включения (рис.
138).

Японские исследователи показали [29],
что в стали типа ШХ15, обработанной на
предел прочности 180—210 кгс/мм2, уста-
лостное разрушение начинается в тех ме-
стах, где имеются неметаллические вклю-
чения эллипсоидной формы типа алюмо-
силикатов, находящиеся на поверхности
или в подповерхностном слое образца.
Была установлена непосредственная связь
между диаметром включений, которые счи-
таются зародышем усталостной трещины,
и выносливостью подшипниковой стали.
При наличии неметаллических включений

Рис. 138. Зависимость контактной долговеч-
ности шарикоподшипниковой стали /V от об-
щего содержания неметаллических включе-
ний (а) и от наличия включений глинозема (б)

на поверхности образца выносливость
меньше, чем в случае их подповерхностно-
го залегания.

Конечно, эти данные и выводы не явля-
ются неожиданными. Еще в конце 30-х гг.
в СССР П. А. Дворянов отмечал, что пит-
тинг на дорожке качения подшипников
происходит чаще всего в местах залега-
ния оксидных строчечных и глобулярных
включений. Например, если у колец с ок-
сидными включениями размером 10—
20 мкм средняя долговечность составляла
260 млн. циклов, то у колец с размерами
включений 21—30 мкм этот показатель со-
ставил всего лишь 60 млн. циклов.

Анализ обследований и испытаний
большой серии плавок позволил установить
[6] интересные закономерности, свидетель-
ствующие о том, что неметаллические
включения оказывают решающее влияние
на физические и механические свойства
шарикоподшипниковой стали. С увеличе-
нием содержания оксидных включений
уменьшается плотность металла, снижа-
ются контактная выносливость и предел
выносливости стали. Таким образом, со-
держание неметаллических включений
(особенно хрупких оксидных частиц) ста-
новится не только критерием качества под-
шипниковой стали, но и ее обобщающей
характеристикой (табл. 39).

Поскольку многочисленные работы од-
нозначно свидетельствуют об опасности
оксидных неметаллических включений,
резко снижающих служебные свойства
стали ШХ15, возникает воп^**"г> том, на-
сколько опасны (или безопасны) другие
типы неметаллических включений, в част-
ности сульфиды. Этот вопрос представля-
ется весьма важным, поскольку, например,
в Швеции в технических требованиях на
шарикоподшипниковую сталь нет таких
жестких ограничений по максимальному
содержанию серы, как в СССР.

Небезынтересно отметить исследования
по сравнительной оценке качества отече-
ственной подшипниковой стали и импорт-
ной стали (выплавленной кремнийвосста-
новительным процессом в мартеновской
печи и с выпуском окисленного металла
из электропечи и последующим вакууми-
рованием). Исследовали образцы метал-
ла, заготовки сортового проката и готовые
подшипники, изготовленные и испытанные
в одних условиях.

Независимо от способа выплавки вся
исследованная подшипниковая сталь со-
держала примерно одинаковое количество
кислорода, однако основным видом вклю-
чений в отечественном металле были окси-
ды и нитриды (39—74%); содержание
сульфидов колебалось в пределах 26—
61%. В импортном металле, напротив, ос-
новным видом включений были сульфиды
и оксисульфиды (82—96%), содержание
чисто оксидной фазы не превышало 4—
18%. Включения в отечественном металле
содержали в основном кальций, алюминий
и магний, находящиеся в виде алюмина-
тов кальция и шпинели. Оксидные вклю-
чения в зарубежной кислой мартеновской
стали состояли из корунда, а в вакууми-
рованной электростали — из корунда и
небольшого количества кальциевых алю-
минатов.

В работе [6] математической обработ-
кой результатов анализа загрязненности
и стендовых испытаний каждого подшип-
ника установили, что повышение количе-
ства оксидных включений в металле под-
шипников с 0,005 до 0,020% или их доли
в общем балансе включений с 15 до 75%
приводит к снижению долговечности под-
шипников с 1100 до 250 ч, т. е. более чем
в 4 раза. В то же время повышение в
стали содержания сульфидных включений
с 0,005 до 0,025% увеличивает долговеч-
ность подшипников с 400 до 800 ч
(рис. 139). Обработка на ЭВМ результа-
тов контактных испытаний показала, что
если коэффициент степени вредности суль-
фидных включений принять за единицу,
то для оксидных включений на силикатной
основе этот коэффициент составит 1,5, а

Рис. 139. Влияние неметаллических включений
на долговечность шарикоподшипников [6]:
/ — оксиды; 2 — остроугольные оксиды; 3 — сульфиды.

для включений на основе глинозема и
шпинели — около 6.

Установлено [11], что увеличение со-
держания серы с 0,01 до 0,023% повышает
долговечность подшипников при содержа-
нии алюминия в металле 0,003—0,034%
за счет уменьшения количества глобуляр-
ных алюмосиликатных включений и повы-
шения доли сульфидных и оксисульфид-
ных включений. Положительное влияние
повышения содержания серы на долговеч-
ность подшипниковой стали показано в
работе [40]. Увеличение содержания се-
ры с 0,008 до 0,18% (по массе) в подшип-
никовой стали [38] повысило контактную
выносливость образцов в 2 раза.

Интересные исследования в указанном
направлении были проведены в Венгрии
[28, 39] на типовой шарикоподшипниковой
стали. Целью испытаний было изучение
взаимосвязи между стойкостью против ус-
талостного разрушения испытуемых колец и
содержанием оксидных включений. Уста-
новлено, что связь между стойкостью про-
тив усталостного разрушения и общим со-
держанием включений, видимых на шлифе
при увеличении 100, отсутствует; имеется
четко выраженная связь между стой-
Таблица 40. Влияние состава и количества
неметаллических включений в стали ШХ15 на
долговечность шарикоподшипников [22]

Содержание включений,
об. %.10~4

Долговеч-
ность, ч

костью против усталостного разрушения и
содержанием кислорода в металле; еще
более тесная связь существует между стой-
костью против усталостного разрушения и
соотношением кислород/сера в металле
(чем меньше величина О : 8, тем выше ци-
клическая долговечность).

Результаты исследования привели к
следующему выводу: если в отливаемом
металле содержится достаточно серы, что-
бы на оксидных включениях частично или
полностью образовалась оболочка суль-
фида марганца, то ослабляется отрица-
тельное действие оксидных включений.

Сульфидную оболочку, окружающую
включения в кольцах, имевших длитель-
ный срок службы, анализировали с помо-
щью электронного зонда. Наибольший
срок службы имели образцы, которые со-
держали относительно немного кислорода
и достаточное количество сульфидов, что-
бы образовались сложные оксисульфид-
ные включения. Анализ с применением ми-
крозонда и исследования включений под
микроскопом при большом увеличении
показали, что в металле плавок с макси-
мальной контактной выносливостью наи-
большая часть неметаллических включе-
ний представляет собой сложные оксисуль-
фпды, т. е. оксидные включения с оболоч-
кой, состоящей из сульфидов.

Еще одним доказательством важности
проблемы оксисульф и дных включений в
стали ШХ15 являются результаты, приве-
денные в работе [22]. Как следует из
табл. 40, где приведены обобщенные дан-
ные этой работы, несмотря на сравнитель-
но большую загрязненность включениями

(по сульфидам больше в 4 раза), металл
первой плавки обладал четко выраженным
преимуществом с точки зрения стендовой
долговечности изготовленных из него ша-
рикоподшипников. Низкая долговечность
подшипников, изготовленных из металла
второй плавки, является следствием нали-
чия большого количества включений ко-
рунда и хрупкоразрушенных алюмосили-
катов. В металле первой плавки опас-
ность таких включений в значительной
степени была снижена за счет наличия
сульфидных оболочек, т. е. создания комп-
лексных окснсульфидных частиц. Анало-
гичные результаты получены в работе
[27] (рис. 140).

Однако следует помнить, что положи-
тельное влияние повышенного содержа-
ния серы на контактную выносливость
подшипниковой стали и долговечность
подшипников наблюдается лишь в том
случае, когда удается обеспечить наличие
в металле комплексных окснсульфидных
включений, в которых оксидное ядро окру-
жено сульфидной оболочкой. Это возмож-
но при условии низкого содержания кис-
лорода в стали. Причины положительного

ли

и»

Рис. 140. Влияние соотношения объемного со-
держания сульфидных и оксидных включений
на долговечность шарикоподшипников [27].

ЛИ

Отношение объема содержания сульфидсб и оксибоб


влияния указанных оксисульфидных вклю-
чений на выносливость стали подробно
изложены выше.

Отметим, что, согласно современным
взглядам на роль неметаллических вклю-
чений при усталости металлов, для высо-
копрочных хрупких мелкозернистых сталей
главная опасность включений состоит в
создании остаточных термических (моза-
ичных) напряжений в металле, окружаю-1
щем включения. Поэтому превалирующим’
фактором в данном случае выступает раз-
личие в физических свойствах матрицы и/
включения (в частности, коэффициента!
термического расширения), которое для
оксидных включений максимально, для
сульфидных — минимально. Таким обра-
зом, сульфиды, являясь как бы мягкой
пластичной прокладкой между хрупкой
прочной матрицей и жесткими хрупкими
оксидными включениями, снимают пики
(концентрацию) остаточных напряжений,
нейтрализуя вредное влияние оксидов.

Наряду с работами, показывающими,
что основное влияние на долговечность
подшипников оказывают неметаллические
включения (особенно хрупкие оксидные),
есть также работы, которые либо разде-
ляют основную ответственность за разру-
шение между различными видами вклю-
чений и другими факторами, либо вообще
возлагают эту ответственность на такие
факторы, как дисперсность и количество
карбидной фазы, количество остаточного
аустенита и т. п.

Было бы совершенно неправильным
игнорировать какое бы то ни было влия-
ние указанных факторов па процесс де-
формации и разрушения стали ШХ15 или
деталей, изготовленных из нее. Каждый
из них может явиться причиной разруше-
ния, особенно при ослаблении внимания
к качеству металла или в других аномаль-
ных ситуациях. Однако, на наш взгляд,
ошибочно отождествлять влияние глав-
ных, первостепенных факторов, какими
являются неметаллические включения, с
воздействием всех остальных факторов,
которые, хотя и являются важными, но
вде же играют второстепенную роль.

' На основании изложенного можно сде-
лать некоторые выводы. гДля шарикопод-
шипниковой стали загрязненность вклю-

чениями является основным, первостепен-
ным фактором, определяющим уровень
ее служебных свойств. Наиболее сущест-
венно снижают долговечность остроуголь-
ные хрупкие оксиды, в частности глинозем
и его производные, особенно строчечные.
Оптимальным типом включений следует
считать мелкодисперсные комплексные ок-
гсисульфидные включения, в которых суль-
фидная оболочка, разъединяя хрупкую
матрицу и хрупкое включение, играет
"рвоеобразцурд^роль пластичной прокладки.-*

Не вызывает сомнёниТГ^тот факт, что
традиционные способы производства ша-
рикоподшипниковой стали не могут обес-
печить получение металла с указанным
оптимальным типом неметаллических мел-
кодисперсных включений. Здесь нужны
либо комбинированные, например типа
АСЕА-СКФ, либо переплавные процессы.

Работы, выполненные в последние го-
ды ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР, за-
порожским заводом «Днепроспецсталь»,
институтами УкрНИИспецсталь и Запо-
рожским машиностроительным институ-
том, убедительно показали, что сочетание
этих новых технологий (выплавки, внепеч-
ной обработки, электрошлакового пере-
плава) позволяет получить шарикопод-
шипниковую сталь с заданным типом
неметаллических включений, с исключи-
тельно низким содержанием кислорода,
обладающую прекрасными служебными
свойствами.

§ 2. Влияние ЭШП на загрязненность
неметаллическими включениями
и служебные свойства стали

В мае 1958 г. на запорожском заводе
«Днепроспецсталь» впервые в мировой
практике был получен слиток электрошла-
ковой стали ШХ15 по технологии, разра-
ботанной ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР
совместно с заводскими специалистами.

Контроль большого количества образ-
цов показал, что в процессе ЭШП шари-
коподшипниковых сталей ШХ15 и ШХ15СГ
существенно изменяется содержание се-
ры, несколько снижается концентрация
кремния. Содержание остальных элемен-
тов в процессе переплава изменяется не-
Таблица 41. Влияние ЭШП на химический состав (%) шарикоподшипниковых сталей [15]

Марка стали	Технология производства	с	Мп	51	Сг	р	$
111X15	эд  ЭД +ЭШП	1,03  1,02	0,280 0,263	0,264 0,181	1,48  1,48	0,0162 0,0160	0,011  0,006
Изменение, %		—0,9	—5,3	—33	0	—1,2	—45,5
ШХ15СГ	эд  ЭД +ЭШП	1,04  1,02	1,08  1,04	0,51 0,45	1.49  1,48	0,018 0,021	0,011  0,005
Изменение, %		—1,9	—3,7	—11,7	—0,8	18	—54,5

значительно (табл. 41). Из табл. 41 сле-
дует:

1.	Абсолютный угар кремния при пере-
плаве стали обеих марок примерно одина-
ков (0,06—0,008%), что составляет в отно-
сительном выражении 33% для стали
ШХ15 и 11, 7%—для ШХ15СГ. На угар
кремния оказывают влияние состав шлака,
степень чистоты поверхности расходуемого
электрода и отношение диаметра электро-
да к диаметру кристаллизатора. Чем боль-
ше это отношение, тем меньше угар крем/1
ния.	*

2.	В процессе переплава сталей обеих
марок происходит эффективное обессерива-
ние металла. Содержание серы снижается
на 45—55%.

3.	Изменение содержания углерода, фо-
сфора и хрома находится в пределах по-
грешностей анализа.

Контроль продольных и поперечных
томп пртпв показал, что-7электпошлаковый
г/еталл отличается исключительно плотной
макроструктурой без каких-либо дефектов,
что подтвердило исследование плотности
Металла (табл. 42). На рис. 141 представ-
лен типичный продольный темплет слитка
шарикоподшипниковой стали ШХ15СГ, ко-
торый характеризуется однородностью по
всему сечению. Слиток имеет мелкокри-
сталлическую структуру. Глубина усадоч-
ной раковины 50 мм, усадочная рыхлость,
пузыри и загрязнения отсутствуют.

Снятые с продольных темплетов серные
отпечатки свидетельствуют об исключи-
тельно равномерном распределении серы

по всему сечению слитка/что указывает на
минимальное развитие/ликвационных про-
[цессов при ЭШП. На рис. 142 показан по-
перечный темплет слитка стали ШХ15, по-
лученного переплавом литника, а на
рис. 143 для сравнения приведена макро-
структура исходного литника. Столь зна-
чительное улучшение макроструктуры объ-
ясняется возможностью управления^про-

яичное сочетание скорости поступления ме-
талла в кристаллизатор и скорости процес-
са кристаллизации обеспечивает питание
слитка и минимальное развитие в нем лик-
вационных и усадочных явлений Урис. 144).

^Металлографический контроль металла
электрошлаковых плавок показал иную
природу включений, чем в обычном метал-

Таблица 42. Влияние ЭШП на плотность
шарикоподшипниковых сталей [15]

Марка стали	Технология производства	Плотность, г/см3		Степень деформа- ции
		Край слитка	Центр	
ШХ15	эд  эд + ЭШП	7,824  7,856	7,806  7,850	19  3—5
ШХ15СГ	эд  ЭД -г ЭШП	7,782  7,804	7,769  7,801	19  3—5

Примечания: 1. Степень деформации — отноше-
ние площади поперечного сечения слитка и кованой
(катаной) из него заготовки. 2. Данные измерения плот-
ности — средние по результатам 10 — 17 образцов
Рис. 141. Продольный темплет электрошлако-
вого слитка стали ШХ15СГ [151.

ле. На рис. 145 приведены типичные мик-
рофотографии металла обычных плавок
(исходные заготовки электрошлаковых
плавок), на которых видны грубые строчки
оксидов. Исходный и электрошлаковый ме-
талл исследовали в одном и том же про-
филе (круг диаметром 120 мм). На шли-
фах электрошлакового металла наблюда-
ется резкое измельчение включений всех
видов, сопровождающееся общим повыше-
нием степени чистоты металла (рис. 146).

Основные типы включений: силикаты
глобулярной формы, измельченные точеч-
ные и реже нитеобразные сульфиды и кри-
сталлические включения нитридов. Глобх-
ли силикатов преимущественно мелкие,
размером до 15 мкм. Все силикатные
включения встречаются только в глобуляр-
ной форме; пластичные и полухрупкие си-
ликаты не встречаются. При просмотре эти
включения в темном поле ярко светятся,
что указывает на их прозрачность. Петро-
графический анализ дает возможность от-
нести такие включения к высококремни-
стым силикатным стеклам.

Сульфидные включения предельно из-
мельчены и расположены дезориентирован-
но. Размеры включений: точечных до
10 мкм, вытянутых до 50 мкм. Значитель-
ная часть сульфидных включений выдели-
лась на кристалликах нитридов. Кристал-
лические включения нитридов — характер-
ные золотистые и золотисто-розовые окта-
эдры нитрида и карбонитрида титана и
более мелкие розовато-белые октаэдры нит-
рида алюминия. Включения твердые, при
полировке оставляют на шлифе след ко-
меты.

Еще в начале освоения промышленного
производства шарикоподшипниковой стали
методом ЭШП было установлено, что ос-
новным источником загрязненности метал-
ла нитридами является флюс, содержащий
ТЮг. После замены указанного флюса
другим нитридные включения в шарико-
подшипниковой стали, если и встречаются,
то только в форме мелких единичных кри-
сталлов нитридов алюминия. Пример ус-
пешной борьбы с нитридами указывает на
большие возможности электрошлакового
процесса в отношении регулирования при-
роды и характера включений.
показывает, что в них содержится 15—40%
8Ю?. Несмотря на столь высокое содержа-

ние 8Юг, все
включения в
объясняется
слитка ЭШП.

встречающиеся силикатные
металле очень мелкие, что
условиями затвердевания

^<Еще одно преимущество ЭШП нагляд-
гао иллюстрируют данные работы [37]: в
'производстве шарикоподшипниковой стали
от слитка диаметром 230 мм до сортового
проката сечения 10 X 10 мм выход годного
। для металла ЭШП составляет 94% (т. е.
на 1 т сортового проката затрачивается
1065 кг литого металла) — показатель, не-
достижимый при любой другой технологии
выплавки. При этом металл ЭШП, как
видно из табл. 43, отличается высокой чи-
стотой, незначительным количеством мел-

, ких сульфидных включений. Как
дтабл. 44, в результате ЭШП на

Рис. 142. Поперечный темплет электрошлако- (.'снижается содержание газов,
вого слитка стали ШХ15, переплавленного из  кислорода
литника [15]:	к-----------'—

а — головная часть; б — средняя часть.

Уменьшение содержания серы

видно из
20—30%
особенно

и кисло-

рода в результате ЭШП приводит к суще-

Исследования неметаллических включе-
ний в шарикоподшипниковой стали пока-
зали [3], что наиболее часто встречаются
окись алюминия, шпинели, кварц, нитриды
титана, нитрид циркония и другие соеди-
нения с высокой температурой плавления.
Эти кристаллические включения не изменя-
ют ни своей формы, ни размеров при де-
формации. Мелкие кристаллические вклю-
чения этого типа часто располагаются
группами на стыках дендритов или в меж-
дуосных пространствах в литой стали.
При деформации такие скопления кристал-
лов образуют строчку, ширина и протяжен-
ность которой зависят от количества кри-
сталлов, входящих в скопление, и от сте-
пени деформации. При перераспределении
кристаллов из скоплений в разрозненную
строчку размеры включений не изменя-
ются, так как твердость их значительно
больше, чем твердость стали при темпера-
турах горячей деформации. В процессе
ЭШП исключается возможность скопления
неметаллических включений и образования
строчек. Незначительное количество мел-
ких включений рассредоточено по всему
полю шлифа. Химический анализ выделен-
ных из электрошлаковой стали включений

ственному снижению загрязненности элект-
рошлаковой стали неметаллическими вклю-
чениями. Это хорошо видно из табл. 45.
Характерно, что все включения в металле
ЭШП были очень мелкодисперсны. Так,
75% всех включений были размером до
5,5 мкм, 24,7% — от 5,5 до 14 мкм, 0,3% —

Рис. 143. Макроструктура исходного литника
(расходуемого электрода) стали ШХ15 [15].
Рис. 144. Макроструктура поперечных темпле-
тов стали ШХ15СГ:

а — исходная электродуговая плавка, балл по цент-
ральной пористости 1, по осевой пористости— 1; б —
ЭШП. баллы — соответственно 0,5 и 0.

Рис. 145. Типичные неметаллические включения

в металле электродуговой выплавки (расходуе-
мом электроде) стали ШХ15, Х86:

«- оксиды; б— глобулярные включения; в — суль-
фиды.

Рис. 146. Типичные неметаллические включе-
ния в электрошлаковой стали 1ПХ15, Х86.
Обозначения те же, что на рис. 145.
Т а б л и ц а 43. Виды и размеры неметаллических
включений в расходуемом электроде и металле
ЭШП шарикоподшипниковой стали [37,

Вид включений	Размер включе- ний. мкм	Частота случаев на- личия включений	
		9 расхо- дуемом электро- де	в слитке ЭШП
Сульфиды	<10	220	6
	10—20	30	2
	>20	45	1
Глинозем и			
глиноземистые			
включения	—»	0	0
Силикаты	—	17	0

Примечание. Наблюдение проведено при увели-
чении ‘100 на 23 поля’' зрения.

Таблиц а 44. Влияние ЭШП на содержание
газов в шарикоподшипниковой стали [15]

Технология ппоизгодстэа	Общее количест- ве экстраги- рованных газов, см3 на 100 г	Содержание		
		О. %	И	
			%	см3 на 100 г
эд	15,2	0,0044	0,008	б,5
эд + ЭШП	11,9	0.0030	0,006	5,1
Изменение, %	—21,7	—31,8	—25	—21,7

Таблица 45. Влияние ЭШП иа загрязненность
стали ШХ15 неметаллическими включениями |30]

Те.-нология и часть слит- ка	Средняя- относительная площад! шлифа, занятая включениями.  об.% -10—4			
	Суль- фиды	Оксиды	Г лобу- ли	Нитри- ды
ЭД (исход- ная)	650	но	1142	614
ЭШП, верх	121	67	876	150
ЭШП, низ	2	150	654	128

Примечания: I Диаметр слитков 500 мм. масса—

2,4 т. 2. Максимальные размеры включений: в ме-
талле ЭД — 40 мкм. в металле ЭШП — 20 мкм.

Таблица 46. Влияние концентрации алюминия
и титана в стали ШХ15 на содержание в металле
общего и связанного азота [35]

Т1. %	А1. %	И. %	
		Общее содер- жание	В нитридах
0,0020	0,025	0,0062	0,001
0,0030	0,023	0,0064	0,002
0,0046	0,024	0,0068	0,003
0,0063	0,023	0,0074	0,005
0,0100	0,023	0.0030	0.007

Таблица 47. Влияние содержания глинозема
во флюсе иа загрязненность стали ШХ15 ЭШП
нитридами алюминия |35]

Глинозем во флюсе, %	А1 в металле. %	в ме- талле. %	Нитриды алюминия н металле.  Об.%
14,5—20	0,017—0,019	0,007	0,00017
21—25	0,018—0,023	0,008	0,00022
26—31	0,023—0.027	0.009	0.00032

от 14 до 20 мкм, а включений размером
более 20 мкм не было.

Очень большое влияние на загрязнен-
ность металла ЭШП оксидами и нитрида-
ми оказывает содержание алюминия, азо-
та и титана во флюсе. Так, из табл. 46 вид-
но, что даже при постоянной концентрации
алюминия увеличение содержания титана,
которое повышает общее содержание азота
менее чем в 1,5 раза, обусловливает очень
большое (в 7 раз) увеличение содержания
азота в нитридной фазе и, следователь-
но, приводит к значительному загрязне-
нию стали ШХ15 нитридами и карбонитри-
дами.

В свою очередь повышение содержания
глинозема во флюсе вызывает увеличение
количества алюминия в переплавленном
металле (табл. 47), соответственно увели-
чиваются концентрация азота и количество
нитридных включений, в данном случае —
нитридов алюминия. Влияние содержания
глинозема во флюсе на количество оста-
точного алюминия в шарикоподшипнико-
вой стали ЭШП (исходная сталь раски-
слена кремнием) приведено ниже [35].
Таблица 48. Влияние различных вариаитов выплавки исходного металла на загрязненность
неметаллическими включениями электрошлаковой стали ШХ15СГ [19]

Вариант выплавки исходного металла	Технология производства	Содержание включений, об.% -			
		Общее	В том числе		
			оксиды	сульфиды	нитриды
Присадка в 60 т в печь алюминия (1 кг/т)	эд	250	41	196	13
Присадка алюминия:	ЭД + ЭШП	72	38	20	14
в печь (0,5 кг/т на 1 т)	эд	205	76	107	22
в ковш (0,5—0,7 кг/т) Обработка синтетическим шлаком в ков-	ЭД + ЭШП	43	27	7	9
ше и присадка алюминия в ковш	эд	123	18	45	60
(0,6 кг/т)	ЭД + ЭШП	60	11	4	45

Глинозем во

флюсе. %	10 20 30 40 50 60	80 100

Алюминий в
металле,

%-10~4	25 30 50 70 80 130 150 180

Следует учитывать, что нитридные
включения наряду с глиноземом и высоко-
глиноземистыми алюмосиликатами очень
опасны для шарикоподшипниковой стали,
хотя в целом нитриды алюминия ввиду их
крайне незначительного количества в ста-
ли ШХ15 (примерно 10-4—10-5 об.%)
по сравнению с нитридами титана (10~2-1-
4- 10-5 об.%) считаются менее опасными.

Имеющиеся данные [35] свидетельству-
ют о том, что ЭШП на флюсе системы
СаРг — АкОз в 6 раз (с 12 • 10~3 до
2 • 10~3%) уменьшил загрязненность стали
нитридами титана и увеличил (с 8  10‘‘
до 29  10~5%) содержание нитридов алю-
миния (рис. 147). При этом в сорте пока-
затель загрязненности по нитридам титана
снизился с балла 1 в исходном металле до
балла 0,5 в стали ЭШП.

В работе [19] проведено исследование
влияния различных вариантов выплавки
исходного металла на загрязненность ста-
ли ШХ15СГ после ЭШП. Как видно из
табл. 49, где приведены результаты этой
работы, оптимальным (с точки зрения сни-
жения загрязненности стали крупными ок-
сидными и сульфидными включениями)
является вариант, по которому в ковше
металл обрабатывается синтетическим
шлаком и там же раскисляется алюмини-

ем из расчета 6 кг/т. Авторы этой работы
считают, что нормальным содержанием
алюминия в исходной заготовке следует
считать 0,05—0,06%, это при ЭШП на ти-
повом флюсе обеспечит в переплавленном
металле содержание алюминия нс более
0,03—0,04%.

Работой, проведенной ЦНИИчермет и
Челябинским металлургическим заводом
[4], установлено, что основным типом
включений в конвертерной стали ШХ15 яв

Рис. 147. Изменение загрязненности нитридны-
ми включениями электрошлаковой стали ШХ15
в зависимости от содержания двуокиси титана
во флюсе [35]:

1—содержание нитридов титана; 2 — содержание нит-
ридов алюминия.
I а б л и ц а 49. Влияние ЭШП на загрязненность
колец шарикоподшипников из стали ШХ15

Технология про- изводства	Средний балл по ТУ 5598		
	Оксиды	Сульфиды	Глобули
эд  ЭД эшп	1,5—3,5  0,5—1.0	1,5—2,0 0,5—1,0	0.5—1,5 0,5

ляются включения двойного сульфида
Ее8 • Мп8. Кислородные включения встре-
чаются в меньшем количестве : глинозем
(АЬО.з), оксисульфилы, реже — кальциевые
алюминаты (СаО  АКОз) и муллит
(ЗАКОз • 2810г). Содержание нитридов ти-
тана незначительно. Анализ металла по
уровню загрязненности позволяет рекомен-
довать электрошлаковый переплав конвер-

терного металла на шлаке системы СаЕг—
— СаО • АЬОз. Содержание кислорода в
электрошлаковой металле ШХ15 в среднем
на 20% ниже, чем в исходном.

По данным работы [31], при увеличе-
нии соотношения содержания во флюсе
окиси кальция и двуокиси кремния в пере-
плавленном металле снижается количество
кислорода. Например, в шарикоподшипни-
ковой стали оно уменьшается от 0,0085 до.
0,0030% при увеличении указанного соотЧ
ношения в 0,5—3 раза, а затем до 0,0015%/
при увеличении (СаО) : (8Ю2) приблизи-
тельно в 20 раз.

• Металлографическое исследование ко-
щен подшипников, изготовленных из стали
ШХ15 электродуговой выплавки и ЭШП,
показало существенное снижение уров-

Рис. 148. Стойкость шарикоподшипников, изго-
товленных из электродуговой (У) и электро-
шлаковой (2) стали 9X18 (данные С. Ф. Бел-
кова и Д. С. Л ариновой).

ня загрязненности в результате ЭШП
(табл. 49), причем среднее количество
включений на 1 мм2 площади кольца у
стали ЭШП в 3 раза меньше, чем у исход-
ного металла. Интересно отметить, что
кольца из металла ЭШП имеют волокна,
расположенные концентрично (у колец из
исходного металла волокна расположены
|По образующей). Это также повышает со

'противление
выносливости

металла усталости — предел
металла ЭШП составил

А 78 кгс/мм2, а у исходного металла — всего
.58 кгс/мм2^/,_

В^работе [26] отмечено, что контактная
выносливость подшипниковой стали после
ЭШП увеличивается на 78%, а средняя
долговечность сферических подшипников,

Таблица 50. Влияние технологии производства шарикоподшипниковой стали ШХ15 на
загрязненность неметаллическими включениями металла колец подшипников и долговечность
подшипников (данные ВНИПП)

Технология производства	Содержание включений, об.% • 10~Г)			Долговечность подшип- ников, ч*	
	Оксиды	Сульфиды	Нитриды		'Чо
эд	1382	1731	83	279	1655
	885	1892	74	527	2108
ЭД -1 разливка в вакууме	1047	1694	53	259	2653
	955	1650	115	50	184
ЭД + вакуумирование в ковше	1183	1268	69	38	410
ЭД + ЭШП	458	1324	37	37	390
	312	189	31	1002	2856

т,0 — минимальная долговечность, г50 — средняя долговечность.
Таблица 51. Влияние ЭШП на долговечность
тяжелонагруженных подшипников

Те ,нология произ- водства	Долговечность, ч	
	Т10	Т50
эд	251	1364
ЭД + ЭШП	842	2795

изготовленных из стали ЭШП, повысилась
в 2,1—2,6 раза. В работе [36] указано, что
предел выносливости подшипниковой ста-
ли после ЭШП увеличивается на 13 (про-
дольные образцы) — 18 (поперечные) %.
По данным ВНИПП, средняя долговеч-
ность (стойкость) шарикоподшипников,
изготовленных из стали ЭШП, намного
(рис. 148, 149) выше, чем у исходного ме-
талла.

Исследование влияния различной тех-
нологии производства шарикоподшипнико-
вой стали, в том числе ЭШП, на загряз-
ненность металла включениями и долго-
вечность подшипников, проведенное во
ВНИПП, показало (табл. 50) преимуще-
ство электрошлаковой стали по главному

Рис. 149. Стойкость шарикоподшипников, изго-
товленных из электродуговой (1) и электро-
шлаковой (2) стали ШХ15 (данные С. Ф. Бел-
кова и Д. С. Лариновой).

критерию качества стали ШХ15—долго-
вечности подшипников.

По-видимому, приведенные в табл. 50
низкие значения долговечности колец из
вакуумированной стали обусловлены не
только количеством кислородных включе-
ний, но и особенностью их состава. По
данным микрозондовых исследований со-
става неметаллических включений в ваку-
умированной стали имеются включения
чистого глинозема АЬОз. В электростали,
не подвергавшейся вакуумированию, вклю-
чения А1гОз в чистом виде не встречались,
как правило, имели место магнезиальная
шпинель, алюминаты кальция, магнезиаль-
ная шпинель с сульфидами. Надо полагать,
что большая степень загрязнения вакууми-
рованной стали включениями чистого гли-
нозема явилась одной из причин ее весьм.)
низкой контактной выносливости.

Стендовые испытания подшипников с
кольцами из вакуумированной обычной
стали и стали ЭШП показали, что подшип-
ники из металла ЭШП отличаются высокой
стабильностью и большей долговечностью,
чем сталь разных вариантов вакуумирова-
ния. Показатели долговечности т,о подшип-
ников из стали ЭШП и металла худших
плавок открытой выплавки и вакуумиро-
ванной относятся как 27:7: 1; показатели
долговечности т50 — соответственно как
7:4:1.

Внедрение на металлургических заво-
дах процесса ЭШП позволило решить про-
блему производства подшипников самого
ответственного назначения, в частности
тяжелонагруженных авиационных подшип-
ников. Изготовление этих подшипников из
электрошлакового металла не только ис-
ключило брак при их изготовлении, но и,
что еще более важно, повысило их надеж-
ность в эксплуатации. Так, по имеющимся
данным (табл. 51), минимальная работо-
способность подшипников при изготовле-
нии их наружных колец из электрошлако-
вого металла увеличилась более чем в
3 раза. Аналогичные результаты получены
при анализе эксплуатации крупногабарит-
ных подшипников для непрерывных тонко-
листовых станов. По данным ЦНИИ МПС,
долговечность железнодорожных подшип-
ников качения, изготовленных из ста-
ли ШХ15СГ, возрастает в 2—2,3 раза по
Таблица 52. Влияние технологии производства иа загрязненность металла, технологическую
пластичность и процент брака по наружным и внутренним пленам трубных заготовок стали ШХ15
|24|

Техноло- гия	Место отбо- ра проб	Загрязненность неметалли- ческими включениями (% полей зрения)				Число оборотов до разру- шения при 7= 1100°С	Диаметр трубной заготов- ки, мм	Процент брака	
		Сульфи- ды	Оксиды	Глобули	Всего			по наружным пленам	по внутрен- ним пленам
эд	Центр	20	18	3,5	41,5	45—75	105—120	6,1—6,6	0,2—0,3
	Край	8,1	4,9		13	91—104			
эд+сш	Центр	12,1	23,4	—	35,5	59—80	105—150	5,2—8,8	0,18—0,39
	Край	2,1	2,9	—	5	97—110			
эд	Центр Край	6,8  1,2	20,2  24,8	—	27  26	58—74  66—81	105—160	6,8—7,2	0,13—0,22
эд	Центр	16,5	22,5	—	39	47—70	120—130	6,8	0,3
	Край	3	15	—	18	76—80			
Мартен	Центр Край	30  11	16,2  13,2	11,8  0,8	58  25	28—44  52—60	150—180	7,8—10,6	1,74—2,86
ЭД-|-									
ЭШП	Центр	8,2	2,8	—	11	113—134	105—180	л	Г)
	Край	1,2	2,8	—	4	123—140			

сравнению с подшипниками, сделанными
из обычного металла, что позволяет (при
одинаковой долговечности) снизить массу
одного подшипника на 25%.

Особый интерес представляют данные,
опубликованные в работе [24], которые
обобщают анализ 1500 плавок четырех оте-
чественных заводов но производству стали
ШХ15 для трубных заготовок диаметром
90—160 мм, идущих на производство колец
шарикоподшипников. Как видно из табл. 52,
где приведены в общем виде эти данные,
причина брака трубных заготовок в повы-
шенной загрязненности металла включе-
ниями, что приводит к резкому снижению
технологической пластичности трубных за-
готовок. Электрошлаковые трубные заго-
товки совершенно не имеют брака, харак-
теризуются низким уровнем загрязнен-
ности включениями и весьма высокими
показателями технологической пластич-
ности.

Характерно, что высокое качество совет-
ской электрошлаковой шарикоподшипнико-
вой стали подтвердили подробные и тща-
тельные исследования, проведенные в
США [32].

Если кратко сформулировать на основа-
нии анализа литературных источников,
собственных данных и практики металлур-

гической и подшипниковой промышленно-
сти 'главные требования к металлургиче-
ской технологии подшипниковых сталей, то
можно, видимо, ограничиться в настоящее
время тремя основными пунктами:

1.	Снижение содержания кислорода в
стали, исключение возможности образова-
ния оксидных строчек, т. е. минимизация
размеров всех оксидов, как можно мень-
шее содержание в металле включений гли-
нозема и его производных (алюминатов
кальция, муллита, шпинелей и т. п.).

2.	Сохранение оптимального соотноше-
ния сера/кислород с целью создания усло-
вий для образования мелкодисперсных
комплексных оксисульфидиых включений.
При этом количество серы должно быть
достаточным для того, чтобы образовать
сульфидную оболочку на всех оксидах (и,
если возможно, нитридах), не допуская,
однако, выделения сульфидов по границам
первичных аустенитных зерен.

3.	Наличие хорошей, плотной макро- и
микроструктуры слитка, минимальное раз-
витие различных структурных дефектов
(ликваций, сегрегаций, полосчатости, кар-
бидной неоднородности и т. п.), полное от-
сутствие осевой пористости, рыхлости, уса-
дочных раковин и тому подобных дефек-
тов.
Ясно, что обычные способы производ-
ства стали эти требования удовлетворить
не смогут. Можно предполагать, что в свя-
зи с общим повышением требований к ка-
честву изделий, стремлением увеличить
надежность и долговечность устройств,
машин и агрегатов требования к шарико-
подшипникам и к шарикоподшипнико-
вой стали будут еще более жесткими.
Если в настоящее время рафинированию
подвергается сравнительно небольшая
часть общего выпуска этой стали, то в
недалеком будущем перед металлургами,
несомненно, будет поставлена задача ра-
финирования всего объема производства
стали ШХ15.

В связи с изложенным становится яс-
ным, что перспективы развития подшипни-
ковой промышленности требуют четкого от-
вета на вопрос о том, какой метод рафи-
нирования необходимо будет использовать
для массового производства стали ШХ15.
По нашему мнению, решение этого вопро-
са в первую очередь будет зависеть от то-
го, насколько эффективно тот или иной ра-
финирующий метод будет отвечать пере-
численным узловым требованиям, обеспе-
чивающим высокий уровень служебных
свойств шарикоподшипниковой стали.

Не анализируя здесь в сравнительном
аспекте всех достоинств и недостатков раз-
личных технологий и разных переплавных
процессов, отметим, что ЭШП, как показал
более чем двадцатилетний опыт его приме-
нения в Советском Союзе и за рубежом,
успешно решает все указанные проблемы.

Что касается кристаллизационных осо-
бенностей, то сейчас нет никаких других
рафинирующих методов, которые могли бы
составить конкуренцию ЭШП в этом во-
просе.

По снижению содержания кислорода и
оксидных, особенно глиноземистых, вклю-
чений в стали ЭШП также оказывается
весьма эффективным средством.

Дальнейшее повышение качества ша-
рикоподшипниковой стали может быть до-
стигнуто и, как показали совместные иссле-
дования ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР,
УкрНИИспецстали, Запорожского машино-
строительного института и завода «Днепро-
спецсталь», будет достигнуто на основе со-
вершенствования технологии выплавки

стали и ее переплава. Речь идет и о
таком интересном дуплекс-процессе, как
выплавка в печи стали-полупродукта с
последующим внепечным рафинированием,
а затем электрошлаковый переплавом.
В этом случае удается получить удивитель-
но низкое содержание кислорода, напри-
мер на уровне всего 0,0008—0,0012%, т. е.
вдвое-втрое более низкое, чем при настоя-
щей технологии ЭШП шарикоподшипнико-
вых сталей.

Следует отметить, что в результате
многолетних разработок ИЭС им. Патона
АН УССР достаточно успешно решена
задача изготовления литых заготовок для
колец крупногабаритных подшипников
качения без всякой деформации гиу >
готовок.

§ 3.	Масса слитка ЭШП
и качество стали

Загрязненность шарикоподшипниковой ста-
ли обычных методов выплавки зависит не
только от самой технологии, но также и от
массы слитка. Работой, проведенной
УкрНИИспецсталь по анализу и обобще-
нию результатов исследований, установле-
но, что увеличение массы слитка с 2,7 до
4,5 т привело к некоторому росту средних
баллов, в первую очередь по глобулярным
включениям: в металле 100-тонной элект-
ропечи, разлитом в слитки массой 2,73 т,
средний балл составил 1,53, при переходе
на слиток 4,5 т балл вырос до 1,87. При
этом увеличилось количество плавок с пре-
дельной оценкой по оксидам с 5,9 до 100%.
а по глобулям с 7,6 до 93,8%.

Макроструктура катаной стали ШХ15
обычной выплавки с увеличением массы
слитка резко ухудшается. Так, количество
плавок, имеющих предельный былл по об-
щей пористости на слитках 6,2 и 4,5 т, со-
ставляет соответственно 5,5 и 0,5%; брако-
вочный балл по осевой пористости соответ-
ственно 4,9 и 4,5%; металл, отлитый в сли-
ток 2,65 т, предельных баллов по общей, а
также браковочных баллов по осевой по-
ристости не имеет. Полученные результа-
ты показывают, что наиболее плотная мак-
роструктура обеспечивается при отливке
стали в слитки массой 2,65 т. Слиток мас-
сой 6,2 т для разливки шарикоподшипии-
Таблица 53. Влияние массы слитка ЭШП
на загрязненность стали ШХ15 в баллах по
ГОСТ 801—60 [7, 33]

Масса слитка, т	Средние баллы		
	Оксиды	Сульфиды	Глобули
0.7	0,98	0,88	0,25
1,1	1,15	1,04	0,17
1,5	1,21	1,06	0,55
2,5	1,17	1,01	1,00
4,0	1.Н	0,98	0,85

Таблица 54. Влияние массы слитка ЭШП на
загрязненность стали ШХ15 и ШХ15СГ,
оцененную методом УИМ-ЦНИИЧМ

Марка стали	Масса слит- ка, т	Содержание включений, об.%.10—4				
		Общее	В том числе			
			оксиды	сульфиды	глобули	। нитриды
ШХ15	0,7	58	31	24			3
	2,5	65	41	6	—	18
	4,0	59	38	8	—	13
ШХ15СГ	1,5	72	44	10	—	18
	2,5	72	38	20	—	14

Таблица 55. Уровень загрязненности
электрошлаковой стали ШХ15 неметаллическими
включениями (данные В. М. Бушмелева,
В. В. Данилина, В. В. Добрадииа и др.)

Масса ели т- иа, г	Максимальный балл по ГОСТ 801—60 (сдаточный контроль)			Кислородные включения	
	Оксиды	Сульфи- ды	।	Глобули	О о X	7 О
2,0	1,52	0,97	0,85	6,8	8,6
5,5	1,50	0,95	0,86	5.9	7,0

При ечан и е. Приведены средние данные сдаточ-
ное.* контроля 180 образцов, проценты подсчитаны по
24 образцам.

коион стали вообще непригоден. Указанное
обстоятельство обусловлено в первую оче-
редь сравнительно широким температур-
ным интервалом кристаллизации стали
ШХ15.

В отличие от обычной технологии уве-
личение массы слитка при ЭШП не приво-
дит к ухудшению качества металла. Стати-
стическая обработка данных сдаточного
контроля большого числа промышленных
плавок показала, что средние баллы оце-
нок электрошлаковой стали ШХ15 по ок-
сидам и сульфидам в слитках разной мас-
сы (0,7—4 т) были практически одинако-
выми [7, 33, 117].

Качественно аналогичные результаты
по чистоте электрошлаковой стали в слит-
ках получены при подсчете включений по
методике УИМ-ЦНИИЧМ (табл. 53, 54).
Такие же результаты получены при
сравнительном исследовании слитков ста-
ли ШХ15 массой 2,0 и 5,5 т. (табл. 55).

Исследование загрязненности литого
металла ЭШП показало высокую степень
чистоты по всем видам включений, боль-
шую их дисперсность и равномерное рас-
пределение в металле. Совершенно отсут-
ствовали характерные для литой стали
обычных способов производства гроздья
глинозема, шпинелей и нитридов, а также
граничные сульфиды эвтектического типа.

Известно, что качество металла ЭШП
определяется как степенью его рафиниро-
вания, так и характером кристаллизации
слитка. Если степень рафинирования ме-
талла мало зависит от размеров слитка, то
характер кристаллизации в основном обус-
ловливается именно этим фактором. Так,
например, при ЭШП в кристаллизаторе
диаметром 300 мм пребывание металла в
жидком состоянии примерно в 6 раз мень-
ше, чем в кристаллизаторе диаметром
700 мм, что, естественно, существенно
уменьшает развитие сегрегационных про-
цессов в первом случае. С увеличением се-
чения слитка пропорционально возрастает
расстояние между дендритами. Развитие
дендритной неоднородности приводит к не-
равномерному распределению карбидной и
других избыточных фаз в стали.

На первый взгляд кажется, что металл,
полученный из слитков ЭШП большой
массы, будет иметь вследствие этого боль-
шую карбидную неоднородность. В дей-
ствительности же наблюдается обратное.
Повышенная по сравнению со слитками
ЭШП сечением 300 X 300 мм карбидная
неоднородность была обнаружена в стали
Таблица 56. Карбидная неоднородность
шарикоподшипниковой стали, разлитой в слитки
разной массы

Диаметр слитка, мм	Полосча- тость, бал- лы	Диаметр Слитка, мм	Полосча- тость, бал- лы
305  406	1,5—1,8  1,3—1,6	508  660	1,о—1,4 0,7—0,8

ШХ15, прокатанной из слитков ЭШП сече-
нием 150 X 150 мм. Эту неоднородность
удалось устранить лишь применением го-
могенизирующего отжига слитков перед
прокаткой. Объяснение такого явления за-
ключается в следующем. При деформации
слитков различного сечения на один и
тот же конечный размер дисперсность во-
локнистой структуры одинакова, так как
большая дисперсность дендритной структу-
ры мелкого слитка уравновешивается мень-
шей степенью ее дробления при деформа-
ции. Однако вместе с тем более продолжи-
тельный нагрев под прокатку крупного
слитка приводит к более полному протека-
нию выравнивающей диффузии и, как след-
ствие, к меньшей полосчатости. Об этом
свидетельствуют данные табл. 56.

Таким образом, увеличение массы слит-
ков переплава шарикоподшипниковой ста-
ли (по крайней мере, до 5,5—6,0 т) не
приводит к ухудшению качества прокатан-
ного металла ни по чистоте, ни по карбид-
ной неоднородности, как это имеет место
в слитках обычной выплавки.

§ 4.	Сталь для приборных
и теплостойких подшипников

Современный уровень приборостроения ха-
рактеризуется большими скоростями и тя-
желыми режимами работы приборов и из-
делий, требует высокой надежности и дли-
тельности ресурса. Все более возрастает
потребность в микроминиатюрной аппара-
туре, микродвигателях и микромашинах.
И все же, несмотря на достигнутое резкое
уменьшение загрязненности стали ШХ15
неметаллическими включениями, однократ-
ный ЭШП (так же, как и однократный ва-
куумный) не отвечает всем требованиям,
предъявляемым к стали для изготовления
прецизионных приборных подшипников са-

мой высокой точности и самой низкой ше-
роховатости поверхности.

Если для тяжелонагруженных подшип-
ников критерием предельно допустимой ве-
личины неметаллических включений на ра-
бочей поверхности является число циклов,
вызывающих усталостное выкрашивание,
то для приборных подшипников основным
критерием предельно допустимой величины
неметаллических включений на рабочих
поверхностях является статический момент
трения, момент трогания, показатель жест-
кости и т. д. Указанные показатели зави-
сят от гладкости, шероховатости поверхно-
сти дорожек качения, полированности по-
верхностей, которые в свою очередь кон-
тролируются величиной поверхностных
включений.

На желобах приборных колец ответ-
ственного назначения допускаются единич-
ные округлые включения диаметром не
более 6—9 мкм, в то время как максималь-
но допустимая величина округлого вклю-
чения в стали ЭШП 21 мкм, а по ГОСТ
801—60 даже 30 мкм. Чтобы наглядно
представить жесткость требований, кото-
рые предъявляются к стали для прецизи-
онных приборных подшипников техниче-
скими условиями (ТУ 236—60), приведем
таблицу максимальных баллов по неметал-
лическим включениям, допускаемых техни-
ческими условиями при проверке 10 образ-
цов от каждого слитка (табл. 57).

Как показали исследования [33], для
этой цели можно применить металл дву-
кратного ЭШП (табл. 58), так как уро-
вень чистоты этого металла удовлетво-
рял требованиям указанных технических
условий. Кроме того, сталь двукратного
ЭШП отличается исключительно высокой
плотностью, что способствует повышению
служебных свойств шарикоподшипниковой
стали.

Плавки мартеновской шарикоподшип-
никовой стали, обработанные в ковше син-
тетическим шлаком, содержали 0,005% се-
ры, 0,007% азота и следы титана. После
ЭШП металл отличался относительно вы-
сокой степенью чистоты по неметалличе-
ским включениям. Для сравнения одновре-
менно переплавляли рядовую электросталь,
содержащую 0,005% серы, 0,0125% азота.
После переплава из мартеновской стали
Таблица 57. Допускаемые величины максимальных баллов (оценка по ГОСТ 1778—70)
неметаллических включений по ТУ 236 — 60 для приборных подшипников, изготовляемых из
шарикоподшипниковых сталей

Марка стали	Назначение	Размер сорта (диаметр), мм	Ок- сиды	Суль- фиды	Сили- каты	Гло- були	Точеч- ные вклю- чения
ШХ15	Сверхпрецизионные приборные под-	<25	1	3	2	9	2
	шипники	25—50	2	3	3	3	2
ШХ15СГ	Приборные подшипники специаль-	<25	2	3	3	3	3
	кого назначения	25—50	3	4	4	3	3

удалялись все включения более 10 мкм и
более половины размерами 5—10 мкм. По
точечным включениям электрошлаковая
мартеновская сталь была значительно чи-
ще обычной электрошлаковой, что объясня-
ется более низким (примерно в 2 раза ни-
же) содержанием азота и соответствую-
щим снижением количества нитридных
включений. По объемному проценту вклю-
чений индекс сравнительной загрязненно-
сти металла исследуемых плавок можно
оценить следующими коэффициентами:
обычная электросталь— 1,0; мартеновская,
обработанная синтетическим шлаком,—
0,54; электрошлаковая из электростали —
0,45; электрошлаковая мартеновская —
0,21, причем только в последней все вклю-
чения были измельчены до 10 мкм.

Большое значение для подшипниковой

стали имеет низкое содержание азота. По
литературным данным, при сравнительных
испытаниях колец подшипников из стали,
содержащей 0,0052 и 0,0110% азота, стой-
кость первых оказалась в 26 раз больше
стойкости вторых.

На рис. 150 приведены результаты
сравнительных исследований металла, по-
лученного при ЭШП под различными флю-
сами, а также металла двукратного пере-
плава. Полученные данные позволили при-
йти к заключению, что наиболее высокая
степень рафинирования стали ШХ15 от га-
зов и неметаллических включений достига-
ется при первом ЭШП на флюсах системы
СаРг — СаО — 5 Юг с последующим пере-
плавом на флюсах состава 40—80% М^Рг,
0—40% СаРг и 10% АБОз (табл 59). Сле-
дует также отметить, что содержание азота

Таблица 58. Влияние однократного и двукратного ЭШП на содержание газов, плотность
и загрязненность неметаллическими включениями стали ШХ15 [33]

Серия плавок	Технология произ- водства	Содержание включений. об.% -10 4				Содержание газов, %-Ю-4		Плот- ность, г/см3
		Общее	В том числе					
			оксиды	сульфи- ды	нитриды	о	К	
1	эд	436	234	134	68	44	138	7,8125
	ЭД + ЭШП	116	65	25	26	29	108	7,8235
	ЭД + 2ЭШП	70	50	2	18	24	101	7,8307
II	эд	406	157	161	88	38	131	Не опр.
	ЭД + ЭШП	115	59	21	35	32	98	» х>
	ЭД + 2ЭШП	69	52	2	15	20	37	» »
111	Мартен + синтети- ческий шлак	217	119	74	24	35	72	» »
	Мартен -|- ЭШП	85	56	12	17	20	53	» »
IV	ЭД	404	145	142	117	33	123	» »
	ЭД + ЭШП	182	31	57	94	23	84	» »
Таблица 59. Влияние состава шлака при одно- и двукратном ЭШП на содержание газов
и загрязненность неметаллическими включениями стали ШХ15

Состав шлака при первом ЭШП			Состав шлака при втором ЭШП						Содержание неметал- лических включений, %  10—4	
							%	. ю-4		
	ъю	о 55	оГ сз	и	СаО	'О’1У	о	н	по массе	по объ- ему
80		20				—			106	17	52	714
50			20	—	—	—	—	152	13	73	1300
		80	20	—	—	—	—	81	16	87	527
60			40	—	—.	—	—	ИЗ	25	87	505
-—	ЛНФ-6	—	—	—	—	—	80	26	82	322
—	100	—	—	100	—	—	70	26	32	133
—	100	—	100	—.	—	—	62	26	61	121
—	100	—	.—	80	10	10	58	24	57	121
60			40	—	80	10	10	43	32	44	85
—	100	—	100	—	—	—	38	28	74	145
60	—	40	80	—	10	10	82	23	126	142
60			40	60	20	10	10	85	22	62	’43
60		_	40	40	40	10	10	67	23	40	76
60	—	40	20	60	10	10	75	26	48	98

в стали ШХ15 (0,003%) после двукратного
ЭШП по указанной технологии ниже, чем
после других рафинирующих технологий.
Это еще раз свидетельствует о больших
потенциальных возможностях, которые за-
ложены в самой природе процесса ЭШП.
По данным работы [20], сталь ШХ15 дву-
кратного ЭШП полностью отвечает высо-
ким требованиям, предъявляемым к метал-

Рис. 150. Влияние технологии производства на
содержание оксидных (I) и сульфидных (II)

лу для изготовления приборных подшип-
ников.

Современная техника требует создания
подшипниковых сталей, способных рабо-
тать в узлах подшипников качения при по-
вышенных температурах (до 500° С) в усло-
виях интенсивного износа и окисления без
смазки или с незначительной смазкой.
Сталь, из которой изготавливаются детали
теплостойких подшипников, должна сохра-
нять высокую твердость при рабочих тем-
пературах (не ниже ИКС = 55<-56), обла-
дать достаточной износостойкостью и кон-
тактной выносливостью, удовлетворительно
противостоять коррозии и окислению при
рабочих температурах и обладать высокой
стабильностью размеров в процессе эксплу-
атации. Кроме того, применяемая сталь
должна иметь необходимые технологиче-
ские свойства — пластичность в горячем
состоянии, обрабатываемость резанием,
шлифуемость. Всем этим требованиям мо-
жет отвечать быстрорежущая сталь. Одна-
ко химическая неоднородность и наличие
дендритной ликвации в исходных слитках
быстрорежущих сталей, а также повышен-
ная загрязненность этих сталей неметал-
лическими включениями создают затруд-
нения при использовании их для изготов-
нения специальных подшипников, работа-
ющих при высоких температурах.

Весьма эффективным оказывается при-
менение ЭШП для повышения качества
сплава 40КХНМ (основа — Со; 20% Сг;
15% КЧ; 7% Мо), применяемого для изго-
товления приборных немагнитных подшип-
ников качения, работающих при повышен-
ных (до 400° С) температурах и в некото-
рых агрессивных средах. Так, ряд авто-
ров* показали, что благодаря ЭШП сплав
очищается от кислорода (0,005—0,009%
вместо 0,011—0,025% в металле открытой
индукционной выплавки), неметаллических
включений (по строчечным включениям
максимальный балл по ГОСТ 1778—70,
метод Ш 0,5 вместо 2,0 и по недеформиру-
ющимся 0,5 вместо 0,75 для металла от
крытой индукционной выплавки), повыша-
ется плотность металла (8,3530 г/см3 вме-
сто 8,3361 г/см3). Благодаря рафинирующе-
му воздействию переплава уменьшается
ползучесть при сжатии, коррозионная стой-
кость в ряде агрессивных сред (скорость
коррозии снижается с 0,0050 для металла
открытой индукционной выплавки до
0,0030 мм/годдля металла ЭШП в 67%-ном
растворе Н1\Юз; с 0,0890 до 0,0044 мм/год
в 5%-ном растворе НС1; с 0,1280 до
О мм/год в 15%-ном растворе Н3РО4; с
0,0060 до 0,0014 мм/годд в 40%-ном КОН),
а также такой показатель, как контактная
выносливость, наиболее достоверно харак-
теризующий работоспособность материала
подшипников. Этот важнейший для под-
шипниковой стали показатель для пере-
плавленного металла примерно в 2,5 раза
выше, чем для металла обычного произ-
водства.

Сталь марки Р18 отличается от стали
Э11347 только более высоким содержанием
избыточных первичных карбидов (соответ-
ственно 25 и 15%). При одинаковой темпе-
ратуре закалки насыщенность аустенита и.
следовательно, красностойкость мартенсита
будут одинаковыми. Поэтому, несмотря на
большое различие в составе стали, красно-
стойкость сталей ЭИ347 и Р18 практически

* Б М. Зельбет, В. А. Салъц, М. А. Бетретдино-
ва и др. Свойства и долговечность подшипни-
ков из стали 40КХНМ повышенной чистоты.—
Металловедение и терм. обр. металлов, 1979,
№ 4, с. 50—54,

одинакова, так как мартенсит в них имеет
один и тот же состав. Это свойство стали
ЭИ347 определило возможность использо-
вания ее в качестве материала для высоко-
температурных подшипников. Поэтому тре-
бования к чистоте стали ЭИ347 не менее
жестки, чем к стали, предназначенной для
изготовления приборных и авиационных
подшипников.

Целью ЭШП стали ЭИ347 было выяс-
нение возможности снижения карбидной
неоднородности, а также повышения чисто-
ты металла по неметаллическим включе-
ниям. Установлено, что в результате ЭШП
стали ЭИ347 содержание серы снижается
на 20—45%. Макроструктура электрошла-
ковых слитков плотная, мелкокристалли-
ческая, однородная. Усадочной раковины,
подкорковой рыхлости, осевой пористости,
подкорковых пузырей и видимых загрязне-
ний нет. Макроструктура кованого электро-
шлакового металла отличается от исход-
ного большей плотностью и однородностью.
В исходном металле балл по оксидам со-
ставлял 3—6 (по шкале ГОСТ 1778—72),
35% плавок этой стали браковалось из-за
чрезмерной загрязненности включениями
[18]. В стали ЭИ347 после переплава балл
по оксидам 0,5 приходится на 98% образ-
цов и только 2% образцов оцениваются
баллом 1, сульфиды оцениваются бал-
лом 0,5.

В результате ЭШП не только резко
снижается количество неметаллических •
включений, ио и распределение их в метал-
ле становится более благоприятным, равно-
мерным. Установлено, что степень очище-
ния стали ЭГ1347 ЭШП от загрязненности
еще выше, чем стали ШХ15. Результаты
контроля показали, что если в исходном
металле в профиле 80—100 мм карбидная
неоднородность характеризуется баллами
7—10, то после ЭШП карбидная неодно-
родность в профиле 100 мм оценивается
максимальным баллом 6 в 18,5% случаев,
основное же количество проконтролирован-
ного металла характеризуется баллом 4.

Изучение [14] влияния уровня тепло-
устойчивости на контактную выносливость
подшипниковых сталей ШХ15, ШХ15СГ,
ШХ15СГМФ и ЭИ347 показало, что при
форсированных режимах испытаний стали
повышенной теплоустойчивости обладают
Таблица 60. Контактная выносливость образцов электрошлаковой стали 9X18 (аконт — 350 кгс/мм2:
/Ж-61,5) |23|

Характеристика металла образцов	0, млн, циклов	Т5П, млн. ЦИКЛОВ
Пруток диаметром 30 мм из сплошного слитка, подвергнутого деформации  1 с коэффициентом вытяжки 100  1 Кованые заготовки из полого слитка, подвергнутого деформации с коэффи- ! ЦИСНТОМ ВЫТЯЖКИ 5  1	... 		—  —.	—		100	250
	170  85	310  250
	250	368

Примечания: I. Термообработка: закалка от 1070° С, обработка холодов при —70° С, отпуск при 160° С,
‘2 :> числителе приведены показатели металла, подвергнутого (перед термообработкой) отжигу по обычной тех-
нологии. и знаменателе — после гомогенизации по ступенчатому режиму

более высоким уровнем контактной вы-
носливости, который контролируется интен-
сивностью структурных изменений, проис-
ходящих в процессе циклического нагру-
жения в поверхностных слоях контактиру-
ющих деталей.

Имеющиеся в настоящее время много-
численные данные показывают, что физи-
ко-механические свойства теплоустойчивых
подшипников длительной службы, изготов-
ленных из сталей 9X18 и ЭИ347 и других,
существенно зависят от степени дисперс-
ности и распределения карбидной фазы в
первичной структуре слитка. В связи с
31 им большой интерес представляло полу-
чение указанных марок стали в виде поло-
<о слитка ЭШП. До последнего времени
кольца теплоустойчивых подшипников из
стали 9X18 и ЭИ347 изготавливаются пу-
тем порезки кованого сорта на диски и
высверливания сердцевины, что вызывает
потери металла в стружку до 30%.

Прессование и раскатка полых слитков
из стали 9X18 ЭШП обусловливают из-
мельчение крупных карбидов и более бла-
гоприятное распределение их в металле.
Микроисследование образцов показывает,
что в полом слитке сетка карбидной эвтек-
тики более тонкая, со значительно меньши-
ми скоплениями карбидов по сравнению с
обычным слитком. После ступенчатой вы-
сокотемпературной термической обработки
в полом слитке ЭШП наблюдается сферо-
идизированная структура: эвтектическая
составляющая представлена в виде цепо-
чек изолированных карбидов угловатой
формы. В целом карбидная фаза более
равномерно распределена по всему сече-
нию слитка [21].

Испытания подшипников, изготовлен-
ных из металла полых слитков ЭШП стали
9X18, на контактную выносливость пока-
зали, что долговечность этого металла
(отжиг по обычной технологии) после ков-
ки образцов с малым коэффициентом вы-
тяжки приближается к работоспособности
электрошлаковой стали 9X18 промышлен-
ного производства, прокатанной на пруток
30 мм с коэффициентом вытяжки металла
100. Более того, в случае гомогенизации
металла по ступенчатому режиму при
той же схеме деформации долговечность
образцов из металла полого слитка даже
выше, чем у металла ЭШП из сплошного
слитка (табл. 60).

Таким образом, получение в процессе
ЭШП полого слитка позволяет коренным
образом изменить процесс изготовления ко-
лец теплостойких подшипников путем ис-
пользования горячедеформированных труб
при значительном снижении расхода ме-
талла, уменьшении трудоемкости обработ-
ки и повышении качества изделий.

Необходимо отметить, что отечествен-
ная промышленность ранее вообще не вы-
пускала труб из высоколегированных угле-
родистых сталей, подобных нержавеющей
теплостойкой шарикоподшипниковой стали
9X18 [23], что объясняется большой склон-
ностью этой стали к расслоению в процес-
се горячей прокатки трубной заготовки
вследствие высокой степени карбидной не-
однородности стали, пластичность которой
по плоскостям, насыщенным и обедненным
карбидами, резко отличается. По указан-
ной причине для этой стали характерна
исключительно высокая степень анизотро-
пии показателей пластичности (эти значе-
Пия поперечного сужения образцов, выре-
занных вдоль и поперек прокатки, могут
различаться в 10 раз).

Именно поэтому применение в изготов-
лении указанных труб металла ЭШП и
особенно металла полого слитка ЭШП яви-
лось кардинальным решением этой акту-
альной и очень сложной проблемы. Как
показали тщательные и всесторонние ис-
следования металла труб размером
78 X 16,5 мм, изготовленных из горячеката-
ных прутков обычной стали, и металла по-
лого слитка ЭШП, контактная долговеч-
ность и ресурс колец и подшипников ме-
талла ЭШП в 3—5 раз были выше, чем у
обычного металла.

Высокое качество колец теплостойких
шарикоподшипников, изготовленных из по-
лых слитков ЭШП сталей 95X18 и ЭИ347,
подтвердили исследования [18], где было
показано, что у металла полого слитка
ЭШП карбидная неоднородность оценива-
ется баллом 1 (в прутке — балл 4), зна-
чительно меньше размер карбидов, долго-
вечность колец, изготовленных из трубной
заготовки полого слитка ЭШП, в 3—3,5 ра-
за больше, чем у колец, изготовленных из
пруткового металла.

Следует отметить, что причиной сущест-
венного превосходства электрошлаковой
стали в данном случае явилось оптималь-
ное сочетание всех преимуществ ЭШП —
рафинирующей способности, обеспечившей
резкое снижение загрязненности металла;
кристаллизационных особенностей, обусло-
вивших минимальную карбидную и другие
неоднородности; технологической гибкости,
с помощью которой удалось получить по-
лые слитки, где первые два преимущества
ЭШП проявились еще более эффективно.

§ 5. Сталь для валков
холодной прокатки

Современные станы холодной прокатки вы-
пускают лист, полосу, жесть, ленту и фоль-
гу толщиной 0,002—5,0 мм и шириной до
2350 мм. Спрос на эти виды металлопро-
ката из углеродистых, легированных и спе-
циальных сталей и сплавов со стороны
автомобильной, электро- и радиотехниче-
ской, пищевой промышленности, космиче-
ской и авиационной техники непрерывно

растет. Поэтому большое внимание уделя-
ется повышению производительности дей-
ствующих, строящихся и проектируемых
станов холодной прокатки. Решение этой
проблемы осуществляется по двум на-
правлениям —- с одной стороны, увеличе-
нием степеней обжатия металла за один
проход в клети и повышением скорости
прокатки, с другой —- увеличением стой-
кости основного рабочего инструмента —
опорных и рабочих валков. Причем разви-
тие первого направления существенно
сдерживается возможностями повышения
эксплуатационной стойкости валков.

Работоспособность валков холодной про-
катки находится в прямой зависимости от
свойств и качества стали, применяемой для
их изготовления. На отечественных заво-
дах для валков холодной прокатки приме-
няют как заэвтектоидные стали, к которым
относятся 9Х, 9X2, 9ХФ, 9Х2МФ, 9Х2В,
9Х2СВФ, так и доэвтектоидные стали
60Х2СМФ, 65ХНМ, 65ХМ и др. Выплавку
этих сталей производят в кислых марте-
новских печах с использованием полупро-
дукта из основных печей и в основных
электродуговых печах и разливают в слит-
ки массой 3—7 т. Заготовки валков полу-
чают путем свободной ковки слитков на
прессах усилием 2000—3000 тс.

Рабочие валки обычно изготавливаются
в цельнокованом исполнении, а опорные
мргут быть бандажироваиными, с насажен-
ной на ось бочкой.

Стойкость рабочих и опорных валков
зависит от многих факторов [25], но опре-
деляющим является качество металла. Из-
вестный уровень загрязненности валковых
сталей обычного производства газами, не-
металлическими включениями, серой, на-
личие явно выраженных ликвационных зон,
физической и структурной неоднородности
предопределяют относительно низкий уро-
вень стойкости валков холодной прокатки.
Перечисленные дефекты являются след-
ствием ограниченной возможности рафини-
рования стали в обычных сталеплавильных
агрегатах и специфики ее кристаллизации
в изложнице. Они не устраняются при по-
следующих переделах — ковке, термиче-
ской и механической обработке — и вызы-
вают при эксплуатации валков повышен-
ный износ и неравномерную выработку за-
Рис. 151. Влияние ЭШП на загрязненность
стали 9Х2МФ:	—

1 — исходная сталь: 2 и 3 — металл ЭШП разных
плавок.

Рис. 152. Влияние содержания кислорода и
азота на стойкость валков.

каленного слоя, поверхностные выкраши-
вания и отслоения, продольное и попереч-
ное разрушение бочек валков.

Необходимость повышения качества
валковых сталей была очевидна давно, од-
нако только с появлением ЭШП предста-
вилась возможность ее реализации. Уже
первые исследования показали [16], что
ЭШП резко повышает чистоту валковых
сталей. Исходная сталь типа 9Х2МФ, вы-
плавленная в основной электропечи, обра-
ботанная синтетическим шлаком и отлитая
в слитки массой 7 т, отличалась низкой
концентрацией кислорода (0,003%) и серы
(0,008%). После ЭШП в слитки массой
14 т и диаметром 1200 мм содержание кис-
лорода было снижено до 0,0015%, т. е. в
2 раза, а содержание серы — до 0,001 —
0,002%, т. е. в 4—8 раз.

Существенно уменьшилась загрязнен-
ность стали неметаллическими включения-
ми (рис. 151). Если в исходной стали ко-
личество участков (полей зрения) без
включений составило всего 15%, то после
ЭШП оно возросло до 38—50%, или в
3 раза. Произошло также диспергирование

ю 20	30	40 стойкость, тыс.т проката

неметаллических включений. Размер оксид-
ных включений снизился с 20—25 до 10—
12 мкм, а сульфидных — с 10 до 4—6 мкм.
Причем отмечено равномерное распределе-
ние оксидных и сульфидных включений в
заготовках электрошлаковых валков.

Сравнительное исследование поковок
из электропечной и электрошлаковой стали
9Х [1] показало, что переплав обеспечива-
ет снижение содержания кислорода на
33%, серы — на 53% и азота — на 25%.
Объемное содержание оксидных включений
уменьшается в 2,9 раза, а сульфидных —
в 1,3 раза. Снижается также и максималь-
ный балл по этим видам включений.

Высокая эффективность рафинирования
достигается и при ЭШП валковой стали,
выплавленной в кислых мартеновских пе-
чах [8]. В табл. 61 показано, что содер-
жание кислорода в стали 60Х2СМФ после
переплава снижается с 0,0095 до 0,0017%,
т. е. более чем в 5 раз, а содержание неме'

Таблица 61. Содержание газов и неметал-
лических включений в кислой мартеновской и
электрошлаковой стали 60Х2СМФ, %

Способ пыплавки

ГО|



Кислая мартенов-
ская печь

ЭШП

Включе-
ния

0,0095

0,0017

0,0072

0,0060

0,0071

0.0042
Таблица

62. Стойкость

чих валков стана

ра

1680, изготовленных из обычной и

электрошлаковой стали

Марка
стали

Способ
выплавки

Средняя
приведен-
ная стой-
кость, т

Количе-
ство вал-
ков, вы-
шедших
из строя
из-за от-
слоений.

9Х2МФ

60Х2СМФ

Основная
электропечь
ЭШП

Кислая мар-
теновская
печь

ЭШП

18 950

32 250

35 700

47 600

44,2

15,3

29,2

7,14

таллических включений — примерно вдвое.
Концентрация азота уменьшается на 20%.
Вопросу рафинирования валковых сталей
уделяется большое внимание, поскольку
он непосредственно связан с такой харак-
теристикой, как контактная выносливость.

Для электрошлаковой стали 9Х2МФ
установлена прямая зависимость стойкости
валков диаметром 490 мм стана 1680 от
содержания в ней кислорода и азота.
Уменьшение суммарного содержания этих
газов в электрошлаковой стали с 0,0092 до
0,0026% повышает стойкость электрошла-
ковых валков с 9180 до 72 852 т прока-
та. Причем эта зависимость становится
особенно четкой с уменьшением сум-
марной концентрации газов ниже 0,004%
(рис. 152).

При превышении указанного предела
зависимость стойкости валков от содержа-
ния газов становится трудновыявляемой.
Отсутствие такой зависимости для валков
обычного производства, по-видимому, свя-
зано с повышенной загрязненностью стали,
которая усиливает отрицательное влияние
других факторов на работоспособность
валков.

В табл. 62 приведены сравнительные
данные по стойкости валков из обычной
стали и электрошлаковых сталей 9Х2МФ
и 60Х2СМФ. Для валков из электрошлако-
вой стали 9Х2МФ стойкость возросла в
1,7 раза, а из стали 60Х2СМФ — в 1,3 ра-
за. Повышение чистоты электрошлаковой
стали в обоих случаях привело к снижению

количества валков, вышедших из строя по
отслоениям на 20—30 абс.%.

В работе [25] показано, что электро-
шлаковая сталь 9Х обладает в 1,5 раза бо-
лее высоким пределом выносливости. Эти
результаты подтверждаются также иссле-
дованиями, выполненными на стали 9Х
(см. гл. II).

Снижение содержания оксидных и нит-
ридных включений с 0,003 до 0,0015% по-
сле ЭШП увеличивает контактную вынос-
ливость стали с 30 до 40 млн. циклов.

Специфические условия кристаллизации
электрошлаковых слитков повышают об-
щую плотность металла, устраняют физи-
ческую и снижают структурную неоднород-
ность, предотвращают образование ликва-
ционных зон. В результате этого резко по-
вышается технологическая пластичность
электрошлаковых валковых сталей. При
ковке слитков ЭШП на заготовки валков
продольные трещины не образуются, а на
обычных слитках брак из-за этого вида де-
фектов составляет 3—5%. В валках ЭШП
отсутствуют внецентренная и осевая ликва-
ция серы и какие-либо значительные ее
местные скопления. В валках из обычной
стали шнуры внецентренной ликвации при-
ближаются к поверхности бочки на 50—
60 мм. Осевая ликвация явно выражена.

__ Валки из электрошлаковой стали обла-
дают более высокими механическими свой-
ствами. Предел прочности после закалки с
850° С и отпуска при 150° С для обычной
стали 9Х составил 471 кгс/мм2, а для
электрошлаковой — возрос до 510 кгс/мм2.
Соответственно увеличился с 420 до
454 кгс/мм2 предел текучести. При всех ре-
жимах термообработки пластичность
электрошлаковой стали была выше на
10—14%.

Следует отметить еще одну особен-
ность электрошлаковых валковых сталей.
Вследствие незначительного изменения
химического состава сужается темпера- |
турный интервал аустенитного превраще-
ния. Точка начала распада аустенита по-
нижается, а точка конца распада повы-
шается. Это явление необходимо учиты-
вать при назначении режимов оконча-
тельной термообработки, поскольку элект-
рошлаковая валковая сталь более чув-
ствительна к перегреву, чем сталь обычно-


Таблица 63. Эксплуатационная стойкость валков ЭШП до и после передела их на меньшие
размеры в станах 1680 и 1200

Номер валка	Марка стали	Стан 1680				Стан 1200			
		О « к о —  °о о  и «	Уменьше- ние диа- метра, мм	Стой- кость, т	Причина выхода нз строя	Количе- ство ус- 1 тановок 		Уменьше- ние дна- метра, мм	Стой- кость, ч	Причина выхода из строя
1	9Х2МФ	12	3,50	П е р ва 16 770	я партия Навар	12	9,10	2205	Навар
2		43	10,70	46 660	Отслоение	27	7,65	4445	»
3		27	4,30	28 300		18	6,75	2225	»
4	9Х2МФ	9	2,00	9320	Навар	13	13,90	1616	Порез
5		23	3,95	25 740	Порез	38	19,75	3921	Износ
6		21	5,60	22 830	»	8	1,00	1155	Навар
Средние значения		22,5	5,00	24 936	—	19,3	9,69	2428	—
1	60Х2СМФ	55	16,75	Втора  59 760	я партия  Трещина шейки	38	12,25	5020	Навар
2		121 4	40,50	112 540	Износ	32	14,75	3378	»
3		106	40,00	110 450	»	12	7,25	883	Отслоение
4		99	39,25	97 120	»	5	6,20	590	Выкрошка
5		100	35,40	116 490		34	11,20	4930	Порез
Средние значения		98	34,40	99 270	—	24,2	10,30	'2960	—

Примечание.

Средняя стойкость обычных валков

в стане 1200 составила 1700 т.

го производства. Интересные данные по
этому вопросу приведены в работе [1],
где показано, что перегрев электрошла-
ковой стали при закалке приводит к рез-
кому снижению ее трещиноустойчивости.

Облагороживающее воздействие ЭШП
на валковые стали приводит к 1,5—
2-кратному повышению средней стойкости
валков на непрерывных и реверсивных
станах типа 1680. При этом 22% валков
ЭШП диаметром 500 мм из стали
60Х2СМФ прокатывают более 100 тыс. т
листа, в то время как у обычных сталей
этот показатель не превышает 8%. Мак-
симальная стойкость электрошлаковых
валков составляет 200—220 тыс. т холод-
ного листового проката.

Вместе с тем выход электрошлакового
валка из строя по естественному износу,
отслоению, выкрошке, порезу, навару и
т. д. совсем не означает, что он должен
быть переведен в шихту для последующе-

го переплава, как валки из обычных ста-
лей. Отработавшие валки ЭШП большого
диаметра могут быть переточены на вал-
ки меньшего диаметра и с успехом ис-
пользоваться для последующей холод-
ной прокатки металла. В табл. 63 приве-
дены результаты таких экспериментов с
электрошлаковыми валками из сталей
9Х2МФ и 60Х2СМФ. Валки диаметром
510 мм стана 1680, переточенные на диа-
метр 400 мм, показали стойкость в стане
1200 в 1,5—1,7 раза большую, чем новые
валки из обычных сталей, и равную стой-
кости новых валков ЭШП. Это свидетель-
ствует о высокой выносливости и живу-
чести электрошлаковых валковых сталей.
Кованым электрошлаковым валкам хо-
лодной прокатки был присвоен государ-
ственный Знак качества.

Все более широкое применение элект-
рошлаковые стали получают для изготов-
ления промежуточных и рабочих валков

6+ '/« 2426
Таблица 64. Эксплуатационная характеристика рабочих и приводных валков 20-валкового
стана 1700

Поставщик	Диаметр бочки, мм	Количест- во вал- ков, шт.	Средняя стойкость, т на 1 валок	Среднее чис- ло установок в стан	Среднее ко- личество про- ката за 1 ус- тановку, т	Среднее уменьшение диаметра за 1 установку, мм	Количество проката на  1 мм рабочего  слоя, т
Бельгия	130	87	Раб  573	о чие ва л к  38,4	И  14,9	0,44	34,3
Италия	130	15	500	35,3	14,1	0,47	30,2
Швеция	140	23	935	55,8	16,8	0,42	40,1
СССР	130	43	735	46,0	16,0	0,42	38,0
ФРГ	240	97	Первые  2077	ром е жу т  5,9	э ч н ы е  355	0,81	438,6
Швеция	240	20	1692	4,3	394	0,56	700,1
Италия	240	1	638	7,0	91	0,29	317,5
Бельгия	240	7	3528	12,6	281	0,50	563,2
СССР	240	3	3143	10,3	304	0,77	396,2
ФРГ	240	В т о р 1  28	>1 е промеи  8881	суточные, 8,4	ПрИВОДН!  10,54	>1 е  0,39	2692
Швеция	240	2	3517	3,0	1172	—	—
СССР	240	6	10 550	7,2	1472	0,3	4945
ФРГ	240	В  2	торые при 6890	водные, х 4,0	о л о с т ы е  1722	0,31	5579
СССР	240	2	12 175	8,0	1522	0,19	7855

многовалковых станов типа «Сендзимир»
(«Иноченти»), Как известно, за рубежом
для изготовления таких валков используют
сложнолегированные стали типа Х12ВМФ.

В отечественной практике также наме-
тилась тенденция увеличения содержания
легирующих элементов в сталях для вал-
ков такого типа [9]. Применение стали
6Х6М1Ф повысило эксплуатационную
стойкость валков в 2—3 раза по сравне-
нию с обычными сталями ШХ15, 9Х и
9Х2МФ, обладающими недостаточной со-
противляемостью радиальному сжатию
из-за ограниченной прокаливаемости.

Вместе с тем были выполнены работы
по улучшению свойств сталей типа
9Х2МФ и 60Х2СМФ на основе ЭШП. При
этом для повышения чистоты стали ее
раскисляли алюминием и редкоземельны-
ми элементами. После ковки слитков и
механической обработки заготовки валков
подвергали термическому улучшению, в
результате чего была обеспечена твер-
дость 38—42 ед. по Шору. Окончательная
термообработка включала нормализацию
и последующую закалку ТПЧ. Отпуск

валков производился в масляной ванне
при температуре 130—140° С. При этом
была обеспечена твердость на поверхно-
сти бочки, равная 90—93 ед. по Шору.
Глубина закаленного слоя составила
60 мм на валках диаметром 130 мм из
электрошлаковых сталей 9Х2МФ и
60Х2СМФ. Активная зона закаленного
слоя распространялась на глубину 20 мм
при твердости для каждой из сталей со-
ответственно 52—62 НК.С и 58—61 НЦС.
В переходной зоне закаленного слоя твер-
дость плавно снижалась.

Промежуточные и рабочие валки были
установлены в 20-валковый стан 1700.
Одновременно на этом стане использова-
лись импортные валки фирм «Раскин»
(Бельгия), «Конье» (Италия), «Буфорш»
(Швеция) и «ДЕВ» (ФРГ), изготовлен-
ные из высоколегированных сталей леде-
буритного класса.

Данные табл. 64 показывают, что
стойкость промежуточных и рабочих вал-
ков из электрошлаковой стали 9Х2МФ не
уступает стойкости валков из высоколеги-
рованных сталей импортного произвол-
ства. Практически все электрошлаковые
валки вышли из строя из-за износа рабо-
чего слоя. При этом по количеству про-
катанного металла иа 1 мм рабочего слоя
валки ЭШП не уступают импортным. Та-
ким образом, применение экономнолеги-
рованной электрошлаковой стали 9Х2МФ
вместо сложнолегированных сталей типа
Х12ВМФ, 6Х6М1Ф и других при изго-
товлении валков многовалковых станов
оказалось технически и экономически це-
лесообразным.

Электрошлаковое литье открывает
принципиально новые возможности в про-
изводстве валков холодной прокатки. Опи-
сание различных технологических схем
электрошлаковой выплавки валков можно
найти в монографии [34]. Экономическая
эффективность использования литого
электрошлакового металла очевидна. Кро-
ме исключения ковки из технологического
процесса получения валков и высвобо-
ждения остродефицитного кузнечно-прес-
сового оборудования достигается значи-
тельная экономия металла. Так, если при
производстве кованых валков с диамет-
ром бочки 490—510 мм для станов 1680
из обычного слитка выход годного состав-
ляет всего 49—52%, то электрошлаковая
отливка таких валков увеличит полезное
использование металла до 75—78%, а
это значит, что расход металла на каж-
дый валок массой 3,3—3,6 т уменьшится
примерно на 2 т. Еще более высокие по-
казатели могут быть получены при электро-

шлаковой отливке заготовок валков для
многовалковых станов. Здесь выход год-
ного металла может быть доведен до
84—86%.

На Электростальском заводе тяжелого
машиностроения был организован про-
мышленный выпуск литых электрошлако-
вых валков диаметром 250 мм для станов
типа 1200 из стали 9Х и 9Х2МФ. Эти вал-
ки хорошо зарекомендовали себя в эк-
сплуатации. Стойкость литых электро-
шлаковых валков в 1,1—1,3 раза выше
стойкости деформированных валков обыч-
ного производства.

ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР сов-
местно с Челябинским трубопрокатным
заводом была проведена работа по при-
менению литых калибров со сформиро-
ванными во время электрошлаковой вы-
плавки ручьями для холодной прокатки
труб на стане ХПТ-250. Общий вид литых
электрошлаковых калибров из стали
9Х2МФ показан на рис. 153. Макрострук-
тура литых электрошлаковых калибров
была плотной, без пор, пустот и раковин.
В кованых калибрах из обычной стали
9Х2МФ в районе подошв были обнаруже-
ны полосы, образованные внецентренной
ликвацией. В литых электрошлаковых ка-
либрах ликвационные зоны отсутствовали.
Отмечена меньшая травимость активного
слоя закаленной зоны в литых калибрах

Рис. 153. Литые калибры из электрошлаковой
стали 9Х2МФ.

6+'АГ
ЭШП. Загрязненность литого металла
ЭШП и кованого обычной выплавки ок-
сидами и силикатами (шкалы ГОСТ
1778—70) была примерно одинаковой и
оценивалась соответственно баллами 2 и
1,5. Сульфидные включения в металле
ЭШП были оценены баллом 1, а в кова-
ном обычной выплавки — баллом 3. Мак-
роструктура закаленного слоя ручья ли-
того электрошлакового калибра характе-
ризуется наличием мелких карбидов и
троостомартенсита. В кованом калибре
закаленный слой имел структуру троосто-
мартенсита.

Сравнительные испытания калибра в
стане ХПТ-250 при прокатке труб диамет-
ром 122X6 мм из стали марки 10 вы-
явили существенное преимущество литых
калибров ЭШП. Средняя стойкость ко-

ваных калибров из стали 9Х2МФ соста-
вила 40 200 м труб диаметром 122 мм
и толщиной стенки 6 мм. Работоспособ-
ность электрошлаковых литых калибров
составила 78 670 м, т. е. была почти в
2 раза выше, чем у кованых калибров
обычного производства.

За последние годы электрошлаковыми
валками на непрерывных, реверсивных,
многовалковых и трубных станах было
выработано около 15 млн. т холодного
проката. Анализ их изготовления и эк-
сплуатации не оставляет сомнений в том,
что будущее принадлежит прокатным
валкам из деформированной и литой
электрошлаковой стали, в том числе и
композитным валкам с бочкой из метал-
ла ЭШП и осью 1!3 металла обычной вы-
плавки.
Название «инструментальные стали»
обычно используется для обозначения лю-
бой стали, применяемой для резания,
штамповки п других изменений формы
материалов. Такие стали характеризуются
высокой прочностью, хорошим сопротив-
лением износу, часто в сочетании с высо-
кой красностойкостью. Инструментальные
стали можно подразделить на пять групп:
углеродистые и среднелегированные ин-
струментальные стали, быстрорежущие,
стали для горячего и холодного деформи-
рования, ударостойкие. Наиболее дефи-
цитными и ценными являются стали трех
последних групп.

Развитие ведущих отраслей машино-
строения, значительное увеличение объ-
ема производства и потребления жаро-
прочных и высокопрочных сталей, автома-
тизация процессов резания и давления с
каждым годом выдвигают все более вы-
сокие требования к стойкости режущего
и штампового инструмента. Его стойкость
наряду с другими факторами (конструк-
ция, условия эксплуатации, качество из-
готовления и т. д.) во многом определя-
ется уровнем основных свойств инстру-
ментальных материалов. Существенным
резервом увеличения надежности и ра-
ботоспособности инструмента, особенно
больших размеров, является повышение
качества инструментальных сталей.

Поступающие на инструментальные и
машиностроительные заводы быстрорежу-
щие стали имеют значительную карбид-
ную неоднородность, возникающую после
недостаточной пластической деформации
литой структуры, раздробившей ледебу-
ритную сетку, но не создавшей равномер-
ного распределения карбидов по объему
металла. При горячей обработке давлени-
ем карбидная полосчатость уменьшается
только в результате значительного дефор-
мирования, но полностью не устраняется.

Карбидная неоднородность быстроре-
жущей стали- отрицательно влияет на
эксплуатационные свойства металлорежу-
щего инструмента. Сильно развитая кар-
бидная полосчатость значительно снижа-
ет прочность материала и вызывает ани-
зотропию прочности и объемных измене-
Таблица 65. Химический состав флюсов (шлаков), используемых при ЭШП легированных сталей,
% [123]

Шлак	СаРг	СаО	Л1,О,	М&О	$Ю,
Обычный	70	 . .	30					
Шлак для быстрорежущих сталей (для десульфурации)	70	15	15	—	—
Шлак для инструментов горячей штамповки	55	15	25	3	2
Шлак Гопкинса для штамповых сталей	40	—	50	10	—
Легкоплавкие шлаки	40	30	30	—	—
(для высокоуглеродистых сталей)	30	30	30	—	10
Шлак Гопкинса для инструментальных сталей	30	—	40	10	20
Шлак для инструментальных сталей с большим со- держанием серы	50	25	—	—	25

ний, происходящих при закалке, снижает
теплостойкость и износостойкость стали,
усиливает выкрашивание рабочих кромок
инструмента. Карбидная неоднородность
повышает концентрацию напряжений при
закалке, что увеличивает чувствитель-
ность стали к образованию трещин, осо-
бенно в инструментах сложной формы.
Наличие в режущем инструменте из бы-
строрежущей стали грубых и неравномер-
но распределенных карбидов вызывает
разрушение режущей кромки и ускорен-
ный износ инструмента.

Большим недостатком существующих
методов деформирования быстрорежущей
стали — прокатки, ковки, прессования —
является значительная неравномерность
деформации в объеме заготовки, которая
приводит к неравномерной проработке
структуры. Так, прокат инструментальной
стали диаметром 20—40 мм в преоблада-
ющем большинстве оценивается 3—5 бал-
лами по карбидной неоднородности.

Кроме применения ступенчатого гомо-
генизирующего нагрева слитков под ков-
ку и прокатку, обеспечивающего сниже-
ние карбидной неоднородности в быстро-
режущих сталях на 1—2 балла, другим
способом существенного снижения (на
1,5—2 балла) карбидной неоднородности
является поперечная ковка слитков (осад-
ка вдоль оси) под прессом. Однако ука-
занная технология пока не может быть
рекомендована для массового производ-
ства сталей ввиду низкого (около 40%)
выхода годного металла повышенного ка-
чества и поэтому высокой себестоимости.

За рубежом в последние годы прово-

дятся работы по снижению карбидной не-
однородности и размеров карбидов в бы-
строрежущей стали путем введения моди-
фикаторов, изменения массы слитков и
способов горячей обработки. Однако, как
указано в работе [22], попытки снизить
карбидную неоднородность путем введе-
ния в металл различных модификаторов
(Т1, Ив, 2г и др.), разливки металла в
изложницы плоской формы и водоохла-
ждаемые кристаллизаторы и другими
способами не увенчались успехом. Все это
вызвало необходимость в изыскании и
применении новых методов выплавки ста-
ли, которые обеспечивают снижение со-
держания газов и неметаллических вклю-
чений, улучшение макро- и микрострукту-
ры, что в конечном счете повышает пла-
стические свойства металла. Таким мето-
дом стал ЭШП. Хотя ЭШП инструмен-
тальных сталей развивался несколько
менее интенсивно, чем, например, шарико-
подшипниковых и конструкционных, одна-
ко к настоящему времени накоплен боль-
шой фактический материал, свидетельству-
ющий о его благоприятном влиянии на
служебные свойства инструментальных
сталей.

При ЭШП легированных инструмен-
тальных сталей в большинстве -случаев
необходимо обеспечить высокое качество
кристаллизации и структуры слитка, что
важнее требования по рафинированию.
Большинство флюсов, используемых для
переплава инструментальных сталей,
представляет собой четырех- или пятиком-
понентную систему, в которую обязательно
входит фторид кальция, а окиси магния
Рис. 154. Макроструктура (продольный тем-
плет) электрошлакового слитка инструменталь-
ной стали Р18.

и кремния содержатся, как правило, в ма-
лых количествах (табл. 65). ’

Многие легированные инструменталь-
ные стали можно переплавлять с исполь-
зованием различных флюсов, состав ко-
торых выбран с учетом различных физи-
ческих и химических требований. Сильно
перегретый жидкий шлак — отличная сре-
да для удаления включений посредством
растворения их или химических реакций
[123].

• Основным преимуществом ЭШП ин-
струментальных сталей является повыше-
ние эффективности производства благода-
ря отливке слитков большей массы, улуч-
шению качества поверхности, уменьшению
головной обрези и улучшению обрабаты-
ваемости в горячем состоянии? Опыт по-
казал, что массу слитков ЭШП высоколе-
гированных инструментальных сталей мож-
но увеличить в 2—3 раза по сравнению с
массой отливаемых обычных слитков, и
структурная однородность при этом не
ухудшится. Такое увеличение массы слит-
ков наряду с улучшением качества их
поверхности и снижением головной обрези
может привести к значительному росту
производства. Превосходная гомогенность
и структурная однородность электрошла-
ковых слитков (рис. 154) позволяют огра-
ничиться выборочным контролем и ввести
менее жесткие ограничения на применение
этого дефицитного металла в промышлен-
ности.

Микрозагрязненность и отсутствие не-
сплошностей, определяемые с помощью
магнитной дефектоскопии, не создают
проблем при ЭШП инструментальный
сталей (рис. 155). Результаты ультразву-
ковых испытаний также подтверждают
высокое качество и отличную однород-
ность слитков ЭШП. Послойная кристал-
лизация, столь характерная и трудно
контролируемая в слитках быстрорежу-
щей стали обычных видов производства,
в электрошлаковой металле отсутствует.

Электрошлаковый переплав быстроре-
жущих сталей дает хорошую структурную
однородность от края к центру и от дон-
ной до головной части слитка. Это позволя-
ет полностью использовать весь слиток для
любых назначений. Размер зерна, обычно
постоянный, слегка уменьшается при
Рис. 155. Неметаллические включения в стали
Р18 ЭД (а) и ЭШП (б), Х86.

уменьшении сечения изложницы. Крупные
слитки ЭШП отличаются очень тонкой
карбидной структурой по сравнению с ли-
тым материалом обычных видов производ-
ства.

Несмотря на то что диаметр слитка
оказывает относительно небольшое влия-
ние на размер карбидов, более крупные
слитки все же характеризуются тенден-
цией к росту карбидов. Особенно чувстви-
тельны к укрупнению карбидов высоко-
ванадиевые сверхбыстрорежущие стали.
ЭШП в значительной степени устраняет
эту тенденцию.

Рис. 156. Сравнительная стойкость сверл, изго-
товленных из стали обычной плавки (средний
уровень а) и стали ЭШП (средний уровень б),
при сверлении отверстий диаметром 17,7 мм,
скорости резания 27,4 м/мин и подаче
255 мм/мин [29].

Благодаря химической и структурной
однородности характеристики закаливаемо-
сти электрошлаковой быстрорежущей ста-
ли более равномерны, чем в обычных круп-
ных слитках, не возникает градиента попе-
речной твердости и низкой твердости ме-
талла центра заготовок. Опасные несплош-
ности — микровключения алюминатов и
силикатов — отсутствуют после ЭШП даже
в сталях с высоким содержанием вольфра-
ма, особенно чувствительных к этому де-
фекту.

Магнитная дефектоскопия обнаружи-
вает в стали ЭШП минимальное количе-
ство браковочных дефектов, что позволя-
ет использовать процесс ЭШП при вы-
плавке металла для изготовления валков
станов холодной прокатки цветных спла-
вов, качество поверхности которых имеет
особенно большое значение. Поэтому
электрошлаковая быстрорежущая сталь
широко используется для изготовления
рабочих валков станов «Сендзимир» и
фольговых станов.

Проведенные испытания сверл, изго-
товленных из электрошлаковой стали, по-
казали повышение срока службы на 23%
и улучшение постоянства срока эксплуа-
тации (рис. 156). Значительно улучша-
ются после ЭШП ударные свойства об-
разцов стали Р18. Успешно применяется
электрошлаковая быстрорежущая сталь
для изготовления фрез. Срок службы ин-
струментов, изготовленных из металла,
взятого в центре и по краям электрошла-
кового слитка, изменялся весьма незначи-
тельно [29].

Наибольшие преимущества ЭШП име-
ет при выплавке специальных инструмен-
тальных сталей, которые должны обла-
дать особыми свойствами и которые слож-
но выплавлять другим способом, особен-
но в случаях, когда наряду с высокими
технологическими и экономическими тре-
бованиями необходимо обеспечить доста-
точно высокий уровень металлургических
и физических свойств изделий. Благодаря
высокой однородности слитков ЭШП ча-
стоту проведения контроля металла мож-
но уменьшить.

Применение ЭШП позволяет разре-
шить ряд проблем, с которыми металлур-
гам пришлось столкнуться при производ-
стве инструментальных сталей еще в на-
чале нашего столетия. В частности, толь-
ко с помощью ЭШП удалось устранить
центральную пористость, а головную об-
резь свести почти на нет. За счет умень-
шения размера зерен в центре слитка
ЭШП удается достичь равномерности
структуры в центре и по краям слитка.

Процесс ЭШП позволяет в некоторой
степени контролировать размер карбидов.
Однако задача эта усложняется при вы-
соких требованиях к размеру карбидов в
периферийных зонах, так как эти зоны,
затвердевшие в первую очередь, подверга-
ются затем нагреву за счет тепла цент-
ральной части слитка, что усиливает
тенденцию периферийных карбидов к коа-
гуляции. По утверждению некоторых пот-
ребителей, температуру ковки быстроре-
жущих сталей, выплавленных методом
ЭШП, можно снизить на 20—30° С, а тем-
пературу закалки — примерно на 50° С.
Удельный расход дефицитных материалов
также уменьшается. Увеличение выхода
годного возрастает в среднем на 10%.
Очень важно отметить значительное
уменьшение трещинообразования в слит-
ках ЭШП. Все эти утверждения особенно
справедливы для быстрорежущих сталей
с высокой скоростью резания, а также
для сталей с высоким содержанием ко-
бальта.

Применение процесса ЭШП служит
большим резервом увеличения надежно-
сти и срока службы инструментальных

Таблица 66. Влияние ЭШП на карбидную
неоднородность инструментальной быстрорежущей
стали Р18 [59]

эд		ЭШП	
Степень деформа- ции ме- талла	Карбид- ная не- однород- ность, баллы	Степень деформации металла	Карбид- ная не- однород- ность, баллы
4,5	10,0	2,0	7,0
9,0	7,0	4,0	3—5
25,0	4,0	—	—

сталей вследствие значительного сниже-
ния анизотропии свойств и загрязненно-
сти металла неметаллическими включе-
ниями и газами и повышения усталост-
ных характеристик сталей. Поэтому объ-
ем производства таких сталей в СССР и
за рубежом с каждым годом возрастает.
Применительно к быстрорежущим сталям
определенный интерес представляет ЭШП
при производстве трубных и биметалличе-
ских заготовок. Помимо значительного со-
кращения расхода быстрорежущих ста-
лей (снижение потерь на стружку) основ-
ное преимущество производства таких
заготовок заключается в заметном улучше-
нии макроструктуры (снижение карбид-
ной строчечности, устранение скопления
карбидов в отдельных участках) благода-
ря увеличению скорости кристаллизации
слитка ЭШП.

При кристаллизации быстрорежущей
стали в изложнице наблюдается большая
структурная неоднородность слитков по се-
чению. В связи с развитием процесса кар-
бидной ликвации и различной скоростью
затвердевания периферийных и централь-
ных объемов металла в центре слитка стро-
ение карбидной сетки более грубое, чем у
его поверхности. В слитках ЭШП распре-
деление карбидной эвтектики по сечению
более равномерно, что обусловливает высо-
кую однородность структуры металла в де-
формированном состоянии. Кроме того, в
переплавленной ЭШП быстрорежущей ста-
ли карбидная неоднородность выражена
значительно слабее, чем в обычном метал-
ле, даже при сравнительно небольших сте-
пенях деформации (табл. 66).

Фазовый, химический анализ и рентге-
ноструктурные исследования показывают,
что стали ЭШП по сравнению с металлом
обычной выплавки отличаются не только
формой, размерами и распределением кар-
бидов, но и их составом. После ЭШП в
карбидном осадке сталей содержится мень-
ше вольфрама, хрома и ванадия, а карби-
ды молибдена имеют меньший параметр
решетки, что, по-видимому, связано с усло-
виями кристаллизации и охлаждения слит-
ков. В процессе ЭШП слитки кристалли-
зуются и охлаждаются быстрее, чем после
обычной выплавки, поэтому карбиды, обра-
зовавшиеся в жидком металле, в случае
ЭШП менее длительное время подвергают-
ся действию высоких температур, что при-
водит к меньшему насыщению их леги-
рующими элементами из твердого раст-
вора.

Правильность этих выводов подтвер-
ждает опыт со сталью Р18 обычной вы-
плавки, залитой в обычный металлический
кокиль и в подогретую до 800° С керами-
ческую форму. После ускоренного охла-
ждения в металлическом кокиле сталь Р18
содержит меньше легирующих элементов в
карбидном осадке, а карбиды молибдена в
ней имеют меньший параметр решетки, чем
после замедленного охлаждения в керами-
ческой форме.

Необходимо отметить, что в результате
ЭШП быстрорежущих сталей заметно из-
меняются по сравнению со сталями обыч-
ной выплавки состав, форма, размеры и
распределение карбидов. В сталях ЭШП
карбиды имеют в основном круглую фор-
му, мельче по размерам, менее легированы
по составу и распределены более равно-
мерно.

По другим данным [33], при выплавке
небольших слитков в открытых плавильных
печах потери металла могут составлять
15% из-за трещин в верхней части слитка
инструментальных сталей. Сравнивая каче-
ство электродугового и электрошлакового
металла, автор работы [33] отмечает пре-
имущество направленной кристаллизации
при ЭШП, где быстрое затвердевание ме-
талла дает возможность избежать осевой
рыхлости, а быстрое его охлаждение
подавляет дендритную и зональную ликва-
цию. Однородный состав обеспечивает бо-
лее высокую выносливость, поскольку уста-
лостное разрушение возникает при нали-

чии крупных включений, а также выравни-
вание свойств в поперечном и продольном
направлениях.

Для обработки режущим инструментом
титановых сплавов, жаропрочных и корро-
зионностойких сплавов на никелевой осно-
ве, высокопрочных сталей и других трудно-
обрабатываемых материалов в настоящее
время применяют высокопроизводительные
быстрорежущие стали, содержащие более
1% С, а также повышенное содержание ва-
надия и кобальта. Эти стали после полного
цикла термической обработки имеют твер-
дость 65—69 ИКС и обладают высокой из-
носостойкостью. К этой группе сталей по-
вышенной производительности относится
новая быстрорежущая сталь Р12ФЗКЮМ2
(ЭП682), содержащая 1,2—1,3% С; 12—
13,5% XV; 2—2,5% Мо; 3—3,5% V; 3,8-
4,5% Сг и 9,5—10,5% Со. Содержание бо-
лее 1% С увеличивает карбидную неодно-
родность быстрорежущей стали, ухудшает
ее ковкость, повышает хрупкость и пони-
жает механические свойства. Для улучше-
ния ковкости и повышения механических
свойств сталь ЭП682 производят методом
электрошлакового переплава из литых
электродов [30].

У довл етвор ител ьной	пл а стич ностью

сталь ЭП682 обладает в узком интервале
температур 1000—1100° С. Ковать слитки и
заготовку в температурном интервале в
пределах 100° С практически невозможно,
поэтому сталь ЭП682 нагревают до 1160° С
и куют с промежуточными подогревами, за-
канчивая ковку при температуре не ниже
950° С. При использовании исходного ме-
талла в этом случае возникает большой
брак. ЭШП решил эту проблему [31]. Ре-
жущий инструмент, изготовленный из элек-
трошлаковой стали ЭП682, отличается вы-
сокой стойкостью, значительно превосходя-
щей стойкость сталей Р18 и Р9К10. Это
позволяет получить значительный экономи-
ческий эффект, несмотря на более высокую
исходную стоимость стали. Если при про-
изводстве мартенситно-стареющей инстру-
ментальной стали Н8К14М18Т (67/Д?С)
обычным способом выход годного состав-
лял всего 50%, то после ЭШП он увели-
чился до 90% [25].

Явления, возникающие при кристалли-
зации быстрорежущей стали, крайне слож-
ны, что связано с высоким содержанием
углерода и легирующих элементов — силь-
ных карбидообразователей. Первыми из
расплава выделяются дендриты 6-фазы,
вокруг них вырастает аустенитная зона, а
в промежутке между этими двумя зона-
ми— зона карбидов [86]. Оставшийся рас-
плав затвердевает, образуя эвтектику, со-
стоящую из ламелярных карбидов и аусте-
нита в виде сетки. В центральной зоне
слитка имеются У-образные сегрегацион-
ные образования, имеющие, как правило,
значительную протяженность. Вне центра
слитка такие ядра аномалии кристаллиза-
ции быстро укрупняются сами по себе и
появляются образования, имеющие весьма
большие размеры.

Склонность быстрорежущей стали к
ликвации объясняется значительной разни-
цей между температурами солидуса и лик-
видуса и, следовательно, длительным вре-
менем существования двухфазной зоны.
В этом случае связь между компонентами
структуры может быть нарушена легче,
чем в сталях других типов (с узким ин-
тервалом кристаллизации).

Для формирования качественного слит-
ка быстрорежущей стали необходимы сле-
дующие условия: 1) гомогенность жидкой
фазы, поскольку неоднородный по составу
расплав либо состав, содержащий нераст-
воримые частицы (карбиды и карбонитри-
ды), вызывает гетерогенную кристаллиза-
цию; 2) спокойное состояние ванны, так
как успокоение металлической ванны
уменьшает конвективный теплообмен с
двухфазной зоной и прекращает нежела-
тельные изменения химического состава
расплава; 3) плоский фронт кристаллиза-
ции, так как при этом уменьшается зона
роста сегрегации.

В связи с изложенным оптимальные
условия ЭШП быстрорежущей стали будут
следующими:

1)	высокий коэффициент заполнения
кристаллизатора, что обеспечивает подвод
тепла по всей поверхности металлической
ванны, при этом улучшается форма метал-
лической ванны, увеличивается межэлект-
родный промежуток и уменьшается толщи-
на гарнисажа;

2)	увеличение количества шлака, что
способствует увеличению межэлектродного

промежутка, успокоению металлической
ванны и смягчению бросков вводимой мощ-
ности, кроме того, с увеличением глубины
шлаковой ванны снижается перегрев ме-
талла и шлака;

3)	относительно малое поперечное сече-
ние кристаллизатора, что уменьшает объем
и глубину металлической ванны.

Результаты исследований металла слит-
ков ЭШП диаметром 180—350 мм показа-
ли, что центральная У-образная сегрегация
в металле ЭШП вообще отсутствует, встре-
чаются локальные круглые сегрегационные
пятна диаметром меньше 0,13 мм, равно-
мерно распределенные по всему сечению.
При относительно малой степени деформа-
ции непрерывная карбидная сетка сохра-
няется, а структура сетки становится более
сферической. Деформируемость быстроре-
жущей электрошлаковой стали резко улуч-
шается. Если обычные слитки высокоугле-
родистых инструментальных сталей при де-
формировании часто растрескиваются, то
стали ЭШП свободны от этого дефекта.

Тщательный анализ свойств литых
электрошлаковых слитков сечением 260 X
X 260 мм высокоуглеродистых (Ш—Сг—-
V—Мо—Со) быстрорежущих сталей по-
сле травления поперечных темплетов пока-
зал гомогенность металла по всему попе-
речному сечению, отсутствие центральной
пористости слитка, характерной для всех
слитков обычной выплавки. Размер ден-
дритов оценивается 2 баллами по пяти-
балльной системе. Кривая влияния темпе-
ратуры закалки на размер аустенитного
зерна имеет меньший наклон, чем в случае
деформированной стали (рис. 137). Уста-
новлено, что инструменты, изготовленные
из литой стали ЭШП, по сроку службы не
уступают кованым (рис. 158), независимо
от того, из какой (центральной или пери-
ферийной) части слитка ЭШП они были
изготовлены.

В инструментах, где первоначальная
осевая зона слитка образует рабочую
часть, более высокая плотность и меньшее
количество включений в стали ЭШП опре-
деляют существенное улучшение ее каче-
ства, которое выражается в более высокой
стойкости инструмента. Обычный сли-
ток нужно деформировать, чтобы пори-
стость и несплошность в осевой зоне
Рис. 157. Влияние технологии производства на
размер аустенитного зерна инструментальных
хромовольфрамованадиевых (а) и молибдено-
вых (б) сталей [84]:

/ — кованый ЭД; 2 — литой ЭШП.

полностью заваривались. Необходимую
для этого степень деформации приходит-
ся часто выбирать большей, чем это бы-
ло бы необходимо для обеспечения вы-
соких пластических свойств в попереч-
ном направлении.

После ЭШП слиток благодаря высо-
кому качеству своего ядра может и во-
все не подвергаться деформации, при
этом достигается оптимальное сочетание
требуемых механических свойств в попе-
речном направлении и высокой плотности
осевой зоны.

Практическое применение металла
ЭШП подтвердило качественное прево-
сходство электрошлаковых инструмен-
тальных сталей. По данным работы [84],
изготовленные из стали ЭШП формы для
литья под давлением сплавов алюминия
служат в 3—4 раза дольше, чем формы
из стали того же состава обычного произ-
водства.

Возросшая устойчивость переплавлен-
ной стали против образования трещин
при переменном нагреве и охлажде-
нии подтверждается также лабораторны-
ми опытами. Такое значительное повы-
шение срока службы изделий свидетель-
ствует прежде всего о возросшей долго-
вечности переплавленной стали при пере-
менном нагреве и охлаждении поверхно-
сти формы.

Электрошлаковый переплав особенно
целесообразен для получения слитков из
высокоуглеродистой хромистой (12% Сг)
стали. Равномерность структуры этой ста-
ли по всему сечению, а также исключи-
тельно высокая плотность осевой зоны по-
сле горячей деформации создает предпо-

сылки для производства из стали ЭШП
самого ответственного инструмента. Рабо-
чая часть этих инструментов часто нахо-
дится именно в области бывшей зоны яд-
ра слитка.

Проведенные металлографические ис-
следования слитка ЭШП из быстрорежу-
щей стали диаметром 280 мм, содержа-
щей 0,95% С; 4,10% Сг; 10% V; 2,3% V и
10% Со, показали, что литой электрошла-
ковый металл по своему качеству превосхо-
дит кованую быстрорежущую сталь тех же
размеров не только с точки зрения плотно-
сти металла, но и очень малой степени
ликвации.

Сравнительные испытания резцов, изго-
товленных из обычных кованых сталей и
из этих же сталей после ЭШП (в литом
состоянии), показали, что последние пос-
ле термообработки обладают такой же
или даже немного большей долговечно-
стью. Между токарными резцами из пе-
риферийной и осевой зон практически
различия в стойкости не установлены.

Фрезы, изготовленные из кованой
прутковой обычной стали и из недефор-
мированного слитка ЭШП, эксплуатиро-
вали затем одновременно при фрезерова-
нии параллельных пазов на коленчатых
валах. Применяемый материал, термооб-
работка и рабочие условия были для всех
инструментов одинаковыми. Показатели
стойкости и качества фрез, изготовленных
из кованой стали и литого металла ЭШП,
были идентичными.

Быстрорежущая сталь ЭП379
(Р18Ф2К8М) относится к сталям повы-
шенной производительности и использу-
ется для обработки особо твердых спла-
вов. Однако ее производство сопряжено с
рядом трудностей, связанных с низкой
технологической пластичностью при пере-
деле слитков и заготовок, поэтому выход
годного металла в отдельных случаях не
превышает 30%. Влияние ЭШП на пла-
стичность стали ЭП379 изучалось на
слитках промышленной выплавки диамет-
ром 250 мм. Пластичность стали ЭП379
определяли в литом и деформированном
состоянии методом скручивания образ-
цов, вырезанных в продольном направ-
лении, в интервале температур 900—
1230° С.
Результаты исследования пластично-
сти стали ЭП379 в зависимости от спосо-
ба выплавки показывает, что металл
ЭШП как в литом, так и в деформиро-
ванном состоянии имеет пластичность
(число скручиваний) на 20—50% выше,
чем исходный металл электродуговой от-
крытой выплавки во всем исследованном
диапазоне температур. Ударная вязкость
стали после ЭШП в интервале темпера-
тур 900—1200° С увеличивается в 1,3—
2,0 раза. Кроме того, температура макси-
мальной пластичности у металла ЭШП
сдвигается на 20—30° С в сторону более
высоких температур по сравнению с ис-
ходным металлом, что позволяет расши-
рить температурный интервал обработки
его давлением. Благодаря процессу ЭШП
появилась возможность увеличить массу
слитка указанной стали с 270 до 500 кг
(без снижения выхода годного металла),
что улучшает распределение карбидной
фазы в сортовом прокате вследствие уве-
личения степени укева.

В связи с тем что для быстрорежущих
сталей оценочные испытания, основанные
на характеристиках резания, осуществить
трудно, изготовители инструмента при со-
ставлении многих технических условий на
такие стали больше внимания уделяют
металлографическим показателям, напри-
мер загрязненности включениями и равно-
мерности распределения карбидов. Как
указано в работе [45], одна из главных
причин, вызывающих интерес к ЭШП, за-
ключается в том, что изделия, изготов-
ленные таким методом, соответствуют же-
стким техническим условиям и поэтому
отпадает необходимость в чрезмерном
контроле и отбраковке, которые необхо-
димы при использовании изделий, из-
готовленных из металла открытой вы-
плавки.

В связи с упомянутыми требованиями
пришлось отказаться от вакуумно-индук-
ционной плавки (ВИП), так как, несмот-
ря на то, что в этом случае удовлетворя-
ются требования по чистоте, необходи-
мость разливки металла в обычные слит-
ки не дает никаких преимуществ по сравне-
нию с открытой выплавкой с точки зре-
ния сегрегации. Так, быстрорежущая
сталь (21% XV, 12% Со), выплавленная в

Рис. 158. Влияние технологии производства на
эффективность резания инструментальных ста-
лей [84]. Условные обозначения те же, что на
рис. 157.

вакуумной индукционной печи, не имела
никаких преимуществ по сравнению
с этой же сталью обычного производст-
ва—карбидная неоднородность и ре-
жущие свойства остались на том же
уровне.

В настоящее время считается доказан-
ным, что применение ЭШП дает возмож-
ность- изготавливать слитки из всех иссле-
дуемых инструментальных сталей с глад-
кой поверхностью, не требующей зачистки
перед горячей деформацией. При соблю-
дении соответствующей технологии про-
изводства оказалось возможным регуляр-
но добиваться высокого выхода годного
металла: не менее 85%. Чистота металла
значительно улучшилась, качество подпо-
верхностных областей слитков, содержа-
щих легирующие элементы, легко окисля-
ющиеся при обычной выплавке, оказалось
очень высоким. Характерной особенно-
стью слитков ЭШП, обусловленной осе-
вым характером кристаллизации, что ис-
ключительно важно для быстрорежущих
сталей, явилось отсутствие осевой карбид-
ной ликвации, обычно наблюдаемой в ме-
талле открытой выплавки. Несмотря на то
что карбидная сетка наблюдалась и в сли-
тках ЭШП, в результате применения ЭШП
для производства быстрорежущих сталей
возможно резкое улучшение качества.
Для получения еще более высоких ха-
рактеристик качества электрошлаковой
стали необходимо учесть влияние шлака
и скорости плавки металла в процессе
ЭШП. Поскольку большинство переплав-
ляемых сталей и сплавов имеет относи-
тельно низкую температуру плавления,
для обеспечения удовлетворительной по-
верхности изготовляемых слитков необхо-
димы легкоплавкие шлаки. Как правило,
шлаки с высоким удельным сопротивлени-
ем не применялись, так как при их ис-
пользовании переплавляемый металл имел
крупнозернистую структуру. Предпочти-
тельно применять шлаки с низкой вязко-
стью, так как они дают тонкий шлаковый
гарнисаж на поверхности переплавляемого
слитка. Это особенно важно для быстроре-
жущих сталей, поскольку изолирующий
эффект толстого гарнисажа приводит к об-
разованию грубозернистой структуры в на-
ружных областях слитка, что особенно не-
желательно в тех случаях, когда режущие
кромки инструмента совпадают с пери-
ферийными частями заготовки или по-
ковки.

Для быстрорежущих сталей необходи-
мо удаление всех крупных оксидов и ком-
плексных силикатных включений. Поэто-
му особое внимание следует уделять шла-
кам системы СаРг—СаО—А12О3, по соста-
ву близким к равновесным и наиболее
легкоплавким во флюоритовом углу трой-
ной диаграммы.

В настоящее время широко применя-
ется шлак состава 70% СаРг, 15% СаО,
15% АЬОз. В случаях, когда десульфура-
ция является менее важной и желательна
более высокая производительность, осо-
бенно для более тугоплавких сплавов, ис-
пользуется шлак состава 70% СаРг и 30%
АкОз; в тех же случаях, когда важно со-
хранить серу в металле слитка, хорошо
зарекомендовал себя шлак состава 50%
СаРг, 25% А120з и 25% 8Юг, однако, если
требуется оптимальное измельчение струк-
туры, то следует подходить осторожно к
применению этого шлака (см. табл. 65).

Обычно стремятся к высокой произво-
дительности технологических процессов.
Тем не менее скорость плавления при
ЭШП необходимо тщательно контролиро-
вать в разумных пределах, для того что-

Таблица 67. Содержание вредных примесей
цветных металлов в электрошлаковой
быстрорежущей стали Р18, % [45]

Часть слитка	Си		Аз	Рв
Верх	0	0,02	0,029	0,001
Середина	0,1	0,02	0,049	0,001
Низ	0,1	0,02	0,031	0,001

бы в полной мере проявились все метал-
лургические преимущества этого процесса.
При высокой скорости плавления, опреде-
ляемой большой величиной тока и низким
напряжением, в ванне расплавленного ме-
талла наблюдается большой градиент
температуры. Кристаллизация становится
радиальной, при этом в осевой части слит-
ка образуется зона слабины, развивается
осевая сегрегация и возможен захват ча-
стиц шлака растущими навстречу друг
другу кристаллами. С другой стороны,
слишком медленная скорость плавления
способствует образованию грубой дендрит-
ной структуры и неровной поверхности
слитка. Таким образом, для каждого спла-
ва существует оптимальная скорость плав-
ления, например для слитка диаметром
285 мм из быстрорежущей стали (6% V;
5% Мо; 2% V) она равна 2,4 кг/мин.
Можно изготавливать металл необходимо-
го качества в тех случаях, когда скорость
плавления колеблется в пределах 2—
3 кг/мин.

Вначале возникали некоторые опасе-
ния относительно повышения содержания
остаточных элементов в металле ЭШП
вследствие попадания в слиток из шлака
таких элементов, как свинец, и отсут-
ствия полезного эффекта рафинирования в
вакууме. Однако, если правильно выбрать
исходный металл и составляющие шлака,
можно получить металл с минимальной
загрязненностью примесями (табл. 67).

Хорошо известна гибкость процесса
ЭШП с точки зрения удаления неметал-
лических включений различных видов.
Для многих случаев важно отсутствие
крупных изолированных включений, кото-
рые имеются в стали открытой выплавки
и увеличивают вероятность преждевремен-
ного разрушения в условиях эксплуата-
Таблица 68. Влияние ЭШП на характеристики
загрязненности стали типа Р18, определенные
магнитопорошковой дефектоскопией [45]

Технология производства	Часть слитка	Частота об- наружения неметалли- ческих вклю- чений	Степень опасности включений
эд	Верх	0,67	96,3
	Низ	0,54	49,8
ЭШП	Верх	0	0
	Низ	0	0

Примечание. Стандартное значение частоты обна-
ружения неметаллических включений — 0,5; степени
опасности — 1,0.

ции при повышенных нагрузках. В табл. 68
показана эффективность удаления вклю-
чений. В качестве критерия оценки каче-
ства использовался метод ступенчатой об-
работки с магнитной дефектоскопией.
Здесь для получения частотных характе-
ристик количество и длина обнаруженных
включений отнесены к площади поверх-
ности. Следует отметить, что для метал-
ла ЭШП эта оценка равна нулю.

При ЭШП осевая кристаллизация
фактически ликвидирует центральную кар-
бидную сегрегацию, которую всегда нахо-
дят в слитках открытой выплавки из бы-
строрежущей стали. Отсутствие сколько-
нибудь значительной сегрегации, пористо-
сти и других дефектов после макротравле-
ния поперечных сечений заготовок, полу-
ченных из слитков ЭШП диаметром 285 мм,
обеспечило большое преимущество процес-
са ЭШП в массовом выпуске высококаче-
ственных быстрорежущих сталей.

Изменение размеров заготовок при тер-
мообработке происходит более равномерно
в электрошлаковых быстрорежущих сталях
по сравнению с такими же сталями обыч-
ной выплавки. Это свойство оказалось по-
лезным при изготовлении больших фрез и
крупного зуборезного инструмента с ма-
лыми допусками. Испытания на контакт-
ную усталость [45] показали, что срок слу-
жбы электрошлаковой стали типа Р18
очень высок. Обеспечивая оптимальные
условия переплава, можно легко достичь
выхода годного в среднем 90%. Конечный
выход готового продукта из слитков ЭШП
на 15—20% превышает выход инструмен-

тальных сталей из слитков открытой вы-
плавки аналогичного размера.

Как показано в работе [110], быстроре-
жущая сталь, полученная методом ЭШП,
имеет меньшую карбидную ликвацию, бо-
лее равномерное распределение карбидов и
более однородные по размеру и форме кар-
биды, чем сталь, выплавленная в дуговых
электропечах, а также лучшую макрострук-
туру, чем при других рафинирующих мето-
дах. Интересно отметить, что для получе-
ния очень ровной поверхности, свободной
от окалины и обезуглероживания, горячую
деформацию электрошлаковых сталей (в
частности, прокатку) можно проводить при
температурах значительно ниже обычных.
Требуемый размер зерна для быстрорежу-
щей стали достигается для открытой вы-
плавки после деформации со степенью
укова 20—25, для металла ЭШП достато-
чен значительно меньший уков (всего 5).

Повышение расходов в связи с приме-
нением такой дополнительной технологиче-
ской операции, как ЭШП, легко компенси-
руется более высоким выходом годного.
Поэтому одна из японских фирм до 90%
всех быстрорежущих сталей производит
методом ЭШП, что практически исключило
брак по этим сталям.

Интересные данные о благотворном
влиянии ЭШП на качество быстрорежущих
сталей приведены В. К. Заболоцким и
А. И. Боровко *.

Шесть марок сталей (Р18, Р12, Р6М5,
Р12ФЗ, 10Р8МЗ и Р8МЗК6С), представля-
ющих четыре группы быстрорежущих ста-
лей, исследовали в исходном (открытая
индукционная выплавка) и переплавлен-
ном состоянии. В сталях ЭШП содержание
серы и газов оказалось соответственно по-
ниженным на 10—55 и 15—65%, улучши-
лось распределение выделений карбидной
фазы (карбиды на 1—2 балла распределе-
ны более равномерно) и уменьшился их
размер. Вследствие измельчения карбидов
происходит более полное их растворение
при нагреве под закалку. Поэтому в мар-
тенсите стали, например Р18, индукцион-
ной выплавки и ЭШП после закалки от

* В. К. Заболоцкий. А. И. Боровко. Особен-
ности свойств быстрорежущих сталей.— Метал-
ловедение и терм, обраб. металлов, 1979, Хе 7,
с. 13—18.
1280° С концентрация углерода составляла
соответственно 0,39 и 0,48%. Электрошла-
ковые быстрорежущие стали, отличались
повышенной горячей пластичностью (отно-
сительное удлинение при 1150° С для ста-
ли Р18 увеличилось от 12,7—15,2 до 20,7—
23,0%), выход годного при ковке слитков
повысился (80—93% вместо 60—70% для
сталей обычного производства). Склон-
ность к росту зерна при нагреве под за-
калку у сталей ЭШП меньше, чем у ста-
лей обычного производства. После закалки
от обычно принятых температур зерно
быстрорежущих электрошлаковых сталей
оказалось на 0,5—1,0 балла более мелким.
Отмечается также некоторое (на 5—7° С)
повышение теплостойкости электрошлако-
вых сталей и повышение их прочности
(на 80% для стали Р8МЗК6С с уковом 5
и на 10—30% в литом состоянии).

Испытания образцов литых и кованых
быстрорежущих сталей при механической
обработке сталей 34ХНЗМ (326НВ) и 85
(216НВ) показали, что в деформирован-
ном и литом состоянии стойкость сталей
ЭШП соответственно в 1,2—1,9 и в 1,4—-
2,2 раза выше, чем сталей открытой индук-
ционной выплавки. Заводские испытания
подтвердили эти данные: средняя стой-
кость инструмента из быстрорежущих ста-
лей ЭШП в 1,6—2,0 раза выше стойкости
аналогичного инструмента из сталей обыч-
ной выплавки.

Высокая стоимость и дефицитность бы-
строрежущих сталей, например Р18, Р12,
Р9 и Р6МЗ, вызывают необходимость мно-
гократного использования этих сталей в
заводских условиях путем переплава вы-
шедшего из строя инструмента или струж-
ки. При переплаве отходов в индукцион-
ных печах неизбежен угар легирующих
элементов. Опыт многих заводов показал,
что доведение до конечных размеров лито-
го инструмента вызывает серьезные за-
труднения, а стоимость его значительно
выше стоимости инструмента, изготовлен-
ного из проката. Эти недостатки устраня-
ются при ЭШП отходов быстрорежущих
стелей [1, 37].

По данным работы [37], в результате
металлографического исследования загряз-
ненности электрошлаковой стали включе-
ниями на образцах, вырезанных из тем-

плетов слитков в соответствии с - ГОСТ
1778—70, установлено, что литой металл
ЭШП плотный, характеризуется высокой
степенью чистоты по неметаллическим
включениям, в частности оксиды оценива-
ются в 0,5—1,5 балла, неметаллические
включения измельчены и дезориентирова-
ны. Микроструктура слитков после изотер-
мического отжига независимо от марки
стали представляет собой сорбитообразный
перлит с разобщенной сеткой ледебурит-
ной эвтектики. Основным различием мик-
роструктур является утонение сетки эвтек-
тики. Твердость слитков соответствует
стандарту.

Сравнительные испытания при резании
стали 40Х показали, что резцы, получен-
ные из заготовок ЭШП, имели большую
стойкость (износ по задней грани), чем
резцы, изготовленные из обычного проката.
Изготовленные в условиях горловского ма-
шиностроительного завода им. С. М. Киро-
ва из слитков ЭШП с последующим изо-
термическим отжигом фрезы червячно-
шлицевые диаметром 100—110 мм, диско-
вые модульные диаметром 100—130 мм и
концевые практически имели такую же
стойкость, как аналогичные фрезы, изготов-
ленные из проката.

Авторы работы [98] считают, что ин-
струмент, изготовленный из небольших
слитков (диаметром до 100 мм), получа-
емых в результате ЭШП отходов быстро-
режущей стали, имеет стойкость примерно
на 50% выше, чем инструмент из проката.
Рациональное использование направлен-
ности главных осей дендритов позволяет
дополнительно повысить стойкость быстро-
режущей стали в 2—2,5 раза.

Электрошлаковый переплав быстроре-
жущих сталей Р6М5 и Р6М5К5, как пока-
зано в исследовании [79], способствует
более равномерному распределению кар-
бидной фазы, отсутствию осевой карбидной
сегрегации, центральной пористости и лик-
вационного квадрата. ЭШП в сочетании
со ступенчатой высокотемпературной тер-
мической обработкой обеспечивает высокий
уровень механических характеристик, их
низкую анизотропность и, как следст-
вие, значительное повышение служебных
свойств быстрорежущих сталей. Так, при
испытании на изгиб образцов, вырезанных
из центральной части катаного профиля
диаметром 105 мм, прочность продоль-
ных образцов металла ЭШП равнялась
290 кгс/мм2,электрометалла — 240 кгс/мм2,
а поперечных — соответственно 210 и
135 кгс/мм2.

Еще большее преимущество электро-
шлаковой стали отмечено при испытании
образцов, вырезанных из профиля сечени-
ем 160X 160 мм. При этом коэффициент
анизотропии для стали ЭШП составил
0,72—0,85, для обычного металла — 0,4—
0,65.

Из круга диаметром 105 мм стали
Р6М5К5 были изготовлены две партии
фрез диаметром 90 мм по 25 шт. в каждой,
которые испытывали при фрезеровании ка-
навок со скоростью резания 32 м/мин при
подаче 25 мм/мин. За критерий стойкости
принимали износ режущих кромок зубьев
по задней поверхности, равный 0,5 мм, или
выкрашивание зубьев.

Испытания показали, что фрезы, изго-
товленные из обычного металла (с учетом
трех переточек), имели среднюю стойкость
8—10 ч, тогда как аналогичный показатель
у электрошлаковой стали составил 12—
14 ч, т. е. в среднем на 45% больше.

Хорошие результаты показали также
испытания резцовых пластинок, изготов-
ленных из профиля более крупного сече-
ния (электрометалл — квадрат сечением
175 X 175 мм, сталь ЭШП — круг диамет-
ром 180 мм) стали Р6М5, особенно при
больших подачах [79].

§ 2. Штамповые стали

Штамповые стали делятся на две группы:
деформирующие металл в горячем состоя-
нии и деформирующие металл в холодном
состоянии.

Стали, используемые для изготовления
инструментов горячей объемной штампов-
ки, горячего прессования, высадки, про-
шивки и вырубки, а также пресс-форм ли-
тья под давлением, алюминиевых, магние-
вых и других сплавов, должны иметь опре-
деленный комплекс свойств и в первую
очередь:

высокий предел текучести и износостой-
кость при повышенных температурах;

высокую теплостойкость, обеспечиваю-

щую сохранение требуемых прочностных
характеристик при нагреве;

высокую разгаростойкость в условиях
циклических нагревов и охлаждений;

высокую вязкость для предотвращения
разрушения штампов при ударных нагруз-
ках.

Условия эксплуатации рабочих частей
штампов для холодного деформирования
(высадка, гибка, прессование, чеканка, во-
лочение и др.) выдвигают следующие тре-
бования к металлу: повышенная износо-
стойкость; высокая твердость и пластич-
ность; хорошие технологические свойства
(полируемость, устойчивость против пере-
грева и др.).

Необходимый комплекс свойств сталей,
применяемых как для холодного, так и для
горячего деформирования, достигается ле-
гированием их карбидообразующими эле-
ментами (хромом, вольфрамом, молибде-
ном, ванадием). Эти стали также содержат
никель или марганец в пределах 1—1,5%
для повышения прокаливаемости и кремний
до 1% для увеличения окалиностойкости.

Влияние ЭШП на качество высокопроч-
ных инструментальных сталей изучали
Г. М. Сорокин, С. Н. Бобров, Л. И. Бобро-
ва, Б. Р. Матвеевский. На примере стали
Д7ХФН (0,7% С; 0,3% 81; 0,3% Мп; 0,65%
Сг; 1,5% М1 и 0,3% V) * они показали по-
ложительное влияние переплава на каче-
ство стали. Так, в результате ЭШП по-
вышается предел прочности стали на 15%
при одновременном увеличении значений
ударной вязкости на 33% по сравнению с
показателями для стали открытой электро-
дуговой выплавки. Это объясняется рафи-
нирующим воздействием ЭШП, в результа-
те чего резко снижается загрязненность
стали неметаллическими включениями
(строчечными оксидами — с 3,0 до 0,5 бал-
ла; сульфидами — с 1,5 до 0,5 балла по
ГОСТ 1778—62), и благоприятными усло-
виями кристаллизации электрошлакового
слитка, в результате чего кристаллизуется
плотный и однородный металл (балл по

* Г. М. Сорокин, С. Н. Бобров, Л. И. Боброва,
Б. Р. Матвеевский. Влияние рафинирующих пе-
реплавов на механические свойства высокопроч-
ной инструментальной стали Д7ХФП.— Влияние
электрошлакового переплава на ударно-абра-
зивную износостойкость стали Д7ХФН,— Метал-
ловедение и терм, обраб. металлов, 1979, № 6,
с. 47—48.
центральной пористости снижается с 1,0
до 0,5, а по точечной неоднородности
с 1,0 до 0,0). Износостойкость стали, оце-
ненная по принципу потери массы образца
после принудительного многократного со-
ударения его с контробразцом через слой
абразива, в состоянии после низкого (100—
300° С) отпуска благодаря ЭШП повыси-
лась на 6—7%. Сопротивление металла
ЭШП срезу также оказалось повышенным
на 7%. Таким образом, авторы указанных
работ показали, что ЭШП повышает изно-
состойкость и сопротивление срезу высоко-
прочной стали после закалки и низкого от-
пуска.

С увеличением концентрации карбидо-
образующих элементов (особенно молиб-
дена, вольфрама, ванадия) в сталях для
горячих штампов заметно увеличивается
теплостойкость. Однако при этом может
наблюдаться снижение пластичности и
ударной вязкости, особенно в заготовках
больших размеров. Это связано с разви-
тием структурной и химической неоднород-
ности в процессе кристаллизации слитков.

Стали, широко применяемые для штам-
пов холодного деформирования, как пра-
вило, отличаются высоким содержанием
хрома (до 12%) и углерода (до 1,5 —
2,3%), что обуславливает присутствие в
них большого количества (до 30%) кар-
бидной фазы. Для этих сталей большое
значение имеет равномерность распределе-
ния карбидной фазы. Строчечное распреде-
ление карбидов, их скопление, т. е. все то,
что называется карбидной ликвацией, зна-
чительно ухудшает прочность стали. Для
дробления скоплений карбидов рекоменду-
ется проковка с большой степенью укова.
Однако и в этом случае не всегда удается
устранить в требуемой степени карбидную
неоднородность.

Механические и служебные свойства
штамповых сталей в значительной степени
определяются способом их производства.

Электрошлаковый переплав оказывает
особенно благоприятное влияние на техно-
логические и служебные свойства штампо-
вых сталей. Повышение качества штампо-
вых сталей в результате ЭШП связано с
повышением их чистоты, снижением содер-
жания неметаллических включений и, что
особенно важно, с резким снижением зо-

нальной и дендритной неоднородности, а
также карбидной ликвации.

В результате ЭШП у штамповых ста-
лей увеличиваются такие важнейшие ха-
рактеристики, как ударная вязкость, отно-
сительное удлинение и сужение, повыша-
ются выносливость, термическая стойкость,
улучшается их полируемость.

При изготовлении штампов в результа-
те механической обработки удаляются, как
правило, наиболее качественные поверхно-
стные слои заготовки и наиболее ответ-
ственные рабочие участки штампа (гра-
вюра, хвостовики, замки) представляют
собой менее проработанные ковкой глу-
бинные слои заготовки, нередко поражен-
ные дефектами металлургического харак-
тера. В связи с этим ЭШП, придающий
металлу высокую изотропность механиче-
ских свойств, обеспечивает особые преиму-
щества в производстве штампов. Этим объ-
ясняется тот факт, что с момента его осво-
ения промышленностью штамповые стали
неизменно подвергают ЭШП.

Электрошлаковому переплаву штампо-
вых сталей уделяется большое внимание в
Советском Союзе и за рубежом, этому во-
просу посвящено много работ.

Преимущество штамповой стали ЭШП
наблюдается уже при начальном черновом
обжатии слитков, что объясняется их одно-
родной структурой, хорошим качеством по-
верхности и высокой пластичностью в го-
рячем состоянии.

Сравнительные данные [18] по пластич-
ности штамповой стали Х40СгМоУ5,1 при
температурах горячей деформации свиде-
тельствуют о преимуществе металла ЭШП
перед металлом открытой выплавки
(рис. 159). В результате ЭШП обеспечива-
ется более тонкая структура слитка и зна-
чительно снижается дендритная ликвация
лигирующих элементов.

Исследования штамповой стали НИ
(0,35% С, 1% 81, 0,3% Мп, 5% Сг, 1,5%
Мо, 0,4% V), выполненные В. Хольцгрубе-
ром [118], показали, что благодаря увели-
ченным скоростям кристаллизации рассто-
яние между осями дендритов в слитках
ЭШП значительно меньше и, следователь-
но, меньше дендритная ликвация углерода
и молибдена, определяемая отношением
концентрации этих элементов в междея-
Рис. 159. Зависимость горячей деформируе-
мости литой штамповой стали 40ХСгМоУ5,1
[18] от температуры (а, б) (а — открытая
выплавка, сечение слитка 340 X 340 мм; б —
ЭШП, сечение слитка 370 X 370 мм) и от рас-
положения образца по сечению слитка при
1050°С (в):

1 — центр слитка; 2 — край слнтка; 3 — переходная
зона; / — открытая выплавка; II— ЭШП.

свойствах штамповых сталей и может
служить критерием для оценки их каче-
ства. Построенная М. Кронайзом на осно-
ве статистических данных зависимость от-
носительного сужения стали Х40СгМоУ5,1
от величины дендритной ликвации (рис.
163) убедительно подтверждает это поло-
жение.

Автором работы [148] приведены ин-
тересные статистические данные по рас-
пределению значений относительного
удлинения 6 и относительного суже-
ния ф при испытании поковок из стали
Х40СгМоУ5,1 диаметром 150 4-170 мм
(ов = 155 4- 170 кгс/мм2) открытой выплав-
ки и ЭШП.

Как видно из рис. 164, значение 6 и ф
у металла открытой выплавки имеют боль-
шой разброс показаний вплоть до очень
низких значений. После ЭШП не только
увеличивается среднее значение этих пока-

дритных объемах к концентрациям в осях
дендритов (рис. 160).

Как видно из рис. 160, расстояние ме-
жду осями дендритов в металле ЭШП со-
ставило 490 мкм, а в металле открытой
выплавки — 750 мкм. Коэффициент ден-
дритной неоднородности молибдена в ме-
талле ЭШП составил 2,4, а в металле откры-
той выплавки — 3,2, коэффициент ликва-
ции хрома составил соответственно 1,3 и 1,5.

Микроанализ содержания хрома и мо-
либдена в штамповой стали Н13 (0,35% С,
1% 51, 0,3% Мп, 5% Сг, 1,5% Мо, 0,9% V)
показал, что в металле ЭШП легирующие
элементы распределены намного равномер-
нее [138]. На рис. 161 приведены данные
замеров содержания легирующих элемен-
тов в 50 точках на длине 5 мм.

В работе [148] приведены результаты ис-
следований штамповой стали Х40СгМоУ5,1
ЭШП и открытой выплавки. Как видно из
рис. 162, дендритная ликвация снижается
с увеличением степени укова, а при оди-
наковом укове неоднородность металла
открытой выплавки значительно выше,
чем металла ЭШП.

Величина дендритной ликвации суще-
ственно отражается на механических

Рис. 160. Дендритная неоднородность в металле
ЭШП и открытой выплавки [118] (сталь НИ,
сортовой прокат диаметром 150 мм):

а — слиток ЭШП диаметром 550 мм; б — обычный
слиток диаметром 510 мм.

Рис. 161. Распределение легирующих элементов
в стали Н13 открытой выплавки (а) и ЭШП (б)
[138].

длина ишкИуемогв участа, мм
Рис. 162. Влияние способа выплавки и степени
укова на дендритную ликвацию в стали
Х40СгМоУ5,1 [148]:

« — хром; б — молибден; 1 — металл открытой вы-
плавки; 2— металл ЭШП: 3—металл открытой вы-
плавки (специальная термообработка); 4— металл
ЭШП (специальная термообработка).

зателей, но и уменьшается разброс пока-
заний, прежде всего в области низких зна-
чений.

Абсолютные значения величины отно-
сительного сужения стали Х40СгМоУ5.1

Рис. 163. Зависимость относительного сужения
штамповой стали от дендритной ликвации
[148].

Рис. 164. Статистические данные о распределе-
нии величин б и ф в стали Х40СгМоУ5,1 от-
крытой выплавки и ЭШП [148]:

/ — ЭШП (специальная термообработка); 2— электро-
дуговая сталь (специальная термообработка): 3—
электродуговая сталь.

ЭШП и открытой выплавки при различ-
ных значениях предела прочности приве-
дены на рис. 165, а прочности образцов с
надрезом—на рис. 166. Эти данные сви-
детельствуют о том, что металл ЭШП мо-
жет быть термически обработан на более
высокую прочность без ущерба для пла-
стических и вязкостных характеристик.

Средние результаты испытаний образ-
цов штамповой стали НИ, полученные бо-
лее чем за двухлетний период, приводятся
в работе [118]. Испытанию подвергали
поковки с четырехкратным уковом из ста-
лей, полученных в электродуговой печи,
а также подвергнутых ЭШП (рис. 167).
В продольном направлении относительные
удлинение и сужение увеличиваются пос-
ле ЭШП на 10—15%, в поперечном на-
правлении эти же показатели у металла
ЭШП в 5—8 раз выше, чем в металле
открытой выплавки. Причиной этого за-
метного улучшения механических свойств,
по мнению автора работы [118], является
не только повышение чистоты стали после
ЭШП, по также улучшение макрострукту-
ры и снижение микроликвации.

X. Шпитцер и П. Барданхейер [124]
сравнили свойства стали НИ после ЭШП
и ВДП. Содержание неметаллических
включений в этой стали, выплавленной
различными методами, приведено на
рис. 168, а механические свойства —
в табл. 69.

Лучшие показатели ударной вязкости
были получены для металла ЭШП, содер-
жащего 0,003% 8. Даже при 0,009% 8
у металла ЭШП ударная вязкость была
более высокой, чем у металла ВДП.


Рис. 165. Зависимость относительного сужения
стали Х40СгМо\-’5,1 от предела прочности [148]:

а — уков 4; б — уков 40; 1 — ЭШП (специальная тер-
мообработка); 2 — электродуговая сталь (специальная
термообработка); 3— электродуговая сталь.

Рис. 166. Зависимость прочности образцов с
надрезом о от предела прочности о„ [148]:

/ — ЭШП (специальная термообработка); 2— электро-
дуговая сталь (специальная термообработка); 3 —
электродуговая сталь.

В работе [142] было проведено сравне-
ние механических свойств кованых за-
готовок диаметром 300 мм из стали
Х40СгМоУ5,1 открытой выплавки и ЭШП
(табл. 70). Здесь также были получены
высокие результаты по изотропности ме-
ханических свойств электрошлаковой ста-
ли. Если отношение величины относитель-
ного удлинения и сужения поперечных
образцов к величине этих характеристик
продольных образцов для металла откры-
той выплавки лежит ниже 0,2, то для ме-
талла ЭШП это отношение близко к еди-
нице.

В работе [138] приведены преимуще-
ства, которые обеспечивает ЭШП в про-
изводстве штамповой стали для горячего
деформирования марки ЫНВ Огуаг 2
МгсгосНгеб (типа Н13 по А181). В этой ста-
ли ЭШП содержание кислорода составляло
всего 0.002%, а серы — 0,0030%, тогда как
в металле, полученном обычным способом,
содержание кислорода и серы составляло
соответственно 0,004—0,006 и 0,0100%. Со-
держание неметаллических включений в
стали ЭШП резко уменьшилось, а остав-
шиеся включения были мелкими и равно-
мерно распределены по объему кованого
стержня диаметром 254 мм, полученного
из слитка диаметром 600 мм.

Однородность структуры, снижение не-
металлических включений и дендритной
неоднородности в металле ЭШП обеспечи-
ли более высокие механические свойства,
что особенно важно для поковок больших
поперечных сечений.

Образцы из металла ЭШП и открытой
выплавки подвергались термообработке

Таблица 69. Механические свойства штамповой стали НН электрошлакового и вакуумнодугового
переплавов |124|

Способ выплавки	Содер- жание серы, %	с, кгс/мм1		ан, кгс - м/см2		6. %		Ф. %	
		Центр	Край	Центр	Край	Центр	Край	Центр	Край
ВДП	0,009	142	143	2,8	3,0	10,3	9,6	32,5	31,4
ЭШП, постоянный ток в вакууме	0,009	140	141	3,4	3,8	9,1	9,5	29,0	29,5
ЭШП, переменный однофазный ток	0,003	143	146	4,2	4,0	9,0	9,0	29,0	31,9
ЭШП, переменный трехфазный ток	0,003	143	146	4,3	4,1	9,8	9,5	30,7	32,5

Примечание. Испытывалась поковка размером 200 х 200 мм (слиток диаметром 650 мм).
Рис. 167. Свойства кованых штанг стали НИ
(образцы взяты с середины радиуса) [118]:

1 — поперечные образцы; 2 — продольные образцы.

Рис. 168. Содержание неметаллических вклю-
чений в штамповой стали НИ, выплавленной
различными методами [124]:

а — ВДП; б — ЭШП на постоянном токе; в — ЭШП
на переменном токе; г — ЭД; А — сульфиды тонкие;
А) — сульфиды грубые; В — глинозем, тонкие включе-
ния; — глинозем, грубые включения; Д — глобуляр-
ные включения тонкие; 711 — глобулярные включения
грубые.

(закалка при 1050°С и двойной отпуск
при 250° С), после чего твердость их до-
стигла 52—53 НЦС. Результаты испыта-
ний ударных образцов приведены на
рис. 169. Как видно из этого рисунка, наи-
более существенная разница в свойствах
металла ЭШП и открытой выплавки на-
блюдается в центре поковки на попереч-
ных образцах.

Для тяжелонагруженных штампов и
пресс-форм большое значение имеет чув-
ствительность металла к надрезу. При ра-
боте крупных тяжелонагруженных штам-
пов даже небольшие, но острые термиче-
ские трещины могут явиться причиной их

Ю гл у гл V) гл 1,0 гл

Тип вкптений по А5ТМ-Ц

разрушения. В связи с этим автором ра-
боты [138] были проведены специальные
испытания, оценивающие чувствительность
металла к спонтанному росту трещин.
Схема испытания образцов приведена на
рис. 170.

На основании полученных данных был
подсчитан коэффициент интенсивности на-
пряжения К1с, который для металла ЭШП
имел практически одинаковую величину
при испытании образцов, вырезанных с
поверхности и центра поковки, как про-

Таблица 70. Механические свойства поковок стали Х40СгМоУ5,1, изготовленных из слитковЭШП
и металла открытой выплавки [142]

Место отбора образца	Способ выплавки	а5 , кгс/мм2	оп , кгс/мм'	б,	%	Ч>.	%	Отношение показателей поперечных образцов к продольным
		а |	а	б	а	1 6	а	б	6 I 11’
Половина	Обычное	144,0 141,0	161,10 155,0	12,9	2,0	34	5	0,15.. \ 147
радиуса	литье							
	эшп	156,9 157,1	167,2 169,0	10,5	10,5	40	38	1,0	0,95
Центр	Обычное	145,5 142	157,5 153,0	12,5	2,0	36	6	0,16 0,167
	литье						1	
	эшп	156,9 157,5	167	165	8,5	9,0	30	32	1,06 ! 1,07

Пр »м еч а н и е. а — продольные образцы, б— поперечные.
Рис. 169. Ударная вязкость стали ПНВОпгаг2
М1СгоШхе<1 [138]:

1 — ЭШП, продольные образцы; 2 — открытая вы-
плавка. продольные образцы; 3 — ЭШП, поперечные
образцы; 4 — открытая выплавка, поперечные об-
разцы.

Рис. 170. Схема испытания образца на излом
[138] (Р — нагрузка):

1 — испытуемый образец; 2 — усталостная трещина.

р	Велмииа раскрытия трещин

дольных, так и поперечных. На основании
этих испытаний в работе [138] сделан вы-
вод, что с точки зрения хрупкой прочно-
сти металл ЭШП является практически
изотропным.

В работе [152] приведены результаты
сравнительных исследований ряда марок
штамповых сталей серии Н, А и Д
ЭД и ЭШП. Химический состав исследуе-
мых сталей до и после ЭШП приведен в

табл. 71, а результаты определения неме-
таллических включений — в табл. 72.

Как отмечает Т. Филип, хотя сущест-
венного улучшения сталей после ЭШП по
содержанию кислорода п неметаллических
включений не наблюдалось, поскольку
ЭШП осуществлялся на постоянном токе
на модернизированных печах ВДП с ис-
пользованием флюса неблагоприятного со-
става, механические свойства электрошла-

Таблица

71. Химический состав сталей Н13 и

Н21 до и после ЭШП, % [152]

Способ выплавки	С	Мп	81	Р	8	Сг	Мо	V		Степень обжатия, %
ЭД (Н13)	0,41	0,38	0,98	0,013	0,015	5,14	1,33	1,03	—	60
ЭШП (Н13)	0,40	0,34	1,04	0,012	0,007	5,3	1,32	1,05	—	42
ЭД (Н21)	0,37	0,32	0,34	0,010	0,001	3,47	—	0,37	10,18	82
ЭШП (Н21)	0.38	0,32	0,29	0,008	0,001	3,4	-—	0,38	10,16	86

Прнмеча ние Образцы взяты с половины радиуса поковки.

Таблица 72. Содержание неметаллических включений по методике ЗегпкопТоге!

	А		в		с		Б	
Способ выплавки	I	11	1	II	I	II	1	11
ЭД (Н13)	1					2	-		—	2	2
ЭШП (Н13)	—	—	1	—	—	—	2	2
ЭД (Н21)	—	—	1	1	2	1	2	1
ЭШП (Н21)	—	—	1	1	1	2	1	2

Примечание. I — тонкие включения, II — грубые включения» А, В, С, Б — виды включений: соответственно
сульфиды, точечные оксиды, пластичные оксиды и глобули.
Таблица 73. Механические свойства стали Н13 до и после ЭШП [152]

Состояние мате- риала	7, °С	°0,2’ кгс/мм2	ов> кгс/мм2	о. %	%	ан, кгс - м/см2
Поковка ЭД	20	142.7	165,9	4,9	9,8	5,4
Поковка ЭШП	20	143.0	165,7	7,6	23,8	6,8
Поковка ЭД	482	104,5	125,7	10,2	32,6	
Поковка ЭШП	482	106,6	127,0	13,2	41,4	—

Примечание. Термическая обработка : закалка в масле при 1010° С, отпуск прн 588 ° С в течение 2 + 2 ч;
твердость 48 НКС. Каждая величина представляет среднее значение испытания трех образцов. Поковкн из слит-
ков диаметром 475 мм.

Таблица 74. Влияние ЭШП на загрязненность неметаллическими включениями штамповой стали
ДИ-22 [3]

Технология про- изводства	Содержание включений, баллы					
	Строчечные оксиды	Точечные оксиды	Сульфиды	Хрупкие силикаты	Недеформи- роваиные силикаты	Нитриды
эд  ЭД + ЭШП	2,5	2,5	2,0	3,5	4,5	3,0
	1,2  0,5	2,0  1,0	1,4  0,5	1,9  0,5	3,2  1,0	1,7  0,5  0.5
	0,3	0,8	0,1	0,3	0.9	

Примечание. В числителе дан максимальный балл, в знаменателе — средний, вычисленный по
измерений шеста образцов.

результатам

нового металла оказались значительно
выше, чем у металла ЭД.

Повышение механических характери-
стик в результате ЭШП автор работы
[152] объясняет равномерным распределе-
нием неметаллических включений и кар-
бидов по объему слитка, его высокой
структурной и химической однородностью.

Результаты механических испытаний
сталей Н13 (на поперечных образцах)
при комнатной и повышенной температу-

Таблица 75. Результаты испытаний на
выносливость сталей НИ и Н21 дои послеЭШП
при ТО7 циклах [152]

Марка	Направление вырезки об- разцов	Предел вы- носливости. кгс/мм2		Увеличение предела вы- носливости в результате ЭШП	
стали		Я СП	ЭШП	д о	
НН	Продольное	74,1	76,1	2,0	2,7
	Поперечное	38,0	53,8	15,8	41,6
Н21		53,8	64,0	10,2	19,3  ।

рах приведены в табл. 73. Обращает на
себя внимание особенное улучшение пла-
стических свойств на поперечных образ-
цах после ЭШП.

При исследовании влияния ЭШП на
свойства горячештамповой стали марки
4Х4М2ВФС (ДИ-22) установлено [3], что
после ЭШП снижение содержания кисло-
рода составляет 60%. Загрязненность ста-
ли ЭШП неметаллическими включениями
значительно меньше, чем у исходной ста-
ли (табл. 74). Пластичность и ударная
вязкость образцов с поперечным направ-
лением волокна после ЭШП заметно воз-
растают, вследствие чего анизотропия та-
кого металла снижается. ЭШП на 15% по-
вышает также выносливость стали ДИ-22.

Результаты испытаний на усталостную
прочность сталей Н13 и Н21 [152] приве-
дены в табл. 75. Увеличение выносливости
сталей ЭШП особенно заметно при испы-
тании поперечных образцов.

Более высокая выносливость стали
Н13 ЭШП отмечается также в работе
[157]. На обычной машине 1УУ образ-
цы подвергались осевой нагрузке с вибри-
рующим растягивающим напряжением.
Вибрирующее напряжение с частотой
3600 цикл/мин устанавливалось равным
67% напряжения при статической нагруз-
ке. Сумма статического и вибрирующего
напряжения принималась как максималь-
но приложенное напряжение. Так, напри-
мер, при приложенном напряжении
113,9 кгс/мм2 сталь Н13 открытой плавки
разрушилась после 182 000 циклов, а сталь
ЭШП сохранялась неразрушенной при
796 500 циклах.

Широкая область использования штам-
повых сталей ЭШП обусловливается их
высокой термической стойкостью. Для из-
учения влияния ЭШП на сопротивление
штамповой стали термической усталости
провели интересный эксперимент. Испы-
туемые образцы циклически погружали в
ванну с расплавленным алюминиевым
сплавом, а внутреннюю часть образцов
охлаждали непрерывным потоком воды,
что вызвало разность температур по сече-
нию образца в пределах 250 град. Такие
испытания имитируют условия эксплуата-
ции штампа, попеременно подвергаемого
нагружению ударом и воздействию высо-
кой температуры, т. е. термическому уда-
ру. В результате испытаний было установ-
лено, что в среднем электрошлаковые об-
разцы выдержали до разрушения в 4 раза
больше термических циклов, чем образцы
из металла, выплавленного обычным спо-
собом [149].

Лучшую разгаростойкость имела сталь
ЗХЗМЗФ ЭШП. На образце после 15 325
циклов теплосмен (нагрев — охлаждение)
были едва заметны слабые разгарные тре-
щины. На образцах из этой же стали
обычной выплавки трещины разгара воз-
никли после 11000 циклов. Стойкость пу-
ансонов из стали ЭШП оказалась в 2 раза
выше, чем стандартной стали ЗХ2В8Ф.
Аналогичные данные приведены в работах
[49, 106].

Дж. Макманус [149] исследовал штам-
повую сталь Н13 электрошлаковой и элек-
тродуговой выплавки. Образцы испытыва-
лись при циклическом растяжении на ба-
зе 10 млн. циклов. Электрошлаковый об-
разец имел предел выносливости около
112,5 кгс/мм2 в отличие от образца, изго-
товленного из металла открытой дуговой
плавки, у которого и-1 = 102 кгс/мм2.

Таблица 76. Результаты испытаний
пресс-матриц из стали ЗХ2В8

Состояние металла	Среднее количество прессовок		
	до пере- точки	после переточки	всего
Поковки ЭД	17,2	22.8	40,0
Поковки ЭШП	37,9	30,1	68,0

При испытании на термическое уста-
лостное растрескивание в среднем образ-
цы из электрошлаковой стали Н13 выдер-
жали в 4 раза больше термических цик-
лов, чем образцы металла ЭД.

По данным Д. С. Кассова, из поковок
электрошлаковой стали ЗХ2В8 были изго-
товлены пресс-матрицы наружным диа-
метром 100 мм для прессования прутков
и труб диаметро^м 40 мм. Инструмент
испытывался на горизонтальном прессе
усилием 1500 тс при прессовании труб из
латуни Л-62. За критерий стойкости при-
нималось количество прессовок до полно-
го выхода матриц из строя. Стойкость ме-
талла ЭШП оказалась заметно выше, чем
металла ЭД (табл. 76).

Для оценки влияния ЭШП на качество
штамповой стали А. Буше [133] были
приведены сравнительные испытания при
штамповке деталей из стали, латуни, а
также меди.

У штампов, изготовленных из стали
марки 237СПУ5 ЭШП, стойкость повыси-
лась на 100% при штамповке деталей из
латуни, на 35% при штамповке деталей из
стали и на 45% при штамповке меди по
сравнению со штампами, изготовленными
из этой же марки стали обычного произ-
водства. Для марки стали 55СПБУ6, по-
лученной методом ЭШП, количество от-
штампованных деталей увеличилось на
40% по сравнению со сталью открытой
дуговой плавки.

Электрошлаковый переплав также бла-
гоприятно сказывается на качестве штам-
повых сталей, предназначенных для хо-
лодного деформирования. При этом отме-
чается улучшение структуры, равномерное
распределение карбидной фазы, улучше-
ние полируемое™, уменьшение деформа-
ций при термической обработке.
Рис. 171. Соотношение между скоростью плав-
ления при ЭШП, размером слитка и сегрега-
цией углерода в центре слитка (сплошная ли-
ния) и на его поверхности (штриховая линия).
Сталь Д2 [103]:

1 — слиток диаметром 120 мм; 2 — слиток диаметром
300 мм; 3 — слиток диаметром 400 мм.

Обычно ЭШП подвергают стали особо
ответственного назначения (крупногаба-
ритный инструмент сложной формы, пуан-
соны и матрицы объемного деформирова-
ния для работы при высоких удельных
давлениях и др.) и в первую очередь вы-
сокохромистые стали повышенной износо-
стойкости.

Химический состав этих сталей, обеспе-
чивающий их повышенную устойчивость
против истирания, вместе с тем предопре-
деляет развитие ликвационных явлений

Рис. 173. Соотношение между скоростью плав-
ления при ЭШП, размером слитка и числом
карбидов на 1 мм2 (слитки стали Д2 проко-
ваны с 90%-ным уменьшением площади) [103]:
а — число карбидов более 15 мкм/мм2; б — число кар-
бидов более 25 мкм/мм2; 1 — слиток диаметром
120 мм; 2 —слиток диаметром 300 мм; 3 — слиток диа-
метром 400 мм; светлые значки соответствуют осевой
части слитка, темные — поверхностной.

Скорость маЧлапт ,к.е!ч

Рис. 172. Влияние скорости плавления при ЭШП
на размер карбидной сетки в слитке диамет-
ром 120 мм на его поверхности, половине ра-
диуса и в центре (соответственно штрихпунк-
тирная, сплошная и штриховая линии). Сталь
Д2 [103].

при затвердевании и существенные коле-
бания в дисперсности и характере распре-
деления избыточных карбидов.

Карбидная неоднородность высокохро-
мистых сталей может изменяться от 2—3
до 7—8 баллов в зависимости от сечения
и укова металла. В силу отмеченных осо-
бенностей высокохромистых сталей им при-
суща значительная анизотропия свойств
по сечению и резкое снижение прочно-
сти, ударной вязкости в заготовках боль-
ших габаритов. Поэтому при перепла-
ве высокохромистых ледебуритных сталей
особое внимание уделяется форме и рас-
пределению карбидной фазы.

Варьируя условия ЭШП, можно в до-
статочно широких пределах изменять фор-
му и размеры карбидной сетки, образую-
щейся при первичной кристаллизации
слитков.

В работе [117] показано изменение
сетки карбидов в слитках ЭШП диамет-
ром 240 мм из стали, содержащей 2% С и
12% Сг, выплавленных с различной про-
изводительностью.

Результаты исследований [103] стали
Д2 (1,5% С, 0,4% 81, 0,4% Мп, 0,6% Со,
12% Сг, 0,9% Мо, 0,8% V) показывают,
что влияние скорости плавления на кар-
бидную ликвацию также зависит от раз-
мера слитка. С увеличением размера слит-
ка неоднородность также увеличивается
(рис. 171).
Карбидная неоднородность исследова-
лась в поковках со степенью укова 90%
по объемному процентному содержанию
карбидов. Как видно из рис. 171, в поков-
ках, полученных из слитков диаметром
300 мм, скорость плавления не сильно
сказывается на карбидной ликвации, а
для слитков сечением 400 X 400 мм на-
блюдается снижение карбидной неодно-
родности с увеличением производительно-
сти ЭШП.

Увеличение скорости плавления слит-
ков диаметром 120 мм повлияло на уве-
личение размера карбидной сетки в цент-
ре слитка, в то время как на поверхности
наблюдалось противоположное явление,
что, вероятно, связано с изменением ско-
рости кристаллизации в центре и на по-
верхности слитка (рис. 172). На рис. 173
показано влияние скорости плавления стали
Д2 на число крупных карбидов на 1 мм2.

В поковках, полученных из слитков
диаметром 120 и 300 мм, между ско-
ростью плавления и числом крупных кар-
бидов наблюдается та же зависимость,
что и между скоростью плавления и лик-
вацией углерода. В штангах, полученных
из слитков сечением 400 X 400 мм, увели-
чение скорости плавления дает уменьше-
ние числа карбидов размером более 15 и
более 24 мкм на его поверхности.

Аналогичные результаты получены в
работе В. Хольцгрубера [117]. Современ-
ное оборудование, применяемое для ЭШП,
позволяет достаточно точно поддерживать
требуемую скорость наплавления слитков
и тем самым обеспечивать стабильное ка-
чество штамповых сталей.

§ 3.	Углеродистые
и низколегированные
конструкционные стали

Углеродистая сталь в настоящее время
является основным конструкционным ма-
териалом и широко применяется в про-
мышленности в виде сортового проката
разного сечения, балок, гнутого профиля
и т. д. при производстве деталей машин,
станков, строительных металлоконструк-
ций.

В тех случаях, когда углеродистая
сталь используется для изготовления раз-

личных неответственных малонагружен-
ных и термически необрабатываемых де-
талей, улучшение ее методом ЭШП, оче-
видно, нецелесообразно. Применение ЭШП
при производстве углеродистых конструк-
ционных сталей эффективно только тогда,
когда эти стали подвергаются термиче-
ской обработке и используются для изго-
товления деталей повышенной прочности,
работающих при высоких нагрузках. На-
пример, таких, как валы, оси, шпиндели,
шестерни распределения, зубчатые венцы
маховиков, распределительные и коленча-
тые валы, цапфы сталеразливочных ког-
тей и т. д. Благодаря ЭШП удается по-
высить запас пластических и вязкостных
свойств углеродистых сталей и максималь-
но использовать те преимущества, кото-
рые может дать термическая обработка
для повышения их прочностных и служеб-
ных характеристик, а главное — эксплуа-
тационной надежности. Это особенно важ-
но для средне- и высокоуглеродистых ста-
лей, которые имеют пониженную ударную
вязкость, большую хладноломкость и боль-
шую склонность к старению.

Низколегированные стали по сравне-
нию с углеродистыми обладают повышен-
ной прочностью, пониженной склонностью
к старению, повышенной хладностой-
костью, хорошей свариваемостью, повы-
шенной износостойкостью и коррозионной
стойкостью в различных газовоздушных
средах, морской воде и др. Указанные пре-
имущества обусловливают широкое ис-
пользование низколегированных сталей
вместо углеродистых при изготовлении
различных ответственных деталей машин
и металлоконструкций. ЭШП позволяет
повысить общую чистоту низколегирован-
ной стали, снизить содержание в ней вред-
ных примесей (серы, кислорода и др.),
получить плотную и однородную макро-
структуру по сечению сортовой заготовки
и в результате обеспечить высокую одно-
родность и изотропность ее механических
свойств. Следует отметить, что ЭШП полу-
чил пока несколько ограниченное примене-
ние при производстве сортовой углеродис-
той и низколегированной стали, хотя име-
ющиеся данные свидетельствуют о доста-
точно высокой эффективности ЭШП этих
сталей.
Таблица 77. Химический состав сталей 20 и 35 до и после ЭШП, %

Марка стали	Объект анализ?.	С	Мп	81	8	р
Сталь 20	Исходный марте-	0,18	0,61	0,25	0,015	0,022
	новский металл  Металл ЭШП	0,18	0,56	0.17	0,010	0,021
Норма по ГОСТ	1050—60	0,17—0,24	0,35—0.65	0,17—0,37	0,040	0,040
Сталь 35	Исходный марте-	0,37	0.72	0,30	0,030	0.02!
	новский металл  Металл ЭШП	0,36	0,67	0,22	0,013	0,016
Норма по ГОСТ	1050—60	0,32—0,40	0,50—0,80	0,17—0,37	=5 0,040	$ 0,040

Важным шагом по пути широкого вне-
дрения ЭШП в производство сортовой ста-
ли ответственного назначения, в том числе
углеродистых и низколегированных, явля-
ется промышленное освоение на ряде за-
водов электрошлаковой выплавки сорто-
вых слитков ЭШП в многоручьевом по-
движном кристаллизаторе.

Ниже приводятся результаты исследо-
вания промышленных партий заготовок
ЭШП из углеродистых (сталь 20, сталь 35,
сталь Ст.Зсп) и низколегированных
(09Г2С, 15ХМ, 35ГС) сталей.

Углеродистые стали. Углеродистые ста-
ли 20 и 35 применяются в машинострои-
тельной промышленности для изготовле-
ния осей, валов, муфт, болтов, винтов, га-
ек, звездочек, дисков, шпинделей и др.
Одним из ответственнейших объектов при-
менения этих сталей являются цапфы ста-
леразливочных ковшей. При этом соглас-
но требованиям действующих технических
условий ТУ 24-1-143—69 они, как правило,
изготавливаются из кованых заготовок.

Исследование качества заготовок ЭШП
диаметром 500 мм из сталей 20 и 35, пред-
назначенных для цапф сталеразливочных
ковшей, описано в работе [100]. В табл. 77
приведены результаты химического анали-
за исходного металла и металла слитков
ЭШП, которые полностью соответствуют
требованиям ГОСТ 1050—60. Содержание
серы при ЭШП снизилось для стали 20 с
0,015 до 0,-010%, а для стали 35 — с 0,030

до 0,013%. Содержание основных элемен-
тов при ЭШП практически не изменилось.

Макроструктура исследованных попе-
речных и продольных темплетов литых за-
готовок ЭШП отличается высокой плот-
ностью и однородностью. Серные отпе-
чатки по Бауману, снятые с поверхности
продольных и поперечных темплетов, ха-
рактеризуются равномерным распределе-
нием точечных сульфидов по всему объему
заготовок ЭШП.

Микроструктура литой стали 20Ш од-
нородная, феррито-перлитная. Зерно соот-
ветствует 7—6-му баллу шкалы ГОСТ
5639—65. Микроструктура стали 35Ш —
феррито-перлитная с отдельными незначи-
тельными участками более укрупненного
игольчатого строения.

Для определения плотности и однород-
ности металла литых заготовок произво-
дили замер твердости на продольном и
поперечном темплетах. Твердость замеря-
ли на приборе Бринелля стальным шари-
ком диаметром 10 мм при нагрузке
3000 кгс. Результаты измерений приведе-
ны в табл. 78 и свидетельствуют о высо-
ком качестве металла ЭШП.

Механические свойства литых загото-
вок ЭШП исследовали после термообра-
ботки: для стали 20Ш—нормализация
900—920° С + отпуск при 600—650° С; для
стали 35Ш — нормализация 860—880° С +
+ отпуск при 600—650° С. Исследовали
свойства при растяжении по ГОСТ 1497—61
Таблица 78. Результаты измерения твердости
продольных и поперечных темплетов литых
заготовок из стали 20Ш и 35Ш

Марка стали	Тип темплета	НВ. кгс/мм1
20Ш  35Ш	Осевой продольный  Головной поперечный  Донный поперечный  Осевой продольный  Головной поперечный  Донный поперечный	131—140  134,9  137—143  140,2  134—140  137,4  163—183  175,2  163—183  172,7  167—174  170,7

Примечание. В числителе даны предельные, в
знаменателе — средние значения твердости по 14 точ-
кам замера.

и ударную вязкость по ГОСТ 9454—60
на образцах типа I. Образцы для испыта-
ний вырезали из головной и донной частей
слитка ЭШП в трех направлениях (про-
дольном, радиальном, тангенциальном).

Результаты механических испытаний
при температуре 20° С свидетельствуют
о том, что механические свойства литого
металла ЭШП (стали 20Ш и 35Ш)
выше, чем это предусмотрено технически-
ми условиями на кованый металл (ТУ
24-1-143—69). Металл ЭШП отличается
высокой изотропностью механических
свойств как для стали 20Ш, так и для
стали 35Ш. Показатели анизотропии близ-
ки к единице.

Важным показателем качества литой

стали 20Ш и 35Ш является порог хладно-
ломкости Тк, который определяется при
испытании металла на ударный изгиб при
отрицательных температурах. Образцы для
испытаний (тип I но ГОСТ 3455—60) вы-
резали в продольном направлении из дон-
ной и головной частей литых заготовок
ЭШП. Как видно из табл. 79, порог хлад-
ноломкости для литой стали 20Ш нахо-
дится в интервале температур от —50 до
—60° С, а для литой стали 35Ш — в ин-
тервале температур от —35 до —60° С.

Необходимо отметить, что ЭШП позво-
ляет существенно понизить порог хладно-
ломкости конструкционных углеродистых
сталей. В этом отношении показательны
сравнительные данные, приведенные в ра-
боте [71], по определению порога хладно-
ломкости углеродистой стали Ст.Зсп и
низколегированной стали 09Г2ДТ откры-
той выплавки и после ЭШП. Как видно
из данных табл. 80, благодаря ЭШП по-
рог хладноломкости для стали Ст.Зсп сни-
жается на 25—30 град, а для стали
09Г2ДТ — на 40—60 град.

Низколегированные стали 09Г2С, 15ХМ.
Кремнемарганцевая сталь марки 09Г2С в
основном применяется в виде толстолисто-
вого проката. Кроме того, эта сталь ши-
роко используется в строительной и ма-
шиностроительной отраслях промышлен-
ности для изготовления ответственных
деталей металлических конструкций из
универсальной полосы, гладкого и перио-
дического профиля и т. п. Известно приме-
нение сортового проката и поковок из стали
09Г2С при производстве штуцеров, патруб-
ков и других деталей сосудов, работаю-
щих под давлением и при температурах
от —70° С до 475° С. При изготовлении

Таблица 79. Ударная вязкость литых заготовок из стали 20Ш и 35Ш, кгс-м/см2

Марка стали	Место отбора пробы	т, °с					
		20	—30	—35	—40	|	—50	—60
20Ш	Головная					.	9,6	9,8	10,5
	часть	20,8—21,8	—	—	14,2	12,6	11,2
	Донная		—	—	13,1	13,4	1.7
	часть	20,0—25,2	—	—	12,5	9,3	12.5
35Ш	Головная		—	—	5,8	5,0	4,6
	часть	7,1—9,8	—	—	40	4,9	2.4
	Донная		4,0	4,0	2,5	—	—
	часть	7,0—9,0	4,6	3,3	3,6	—	—
Таблица 80. Ударная вязкость (кгс-м/см2) конструкционных углеродистых и низколегированных
сталей Ст. Зсп и 09Г2ДТ открытой выплавки и после ЭШП в зависимости от температуры
испытаний [71]

т, -с	Марка стали					
	Ст. Зсп			09Г2ДТ		
	Мартен		ЭШП	Мартен	ЭШП	
		9,9—10,8	16,8—19,0	16,0—30,0		30,6—32.2
		10,4	18,0	25,2		31,2
—40		6,7—7,8 7,5	12,3—14,5  13,5	20,0—27,8  21,2		24,4—36,0  35,2
—60		1,8—7,8	11,3—11,6  11,5	8,0—20,5  12,4		22,1—23,8  22,6
—70		0,7—1,3	9,9—11,5  10,8	Не испытывали	Не	испытывали
—75	Не	испытывали	1.2—8,0	» »		» »
—90			Не испытывали	0.4—6,2		13,9—19,9  18,3
—ПО	»	»		0,4—0,9		16,2—18,7  16,5
— 130	»	»		9,4—0,9		3,2—9,4  6,8
—150		»		0,4—0,5		0,5—1,3

Примечание. Е числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние

указанных деталей сосудов, рассчитанных
на работу при более высоких температу-
рах (до 500—530° С), используются кова-
ные заготовки из низколегированной теп-
лоустойчивой стали марки 15ХМ.

Было проведено исследование [100],
подтвердившее возможность получения ме-
тодом ЭШП сплошных круглых заготовок

штуцеров и патрубков диаметром до
320 мм из стали марок 09Г2С и 15ХМ
вместо кованых заготовок таких же раз-
меров. В табл. 81 и 82 приводятся хими-
ческий состав и механические свойства
литых заготовок ЭШП диаметром 320 мм
из стали марок 09Г2С и 15ХМ, исследо-
ванных в соответствии с требованиями

Таблица 81. Химический состав сталей 09Г2С и 15ХМ до и после ЭШП, %

Марка стали	Объект анализа	С	Ми	81	Си	Сг	141	Мск	8	р
09Г2С	Мартеновский исходный металл  Металл ЭШП	0,11  0.11	1,70  1,66	0,72  0,64	0,14  0,14	0,12  0,11	0,14 0,15	—	0,024 0,007	0,011  0.010
Требования ТУ		<0,12	1,3—  1,7	0,5— 0,8	<0,30	<0,30	<0,30	—	<0,040	<0,040
15ХМ	Мартеновский исходный металл  Металл ЭШП	0,12 0.11	0,49  0,44	0,22 0,17	0,12 0.11	1,01  1,02	0.15 0,13	0,43 0.44	0,018  0,010	0,018 0,017
Требования ТУ		0,11— 0,18	ОДО- ОДО	0,17— 0,37	<0,25	0,80—  1,10	<0,30	<0,55	<0,015	<0,025
V

Таблица 82. Механические свойства электрошлаковых сталей 09Г2С и 15ХМ

Марка стали	Объект анализа	кгс/мм2	о5, кгс/мм?	б. %	%	кгс - м/см2	ив, кгс/мм2
09Г2С	Металл ЭШП	48,5	33,5	33,0	73,0	20,0	156—180
Требования ТУ	на поковки	48,0	25,0	19,0	42,0	4,0	143—179
15ХМ	Металл ЭШП	54	40	25	68	18	192—197
Требования ТУ	на поковки	45	28	13	30	3	156—197

Примечание. Температура испытания 20й С.

технических условий на кованые заготов-
ки. Все выплавленные методом ЭШП за-
готовки деталей сосудов выдержали испы-
тания и были использованы по прямому
назначению.

Необходимо отметить, что здесь идет
речь только о литых заготовках сплош-
ного сечения (слитках ЭШП), выплав-
ленных по методу заполнения в стацио-
нарном кристаллизаторе, из которых пу-
тем механической обработки изготавлива-
ются штуцера и патрубки. В настоящее
время рядом заводов освоена принципи-
ально новая и более эффективная техно-
логия получения методом ЭШЛ полых за-
готовок патрубков требуемой формы, ко-
торые выплавляются заодно с корпусом
сосуда или же отливаются отдельно, либо
непосредственно на наружной поверхности
сосуда с одновременным приплавлением
к нему [81].

Низколегированная сталь 35ГС. Сталь
35ГС применяется в строительной про-
мышленности для изготовления арматуры
гладкого и периодического профиля, пред-
назначенного для армирования железобе-
тонных конструкций. В работе [68] приве-
дены результаты сравнительного исследо-
вания свойств кислород но-конвертерной
стали 35ГС до и после ЭШП.

Выплавку исходной стали марки 35ГС
производили в 120-тонном кислородном
конвертере и разливали сверху в 7- и
8-тонные сортовые изложницы. Часть слит-
ков от плавки была прокатана на заго-
товку сечением 80 X 80 мм и использова-
на для расходуемых электродов ЭШП.

Один слиток был прокатан на заготовку
сечением 150 X 150 мм и предназначался
для сравнительных исследований. Осталь-
ные слитки из этой плавки были исполь-
зованы по прямому назначению — для
прокатки на периодический профиль
№ 12.

Электрошлаковый переплав стали 35ГС
осуществляли по однофазной схеме в ста-
ционарный кристаллизатор сечением 390 X
X 390 мм. Слитки ЭШП вначале прокаты-
вались на блюминге, а затем на непре-
рывно-заготовочном стане. Для проведе-
ния исследований от каждого раската се-
чением 150X 150 мм двух сравниваемых
слитков кислородно-конвертерной выплав-
ки (К35ГС) и ЭШП (35ГС ЭШП) из го-
ловной, средней и донной частей выреза-
лись поперечные темплеты, из которых
изготавливали макрошлифы, образцы для
изучения химической неоднородности и
определения содержания неметаллических
включений.

Оценка макроструктуры производилась
путем сравнения натурального вида исход-
ного металла и металла ЭШП с эталона-
ми шкал согласно ГОСТ 10243—62.

Исследования показали, что макро-
структура металла ЭШП существенно от-
личается от макроструктуры кислородно-
конвертерного металла. Она более плот-
ная и однородная как по сечению, так и
по длине раската; в ней отсутствуют лик-
вационный квадрат, подусадочная ликва-
ция и точечная неоднородность.

Изучалась химическая однородность
металла по высоте слитков К35ГС и 35ГС

I
Таблица 83. Химический состав стали марки 35ГС кислород но- конвертерной выплавки и после
ЭШП, %

Часть слитка

Мп

Головная

Средняя

Донная

0,37—0,39
0,34—0,35
0,34—0,36

0,35—0,35
0,34—0,37
0,34—0,34

1,11—1,13
1,05—1,05
0,12—1,12
1,02—1,07

1,10—1,13
0,97—0.99

0,72—0,72
0,59—0,60
0,72—0,75
0,58—0,61

0,72—0,72
0,53—0,60

0,027—0,027
0,006—0,007

0,024—0,026

0,006—0,006

0,024—0,027

0,006—0.007

0,020—0,022
0,020—0,022
0,020—0,020
0,020—0,020
0,020—0,022
0,020—0,022

Примечание. В числителе даны значения для двух слитков кислородно-конвертерной выплавки, в знамена-
теле — для двух слитков ЭШП.

ЭШП. Результаты этих исследований све-
дены в табл. 83.

Анализ результатов химического ана-
лиза свидетельствует о том, что содержа-
ние основных легирующих элементов по
длине раската ЭШП практически не изме-
няется. Содержание серы в металле 35ГС
ЭШП снижается в среднем в 3—4 раза и
составляет 0,006—0,007%, при содержании
серы в исходном металле К35ГС 0,024—
0,027%. Для кислородно-конвертерного ме-
талла характерна ликвация углерода по
длине раската. Обнаружено, что среднее
содержание углерода в головной части
слитка К35ГС составляет 0,38%, а в дон-
ной части — 0,35%.

Общее количество неметаллических
включений по длине раската головной,
средней и донной частей слитка ЭШП по
сравнению с исходным металлом умень-
шилось соответственно на 17,8, 12,7 и
27,7% (табл. 84). При этом несколько
меньше снизилось количество сульфидов

марганца, хотя распределение их по дли-
не раската стало более равномерным.

Анализ металла на содержание в нем
кислорода и азота проводился методом
вакуумирования образцов на эскалографе
фирмы «Бальцере». Содержание кислоро-
да в металле 35ГС ЭШП уменьшилось с
0,0038 до 0,0029%, т. е. на 24%. Содержа-
ние азота при этом снизилось незначи-
тельно, всего на 5% при его содержании
в исходном металле 0,0040%.

Оценка механических свойств стали
К35ГС и 35ГС ЭШП производилась на
продольных и поперечных образцах, выре-
занных из полосы 12 X 90 мм в состоянии
проката. Как следует из данных табл. 85,
металл ЭШП отличается большой одно-
родностью и стабильностью механических
свойств по длине раската, в особенности
это касается пластических характеристик.
В кислородно-конвертерном металле, на-
оборот, механические свойства по длине
раската (высоте слитка) существенно из-

Таблица 84. Содержание неметаллических включений в металле марки 35ГС кислородно-конвертерной

Часть слитка

Г оловная

Средняя

Донная

Процент не-
металличе-
ских включе-
ний (общий)

0,10323
0,0849

0,10907
0,0852

0,11217
0,0811

П роцент
изменения

—17,8

—12,7

—27,7

$Ю8, %

0,00174
0,00237

0,00173
0,00204
0,00130
0,00183

Процент
изменения

26,6

15,2

29,0

0,00765

0,00281

0,00664

0,00279

0,00699

0.00276

Процент
изменения

—63,3

—58,0

—60,6

РеО, %

0,00341
0,00341
0,00371
0,00324
0,00415

0,00265



Примечание. В числителе даны значения для кислородно-конвертерной стали, в знаменателе — для металл*


Таблица 85. Механические свойства стали марки 35ГС кислородно-конвертерной выплавки
и после ЭШП в состоянии проката

Часть слитка	Направление вырезки об- разцов	Механические свойства						Коэффициент анизо- тропии			Показатель анизотропии
		2 2  о  *  а о	а5 , кгс/мм2	0, %	ф. %	ан . кг<  20° С	- м/см8  —40° С	с о  О КХ с 1 ?	"ФпОП ^•прод	,	°н поп	1  ян пр од	_!_/^прод п — 2	'  \ т поп ви прод) +	1	!  пои ;	I
Головная	Продольное  Поперечное	78.5	49,4	20,3	38,9	8,3	5,9	0,19	0,77	0,25	2,65  1,14
		72,6  78,8	47,5  52,0	25,8  10,0	56,8  29.8	8,5  2,1	6.8  0,45	0,75	1,00	0,78	
		74,9	43,2	20,1	56,9	6.7	5,0				
Средняя	Продольное  Поперечное	73,0	47,9	23,9	53,1	9.1	6.45	0,81	0,98	0,52	1,47
		72,6  73,3	47.5  44,5	26,5  19,5	57.4  52,2	9.2  4,8	6,4  3,8	0,77	0,99	0,76	1,17
		75.2	43,4	20,8	57,3	7,0	4.9				
Донная	Продольное  Поперечное	71,3	46,5	22,4	55,0	9,8	7,45	0,87	0,97	0,50	1,52
		73,0  70,8	47,8  43»	26,3  19.5	57,6  53.4	9,5  4,9	7.2  4,7	0,78	1.14	0,73	1,12
		73,9	43,8	20,7	55,8	6,95	5,45				

Примечание. В числителе даны значения для металла кислородно-конвертерной выплавки, в знаме-
нателе — для металла после ЭШП. Даны средние показатели трех образцов

меняются, при этом максимальная анизо-
тропия пластических и вязких свойств
проявляется в головной части слитка.

Особенно существенная разница в ка-
честве сталей К35ГС и 35ГС ЭШП выяв-
лена при испытании металла на ударный
изгиб на поперечных образцах, отобран-

выплавки и после ЭШП

Процент измене- ния	МпО, %	Процент измене- ния	Мп8, %	Процент изменения
0	0,00015	0	0,0895	—15
	0,00015		0,0756	
-12,6	0,00060	—56,6	0,0964	—21,9
	0,00026		0,0753	
-36,2	0,000727	—86,7	0,0990	—26,1
	0,00019		0,0731	

V эшп.

Г

7 2426

пых от головных частей слитков. Так, длч
испытания при температуре 20° С средний
показатель ударной вязкости стали К35ГС
составляет 2,1 кгс-м/см2, а стали 35ГС
ЭШП — 6,7 кгс-м/см2. При испытании при
температуре —40° С эти показатели соот-
ветственно 0,45 кгс-м/см2 (для стали
К35ГС) и 5,0 кгс-м/см2 (для стали 35ГС
ЭШП).

Общие показатели анизотропии свойств
металла (см. табл. 85), определенные при-
менительно к головной, средней и донной
частям слитков, составляют соответствен-
но 2,65, 1,47, 1,52 для стали К35ГС и 1,14,
1,17, 1,12 —для стали 35ГС ЭШП.

Более высокую анизотропию свойств
металла кислородно-конвертерной выплав-
ки, очевидно, можно объяснить отмечен-
ной выше химической неоднородностью
слитков стали К35ГС по высоте и сече-
нию, а также более высоким содержанием
в ней вредных примесей: серы, кислорода,
неметаллических включений, в частности
сульфидов, вытянутых вдоль направления
прокатки.

Таким образом, полученные результа-
ты свидетельствуют о том, что сталь 35ГС
ЭШП отвечает всем требованиям, предъ-
являемым к высококачественным сталям.

Электрошлаковый переплав открывает
.овершенно новое направление в произ-
водстве сортовых заготовок (круглого,
квадратного и другого сечения). Решаю-
щая роль в организации этого производ-
ства, безусловно, принадлежит освоению
новой технологии ЭШП в многоручьевых
кристаллизаторах.

Многоручьевая электрошлаковая вы-
плавка сортовых заготовок (слитков) го-
раздо более эффективна, чем выплавка
одного крупного слитка такой же общей
массой с последующей прокаткой его на
блюминге. Во-первых, при малом сечении
сортовых слитков ЭШП ликвационные
процессы в них подавляются в большей
степени, чем в крупных слитках с разви-
тым поперечным сечением, а во-вторых,
многоручьевой ЭШП позволяет достичь
высокой производительности (так, при че-
тырехручьевой плавке он в 2—2,5 раза
выше) при относительно низком удельном
расходе электроэнергии.

При производстве сортовых заготовок
по многоручьевой схеме ЭШП исключает-
ся ряд технологических операций по их
переделу и термообработке, которым дол-
жен подвергаться крупный слиток (замед-
ленное охлаждение, отжиг в случае сред-
не- и высокоуглеродистых сталей, нагрев
слитков и прокатка их на блюминге).
Четырехручьевые электрошлаковые слитки
небольшого сечения, минуя обжимный
стан, сразу подаются в сортопрокатный,
что упрощает технологию получения мел-
косортного проката из стали ЭШП.

Приведенные выше результаты работ
по оценке качества литых заготовок ЭШП
из углеродистых и низколегированных ста-
лей 20 и 35, 09Г2С, 15ХМ свидетельству-
ют о высоком уровне и изотропности фи-
зико-механических свойств литого метал-
ла ЭШП и о возможности использования
в ряде случаев сортовых заготовок ЭШП
в литом виде (без последующей горячей
деформации) для изготовления ответствен-

ных деталей машин, которые раньше изго-
тавливались из деформированного ме-
талла.

§ 4.	Конструкционные
среднелегированные стали

Технический прогресс обусловливает стрем-
ление к сокращению производственных
затрат, заставляет конструкторов и маши-
ностроителей постоянно увеличивать удель-
ную мощность изделий для экономии ма-
териала, лучшего использования простран-
ства, что в свою очередь повышает тре-
бования к качеству материалов, прежде
всего конструкционных сталей, которые
применяются для изготовления различных
деталей машин, механизмов и сооружений.

К конструкционной стали предъявля-
ются высокие требования прежде всего в
отношении механических свойств. Кроме
того, в ней должны отсутствовать пороки,
которые могут понизить прочность и на-
дежность сооружения или детали. Хоро-
шее сочетание различных механических
свойств имеют улучшаемые и цементируе-
мые стали, которые широко применяются
для изготовления деталей ответственного
назначения. Это сочетание свойств обус-
ловлено влиянием легирующих элементов.

Одним из основных критериев качества
конструкционных сталей является допусти-
мая степень анизотропности механических
свойств, а также степень пораженности
стали волосовинами. Для большинства
марок конструкционной стали технически-
ми условиями не предусмотрен контроль
загрязненности неметаллическими включе-
ниями. Однако неметаллические включе-
ния для этих сталей, как и для шарико-
подшипниковых, представляют собой важ-
нейшую характеристику, оказывающую-
решающее влияние на служебные "свой-
ства сталей. Для литых и деформирован-
ных углеродистых и низколегированных
конструкционных сталей установлена од-
нозначная зависимость между природой
включений и степенью загрязненности ме-
талла, с одной стороны, и механическими
свойствами — с другой. Положительное
влияние чистоты металла проявляется
очень четко на характеристиках сопротив-
ления усталостному и хрупкому разрушс-
нию, а для эксплуатационной оценки стали
эти свойства являются важнейшими. По-
этому для ответственных деталей следует
рекомендовать применение сталей повы-
шенной и высокой чистоты.

Несмотря на относительно низкое ре-
гламентированное содержание серы в кон-
струкционных сталях обычного качества,
она значительно ухудшает их технологи-
ческие и эксплуатационные свойства вви-
ду ее большой склонности к ликвации.
Степень ликвации серы зависит от массы
слитка и, по данным различных исследо-
вателей, составляет 200—600%. Величины
ударной вязкости и работы развития тре-
щины с увеличением содержания серы
резко снижаются. Особенно опасны скоп-
ления неметаллических включений (строч-
ки, гроздья, волосовины), вызывающие
резкую анизотропность механических и
других свойств стали. Повышенная за-
грязненность стали и связанный с этим
низкий уровень пластичности и вязкости
отрицательно влияют на характеристики
горячей обработки металла давлением
(прокатки, ковки, штамповки), охрупчи-
вают металл и вызывают огромные поте-
ри от брака.

Весьма многочисленны и не менее
опасны для конструкционных сталей и
различные дефекты, возникающие в про-
цессе кристаллизации. Некоторые из них
исчезают при обработке металла давле-
нием, например при ковке или прокатке.
Однако при этих операциях могут появ-
ляться другие дефекты. В любом случае
условия затвердевания стальных слитков
в значительной мере влияют на вероят-
ность появления, степень развития и рас-
пределения дефектов. Появление несплош-
ностей и гетерогенных выделений в слит-
ке обусловлено различием физических и
химических свойств твердой и жидкой
стали. К таким дефектам относятся уса-
дочные раковины и рыхлость, централь-
ная (осевая) пористость, структурная не-
однородность по сечениям слитка (верх —
низ, центр — край), дендритная и зональ-
ная неоднородности различного типа, лик-
вация (осевая, пятнистая и т. д.), карбид-
ная неоднородность, различные сегрега-
ции и т. п.

Так, например, волокнистая химиче-

ская неоднородность прокатанной стали,
являющаяся следствием дендритной неод-
нородности слитка, в большей степени
ответственна за пониженную прочность
металла и изделий из него. С волокнистой
химической неоднородностью связана ани-
зотропия механических свойств стали.
Ликвация при дендритной кристаллизации
в значительной мере влияет также на раз-
меры, состав, характер распределения и
количество неметаллических включений.
Чем меньше дендритная химическая неод-
нородность, тем однороднее металл, тем
выше, при прочих равных условиях, его
свойства в поперечном направлении и
меньше полосчатость.

Наличие указанных дефектов в слит-
ках конструкционных сталей обычных спо-
собов производства значительно снижало
качество стали, нс позволяло их исполь-
зовать для ответственных изделий, спо-
собствовало большим непроизводительным
затратам дефицитных металлов (потери
от брака, повышенный расход на единицу
продукции и т. д.).

""Следует учесть еще одно немаловаж-
ное обстоятельство. Вероятность выпуска
большого количества бракованной продук-
ции вследствие указанных дефектов вы-
нуждало производство содержать боль-
шой контрольный персонал, который на
различных этапах технологии осуществ-
лял весьма жесткий (иногда 100%-ный)
контроль сырья, полуфабрикатов и гото-
вых изделий. Однако даже наличие тако-
го всеобъемлющего контроля не гаранти-
ровало высокой надежности и долговеч-
ности ответственных изделий, изготовлен-
ных из конструкционных сталей обычных
способов производства.

Кардинальным решением этой пробле-
мы было использование электрошлаковых
конструкционных сталей, свободных от
большинства кристаллизационных дефек-
тов и имеющих существенно более низкий
уровень загрязненности включениями.

Здесь уже отмечалось, что первыми
были подвергнуты ЭШП стали, свойства
которых наиболее чувствительны к загряз-
ненности металла,— шарикоподшипнико-
вые и высокопрочные. Однако в настоящее
время номенклатура конструкционных
сталей, в производстве которых исполь-
зуется ЭШП, исключительно велика —
прокат, поковки, штамповки, трубы из
углеродистых сталей, например стали
35 [6], хромистых, например 20Х, 40Х,
50Х [105], марганцекремнистых, в том
числе 35ГС [105], пружинных кремни-
стых. например 60С2, хромоникелемолиб-
деновых, например 15ХНМА, 20ХНМА,
40ХНМА и 40Х2Н4МА [2, 21, 56, 63, 105],
сталей для осей, валов и торсионов, на-
пример 45ХНМФА, и многих других ма-
рок сталей.

Ниже изложен материал, относящийся
к электрошлаковым среднелегированным
конструкционным сталям в виде сортового
проката, поковок и штамповок.

Хромоникелевые стали 12Х2Н4А,
20X2 Н4А и 12ХНЗМА. Конструкционные
хромоникелевые стали 12Х2Н4А и 20Х2Н4А
применяют для изготовления различных
деталей машин, механизмов и сооруже-
ний. При обычных процессах выплавки и
разливки этих сталей возникает ряд де-
фектов, в частности флокены, расслоения,
шиферный излом, волосовины и др. Наи-
более вероятной причиной образования
внутренних волосовин являются включе-
ния глинозема, располагающиеся строчкой
(цепочкой), или вытянутые силикатные
включения.

На металлургических заводах степень
пораженности металла внутренними воло-
совинами определяется состоянием цилин-
дрической поверхности ступенчатой заго-
товки. От проката отрезают брусок и
обтачивают его таким образом, чтобы по-
лучить заготовку с тремя ступеньками раз-
личных диаметров. Эти ступенчатые заго-
товки подвергают травлению в соляной
кислоте, после чего определяют количе-
ство и протяженность волосовин на каж-
дом диаметре. На одном из заводов брак
окончательно готовых деталей из стали
12Х2Н4А по волосовинам составлял 70—
80%.

Следует отметить, что количество во-
лосовин в заготовках, полученных из раз-
ных частей слитка, не одинаково. В ката-
ном сорте из нижних частей слитка воло-
совин больше, чем в прокате из средней и
верхней частей слитка. Это объясняется
тем, что нижняя часть слитка больше по-
ражена окисными включениями. Техноло-

Рис. 174. Содержание включений в конструк-
ционной стали 12Х2Н4А ЭД (I), ЭШП (II) и
двукратного ЭШП (III)'.

I — оксиды; 2 — сульфиды; 3 — нитриды.

гпя плавки стали, обеспечивающая мень-
шую пораженность стали неметаллически-
ми включениями, одновременно обуслов-
ливает уменьшение волосовин.

В товарных заготовках крупных сече-
ний (200 X 200 мм) стали 12Х2Н4А на-
блюдались паукообразные трещины, участ-
ки аморфного строения в изломе закален-
ной стали и большая анизотропия механи-
ческих свойств [73].

Для устранения указанных дефектов
применили ЭШП этих сталей. Поверх-
ность полученных слитков ЭШП стали
12Х2Н4А очень чистая и не требует до-
полнительной обработки перед прокаткой.
Макроструктура деформированного метал-
ла отличается высокой плотностью и не
имеет никаких дефектов, хотя уков слит-
ка в 3 раза меньше.

В результате ЭШП резко уменьшается
загрязненность стали, полностью исчеза-
ют скопления грубых строчечных неметал-
лических включений. Незначительное ко-
личество неметаллических включений рас-
Таблица 86. Механические свойства стали 12Х2Н4А [61 ]

	ав , кгс/мм2	00 2. кгс/мм2	о. %	V. %	ан , кгс-м/см2
Металл ЭШП Требования ТУ (не менее)	120—125,4 100	104—122 80	13—16,6 9	61,2—63,9 55	11,2—14,0 10

средоточено в виде отдельных мелких то-
чек, что определило высокую чистоту
электрошлаковой стали 12Х2Н4А по воло-
совинам. Загрязненность (максимальный
балл по шкале ГОСТ 1778—62) электро-
шлаковой стали характеризовалась сле-
дующими данными: оксиды — 1,0; 1,5; 1,5,
сульфиды — 0,5; 0,5;	0,5, глобулярные

включения — 0,5; 0,5; 0,5. По данным

' М. И. Виноград с сотрудниками, еще вы-
ше уровень чистоты металла двукратного
ЭШП (рис. 174).

Исследование деталей, изготовленных
из металла ЭШП, показало, что макро-
структура темплетов, вырезанных по оси
из центральной части, не имела никаких
металлургических дефектов, белых пятен
и отличалась правильным расположением
волокна по конфигурации детали.

Для сопоставления степени загрязнен-
ности исходного металла и стали ЭШП
были взяты 10 серийных окончательно
обработанных деталей. Общее количество
включений в металле ЭШП значительно
меньше, чем в деталях, изготовленных из
обычной электростали. Механические свой-
ства (табл. 86) стали 12Х2Н4А в резуль-
тате ЭШП значительно повышаются [73].

Если брак готовых деталей из обычно-
го металла по волосовинам составлял
70—90%, то на деталях, изготовленных из
стали 12Х2Н4А ЭШП, волосовины прак-
тически отсутствуют и общий брак таких
деталей по разным причинам составляет
всего 1—3%. Эта цифра подтверждается
в настоящее время контролем многих де-
сятков тысяч деталей серийного производ-
ства.

Высокая эффективность получена при
замене детали из электродуговой стали
20Х2Н4А электрошлаковой. При этом про-
изводительность чистовой клети стана хо-
лодной прокатки, зависящая от долговечно-
сти этой детали, возросла на 74% [124].

Аналогичные результаты показали [40]

исследования, проведенные на весьма близ-
кой по химическому составу, структуре и
свойствам стали 12ХНЗМА. Значительное
снижение уровня загрязненности металла
ЭШП (на 77%), повышение дисперсности
структуры (расстояние между осями ден-
дритов снизилось с 0,58 до 0,39 мкм) и
увеличение плотности обусловили высокий
уровень прочностных, пластических и вяз-
костных свойств стали ЭШП. Так, работа
распространения трещины повысилась бо-
лее чем в 3 раза.

Хромоникелевольфрамовая сталь
18Х2Н4ВА. Хромоникелевольфрамовые
стали, обладающие высокими механиче-
скими свойствами, широко применяют для
изготовления деталей ответственного на-
значения. Присадка вольфрама существен-
но повышает предел прочности, пластич-
ность и вязкость сталей с хромом и нике-
лем, а также устраняет склонность к
отпускной хрупкости. Поэтому при необ-
ходимости иметь высокий уровень проч-
ности и ударной вязкости применяют хро-
моникелевольфрамовые стали, в первую
очередь сталь 18Х2Н4ВА. Эта сталь, раз-
работанная еще в 1911—1912 гг., широко
применяется для изготовления коленчатых
валов высоконагруженных двигателей вну-
треннего сгорания, т. е. там, где требуют-
ся высокая усталостная прочность и по-
ниженная чувствительность к концентра-
торам напряжений.

Сталь 18Х2Н4ВА для металлургов
всегда являлась одной из наиболее тру-
доемких. Эта сталь должна обладать вы-
сокой степенью плотности и однородности
макроструктуры наряду с высокими проч-
ностными и пластическими характеристи-
ками. Контроль стали 18Х2Н4ВА весьма
жесткий и включает многие виды испыта-
ний, в том числе ступенчатую обточку и
контроль изломов закаленных образцов.

Отечественная металлургия имеет мио-
голехний опыт производства этой стали.
Однако показатели ее свойств всегда на-
ходились на невысоком уровне из-за неод-
нородности структуры, наличия макроде-
фектов, значительной загрязненности не-
металлическими включениями и анизо-
тропии механических характеристик.
В слитках металла обычных способов про-
изводства часто встречались паукообраз-
ные дефекты структуры, ликвация, растра-
вы по включениям, большая протяжен-
ность волосовин. Все эти пороки ограни-
чивали использование стали 18Х2Н4ВА и
вызывали большие потери от брака. По-
лучение бездефектной, однородной и изо-
тропной по механическим свойствам ста-
ли 18Х2Н4ВА являлось важной техниче-
ской проблемой. Решение этой проблемы
для такой трудоемкой стали позволило бы
распространить его на всю гамму кон-
струкционных хромоникелевых и других
сталей.

Наиболее чувствительным критерием
степени изотропности свойств стали яв-
ляется показатель ударной вязкости по-
перечных образцов. Равномерно распре-
деленные дезориентированные включения
способствуют высокой изотропности удар-
ной вязкости. Если же в рабочее сечение об-
разца попадали участки, пораженные гру-
быми загрязнениями, показатели изотроп-
ности резко падали. Поэтому выяснение
возможности и целесообразности примене-
ния ЭШП для производства ответствен-
ных сортов конструкционной электро-
стали имело большое практическое зна-
чение для отечественного машиностроения.

Результаты анализа данных исследова-
ний ЭШП стали 18Х2Н4ВА достаточно
убедительно показали химическую одно-
родность слитков. В наибольшей степени
удаляется сера (до 40%). Низкое ее содер-
жание (до 0,008%) при минимальном раз-
витии в электрошлаковых слитках ликва-
ционных зон обеспечивает практически
полное отсутствие сульфидных включений
в стали.

Известно, что сульфидные включения
оказывают существенное отрицательное
влияние на ударную вязкость, хладно-
ломкость и коррозионную стойкость стали,
поэтому целесообразно в конструкционные
сталях снижение содержания серы до ты-
сячных долей процента, перевод сульфи-

та б л и ц а 87. Загрязненность неметалличес-
кими включениями хромоникелевых сталей
(оценка максимальным баллом по ГОСТ 1778—
70) [60]

Технология производства	Тип неметаллических включений		
	Т)кспды	Сульфиды	Г лобули
эд	3,0	2,0		
ЭД + эшп	1,5	0,5	—
эд	2,0	1,5	3,0
ЭД + эшп	1,0	1,0	—
эд	3,0	2.5	—
ЭД + эшп	1,0	1,0	—
ЭД	3,5	2,0	4,0
ЭД + эшп	1,5	1,0	—

дов марганца в сульфиды кальция и це-
рия, а также получение сульфидов глобу-
лярной формы, что значительно повышает
стойкость стали против коррозии под на-
пряжением.

Наличие включений, а также пористо-
сти в донной части слитка обычной вы-
плавки вызывает необходимость дополни-
тельной пластической деформации для
устранения этих дефектов (т. е. нужно пе-
реводить крупный сорт в мелкий). Если у
исходного металла такие дефекты были
обнаружены на 16,5% заготовок, то у ста-
ли ЭШП их вообще не было [60].

Из данных табл. 87 следует, что элек-
трошлаковая сталь 18Х2Н4ВА обладает
исключительно высокой степенью чистоты.
При содержании в стали до 0,2% С такая
высокая чистота металла по оксидным
включениям указывает на большие пре-
имущества данного процесса. В результа-
те ЭШП диспергировались включения всех
видов: в электрошлаковом металле [43,56,
60] полностью отсутствовали строчки и
скопления включений.

Плотность и однородность структуры
являются основными показателями каче-
ства стали. Для стали 18Х2Н4ВА эти
свойства дополнительно проверяют на
продольных макротемплетах, продольных
закаленных изломах и путем ступенчатой
обточки. Практика показывает, что эти
дополнительные виды испытаний являют-
ся весьма чувствительными и позволяют
выявить нарушения сплошности и одно-
родности стали.
Рис. 175. Продольный темплет электрошлако-
вого слитка стали 18Х2Н4ВА.

Выплавленная обычным методом элек-
тросталь марки 18Х2Н4ВА в значительной
степени поражена характерными дефекта-
ми макроструктуры: волосовины на сту-
пенчатых обточках и продольных макро-
темплетах, шифериость, нити и иглы на
продольных закаленных изломах, корки и
загрязнения в поперечных темплет ах и др.
Указанные дефекты ограничивают воз-
можность использования обычного метал-
ла для ответственных изделий. Исследуе-
мая исходная заготовка имела удовлетво-
рительную плотность, однако в части
штанг имелись корки и загрязнения. На
ступенчатых обточках встречались волосо-
вины, продольные изломы имели шифер-
ность, нити и расслоения.

Макроструктуру литого электрошлако-
вого металла изучали на продольных и
поперечных темплетах. Продольные темп-
леты слитков стали 18Х2Н4ВА (рис. 175)
характеризовались исключительно плот-
ной структурой без каких-либо дефектов.
Отчетливо видны три основные зоны кри-
сталлизации: первая (у поверхности) —
мелкокристаллическая, вторая — столбча-
тых кристаллов и третья — центральная,
состоящая из крупных дезориентирован-
ных кристаллов. В слитках полностью
отсутствовали усадочные раковины и рых-
лость. Макроструктуры поперечных тем-
плетов головной, средней и донной частей
подтвердили исключительно высокую плот-,,
ность и хорошую однородность металла
(рис. 176). В электрошлаковом металле
дефекты типа волосовин, нитей и игл
практически не встречаются, что объясня-
ется чистотой этой стали по неметалличе-
ским включениям.

В сорте электрошлаковой стали
18Х2Н4ВА при отсутствии сколов в изло-
мах получили зерно 6—7 баллов с отдель-
ными зернами 5-го балла, что объясняется
низким содержанием алюминия в исход-
ном металле (0,01%). Присадка ванадия,
по предварительным данным, способству-
ет устранению сколов в изломах сталей,
однако для устранения разнозернистости
необходимо, чтобы содержание алюминия
в исходном металле было не менее 0,03%.
Таблица 88. Влияние ЭШП на содержание газов в стали 18Х2Н4ВА

Номер слитка	Часть слитка	Содержание, %-10 $							
		Кислород				Азот			
		ЭД		эд 4- эшп		эд		ЭД + эшп	
		Край	Центр	Край	Центр	Край	Центр	Край	Центр
1	Верх	—.		_	341	343					733	961
	Середина	588	564	—	—	682	733	—	—
	Низ	—	—	248	271	—	—	860	920
2	Верх	—	—	310	340	—	—	660	580
	Середина	360	610	360	360	750	700	650	580
	Низ	—	—	270	300	—	—	740	690

Как видно из табл. 88, содержание
кислорода в «тали 18Х2Н4ВА, переплав-
ленной электрошлаковый методом, ниже,
чем в исходном металле, примерно в
2 раза. Данные анализа по кислороду до-
полняют металлографический контроль,
показывающий резкое уменьшение оксид-
ных включений в стали. Содержание азо-
та в стали 18Х2Н4ВА при ЭШП остается
практически без изменений. Механические
свойства электрошлаковой кованой стали
18Х2Н4ВА исследовали после двойной за-
калки с 950 и 850—860° С на воздухе и
отпуске при 150—170° С на воздухе.

В табл. 89 приведены механические
свойства некоторых электрошлаковых пла-

Рис. 176. Поперечный темплет электрошлако-
вого слитка стали 18X2114ВА.

вок в сопоставлении со свойствами загото-
вок исходных сталей. Анализ данных этой
таблицы, где приведены результаты испы-
таний, позволяет сделать вывод, что про-
дольные образцы электрошлаковой стали
имеют более высокие показатели только
по ударной вязкости. Предел прочности,
относительное сжатие и удлинение оста-
ются примерно такими же, как у исход-
ной заготовки. В то же время поперечные
образцы электрошлаковой стали характе-
ризуются высокой пластичностью и вяз-
костью, что обусловливает высокую изо-
тропность этой стали, не достижимую при
обычных способах выплавки.

По изотропности свойств электрошла-
ковый металл значительно превосходит
обычный. Коэффициент изотропности элек-
трошлакового металла по ударной вязко-
Таблица 88. Влияние ЭШП на содержание газов в стали 18Х2Н4ВА

Номер слитка	Часть слитка	Содержание, %«10 °							
		Кислород				Азот			
		ЭД		эд 4- эшп		эд		ЭД + эшп	
		Край	Центр	Край	Центр	Край	Центр	Край	Центр
1	Верх	—.		_	341	343					733	961
	Середина	588	564	—	—	682	733	—	—
	Низ	—	—	248	271	—	—	860	920
2	Верх	—	—	310	340	—	—	060	580
	Середина	360	610	360	360	750	700	650	580
	Низ	—	—	270	300	—	—	740	690

Как видно из табл. 88, содержание
кислорода в стали 18Х2Н4ВА, переплав-
ленной электрошлаковым методом, ниже,
чем в исходном металле, примерно в
2 раза. Данные анализа по кислороду до-
полняют металлографический контроль,
показывающий резкое уменьшение оксид-
ных включений в стали. Содержание азо-
та в стали 18Х2Н4ВА при ЭШП остается
практически без изменений. Механические
свойства электрошлаковой кованой стали
18Х2Н4ВА исследовали после двойной за-
калки с 950 и 850—860° С на воздухе и
отпуске при 150—170° С на воздухе.

В табл. 89 приведены механические
свойства некоторых электрошлаковых пла-

Рис. 176. Поперечный темплет электрошлако-
вого слитка стали 18Х2Н4ВА.

вок в сопоставлении со свойствами загото-
вок исходных сталей. Анализ данных этой
таблицы, где приведены результаты испы-
таний, позволяет сделать вывод, что про-
дольные образцы электрошлаковой стали
имеют более высокие показатели только
по ударной вязкости. Предел прочности,
относительное сжатие и удлинение оста-
ются примерно такими же, как у исход-
ной заготовки. В то же время поперечные
образцы электрошлаковой стали характе-
ризуются высокой пластичностью и вяз-
костью, что обусловливает высокую изо-
тропность этой стали, не достижимую при
обычных способах выплавки.

По изотропности свойств электрошла-
ковый металл значительно превосходит
обычный. Коэффициент изотропности элек-
трошлакового металла по ударной вязко-
Таблица 89. Влияние ЭШП на механические свойства стали 18Х2Н4ВА [6, 61]

Технология производства	Диаметр прутка, мм	Диаметр слитка, мм	« о * >>	ГО № О СО	Продольные образцы				Поперечные образцы			
					кгс/мм2	б. %	4>, %	°н*  кгс • м/мм2	пв , кгс/мм2	б, %	%	°н- кгс-м/см2
эд	170	380	11,9			.	139,3	13,0	58,0	12,7							5,25
					139,0	13,0	57,0	12,7	138			5,30
эшп	100	250	6,25	А	135,0	13,0	58,0	14,3	134	13,0	52,0	9,25
					120,0	12,5	64,0	14,3	—	12,0	50,0	9,40
	170	250	2,16	Б	136,0	14,5	60,0	14,0	—	—			10,1
					140,0	12,5	59,0	14,0				11,8
эд	180	380	4,45	—	139,0	14,0	64,0	п,з			—			—
					133,5	12,5	61,5	10,7				
эшп	130	300	2,5	н	138,5	14,0	61,5	11,6	136	12,0	51,0	10,0
					137,0	14,0	61,5	12,0	139	12,0	47,5	8,45
	130	300	2,5	н	139,0	14,0	61,5	13,9	136,5	12,0	51,0	10,10
					136,0	14,5	62,0	13,8	135,5	12,5	52,5	11,20

Таблица 90. Влияние ЭШП на абсолютные показатели и анизотропию пластичности и ударной
вязкости стали 18Х2Н4ВА [61]

ТехнЪлогия производства стали	Относительное удлинение			Поперечное сужение			2  2~ о  « ’Ъ а	ан, кгс - м/см2	с
	6". %	О'-  «О	«9/,9	ф". %	% ‘Л	Л/Л 1  	1			
эд			.	.			—					12,7	4,2	0,33
ЭД + эшп	13,2	12,5	0,94	60,0	51,0	0,85	14,4	10,6	0,73
ЭД + эшп	14,1	11,8	0,83	61,7	49,1	0,80	11,6	8,45	0,72
ЭД + эшп	14,0	12,0	0,85	61,5	51,0	0,83	13,9	11,2	0,80

сти примерно в 2 раза выше, а абсолют-
ные значения этого важнейшего показате-
ля в 2,5—3 раза выше, чем стали, выплав-
ленной по обычной технологии (табл. 90).

Как видно из рис. 177, где приведена
частотная диаграмма показателей ударной
вязкости, кривая показателей образцов
электрошлакового металла резко смешена
в сторону более высоких значений, при-
чем частотная кривая ударной вязкости
поперечных образцов электрошлаковой
стали приближается к кривой продольных
образцов обычной стали. Поперечные об-
разцы стали ЭШП имеют во всех случаях
гораздо более высокую ударную вязкость,
чем сталь обычной выплавки. При темпе-
ратуре испытаний 20° С эффект повыше-
ния ударной вязкости стали ЭШП над
обычной составляет 40—50%. Особенно
сильно на величине ударной вязкости по-

Рис. 177. Частотная диаграмма ударной вяз-
кости стали 18Х2Н4ВА: .

1 — ЭД, продольные образцы; 2 — ЭШП, продольные
образцы; 3 — ЭШП. поперечные образцы [61].
перечных образцов эффект ЭШП проявля-
ется при температуре отпуска 650° С.
В отдельных случаях преимущество стали
ЭШП над обычной составляет примерно
100%.

Продольные и поперечные образцы ста-
ли 18Х2Н4ВА ЭШП, изготовленные из
различных профилей сорта и прошедшие
только одинарную термообработку, впол-
не соответствовали высоким требованиям
технических условий, в то время как у ме-
талла обычных плавок при однократной
термообработке значения ударной вязко-
сти были низкими [4].	,

Если с помощью диффузионного том-
ления или гомогенизации при 1150—
1250° С удается лишь незначительно
уменьшить структурную неоднородность
и анизотропию механических свойств
обычной стали, то в результате ЭШП
благодаря минимальному количеству не-
металлических включений и их равномер-
ному распределению, а также благодаря
исключительно благоприятным условиям
кристаллизации слитка в водоохлаждае-
мой изложнице сталь приобретает струк-
турную однородность и высокую изотроп-
ность механических свойств.

Существенное влияние на вязкость ме-
талла может оказать характер структур-
ной неоднородности, возникающей в про-
цессе кристаллизации,— так называемая
первичная структура стали. Изменение
первичной структуры стали при деформа-
ции выражается главным образом в обра-
зовании структурной полосчатости. После
травления шлифов установлено отчетли-
вое различие между характером первич-
ной структуры стали 18Х2Н4ВА ЭШП и
обычной выплавки. В стали ЭШП при
степени обжатия около 2 видны остатки
неразбитых дендритов и отдельные само-
стоятельные небольшие дендриты. Струк-
тура равноосная, дезориентированная, по-
лосчатость еще не образовалась. Сталь
обычной выплавки при такой деформации
(степень обжатия 2,4) уже имеет полосча-
тую структуру.

Различие первичной структуры можно
объяснить тем, что сталь ЭШП имеет бо-
лее плотное, равноосное дендритное стро-
ение при значительно меньших размерах
дендритов по сравнению с металлом обыч-

ной выплавки. Различие структуры стали
обычной выплавки и ЭШП, ярко выра-
женное при небольших степенях обжатия,
сохраняется и при больших обжатиях.

Все указанные преимущества обеспе-
чивают более высокую выносливость элек-
трошлаковой стали 18Х2Н4ВА [4]. Эти
данные были подтверждены также уста-
лостными испытаниями, которые показа-
ли, что если у исходного металла предел
выносливости составил 55,7 кгс/мм2, то у
металла двух плавок ЭШП он был 59,5 и
65,2 кгс/мм2.

Хромомолибдено(вольфрамо)алюмини-
евые стали 38ХМЮА и 38ХВЮА. Стали
38ХМЮА и 38ХВЮА применяются для
ответственных деталей турбо- и моторо-
строения, эксплуатирующихся при темпе-
ратурах до 450° С (гильзы, цилиндры, тол-
катели, шестерни и др.), и различных де-
талей сложной конфигурации, от которых
требуются большая поверхностная твер-
дость, износостойкость и повышенный пре-
дел выносливости. Условия производства
сталей, легированных алюминием, в зна-
чительной мере определяются образовани-
ем специфических дефектов. К ним следу-
ет в первую очередь отнести пятнистую
ликвацию и грубое шиферное строение.

При изучении причин образования пят-
нистой ликвации в заготовках стали
38ХМЮА, выплавленной в электродуговых
печах, было установлено, что на попереч-
ных травленых темплетах металла в раз-
ных местах образуются пятна вследствие
повышенной травимости этих мест. В про-
дольном темплете видны темные полосы,
соответствующие пятнам в поперечном
темплете. Ликвационные зоны обычно обо-
гащены углеродом, серой и фосфором по
сравнению с остальной массой металла.
Механические свойства образцов, выре-
занных из ликвационных зон стали, ниже,
чем образцов из других зон.

Причиной развития пятнистой ликва-
ции некоторые исследователи считают на-
личие в затвердевающем слитке газовых
потоков, которые разносят ликваты и бла-
гоприятствуют их местным скоплениям.
По мнению авторов работы [94], ликва-
ционные пятна характеризуются большим
количеством неметаллических включений,
которых согласно результатам металло-
Таблица 91. Влияние ЭШП на химический состав стали 38ХМЮА, % [60]

Технология производства	С	Мп	81	р	8	Сг	Мо	А!
эд  ЭД + эшп	0,39 0,41	0,47 0,45	0,36 0,36	0,015  0,015	0,008 0,005	1,50  1,49	0,21 0,23	0,78 0,69
Изменение химического со- става, %	+4,1	—4,3	0	0	—37,3	—0,5	+9,5	—11,6
ЭД  ЭД + ЭШП	0,40 0,41	0,46 0,43	0,34 0,37	0,011 0,011	0,005 0,003	1,53  1,51	0,20 0.19	0,72 0.69
Изменение химического со- става, %	+2,4	—6,6	+8,8	0	—40	— 1,4	—3	—4,5

графических исследований в зонах этих
пятен в 1,5—2 раза больше, чем на участ-
ках здорового металла.

По данным авторов работы [94], на
одном из уральских заводов количество
слитков стали 38ХМЮА, пораженных пят-
нистой ликвацией, составило по мартенов-
скому металлу 86,5%, по электрометаллу
61,0% и вследствие этого в отдельные пе-
риоды заводской брак по дефектам ма-
кроструктуры достигал 20—25%. Следует
отмстить, что переход на отливку однотон-

Рис. 178. Поперечные темплеты исходной элек-
тродуговой (а) и электрошлаковой (б) стали
38ХМЮА [61].

ных слитков стали 38ХМЮА (вместо ра-
нее отливаемых 2,8 т) почти не снизил
брака по пятнистой ликвации. Только с
помощью ЭШП этот дефект был устранен.

Результаты химического анализа ис-
ходной и переплавленной стали 38ХМЮА,
приведенные в табл. 91, позволяют сде-
лать вывод о том, что содержание углеро-
да, марганца, фосфора, хрома и молибде-
на при переплаве практически не измени-
лось. Содержание серы в процессе ЭШП
снижается на 20—40% и составляет в пе-
реплавленном металле 0,003—0,005%. Со-
держание алюминия в некоторых плавках
снижается на 30%, на других плавках
угар алюминия значительно ниже (4—
Таблица 92. Влияние ЭШП на механические свойства стали 38ХМЮА (611

Технология произ- водства	Сечение или диаметр слит- ка, мм	Уков, %	ов, кгс/мм2	6. %	Ф. %	°н • кгс  м/смг
ЭД	500X500	31	102	18,5	65,0	15,0
ЭД + эшп	200	4	98	16,0	64,0	13,7
ЭД + эшп			101	23,0	69,0	12,9
	250	4,2	98,5	25,0	64,5	12,0
Требования ТУ			105,0	25,0	59,0	11,8
	-—		100	15,0	50,0	
(не менее)						9.0

Л Р е 4 а н и е- Образцы вырезали вдоль оси прокатки и подвергали термообработке — закалке в масло от
940° С и отпуску при 660° С в течение 1 ч.

10%). Содержание кремнйя в отдельных
плавках увеличивается по отношению к
исходному; среднее же изменение сравни-
тельно невелико (8.8%).

Исследование литого металла, которое
проводили на продольных и поперечных
темплетах, показало, что слиток стали
38ХМЮА, полученный электрошлаковый
способом, имеет плотную мелкокристалли-
ческую структуру без пятнистой ликвации
и других дефектов. Усадка в верхней ча-
сти слитка не превышает 30 мм; подуса-
дочная рыхлость практически отсутствует.
Хотя в качестве расходуемых электродов
для ЭШП использовали штанги, забрако-
ванные по пятнистой ликвации, макро-
структура кованого электрошлакового ме-
талла была очень плотной, без пятнистой
ликвации и дефектов плавочного проис-
хождения (рис. 178). Слитки перед ковкой
не обдирали и не зачищали. Пластичность
металла во время ковки была хорошей.

Неметаллические включения в кованом
исходном металле (электроде) распреде-
лились строчками и оценены баллом 1,5
по оксидам и 0,5 по сульфидам. В литом
электрошлаковом металле включения рас-
пространялись равномерно по высоте и се-
чению слитка и оценивались баллом 1,0
по оксидам и 0,5 по сульфидам.

В кованом электрошлаковом металле
во всех случаях балл по сульфидам со-
ставляет 0,5. Оксиды оцениваются баллом
0,5—1,0. Кованый электрошлаковый ме-
талл выгодно отличается от исходного
равномерностью распределения неметал-
лических включений и малым их разме-
ром.

Механические свойства стали контро-
лировали в соответствии с требованиями
ТУ. Результаты испытаний, приведенные
в табл. 92, свидетельствуют о том, что. не-
смотря на очень малую степень деформа-
ции, металл ЭШП по механическим свой-
ствам практически одинаков с исходным
и превышает показатели технических усло-
вий. Результаты испытаний поперечных
образцов показали еще большее преиму-
щество металла ЭШП.

Хорошее качество электрошлаковой
стали 38ХМЮА позволило перейти к про-
изводству слитков ЭШП большой массы
(с 1—1,3 т до 2—2,5 т), при этом макро-
и микроструктура электрошлаковой стали
не ухудшились, загрязненность включе-
ниями оставалась на низком уровне, изо-
тропность механических свойств была вы-
сокой.

Хромокремниевые стали 38ХС и
20ХГС2Н. Хромокремнистая сталь 38ХС
широко применяется для изготовления гу-
сеничных траков, работающих, как прави-
ло, в достаточно тяжелых условиях знако-
переменного ударного нагружения и абра-
зивного износа. Долговечность трака име-
ет важное значение при оценке ходовых
качеств гусеничных машин, и повышение
его долговечности является актуальной
задачей. Одним из доступных и надеж-
ных средств повышения выносливости ста-
ли является рафинирующий переплав ее
с целью снижения общего уровня загряз-
ненности неметаллическими включениями.

Для исследования возможности повы-
шения долговечности стали 38ХС был ис-
пользован ЭШП. В стали 38ХС электро-
Таблица 93. Влияние ЭШП и присадок РЗМ
во флюс на загрязненность стали 38ХС

Технологии производства	Содержание включений. об.%. 10—4			
	Всего	В том числе		
		окси- дов	сульфи- дов	нитри- дов
эд	46	28	17	1
ЭД + ЭШП (флюс А)	25	21	3	1
То же -ф РЗМ	23	18	4	1
ЭД + ЭШП (флюс Б)	6	4	—	2
То же + РЗМ	11	7	2	2
ЭД + ЭШП (флюс В)	13	8	1	4
То же + РЗМ	24	11	11	2

дуговой выплавки неметаллические вклю-
чения были представлены глиноземом,
алюмосиликатами и железомарганцевыми
сульфидами, размеры которых не превы-
шали 10 мкм. После ЭШП в стали отсут-
ствовали включения размером более
5,5 мкм. При ЭШП стали с добавками
ферроцерия очищение ее от оксидных и
сульфидных включений происходило в
меньшей степени, чем без ферроцерия
(табл. 93). ЭШП обусловил прежде всего
диспергирование включений. Так, напри-
мер, если в исходном металле было обна-
ружено на 100 мм2 шлифа 35 включений
размером 5,5—10 мкм, то в металле ЭШП
таких включений было 3- -9.

Результаты испытаний образцов иссле-
дуемых сталей на малоцикловую уста-
лость показали, что ЭШП в среднем на
50—80% повышает малоцикловую долго-
вечность стали в воздухе. Присадка РЗМ
во флюс вызывает в некоторых случаях
повышение (на 10—40%), в других — сни-
жение долговечности электрошлакового
металла в воздухе, а в коррозионной сре-
де снижение отмечается повсеместно.

Однако те же присадки обусловлива-
ют существенное повышение малоцикло-
вой долговечности стали 38ХС в наводо-
роживающей среде вследствие образова-
ния комплексных оксисульфидов РЗМ,

весьма стойких против воздействия водо-
рода (см. гл. II).

В связи с анализом результатов иссле-
дований влияния присадок РЗМ во флюс
при ЭШП на служебные свойства сталей
возникает необходимость обсудить этот
вопрос в более широком плане. В общем
случае металлурги стремятся с помощью
РЗМ снизить содержание серы или хотя бы
удалить ее с границ зерен, где она распо-
лагается в виде эвтектических включений
Ре8 • Мп8.

Вместе с тем связывание серы церием
или другими РЗМ обусловливает загряз-
нение стали окислами и оксисульфидами
РЗМ, которые удаляются из металла зна-
чительно труднее и медленнее, чем неме-
таллические включения, образующиеся при
обработке стали другими раскислителями.
При производстве высоколегированных
сталей и специальных сплавов вводят в
основном небольшие добавки РЗМ для
связывания вредных примесей и очищения
таким образом границ зерен. Для кон-
струкционных сталей также более пра-
вильным, очевидно, будет введение не-
больших добавок РЗМ, чтобы изменить
свойства и расположение неметаллических
включений.

Основная роль РЗМ должна состоять
не в понижении общего содержания вред-
ных примесей в стали, а в значительном
уменьшении той доли этих примесей, кото-
рая идет на соединение с железом. РЗМ
образуют в жидком металле окислы, суль-
фиды и, по-видимому, нитриды с высокой
температурой плавления. Поэтому они ока-
зывают влияние не только на расположе-
ние неметаллических включений в стали,
но и на кристаллизацию металлической
основы.

Подобно стали 38ХС находит примене-
ние траковая хромомарганцекремненикеле-
вая сталь 20ХГС2Н, в производстве кото-
рой также был использован ЭШП. Для пе-
реплава использовали ш 1ак системы
СаЕ2—А120з—СаО—8Ю2—М^О. В резуль-
тате ЭШП содержание серы уменьшилось
с 0,018 до 0,004%. Существенно изменился
количественный и качественный состав
включений в металле. Так, если в мар-
теновском металле включений было
0,0347 об.% (примерно 8/. из них сульфи-
Таблица 94. Влияние ЭШП на механические свойства стали 20ХГС2Н [67]

Технология производства	Направление вырезкн об- разцов	ов, кгс/мм2	С. %	ф. %	ан, кгс ♦ м/см2
Мартен	Продольное Поперечное	152,5—159,5  150,0—157,0	11,0—11,6  10,2—10,8	50,0—54,8  43,2—46,5	8,8—9,7  3.7—5,6
ЭШП	Продольное Поперечное	156,0—158,0  155,5—155,6	12,0—12,2  15,4—15,6	60,1—61,0  55,6—62,1	10,3—12,1  9,7—10,4

Примечание. Термообработка: закалка от 950° С и отпуск при 230° С в течение 1,5 ч.

ды), то в электрошлаковой стали содержа-
ние включений снизилось до 0,0090% (при-
мерно ’/з — сульфиды).

Определение количества и распределе-
ния включений по размерным группам по-
казало, что более 95% всех включений в
мартеновской и электрошлаковой стали по
размеру не превышает 5 мкм. После ЭШП
количество сульфидов на 100 мм2 площади
шлифа снизилось более чем в 10 раз, окси-
дов — в 1,5 раза.

Как видно из табл. 94, где приведены
данные механических испытаний, металл
ЭШП обладает большим запасом пластич-
ности и вязкости, чем исходный металл,
значительно лучшей изотропностью и ста-
бильностью всех механических свойств.

Отмеченные обстоятельства обеспечили
существенное преимущество электрошла-
ковой стали перед мартеновским металлом
в долговечности. Испытания исследуемых
сталей на малоцикловую усталость пока-
зали, что металл ЭШП обладает (в зави-
симости от вида среды и уровня деформа-
ции) в 1,3—3,4 раза более высоким уров-
нем долговечности, чем мартеновская сталь.
Характерно, что это преимущество воз-
растает по мере увеличения внешней на-
грузки и агрессивности среды, что свиде-
тельствует о высокой живучести электро-
шлакового металла. Именно это качество
металла ЭШП обеспечивает возрастающее
преимущество при сравнительных исследо-
ваниях образцов указанных сталей с раз-
личными концентраторами напряжений.

Как видно из табл. 95, преимущество
стали ЭШП в значительной мере проявля-
ется в наиболее тяжелых условиях рабо-
ты металла (наличие острого надреза и
агрессивной среды). Если преимущество
стали ЭШП над исходной в выносливости

гладких образцов составляет 60—75%, то
уменьшение радиуса надреза резко увели-
чивает это преимущество, доводя его до
300—450%.

Превосходство металла ЭШП при всех
видах испытаний, уровнях напряжений и
средах можно объяснить прежде всего су-
щественным уменьшением содержания ок-
сидных включений, особенно крупных (раз-
мером свыше 4,5 мкм).

В целом можно сделать вывод, что
ЭШП благодаря снижению содержания се-
ры и удовлетворительному диспергирова-
нию оставшихся оксидных включений спо-
собствует значительному повышению слу-
жебных характеристик стали 20ХГС2Н, в
частности малоцикловой выносливости и,
следовательно, долговечности и надежно-
сти изделий.

Таблица 95. Зависимость коэффициента

. к _ Иэшп
влияния технологии Рт ~ т;----от радиуса

'’март

надреза, вычисленная по результатам испытаний
стали 20ХГС2Н на малоцикловую усталость
в различных средах [67]

Радиус надреза, мм	6т		
	Воздух	Коррозионная среда	Наводорожи- вающая среда
Гладкий			
образец	1,60	1,65	1,74
75	1,70	1,75	1,82
50	1,77	1,89	1,90
15	1,80	1,99	2,00
6	1,78	1,96	2,27
1	2,07	2,32	2,55
0,5	2,15	2,46	2,96
0,1	3,37	3,75	4,45

Примечание. Испытания проведены при одиако-
вом ло всех случаях угле поворота обоих захватов.
Автоматные стали с повышенным со-
держанием серы. Присадка серы в сталь
имеет практическое значение для улучше-
ния ее обрабатываемости и для получения
высококачественной поверхности при обра-
ботке на металлорежущих станках-авто-
матах. Обычные автоматные стали содер-
жат от 0,15 до 0,30% 8. При обработке ре-
жущим инструментом автоматных сталей
стружка получается короткая и ломкая,
исключается налипание металла на ин-
струмент, в результате чего повышается
его стойкость.

Получение автоматной стали с высоким
содержанием серы с металлургической
точки зрения является не менее сложной
задачей, чем получение высококачествен-
ных сталей с низким содержанием серы.

Сера ликвирует при затвердевании
стали больше, чем все другие элементы, в
связи с чем очень трудно обеспечить рав-
номерное ее распределение в слитке. Это
обстоятельство обусловливает необходи-
мость при обычном способе производства
автоматных сталей производить их разлив-
ку в малые слитки.

Электрошлаковый переплав автомат-
ных сталей с повышенным содержанием
серы производится для обеспечения более
равномерного распределения серы по все-
му сечению слитка, чем при обычной раз-
ливке. Это достигается вследствие посте-
пенной направленной кристаллизации ме-
талла слитка при наличии металлической
ванны небольшого объема.

Для сохранения в металле высокого
содержания серы при ЭШП необходимо
принимать ряд специальных мер. Извест-
но, что в процессе ЭШП сера удаляется из
металла в шлак и из шлака в атмосферу
по реакциям

[8]-|-(О2-)т±(82-) + [О];	(V.!)

з

(82-) + у (О2|	{8О2} + (О2-). (У.2)

Коэффициент распределения серы меж-
ду металлом и шлаком в условиях равно-
весия в значительной мере зависит от
основности шлака и от степени раскислен-
ности металла и шлака;

С(82~) °[°1
°Г81 °(О2—') ’

(У.З)

а коэффициент распределения серы между
газом и шлаком зависит главным образом
от основности шлака и парциального дав-
ления кислорода в атмосфере:

Р(5Ог| °(О-’-)

г\ ==-------------.	{У.4?

₽я/2{ог } “(82-)

Отсюда следует, что для торможения
реакций десульфурации необходимо обес-
печить низкое парциальное давление кис-
лорода в атмосфере под шлаком, высокий
кислородный потенциал металла и шлака
и высокое содержание серы в шлаке, соот-
ветствующее равновесному его содержа-
нию при заданном составе шлака и метал-
ла. Количество серы в исходном шлаке
должно быть тем больше, чем больше
основность шлака. Например, при содер-
жании в металле 0,3% 8 и коэффициенте
распределения серы, равном 10, равновес-
ное содержание серы в шлаке должно
быть равным 3%.

Поскольку сохранить высокое содержа-
ние серы в шлаке тем труднее, чем ее боль-
ше, необходимо стремиться к снижению
коэффициента распределения серы. т. е.
использовать шлаки с низкой основностью
или даже кислые шлаки. Так, например,
по данным работы [11], хорошие результа-
ты при ЭШП автоматных сталей могут
быть получены при использовании кислого
шлака следующего состава: 40% СаРг,
30% АкОз, 25% 8Ю2 и 5% Са8О4.

Вместе с тем сохранить высокое содер-
жание серы в металле при ЭШП можно и
при использовании нейтральных или высо-
коосновных шлаков, хотя это и требует
применения дополнительных средств, обес-
печивающих уменьшение угара серы или
компенсирующих этот угар. В качестве
таких средств может быть создание защит-
ной атмосферы над шлаком и непрерывный
ввод в шлак содержащих серу компонентов.
В работе [83], например, рекомендуется
в процессе ЭШП автоматных сталей с
использованием обычного шлака добав-
лять серу в шлак по ходу плавки и созда-
вать восстановительную атмосферу под
шлаком.

В работе [29] отмечается, что ЭШП
автоматных сталей следует вести в атмо-
сфере аргона и добавлять серу в шлак в
виде сульфидов железа или кальция в ко-
личестве, необходимом для достижения
равновесия с содержанием серы в металле.
Отмечается также положительная роль
окиси титана в шлаке в предотвращении
угара серы.

Представляет интерес также использо-
вание в качестве добавок к шлаку желез-
ного колчедана (Ре8з), который при высо-
кой температуре разлагается, образуя сер-
нистое железо и свободную серу.

Уменьшить серопоглотительную способ-
ность шлака можно также путем увеличе-
ния его кислородного потенциала за счет
увеличения содержания в нем окислов же-
леза. Заслуживает особого внимания воз-
можность регулирования содержания серы
при ЭШП также за счет электролитиче-
ских реакций. Опыт использования посто-
янного тока при ЭШП показывает, что в
случае, если металл является катодом,
происходит его десульфурация по реакции
[8] + 2е (82-).	(У.5)

Для сохранения серы в металле необ-
ходимо использовать постоянный ток пря-
мой полярности, так как при этом катодом
является расходуемый электрод, имеющий
меньшую поверхность взаимодействия со
шлаком.

Преимущества применения постоянного
тока прямой полярности при ЭШП авто-
матных сталей описаны в работе [50], где
показано, что при исходном содержании
серы в металле, равном 0,1%, в металле
слигка достигается содержание серы в
среднем 0,07% (флюс АНФ-6) и 0,1%
(флюс АНФ-7). В обоих случаях плавку
вели в атмосфере аргона с кислородом
(5%). При использовании флюса АНФ-7
исходное содержание серы было уже до-
стигнуто при высоте слитка 120 мм. При
этом содержание серы в шлаке возросло
с 0,1 до 0,28% вследствие угара серы из
металла. Это еще раз подтверждает воз-
можность использования при ЭШП авто-
матных сталей высокоосновных шлаков,
содержащих достаточное количество серы.

Исходя из имеющихся данных, можно
отметить, что технология ЭШП автомат-
ных сталей требует дальнейшего изучения
и усовершенствования.

§ 5.	Теплоустойчивые стали

Значительное повышение требований к
качеству энергоблоков соответственно
ужесточило требования к современным
теплоустойчивым сталям, что вызвало по-
явление ряда термически упрочняемых
дисперсионно твердеющих хромомолибде-
нованадиевых сталей, таких, как 12Х1МФ,
15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, 20ХМФБР, вместо
ранее использовавшихся для этой цели
сталей 15Х1М, 12ХМ и др.

Высокие требования, предъявляемые к
качеству' трубной заготовки теплоустойчи-
вой стали, заставили металлургов изыски-
вать технологические возможности улуч-
шения свойств металла. Опыт производ-
ства показывает, что трубная заготовка из
мартеновской стали 12X1 МФ характеризо-
валась неравномерным распределением га-
зов и неметаллических включений, верхняя
часть имела повышенное содержание азо-
та и сульфидных включений, осевая зона
была обогащена кислородом и кислород-
ными неметаллическими включениями.
Особенно велико оказалось содержание
неметаллических включений в нижней ча-
сти слитка и заготовки. Структура метал-
ла характеризовалась наличием централь-
ной пористости и точечной неоднородности.

Неоднородность металла донной части
подтверждалась результатами испытаний
на горячее кручение, которые показали,
что пластичность металла головной и сред-
ней части заготовки достаточно высока, а
на нижних горизонтах она заметно снижа-
ется. Для улучшения свойств был прове-
ден ЭШП мартеновской и электродуговой
стали 12Х1МФ [14].

В результате ЭШП содержание серы в
металле уменьшилось примерно в 3 раза
(до 0,003—0,007%), а содержание сульфи-
дов, как видно из табл. 96, в 10—15 раз.
Это объясняется тем, что, с одной стороны,
содержание серы приближается к пределу
ее растворимости в стали (около 0,00.3%)
и, с другой, сульфидные включения стано-
вятся настолько дисперсными, что придан-
ном увеличении (Х420) они не видимы.

Электрошлаковый переплав существен-
но изменил природу и количество неметал-
лических включений в стали. В электро-
шлаковом металле кислородные включе-
Таблица 96. Загрязненность металла трубной
заготовки стали 12Х1МФ неметаллическими
включениями [14]

Часть труб- ной заготов- ки	Технология производства			
	Мартен	Мар- тен 4~ 4-эшп	эд	эд-р + ЭШП
Оксидные включения				
	1.06	0,57	1,30	Не
Головная	2,66	1,39	3,28	опред.
Средняя	1,18	0,37	1,61	0,52
	3,56	0,92	4,33	1,08
Донная	1.18	0.37	1,57	0,4
	3.67	1.00	4,22	1,0
Сульфидные включения				
	1.31	0.32	0,84	Не
Головная	2,89	1,39	2,56	опред.
Средняя	1,47	0.22	Не	0,15
	3,05	1,00	опред.	0,75
	0,97	0.09	0.84	0,12
Донная	^09	0,56	2,13	0,62

Примечание. В числителе дан средний балл, под-
считанный по всем учитываемым полям зрения; в знаме-
нателе — средний балл, подсчитанный по максимальным
баллам. Баллы оценивались по шкале ГОСТ 1778—70.

ния состояли в основном из корунда и алю-
мосиликатов и имели меньшие размеры,
чем в мартеновской стали и электростали.
Содержание кислородных включений в
электрошлаковой стали в 1,5—2 раза
меньше, чем в мартеновской стали и элек-
тростали. В нижних горизонтах раската
слитка сульфидные включения практиче-
ски отсутствовали. Отличительными осо-
бенностями металла ЭШП являются рав-
номерное распределение включений в объ-
еме заготовки, отсутствие грубых строчеч-
ных образований. Включения, оцениваемые
баллом выше 2,0—2,5, практически отсут-
ствовали. Суммарное содержание включе-
ний в металле ЭШП было в 4—6 раз мень-
ше, чем в исходном металле мартеновской
и электродуговой плавок [14]. Если сред-
няя площадь строчечных включений в
обычном металле составляла 0,014 мм2, то
в электрошлаковой стали эта величина со-
ставила всего 0,002 мм2 [58].

Макроструктура трубных электрошла-
ковых заготовок характеризовалась высо-
кой плотностью и однородностью, волок-

нистость была менее грубой, чем в исход-
ном металле, что в значительной степени
повлияло на повышение пластических
свойств металла, в частности поперечного
сужения и ударной вязкости (табл. 97).

Например, при температурах 540—
610° С ударная вязкость обычного металла
составляла 5 кгс-м/см2, а у стали ЭШП —
15 кгс-м/см2 [58]. По результатам испыта-
ний на горячую пластичность показатели
стали ЭШП в 2 раза выше, чем у электро-
печного металла на продольных образцах,
и в 4 раза выше на поперечных [13]. Вы-
сокий уровень этих свойств обусловил зна-
чительно лучшую деформируемость элек-
трошлаковых трубных заготовок, резкое
снижение потерь от брака и высокое ка-
чество труб [13].

Крепежные детали энергоустановок с
высокими параметрами пара изготавли-
ваются из перлитной стали ЭП44
(20ХМФБР). Типичные дефекты деталей,
полученных из обычного электрометал-
ла,— продольные несплошности в виде во-
лосовин или раскатанных крупных вклю-
чений. Суммарная протяженность волосо-
вин на поверхности заготовок диаметром
95 мм, длиной 250 мм достигала 50 мм.

Использование электрошлакового ме-
талла, значительно рафинированного от
газов и вредных примесей (снижено со-
держание кислорода в 3 раза, водорода и
серы в 2 раза, общего количества неметал-
лических включений в 2 раза, строчечных

Таблица 97. Влияние ЭШП на размер зерна
и механические свойства металла трубной
заготовки стали 12Х1МФ [13]

* Показатель	Технология производства			
	Мар- тен	Мар- тен -р 4-ЭШП	ЭД	эд 4- 4-эшп
Размер аустенитно- го зерна, балл, при температуре, °С:  930	8—9	7—8	8—9	8
980	6—7	7—8	8	7—8
ов, кгс/мм2	52,9	55,4-	55,0	54,3
о5, кгс/мм2	39,2	41,8	41,0	39,8
б. %	25,6	25,7	25,6	26,9
ф, %	62,5	75,9	68,7	76,6
дн, кгс-м/см2	20,2	30,0	21,4	29,6
включений в 3 раза, сульфидов в 9 раз),
существенно повысило долговечность и на-
дежность шпилек для паропроводной ар-
матуры [86].

Проверка свойств шпилек после дли-
тельного старения в течение 10 000 ч при
температуре 600° С, а также после эксплуа-
тации в течение 9 тыс. ч на задвижках
главного паропровода с параметрами пара
565° С и 140 кгс/см2 показала, что ста-
бильность свойств и структуры эЛектро-
шлакового металла намного выше. Так,
разупрочнение у электрометалла было на
12% больше, чем у стали ЭШП. Металл
электровыплавки после длительной экс-
плуатации обнаружил сильную склонность
к охрупчиванию, ударная вязкость умень-
шилась с 12 до 6 кгс-м/см2, а у стали ЭШП
ударная вязкость осталась стабильно вы-
сокой (16—15 кгс-м/см2).

В процессе эксплуатации обычного ме-
талла при повышенной температуре обна-
ружено резкое снижение его микротвер-
дости, особенно близ границ зерна и зонах
неметаллических включений. Отмеченное
весьма существенное преимущество дета-
лей крепежа, изготовленного из стали
ЭШП, над аналогичными деталями из
обычного металла, обнаруженное в реаль-
ных условиях эксплуатации [86], представ-
ляется весьма значительным еще и потому,
что испытания (в том числе высокотемпе-
ратурные) образцов не показали для ме-
талла ЭШП большого перевеса ни в проч-
ности, ни в пластичности, ни в сопротив-
лении релаксации при напряжении
30 кгс/мм2 в течение 1 и 10 тыс. ч. Из всех
видов испытаний преимущество металла
ЭШП обнаружилось при испытании на
усталость (у стали ЭШП 0-1=52 кгс/мм2
вместо 39 кгс/мм2 у электрометалла). а
также при испытании на ударную вязкость
при разных температурах (критичес-
кая температура хрупкости у стали
ЭШП —40° С вместо —20° С у электро-
металла).

Приведенный выше пример показыва-
ет, что использование сталей ЭШП повы-
шает долговечность и надежность реаль-
ных металлических изделий значительно
эффективней, чем это может показаться по
результатам стандартных прочностных ис-
пытаний образцов.

К теплоустойчивым сталям можно от-
нести также хромоникелемолибденовые
роторные стали. При выплавке стали
36ХН1МФАР, принадлежащей к этому
классу, в основной электропечи и кислой
мартеновской отмечены повышенная за-
грязненность металла силикатами, особен-
но строчечного (веретенообразного) типа,
достигающая 3—4 баллов, наличие дефек-
тов макроструктуры, значительная анизо-
тропия механических свойств.

Электрошлаковая сталь содержит вклю-
чений в 3—4 раза меньше (максимальный
балл 1), отмечен очень высокий уровень
изотропности, пластичности и ударной вяз-
кости [109, 110]. Исключительно высок
уровень свойств электрошлаковой стали
аналогичного состава, используемой для
поковок крупных дисков и роторов [54].
Так, например, если значения ударной
вязкости кислой стали колебались в пре-
делах 5—11 кгс-м/см2, а у мартеновской
2—10 кгс-м/см2, то у стали ЭШП эти пока-
затели составили 17—19 кгс-м/см2, при-
чем процент вязкого волокна в изломе об-
разцов у рассмотренных трех типов стали
составил соответственно 33, 58 и 100.

Ответственной деталью турбин явля-
ются цапфы, которые работают в очень
тяжелых условиях, в них не допускаются
внутренние дефекты типа крупных неме-
таллических включений, металл должен
обладать высоким уровнем механических
свойств. Существовавший технологический
процесс изготовления цапф из стали
34ХМ обычных способов производства не
обеспечивал необходимого качества ме-
талла, до 80% цапф, откованных из обыч-
ных слитков, при ультразвуковом контро-
ле браковали из-за наличия следующих
дефектов:

1)	раскованных неметаллических вклю-
чений в центральной части и несварив-
шихся при ковке усадочных трещин цент-
ральной осевой зоны слитка; длина тре-
щин составляла от 2 до 6 мм;

2)	явно выраженной ликвации вред-
ных примесей по центру поковки;

3)	сильно развитой анизотропии меха-
нических свойств;

4)	повышенной загрязненности суль-
фидами и глиноземом.

Применение ЭШП позволило полностью
Таблица 98. Влияние ЭШП на содержание газов и неметаллических включений в 12-тонном
слитке стали 34ХМ

Технология производства	Место отбора проб	Содержание газов и включений, об. % • 10 4			
		о	К	н	Неметаллические включения
эд	Ковшовая проба	77—200 125	100—168  137	2,4—84 5	180
эд+эшп	Верх	11.4—24,9	117—130	< 1,5	77
		18,1	124		
	Середина	21,4—35  28,2	122—132 127	< 1,5	122
	Низ	12,9—13,6	94—110	< 1,5	98
		13,2	102		
	Среднее по слитку	19.8	117,4	< 1,5	99

Примечание В числителе даны минимальные и Максимальные значения, в знаменателе — средние

исключить внутренние дефекты в цапфах
и устранить ликвацию в хвостовиках
цапф. Металл ЭШП имеет плотную струк-
туру с равномерным распределением серы
по всему сечению поковки. Благодаря вы-
сокому качеству слитков ЭШП выход год-
ного увеличился до 85—95%, т. е. повы-
сился на 30% по сравнению с электроду-
говым металлом. Как видно из табл. 98,
содержание кислорода в стали ЭШП су-
щественно снизилось, уменьшились кон-
центрация водорода и содержание неме-
таллических включений. В настоящее вре-
мя из крупнотоннажных слитков электро-
шлаковой роторной стали производят
крупные поковки дисков и цапф роторов
турбин и другие ответственные изделия,
подвергающиеся ультразвуковому конт-
ролю.

Данные, относящиеся к крупным слит-
кам и поковкам теплоустойчивых сталей,
например стали 25ХНЗМФА, которая по-
всеместно вытесняет роторную сталь
34ХМ, приведены в гл. VII.

§ 6.	Долотные стали

Несмотря на простоту конструкции ша-
рошечного долота, его работоспособность
и долговечность до настоящего времени
остаются невысокими. Анализ работы долот
при бурении нефтяных и газовых скважин
показал [34], что за пять лет их стойкость
возросла лишь па 11.8%. За тот же пери-

од проходка на 1 долото возросла на
12,9% (с 23,61 до 26,67 м), что позволило
сократить годовой расход долот почти на
40 тыс. шт. и практически дополнительно
пробурить 1 млн. м скважин. Этот пример
свидетельствует о громадном народнохо-
зяйственном значении проблемы повыше-
ния стойкости долот в современных усло-
виях.

Исследования большого количества до-
лот, отработанных в различных районах
нашей страны [35, 36], показывают, что в
подавляющем большинстве случаев экс-
плуатационная надежность долота опреде-
ляется стойкостью опоры, причем особен-
но значительным становится этот фактор
при твердосплавном вооружении шаро-
шек.

Сравнительно низкая стойкость опоры
долота объясняется прежде всего исклю-
чительно трудными и сложными условия-
ми ее эксплуатации: очень высокие кон-
тактные напряжения (до 300—500 кгс/мм2
в опорах качения), имеющие тенденцию к
увеличению вследствие ударного характе-
ра нагрузки; высокая температура в опо-
ре (до 400° С) и еще выше — в зоне кон-
такта; наличие абразивной и агрессивной
среды при больших гидростатических дав-
лениях (свыше 800 атм).

Этот далеко не полный перечень фак-
торов показывает, насколько жесткими
должны быть требования к долотным ста-
лям. Анализ многолетних исследований и
Таблица 99. Механические характеристики долотных сталей [101]

Марка стали	Объект анализа	а0.2- кгс/мм2	ав, кгс/мм2	6. %	Ф. %	ан, кгс-м/см2
		125,5	135,0	12,0	61,0	11,2
14Х2НЗМА	Исходный металл	135,5	146,2	9,5	41,3	5,7
		127,0	137,0	13,5	62,0	11,4
	Металл ЭШП	132,0	142,0	12,0	48,5	8,2
		89,0	103,5	16,0	51,5	13,9
20ХНЗА	Исходный металл	129,5	140,5	8,0	36,5	5,3
		85,5	101,5	16,0	55,5	14,1
	Металл ЭШП	124,5	136,0	10,0	44,0	8,0

Примечание. В числителе даиы значения для продольных образцов, в знаменателе — для поперечных

Таблица 100. Содержание неметаллических включений и газов в долотных сталях [101]

Марк, стали	Объект анализа	Неметаллические тключения (макси- мальный балл по ГОСТ 1778—70)			Содержание газов, %*10 4		
		Оксиды	Силикаты	Сульфиды	О	н	к
14Х2НЗМА	Исходный металл	2,0	0,5	1,5	33	1	68
	Металл ЭШП	1,5	0,5	0,5	20	1	57
20ХНЗА	Исходный металл	3,0	1,0	1,0	55	1	62
	Металл ЭШП	1,0	0,5	0.5	22	1	45

практики эксплуатации шарошечных долот
позволил прийти к выводу [34, 101] о том,
что повышение долговечности опорных
элементов и, следовательно, долота в ряде
случаев может быть достигнуто повыше-
нием качества долотных сталей путем при-
менения современных методов качествен-
ной металлургии, в частности ЭШП, при
производстве этих сталей.

Для производства долот применяются
поковки из цементируемых легированных
сталей 20ХНЗА, 14Х2НЗМА, 17ХНЗД,
18ХЗМА или высокопрочных легирован-
ных сталей 55СМА, 55СМ5ФА и т. д., как
правило, выплавленных в мартеновской
печи. Опоры долот подвергаются цемента-
ции (либо в газовой среде, либо в твер-
дом карбюризаторе), что обеспечивает
твердость поверхностного слоя 58-—60 ПП.С
(мелкоигольчатый мартенсит), а сердце-
вины— 38—40 НК.С (троостосорбит).

Перед внедрением стали ЭШП для
производства буровых долот были прове-
дены тщательные и длительные лабора-

торные и стендовые эксперименты по
изучению влияния ЭШП на качество этих
сталей.

Как видно из табл. 99, 100, показатели
электрошлакового металла выше анало-
гичных показателей исходной стали, осо-
бенно по характеристикам поперечных об-
разцов. Учитывая, что исходной была
мартеновская сталь, рафинированная син-
тетическими шлаками в ковше, результа-
ты ЭШП надо признать вполне удовлетво-
рительными. Этот вывод подтверждают
результаты определения сопротивления ис-
следуемых сталей усталости и воздействию
агрессивных сред (табл. 101,	102).

И в этом случае очевидно преимущество
электрошлаковой стали перед мартенов-
ской, рафинированной синтетическими
шлаками.

Имитация условий эксплуатации опоры
долота, ее деформации и разрушения наи-
более полно происходит при испытании
стали на контактную усталость. Как вид-
но из результатов этих испытаний (см.
Таблица 101. Влияние ЭШП
на физико-механические и антикоррозионные
свойства долотной стали 14Х2НЗМА [102]

Показатель	Исход- ный металл	Металл ЭШП
Плотность, г/см3	7,8074	7,8119
Предел выносливости, кгс/мм2: образцы гладкие	72,5	80,0
образцы с надрезом	45,0	47,0
Долговечность при ударной усталости, циклы до разру- шения при температуре, °С: 20	2500	3100
-60	6000	7700
Электродный потенциал в 53%-ной Н28О4, мВ	321	305
Количество водорода, выде- лившееся при реакции с 26% Н„8О4, %	69,4	60,3
Окклюзионная способность по водороду (водородопоглощае- мость) в течение 180 мин. мл	0.33	0.22

табл. 102), ЭШП обеспечивает повышение
контактной выносливости на 20—100%.

Наиболее объективной будет информа-
ция, полученная по результатам испыта-
ний на контактную усталость долотных
сталей в эксплуатационных средах. Эти
результаты (табл. 103) показали, что
ЭШП обеспечивает стабильное, независи-
мо от типа среды, повышение контактной
долговечности долотной стали на 29—

Таблица 102. Контактная выносливость [млн. циклов) долотных сталей в масле «Индустриальное-50» при а = 450 кгс/мм2 [ 101			
Марка стали	Металл	Цементация	
		газо- вая	в твердом карбюри- заторе
20ХНЗА	Исходный	20,6	11,8
	ЭШП	28,6	15,3
14Х2НЗМА	Исходный	19,8	8,0
	эшп	23,5	16,2

40%. Обращает на себя внимание еще
одно обстоятельство — вредное влияние
агрессивных сред на электрошлаковый ме-
талл меньше, чем на исходный.

Высокое качество металла ЭШП в эк-
сплуатационных условиях показали также
результаты испытаний стали 20ХНЗА на
ударно-абразивный износ по специальной
методике: если образец исходной стали
потерял 58 мг, то у стали ЭШП эта поте-
ря составила 51 мг.

Все описанные выше результаты были
подтверждены длительными стендовыми
испытаниями элементов долот (лап, ша-
рошек, тел качения) на специальном стен-
де. Показателем испытаний служило чис-
ло оборотов шарошки до износа 1. 2 и

Таблица 103. Контактная выносливость (млн. циклов) долотной стали 20ХНЗА
в эксплуатационных средах при о = 450 кгс/мм2 [34]

Среда	Исходный металл	Металл ЭШП	Кэшп - +сх $раф — ' Кл	’  ^исх
Масло «Индустриальное-50» (эталон)	11,8	15,3	29,6
Техническая вода	0,93	1,23	32,8
Техническая вода + 0,1% смеси ПАВ	1,53	2,10	37,2
Пластовая вода	0,56	0,75	33,9
Пластовая вода с сероводородом	0,13	0,18	38,4
Пластовая вода + 0,1% смеси ПАВ	0,7	0,94	34,0
Пластовая вода с сероводородом + 0,1% смеси ПАВ	0,62	0,86	40.1
5%-ная бентонитовая суспензия (глинистый раствор)	1,14	1,51	32,2
То же-)-2% окисленного петролатума (СМАД-1)	1,95	2,52	29,0
То же + 2% смеси гудронов	12,8	16,9	32,5
То же+ 2% этерифицированного продукта смеси гудронов (ЭПСГ)	11,8	16,0	32,8

Примечание. Рраф — коэффициент влияния рафинирования металла.
Таблица 104. Результаты сравнительных испытаний долот из исходного и электрошлакового
металлов на буровых треста Прикарпатбурнефть [34]

Количество долот		Проходка на 1 долото, м		Увеличение проходки долотом из металла ЭШП, %	Скорость проходки, м/ч		Увеличение скорости проходки долота из металла ЭШП, %
Исходный металл	Металл ЭШП	Исходный металл	Металл ЭШП		исходного металла	металла ЭШП	
8	7	3,1	3,8	21,3	0,58	0,72	24,1
25	25	4,46	5,47	22,6	0,35	0,43	23,0
33	33	3,78	4,63	22,5	0,28	0,34	21,4
44	44	5,40	7,41	32,5	0,44	0,57	29,5

3-й стадий. И в этом случае преимущество
электрошлакового металла оказалось оче-
видным. Испытания показали [101], что
сталь 20ХНЗА ЭШП обладает большей
долговечностью (по износу): на 1-й ста-
дии— она выше на 33%, на 2-й — на 36%,
на 3-й — на 31%, чем исходного металла.

Положительные результаты лаборатор-
ных исследований долотных сталей ЭШП
и стендовых испытаний лап долот, изго-
товленных из металла ЭШП, а также сов-
падающие по результатам указанных ис-
пытаний и исследований показатели по-
вышения выносливости и долговечности
(30—40%) электрошлакового металла яви-
лись основанием широкой опытно-промыш-
ленной проверки долот, изготовленных из
стали ЭШП, и внедрения таких долот в
практику бурения нефтяных и газовых
скважин.

Для проведения промышленных испы-
таний опытных и серийных долот была
разработана специальная методика [34],
отобран тип долот (ОМ21-190Т), подобра-
ны буровые и т. д. Результаты эксплуата-
ции опытной партии долот (табл. 104)
свидетельствовали о существенном повы-
шении стойкости электрошлаковых долот
и значительной технико-экономической эф-
фективности их внедрения.

В дальнейшем долота из стали ЭШП
прошли широкие и всесторонние испыта-
ния в различных геологических и техниче-
ских условиях в Башкирии, Татарии, Ухте,
на Украине, в объединениях Нижне-
волжскнефть, Саратовнефтегаз, Оренбург-
нефтегаз, Куйбышевнефть, Пермьнефть и
других районах страны в интервалах глу-
бин 0—4500 м при осевых нагрузках на
долото ОМ 190 тс, на долото ТК 22 тс,

при промывке скважин как технической
водой (Башкирия, Татария), так и раз-
личными глинистыми растворами.

В течение четырех лет было испытано
свыше 13 тыс. долот, из них промышлен-
ная партия в количестве 12 300 долот.
В целом эксплуатация почти 1200 долот,
работа которых фиксировалась по специ-
альной методике, пробуривших 27 тыс. м,
показала, что повышение проходки соста-
вило в среднем 20,9%, а увеличение часо-
вой стойкости — 11.5%.

Анализ отработанных долот показал,
что износ беговых дорожек лап и шаро-
шек, изготовленных из электрошлакового
металла, был значительно меньше, чем у
долот, изготовленных из обычного метал-
ла. Для долота из стали ЭШП характерен
равномерный износ опорных поверхностей
без резкого отслаивания цементационного
слоя и крупнозернистого питтинга (выкра-
шивания). Даже при очень длительном
периоде работы усталостное выкрашива-
ние на металле ЭШП было значительно
меньшим, чем на опорах из металла обыч-
ного производства, время эксплуатации
которых было к тому же существенно
меньше. Линейный износ беговых дорожек
опор из металла ЭШП был более чем в
2 раза меньше, чем у металла обычной
технологии, несмотря на более длитель-
ный срок эксплуатации. Например, долото
из стали ЭШП (№ 11376), отработанное
на Березовской площади, эксплуатирова-
лось в 2 раза больше, чем долото из обыч-
ной стали (2,5 ч против 1,2 ч), и имело
износ по роликовой дорожке 4,25 мкм
(у эталонного долота из обычного метал-
ла износ был 12,2 мкм), по шариковой
дорожке — 2,25 мкм (эталонного долота
8,4 мкм), у цапф скольжения—1,2 и
3,0 мкм (у эталонного долота 24,7 и
20,0 мкм). Эти результаты могли быть
еще выше, если бы кроме опор из метал-
ла ЭШП были сделаны еще и тела каче-
ния. Анализ отработанных долот показал,
что подавляющая часть долот вышла из
строя из-за разрушения шариков и роли-
ков, изготовленных из мартеновской ста-
ли 55СМА.

В связи с этим определенный интерес
представляют результаты промышленных
испытаний партий долот 1В190ТШ, поло-
вина которых была полностью (опоры,
шарошки, тела качения) изготовлена из
металла ЭШП, другая половина партии
была сделана из мартеновского металла.
В результате испытаний установлено, что
эксплуатационные показатели долот с те-
лами качения из стали ЭШП значительно
превышают аналогичные показатели до-
лот, в которых тела качения изготовлены
из мартеновского металла, в частности
проходка на долото увеличилась на 24,5%,
а часовая стойкость повысилась на 12,7%.

Анализ данных внешнего осмотра от-
работанных долот показал, что примене-
ние тел качения из стали ЭШП сократило
на 19,2% число долот, изношенных по
опоре при еще работоспособном режущем
инструменте. Значительно выросло коли-
чество полностью отработанных долот или
таких, у которых износ режущих поверх-
ностей опережал износ опор. Более чем
в 2 раза сократилось число заклиненных
долот.

Проведенное сравнительное обследова-
ние степени износа вскрытых долот пока-
зало, что тела качения из металла ЭШП
изношены на 25% меньше, чем шапикп и
ролики из мартеновского металла.

Таким образом, результаты всех иссле-
дований и испытаний — лабораторных,
стендовых и промышленных — показали
неоспоримое преимущество электрошлако-
вой долотной стали перед мартеновской и
мартеновской, рафинированной синтетиче-
скими шлаками, а также целесообраз-
ность массового применения электрошла-
ковых сталей в производстве буровых ша-
рошечных долот. В результате всех пере-
численных исследований электрошлако-
вые стали были внесены в отраслевую

нормаль (ОН26-02-128—69 «Долота и го-
ловки бурильные шарошечные»).

Вместе с этим следует отметить, что
имеется еще ряд неиспользованных резер-
вов. Так, долотные заводы до последнего
времени изготавливают из стали ЭНШ
только лапы (опоры) долот, а шарошки
и тела качения — все еще из мартеновской
стали. Совершенствования требуют и тех-
нические условия на выплавку и поставку
электрошлаковой долотной стали.

§ 7.	Электротехнические стали

Электротехническая сталь, или техниче-
ское железо, называемое также армко-же-
лезом, находит широкое применение в
электротехнике как магнитно-мягкий ма-
териал для изготовления всевозможных
магнитопроволов. Основными требования-
ми, предъявляемыми к электротехниче-
ской стали, являются высокая магнитная
проницаемость, небольшая коэрцитивная
сила и малые потерн на гистерезис. Эти
требования обеспечиваются прежде всего
высокой чистотой стали по содержанию
примесей. К вредным примесям электро-
технической стали относятся прежде всего
углерод, а также другие элементы, такие,
как марганец, кремний, сера, фосфор и др.

Электротехническая сталь выпускается
шести марок по ГОСТ 11036—64. Это
стали марок Э12, Э12КП, ЭЮ, Э10КП.
Э8 и Э8КП, выплавляемые в обычных ме-
таллургических агрегатах. Кроме того,
ТУ 14-1-518—74 предусматривают произ-
водство электротехнической стали электро-
шлакового производства. Электрошлаке-
вая электротехническая сталь обладает
меньшим разбросом значений коэрцитив-
ной силы и содержит меньше примесей,
чем обычная сталь. Стабильность качест-
ва позволила регламентировать для элек-
трошлаковой стали также такие показате-
ли, как качество макроструктуры, механи-
ческие свойства, содержание газов и маг-
нитные свойства.

Рассмотрим требования ГОСТ 11036—64
и ТУ 14-1-518—74 к химическому составу
электротехнической стали ЭЮ (табл. 105).
Как видно из табл. 105, электротехниче-
ская сталь ЭШП содержит значительно
меньше вредных примесей, чем это преду-
Таблица 105. Химический состав электротехнической стали, %

Марка	Метод выплавки	Соответствующая	С	1 51	Мп	5	р	Си	Ы1
стали		документация	Не более						
ЭЮ	Мартеновский	ГОСТ 11036—64	0,035	0,20	0,20	0,030	0,020	0,30	Не опр.
эюш	ЭШП	ТУ 14-1-518—74	0,028	0,15	0,20	0,020	0,010	0,25	0,20
Э10Ш *		ТУ 14-1-518—74	0,021	0,06	0,13	0,012	0,007	0,24	0,18

* Средние фактические данные по 6 серийным плавкам.

смотрено условиями на сталь обычного
производства.

Оценка качества макроструктуры элек-
тротехнической стали ЭШП производится
по таким показателям, как центральная
пористость, точечная неоднородность, лик-
вационный квадрат, подкорковые пузыри,
контролируемые в соответствии с ГОСТ
10243—62. Опыт производства электротех-
нической стали свидетельствует о том, что
указанные дефекты макроструктуры в ме-
талле ЭШП отсутствуют.

Контроль содержания газов в электро-
технической стали ЭШП осуществляется
по ГОСТ 17745—72. Требования техниче-
ских условий и фактически получаемые
результаты, подтверждающие высокое ка-

Таблица 106. Содержание газов
в электрошлаковой стали Э10Ш, %

Объект анализа	О	н
Сталь ЭЮШ* ТУ 14-1-518—74	0,0085  < 0,0200	0,0045 < 0,0200

* Средние фактические данные по 19 серийным плавкам.

Таблица 107. Механические свойства

и величина коэрцитивной силы электрошлаковой
стали ЭЮШ *

Объект оценки	Механические свойства				Коэрцитивная сила, Э
	ов. кгс/мм2 	1	6. %	%	НВ (диаметр отпечатки), мм	
Сталь ЭЮШ ** ТУ 14-1-518—74	34,5  >27	41,5  >24	81,5  >60	5,8  >5,2	0,82  <1,0

* Катаный сортовой металл в состоянии термообработ-
ки по режиму: 850° С 3 ч без доступа воздуха, охла-
ждение до 600° С с печью.

'* Средние фактические данные по 6 серийным плавкам

чество электрошлаковой стали, приведены
в табл. 106.

Магнитопроводы, изготавливаемые из
электротехнической стали, в ряде случаев
могут быть ответственными конструктив-
ными элементами изделий. Поэтому для
обеспечения надежности изделий конструк-
торам необходимо знать механические
свойства применяемой электротехнической
стали. Данные о механических свойствах
электротехнической стали, а также значе-
ния коэрцитивной силы, необходимые для
расчетов магнитных систем, приведены
в табл. 107.

Приведенные материалы свидетельству-
ют о высоком качестве электрошлакового
технического железа, что делает возмож-
ным изготовление из него электротехничес-
ких изделий самого ответственного назна-
чения.

§ 8.	Нержавеющие
и жаропрочные стали

Развитие космической техники, авиапро-
мышленности, судостроения, атомной энер-
гетики, химического машиностроения и
других отраслей народного хозяйства тре-
бует дальнейшего расширения объема
производства и номенклатуры специаль-
ных сталей и сплавов с высокими слу-
жебными свойствами. Так, например, уве-
личение ресурсов работы газотурбинных
двигателей от нескольких сот до несколь-
ких тысяч часов при повышении рабочих
температур вызвало необходимость суще-
ственно улучшить свойства применяемых
материалов, технологическую пластичность
при их горячей обработке давлением, по-
высить их однородность и стабильность
свойств.

К сталям, применяемым для деталей
указанных отраслей, предъявляются очень
Таблица 108. Некоторые нержавеющие и жаропрочные стали, получаемые с использованием
ЭШП

Группа стали	Структурный класс	Марки сталей	
		отечественного производства	иностранные
Хромистые	Мартенситные  Мартенсито-фер- ритные Ферритные	1X13, 2X13, ЭИ268 (1Х17Н2), ЭП56 (Х16Н4Б), ДИ1 (20Х15НЗМА) 15X11МФБ, ЭП65 (23Х13ВМФА), ЭИ961 (10Х12Н2ВМФА)  Х28	Т60 (Х12НВМФТ), А181 403 (1X13) Н2515 (Х25Ю5)
Хромоникеле- вые	Аустенитные	1Х18Н9Т, Х18Н9Ф, ЭИ417 (Х23Н18), ЭИ847 (0Х16Н15МЗБ), ЭИ844Б (00Х16Н15МЗБ),  ЭП172 (0Х16Н15МЗР), 1Х16Н15МЗБР, 1Х18Н12Т, ЭИ851 (Х14Н19В2Б), Х12Н20ТЗ	А181 304 (Х18Н10), А181 316 (Х17Н12МЗ)  А286 (X15Н25М2Т2ЮФР)  А181 347(Х18Н9Б)
Хромоникеле- марганцевые Азотсодержа-	Аустенитные  Аустенитомар-	ЭИ481 (35Х13НВГ8МФБТ)  Х15Н5АМ2, ЭП410(Х15Н5Д2АТ)	—
щие	тенситные  Аустенитные	ЭП310 (Х15Н4АМЗ)  ЭИ835 (Х25Н16Г7АР)  ЭИ878 (Х17Г9АН4)  ЭП222 (Х21Г7АН5)	—

высокие требования по минимальной за-
грязненности неметаллическими включе-
ниями. Одним из главных требований,
предъявляемых к сталям и сплавам, при-
меняемым в электронной технике, являет-
ся высокая вакуум-плотность и малое га-
зоотделение.

Диапазон использования нержавеющих
и жаропрочных сталей и сплавов в на-
стоящее время весьма широк. Многообра-
зие предъявляемых требований вызвало
разработку и применение большого коли-
чества нержавеющих и жаропрочных ста-
лей различных классов (ферритных, мар-
тенситных, аустенитных) и сплавов на ни-
келевой, хромоникелевой и никелекобаль-
товой основах.

Возрастающие рабочие параметры вы-
сокотемпературных установок требуют по-
вышения жаропрочности применяемых ма-
териалов. Поскольку возможности изы-
скания новых жаропрочных композиций
ограничены, все большее значение приоб-
ретают технологические факторы. Кон-
структивную прочность жаропрочных ста-
лей и сплавов можно повысить двумя пу-
тями: совершенствованием процесса ме-
таллургического производства и оптими-
зацией термической и термомеханической
обработок [11].

Способ плавки оказывает весьма суще-
ственное влияние не только на прочность
металла, но и на возможность его после-
дующего деформирования, на стабильность
и уровень служебных свойств. Основными
преимуществами ЭШП как метода полу-
чения металлов, работающих в тяжелых
условиях, являются постоянная стабиль-
ность служебных свойств металла, высо-
кая его чистота и хорошая технологич-
ность.

В настоящем параграфе рассмотрены
свойства некоторых нержавеющих и жа-
ропрочных сталей, изготовляемых с по-
мощью ЭШП (табл. 108).

Хромистые стали мартенситного класса.
Хромистые стали являются наиболее эко-
номичными в отношении легирования и
широко применяются в различных отрас-
лях техники в качестве нержавеющего,
окалиностойкого и жаропрочного материа-
ла. В зависимости от структуры хроми-
стые стали подразделяются на мартенсит-
ные, мартенситно-ферритные и ферритные
(табл. 108).

Стали 1X13, 2X13. Эти стали явля-
ются одними из важнейших конструкцион-
ных материалов для турбостроения. Они
применяются для изготовления деталей
турбин, работающих при больших нагруз-
Рис. 179. Макроструктура кованого сорта ис-
ходной электродуговой (а) и электрошлако-
вой (б) стали 2X13.

ках и высоких температурах (лопатки, ро-
торы. диски и т. п.). Однако кованая и
прокатанная заготовки, а также изделия,
изготовленные из этих сталей, выплавлен-
ных по обычной технологии, зачастую
бракуются из-за дефектов макрострукту-
ры (пористость, волосовины, грубые неме-

таллические включения и т. д.). Кроме
того, слитки стали 2X13 часто имеют
плохую поверхность (плены, завороты),
из-за чего перед горячей механической
обработкой их необходимо обдирать на
значительную глубину.

Исследования макроструктуры литого
электрошлакового металла стали 2X13 на
продольных и поперечных гемплетах по-
казали, что в литом состоянии металл
имеет плотную структуру. В донной части
слитка структура мелкокристаллическая.
В головной части слитка расположена
зона столбчатых кристаллов, направлен-
ных под углом 40° к оси слитка. У поверх-

Рис. 180. Неметаллические включения в элек-
тродуговой (а) и электрошлаковой (б) стали
2X13, Х86.
Таблица 109. Влияние ЭШП на загрязненность
слитка нержавеющей стали 2X13

Технология производства	Часть слитка	Балл по ГОСТ 1778—70	
		Оксиды	Сульфиды
эд	—	4,0	1,5
эд + эшп	Верх	0,5	0,5
	Середина	0,5	0,5
	Низ	0,5	0,5
эд			4,0	2,5
ЭД + эшп	Верх	1,0	0,5
	Середина	1,0	0,5
	Ню	1,0	0,5
эд	—	5.0	2,0
ЭД-1-эшп	Верх	1,0	0,5
	Середина	1,0	0,5
	Низ	1,0	0,5

ности слитка кристаллы мельче, к цент-
ру — крупнее. Подусадочной рыхлости, осе-
вой пористости, подкорковых пузырей, тре-
щин, загрязнений и других дефектов в
слитках нет.

Все слитки имели гладкую поверхность
без каких-либо дефектов. Перед ковкой
слитки не подвергали обдирке и зачистке.
При исследовании макроструктуры кова-
ного металла было отмечено, что если
штанги исходного металла имели ликва-
ционный квадрат (балл 0,5—1,0), повы-
шенную пористость, волосовины и трещи-
ны (рис. 179,а), то штанги, откованные из
электрошлаковых слитков на профили се-
чением 90 X 90 мм и диаметром 130 мм,
характеризовались плотной структурой без
пор, трещин, волосовин и грубых дефектов
ликвационного происхождения (рис. 179, б).
Пластичность металла при ковке была
хорошей. В исходном металле неметалли-
ческие включения расположены грубыми
строчками и оцениваются по шкале ГОСТ
1778—70 баллом 3—5 по оксидам и 1,5—

Таблица НО. Влияние ЭШП на содержание
кислорода в хромистых сталях [47]

Марка стали	[О], %		А[О]. %
	до ЭШП	после ЭШП	
1X13  2X13	0,0092 0,0067	0,0048 0,0031	48  54

Таблица 111. Плотность хромистых сталей
обычной и электрошлаковой выплавки
в деформированном состоянии [96]

Сталь	Плотность образцов из поперечного сечення заготовки			
	Край		Центр	
	Обычная выплавка	ЭШП	Обычная выплавка	ЭШП
2X13	7,758	7,850	7,736	7,809
Х17Н2	7,708	7,751	7,689	7,735

3,5 по сульфидам (рис. 180, а). В литом
электрошлаковом металле неметалличе-
ские включения распределены равномерно
по высоте и сечению слитка и оценивают-
ся баллом 0,5—1,0 по оксидам и 0,5 по
сульфидам (табл. 109). Исследование ко-
ваного электрошлакового металла показа-
ло, что в нем нет грубых скоплений неме-
таллических включений. Загрязненность
металла снизилась до 0,5—1,0 балла по
оксидам и 0,5 по сульфидам (рис. 180,б).

Данные, полученные при электрохими-
ческом методе контроля, полностью под-
тверждают результаты металлографиче-
ского анализа: содержание неметалличе-
ских включений в электрошлаковой стали
значительно (иногда в 2 раза) снижается
по сравнению с исходным металлом. За-
метно снижается и содержание газов
(табл. ПО). В результате увеличивается
плотность металла не только в литом,
но и в деформированном состоянии
(табл. 111). Улучшаются также механиче-
ские свойства сталей особенно в попереч-
ном относительно волокна направлении
(табл. 112) благодаря чему существенно
снижается анизотропия свойств. Харак-
терно, что при значительно меньшей сте-
пени деформации электрошлаковой стали
2X13 ее пластичность выше, чем пластич-
ность стали 2X13 ЭД (табл. 113). При
этом анизотропия свойств стали ЭШП ми-
нимальна.

Исследование влияния ЭШП на вынос-
ливость и длительную прочность при по-
вышенных температурах стали 2X13 по-
зволили сделать следующие выводы: егаль
2X13 ЭШП по сравнению с обычной
сталью имеет повышенные значения отно-
Таблица 112. Влияние ЭШП на механические свойства хромистых сталей (47]

Марки стали	Металл	Ов, кгс/мм2	о$, кгс/мм2	6. %	Ф. %	ан, кгс-м/см2	к*
		78,4	67,5	19,9	65,8	19,3	1,79
1X13	Исходный	75,8	62,4	14.0	36,8	ТоХ	
		72,6	59,9	22.2	72,4	22,8	1,20
	ЭШП	74,0	62,2	19,3	67.1	17,1	
		79,6	63,3	20,0	69,1	15,5	1,97
2X13	Исходный	80,2	63,6	16,7	50,3	6,05	
		83,2	69,8	20,7	64,0	14,6	1,67
	ЭШП	84,9	65,5	18,8	56,7	6,6	

ан прод

Примечание: 1. В числителе — данные для образцов с продольным направлением волокна, в знаменателе —
1 Г Фпрод

= поперечным. 2. Ка — коэффициент анизотропии, равный — —----------

1 ч’попер

сн попер

Таблица 113. Влияние ЭШП на механические свойства стали 2X13

Технология производ- ства	Размер заготовки (уков). мм	Направление вырезки образца	ОВ, кгс/мм2	6. %	67б"	ф. %		°Н’ кгс-м/см2	ан/он	с-1. кгс/мм*
эд	60x60  (6,4 : 1)	Продольное  Поперечное	80,0  78,0	19,9  9.1	0,46	26,0  6,7	0,39	8,3  3,0	0,36	39  23
ЭД + ЭШП	60x60  (2,2: 1)	Продольное  Поперечное	79,5  81,5	20,8  19,0	0,88	64,0  62,0	0,90	8,6  5,6	0,65	39  38
эд	90X90  (9,6: 1)	Продольное  Поперечное	77,0  77,0	19,1  14,6	0,77	63,5  44,0	0,49	6,6  1,85	0,28	38  24
эд + эшп  •	90x90  (2.5 : 1)	Продольное  Поперечное	79,0  79,0	20,7  19,7	0,92	69,0  63,0	0,91	8,2  6,1	0,75	39  38

сительного удлинения, поперечного суже-
ния, ударной вязкости, предела усталости
поперечных образцов; при температуре
20° С продольные образцы имеют одинако-
вый предел выносливости независимо от
методов выплавки, однако при температу-
ре 500° С предел выносливости продоль-
ных образцов из стали ЭШП на 16% вы-
ше, чем у образцов обычной стали.

Время до разрушения (длительная
прочность) и время, за которое достигает-
ся удлинение в 0,2% (сопротивление пол-
зучести), при температуре 500° С для об-

разцов из стали ЭШП больше, чем у обыч-
ной стали. При продолжительности испы-
тания 1000 ч время до разрушения про-
дольных и поперечных образцов обычной
и электрошлаковой стали имеет лишь не-
значительные различия. Предел длитель-
ной прочности на базе 1000 ч при 500° С
практически одинаков для продольных и
поперечных образцов, однако он примерно
на 10% выше для стали ЭШП. Металл
ЭШП обладает преимуществом перед ме-
таллом обычной выплавки в основном
благодаря полному отсутствию крупных
Таблица 114. Влияние ЭШП на загрязненность стали 2X13 неметаллическими включениями

Технология производства	Размер заготовки, ММ	Направление вырезки образца	Загрязненность включениями полей зрения на шлифах (%-10“4) прн размерных группах включений, мкм			
			< ю	10—20	20—30	> 30
эд	90x90	Продольное	597	318	63	39
		Поперечное	613	298	14	—
ЭД-1-ЭШП	90x90	Продольное	133	48	—-	—
		Поперечное	204	122	—	—
эд	60x60	Продольное	892	412	62	43
эд + ЭШП	60x60	»	314	98	14	—

неметаллических включений и строчечной
структуры.

Как видно из табл. 114, образцы из
стали 2X13 ЭШП не имели крупных вклю-
чений. Общее загрязнение этих образцов
составило лишь ’/з соответствующей вели-
чины в образцах из обычной стали. Уве-
личение пластичности, прочности и удар-
ной вязкости в поперечных образцах ста-
ли ЭШП обусловлено повышенной ее чи-
стотой и лучшим состоянием границ зерен.

Повышение предела выносливости по-
перечных образцов стали ЭШП по срав-
нению с таковым обычной стали в основ-
ном обусловлено отсутствием крупных
неметаллических включений размером бо-
лее 30 мкм. Повышение температуры уси-

ливает неблагоприятную роль неметалли-
ческих включений как дефекта структуры.
Лучшее состояние границ зерен металла
ЭШП является причиной увеличения дли-
тельности периода до разрушения при вы-
сокотемпературных испытаниях.

Сталь ЭИ268 (1Х17Н2). Как и стали
1X13 и 2X13, сталь 1Х17Н2 относится к
мартенситному классу и имеет небольшое
количество б-феррита. Благодаря повы-
шенному содержанию хрома сталь имеет
более высокую коррозионную стойкость
в атмосферных условиях и в ряде хими-
ческих сред. Опа применяется в химиче-
ской, авиационной, энергетической и дру-
гих отраслях промышленности, в частности
успешно используется для изготовления

Рис. 181. Поперечные темплеты исходной элек-
тродуговой (а) и электрошлаковой (б) стали
дисков и лопаток судовых газотурбинных
двигателей. Выплавка стали 1Х17Н2 со-
пряжена с большими трудностями. Эта
сталь обладает весьма низкой пластич-
ностью при горячей механической обра-
ботке. После деформации большое коли-
чество металла бракуется по волосовинам,
грубым загрязнениям, повышенной порис-
тости и ликвационному квадрату. Значи-
тельных размеров достигает брак готовых
изделий из этой стали. Исследованиями
установлено наличие крупных пороков в
осевой зоне слитка.

Для устранения указанных дефектов
осуществили ЭШП этой стали. Как видно
на рис. 181,а, все расходуемые электроды
имели ликвационный квадрат. Для срав-
нения на рис. 181, б показана макрострук-
тура этой стали после ЭШП. Макрострук-
туру литого электрошлакового металла
исследовали на продольных и поперечных
темплетах. Установлено, что электрошла-
ковые слитки имеют очень плотную струк-
туру с мелкими зернами в нижней части
и более крупными в головной. Видны
столбчатые кристаллы, направленные сни-
зу вверх под углом около 45° к оси слитка.

В осевой части слитка имеется незна-
чительная (шириной 40—60 мм) зона рав-
ноосных кристаллов. Усадочная раковина
полностью отсутствует, имеется незначи-
тельная усадочная рыхлость, распростра-
няющаяся на глубину всего около 20 мм.
Подкорковых пузырей, загрязнений и ка-
ких-либо других дефектов нет.

Плотность слитка ЭШП проверяли
ультразвуковым методом, качество метал-
ла оценивали по уровню поглощения
ультразвуковой энергии в теле слитка. По
графикам проходимости для обычного и
электрошлакового слитка установлено, что
потери ультразвука на дефектах (пони-
женная проходимость) в металле ЭШП
ничтожны: только в одной точке проходи-
мость понизилась на 25%, эта точка соот-
ветствует началу У-образной зоны равно-
осных кристаллов в головной части слит-
ка, где может быть сосредоточена незна-
чительная пористость (рис. 182).

В слитках обычного металла имеются
значительные дефекты. Так, в слитке мас-
сой 700 кг с конусностью 10,8%, отлитом
в обычную изложницу, проходимость по-

нижается до 20%, а иногда до нуля (см.
рис. 182); на слитке массой 1 т с 5%-ной
конусностью потери на дефектах значи-
тельны по всему слитку. После разрезки
этих слитков в первом из них обнаружи-
ли мелкие и средние трещины, распро-
страненные по значительному объему в
центральной части слитка, а во втором —
грубые трещины, расположенные по оси.
Во всех исходных штангах имелся ликва-
ционный квадрат, а в отдельных штангах
и трещины.

Таким образом, исследование слитков
стали 1Х17Н2 показало, что сталь ЭШП
значительно плотнее, чем сталь, выплав-
ленная в обычной дуговой печи. Поверх-
ность слитков ЭШП совершенно гладкая,
не требующая обдирки или зачистки пе-
ред ковкой. Электрошлаковые слитки ко-
вались хорошо.

Макроструктура металла, откованного
из электрошлаковых слитков на крупные
профили (сечением 100 X 100 мм, диамет-
ром 130 и 170 мм), плотная, без пор, тре-
щин и дефектов ликвационного происхож-
дения. Следует отметить, что ввиду незна-
чительной величины деформации при ков-
ке электрошлаковых слитков (2,15—5
вместо обычных 5—9) в кованом элек-
трошлаковом металле видны участки сла-
бодеформированных столбчатых кристал-
лов. В отличие от исходных штанг кова-
ный электрошлаковый металл совершенно
свободен от волосовин.

Загрязненность исходной и переплав-
ленной стали неметаллическими включе-
ниями оценивали металлографическим ме-
тодом по шкале ГОСТ 1778—72. Кроме
того, содержание неметаллических вклю-
чений определяли электролитическим ме-
тодом. Как видно из табл. 115, в исход-
ном металле (электроде) неметаллические
включения расположены грубыми строч-
ками и оцениваются баллом 3,0—5,5 по
оксидам и 1,0—1,5 по сульфидам.

В результате ЭШП содержание неме-
таллических включений (в литом и кова-
ном металле) снизилось до 1,0—1,5 балла
по оксидам и 0,5 по сульфидам. Включе-
ния равномерно распределены как по вы-
соте, так и по сечению слитка; грубых
скоплений и строчек не обнаружено. Ре-
зультаты электролитического анализа
Таблица 115. Влияние ЭШП на загрязненность стали 1Х17Н2

Технология производства	Сечение или диаметр проката, мм	Зона	Балл по неметалли- ческим включениям		Содержание оксидного остатка неметал- лических включений			
			Оксиды	Сульфиды	Общее, %-ю—3	В том числе, %		
						ЗЮ2	А12О3	РеО
эд	130	—	4,5	1,0	17	—				
ЭД + эшп	100x100	Верх	1.0	0,5	—	—.	—	—
		Низ	1,0	0,5	10	50	40	—
ЭД	130	—	3,0	1,0	18	22.4	64,2	6,6
ЭД + эшп	100x100	Верх	1,0	0,5	12	32,4	60,0	6,6
		Середина	1,0	0,5	—	—	—	—
		Низ	1.0	0,5	—»	—	—	—
ЭД	130	—	3,0	1,0	20	30	54,4	4,6
эд + эшп	ЮОх 100	Верх	1,0	0,5	12	28,6	62,3	4,5
		Низ	1,о	0,5	11	32,4	61,4	6,6
эд	130	—	2,5	1,5	23	21,4	60	6,6
эд + эшп	170х 170	Верх	1,0	0,5	—	—	—	—
		Низ	1,0	0,5	9	46,4	38,4	—

оксидного остатка подтверждают данные
металлографической оценки и свидетель-
ствуют о значительном очищении стали
1Х17Н2 от неметаллических включений
при ЭШП.

Результаты механических испытаний
показали, что предел прочности и отно-
сительное удлинение исходного и электро-
шлакового металла практически одинако-
вы, а ударная вязкость электрошлакового
металла выше, чем исходного. Особен-
но четкое различие наблюдалось в по-
казателях ударной вязкости поперечных
образцов, вырезанных из исходного и ко-
ваного электрошлакового металла. Так,
если ударная вязкость исходного металла
была на уровне 1,2—2,4 кгс м/см2, то у
металла ЭШП эта характеристика достиг-
ла 2,7—4,1 кгс-м/см2. Аналогичные ре-

Та блица 116. Механические свойства
штамповок стали 1Х17Н2, изготовленных из
металла ЭШП (образцы хордовые)

Объект анализа	°в> кгс/мм2	б- %	«н.  кгс - м/см2
Первая деталь	105	18,8	6,25
	105	17,6	П.7
Вторая деталь	123,5	12,4	3,5
	128,0	12.0	6,25
Требования ТУ	>99	>5	>1,5

зультаты были получены при ЭШП стали
того же класса 1Х16Н4Б [120].

Из электрошлаковых слитков стали
1Х17Н2 диаметром 300 мм была изготов-
лена опытная партия штамповок, часть
которых подвергли подробным исследова-
ниям. По химическому составу штамповки
удовлетворяли требованиям технических
условий. Как свидетельствуют результаты
испытаний (табл. 116), механические свой-
ства электрошлаковой стали 1Х17Н2 воз-
растают. Это, в частности, относится к
относительному удлинению и ударной вяз-
кости поперечных образцов.

Макроструктура темплета, вырезанно-
го из центральной части штамповки, не
имеет грубых пор, трещин, шлаковых
включений, пустот и структурной неодно-
родности. Исследование загрязненности
неметаллическими включениями по шкале
завода «Электросталь» показало отсут-
ствие сульфидов, содержание оксидов оце-
нено баллом 2. Таким образом, можно
сделать вывод, что исследуемые штампов-
ки из электрошлаковой стали по хими-
ческому составу, механическим свойст-
вам, твердости, макроструктуре соответ-
ствуют всем требованиям технических
условий.

Сложнолегированные 12%-ные хроми-
стые нержавеющие и жаропрочные стали.
Применявшиеся ранее для деталей турбин
Рис. 182. Продольные темплеты исходной элек-
тродуговой (а) и электрошлаковой (б) стали
1Х17Н2.

и паропроводов с рабочей температурой
560—600° С высоколегированные аустенит-
ные стали имеют ряд существенных недо-
статков: большая стоимость вследствие
высокого содержания дефицитных леги-
рующих элементов (никель), низкая теп-
лопроводность, высокий коэффициент ли-

нейного расширения, трудность обработка
в горячем состоянии, высокое сопротивле-
ние деформации.

В настоящее время для этой целя при-
меняются хромистые стали неаустенитного
класса 15X11МФ, ЭИ747, ЭИ748 и другие
стали, обладающие достаточной жаро-
прочностью при температурах 580—600° С.
Указанные стали обладают рядом преиму-
ществ по сравнению с аустенитными. Они
значительно дешевле, достаточно жаро-
Таблица 117. Влияние ЭШП на содержание
газов в стали 15X11МФБ [69]

Способ производства	о, %-ю—	Н» см® на 100 г	к, %-10—*
эд	85	3,4	105
ЭД + эшп	32	1,5	112
Мартеновский ос-			
новной (МО)	86	3,2	286
МО + ЭШП	42	2,6	247
Мартеновский кис-			
лый (МК)	74	1,7	297
мк+эшп	12	1,4	246

прочны, имеют высокую общую коррози-
онную стойкость, хорошо поддаются ков-
ке, прокатке, штамповке и обработке на
металлорежущих станках. Однако при вы-
плавке высокохромистых сталей в откры-
тых электропечах они имеют повышенную
загрязненность неметаллическими включе-
ниями. Для получения сталей повышенно-
го качества применили ЭШП.

Сталь 15X11МФ5. Для изготовления
деталей паровпуска паровой турбины боль-
шой мощности (параметры перегретого
пара: давление 240 атм, температура
580° С) использовали хромистую сталь
15X11МФБ. Практика показала, что эта
сталь, выплавленная в основной электро-
печи и разлитая на слитки массой до 3 т,
имеет низкое качество вследствие повы-
шенной пористости, значительного загряз-
нения неметаллическими включениями,
низкого уровня механических свойств и
ярко выраженной анизотропии. Брак от-

дельных деталей из этой стали достигал
76%.

Для улучшения качества этой стали
использовали ЭШП. Выплавлялись слит-
ки массой 5,5—12 т. Как видно из
табл. 117, при ЭШП электродуговой и
мартеновской основной стали содержание
кислорода снижается в 2—2,6 раза, а в
кислой мартеновской — даже в 6 раз. Та-
кое различие, по-видимому, объясняется
различными составом и физико-химиче-
скими свойствами неметаллических вклю-
чений. В стали, выплавленной в основных
печах, включения обычно содержат 40—
80% глинозема. При переплаве таких ста-
лей на флюсе системы СаРг — АЬОз асси-
миляция высокоглиноземистых окисных
включений высокоглиноземистым шлако-
вым расплавом затруднена. Включения в
кислых сталях обычно содержат до 80%
силикатов и не более 10—15% глинозема.
При ЭШП кислых сталей на низкокремне-
земистом флюсе создаются наиболее бла-
гоприятные условия для удаления оксид-
ных силикатов, что и обеспечивает резкое
снижение содержания кислорода в метал-
ле. Концентрация водорода и азота в ста-
лях после переплава практически не изме-
нилась.

Прочностные свойства стали 15X11МФБ,
как видно из табл. 118, на продольных и
поперечных образцах после ЭШП практи-
чески не изменялись; относительное удли-
нение поперечных образцов возросло, зна-
чения поперечного сужения и ударной вяз-
кости образцов также возросли в 1,5—
2 раза.

Таблица 118.

Влияние ЭШП на механические

свойства стали 15X11МФБ [69]

Технология производства	Кратность укова	Направление вырезки образцов	°в- кгс/мм2	°0,2» кгс/мм®	С. %	4>. %	ан, кгс • м/см®
эд	5,25	Продольное	77,2	57,0	22,5	64,1	13,1
		Поперечное	78,5	59,7	15,3	29,8	5,5
ЭД + эшп	13,8	Продольное	77,2	61,4	24,5	64,9	11,5
		Поперечное	78,5	56,0	22,3	58,2	7,8
эд	7,9	Продольное	81,7	62,2	20,0	61,5	15,5
		Поперечное	81,1	61,5	12,7	24,9	3,8
ЭД + эшп	16,9	Продольное	80,5	61,3	25,0	65,0	11,5
		Поперечное	80,4	60,5	20,2	55,7	7,4

Примечание. Термообработка образцов; нормализация при 1050® С, отпуск прн 740° С.

8 2426
Наиболее важной характеристикой ме-
талла для сложнонапряженных деталей
паровпуска является степень анизотропии
после горячей деформации. Металл обыч-
ной выплавки имел ярко выраженную
анизотропность — показатели пластиче-
ских свойств поперечных образцов были
в 1,5—2,5 раза ниже, чем продольных.
ЭШП позволил резко повысить изотроп-
ность стали даже при большей кратности
укова. Предел выносливости у электро-
шлаковой стали 15X11МФБ на 4—
5 кгс/мм2 выше, чем у стали обычной вы-
плавки. Все это обеспечивает увеличение
долговечности и надежности изделий.

Из электрошлаковой стали 15Х11МФБ
были изготовлены детали паровпуска уни-
кальной турбины мощностью 800 тыс. кВт.
При изготовлении таких деталей из обыч-
ного металла выход годного составлял
около 30%, а из металла ЭШП — 85%.
В результате использования металла ЭШП
получена экономия около 1000 руб. на 1т
металла.

Сталь ЭП65 (23Х13НВМФА). К жа-
ропрочной нержавеющей стали марки
ЭП65, применяемой для изготовления вы-

Рис. 183. Зависимость преимущества в ударной
вязкости металла ЭШП перед исходным
(Р<гн = Си эшп/сн исх) для продольных (!) и по-
перечных (2) образцов стали ЭП65 от содержа-
ния кислорода (данные В. С. Култыгина и др.).
Различные значки означают разные плавки.

Таблица 119. Влияние ЭШП на анизотропность
механических свойств стали ЭП65

Технология производства	^прод/^попер	ан прод ан попер	«а
эд  ЭД + эшп	2,31  1,33	3,64  1,73	2,98  1,53

соконагруженных деталей (лопатки и
диски авиационных двигателей), работаю-
щих при температуре до 500° С, предъяв-
ляют очень высокие требования по мини-
мальной загрязненности неметаллически-
ми включениями. При выплавке сталей
такого типа в дуговых открытых электро-
печах (слитки массой 2,5 т) металл имеет
рыхлость усадочного происхождения и
другие дефекты макроструктуры, которые
затем выявляются ультразвуковым конт-
ролем в виде несплошности и приводят к
забракованию поковок. Кроме того, при
исследовании механических свойств выяв-
ляются пониженные значения пластиче-
ских характеристик поковок в так назы-
ваемом третьем направлении, которое со-
ответствует образцам с поперечным на-
правлением волокон.

Полученные переплавом расходуемых
электродов в электрошлаковых печах слит-
ки были плотными по всему объему. Ме-
ханические свойства стали ЭШП, полу-
ченные на образцах при испытании на
растяжение и удар, показали увеличение
показателей поперечных образцов, что
обусловило существенное понижение ани-
зотропии (табл. 119, рис. 183). Предел
выносливости электрошлаковой стали
ЭП65 выше, чем электродуговой (соответ-
ственно 65 и 56 кгс/мм2). Благоприятное
влияние ЭШП, уменьшающего анизотро-
пию механических свойств, сохраняется
при повышенных температурах.

Сталь ЭИ961 (10Х12Н2ВМФА). В свя-
зи с повышением рабочих температур па-
росиловых установок и осевых компрессо-
ров газотурбинных установок широкое
применение получила 12%-ная хромистая
сталь ЭИ961, дополнительно легированная
никелем, молибденом, вольфрамом и ва-
надием. Высокая прокаливаемость в боль-
ших сечениях, способность к закалке на
воздухе, невысокий коэффициент терми-
ческого расширения наряду с хорошими
нержавеющими и жаропрочными свойства-
ми сделали эту сталь весьма перспектив-
ной.

Однако загрязнение крупных слитков
(2,8 т) стали ЭИ961 большими скопления-
ми неметаллических включений вызывает
расслоение металла при горячей механи-
ческой обработке. Отбраковка готовых де-
талей методом ультразвукового контроля
весьма значительна. Кроме того, сильная
загрязненность этой стали неметалличе-
скими включениями приводит к шиферно-
му строению в поковках и, следовательно,
к резко выраженной анизотропии механи-
ческих свойств. Требования высокой на-
дежности и долговечности изделий из ста-
ли ЭИ961 вызвали необходимость произ-
водства этой стали методом ЭШП, что
оказалось весьма экономичным.

Сталь ЭИ961 является двухфазной при
высоких температурах: с повышением тем-
пературы от 1000 до 1350° С происходит
рост содержания б-феррита. Значительное
влияние на фазовый состав металла ока-
зывает и химический состав металла (в
пределах марки). В зависимости от тем-
пературы нагрева слитков и химического
состава металла количество 5-фазы можег
колебаться в значительных пределах: от
5—10% до почти 100% (при нагреве на
1300—1350° С металла с максимальным
содержанием ферритообразующих и ми-
нимальным аустенитообразующих элемен-
тов).

Из-за наличия двухфазной структуры
при прокатке слитков в металле образуют-
ся рванины, что недопустимо для расхо-
дуемых электродов, поэтому на ряде заво-
дов изготавливают литые электроды на
установках полунепрерывной разливки.

Исследование металла ЭШП показало,
что максимальный балл по общей пори-
стости был 0,5, по центральной пористо-
сти — ноль. Результаты контроля ступен-
чатых образцов на волосовины (в соответ-
ствии с ТУ) показали, что если в исход-
ном металле протяженность волосовин со-
ставляет 12—30 мм, то в металле ЭШП
волосовин нет [75].

Результаты контроля неметаллических
включений показали высокую чистоту ме-
талла ЭШП (табл. 120), что подтвержда-

Таблица 120. Влияние ЭШП на загрязненность
стали ЭИ961 неметаллическими включениями
(прокат сечением 90x90 мм) баллы

Технология производства	Оксиды		Сульфи- ды	Г лобули
	строчеч- ные	точеч- ные		
эд	4,0			1,0		
	4,0	—	1,0	1,0
	3,5	—	1,0	—
ЭД + эшп	1,0	0,5	0,5	0,5 .
	1,0	0,5	0,5	0,5
	1,5	1,0	0,5	0,5
	1,0	0,5	0,5	0,5

ется приведенными на рис. 184 микрофо-
тографиями неметаллических включений
исходного и электрошлакового металла.
Как видно из табл. 121, ЭШП (однократ-
ный и двукратный) снижает концентра-
цию кислорода и водорода в металле, а
количество азота практически не изменя-
ется.

Применение литых электродов вместо
кованых практически не влияет на загряз-
ненность переплавленного металла (сталь
ЭИ961) сульфидными включениями. Одна
ко загрязненность его оксидными и осо-
бенно глобулярными включениями, по дан-
ным работы [108], несколько увеличива-
ется.

Снижение содержания газов и неме-
таллических включений способствует по-
лучению отличной макроструктуры и вы-
сокому уровню механических свойств ста-
ли ЭИ961 ЭШП. При этом механические
свойства стали ЭИ961 практически не за-
висят от метода подготовки электродов,
однако анизотропия механических свойств
электрошлакового металла, наплавленного
литыми электродами, несколько больше
по сравнению с анизотропией механиче-

Таблица 121. Влияние ЭШП на содержание
газов в стали ЭИ961

Технология производства	Концентрация, % -10—4		
	О	Н	ы
эд  ЭД + эшп  ЭД + 2ЭШП	23—31  10—24  10	1,6—2,4  1,0—1,7 0,3	180—225  160—210  200
Таблица 122. Механические свойства и анизотропия свойств стали ЭИ961 обычной выплавки
и после ЭШП литых и кованых электродов [108]

Способ	Электроды	°В-	°0,2	б, %	*. %	он.	$прод	аа пред
выплавки		кгс/мм2	кгс/мм2			кгс • м/см2	$попер	ан попер
Обычный	—	126,0  118,0	107,0  98,5	15,5  11,0	67,0  42,0	13,5  6,0	1,58	2,31
ЭШП	Кованые	124,0  123,0	101,0  100.5	14,5  14,0	67,5  60,0	12,5  8,5	1,13	1,42
	Литые	124,0  119,5	103,0  99,0	16,0  14,5	69,5  55,0	13,0  8,0	1,26	1,59

Примечание. В числителе даны значения свойств для продольных образцов, в знаменателе — для по-
перечных.

Таблица 123- Механические свойства литой и кованой с различными степенями обжатия стали
ЭИ961 ЭШП [39]

Сечение или диаметр	Степень укова	ов, кгс/мм2	о5, кгс/мм2	б. %	Ф, %	ан, кгс • м/см2	«а
слитка, мм							
415		119,8	97,8	15,9	65,1	12,62	
	—	123,2	102,1	15,2	63,2	12,20	1,03
250x 250	2,16	128,4	106,0	15,4	67,1	12,3	
		131,5	107,2	19,7	58,7	9,12	1,23
200x 200		127,1	103,5	15,0	66,7	13,08	
	3,38	134,9	108,1	14,5	60,2	10,00	1,21
150X150	6,0	125,1	99,0	15,3	66,9	12,11	
		121,4	98,0	14,6	57,4	9.97	1,20
120Х120		121,7	101,3	15,9	61,6	12,84	
	9,4	122,1	100,1	16,9	65,9	8,58	1,25
90x90	16,7	121,0	100,0	15,1	67,5	14,48	
		119,3	98,4	14,9	59,1	9,39	1,35

Примечание. В числителе даны значения свойств для продольных образцов, в знаменателе — для поперечных.

Таблица 124. Неметаллические включения (по шкале ЦНИИЧМ-54) в стали ЭИ961 до и после
ЭШП и ВДП [97]

Металл	Включения, средний балл					Процент включений к растворенному металлу
	Оксиды	Сульфиды	Силикаты	Глобули	Точечные	
Исходный	2,70	1,00	2,44	1,01	1,02	0,0084—0,0099
ЭШП	1,13	0,83	0,50	1,96	1,00	0,0043
ВДП	0.59	0.97	0,77	1,04	1,00	0,0033

ских свойств металла, наплавленного ко-
ваными электродами (табл. 122).

Уменьшение степени анизотропии ме-
ханических свойств имеет особое значе-
ние, если детали работают по схеме слож-
нонапряженного состояния. По данным
работ [42, 114], пластичность и ударная

вязкость стали ЭИ961 после ЭШП повы-
шаются на поперечных образцах в 1,5—
1,7 раза и существенно снижается анизо-
тропия механических свойств. Этот эф-
фект в значительной степени объясняется
меньшим содержанием кислорода. Так,
при наличии в металле ЭШП 0,005% О
Таблица 125. Механические свойства при
20° С стали ЭИ961 до и после ЭШП и ВДП [97]

Металл	СТВ’ кгс/мм2	$8’ кгс/мм?	ю	%	ан, кгс • м/см2
	116,3	93,3	14,3	67,0	15,05
Исходный	120,1	97,0	7,4	34,9	5,71
	120,8	97,8	14,8	66,9	13,2
ЭШП	122,0	98,0	13,1	54,6	8,9
	120,0	102,0	17,5	71,4	17,45
ВДП	119,0	102,0	15,5	69,7	7,65

Примечание. В числителе даны значения свойств
для продольных образцов» в знаменателе — для попереч-
ных.

Таблица 126. Влияние ЭШП на выход годных
изделий [122]

Размер заготовок, мм	Число заготовок с дефекта- ми, %	
	эд	ЭШП
180—250	3,10	0,23
200—400	17,7	0,10

ударная вязкость поперечных образцов
после переплава возрастала в 2,5 раза;
для металла с 0,002% О она возросла в
4,5 раза.

Как известно, увеличение степени де-
формации приводит к увеличению анизо-
тропии металла. Справедливо это и для
электрошлаковой стали ЭИ961. С увели-

чением степени укова, сопровождающимся
все большей ориентацией волокна, коэф-
фициент анизотропии увеличивается, одна-
ко даже при степени укова 16,7 он состав-
ляет лишь 1,35 (табл. 123). Указанные
результаты позволили сделать вывод о воз-
можности получения крупных дисков не-
посредственно из слитков прямой их
осадкой.

Интересны данные о сравнительном
исследовании стали ЭИ961 после ЭШП и
ВДП (табл. 124, 125). Сопоставление
свойств стали ЭИ961 после ЭШП и ВДП
свидетельствует о несколько более высо-
ких показателях пластических характери-
стик металла ВДП. Однако ударная вяз-
кость поперечных образцов выше у элек-
трошлакового металла.

Коэффициент анизотропии К а состав-
ляет для электрошлакового металла 1,37,
а для вакуумнодугового—1,65, т. е. ме-
талл ЭШП более изотропен, чем металл
ВДП.

Улучшение свойств и структуры, до-
стигнутое в результате ЭШП стали ЭИ961,
позволило значительно сократить отбра-
ковку изделий по внутренним дефектам,
выявленным ультразвуковым контролем
(табл. 126) [122, 127].

Результаты работы подтверждают, что
при ультразвуковом контроле шайб мас-

Рис. 184. Неметаллические включения в стали
ЭИ961 исходной электродуговой выплавки (а)
и ЭШП (б), Х86 [6].
Таблица 127. Влияние ЭШП на пластичность и ударную вязкость жаропрочных сталей [89]

Марка стали	Технология производства	Тип образца	6. %	4. %	ан, кгс-м/см2
ДИ-1	эд	Продольный	16,1	61,3	8,2
		Поперечный	10,5	30,6	2,5
	ЭД + эшп	Продольный	15,0	60,0	7,5
		Поперечный	13,8	50,8	4,9
ЭИ961	эд	Продольный	16,2	70,1	18,4
		Поперечный	11,5	45,1	7,8
	ЭД + эшп	Продольный	16,0	71 8	16,3
		Поперечный	14,8	66,0	12,0
ЭП65	эд	Продольный	13,0	46,2	4,3
		Поперечный	9,4	29,5	1,5
	ЭД + эшп	Продольный	14,3	50,0	5,3
		Поперечный	12,5	41,2	3,2

Таблица 128. Разброс показателей пластичности и вязкости электродуговой и электрошлаковой
стали ЭИ961

Технология производства	Предельные значения			Отношение максимальных значений к мини- мальным		
	Л. %	Ф, %	ЙН’ кгс • м/см2	б	Ф	ан
эд	1,6—16,4	6,3—66,4	2,9—13,8	10,2	10,5	4,8
ЭД + эшп	10,9—17,6	56,5—69.0	3,3—15,5	1,6	1,2	4,7

сой 800—900 кг из обычной стали ЭИ961
из 32 шайб дефектными оказались 28
(или 87,5%), тогда как при изготовлении
таких же шайб из переплавленной стали
забраковать пришлось только одну (2,3%).
После ЭШП пластичность и ударная вяз-
кость стали ЭИ961 на поперечных образ-
цах повысилась в 1,5—1,7 раза и суще-
ственно снизилась анизотропия механиче-
ских свойств [42, 114].

Данные ряда исследований подтвер-
ждают высокий уровень механических
свойств дисковых и лопаточных сталей
ЭШП (табл. 127) [89]. Весьма важным
преимуществом электрошлакового метал-
ла перед обычным является высокая ста-
бильность значений механических свойств,
о чем свидетельствуют данные табл. 128
[76].

Высокая однородность свойств электро-
шлакового металла обеспечивает значи-
тельное повышение надежности и долго-
вечности дисков и лопаток в условиях экс-
плуатации. Внедрение ЭШП для производ-

ства нержавеющих теплоустойчивых ста- 1
лей позволило резко сократить или совер- |
шенно устранить отбраковку изделий на I
заводах — потребителях металла.	}

По данным работы [59], на заводе, |
осуществлявшем промежуточную обработ- |
ку дисков и наиболее габаритных лопаток, ;
брак металла при изготовлении штампо-
вок рабочих лопаток 1-й ступени компрес-
сора серийного реактивного двигателя со-
ставил 22,1% для обычной стали ЭИ961,
а для электрошлаковой — всего 0,25%.
Для заготовок дисков 5-й ступени ком-
прессора того же двигателя эти показате-
ли составили соответственно 37,9 и 0,15%.
При дальнейшей механической обработке
этих заготовок уже непосредственно на мо-
торном заводе при ультразвуковом конт-
роле дополнительно отбраковывалось свы-
ше 15% заготовок лопаток 1-й ступени и I
около 17% заготовок дисков 5-й ступени I
из обычной стали, в то время как брак I
этих же деталей из стали ЭШП составил {
менее 1%.	’
Однако сокращение брака деталей не
являлось единственной причиной внедре-
ния стали ЭШП. Определяющими при этом
были задачи повышения надежности и ре-
сурса работы авиационных двигателей.
С момента внедрения металла ЭШП га-
рантийный ресурс авиационных двигателей
значительно увеличен.

Сталь Т60 (Х12НВМФТ). Эта сталь
чехословацкого производства содержит
повышенное количество углерода и карби-
дообразующих элементов и относится к
тем материалам, которые требуют боль-
шой точности производства. С 1962 г. из
этой стали на заводе Шкода (ЧССР) из-
готовляют лопатки длиной 840 мм для па-
ровых турбин мощностью 200 МВт. Хи-
мический состав стали Т60 (%) приведен
ниже:

С 0.19—0,27

Мп <0,80
81	<0,60

Р <0,035
8	<0,035

Сг 10,5—12,5

№ 1,3—1,8
Мо 0,40—1,60

XV 0,30—9,80

V 0,15—0,25

Т1 0,10—0,30

Исследованию свойств этой стали после
ЭШП посвящена работа электротехниче-
ского института (Пльзень, ЧССР) [52].
Исследование показало, что в стали ЭД
имеют место скопления карбонитридов,
крупные шлаковые включения, окисные
пленки, богатые титаном и алюминием,
пустоты и усадочная пористость, трещи-
ны. После ЭШП указанные дефекты не об-
наруживаются. После ковки и конечной
термообработки структура металла стано-
вится гомогенной.

После деформации и термообработки
(отжиг при 1130° С 1 ч, воздух; отжиг при

Таблица 129. Механические свойства
12%-ной хромистой нержавеющей стали Т60
(стандартная термообработка) в зависимости от
способа выплавки

Механические свойства	Единица измерения	Исходная заготовка	Слиток ЭШП
	кгс/мм2	66,9	72,4
	кгс/мм2	80,5	87,3
б	%	21,7	19,7
’р	%	62,8	63,3
«н	кгс-м/см2	10,9	12,2

Таблица 130. Изменение химического состава
хромистой нержавеющей стали А181403 [127]

Объект анализа	Содержание элементов, %	
	81	А)
Ковшовая проба ЭШП:	0,37	0,022
верх	0,34	0,007
низ	0,33	0,023

980° С 1 ч, закалка в масле; отжиг при
600° С 4 ч, воздух) достигнуто стабильное
повышение прочности стали Т60 на
7 кгс/мм2 по сравнению с металлом обыч-
ной выплавки при сохранении пластично-
сти на прежнем уровне (табл. 129) и не-
котором повышении ударной вязкости
[52].

Резко повысилась пластичность стали
при низких температурах. Так, нижний
(допустимый) предел ударной вязкости
5 кгс/см2 для этой стали обычной выплав-
ки уже обнаруживается при —30° С, а для
ЭШП он не снижается даже при весьма
низкой температуре.

ЭШП позволил ликвидировать брак
при изготовлении турбинных лопаток.
Представилась возможность эффективно
использовать забракованные лопатки, под-
вергая их ЭШП.

Сталь Л181403. Начиная с 1966 г.
ЭШП этой 12%-ной хромистой стали на-
чал применяться фирмой «Джапэн Спе-

Рис. 185. Средняя степень обессеривания при
различных содержаниях серы в исходном
металле (расходуемом электроде).
Рис. 186. Соотношения между содержанием
включений типа В и В + С и содержанием
кремния и алюминия в стали А181 403.

шиел Стил Корпорэйшн» (Япония) на заво-
дах в Охмори [127, 151]. Для ЭШП при-
меняются прошедшие поверхностную за-
чистку литые электроды, выплавленные в
электродуговой и индукционной печах.
Электроды из инструментальных сталей
перед ЭШП отжигают. Старт твердый.
Режим плавки контролируется по величи-
не промежутка между концом электрода
и зеркалом металлической ванны.

Данные об изменении химического со-
става стали в процессе ЭШП для слитка

Рис. 187. Зависимость размера зерен и твер-
дости от степени укова слитков диаметром
350 мм, полученных ЭШП (1), и обычных слит-
ков диаметром 200 мм (2):

а — величина зерна после отжига при 850—880° С; б —
твердость после отпуска при 560° С.

массой 1100 кг приведены в табл. 1р0. Пе-
реплав стали производили под шлаком
состава 70% СаГг— 30% АЬО.з. Шлак со-
держал небольшое количество непрочных
окислов типа РеО, 8Ю2, что привело к
окислению алюминия при ЭШП 12%-ной
хромистой нержавеющей стали А181403.
Степень десульфурации при этом дости-
гает 30—55% (рис. 185).

При ЭШП происходит удаление также
кислорода (в 2,5—3 раза). То же следует
сказать о неметаллических включениях.
Уменьшилось их количество, заметно воз-
росла их дисперсность, улучшилось рас-
пределение по телу слитка. Содержание
включений типа А (сульфиды + силика-
ты), определенных по японскому стандар-
ту А1810555, 1956, уменьшилось в резуль-
тате ЭШП на 80%, а включений типа
В С (глобулярные оксиды 4- частицы
глинозема) —на 50—70%. Удаление вклю-
чений типа В 4-С при использовании шлака
типа 70% СаРг—30% АЬОз весьма значи-
тельно зависит от содержания в стали
кремния и алюминия (рис. 186).

Хромистые стали, как известно, склон-
ны к росту зерна при нагреве (термиче-
ской обработке, сварке и др.). В результа-

Таблица 131. Загрязненность стали Х28
в исходном состоянии и после ЭШП [48]

Металл	Общее содер- жание неметалличе- ских включе- ний. %	Загрязненность, баллы	
		Оксиды и силикаты	Сульфиды
Исходный	0,0350	4,33	0,67
ЭШП	0,0100	1,00	0,50
те ЭШП размер зерна (рис. 187) несколь-
ко увеличился по сравнению с размером
зерна металла открытой выплавки, но в
отличие от металла открытой дуговой
плавки (ОДП) металл ЭШП является
равиозернистым, что очень важно, так как
при этом сталь имеет равномерные и ста-
бильные свойства (отсутствует анизотро-
пия).

Хромистые стали ферритного класса.
Исключительно благотворным оказался
ЭШП при производстве высокохромистых
сталей, которые очень плохо куются
(см. рис. 81, а, гл. III). После ЭШП бла-
годаря высокой чистоте металла, хорошей
макроструктуре (рис. 188) пластическая
деформация таких сталей, в частности ста-
ли Х28, осуществляется без затруднений
и обеспечивается хорошее качество метал-
ла (см. рис. 81, б, гл. III). В результате
ЭШП стали Х28 снижается содержание
в ней неметаллических включений (табл.
131). Данные о плотности стали Х28 в де-
формированном состоянии приведены ни-
же [97]:

Край заготовки:	
до ЭШП	7,684
после ЭШП	7,743
Центр заготовки:	
до ЭШП	7,622
после ЭШП	7,727

Электрошлаковый переплав дает пре-
красные результаты при производстве хро-
мистых жаростойких сталей, содержащих
12-27% Сг, 3—7% А1.

Испытывали сталь Н2515, содержащую
25% Сг и 5% А1. В результате ЭШП улуч-
шилось качество стали, количество неме-
таллических включений в ней снизилось.
Стабилизировались удельное сопротивле-
ние и жаростойкость стали. Стала возмож-
ной устойчивая работа деталей, изготов-
ленных из указанной стали, вплоть до
1300°С.

Аустенитные хромоникелевые стали.
Следующий класс сталей, также подвер-
гаемых ЭШП, представляют стали, кото-
рые для стабилизации аустенита легируют

Рис. 188. Продольный темплет электрошлако-
вого слитка стали Х28.
никелем в значительном количестве. Рас-
смотрим наиболее типичные стали этого
класса.

Стали 1Х18Н9Т и Х23Н18. Самой
распространенной сталью из класса аусте-
нитных нержавеющих является сталь
1Х18Н9Т (1Х18Н10Т), производство кото-
рой сопряжено с большими трудностями.
Даже разливка нержавеющих сталей в
атмосфере инертных газов не гарантирует
получения металла с нужной степенью
чистоты. Кроме того, вследствие высокого
содержания хрома, титана и алюминия и
низкого содержания углерода сталь
1Х18Н9Т характеризуется значительной
вязкостью в жидком состоянии и плохими
литейными свойствами. Последнее обстоя-
тельство приводит к получению слитков
со специфическими дефектами (титановая
пористость и др.). Вследствие плохого ка-
чества поверхности слитка или заготовки
стали 1Х18Н9Т подвергают строжке, при
этом теряется 8—10% металла. Основные
дефекты макроструктуры этой стали тес-
но связаны с неметаллическими включе-
ниями и газами в металле.

В нержавеющей стали 1Х18Н9Т в свя-
зи с наличием в ней титана имеется боль-
шое количество нитридных включений.
Скопления нитридов титана в слитке при
прокатке вытягиваются в строчки, которые
нарушают сплошность стенки изделий и не
дают возможности получить при электро-
полировке необходимую степень шерохо-
ватости поверхности. Иногда величина не-
металлических включений соизмерима с
толщиной стенки — это может послужить
причиной преждевременного разрушения
изделия.

Микроскопическое исследование позво-
лило установить, что вид и характер рас-
пределения карбида титана зависят от со-
держания углерода, кислорода и титана
в металле. Так, при содержании углерода
0,1% и титана от 0,1 до 1% в металле об-
разуется карбид титана в виде отдельных
кристаллов кубической системы. При со-
держании углерода 0,2—0,3% и титана
0,1—1,8% карбид титана приобретает вид
сросшихся кристаллов, имеющих форму
дендрита. Распределение и размеры этих
дендритных включений зависят от наличия
в исходном металле кислорода. Добавка

титана в количестве от 0,1% и выше в не-
раскисленный металл, содержащий 0,2—
0,3% С, приводит к образованию грубых
дендритных включений карбида титана,
располагающихся по границам первичных
зерен металла. Добавка такого же коли-
чества титана, но в предварительно рас-
кисленный металл приводит к образова-
нию карбида титана в виде мелких срос-
шихся кристаллов (нитей), беспорядочно
распределяющихся в металле.

Применение ЭШП таких сталей рас-
сматривалось как практическая возмож-
ность получения высококачественной не-
ржавеющей стали, чистой по неметалличе-
ским включениям. При ЭШП стали
1Х18Н9Т содержание углерода, марганца,
кремния, фосфора, хрома и никеля прак-
тически не изменяется. Наблюдался зна-
чительный угар титана, особенно в ниж-
ней части слитка [97]. Отметим, что
современная техника ЭШП обеспечивает
предотвращение этого нежелательного яв-
ления.

При исследовании продольных и попе-
речных темплетов установлено, что в ли-
том состоянии электрошлаковый металл
имеет очень плотную макроструктуру. Уса-
дочная раковина во всех слитках отсут-
ствует. Подусадочная рыхлость незначи-
тельна, протяженность ее всего 20—35 мм.
Подкорковых пузырей, трещин, осевой по-
ристости и каких-либо других дефектов
нет. Имеется хорошо выраженная зона
столбчатых кристаллов, идущая от по-
верхности к центру под углом 20—40°
к плоскости оснований слитка. По оси
слитка, в верхней его трети, имеется зона
равноосных кристаллов шириной 15—
20 мм.

Все слитки имеют хорошую поверх-
ность, не требующую механической обра-
ботки перед ковкой. Макроструктура ме-
талла, перекованного из электрошлаковых
слитков диаметром 120 и 130 мм, плотная,
без пороков [60].

В электрошлаковой слитке неметалли-
ческие включения, в том числе нитриды
титана, распределены равномерно по вы-
соте и сечению слитка и оцениваются бал-
лом 1,0 по оксидам и нитридам и 0,5 по
сульфидам; грубых скоплений и строчек
не обнаружено. В исходном металле неме-
таллические включения расположены в ви-
де грубых строчек. В кованом электро-
шлаковом металле содержание включений
значительно ниже, чем в исходном. За-
грязненность металла оценивается баллом
0,5—1,5 (в основном 1,0) по нитридам и
0,5 по сульфидам (рис. 189).

В исходном металле а-фаза присут-
ствует в виде крупных включений, вытяну-
тых в направлении прокатки. В централь-
ной части исходных штанг ее значитель-
но больше, чем у поверхности. В штангах,
откованных из электрошлаковых слитков,
а-фаза распределена равномерно по се-
чению, грубых строчечных скоплений ее
не наблюдается. Содержание а-фазы
уменьшилось по сравнению с исходным
металлом и оценивается баллом 0,5—2,0
по шкале завода «Электросталь» [43]. Со-
держание серы и кислорода после ЭШП
уменьшается, а пластичность металла по-
вышается [107].

При испытаниях на межкристаллитную
коррозию, которые проводили в соответ-
ствии с ГОСТ 6032—51 (метод А-2), не
обнаружена склонность кованого электро-
шлакового металла к этому виду корро-
зии, несмотря на пониженное содержание
в нем титана. Исходный и кованый после
ЭШП металл контролировали на продоль-

Рис. 189. Неметаллические включения в стали
1Х18Н9Т, Х86:

а — электродуговой металл, балл 4,5: б — электро-
шлаковый металл, балл 1,0.

ных образцах в соответствии с требова-
ниями технических условий. Испытания
проводили при температурах 20 и 350° С.
Установлено, что предел прочности элект-
рошлакового металла выше, чем исходно-
го, все остальные характеристики практи-
чески одинаковы.

Электрошлаковый переплав повышает
жаропрочность и коррозионную стойкость
нержавеющей жаропрочной стали Х23Н18,
скорость окисления электрошлакового ме-
талла меньше, чем у электростали. Кро-
ме того, ЭШП повышает гомогенность ме-
талла с точки зрения адгезии окалины
[93].

Сталь А181316. По предложению
комиссии по атомной энергии США метал-
лургический исследовательский центр в
Олбэни [7] исследова'л влияние ЭШП на
свойства стали А181316 (до 0,08% С, до
1,0% 81, до 2,0% Мп, не более 0,03% 8, не
более 0,045% Р, 16,0—18,0% Сг, 10,0—
14,0 ЬП, 2,0—3,0% Мо) при изготовлении
из нее тонкостенных труб для размещения
тепловыделяющих элементов ядерных ре-
акторов.

Особый интерес представляло исследо-
вание стали на наличие включений в
ней после ЭШП и ее поведение в усло-
виях эксплуатации. Разбухание стали из-за
наличия включений при бомбардировке
быстрыми нейтронами вызывает несплош-
ности в материале, которые, по установив-
шимся взглядам, связывают с двумя явле-
Таблица 132. Содержание газов и алюминия в крупных слитках стали А181316 [130]

Способ изготов- ления слитка	Расходуемые электроды	Состав шлака при ЭШП	О. %	И. %	И. %	А1, %	
						Верх слит- ка	Низ слит- ка
эд	—				0,0104	0,0266	0,0004	0,05	0,05
эшп	эд	50СаР2 — ЗОСаО — 20А12О3	0,0030	0,0262	0,0007	0,05	0,07
ВДП	эд	—	0,0089	0,0273	0,0002	0,05	0,05
ЭШП + ВДП	ЭД4-ЭШП	50СаР2 — ЗОСаО — 20АСО..	0,0029	0,0250	0,0003	0,05	0,06
ЭШП	ВИП	СаР2	0,0041	0,0160	0,0005	0,05	0,05
эшп	ВИП	50СаР2 — ЗОСаО — 20А1,Оч	0,0050	0,0204	0,0008	0,05	0,09
эшп	ВИП	70СаР2 — ЗОСаО	0,0028	0,0165	0,0002	0,05	0,05
ЭШП + ВДП	ВИП4-ЭШП	50СаР, — ЗОСаО — 20АРО,	0,0031	0,0161	0.00СЗ	0,05	0,08
эшп	ЭЛП	СаР„	0,0047	0,0591	0,0002	0,05	0,05
эшп	ЭЛП	50СаР? — ЗОСаО — 20А12О,	0,0023	0,0620	0,0005	0,05	0,07
ЭШП 4- ВДП	ЭЛП4-ЭШП	50СаР? — ЗОСаО — 20А1„О,	0,0038	0,0477	0,0002	0,05	0,05
ЭШП + А1	ЭЛП	50СаР2 — ЗОСаО — 20А12О3	0,0027	0,0554	0,0004	0,05	0,16
ЭШП+ А1 4- ВДП	ЭЛП4-ЭШП	50СаР2 — ЗОСаО — 20А12О3	0,0032	0,0449	0,0002	0,05	0,16

ниями: образованием вакансий и газовы-
делением при реакциях составляющих ста-
ли с быстрыми нейтронами.

К слиткам, используемым для пере-
дела под указанную продукцию, предъ-
являются исключительно высокие требо-
вания. Они должны иметь минимальное ко-
личество неметаллических включений, хо-
рошую поверхность, и в них не должно
быть сегрегаций.

При использовании ВДП проблема се-
грегаций увеличивается с увеличением
диаметра слитка и глубины металлической
ванны. Понижение скорости переплава при
ВДП для уменьшения глубины металличе-
ской ванны приводит к ухудшению поверх-
ности слитка. ЭШП на переменном токе,
способствующий обессериванию и раскис-
лению стали, ликвидации сегрегаций и
обеспечивающий хорошую поверхность
слитка при приемлемой стоимости, при-
влек внимание заказчика — комиссии по
атомной энергии.

Исследовали две партии слитков: ма-
лых диаметров (76 и 127 мм) и больших
диаметров (400—450 мм). ЭШП выполня-
ли на переменном и постоянном токах.
Слитки малых диаметров плавили с целью
выбора оптимального состава шлака. Бы-
ло опробовано восемь композиций шлаков,
содержащих АЬОз, СаО, М^О, СаРг, а так-
же шлак, состоящий только из СаРг. В ре-

зультате установлено, что шлак состава
50СаЕг — ЗОСаО— 20АкОз является опти-
мальным. Этот шлак был использован как
основной при ЭШП крупных промышлен-
ных слитков. Для ЭШП крупных слитков
были опробованы еще два шлака: СаРг и
70СаРг — ЗОСаО.

Расходуемые электроды использовали
трех типов: ЭД с применением наилуч-
шего скрапа и легирующих добавок; ВИП
с использованием электролитических мар-
ганца и хрома, а также Ре8ц РеМо и же-
леза с малым содержанием углерода и
серы; ЭД с последующим электронно-
лучевым переплавом и изготовлением
электродов для последующего ЭШП. Из
слитков ковали штанги диаметром 146 мм,
затем их обдирали до диаметра 114 мм и
исследовали.

Все слитки ЭШП имели хорошую по-
верхность, а при использовании шлака
70СаР2 — ЗОСаО — удовлетворительную.
Увеличение тока с 2400 до 3400А при на-
пряжении 21В обеспечило отличную по-
верхность слитков и при использовании
этого шлака. В электродах в состоянии
поставки присутствовали глобулярные
окислы и группы частиц окиси алюминия
нерегулярной формы.

Наилучшие результаты по чистоте ме-
талла, диспергированию включений, по-
верхности слитка и производительности
Таблица 133. Содержание примесей и чистота стали А181316, полученной в открытой
индукционной высокочастотной печи (ОИП) и методом ЭШП

Сталь (обозначение по АЕКОК)		Содержание примесей, %				Зерни- стость А8ТМ  Е112—63	Включения * (стандарт А8ТМ Е45—63,			
		8	р	с	О		А	В	С	Б
26 С№ 18-13, шведское произ- водство, ОИП		0,018	0,018	0,05	—	6	2; мень- ше 70 шт.	2; мень- ше 40 шт.	Отсут- ствуют	2,5; мень- ше  100 шт.
23 СИП ОИП	18-14,	0,016	0,015	0,019	0,015	5	2,5; мень- ше 100 шт.	1,5; мень- ше 30 шт.	То же	2 мень- ше 100 шт.
23 С№ ЭШП	18-14,	0,009	0,011	0,022	0,006	5	1; мень- ше 5 шт.	1,2; мень- ше 5 шт.	1; мень- ше 5 шт.	2; мень- ше 80 шт.

* А — сульфиды; В — оксиды алюминатного типа; С — оксиды силикатного типа; □ — глобулярные оксиды (окси-
ды кальция).

процесса получили при ЭШП на перемен-
ном токе с использованием трехкомпонент-
ного шлака (50СаЕг — ЗОСаО — 20ЛкОз)
(табл. 132).

Лучшие результаты получены при ис-
пользовании электродов ВИП. Исключи-
тельно интересные данные по использо-
ванию стали А181316 ЭШП в медицине
приведены в работе [154]. Эта сталь при-
меняется во многих странах для изготов-
ления деталей костной хирургии (протезов,
имплантантов и др.) и фармацевтических
приборов.

Для многочисленных применений ско-
рость коррозии этой стали (меньше
10 мг/см2-год) вполне приемлема. Однако
для материалов костной хирургии, фарма-
цевтических приборов или в ядерной тех-
нике эта скорость коррозии является слиш-
ком большой. В таких случаях загрязнение
продуктами коррозии более опасно, чем
само разрушение.

Продукты коррозии являются токсич-
ными для живых тканей и вызывают ката-
литическое действие, разрушая изготовля-
емые препараты органического происхож-
дения. Продукты коррозии радиоактивны,
и их действие может быть самым неожи-
данным и нежелательным.

Развитие хирургии требует применения
сталей и сплавов высокой чистоты, не
склонных к язвенной (локальной) корро-
зии, контактной, щелевой. Некоторые фак-
торы, такие, как неметаллические включе-
ния, повышенное содержание углерода, хо-
лодная деформация, могут содействовать

язвенной коррозии в хлорированных сре-
дах, имеющих место в организме человека.
Включения сульфидов и селенидов также
легко подвергаются этому виду коррозии.
Поэтому выбор способа производства ста-
ли для хирургических целей является
очень серьезной проблемой. ЭШП удаляет
из стали сульфиды и окислы, а ВДП суль-
фиды не удаляет. Следовательно, ЭШП
для рассматриваемых целей является бо-
лее предпочтительным.

Язвенная коррозия исследовалась в
зависимости от чистоты и холодной дефор-
мации металла. В табл. 133 приведены со-
став и характеристика исследуемых ста-
лей. Первые две стали были выплавлены
обычным способом на воздухе в высоко-
частотной индукционной печи, послед-
няя — методом ЭШП.

Различия по содержанию примесей,
особенно серы, кислорода и неметалличес-
ких включений хорошо видны. Сталь ЭШП
наиболее чистая.

Образцы в виде кубиков с площадью
грани 10 см2 испытывали применительно
к хирургическим имплантантам в изотони-
ческом растворе с 9% (0,16 мол. %) ИаС1
с водородным показателем рН = 7 (регу-
лируемым при температуре 40°С). В элек-
тролит подавали кислород.

Электрохимическим измерением, под-
счетом пор в металле и микроанализом
металла установлено, что повышение чи-
стоты стали А181316 ЭШП увеличивает ее
стойкость против язвенной коррозии до
5 раз.
Таблица 134. Влияние переплава
на химический состав нержавеющей стали (типа
18-9) Л181304, %

Эле- мент	До ЭШП	После ЭШП	Эле- мент	До ЭШП	После ЭШП
с	0,07	0,07	Сг	8,90	8,88
81	0,64	0,40	№	18,3	18,4
Мп	1,44	1,37	V	0,17	0,17
8	0,010	0,006	О	0,0154	0,0014
Р	0,015	0,015			

Сталь А181304. Нержавеющая аусте-
нитная сталь типа А151304 (до 0,08% С,
до 1,0% 51, до 2,0% Мп, не более 0,030 % 5,
не более 0,045% Р, 18,0—20,0% Сг, 8,0—
12,0% Ы1) применяется для изготовления
химических реакторов, узлов реактивных
двигателей и др. Необходимо повысить ее
чистоту и другие свойства. Для этой цели
применили ЭШП [135]. Опробовали три
шлака: 70СаР2 — ЗОАкОз; 80СаР2 — 20СаО
и ООСаРг — 20А1гОз — 20СаО. Масса шлака
на плавку — 8% массы слитка; старт
жидкий. Слитки ЭШП подвергали ковке в
одинаковых условиях, затем — термической
обработке по режиму: отжиг при 1080—
1100° С 45 мин, а затем охлаждение в воде.

В результате установлено следующее:
1) число включений в стали ЭШП резко
снижается по сравнению со сталью обыч-
ной выплавки, микросегрегация химиче-
ских элементов также уменьшается;
2) пластичность и усталостные свойства
стали ЭШП выше; 3) шлак 60СаР2—
20АкОз — 20СаО даем самые лучшие
результаты по очищению стали и улучше-
нию механических свойств, шлак 70СаР2—
ЗОАкОз дает также хорошие результаты,
но все же уступает предыдущему шлаку.
Шлак 80СаР2 — 20СаО из-за высокой
вязкости и электропроводности затрудняет
работу, хотя и дает самую высокую сте-
пень обессеривания.

Применение ЭШП для производства
стали А151304 на фирме ВВС («Бритиш
стил корпорэйшн») позволило резко повы-
сить их чистоту, в том числе и по газам
(табл. 134).

Стали ЭИ847 (0Х16Н15МЗБ), ЭИ844Б
(00Х16Н15МЗБ) и ЭП172 (0Х16Н15МЗР).
Стали этих марок применяются в основном

в трубной промышленности для производ-
ства тонкостенных труб. Специальное и
ответственное назначение труб из таких ста-
лей обусловливает повышенные требова-
ния к качеству этих труб, к их эксплуа-
тационным свойствам. Вместе с тем слож-
ное комплексное легирование стали, по-
мимо трудностей, возникающих при их
выплавке и в большинстве случаев приво-
дящих к повышенному загрязнению метал-
ла неметаллическими включениями и га-
зами, зачастую сопровождается снижени-
ем технологических свойств этих сталей,
ухудшением их деформационной способ-
ности и создает затруднения в производ-
стве труб.

Установлено [23], что технология про-
изводства таких сталей оказывает суще-
ственное влияние на их качество. Так,
если в слитках обычной стали ЭИ847 на-
блюдались трещины в осевой зоне [24],
то слитки ЭШП характеризовались плот-
ной структурой и направленной кристал-
лизацией, в результате ЭШП загрязнен-
ность стали значительно уменьшается, со-
держание неметаллических включений при
этом снижается в 1,5—4 раза.

Очищение металла от загрязнений не-
металлическими включениями подтвержда-
ется данными табл. 135. В результате
ЭШП исчезают включения большой вели-
чины, преобладающее количество включе-
ний имеет размеры не более 1—2 баллов.
Следовательно, снижается вероятность воз-
никновения дефектов—расслоений при про-
катке труб. Заметные изменения претер-
певают также включения интерметалли-
дов. Так, существенно снизился балл ни-
тридов и карбонитридов ниобия в сталях
ЭИ847 и ЭИ844Б, устранены ликвацион-
ные скопления боридов в стали ЭП172.

Сталь ЭИ847, полученная способом
ЭШП, не склонна к перегреву при высо-
ких температурах, что объясняется нали-
чием в ней большого количества высоко-
дисперсных неметаллических включений,
равномерно распределенных по объему
металла и препятствующих росту зерен
твердого раствора.

Особенностью сталей ЭП172, ЭИ847 и
ЭИ844Б является их низкая горячая пла-
стичность, что приводит к значительным
трудностям при трубном переделе этого
Таблица 135. Влияние переплавов иа загрязненность нержавеющих трубных сталей
неметаллическими включениями (данные В. С. Рудого, Н. Н. Нестеровой, Н. К. Черкасова)

Сталь	Я X  та  3 Я  О  О с	Содержание неметаллических включений						Интерметаллиды	
		Оксиды и силикаты		Сульфиды		Г лэбули		Средний балл	Максималь- ный балл
		Средний балл	!  Макси- । мальный балл	Средний балл	Макси- мальный Галл	Средний алл	Макси- мальный балл		
ЭИ847	эд			7,0			1,о			3,5—4			3,5
(0Х16Н15МЗБ)	эшп	—	1,5—2,5	—	0,5	—	0,5	—	2,5
	ВДП	—	2,5—3,0	—	0,5	—	1,0	—	2,0
ЭИ844Б	ЭЛ	1,36	4,0	0,5	0,5	1,7	3,5	1,25	2,0
(00Х16Н15МЗБ)	эшп	0,92	1,0	0,5	0,5	0,79	1,0	1,0	1,5
	ВДП	0,72	1,0	0,5	0,5	0,70	1,0	0,76	1,0
ЭП172	ОПП	1,3—3,9	2,0—5,0	0,5	0,5	0,5	0,5	—	—
(0Х16Н15МЗР)	ЭШП	1,2—2,6	1,5—3,5	0,5	0,5	0,5	9.5	—	—
Х18Н12Т	эд	1,8	4,0	0,9	1,0	—	—	4,0	4,5
	эшп	0,7	1,0	0,5	0,5	—	—	2,4	2,5
	ВДП	0,8	1,5	0,5	0.5	—	—	2,9	4,0

Таблица 136. Влияние ЭШП на горячую пластичность Сг — № — Мо аустенитной жаропрочной
стали типа ЭИ847

Технология производства	Число оборотов до разрушения при температуре, 0С							
	850	900	950	1000	1050	1100	1200	1250
ЭД	3,5	4,5	5	7	10	17	50	17
ЭД + эшп	5	6	10	30	70	85	180	100

металла. ЭШП этих сталей позволяет су-
щественно повысить их горячую пластич-
ность (табл. 136) и обеспечить устойчи-
вый процесс прошивки сплошных загото-
вок.

Снижение загрязненности (особенно
оксидами и сульфидами) в 3—4 раза по
сравнению с электрометаллом обеспечива-
ет большое преимущество электрошлако-
вой жаропрочной стали ЭП172 в длитель-
ной прочности при высоком уровне нагру-
зок (20 кгс/мм2) и температуры (700° С)
[92].

Сталь Х18Н12Т. Наилучшие экс-
плуатационные свойства применительно к
пароперегревательным трубам сталь
Х18Н12Т имеет при величине зерна в пре-
делах 4—6 баллов. Обычная технология
выплавки и передела этой стали не обес-
печивает величины зерна в таких узких
пределах. Образованию разнозернистой

структуры способствуют особенности про-
цесса рекристаллизации, происходящей
при термической обработке, связанные с
металлургической природой стали (неод-
нородность химического и фазового соста-
вов, загрязненность стали газами и неме-
таллическими включениями).

В результате ЭШП получается более
чистый металл, имеющий мелкозернистую
структуру и лучшие свойства, чем металл
открытой выплавки. ЭШП способствует
уменьшению содержания неметаллических
включений и их диспергированию (см.
табл. 135). Снижается также балл по кар-
бонитридам титана. Распределение карбо-
нитридной фазы по сечению и длине заго-
товок равномерное. Изменяется характер
расположения включений: если в заготов-
ке из исходного металла они залегают в
виде строчек, то в металле ЭШП — в виде
отдельно расположенных точек. По сравне-
Таблица 137. Влияние ЭШП на содержание
неметаллических включений и газов в стали
ЭИ851 [48]

Металл	Общее содержа- ние неметалли- ческих включе- ний, %	Загрязнен- ность, баллы		Содержание газов, % X  X 10~4		
		Оксиды и силикаты	Глобули	о,	И,	Н,
Исход- ный	0,0091	1,67	0,50	60	527	105
ЭШП	0,0053	0,50	0,50	26	607	97

нию с металлом ВДП в электрошлаковой
стали Х18Н12Т карбонитридная фаза бо-
лее дисперсна и распределение ее более
равномерное.

Сталь ЭИ851 (Х14Н19В2Б). Элек-
трошлаковая сталь ЭИ851 по сравнению с
исходной характеризуется пониженным со-
держанием неметаллических включений и
газов, за исключением азота, который свя-
зан в нитриды ниобия (табл. 137). Она
имеет более высокие пластические свой-
ства на поперечных образцах и значитель-
но слабее выраженную анизотропию
свойств. В результате ЭШП относительное
удлинение поперечных образцов стали
ЭИ851 возросло на 30—55% и практиче-
ски достигло уровня, характерного для
продольных образцов. Показатель ф попе-
речных образцов возрос на 50—100%
(табл. 138).

Ударная вязкость электрошлаковой ста-

ли возрастает на продольных образцах на
15—30%, а на поперечных — в 2—2,5 ра-
за. Степень изотропности увеличивается
примерно в 2 раза. Повышая чистоту ме-
талла и его однородность, ЭШП заметно
улучшает технологическую пластичность
высоколегированных сталей при высоких
температурах. Об этом свидетельствуют,
в частности, результаты испытаний на
скручивание при температурах горячей ме-
ханической обработки образцов исходной
и электрошлаковой стали ЭИ851.

Дисперсионно твердеющие
стали типа А286(Х15Н25М2Т2ЮФ),
Х12Н20ТЗ и ЭИ787(Х15Н35ТЗЮР). В тех
случаях, когда в связи с конструкционны-
ми особенностями и большими нагрузками
требуется металл с пределом текучести по
крайней мере 40 кгс/мм2 в интервале тем-
ператур до 700° С, наряду с другими
применяется дисперсионно твердеющая
хромоникелемолибденовая аустенитная
сталь типа А286, которая применялась в
стационарных энергетических установках
для крупных дисков, болтов. В настоящее
время ее начали применять для производ-
ства валов ротора турбокомпрессоров. Вы-
плавка этой стали связана с определенны-
ми трудностями вследствие содержания
в ней 2% Т1 и около 0,25% А1. Высокая
степень сродства этих элементов к кисло-
роду и азоту является причиной чрезмер-
но высокого содержания оксидов и нитри-
дов.

Было установлено, что показатели дли-
тельной прочности тангенциальных образ-

Таблица 138. Влияние ЭШП на характеристики и изотропность механических свойств
жаропрочной аустенитной стали ЭИ851

Технология производства	Направление вы- резки образцов	Температура, °С							
		20					600		
		°в» кгс/мм2	о5, кгс/мм2	6, %	ф. %	°Н’  кгс - м/см2	°В’ кгс/мм2	б. %	%
эд	Продольное	51,9	26,3	46,4	64,1	18,8	39,0	38,2	60,3
	Поперечное Продольное/	56,6	22,9	30,2	27,7	4,7	38,3	26,0	27,7
	поперечное	—	—	1,54	2,52	4,0	—	1,47	2,18
эд + ЭШП	Продольное	59,7	26,9	45,0	66,7	24,8	39,8	41,0	60,3
	Поперечное Продольное/	59,0	25,6	41,0	44,2	10,8	39,3	34,8	45,3
	поперечное	—	—	1,1	1,51	2,3	—	1,18	1,33
Таблица 139. Зависимость анизотропии механических свойств от степени укова, метода
плавки и температуры испытаний стали Х12Н20ТЗ [20]

Способ выплавки	Степень укова	Т. *>С	°в пр эд	бпрод	Ч’прод	“и пред	
			°в попер	$ попер	Фпопер	ан попер	
эд	3,85	20	1,0	1,43	1,82	1,55	1,68
		700	0,97	1,03	1,24	1,50	1,37
	8,7	20	1,06	1,40	1,85	1,59	1,72
		700	1,13	1,70	1,70	1,34	1,52
эшп	5,8	20	1,08	1,05	1,21	1,28	1,25
		700	1,0	1,11	1,21	1,02	1,22
	22,2	20	1,0	1,01	1,25	1.6	1,42
		700	1,03	1,07	1,04	1,6	1,32

цов, вырезанных из дисков турбин, изго-
товленных из электрошлаковой стали, яв-
ляются очень высокими и существенно
выше показателей стали обычной выплав-
ки. Детали машин, выполненные из стали
ЭШП, обладают дополнительной прочно-
стью и повышенным сроком службы, осо-
бенно при циклической и динамической
критической нагрузке. ЭШП обеспечивает
получение высококачественного металла
для изготовления деталей, подвергающих-
ся высокой температуре и нагрузке. Этот
металл отличается высокой степенью чи-
стоты, незначительной ликвацией в слитке
и плотной структурой.

Исследование дендритной ликвации
электрошлаковой стали Х12Н20ТЗ прове-
дено в работе [20]. Установлено, что оси
дендритов обогащаются хромом, а межос-
ные участки — титаном и никелем. Наибо-
лее сильно ликвирует титан, образующий
с никелем фазу ГДзТг Вследствие сильно-
го обогащения межосных участков тита-
ном кристаллизация в них завершается
образованием фазы сложного состава на
основе РеТг

При ковке слитков из стали Х12Н20ТЗ

Таблица 140. Механические свойства стали
ЭИ787 при 900 °С до и после ЭШП и ВДП [97]

Способ выплавки	ов, кгс/мм2	С. %	4>. %
эд	21	27	64
эшп	19	73	87
ВДП	22	43	85

химическая неоднородность легирующих
элементов уменьшается. Однако целесооб-
разно для стали ЭШП применять более
продолжительный по сравнению с обыч-
ным металлом нагрев перед деформаци-
ей, снижающий уровень дендритной ли-
квации.

Так как показатель анизотропии зави-
сит от распределения неметаллических и
упрочняющих фаз в стали, его величина
для электрошлаковой стали Х12Н20ТЗ не-
значительна, что обусловлено высокой чи-
стотой металла по неметаллическим вклю-
чениям (табл. 139).

Аналогичные свойства обнаруживает
после ЭШП сталь ЭИ787. Пластические
характеристики этой стали при 900° С воз-
растают больше, чем у металла ВДП
(табл. 140).

Аустенитные хромоникелемарганцевые
стали. Для изготовления немагнитных вра-
щающихся дисков подпятника электриче-
ских генераторов переменного тока исполь-
зуется аустенитная хромоникелемарганце-
вая сталь завода «Шкода Пльзень», содер-
жащая 3% Сг, 7—9% №, 8—10% Мп. Сталь
склонна к ликвации и росту зерна. Эти
факторы уменьшают прочность стали, осо-
бенно по границам зерен, и приводят к
образованию межкристаллитных трещин.
В результате в процессе ковки дисков,
а также при охлаждении нагретых под за-
калку поковок получается большое коли-
чество брака.

Посредством металлографического ана-
лиза образцов, находящихся как в литом
состоянии, так и в состоянии после ков-
Таблица 141. Влияние ЭШП на содержание
неметаллических включений в стали ЭИ481 [48]

Металл	Общее содержа- ние неметалли- ческих включе- ний. %	Загрязненность, баллы	
		Оксиды и силикаты	Глобули
Исход-	0,0087—0,0111	1,о—4,5	0,5—1,3
ный	0,0099	2,90	0,89
эшп	0,0028—0,0074	0,5—1,0	0,50
	0,0052	0,52	

Примечание. В числителе даны минимальные и
максимальные значения, в знаменателе — среднее.

ки, было установлено [6], что зарождение
трещин вызывается наличием хрупких
включений внутри дендритов, особенно
фосфидной эвтектики, а также наличием
многочисленных пор. Увеличение чувстви-
тельности стали к межкристаллитным тре-
щинам обусловлено наличием карбидной
фазы.

После ЭШП стали количество неметал-
лических включений и кислорода снизи-
лось в 2 раза. Распределение включений
и фосфидной фазы более равномерное.
Кроме того, фосфидная фаза выделяется
по границам зерен в более благоприятной
форме. Увеличение степени чистоты стали
и уменьшение фосфидной неоднородности
по границам зерен способствуют предот-
вращению трещин при нагреве под закал-
ку, а также при остывании.

Высоколегированная жаропрочная ау-
стенитная сталь с карбидным упрочнением
ЭИ481 (35Х13Н8Г8МФБТ) нашла широ-
кое применение при изготовлении турбин-
ных дисков, бандажных колец, валов и дру-
гих деталей газотурбинных установок.

Сталь ЭИ481 обычной выплавки харак-
теризуется наличием большого количества
дефектов (большая загрязненность вклю-
чениями, особенно грубые скопления кар-
бонитридов в виде гроздьев), плохой ма-
кроструктурой, высокой анизотропией ме-
ханических свойств.

В результате ЭШП содержание неме-
таллических включений сокращается в
2,6 раза [66], мелкодисперсные частицы
включений равномерно распределены в ма-

трице (табл. 141). Испытания на жаро-
прочность показали, что при о = 38 кгс/мм2
и Т = 650° С образцы стали ЭШП имели
долговечность примерно 106—157 ч при
норме 35 ч [112]. Испытания образцов,
вырезанных из штампованных изделий
электрошлаковой стали, подтвердили ис-
ключительно большое преимущество элек-
трошлакового металла перед обычной ста-
лью по всем показателям, в том числе по
пластичности (выше в 2 раза) и по дол-
говечности (выше в 4—10 раз).

В результате ЭШП существенно улуч-
шается макроструктура стали ЭИ481, что
позволяет получить прекрасную поверх-
ность слитков и при горячей деформации
полностью исключить наличие трещин и
тому подобные дефекты.

Азотсодержащие аустенитные стали.
В последние годы в нашей стране и за
рубежом получили большое распростране-
ние азотсодержащие нержавеющие аусте-
нитные стали. Это объясняется прежде
всего тем, что по сравнению с классиче-
скими аустенитными сталями указанные
стали обладают более высокими прочно-
стными характеристиками при сохранении
удовлетворительной пластичности и вязко-
сти, а также коррозионной стойкости. Кро-
ме того, легирование азотом в ряде случа-
ев позволяет заменить часть никеля в хро-
моникелемарганцевых сталях без ущерба
для их свойств [51, 115].

Упрочнение азотсодержащих аустенит-
ных сталей основано на образовании пере-
сыщенных растворов внедрения азота в
аустенит и выделении в нем нитридов при
охлаждении стали в процессе аустениза-
ции. Считают [27, 32, 88], что упрочнение
стали пропорционально содержанию азота,
растворенного в ней. При этом количество
растворенного азота в аустенитной стали
зависит от ее химического состава и преж-
де всего от концентрации хрома и марган-
ща. В зависимости от степени легирования
металла содержание азота может состав-
лять от 0,1 до 0,8%.

Создание нержавеющих экономполеги-
рованных аустенитных сталей основано на
действии азота как сильного аустенитизи-
рующего элемента. Известно [115], что
0,15% К в хромоникелевых сталях эквива-
лентно 2—4% 141, а 0,25% К —2,5—6% М.
Таблица 142. Химический и фазовый состав стали ЭП310 до и после ЭШП (по данным
И. Н. Мелькумова, А. П. Бояриновой и др.)

Способ выплавки стали	Марка флюса	Рас- кисле- ние	Содержание элементов, %									Количество магнитной фазы в де- лениях шкалы при- бора М-6
			С	81	Мп	8	р	Сг		Мо	V	
ЭД (исход- ный)			0,12	0,45	0,37	0,012	0,023	14,40	4,44	2,41	0,09	7,0 (7,1 *)
ЭШП	АНФ-6	—	0,13	0,35	0,35	0,008	0,023	14,55	4,45	2,35	0,09	7,1
»	АНФ-6	А1	0,14	0,41	0,36	0,008	0,025	14,60	4,35	2,36	0,08	7,1
»	АНФ-6	81Са	0,13	0,36	0,34	0,008	0,024	14,55	4,40.	2,37	0,09	6,9
»	АНФ-291	—	0,14	0,38	0,41	0,007	0,027	14,65	4,27	2,35	0,07	7,0
ЭД (исход- ный)					0,14	0,33	0,53	0,015	0,018	14,98	4,45	2,44	0,10	4,5 (4,6 *)
ЭШП	АНФ-6	—	0,14	0,31	0,53	0,007	0,017	14,85	4,46	2,42	0,10	4,5
ЭШП	АНФ-1П	—	0,14	0,25	0,52	0,007	0,018	19,97	4,41	2,43	0,09	4,5
ЭД	—	—	0,13	0,35	0,42	0,019	0,026	14,70	4,50	2,63	0,09	3.3 (3,0 *)
ЭШП	АНФ-6	—	0,15	0,31	0,42	0,009	0,023	14,87	4,56	2,61	0,08	3,9
»	АНФ-6	А1Са	0,13	0,43	0,43	0,010	0,024	14,54	4,52	2,55	0,09	3,3
»	АНФ-291	—•	0,13	0,28	0,44	0,011	0,023	14,91	4,56	2,66	0,08	3,4
»	АН-291	А1Са	0 13	0.35	0,44	0,009	0,023	14,87	4,57	2,64	0,05	39

• В литой пробе

На этом принципе разработан ряд безни-
келевых и экономнолегированных никелем
нержавеющих аустенитных сталей
(Х17АГ14, Х17Г9АН4, Х21Г7АН5 и др.),
которые нашли применение в химической,
пищевой и машиностроительных отраслях
промышленности для изготовления деталей
и аппаратов, работающих в средах сред-
ней агрессивности, а также в конструкци-
ях, требующих высокого сопротивления
атмосферной коррозии.

Основное количество азотсодержащих
нержавеющих сталей выплавляется в от-
крытых дуговых печах. Легирование ста-
ли азотом производится путем присадки в
печь азотированных ферросплавов: ферро-
хрома и ферромарганца. При получении
низкоуглеродистых сталей используют де-
фицитный азотированный металлический
марганец. Температуру металла до начала
ввода азотированных ферросплавов сни-
жают до 1430° С.

Азотсодержащая сталь, выплавленная
в дуговых печах, отличается повышенным
содержанием неметаллических включений,
которые часто располагаются в слитках
в виде строчек и отдельных гроздей
(кластеров). При горячей деформации
(прокатке, ковке) слитков в прокате и

поковках образуются внутренние дефекты
и несплошности, что приводит к большой
отбраковке металла. В связи с этим при-
менение рафинирующих переплавов явля-
ется решающим условием радикального
повышения качества проката и поковок из
азотсодержащих сталей.

Ниже приводятся результаты ряда ис-
следований по ЭШП некоторых наиболее
применимых в нашей промышленности
азотсодержащих аустенитных сталей. Эти
стали в зависимости от структуры, полу-
чаемой при охлаждении на воздухе после
высокотемпературного нагрева, подразде-
ляют на следующие классы: нержавеющие
аустенитномартенситные — стали ЭП310
(Х15Н4АМЗ), ЭП410 (Х15Н5Д2АТ) и
аустенитные — стали ЭИ878 (Х17Г9АН4),
0Х18Г12Н5АБ,	ЭИ222	(07Х21Г7АН5),

ЭИ835 (Х25Н16ГАР).

Аустенитно - мартенситная
сталь ЭП310 отличается от других ста-
лей этого класса относительно повышен-
ным содержанием углерода и тем, что
она легирована азотом в количестве до
0,1%. Высокие прочностные характеристи-
ки этой стали до температуры 500° С со-
четаются с удовлетворительной пластич-
ностью и вязкостью.
Таблица 143. Ударная вязкость (кгс• м/см2)
стали ЭП310 до и после ЭШП в зависимости от
температуры испытаний (по данным И. Н. Мель-
кумова и др.) *

Т, “С	Способ выплавки	
	эд	эшп
20	11,25	15,44
700	21,19	21,13
800	37,75 **	35.69 **
900	32,12 **	31,75 **
1000	26,44 **	25,25 **
1050	20,56 **	20,06**
1100	12,82	12,13 **
1150	8,06	6,13
1200	5,88	6,88
1250	4,19	4,69

“ Приведены средние данные по трем образцам. Об-
разцы изготовлены нз кованой заготовки сечением
90x90 мм без термообработки.

** Образцы не разрушились.

И. Н. Мелькумовым, А. П. Боярино-
вой, В. В. Топилиным и М. М. Клюевым
была выполнена работа по оценке влия-
ния ЭШП на качество стали ЭП310. Ими
установлено, что при ЭШП стали ЭП310
содержание основных легирующих элемен-
тов (углерода, никеля, хрома, молибдена
и азота), от которых в первую очередь
зависят ее фазовый состав и положение
температурного интервала мартенситного
превращения, практически не меняется
(табл. 142). Применение различных типов
шлаков (СаРз; СаРг—АБОз; СаРг—АБОз—
СаО—МдО) и раскислителей (А1, 81Са)
не оказывает существенного влияния на
качество металла ЭШП.

Сталь ЭП310Ш отличается более высо-
кой технологической пластичностью по
сравнению с исходной сталью открытой
выплавки. Как видно из табл. 143, при
испытании на удар при одинаковых зна-
чениях ударной вязкости от 20 до
25 кгс-м/см2 образцы металла ЭШП не
разбились в интервале температур 800—•
1100° С, тогда как образцы исходного ме-
талла не разбились при 800—1050° С. Ре-
зультаты ковки слитков подтвердили вы-
сокую технологическую пластичность ме-
талла ЭШП. В связи с этим большой ин-
терес представляют результаты исследова-
ний, приведенные Н. И. Шефтелем [122],

ультразвукового

Таблица 144.
контроля поковок

Результаты
стали ЭП310

из

обычного

электрошлакового металла (по данным
И. Н. Мелькумова и др.)

Способ выплавки.	Количество			Процент дефект- ных поко- вок
	плавок	поковок	дефект- ных поко- вок	
эд эшп	6  18	68  112	12	17,6 0

по улучшению пластичности при обработ-
ке давлением стали 25Х17Н4Г15АФ ЭШП,
аналогичной по составу стали ЭП310: чис-
ло скручиваний при 1000° С образцов, ото-
бранных от проката открытой выплавки
и после ЭШП, составляет соответственно
3 и 13.

О высоком качестве поковок стали
ЭП310, в том числе крупного сечения, сви-
детельствуют данные ультразвукового кон-
троля И. Н. Мелькумова и др. (табл. 144).
Как видно, около 18% поковок металла
открытой выплавки имеют внутренние де-
фекты и бракуются. В поковках из метал-
ла ЭШП, в том числе и на поковках круп-
ного сечения, подобные дефекты отсутст-
вуют.

Слитки стали ЭП310 отдельных плавок,
в особенности с содержанием азота по
верхнему пределу марочного состава, по-
ражены газовыми пузырями («свищами»),
которые могут завариваться при прокатке
или ковке, если они находятся внутри и
не выходят на поверхность слитков. Сле-
дует отметить, что при ультразвуковом
контроле проката или поковок, полученных
из таких слитков, в местах заварки газо-
вых пузырей все же обнаруживаются вну-
тренние дефекты, которые являются при-
чиной брака.

Результаты ультразвукового контроля
поковок хорошо согласуются с данными по
загрязненности неметаллическими вклю- ’
чениями исходной стали и ЭШП (оценка
по шкале ГОСТ 1778—70) (табл. 145), =
Как видно из табл. 145, в стали ЭШП со-
держание силикатных и глобулярных
включений резко уменьшается. Следует от- 1
метить, что металл ЭШП больше загряз- ।
нен оксидными точечными включениями, .
Таблица 145. Загрязненность стали ЭП310 обычной выплавки и ЭШП неметаллическими
включениями (по ГОСТ 1778—70) (по данным И. Н. Мелькумова и др.)

Способ выплавки	Марка флюса	Раскисле- ние	Средний балл по неметаллическим включениям					
			Оксиды		Силикаты			Сульфиды
			точечные	строчеч- ные	хрупкие	пластич- ные	иедефор- мирован- ные	
ЭД (исход- ный)			1,25	0,62	2,97	1,64	1,17	0,78
ЭШП	АНФ-6	—	1,41	1,31	0,58	0,5	0,66	0,5
»	АНФ-6	А1	1,58	0,75	0,58	0,5	0,58	0,5
	АНФ-6	81Са	1,33	1,33	0,54	0,5	0,58	0,5
	АН-291	—	2,25	0,55	0,75	0,5	0,66	0,5
ЭД (исход- ный)					1			3,62	2,0	1,62	0,62
ЭШП	АНФ-6	А1Са	2	1	0,5	0,5	1,5	0,5

Таблица 146. Количество и состав неметаллических включений в стали ЭП310 до и после ЭШП
по данным П. Е. Мелихова и др.

Способ выплавки	Количест- во образ- цов	Общее содер- жанне вклю- чений, %-10—2	Химический состав включений, % к общей их массе					
			ЗЮ2	А12О, + А1Ы	Ге=Оя	Си,О3	МпО	Прочие включе- ния
эд  ЭШП (на АНФ-6)	8  4	2,426 0,782	56,6 5.85	13,5  92,5	1,9  1,5	3,05  1,1	13,16 0.36	3,14  1,5

Таблица 147. Содержание газов в стали ЭП310 до и послеЭШП, %

о		И		Н		Литературный источник
до ЭШП	после ЭШП	до ЭШП	после ЭШП	до ЭШП	после ЭШП	
0,0180 0,0051 0,0029  Не опр.  » »	0,0100 0,0027  0,0015  0,0052 *  0,0053 **	0,0880 0,0530 0,0450  Не опр. » »	0,0790 0,0500 0,0540  0,0351 *  0.0559 **	0,00127 0,00080 Не опр.  » »  » »	0,00089 0,00070 Неопр.  0,0031 * 0,0013 **	По данным  П. И. Мелихова и др-  [46]

* Электроды перед ЭШП подвергали сплошной зачистке поверхности,

и Электроды с тонким окнсным слоем.

которые достигают 2 баллов. В металле
открытой выплавки оксиды располагаются
в виде строчек.

Из приведенных в табл. 146 данных
видно, что общее содержание неметалли-
ческих включений после ЭШП в 3—4 раза
меньше, чем в исходном металле. При
этом после ЭШП в составе включений
имеют место снижение кремнезема в 9—
10 раз и увеличение содержания глинозе-

ма в 5—6 раз. При переплаве на флюсе
АНФ-6 наблюдается также снижение в
металле ЭШП оксидов марганца.

Данные о влиянии ЭШП на содержа-
ние газов в стали ЭП310 приведены в
табл. 147. Опи хорошо согласуются с дан-
ными по содержанию в стали ЭП310
неметаллических включений. Кроме того,
видно, что газонасышенность металла
ЭШП, выплавленного из электродов с
Таблица 148. Механические свойства стали ЭП310 до и после ЭШП (по данным И. Н. Мель-
кумова и др.)

Способ выплавки	Марка флюса	Раскисле- ние	Средние значения механических свойств					
			°в* кг/мм2	о8, кгс/мм2	6. %	Ч>. %	ан, кгс ♦ м/см2	
ЭД (исходный)	—	—	163,1  160,5	128,1  127,8	18,7  12,6	67,4  12,6	14,71  5,33	2,35
ЭШП	АНФ-6			160,6	124,5	19,9	68,3	14,69	1,15
			159,9	125,0	19,8	59,1	12,13	
	АНФ-6	А1	159,8	126,3	19,3	67 8	16,67	1,37
			158,7  158,4	123,2  123,1-	18,5  21,2	53,8  69,3	11,06  14,5	
	АНФ-6							
		81Са						1,27
			158,0	123,4	16,9	55,0	11,13	
	АН-291		159,4	128,1	17,8	68,7	14,5	
»		—	160,5	128,3	16,8	49,7	10,88	1,35
ЭД (исходный)			153.6	120,1	23,2	64,4	16,19	
	—	—	146,8	119,1	9,3	Н,1	3,25	5,4
	АНФ-6	А1Са	152,2	123,2	19,8	69,2	14,5	
ЭШП			154,6	121,8	21,9	55.6	9,75	1,36
ЭШП (исходный)			152,7	119,6	21,1	69,7	14,5	
	—	—	151,5	116,2	14,8	38,3	5,96	2,15
ЭШП	АНФ-1П		155,2	124,1	16,6	67,3	14,0	
		—	150,4	123,1	14,5	52.0	8,50	1,45

Примечание. В числителе даны значения для продольных образцов, в знаменателе — для поперечных.
Режим термообработки: нагрев до 1050° С. охлаждение до —70° С 2 ч, отпуск при 450° С 1 ч.

тонкой окисной пленкой и подвергнутых
зачистке, практически одинакова.

Заслуживают внимания результаты
сравнительных испытаний механических
свойств стали ЭП310 обычной и электро-
шлаковой выплавки. Из данных табл. 148
следует, что в термообработанном состоя-
нии металл открытой выплавки имеет вы-
сокие прочностные свойства при удовле-

творительных значениях пластичности и
вязкости на продольных образцах; при
испытании этого же металла на попереч-
ных образцах показатели пластических и
вязкостных свойств значительно ниже и
не стабильны. Для металла ЭШП пласти-
ческие и вязкостные характеристики, опре-
деленные на поперечных образцах, на 30—
50% выше, чем для исходного металла.

Таблица 149. Сравнительные данные о качестве стали ЭП310Ш, полученной в кристаллизатора
мова и др.)	диаме

»  Диаметр кристалли- затора, мм	°в- кгс/мм2	о5, кгс/мм2	6. %	М>. %	°Н’  кгс - м/см2	Неметаллически				включе  баллы	
						Оксиды		по ГОСТ 1778—70, Си			
											каты  неде  РОВЕ
						точечные	строчеч- ные	хрупкие	пластич- ные		
425	156,5	131	18,3	69,8	14,5	1,66	0,5	0,83	0,5		—
600	156,5	120,2	16,2	64,3	17,06	1,70	0,5	0,5	0,5		с с

Примечание. Режим термообработки: нагрев до 1050° С, охлаждение до —70° С 2 ч. отпуск при 450° С 1 ч. воздух
246

1ель-

5

5

17

!7

35

4

36

15

45

вечных.

:ти и
; при
переч-
нях и
1же и
ласти-
опре-
а 30—
талла.

Металл ЭШП отличается высокой изо-
тропностью. Коэффициент анизотропии ме-
талла ЭП310Ш близок к единице, в то
время как для исходной стали его значе-
ние колеблется в пределах 2—5. Суще-
ственной разницы в механических свой-
ствах металла, выплавленного в кристал-
лизаторах диаметром 425 и 600 мм, не об-
наружено (табл. 149).

Сталь ЭП410 (Х15Н5Д2АТ) инте-
ресна тем, что кроме хрома и никеля она
содержит такие легирующие элементы,
как медь, азот и титан. Медь имеет высо-
кий электродный потенциал и ее введение
в сталь, как известно, повышает корро-
зионную стойкость стали в восстановитель-
ных средах. При совместном легировании
стали азотом и титаном образуются карбо-
нитриды, что может привести к существен-
ному снижению (нейтрализации) аустени-
зирующего действия азота и стабилизи-
рующего действия титана, хотя это сов-
местное действие благотворно влияет на
уменьшение склонности стали к росту зер-
на. Поэтому основной сложностью при
производстве сталей типа ЭП410 является
необходимость обеспечить при их выплав-
ке узкие пределы по химическому составу
с тем, чтобы получить требуемый комплекс
физико-механических и коррозионных
свойств.

По данным И. С. Прянишникова,
В. Н. Жучина, по содержанию основных
элементов электрошлаковые слитки стали
ЭП410У достаточно однородны. Вместе с
тем необходимо при переплаве этой стали
принимать специальные меры для сниже-
ния угара титана, так как ЭШП на флю-
се АНФ-6 даже с раскислением алюми-

диаметром 425 и 600 мм (по данным И. Н. Мельку-

стали изаторах

[еметаллические			включения					
ГОСТ 1778—70,								
			баллы		Выявленные электрохимическим способом			
Сила								
			каты		Общее со- держание %-10~2	5Ю,	АЦО,	Прочие включе- ния
сие	пластич- ные							
				неде форми- рованные				
13	0,5  0,5							
				0,5  0,5	0,782  0,709	5,85  5,20	92,5  89,24	4,4  5,5
								

С 1 ч, воздух

нием не обеспечивает сохранения содержа-
ния титана на уровне исходного металла
(табл. 150).

Макроструктура слитков ЭШП диаме-
тром 600 мм отличается высокой плот-
ностью, отсутствием ликвационных, кри-
сталлизационных и прочих дефектов. При
ультразвуковой дефектоскопии поковок из
стали ЭП410У не было забраковано ни
одной заготовки.

Как видно из табл. 151, механические
свойства стали ЭП410 ЭШП, выплавлен-
ной в кристаллизаторах диаметром 425 и
600 мм из литых электродов, подвергну-
тых зачистке и без зачистки (с тонким
окисным слоем), практически одинаковы и
полностью удовлетворяют требованиям
технических условий.

Данные табл. 152 по загрязненности
стали ЭП410 и ЭП310 после ЭШП неме-
таллическими включениями (по ГОСТ
1778—70) показывают, что нет практиче-
ски никакой разницы в качестве металла
ЭШП, полученного из электродов с тонкой
окисной пленкой и подвергнутых зачист-
ке.

Приведенные выше результаты имеют
большое практическое значение. Абразив-
ная зачистка или обдирка на станках рас-
ходуемых электродов вследствие большой
трудоемкости удлиняет цикл их подготов-
ки. Кроме того, при этом также увеличи-
ваются потери металла (в стружку) и ма-
териальные затраты. Применение необо-
дранных электродов при ЭШП стали
ЭП410У, по данным работы [46], приводит
к увеличению выхода годного на 3%. Зна-
чительно снижаются затраты на подготов-
ку электродов перед плавкой ЭШП.

Аустенитные стали ЭИ878
(Х17Г9АН4),	Х18Г12Н5АБ,	ЭП222

(07Х21Г7ПН5),	ЭИ835	(Х25Н16ГАР).

Сталь ЭИ878 применяется для изделий,
работающих в атмосферных условиях, как
заменитель сталей типа Х18Н9, 2Х18Н9 в
виде холоднокатаной полосы и ленты для
прочных и легких конструкций, соединяе-
мых точечной и роликовой электросваркой.
Содержание азота в стали 0,15—0,25%.

Электрошлаковый переплав позволяет
обеспечить высокие механические свойст-
ва стали ЭИ878 (табл. 153) и низкое со-
держание неметаллических включений
Таблица 150. Содержание кремния и титана в стали ЭП410 до и после ЭШП, % (по данным
И. С. Прянишникова, В. Н. Жучина, М. М. Клюева)

Способ внплавки	Способ подготовки электродов	81	Т1	Марка флюса *
ЭД (исходный)			0,33	0,07	АНФ-6
ЭШП	Непрерывная разливка с зачисткой	0,32	0,02	АНФ-6
ЭД (исходный)	•—	0,64	0,10	АНФ-6
ЭШП	Непрерывная разливка без зачистки	0,51	0,03	АНФ-6 + раскис- ление

Таблица 151. Механические свойства стали ЭП410 при 20 °С после ЭШП

Способ полу- чения элект- родов	Диаметр кристал- лизатора, мм	Способ подготов- ки поверхности электродов	ов, кгс/мм2	°8’ кгс/мм2	б. %	Ф. %	ан» кгс-м/см2		Литературный источник
Непрерыв-	425	Зачистка	120,2	100,3	15,3	70,1	14,5		(46)
ная раз-	425	Без зачистки	124,9	98,3	16,2	63,5	14,5		
л ивка	600	Зачистка	121,7	95,9	15,7	69,6	14,5		
	600	Без зачистки	122.1	99,4	15,1	67,8	14,5		
Литье в	425	Зачистка	127,9	99,8	19,2	67,1	Не опр.		И. С. Прянишни-
специзлож-	425	Без зачистки	131,5	113,1	19,9	59,2	»	»	ков, В. Н. Жу-
ницу	600	Зачистка	127,5	106,6	18,3	68,9	»	»	чин и др.
	600	Без зачистки	118,2	102,4	19,9	70,0	»	»	
Требования ТУ (не менее)			100	80	10	55	12		

Примечание. Режим термообработки: нагрев до 950° С 1 ч, воздух, нагрев до 650° С 1 ч, воздух, нагрев
до 950° С 1 ч, воздух, нагрев до 450° С 1 ч, воздух

Таблица 152. Загрязненность сталей ЭП410 и ЭП310 после ЭШП неметаллическими
включениями

Марка стали	Способ полу- чения элект- родов	Диаметр кристал- лизатора, мм	Способ под- готовки по- верхности электродов	Средний балл (ГОСТ 1778—70)					
				Силикаты		Оксиды		Суль- фиды	Карбо- нитриды
				хруп- кие	пластич- ные	точеч- ные	строчеч- ные		
ЭП410	Непрерыв- ная раз-	425	Зачистка	2,0	Не опр.	Не опр.	Не опр.	Не опр.	2,0—2,5
	ливка	600  600	Без зачист- ки	0,95 0,94	» »  » »	То же  » »	» »  » »	То же  » »	1,85  1,6
ЭП310	Литье в	425	Зачистка	0,9	» »	1,33	0,6	»	Не опр.
	специзлож- ницу	600	»	0,5	» »	1,92	0,5	» »	» »
ЭП310	То же	600  600	Зачистка Без зачист- ки	0,5 0,8	0,5 0,5	1,0  1,4	0,5  0,5	0,5  0,5	0,5  0,5
ЭП410	» »  » »	425  425	Зачистка Без зачист- ки	0,5  1,0	0,5  0,5	1,0  1,0	0,5  0,5	0,5  0,5	Не опр, » »
	» »	600	Зачистка	1,0	0,5	1,10	0,5	0,5	1,9
	» »	600	Без зачист- ки	0,9	0,5	0,50	0,8	0,5	1,6
Таблица 153. Механические свойства стали
ЭИ878 после ЭШП в кристаллизаторе диаметром
425 мм [46]

Способ под- готовки по- верхности электродов	Механические свойства			
	°в- кгс/мм2	°5- кгс/мм2	6. %	4- %
Зачистка  Без зачист-	74,7	39,7	56,4	78,7
ки	73,9	39,0	60,1	77,1
Требования ТУ	> 70	>35	> 45	>55

(табл. 154). Приведенные результаты по-
казывают, что качество стали ЭИ878 ЭШП
практически не зависит от подготовки по-
верхности электродов ЭШП. Следует от-
метить, что, по данным работы [48], ЭШП
литых электродов без специальной обра-
ботки поверхности все же приводит к ухуд-
шению свойств металла ЭШП.

Для азотсодержащих сталей типа
0Х18Н5Г12АБ в литом виде характерны
низкие значения пластичности и вязкости
(Ои < 1 кгс-м/см2), что приводит к обра-
зованию значительного количества дефек-

тов (рванин, трещин и др.) на слитках и
поковках при горячей обработке давлени-
ем. Концентрация азота в стали
0Х18М5Г12АБ составляет 0,45—0,52%,
а концентрация ниобия — примерно 1,0%.
Кроме того, сталь содержит около 0,35% V.
Сталь открытой выплавки отличается по-
вышенным содержанием неметаллических
включений, которые в металле располага-
ются в виде грубых строчечных скоплений.
Исследованиями, проведенными В. И. Жа-
лыбиным, А. Е. Ковалем на промышлен-
ных партиях металла, установлено, что в
результате ЭШП указанной стали содер-
жание кислорода и неметаллических
включений уменьшилось более чем вдвое,
общее содержание оксидных включений
снизилось вдвое, а нитридов — почти
втрое по сравнению с исходным металлом
(табл. 155). Уменьшение нитридной со-
ставляющей происходит вследствие удале-
ния нитридов ниобия и ванадия при неиз-
менном содержании нитридов алюминия.

Очень важным результатом проведен-
ных В. И. Жалыбиным исследований яв-
ляется подтверждение возможности полу-
чения высококачественных слитков и изде-

Таблица 154. Загрязненность стали ЭИ878 после ЭШП в кристаллизаторе диаметром 425 мм
(по ГОСТ 1778—70) [46]

Способ подготовки поверхности элект- родов	Неметаллические включения, средний балл						
	Оксиды		Силикаты			Сульфи- ды	Нитриды
	точечные	строчечные	хрупкие	пластичные	не деформи- руемые		
Зачистка	1,0	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
Без зачистки	1,0	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	1.0

Таблица 155. Содержание неметаллических включений в стали 0Х18Н5Г12АБ до и после ЭШП,
% • 10—2 (по данным В. И. Жалыбина и А. Е. Коваля)

Способ выплавки	Неметаллические включения			Компоненты включений							
	Всего	В том числе		8ЮР	А1,О3	РеО	Сг8О3	СаО	Мео	+ УЫ	И
		нитри- дов	ОКСИ-  ДОВ								
ЭД (исходный)	48,26	46,31	1,95	0,32	о,п	0,59	0,73	0,070	1,30	46,0	0,31
ЭШП*	18,33	17,59	0,73	0,07	0,41	0,12	0,03	0,024	0,09	17,0	0,38

Приведены средние результаты для шести плавок ЭШП.
Таблица 156. Содержание некоторых элементов и газов в стали 0Х18Н5Г12АБ до и после

ЭШП (по данным В. Й. Жалыбина и А. Е. Коваля)

Способ выплавки	Химический состав, %						Содержание газов	
	51	5	ль	V	А)	ГЫ]	[О!	[Н]
							% • ю-2	см8 на  100 г
ЭД (исходный)	0,34	0,008	1,00	0,38	0,041	0,49	0,66	7,7
ЭШП*	0,18	0,003	0,98	0,35	0,046	0,46	0,31	12,8

Примечание. Приведены средние результаты дли шести плавок ЭШП.

Таблица 157. Механические свойства кованой стали 0Х18Н5Г12АБ открытой выплавки и ЭШП
(по дачным В. И. Жалыбина и А. Е. Коваля)

Способ выплавки	Место отбора проб	о5, кгс/мм2	ов.  кгс/мм2	с. %	Ф. %
ЭД (исходный), уков 5,1	Головная часть	50,5	78,0	17,1	16,2
	Донная часть	52,0	79.0	19,6	18,2
ЭШП, уков 4,2	Головная часть	51,8	83,0	23,7	20,8
	Донная часть	51,7	80,7	22,0	20,0

лий ЭШП из стали 0Х18Н5Г12АБ без за-
метного снижения в ней в результате ЭШП
содержания азота, ванадия и ниобия
(табл. 156).

Технологическая пластичность электро-
шлаковой стали 0Х18Н5Г12АБ (которую
определяли методом скручивания образ-
цов до разрушения в интервале темпера-
тур 950—1300° С) во всем интервале тем-
ператур испытания примерно в 2 раза
выше, чем исходного металла, разлитого
в изложницы такого же размера. Меха-
нические свойства образцов, вырезанных
из металла ЭШП, были несколько выше,
чем в изделиях из обычного металла
(табл. 157). Брак в поковках и изделиях
отсутствовал, в то время как на металле
ЭД он достигал 15%.

Сталь ЭП222 (07Х21Г7АН5) аустенит-
ноферритного класса содержит в своем со-
ставе 0,15—0,32% М. Сталь специально
разработана для изделий криогенной тех-
ники и имеет высокие механические свой-
ства, как при 20° С (оо,2 — 40 кгс/мм2, ов =
= 70 кгс/мм2), так и при —196°С (ан =
= 20 кгс-м/см2); порог хладноломкости
стали —196° С.

Сталь ЭП222 удовлетворительно свари-
вается, после сварки необходима терми-

ческая обработка — закалка с температу-
ры 1080—1100° С в воду. Сталь содержит
обычно до 0,09% С. При содержании угле-
рода менее 0,03% сталь ЭП222 удовлетво-
рительно сопротивляется межкристаллит-
ной коррозии и не склонна к охрупчива-
нию после сварочного нагрева или допол-
нительного отпуска при 600—800° С.

Вследствие двухфазности структуры
стали ЭП222 на ее заготовках после де-
формации (поковках, прокате) обнаружи-
вают большое количество дефектов (осо-
бенно рванин), а также волосовин. Толь-
ко применение ЭШП [62] способствовало
устранению указанных дефектов, полному
исключению брака, резкому сокращению
количества и размеров включений, повы-
шению в полтора раза показателя горя-
чей пластичности.

Исключительно хорошие результаты
были получены при ЭШП дисперсион-
но твердеющей немагнитной стали
25Х17Н4Г15АФ2, предназначенной для из-
готовления тяжелона груженных изделий
энергомашиностроения, которые должны
обладать малой магнитной проницаемо-
стью и высоким пределом текучести (бо-
бее 80 кгс/мм2) [62]. Уменьшение количе-
ства и размеров включений, улучшение
Таблица 158. Загрязненность электрошлаковой стали ЭИ835 (по ГОСТ 1778—70)

Способ получения				Средний балл по неметаллическим включениям					
	Диаметр кристал-	Способ под- готовки по-	Место отбора проб		Силикаты				Литератур-
электро- дов дли ЭШП	лнзатора, мм	верхности электродов		Суль- фиды	хруп- кие	пластич- ные	иедефор- мируемые	Гло- були	ный источ- ник
Непре- рывная разлив- ка  «Литье в специз- ложни- цу	600  600  600  600  600  600  425	Зачистка »  Без зачист- ки  То же  Зачистка Без зачист- ки Зачистка	Голов- ная часть Донная часть Голов- ная часть Донная часть	0,5  0,5  0,5  0,5  0,5  0,5  0,6	0,5  0,5  0,5  0,5  0,5  0,5  0,5	0,7  0,5  0,5  0,5  0,7  0,5  0,5	2,4  1,2  1,7  1,4  2,4  1,7	0,5  0,5  0,5  0,5  0,5  0,5  0,5	И. С. Пря- нишников, В. Н. Жу- чив  [46]  [46]  И. С. Пря- нишников, В. Н. Жу- чин

Таблица 159. Механические свойства электрошлаковой стали ЭИ835 при 20°С (средние
результаты)

Способ получения электродов	Диаметр кристал- лизатора, мм	Способ подготов- ки поверхности электродов	Механические свойства				Литератур- ный источник
			<*В’ кгс/мм2	кгс/мм2	6. %	4>> %	
Непрерывная разливка	600	Зачистка	81,0	39,5	55,4	65,0	И. С. Пря-
» »	600	Без зачистки	81,3	38,2	55,5	63,8	нишников,
Литье в специзложницу	425	Зачистка	83,2	42,5	49,8	61,7	В. Н. Жу- чин
» »	425	Зачистка	85,4	37,2	55,5	63,5	[46]
» »	425	Без зачистки	86,8	41,4	52,1	64,9	
» »	600	Зачистка	80,5	38,8	56,6	61,2	
» »  Требования ТУ (не менее)	600	Без зачистки	80,0  75	38,0  35	56,3  45	64,5  45	

структуры не только способствуют повы-
шению почти всех механических свойств,
но и, что очень важно для производства,
интенсифицируют процессы дисперсионно-
го твердения, благодаря чему необходи-
мый уровень свойств (предел текучести
90 кгс/мм2, ударная вязкость 6 кгс-м/см2)
достигается при температуре 630—650° С
не за 40 ч, как у обычного металла, а все-
го за 4 ч.

Сталь ЭИ835 (Х25Н16Г7АР) применя-
ется в химической, машиностроительной и

Таблица 160. Содержание газов в
электрошлаковой стали ЭИ835. [46]

Способ под- готовки по- верхности электродов	Содержание газов			
	Всего, мл на 100 г	В том числе		
		О. %	Н. %	Ы. %
Зачистка Без зачист-	311,9	0,0070	0,0025	0,3420
ки	299,0	0,0090	0,0028	0,3186
других отраслях промышленности для из-
готовления жаропрочных и жаростойких
деталей, работающих при температуре
800—900° С. Сталь содержит 0,30—0,45% К
и до 0,010% В.

Сталь ЭИ835 подвергается обязатель-
ному рафинирующему переплаву (ЭШП
или ПДП). Из-за повышенного содержа-
ния неметаллических включений поковки
из этой стали открытой выплавки пораже-
ны внутренними дефектами, которые выяв-
ляются при ультразвуковом контроле.

В результате ЭШП в стали ЭИ835 су-
щественно снижается содержание неметал-
лических включений [46]. Как видно из
табл. 158, средний балл (по ГОСТ 1778—
62) не превышает 0,5—0,7 (за исключени-
ем недеформируемых силикатов) и прак-
тически не зависит ни от диаметра кри-
сталлизатора, ни от подготовки поверхно-
сти расходуемых электродов. Степень за-
грязненности головной и донной частей

слитка стали ЭИ835 ЭШП примерно оди-	§

накова.

Механические свойства электрошлако-	К

вой стали ЭИ835 полностью удовлетвори-	им

ют требованиям соответствующих техниче-	ПР

ских условий (табл. 159). При этом каче-	ст;

ство металла, выплавленного из незачищен-	яв

ных электродов, не уступает по основным	ХР

показателям металлу, выплавленному	ТУ.

из электродов с зачищенной поверхно-	ме

стью. Аналогичная зависимость получена
[46] и по содержанию газов в этой стали	пе

(табл. 160).	ем

В результате ЭШП снижается коэффи-	ня‘

циент сегрегации, т. е. уменьшается ден-	твс

дритная ликвация и значительно снижа-
ется анизотропность механических свойств	ны

при комнатной и высоких температурах.	ГРУ

Так, если у электрометалла коэффициент	ды

анизотропии ударной вязкости составляет	теР

2,1—3,2, то у стали ЭШП этот показатель	ГРУ

снизился до 1,27—1,32 [65].	леЕ

Таблица 161. Химический состав некоторых зарубежных жаропрочных сплавов, %

Группа жаропроч- ных сплавов	Сплав	Ее	Ы1	Со	Сг	Мо	№		ЫЬ (Та)	
Сплавы типа твер-	Хастеллой X	19,0	Основа	2,5	22,0	9,0	1,0		—	
дых растворов	КА-333	17,0	46,0	3,0	26,0	3,0	3,0		——	
	Ь-605	2,0	10,0	50,0	20,0			15,0		—	
	Ы-155	30,0	20,0	20,0	21,0	3,0	3,о		1,0	
	МАК-М302	1,0	—	Основа	21,3			9,9		(8,5)	
	МАК-М509	0,27	11,4	»	22,0			7Д		(3,62)	
	Х-45	0,90	11,9	»	25,3	—	И		—	
Сплавы с интер-	Юдимет 700	—	Основа	17,0—20,0	13 0—17,0	4,5—5,75				—	
металлидным	Инконель 706	Остаток	41,5	—	’ 16,0				к	2,90	
упрочнением	Инконель 718	»	53,0	—	19,0	4,0		V	5,30	
	Сплав 600	7,2	76,0	—	15,8		.				—	
	Сплав 625	3,0	61,0	—	22,0	9,0				4,0	
	Сплав 718	—	52,5	—	18,6	3,0				5,0	
	Сплав 902	—	42,0	—	5,4				—	
	Сплав 750	—	73,0			15,0					0,9	
	Нимоник 901	Остаток	43,0	—	12,5	5,7				—	
	Нимоник Ре 11	»	39,5			18,0	5,0				——	
	Нимоник РК 31	—	Основа	14,0	20,0	4,5				5,0	
	Нимоник РК 50	—	»	13,5	20,0	4,2			—•	
	Нимоник 80А	—	»		19,5				—	
	Нимоник 90	—	»	16,5	19,5						——	
	Нимоник 263	—	»	20,0	19,5	5,9				—	
	Инколой 800	Остаток	32,0					21,5				—	
	ЮКАР-5	—	Основа	18,0	20,0						—	
	ЮКАР-С-263	—	»	20,0	20,0	6,0			——	
	Рене 95  Рене 41	—	»  55,0	8,0  11.0	14,0  19.0	3,5  10.0	3,5		3,5	

П ри мечание. Звездочка означает.

что содержание элементов не известно
§ 9. Жаропрочные сплавы

К классу жаропрочных относятся сплавы,
имеющие высокие прочностные свойства
при повышенных температурах. В соответ-
ствии с этим главным требованием, предъ-
являемым к таким сплавам, является со-
хранение прочности при высоких темпера-
турах в течение продолжительного вре-
мени.

Жаропрочные свойства в большой сте-
пени определяются структурным состояни-
ем сплава, величиной зерна, формой упроч-
няющих фаз, их связью с твердым рас-
твором.

В зависимости от структуры жаропроч-
ные сплавы можно разделить на две
группы: жаропрочные сплавы типа твер-
дых растворов; жаропрочные сплавы с ин-
терметаллидным упрочнением. К первой
группе относятся сплавы на железонике-
левой, никелевой, никелекобальтовой и

кобальтовой основах, легированные хро-
мом, молибденом, вольфрамом, ниобием.
Сплавы второй группы наряду с хромом,
молибденом, вольфрамом, ниобием со-
держат также титан и алюминий для об-
разования интерметаллидной фазы
М1з(Т1, А1) или №зА1.

Имеется большое количество отече-
ственных и зарубежных марок жаропроч-
ных сталей и сплавов. В табл. 161 приве-
дены составы тех зарубежных жаропроч-
ных сплавов, которые будут рассмотрены
в настоящем параграфе, а в табл. 162 —
составы некоторых сплавов отечественного
производства, подвергаемых ЭШП.

Рассматривая химический состав, не-
обходимо обращать внимание не только
на основные легирующие элементы, вво-
димые в сплав для получения необходи-
мых физических, механических и техноло-
гических свойств, но и на элементы, кото-
рые попадают в сплавы в виде примесей

: КЬ (Та)	А1	Т1	С	81	Мп	в	Прочие	Страна
						0,10	1,о	1,0		—	США
—	—	—	0,05	1,25	1,5	—	—	
—	—.	—	0,10	—	1,6	—	—	
1,0	—	—	0,12	—.	1,5	—	0,15	
(8,5)	—-	—	0,90	0,003—0,3	—	—	0,0001—0,0017г	»
(3,62)	—	0,01—0,1	0,56	0,01—0,1	0,001—0,1	—	0,1—1,07г	»
—	—	—	0,25	0,3—3,0	0,1 —1,0	—	—	
—	3,75—4,75	3,0—4,0	0,15	—	—	0,10	—	»
, 2,90	0,20	1,75	0,03	—	—	—	—	
5,30	0,55	0,90	0,05	—	—	0,003	-—	»
—	0,20	0,15	0,04	—	0,20	—	—	»
4,0	0,20	0,25	0,05	—>	0,15	—	—	
5,0	0,40	1,0	0,04	—	0,20	—	—	»
—	0,70	2,4	0,02	—	0,40	—	—.	»
0,9	0,75	2,5	0,04	—	0,70	—	—	
—	0.25	2,9	0,04	—	—	0,015	—	»
—.	0,85	2,3	0,05	—		——	0,057г	»
5,0	0,4	2,3	0,05	—	—	0,003	0,03В	США
—	1,4	3,0	0,03	—	—	0,006	0,0527г	»
—	1,4	2,3	0,007	—	—	0,0025	0,0627г	»
—	1,4	2,4	0,07	—	—	0,0025	0,0627г	
—	0 45	2,2	0,06	—	—	—	—	»
—	0,35	0,5	0,04	—	—	—	—	»
—	*	*	—	—	——	*	—	Англия
—	*	*			—			*		»
35	3,5	2,5	0,15	—	—	0,01	0,057г	США
—	1,5	3,2	0,08	—	—	0,006	—	»
Таблица 162. Химический состав некоторых отечественных жаропрочных сплавов,
подвергаемых ЭШП

Марка сплава	Содержание основных элементов, %											
	Ге	141	Со	Сг	Мо		!ЧЬ	А1	Т1	Мп	в	Се
ЭИ437А (ХН77ТЮ)	—	Ос- нова	—	20	—	—	—	0,7	2,5	—	—	—
ЭН437Б (ХН77ТЮР)	—	»	—	20	—	—	«—	1	2,5	—	0,01	0,02
ЭИ617 (ХН70ВМТЮ)	—	»	—	15	3	6	—	2	2	-—	—	—
ЭИ867А (ЭШ 09)	—	»	—	9	7,5	7	—	——	6	—	—	—
ЭИ867 (ХН62МВКЮР)	—	»	5	10	10	5,5	—	4,5	—	—	0,01	0,02
(ХН75МБТЮ)	—	»	—	20	2	—	1	0,5	0,5	—	—	—
ЭИ787 (ХН35ВТЮР)	Остаток	35	—	15	—	3	—.	1,5	3	—	0,03	—
ЭИ702 (37НХТЮ)	»	35	—	12	—	—	—	1	3	1	—	—

или остаются в результате реакций, про-
текающих в металле во время его рас-
плавления, затвердевания и охлаждения.
Эти элементы могут оказать серьезное и
часто неожиданное влияние на свойства
жаропрочного сплава. Однако эта про-
блема изучена еще недостаточно. Пока нет
классификации этих элементов примени-
тельно к их воздействию на свойства спла-
вов, нет и терминологии.

Авторы работы [53] предлагают следу-
ющие определения этих понятий:

остаточные элементы — это те элемен-
ты, которые присутствуют в сплаве в ко-
личестве не более 1% по массе и которые
не входят в него в виде составной части
его композиции;

случайно попавшие элементы — элемен-
ты, попавшие из шихты или в результате
взаимодействия с тиглем, при этом имеет-
ся в виду, что соприсутствии такого эле-
мента может быть известно, но количество
его может изменяться;

микроэлементы — элементы, которые
потенциально могут присутствовать, но в
обычной практике при анализе сплава не
выявляются (теллур, сурьма, мышьяк, то-
рий и таллий);

рафинирующие или очищающие добав-
ки — элементы, специально добавляемые
в различных количествах, для удаления
некоторых примесей либо для соединения
с каким-нибудь элементом для образова-
ния безвредных сложных веществ, кото-
рые могут оставаться в металле или уда-
ляться вместе со шлаком (кальций, церий
и мишметалл);

микродобавки — специальные добавки
обычно в количестве не более 0,02% для
того, чтобы достичь желаемого эффек-
та на границах зерен и в матрице или по-
влиять на химический состав формируе-
мого окисла (магний, иттрий, лантан и
гафний).

Вредными для жаропрочных сплавов
считаются: висмут, свинец, серебро, селен,
теллур, таллий, мышьяк, сера, фосфор,
кислород, азот, а в отдельных случаях и
аргон. Наиболее изучено влияние на свой-
ства жаропрочных сталей и сплавов таких
элементов, как сера, фосфор, свинец,
сурьма, висмут, теллур.

Изучая способность жаропрочных спла-
вов к пластической деформации при вы-
соких температурах, установили [87] пре-
дельное содержание свинца, сурьмы и се-
ры, до которого технологическая пластич-
ность заметно не ухудшается. Как видно
из табл. 163, свинец интенсивнее других
ухудшает технологическую пластичность.
Примечательно, что, чем больше содер-
жание в сплаве никеля, тем сильнее вред-
ное действие загрязняющих элементов.

На рис. 190 и 191 показано влияние

Таблица 163. Предельно допустимое
содержание свинца, сурьмы и серы, в
жаропрочных сплавах, % [87]

Сплав	РЬ	8Ь	8
Х15Н60  Х20Н80	0,0010 0,0006	0,010 0,004	0,05  0,01
некоторых вредных микроэлементов на
жаропрочность, а на рис. 192 — их влия-
ние на тепловое охрупчивание жаропроч-
ных сплавов и сталей. Эти данные свиде-
тельствуют о существенном вредном влия-
нии свинца, сурьмы, серы, висмута, тел-
лура на прочностные и технологические
свойства жаропрочных сталей и сплавов.
Фосфор, вредное влияние которого столь
резко проявляется в конструкционных ста-
лях, по данным работы [87], не оказывает
значительного влияния на жаропрочные
свойства.

Таким образом, для получения доста-
точной технологической пластичности и
предотвращения снижения жаропрочности
содержание вредных микроэлементов
должно быть жестко лимитировано.

По данным работы [53], сталелитейная
промышленность США предпринимает
шаги, чтобы определить допустимый уро-
вень содержания микроэлементов в про-
мышленных жаропрочных сплавах. Дан-
ные, приведенные на рис. 193, показыва-
ют, что в различных плавках жаропрочных
сплавов проявляется тенденция к концен-
трации микроэлементов вокруг определен-
ного уровня. В случае кадмия и свинца
разброс показателей небольшой, в то вре-

мя как для селена, олова и мышьяка он
существенно больший.

Для свинца были проведены много-
численные исследования с большим коли-
чеством сплавов, результаты этих иссле-
дований хорошо совпадали. Большинст-
во технических условий США предусмат-
ривает содержание свинца, не превы-
шающее 5 • 10~4%, а природное содержа-
ние его в реальных плавках менее 2 X
X 10-<%.

Влияние кадмия на свойства сплавов
при содержании свыше 6 • 10—4% пока не
известно. Изучение влияния отдельных эле-
ментов на свойства высоколегированных
сплавов продолжается. Для большинства
жаропрочных сплавов на никелевой основе
в США установлены техническими усло-
виями следующие границы содержания
микроэлементов (%) 20 • 10~4 8Ь; 20 - 10~4
Аз; 0,05 • 10-4 В1; 10 • 10- Си; 10 • 10- РЬ;
5 • 10- 8е; 10 • 10-	5 • 10- Те;

5 • 10— Т1; 5 • 10— С(1. Другие элементы
перечисляются как неизвестные, и для них
принят предел, равный 25 • 10-4%.

Наряду с вредными микроэлементами
такие элементы, как кальцин и магний
в определенных количествах могут быть
полезными. В частности, увеличиваются

0,001	0,005	0,009 $Ь
Рис. 191. Влияние висмута (а) и теллура (б)
на прочностные характеристики жаропрочного
сплава на никелевой основе [53].

горячая пластичность (рис. 194), проч-
ность и другие свойства.

Таким образом, примеси, неизбежно
присутствующие в жаропрочных сплавах и
сталях, во многом определяют их эксплуа-
тационные свойства. В свою очередь коли-
чество примесей, присутствующих в спла-
ве, зависит от технологии производства
этого сплава и в первую очередь от чи-
стоты применяемых шихтовых материалов
и методов выплавки.

Жаропрочные сплавы выплавляют в
открытых электродуговых или индукцион-
ных печах, а также в вакуумно-индукци-
онных печах. Жаропрочные сплавы ответ-
ственного назначения подвергаются пере-
плавам, из которых наибольшее распро-
странение получили электрошлаковый и
вакуумнодуговой. Способы выплавки ока-
зывают большое влияние на уровень жа-
ропрочных свойств сплавов, а также и на
стабильность этих свойств.

Поглощение при выплавке кислорода,
азота и водорода — одна из причин пони-
женной жаропрочности сплавов и их пло-
хой технологичности. Кислород, взаимо-
действуя с расплавленным металлом, обра-
зует труднорастворимые тугоплавкие
окислы хрома, алюминия и титана [116].
Эти окислы при затвердевании обволаки-
вают кристаллы металла и служат причи-
ной образования плен.

Азот в сложнолегпрованных трудноде-
формируемых жаропрочных сплавах вре-
ден тем, что, взаимодействуя с хромом,
титаном и алюминием, образует тугоплав-
кие нитриды и карбонитриды, часто в виде
ликвационных скоплений. Эти скопления
ухудшают пластичность сплава при горя-
чей обработке давлением и, следователь-
но, его технологичность [116]. Поэтому
при выплавке и разливке жаропрочных
сталей и сплавов уделяют особое внима-
ние защите жидкого металла от атмосфе-
ры. Это достигается различными спосо-
бами: обработкой шлаками и особенно
выплавкой и разливкой сплавов в вакуу-
ме, когда обеспечивается более полное
удаление кислорода и азота из металла;
для ряда сложнолегированных сплавов
с содержанием 2 (Т1 + А1) > 5% приме-
нение этого метода обязательно [116].

Следует отметить, что выплавка жаро-
прочных сплавов в вакууме способствует
также понижению содержания вредных

Таблица 164. Снижение содержания примесей
в жаропрочном сплаве ЭИ867 в результате
переплавов, % [91]

Металл	ы	РЬ	8	р
Исходный	0,00035	0,00084	0,009	0,008
ЭШП	0,00026	0,00072	0,005	0,008
ПДП	0,00022	0,00056	0,007	0,008
ЭЛП	0,00014	0,00032	0,008	0,009
данным [116],

другим

для жаропрочных свойств примесных ми-
кроэлементов. На рис. 195 приведены дан-
ные об удалении некоторых элементов в
процессе ВИП. Видно, что теллур, свинец,

висмут, медь и селен удаляются хорошо.
Другие элементы, как мышьяк, сурьма,
олово, согласно этим данным, при ВИП

Рис. 194. Обрабатываемость в горячем состоя-
нии сплава Инконель Х-750 с различными мик-
роэлементами [53]:

/ — без добавок; 2 — кальций н магний; 3—магний
высокое содержание).

не удаляются. По
ВИП способствует
ментов.

удалению и этих эле-

Удалению вредных примесей способ-

ствуют также переплавные процессы
(табл. 164). Однако это воздействие пере-
плавов на жаропрочные сплавы не явля-
ется главным, поскольку исходные сплавы
выплавляются довольно чистыми по при-
месным элементам.

Одним из главных факторов, обуслов-
ливающих влияние переплавов па свой-

ства сплавов, является характер кристал-
лизации. Постепенная и направленная
кристаллизация в водоохлаждаемом кри-
сталлизаторе уменьшает зональную и ден-
дритную ликвацию, делает слиток более
плотным и создает условия для более
полного удаления неметаллических вклю-
чений и их измельчения.

Существенным недостатком жаропроч-
ных сплавов является так называемая
пятнистая ликвация, характеризуемая по-
явлением на поперечном макротемплете
Рис. 195. Уменьшение содержания микроэле-
ментов во время ВИП [53].

отдельных темных пятен, представляющих
собой скопления карбидов типа Ме6С. Ча-
ще всего они наблюдаются в центре слит-
ка или заготовки крупного сечения. В об-
разцах, вырезанных из участков, поражен-
ных пятнистой ликвацией, отмечается сни-
жение механических свойств. Перепла-
вы — эффективный способ устранения это-
го дефекта [28].

До недавнего времени основным спо-
собом переплава жаропрочных сплавов
был вакуумнодуговой. В настоящее время
ВДП все больше вытесняется ЭШП. Тем-
пы развития процесса ЭШП значительно
выше, чем у ВДП (рис. 196) [18, 19, 153].

Отмечается [7], что ЭШП в США в
ближайшие годы займет ведущее положе-
ние в производстве жаропрочных сплавов
для авиации (рис. 197). Такая же тенден-
ция наблюдается в Западной Европе и
Японии. Объясняется это рядом причин.
Из высоколегированных сталей и сплавов
производят преимущественно сортовой про-
кат, поковки, штамповки, трубы, лист. Ме-
тодом ВДП получают только круглые
слитки, а ЭШП дает возможность полу-
чать слитки и заготовки произвольной
формы: круглые, квадратные, прямоуголь-
ные, полые, трубы, фасонные отливки

и др. В результате при использовании
слитков ЭШП увеличивается выход годно-
го. Кроме того, выход годного от электро-
да до слитка в случае ЭШП на 5—10%
выше, чем при ВДП. Это, если учесть вы-
сокую стоимость жаропрочных сплавов,
обусловливает существенный экономиче-
ский эффект.

Экономические выгоды использования
ЭШП обусловливаются также более де-
шевым оборудованием и низкими эксплуа-
тационными расходами. Однако не толь-
ко экономикой объясняется преимущест-
венное развитие ЭШП жаропрочных спла-
вов. Часто решающим фактором в при-
менении ЭШП для производства изделий
большого сечения из высоколегированных
сплавов является возможность получения
более крупных и тяжелых слитков с высо-
кооднородной структурой.

По мнению специалистов США, техни-
ческие преимущества ЭШП не подлежат
сомнению — процесс ЭШП обеспечивает
такие возможности, которые не позволяют
получить ни один другой переплавиый или
рафинировочный процесс. Многочисленные
исследования как за рубежом, так и у
нас в стране показали, что по качеству вы-
соколегированные стали и сплавы ЭШГТ
превосходят стали и сплавы ВДП.

Электрошлаковый переплав обеспечи-
вает более высокую равномерность свойств
по высоте и сечению слитка по сравнению
с ВДП, более высокую горячую пластич-

Рис. 196. Рост годового производства и макси-
мальной массы слитков для различных процес-
сов переплава:

а — ЭЛП; б —ВДП; в —ЭШП.
Рис. 197. Содержание жаропрочных сплавов,
полученных методами ВДП (1) и ЭШП (2)
в авиационных газовых турбинах.

ность, что очень важно, например, при
производстве дисков для крупных и сверх-
крупных самолетов; в металле ЭШП
обычно достигается снижение микросегре-
гаций; улучшается распределение вторич-
ных фаз; отсутствуют скопления неметал-
лических включений в виде строчек, це-
почек и т. д. Существенной особенностью
ЭШП является возможность регулирова-
ния состава металла при переплаве.

Наиболее важными факторами регули-
рования состава являются отличные воз-
можности обессеривания и удержание ле-
тучих легирующих элементов. Особенно
большое значение имеет сохранение мар-
ганца и азота. Возможность проведения
небольшой корректировки состава благо-
даря применению специальных шлаков или
тщательно дозируемых добавок в некото-
рых случаях считается целесообразным.
Угар легко окисляемых элементов обычно
компенсируется соответствующим подбо-
ром электродов или добавками легирую-
щих элементов во время переплава. Все
это способствовало тому, что ЭШП занял
прочное место в производстве высоколеги-
рованных сталей и сплавов для авиации,
ракетной и атомной техники в таких стра-
нах, как США, Англия, Франция, ФРГ,

специализирующихся на производстве про-
дукции из этих материалов (табл. 165).

В технической литературе имеется ряд
работ, посвященных сравнительному ис-
следованию свойств жаропрочных сплавов
различных способов выплавки и перепла-
вов.

Ниже представлены результаты оте-
чественных и зарубежных исследований
свойств жаропрочных сплавов ЭШП по
сравнению с аналогичными свойствами
металла ВДП.

Жаропрочные сплавы типа твердых ра-
створов. Сплавы этого типа одними из
первых стали подвергаться ВДП. Типич-
ными представителями этой группы спла-
вов являются сплавы на никелевой основе
(типа Хастеллой В, С, С, 8, X, Г, С-276;
Инконель 600, 601, 625); на кобальтовой
основе (Хайнес 25, 31, 188; МАК-М-302,
МАК-М-509, Х-45); на железоникелевой
основе (Инконель 800, КА-333, И155) и на
железохромоникелевой основе (Г-605).

Сплав Хастеллой X. ЭШП это-
го сплава широко применяется на фирме
«Стеллит дивижн оф Кэбот корпорэйшн».
Эта фирма является одним из крупных
производителей специальных сталей и
сплавов в США. Она располагает печами
ВДП и ЭШП и поэтому может объектив-
но судить о качестве и стоимости спла-
вов, производимых способами ВДП и ЭШП
[44, 129, 145, 146].

С 1967 по 1971 г. фирма выплавила ме-
тодом ЭШП более 4000 слитков обшей
массой 4 млн. фунтов (18,1 тыс. т) кор-
розионностойких и жаропрочных сплавов.
Из этого числа основная часть приходи-
лась на долю жаропрочного сплава типа
твердого раствора Хастеллой X.

Большинство слитков ЭШП имели диа-
метр около 500 мм и массу 5 т. Плавку
производили с использованием флюса на
основе плавикового шпата, известняка и
окиси алюминия. Выплавляли также слит-
ки диаметром 400 и 600 мм, а также сля-
бы со стороной 500 и 100 мм. Из слитков
изготовляли листы, штанги, прутки, про-
волоку. Раньше эта продукция изготовля-
лась из металла ВДП. Продукцию ЭШП
сравнивали с товарной продукцией ВДП.
Методом ВДП плавили слитки преимуще-
ственно диаметром 560 мм, массой 2,5 т.
Таблица 165. Перечень некоторых зарубежных фирм—производителей жаропрочных, жаростойких
и коррозионностойких сплавов и сталей методом ЭШП, а также исследовательских организаций,
занимающихся методом ЭШП

			Слитки		
Фирма	Страна, город	Сплавы, стали	Диаметр или сече- ние, мм	Масса, т	Продукция
Стеллит дивижн оф «Кэбот-корпо- рэйшн» [44, 129, 145. 146]  «Интернэшнл ни- кел Ко» [155]  «Уоллэс Муррэй корпорэйшн» [57]  «Генри Уиггин энд компани» [119]  «Юнион Карбайд Лтд» [113. 139]  «Телидайн Олвэк компани»	[126,  137]  Металлургический исследовательский центр [130, 150]  «Интернэшнл никел лтд» [147]  «Джапэн спешиэл стил корпорэйшн»  Заводы Шкода [52]  «Ферайнигте Эдельштальверке» (бывшая «Гебрюдер Бёлер») [55, 137]	США, Ко- комо  США, Хан- тингтан  США  Англия, Херефорд  Англия, Глоссоп  США, Мон- ро  США Ал- бэни  Англия  Япония  ЧССР, Пльзень  Австрия, Капфенберг	Хастеллой X, Хайнес 718, Рене 95, Юдимет 700, Уэспалой, Хай- нес 263, Рене 41 и др.  Инконель 706  Сплавы 600, 625, 706, 718, 750, 902, Ь-605, КА-330, КА-333  Нимоник РК-31, Ин- конель 718, Нимоник РК-50, Нимоник 80А, .Нимоник 90, Нимоник 263, Нимоник РЕ 11, Нимоник РЕШ, Нимо- ник 901, Николой 800, Монель 400  Юкар 5, Юкар С-263, Юкар 718, А-286, Юкар 90, стали типа Марэйджинг Хастеллой X, Юди- мет 700, И-155, Ь-605, Уэспалой с 3,1% Т1 и 1,75% А1, Рене 41, Инко 718, Инко 750, Инко 901, Никельвак А-286, Никельвак	Н-Х,  625, Н-К', 16-25-6, И155  МАК-М302, МАК-М509, Х-45;	аустенит- ные	нержавеющие  стали типа А181 316 и др.  Сталь типа Марэйд- жинг (18% № — 8% Со —5% Мо—ТО  Инконель	700,  12%-ные хромистые нержавеющие стали А181403  12%-ные нержавею- щие хромистые стали Т60 и др.  Немагнитные стали 18% Мп —4,5% Сг — 0,5% С, Хастел- лой X, А-286, Ь-605	400, 500, 600 Слябы 500 X Х1000 635,1016  405 и др.  Нет дан- ных  270, 300, 430  330  76, 89, 127, 406 и др.  Нет дан- ных  То же  » »  406, 666 и др.	До 5  6,8—9,1  Нет дан- ных  То же  1,0 и др.  Нет дан- ных  То же » »  1,1—4,0  Нет дан- ных	Поковки, штанги прутки, проволо- ка, листы, исполь- зуемые в авиации  Заготовки деталей газотурбинных двигателей  Поковки, прутки, трубы и др.  Продукция для авиационной про- мышленности  Корпуса и коль- ца для авиацион- ных двигателей  Нет данных  Лопатки газотур- бинных двигате- лей; для атомных реакторов  Самолетные кон- струкции (шасси и др.)  То же  Лопатки паровых турбин  Стопорные кольца (капы) для генера- торов и электро- двигателей ..... ...
Продолжение табл. 165

Фирма	Страна, город	Сплавы, стали	Слитки		Продукция
			Диаметр или сече- ние, мм	Масса, т	
«Юнион Карбайд» 1137]	США	Хастеллой X, В, С; Б-605	305, 610 и др.	Нет дан- ных	Нет данных
«Крезо Луар»  (бывшая КАФЛ) |137|	Франция, Крезо и др.	Хастеллой X, К-155, А-286	305, 585 и др.	То же	Самолетные детали и др.
Институт доктора- инженера Райнгар- да Страумана [154]	Франция, Вальден- бург	А181 316 и др.	Нет дан- ных	» »	В медицине для имплантантов и протезов
«Бритиш стил кор- порэйшн» (в том числе «Электрослэг рифайнинг техно- лоджи») [136, 143]	Англия, Шеффилд и др.	Жаропрочные сплавы на никелевой основе, коррозионностойкие стали 18-10,	18-9  (А181 304) и др.	То же	» »	Нет данных
«Эцтек мэталз» 1140]	США, Питсбург	Нержавеющие стали, жаропрочные сплавы	» »	» »	Изделия для авиа- ции, ракет, элект- ронной промыш- ленности и др.
Политехнический институт (156]	ПНР, Като- вице	Хромистые жаростой- кие стали (12—27% Сг, 3—7% А1, Ее — остаток)	» »	» »	Нагреватели тер- мических печей
Индийский техно- логический инсти- тут стали [135]	Индия, Бомбей	Аустенитные нержа- веющие стали типа А181 304 и др.	» »	» »	Для химических и атомных реакто- ров
«Электротэрм кор- порэйшн» [134]	США, Ин- диана	Нержавеющие стали по методу СЕ8М (пе- реплавляется лента -|- металлический по- рошок)	» »	»	5>	Турбинные лопат- ки и др.

П ри ме ч а н и е. ЭШП жаропрочных сплавов производят также фирмы «Брэйборн Аллой», «Камерун Айрон»
«Карпэитэр техиолоджи», «Лэтроуб стил», «Спешиэл мэталз», «Универсаль сайклопс», «Инко-Хинтиидрои дивижи
[137], «Токусюко» [128] и др.

а также слитки диаметром 500 мм, мас-
сой 5 т.

Весьма тщательно изучали изменение
химического состава сплава при этих про-
цессах. По мнению этой фирмы, сплав
Хастеллой X служит идеальным объектом
для сравнения переплавных процессов.
Сплав, состоящий из 10 элементов, необ-
ходимо переплавлять, соблюдая очень точ-
ные пределы по химическому составу.

Для проведения прямого сравнения
были взяты данные 140 различных плавок
сплава Хастеллой X (83 плавки ЭШП и
57 плавок ВДП), что составило около
2100 т металла. В табл. 166 представлены

фактические данные по изменению хими-
ческого состава сплава Хастеллой X при
ЭШП и ВДП одной конкретной плавки,
а в табл. 167 — статистические данные 140
плавок. Несмотря на то что ни один из
этих процессов значительно не изменяет
химического состава металла, показатели
металла ЭШП несколько выше, чем у ме-
талла ВДП.

Сплав Хастеллой X, как и большинство
высоколегированных сплавов, очень скло-
нен к сегрегации, что совершенно недо-
пустимо для прутков и толстых листов.
ЭШП явился радикальным средством лик-
видации этого порока (табл. 168, рис. 198).
Рис. 198. Распределение оксидных включений в
сплаве Хастеллой X в зависимости от способа
его получения [44] (О'/гГ < О1Г< ОР/г?1 —
размер включений; с—-среднее значение раз-
мера включений):

а — листы толщиной 1—2 мм; б — горячекатаная
полоса 25,4 X 76 мм.

Исследования чистоты сплавов произ-
водили по методу О стандарта А5ТМ
[131]. На рис. 198 ясно видно, что в ме-
талле ЭШП включения несравненно мель-
че, а крупные включения встречаются зна-
чительно реже, чем в металле ВДП. Сле-
довательно, ЭШП обеспечивает более вы-
сокую гомогенность сплава хастеллой X.

После просмотра в течение последних

Таблица 166. Изменение состава сплава

Хастеллой X после ЭШП и ВДП [44]

Элемент	Содержа- ние в слитке, %	Изменение химического со- става (содержание элемента в слитке минус содержание его в электроде). %	
		ЭШП	ВДП
с	0,08	0,00	0,00
Со	2,00	0,02	0,02
Сг	21,8	0,05	0,09
Ре	18,5	0,09	0,03
Мп	0,6	0,01	0,00
Мо	9,0	—0,0]	0,02
Р	0,02	0,00	0,00
8	0,005	0 00	0,00
81	0,4	—0,01	0,01
	0,5	—0,02	—0,02
А1	0,2	—0,06	0,00

10 лет многих сотен микроструктур сплава
Хастеллой X работники фирмы убедились,
что продукция ЭШП содержит карбидные
включения более тонкие и равномерные
по размеру и более мелкие оксидные вклю-
чения, чем металл ВДП и тем более ме-
талл обычной выплавки.

Более высокая чистота и гомогенность
сплава Хастеллой X электрошлаковой
выплавки сказались на его свойствах
(табл. 169, рис. 199 и 200). Из рис. 199
следует, что прочность и пластичность
сплава ЭШП находятся в более узких пре-
делах, чем у металла ВДП и ЭД (X на
рис. 199 соответствует среднему значению
свойств). Статистическая обработка дан-
ных по качеству металла сотен плавок
Хастеллой X, полученного методами ЭШП
и ВДП, показала следующее: химический
состав сплавов после ЭШП и ВДП равно-
значен; прочность металла практически
одинакова; разброс данных по пределу
прочности при ЭШП меньше, что позво-
ляет существенно повысить минимальную
конструктивную прочность; металл ЭШП
имеет большую среднюю пластичность;
для металла ЭШП характерен меньший
разброс по пластичности, что также обес-
печивает более высокий практический ми-
нимум.

В 1971—1974 гг. фирма произвела ме-
тодом ЭШП еще около 50 млн. фунтов
(23 тыс. т) этих сплавов. Данные, полу-
ченные за это время, позволяют с уверен-
ностью подтвердить выводы, сделанные
в 1971 г. [52]: качество катаного металла
Рис. 199. Механические свойства горячеката-
ных прутков размером 25,4 X 76 мм из сплава
Хастеллой X [44]:

1 — ЭШП, 2 — ВДП; 3 — ЭД. Данные приведены к
нормальному распределению.

ЭШП превосходит качество подобного ме-
талла после ВДП [55].

Сплав Б-605. Обширные исследова-
ния по выбору оптимальной технологии
производства жаропрочных сплавов на ни-
келекобальтовой и железоникелевой осно-
вах типа твердых растворов Б-605, РА-330,
ЕА-333 провела в новом плавильном цехе
в г. Саймонде фирма «Уоллэс Муррэй
корпорейшн» (США). Сравнивали три ме-
тода плавки: ЭД, ЭШП и ВДП. Было
установлено, что ЭШП обеспечивает рав-
номерное распределение всех элементов
как по высоте, так и по сечению слитка.
В химическом составе сплавов, получен-
ных методами ЭШП и ВДП, практически
не наблюдается никакой разницы, если

не считать незначительного угара марган-
ца при ВДП (табл. 170).

Слитки обоих типов ЭШП и ВДП
имеют равномерную мелкозернистую струк-
туру, свободную от пористости и сегрега-
ции. Степень загрязненности металла
ЭШП микровключениями всех типов удов-
летворяет самым строгим требованиям по
чистоте.

Механические испытания сплава 1.-605
(табл. 171) не выявили какой-нибудь су-
щественной разницы между материалами
ЭШП и ВДП и показали, что электро
шлаковый металл удовлетворяет требова
ниям технических условий.

Кобальтовые жаропрочные
сплавы. По ЭШП суперсплавов на ос-,
нове никеля накоплен большой опыт,
а сплавам на основе кобальта не было
уделено достаточного внимания. В отли-
чие от сплавов на основе никеля кобаль-
товые сплавы относятся к упрочняемым

Таблиц а

167.

Изменение химического состава

при переплаве сплава Хастеллой X, %

[44]

Способ про- изводства и состояние металл?	Сг	Мо	Ее		Со	81	Мп	С	ч	
ЭШП: X	0,05	—0,01	0,09	—0,02	0,02	—0,01	0,01	0	0	0,0001
V	0,20	0 06	0,18	0,03	0,06	0,02	0,04	0,01	0,001	0,002
ВДП:  X	0,09	0,02	0,03	—0,02	0,02	0,01	0	—0,002	0,0001	0,001
V	0.24	0.07	0,13	0,03	0,07	0,03	0,02	0,01	0,002	0,003

Примечание: X и X — разница между химическим составом соответственно слитков ЭШП н ВДП и'.ме-
талла ковшовой пробы; У и V — то же, но в готовой продукции (штангах).
Таблица 168. Чистота сплава Хастеллой X
после ЭШП и ВДП [145]

Способ рафини- рования	Изделие	Количество пла- вок, шт.	Количество и с- пытаний	Характеристи- ка ЧИСТОТЫ сплава	
				Д	к ’*  ° 5 ф с	2	к	—	ф  з-	5	ф	к  X	О	X	ф  с	5	2	2  3 о к л и « х с	Процент таких полей
эшп	Лист	140	413	412	99
	Пруток	165	502	379	76
ВДП	Лист	7	20	18	90
	Пруток	100	288	• 55	19

Таблица 169. Механические свойства
прутков из сплава Хастеллой X [126]

Свойства	Среднее отклоне- ние значений свойств металла, полученного ме- тодом		Средние зна- чения свойств металла, по- лученного обоими мето- дами
	ЭШП	ВДП	
ов, кгс/мм2	0,37	—0,40	75,9
о0 2 кгс/мм2	0,19	—0,19	34,0
б, %	0,31	—0,25	50
ф, %	1,10	—1,14	54,3

карбидами, в них могут присутствовать
также легкоокисляющиеся элементы: алю-
миний и титан и такие летучие элементы,
как марганец и азот, обычно ухудшающие
поверхность слитка при ВДП.

Рост столбчатых кристаллов, характер-
ный для ЭШП, способствует, как было
установлено, улучшению свойств сплавов
на основе никеля. Можно ожидать анало-
гичное влияние его и на сплавы на основе
кобальта.

Исследование влияния ЭШП и ВДП
на свойства жаропрочных сплавов на ос-
нове кобальта было проведено в американ-
ском металлургическом исследовательском
центре в Олбэни [150]. Исследовали спла-
вы МАК-М302, МАК-М509 и Х-45 (табл.

Рис. 200. Горячая пластичность сплавов Юди-
мет 700 (штриховые линии) и Хастеллой X
(сплошные линии), произведенных методами
ЭШП и ВДП [145].

172). Условия переплава приведены в
табл. 173. После переплава сплавы иссле-
довались в литом виде.

Поверхность слитков ВДП обычная,
характерная для этого процесса, поверх-
ность слитков ЭШП на трехкомпонентном
флюсе гладкая, хорошая, на четырехком-
понентном — удовлетворительная.

Для всех трех сплавов отличие в твер-
дости слитков, изготовленных ЭШП и
ВДП, было несущественным. Оба процесса
снижают содержание окислов в слитках.

В отношении включений глобулярных
окислов ЭШП имеет преимущества перед
ВДП только для сплава МАР-М509, во
всех остальных случаях преимущества не-
ощутимы. Распределение карбидной фазы
в слитках ЭШП более благоприятное,
равномерное; при ВДП преобладает разо-
рванная структура (т. е. имеют место
скопления карбидной фазы типа МеС).
Таблица 170. Распределение химических элементов по высоте и сечению слитков ЭШП сплава
Ь-605, Го [57]

Место отбора проб	С	Мп		Сг	Ре	и7
Ковш (из дуговой печи)	0,15	1,67	10,29	20,37	2,42	14,58
Голова слитка ЭШП	0,17	1,68	10,51	20,26	2,45	14,46
Низ слитка ЭШП	0,16	1,69	10,55	20,77	2,39	14,46
Край слитка ЭШП	0,16	1,70	10,56	20,25	2,36	14,46
Центр слитка ЭШП	0,16	1,69	10,54	20,23	2,42	14,46
Голова слитка ВДП	0,15	1,43	10,41	20,26	2,38	14,43
Низ слитка ВДП	0.15	1,45	10,37	20,32	2,38	14,38

Таблица 171. Данные испытаний

на растяжение сплава Ь-605 (продольное
направление, образцы 57 мм. Отжиг при 1230° С,
закалка в воде) |57]

Показатель	ЭШП	ВДП	Техниче- ские условия ЛМ8 57590
т =	20° С		
стр, кгс/мм2	104	107,2	>87,5
п0>2, кгс/мм2	56,3	58,8	>31,5
б (на базе 100 мм), %	54,0	49,2	>30
НВ, кгс/мм2	234	265	^295
7 =	810° С		
Р, кгс/мм2	21	21	>16,8
т *, ч	55,3	59,5	>25
6 (на базе 100 мм), %	15,7	18	>10

•л —время до разрушения.

Таблица 172. Свойства сплавов на основе
кобальта [150]

Сила г	Средняя твердость (ВН/У) **	Температура плавления	
		ор	°с
МАК-М302	398 ±3	2424—2442	1329—1339
МАР-М-509 *	396 ±1	2417—2493	1325—1367
Х-45	286 ±4	2431—2518	1333—1381

* Кованый материал.

** Определение твердости: нагрузка 3000 кгс. стальной
шаонк диаметром 10 мм, среднее из восьми измерений.

Трехкомпонентные флюсы (табл. 173) луч-
ше обеспечивают рафинирование металла.

В отношении химической очистки ме-
талла, за исключением фосфора и серы,
содержание которых уменьшилось с 0,0015
до 0,0005% и до 0,0005%, ЭШП не имеет
преимуществ перед ВДП.

Таблица 173. Условия ЭШП и ВДП слитков диаметром 89 мм из кобальтовых сплавов* [150]

Марка сплава	Способ выплавки	Диаметр или се- чение расходуе- мых электро- дов. мм	Состав флюса **. %				Защита расплава
			СаР2	СаО	А1гО,	мро	
МАК-М302	ЭШП	50; 70; 86	65  54  40  30	25  29  37  15	10  17  23  40	15	Гелий, 1/3 ати
	ВДП	50; 70; 86	—	—	—	—	В вакууме
МАК-М509	эшп	57	65  54  40  30	25  29  37  15	10  17  23  40	15	Гелий, г/3 ати
	ВДП	57	—	—	—	—	В вакууме
Х-45	эшп	45 X 50	30	15	40	15	Без за щиты на воздухе
	ВДП	45 X 50	—	—	—	—	В вакууме

•ЭШП производили на переменном токе. ВДП — на постоянном прямой полярности (минус на электроде).
•Сухой старт; 600—700 г флюса на плавку
Рис. 201. Жаропрочность кобальтовых лопаточ-
ных сплавов типа МАК-М302 (а), МАК-М509
(б) и Х-45 (в) в литом виде после ВДП и
ЭШП:

1— ВДП; 2—ЭШП, флюс 65-25-10; 3 — ЭШП, флюс
54-29-17; 4 — ЭШП. флюс 40-37-23; 5 — ЭШП. флюс
30-15-15-40 (см. табл. 173).

Для обоих сплавов типа МАР данные
испытаний на растяжение в интервале
температур 20—1095° С после ЭШП выше,
чем для образцов после ВДП. Прочность
сплава Х-45 ВДП при температурах до
800° С несколько выше, чем ЭШП (39,0 и
38,0 кгс/мм2), а предел текучести при всех
температурах испытаний одинаков.

Относительное удлинение и сужение
для всех трех сплавов ЭШП в интервале
температур испытаний 20—1095° С выше,
чем у металла ВДП, и, что главное, на-
блюдается меньший разброс данных от
минимума к максимуму.

Жаропрочность сплава МАР-М302
ЭШП во всех случаях выше, чем ВДП,
а сплавов МАР-М509 и Х-45 при темпе-
ратурах 815 и 760° С (рис. 201). При тем-
пературе 1095 и 1040° С последние два
сплава ВДП имеют некоторое преимуще-
ство перед ЭШП.

Жаропрочные сплавы с интерметаллид-
ным упрочнением. Существенную часть в
производстве жаропрочных сплавов ЭШП
составляют дисперсионно твердеющие
сплавы, содержащие такие легирующие
элементы, как алюминий, титан, бор, нио-
бий, тантал.

Повышение прочностных свойств спла-
вов вследствие дисперсионного твердения
широко используется в современной тех-
нике. Принципиальной основой создания
стареющих материалов является введение

в их состав элементов, обладающих пере-
менной растворимостью в твердом раство-
ре, что позволяет получать пересыщенную
матрицу путем закалки из однофазной об-
ласти. В подавляющем большинстве слу-
чаев упрочнение при старении сопровож-
дается снижением пластичности и повыше-
нием порога хладноломкости материала.

Дисперсионно твердеющие жаропроч-
ные сплавы на никелевой основе, содержа-
щие мелкодисперсные частицы, которые
имеют направленную ГЦК-структуру, ши-
роко используются для изготовления
сложных деталей, подвергающихся дей-
ствию высоких температур в авиационных,
морских и промышленных газовых турби-
нах. Обычные методы выплавки этих спла-
вов не могут обеспечить необходимого ка-
чества металла. В связи с этим техноло-
гия производства дисперсионно твердею-
щих жаропрочных сплавов на никелевой
основе обычно объединяет процессы ВИП
и ЭШП. Процесс ВИП, используемый как
первичная плавильная операция, несколь-
ко улучшает сплав и дает следующие пре-
имущества: точность химического состава;
низкое содержание окислов и нитридов;
низкое содержание вредных примесей.

Вторичный процесс, который следует
выбрать для производства поковок, дол-
жен ие только сохранить эти свойства, но
и дополнить их, в частности он должен
обеспечить отличную кристаллическую
структуру слитка, дальнейшее удаление
включений, дальнейшее химическое рафи-
нирование (при необходимости), макси-
мальную изотропность свойств, минималь-
ную добавочную стоимость, максимальный
выход годного металла.
Таблица 174. Изменение химического
состава сплава Хайнес 718 после

ЭШП и ВДП [44]

Элемент	Содержание в слитке. %	Изменение химическо- го состава %	
		ЭШП	вдп
с	0,05	—0,01	—0,01
Со	0,50	—0,01	—0,01
Сг	18,2	0,01	0,03
Ге	19,1	0,03	0,03
Мп	0,20	0,00	—0,02'
Мо	3,1	—0,02	—0.01
Р	0,01	0,00	0,00
8	0,005	0,00	0,00
81	0,10	—0,01	—0,01
А1	0,50	—0,06	0,00
\'Ь	5,00	—0,01	0,00
Си	0,05	0,00	0,00
Та	0,10	0,00	0,00
Т1	1,00	—0,02	—0,02

* Содержание элемента в слитке минус содержание его
в электроде

Как указано в работе [16], исследова-
ние трех основных процессов вторичного
рафинирования (ВДП, ЭШП, ЭЛП) пока-
зало, что наилучшим образом всем ука-
занным условиям отвечает ЭШП, который
потенциально является оптимальным про-
цессом вторичного рафинирования для жа-
ропрочных сплавов на никелевой основе.

Дуплекс-процесс ВИП + ЭШП позво-
ляет изготовлять слитки для прямой ков-
ки, достаточно однородные и практически
не содержащие вредных включений окси-

дов, силикатов и сульфидов. Содержание
оксидов в них ниже 0,001%, серы — ниже
0,004%, имеется небольшое количество
изолированных и равномерно распределен-
ных частиц нитридов и карбонитридов ти-
тана, соответствующих содержанию азо-
та 0,004 0,006%;

Американская фирма «Стеллит ди-
вижн оф Кэбот корпорэйшн» освоила про-
цесс ЭШП сплавов Уэспалой, Хайнес 718,
Хайнес 263, Рене 41, Рене 95, Юдимет 700
и др., упрочнение которых достигается
вследствие выделения у'- и т"-фаз, слож-
ных карбидов, фазы Лавеса и др.

Влияние ЭШП на химический состав
этих сплавов является постоянным и угар
таких элементов, как титан и алюминий,
легко компенсируется по ходу плавки.
Поэтому не возникает никаких особых
проблем по поддержанию химического со-
става этих сплавов в довольно узких пре-
делах, обусловленных техническими усло-
виями.

Не было и трудностей по сохранению
химического состава при ЭШП сплавов с
реакционными элементами типа алюминия
и титана на фирме «Телидайн Олвэк ком-
пани» (США), производящей сплавы Ре-
не 95, Никельвак Х-750, Юдимет 700,
Инконель 901 и др. [126, 137] (табл. 174,
175).

Ниже приводятся свойства некоторых
марок сплавов с интерметаллидным упроч-
нением, произведенных методом ЭШП.

Таблица 175. Изменение химического состава елнтков диаметром 330 мм из сплавов Х-750
и Рене 95 в процессе ЭШП [126]

Сплав	Объект анализа	с	Мо	XV	Сг	Со	ЫЬ/Та	Т1	А1	8	Ее
Рене 95	Электрод  Слиток № 1:  донная часть:	0,141	3,5	3,47	14,15	7,90	3,40	2,49	3,74	0,003	—
	поверхность	0,142	3,51	3,46	14,10	7,89	3,39	2,43	3,57	0,002	—
	К/2	0,140	3,55	3,50	14,04	7,86	3,45	2,44	3,55	0,002	—
	середина, поверхность  Слиток 2:	0.139	3,51	3,55	14,01	7,91	3 42	2,46	3,59	0,002	—
	головная часть	0,143	3,51	3,50	14,02	7,93	3,43	2,43	3,58	0,002	—
	донная часть	0,138	3,54	3,47	14,05	7,86	3,42	2,40	3,56	0,002	—
Никель- вак	Электрод Слиток:	0,06	—	—	15,20	—	0,99	2,75	0,87	0,002	8,30
Х-750	головная часть	0,06	—	—	15,17	—	1,00	2,73	0,80	0,001	8,29
	середина	0,07	—	—	15,31	—	1,00	2,70	0,86	0,001	8,23
	донная часть	0,07	—	—	15,30	—	1,01	2,75	0,88	0,001	8,32
Сплавы на железоникеле-
вой основе. Долгое время жаропроч-
ные сплавы на железоникелевой основе
не могли конкурировать со сплавами на
никелевой и кобальтовой основах вслед-
ствие непостоянства жаропрочных свойств,
связанного с загрязнением шихты (желе-
за) легкоплавкими вредными примесями.

В последнее время благодаря разра-
ботке новых технологических приемов,
обеспечивающих высокое металлургиче-
ское качество этих сплавов (вакуумная
плавка, ЭШП и др.) в сочетании с их
комплексным легированием, и использо-
ванию специальных режимов термообра-
ботки эти сплавы успешно применяют как
у нас, так за рубежом при изготовлении
многих деталей газотурбинных двигателей.

Ниже рассмотрены свойства двух спла-
вов этого класса (ЭИ702 и ЭИ787) отече-
ственного производства.

Сплав ЭИ702 (86НХТЮ). Сплав ЭИ702
применяется для упругих элементов прибо-
ров различного назначения. При исследо-
вании качества указанного сплава [10], из-
готовленного различными переплавами,
отмечено, что после всех переплавов содер-
жание кислорода и азота снижалось. Ос-
новным видом включений в сплаве ЭИ702
всех исследованных способов выплавки
являются нитриды титана.

Применение ЭШП при выплавке этого
сплава приводит к изменению распределе-
ния включений. В обычном металле ни-
триды располагаются в основном строч-
ками, а в переплавленном — равномерно
в виде разрозненных частиц. Наиболее
благоприятно распределяются включения
в металле ЭШП (строчки включений здесь
отсутствуют). При ЭШП интервал горя-
чей пластичности сплава ЭИ702 повышает-
ся и существенно расширяется.

При исследовании дендритной ликва-
ции и анизотропии механических свойств
жаропрочного дисперсионно твердеющего
сплава ЭП452, аналогичного по составу
ЭИ702, выплавленного в кристаллизаторе
диаметром 250 мм методом ЭШП [20],
установлено, что коэффициент распределе-
ния легирующих элементов увеличивается
от поверхности к центру слитка с ростом
дендрита; наибольшую степень дендритной

ликвации имеет металл центра слитка.
Титаном и никелем обогащаются межос-
ные участки, хромом — оси дендритов.
Наиболее сильно ликвирует титан. Вслед-
ствие сильного обогащения межосных уча-
стков титаном кристаллизация в них за-
вершается образованием фазы сложного
состава на основе РеТй Коэффициент се-
грегации титана составляет 1,5—1,7; нике-
ля 1,2—1,3. Установлено, что технологиче-
ская пластичность металла ухудшается с
ростом дендритной ликвации основных ле-
гирующих элементов от поверхности к цен-
тру слитка.

Показатели анизотропии сплава возра-
стают с увеличением степени укова слит-
ка. Металл, полученный методом ЭШП,
имеет меньшую анизотропию механиче-
ских свойств по сравнению с металлом
ЭД. Так как показатель анизотропии за-
висит от распределения неметаллических
включений и упрочняющих фаз в сплаве,
при температуре 1180° С анизотропия
свойств незначительна, что обусловлено
высокой чистотой электрошлакового метал-
ла. Анизотропия пластичности проявля-
ется лишь в области двухфазного состоя-
ния (20—70,0° С).

Сплав ЭИ787 (ХН35ВТЮ). Жаропроч-
ный сплав ЭИ787 находит применение как
заменитель некоторых сплавов на никеле-
вой основе. Низкое качество металла обыч-
ной выплавки в процессе штамповки от-
ветственных деталей приводило к забра-
кованию целых партий. Установлено, что
среднее содержание кислорода в слитке
ЭШП составляет 0,0041% вместо 0,0080%
в металле обычной выплавки. Предел
прочности исходного и электрошлакового
металла в литом и деформированном со-
стоянии практически одинаковый.

Относительное удлинение электрошла-
кового литого металла при всех темпера-
турах испытания более чем в 2 раза вы-
ше, чем у металла обычной выплавки. Для
деформированного металла это превыше-
ние составляет 20—25% (см. рис. 91). По-
перечное сужение литого металла ЭШП в
интервале 800—1100° С больше, чем метал-
ла обычной выплавки, на 10—15%. Для
деформированного металла при темпера-
туре 800° С этот показатель у металла
ЭШП выше примерно в 4 раза, а при бо-
лее высоких температурах (900—1100° С)
выше на 10—15%. Как и относительное
удлинение, поперечное сужение при тем-
пературе выше 1100° С резко снижается в
результате образования по границам зе-
рен легкоплавкой эвтектики (см. рис. 92).

Результаты испытаний образцов на
разрыв показывают, что наибольшая плас-
тичность электрошлакового литого и де-
формированного металла наблюдается в
интервале температур 800—1100° С, а для
металла обычной выплавки в интервале
950—1100° С, т. е. температурный интер-
вал деформации электрошлакового метал-
ла практически в 2 раза больше.

Результаты ударных испытаний пока-
зывают, что сопротивление изгибу при ди-
намических нагрузках электрошлакового
литого металла при температурах испыта-
ния 900—1000° С на 40—50% выше, чем
литого металла обычной выплавки. Итоги
испытаний образцов на кручение до из-
лома показывают, что абсолютное число
скручиваний до разрушения литого и де-
формированного электрошлакового метал-
ла при всех температурах испытаний в
2 раза больше, чем металла обычной вы-
плавки (см. рис. 94).

Определение технологической пластич-
ности и удельного сопротивления дефор-
мации сплава ЭИ787 обычной выплавки и
электрошлакового переплава производили
равномерной и неравномерной осадкой
(с бочкообразованием). При осадке под
прессом испытывали образцы высотой
40 мм и диаметром 30 мм; при осадке под
копром — образцы вдвое меньших разме-
ров. Испытания, которые производили в
интервале температур 800—1200° С, пока-
зали, что с повышением температуры де-
формации удельное давление течения ме-
талла обычной выплавки и электрошлако-
вого металла линейно падает. При одной и
той же температуре и степени деформации
удельное давление течения электрошлако-
вого литого металла на 15—30% меньше,
чем у литого металла обычной выплавки.
Это означает, что для деформации элек-
трошлакового металла требуется менее
мощное кузнечно-прессовое оборудование.

Технологическая пластичность, или до-
пустимая степень деформации без разру-

шения металла, характеризуется следую-
щими параметрами:

а)	для литого металла обычной вы-
плавки максимально допустимая степень
деформации составляет 30%; интервал
температур деформации 200 град (900—
1100° С);

б)	для литого электрошлакового ме-
талла допустимая степень деформации со-
ставляет 40%, т. е. на 33% выше, чем для
металла обычной выплавки; интервал тем-
ператур деформации 300 град (800—
1100° С), т. е. в \'!г раза больше;

в)	для деформированного электрошла-
кового металла допустимая степень дефор-
мации при всех температурах испытания
на 25—30% выше, чем для литого.

Расширение температурного интервала
и увеличение допустимой степени дефор-
мации без разрушения в результате ис-
пользования метода ЭШП создают очень
благоприятные условия для качественной
обработки давлением сплава ЭИ787. Ис-
следования подтвердили, что ЭШП улуч-
шает пластичность и несколько расширяет
в сторону высоких температур интервал
пластической деформации сплава ЭИ787
(табл. 176), который при обычной выплав-
ке имеет крайне узкий температурный ин-
тервал горячей деформации.

Сплавы на никелевой и ни-
келекобальтовой основе. Жаро-
прочные сплавы на никелевой основе обыч-
но [115] разделяют на две группы: спла-
вы, содержащие Т1 + А1 и упрочняющиеся
вследствие образования интерметаллидной
фазы у' [М1з(Т1А1)], и сплавы, содержа-
щие только алюминий и упрочняющиеся
фазой М1зА1.

Ниже рассмотрены свойства жаропроч-
ных сплавов ЭШП как первого (ЭИ437А,
ЭИ437БУ, ЭИ617, ХН73МБТЮ), так я

Таблица 176. Влияние ЭШП на ударную
вязкость сплава ЭИ787

Техноло- гия про- изводства	<зн (кгс-м/см2) при темпера- туре.						
	1100	1120	изо	1140	1160	1200	1250
эд	12,5	6,8	6,2	4,1	2,3	0,8	0,3
эд +  + ЭШП	22,8	21,7	14,8	6,0	3.4	1,9	0,4
Таблица 177. Изменение химического состава сплавов после ЭШП и ВДП, %

Сплав	Спо- соб пере- дела	с	Мп	5!	8	р	Сг	Ге		в	Т1	А1	Си
ЭИ437БУ*  ЭЧ437А **	ВДП ЭШП  »	—0,01  0,00  4-0,05	—0,06 0,00 0,00	+0,08  +0,05  0,00	0,00  0,00  0,00	+0,01 0,00 0,00	—0,16  —0,04	0,00  0,00		-0,0022  -0,011	0,00  0,00  —0,01	—0,019  —0,012 +0,03	0,00  0,00

* Данные М. И. Кричевец, Д. Я. Поволоцкого. Н В Кейса
** Данные Л. А. Дедушева, В. В Топилина, Н. Н. Игнатова.

второго типа (ЭИ867, ЭП8б7а). Наряду с
этим приведены свойства электрошлако-
вых жаропрочных сплавов, легированных
бором (ХН77ТЮР1, ЭП487РЛ), упрочне-
ние которых достигается за счет интерме-
таллидной и боридной фаз.

Зарубежные сплавы с интермета ллид-
ным упрочнением на никелекобальтовой
основе, известные в Англии под марками
Нимоник и Юкар, а в США — под марка-
ми Инконель, Юдимет, Рене, Инколой
и др., выделены в отдельный подраздел.

Сплавы ЭИ437А (ХН77ТЮ) и ЭИ437БУ
(ХН77ТЮР). Эти сплавы применяют для
изготовления рабочих лопаток, турбинных
дисков, колец и других деталей газовых
турбин, работающих при температурах
600—750° С. Они относятся к дисперсион-
но твердеющим сплавам, упрочнение ко-
торых связано с выделением интерметал-
лидной у'-фазы. Сплав ЭИ437БУ отлича-
ется от сплава ЭН437А присадкой бо-
ра в количестве 0,005—0,008%, вводимой
для увеличения его длительной проч-
ности.

Изучение свойств сплавов ЭИ437А и
ЭИ437БУ ЭШП показало, что, несмотря
на присутствие в их составе высокореак-
тивных элементов, таких, как титан и
алюминий, их содержание в сплаве мож-
но контролировать. Применение восстано-
вительной атмосферы при ЭШП сплава
ЭИ437А и раскисления шлака алюминие-
вым порошком при ЭШП сплава ЭИ437БУ
позволило обеспечить полное усвоение ти-
тана и алюминия из исходного металла
(табл. 177). Раскисление шлака алюмини-
ем вызывает также восстановление неко-
торого количества магния из шлака (до
0,019—0,022%).

Повышение концентрации магния при

ЭШП сопровождается возрастанием дли-
тельной прочности сплава ЭИ437БУ по
сравнению с исходным металлом (в 1,7—
1,9 раза). Испарение магния в процессе
ВДП приводит к определенному снижению
длительной прочности по сравнению с
исходным металлом, содержащим магний.
Уменьшение длительной прочности носит
незакономерный характер и не зависит ни
от расчетной добавки магния при выплав-
ке исходного металла, ни от его содержа-
ния в расходуемых электродах.

Содержание кислорода в сплаве
ЭИ437БУ ЭШП и ВДП было примерно
одинаково и составляло 0,0012—0,0016%.
Концентрация-водорода уменьшилась с 4,3
до 2,3—3,0 см3 на 100 г, а азота — с 0,007
до 0,005% в обоих случаях.

Макроструктура металла кованой за-
готовки сплава ЭИ437БУ ЭШП характе-
ризовалась плотностью и однородностью
и не имела каких-либо дефектов.

Величина микрозерна при увеличении
100 оценивалась баллами 6—5. Границы
зерен при содержании магния 0,019% чи-
стые, тонкие. Наблюдались мелкие не-
грубые карбиды хрома, расположенные по
границам и внутри зерен.

Таблица 178. Механические свойства
сплава ЭИ437А ЭШП при 20° С
(данные Л. А. Дедушева, В. В. Топилина,
Н. Н. Игнатова)

Атмосфера печи	Механические свойства			
	<^В’ кгс/мм2	кгс/мм2	6, %	%
Восстанови- тельная Аргон	112,3  101,2	69,7  60,8	31,7  39,5	41,3  42,1
Рис. 202. Длительная прочность сплава ЭИ437А,
выплавленного в атмосфере аргона (1) и в
восстановительной атмосфере (2):

/ — при 700' С и о = 36 кгс/мм2: II— при 700° С и
о = 40,0 кгс/мм2; Ш— при 600° С и о = 30 кгс, мм2.

Таблица 179. Содержание газов
в сплаве ЭИ617 до и после переплава [91, 97]

Металл	Общее содер- жание газов, мл на 100 г	Содержание газов, % массы металла	
		О	Н
Исходный	2,22	0,0002	0,00015
ЭШП	2,06	0,0002	0,00012
ВДП	2,45	0.0002	0,00012

Таблица 180. Механические свойства
сплава ЭИ617 при 900° С до и после
переплава [91, 97]

Металл	оБ, кгс/мм2	6. %	Ф. %
Исходный	50	12	20
ЭШП	55	21	28
ВДП	55	23	37

Таблица 181. Длительная прочность
сплава ЭИ617 после переплава с раскислением
и без раскисления шлака по ходу ЭШП [48]

т,	о» кгс/мм2	т. ч	
		без раскис- ления шлака	с раскисле- нием шлака
700	45	192,3	286,3
850	20	86,0	179,8
900	12	149,6	177,1

Механические свойства сплава ЭИ437А
ЭШП представлены в табл. 178. Данные
таблицы свидетельствуют о том, что проч-
ностные свойства металла, подвергавшего-
ся ЭШП в восстановительной атмосфере,
выше, чем металла контрольных плавок.
Особенно заметно увеличивается предел
текучести. Напротив, пластические харак-
теристики металла опытных плавок ниже,
чем у металла контрольных плавок, т. е.
металл опытных плавок более упрочнен.
Это объясняется влиянием упрочняющих
элементов — алюминия и титана, концен-
трация которых в опытных плавках была
выше. По-видимому, этой же причиной
объясняется и более высокая длительная
прочность металла опытных плавок
(рис. 202).

Сплавы ЭИ617 (ХН70ВМТЮ) и
ХН73МБТЮ. Сплав ЭИ617 широко приме-
няется при изготовлении рабочих лопаток
газовых турбин, а также роторов авиа-
ционных, морских и других двигателей.
Высокие жаропрочные свойства этого
сплава достигаются совместным легирова-
нием никелехромового твердого раствора
элементами упрочнителями — титаном и
алюминием, тугоплавкими элементами —
вольфрамом и молибденом и небольшим
количеством бора. Присадка этих элемен-
тов интенсивно действует на развитие про-
цессов дисперсионного твердения вслед-
ствие образования большого количества
упрочняющей интерметаллидной у'-фазы.
Ванадий, присаживаемый в количестве
0,3—0,5%, способствует лучшей ковкости
сплава. Сплав ЭИ617 обладает более вы-
сокой жаропрочностью, чем сплав
ЭИ437БУ.

Электрошлаковый переплав сплава спо-
собствует некоторому снижению содержа-
ния газов (табл. 179) и повышению пока-
зателей пластичности при кратковремен-
ных испытаниях (табл. 180). ЭШП сплава
особенно эффективен с точки зрения уве-
личения его длительной прочности. Следу-
ет отметить, что на это качество сплава
влияет раскисление шлака по ходу ЭШП.
Ниже приведена длительная прочность
сплава ЭИ617 при 850° С и о = 20 кгс/мм2
[48, 91, 116]:

Металл Исходный ЭШП ВДП
т, ч	82	117	105
«1

Таблица 182. Неметаллические включения в литом сплаве ХН73МБТЮ ЭШП
при оценке но методу П ГОСТ 1778—70 и электролизом

	Нитриды				Оксиды				
Количе- ство включе- ний на 100 мм2, шт.	Количество включений с размером, мкм			Объемный процент включе- ний	Количе- ство включе- ний на 100 мм2, шт	Количество включе- ний с размером, мкм		Объемный процент включе- ний	Процент включе- ний (электро- лиз)
	1.0—5,4	5,5—9,0	9,1—13.0			1,0—5.4	5.5—9,0		
4651	98,0	2,0	—	0,033	1150	100,0	—	0,0038	0,0028

Исследование сплава ХН73МБТЮ
ЭШП проводили М. И. Кричевец,
А. В. Шелгаева, Г. Г. Ведерников и др.
Было установлено, что при ЭШП с раскис-
лением флюса алюминием содержание ти-
тана и алюминия остается неизменным,
а при корректировке химического состава
содержание этих элементов возрастало на
0,05—0,15%. Корректировка химического
состава эффективна при пониженном со-
держании титана и алюминия в исходном
металле.

Содержание примесей в металле ЭШП
составило: свинец и кадмий — по 0,0003—
0,0004%, висмут—0,0001%, олово — 0,004%.
Литая структура сплава ХН73МБТЮ
ЭШП в слитках диаметром 420 мм мелко-
зернистая, плотная, лишенная усадочных
и ликвационных дефектов. Дендритная
структура сплава тонкая и равномерная
по сечению слитка. Расстояние между ося-
ми второго порядка в центре и на ’/г ра-
диуса составило 0,134—0,171 мм и 0,161 —
0,180 мм.

Плотность дендритной структуры, оце-
ненная отношением площадей, занятых
осями дендритов и межосными промежут-
ками, равномерна по сечению и составляет
2,08 в краевой зоне и 2,7 — в центре
слитка.

Содержание в металле кислорода и
азота составило соответственно 0,0010—
0.0015% и 0,0050—0,0060%.

Количество и распределение неметал-
лических включений по размерам в металле
ЭШП, выплавленном по оптимальной тех-
нологии, приведены в табл. 182.

Установлены следующие виды оксид-
ных включений:

1.	Очень мелкие (1—3 мм) глобули
правильной сферической формы, представ-

ляющие собой твердый раствор перемен-
ного состава окислов алюминия (основная
масса), окислов магния и кальция (в очень
малом количестве).

2.	Редкие, единичные включения окиси
магния в виде округлых непрозрачных зе-
рен и небольшое количество округлых зе-
рен магнезиальной шпинели.

Макроструктура деформированного
сплава ХН73МБТЮ ЭШП плотная, одно-
родная, мелкозернистая, без ликвацион-
ных дефектов. В продольном изломе сло-
истость отсутствует.

Механические свойства и длительная
прочность при 750° С сплава ХН73МБТЮ
ЭШП высокие и по своему уровню соот-
ветствуют металлу, полученному спосо-
бом ВДП:

Свойства при	растяжении	Длительная		
о кгс/мм2 в	130,0	прочность при 42 кгс/мм2		
о0<). кгс/мм2	87,0	Т, Г	102,0	
6, %	24,0	б, %	6,0	
ф, %	26,0	ф, %	10,0	К.
о , кгс-м/см н	2	7,2			

Сплавы ЭИ867 (ХН62ВМКЮ) и
ЭИ867А (ЭП109). Сплав ЭИ867 представ- *
ляет собой легированный никелехромовый
твердый раствор с присадками алюминия,
вольфрама, молибдена и кобальта. Сплав
не содержит титана. Основная упрочняю-
щая фаза — интерметаллид типа М1зА1.

Сплав ЭИ867А — более легирован, он
содержит до 45% фазы МБА1. По уровню
жаропрочности он превосходит сплав
ЭИ867 и не уступает американскому спла- *
ву Юдимет 700.

В сплаве ЭИ867 встречается типичная
структурная неоднородность в виде лик- ।
Таблица 183. Содержание неметаллических
включений в сплаве ЭИ867 до и после
ВДП и ЭШП [97]

Металл	Содержание включений, % к раство ренному металлу	Уменьшение об- щего количества включений, %
Исходный	0,0080	.—
ЭШП	0,0030	62
Исходный	0,0391	—
ВДП	0,0158	60

вационной полосчатости. Ликвационная
полосчатость, как правило, расположена
в центральной зоне прутка (листа) и со-
провождается мелкозернистым строением,
так как частицы второй фазы (карбиды,
бориды) мешают нормальному росту зер-
на при термообработке.

Электрошлаковый переплав способству-
ет снижению содержания в сплаве неме-
таллических включений и газов (табл. 183,
184). Это объясняется в основном удале-
нием нитридов алюминия, что хорошо со-
гласуется с данными газового анализа, по
которым содержание азота существенно
уменьшается. ЭШП обеспечивает равно-
мерную мелкозернистую структуру с мел-
кими неметаллическими включениями,
распределенными равномерно или в виде

Таблица 184. Содержание газов
в сплаве ЭИ867 до и после переплава [91, 97]

Металл	Общее со- держание газов, мл на  100 г	Содержание газов. % массы металла		
		О	н	К
Исходный	15,7	0,0013	0,0005		
ЭШП	8,50	0,0011	0,0002	—
Исходный	—	0,0030	0,0005	0,05
ВДП	—	0,0020	0,0005	0,02
Исходный	—	0,0022	0,00192	0,031
ЭШП	—	0,0013	0,00061	0,022
ПДП	—	0,0016	0,00042	0,019
ЭЛП	—	0.0010	Следы	0,014

коротких строчек. Мелкозернистая струк-
тура способствует более эффективной ра-
боте конструкции из сплава ЭИ867 в усло-
виях кратковременного тяжелого динами-
ческого нагружения.

Переплавы повышают кратковременные
свойства сплавов ЭИ867 и ЭИ867А (табл.
185). Особенно это относится к ударной
вязкости. При ЭШП сплава ЭИ867 удар-
ная вязкость по сравнению с исходной в
интервале 1100—1200°С возрастала в 2—
2,5 раза, а при ВДП — более чем в 3 ра-
за. При переплаве более легированного
сплава ЭИ867А степень повышения удар-
ной вязкости при ЭШП несколько больше,

Таблица 185. Механические свойства сплавов ЭИ867 и ЭИ867А (ЭП109)
до и после ЭШП [91, 97]

Марка сплава	Металл	т, °с	ов, кгс/мм2	о5, кгс/мм?	%	%	ан. кгс-м/см2
ЭИ867	Исходный	20	120	82	8	10	1,9
	ЭШП		124	84	19	22	5,2
	ПДП		122	88	12	14	3,0
	ЭЛП		124	83	12	17	2,3
ЭИ867	Исходный	900	74	55)	11	12	2,4
	ЭШП		80	59	16	20	5,8
	ПДП		78	60	15	17	4,0
	ЭЛП		78	60	13	19	3,5
ЭИ867	Исходный	900	67,8	—	14,3	21,2	—
	ЭШП		70,6	—	15,7	22,8	—
	Исходный		68,3	——	13,9	19,5	—
	ВДП		68,8	—	17,8	23,1	—
Э11867А	Исходный	900	76	—	6,7	11,5	—
(ЭП109)	ЭШП		76	—	7,1	11,9	—
	Исходный		78,1	—-	5,8	10,6	—
	ВДП		78,3	—	7,7	12,2	—
Рис. 203. Влияние переплава на изменение тех-
нологической пластичности сплава ЭИ867 при
испытании на ударную вязкость (а) и круче-
ние (б) (по данным А. С. Бессонова):

1 — исходный металл; 2—металл ЭШП; 3 — металл
ПДП; 4 — металл ЭЛП.

чем при ВДП (при ЭШП она возрастает
в 2—3 раза, при ВДП — в 1,5—2,5 раза)
[48]. Испытания на ударную вязкость,
скручивание и горячую пластичность
(рис. 203) в диапазоне температур формо-
образования показали, что сплав ЭИ867
ЭШП имеет наиболее высокую технологи-
ческую пластичность.

Влияние переплавов на длительную
прочность сплава ЭИ867 незначительно
(табл. 186). Однако с увеличением леги-
рования сплава до состава ЭИ867А влия-
ние переплавов на длительную прочность
существенно возрастает. Жаропрочность
увеличивается на 30—35%.

Таблица 186. Длительная прочность
сплавов ЭИ867 и ЭИ867А до и после
переплавов [48, 91, 116]

Ма рка сплава	Металл	т, сс	о, кгс/мм2	Т. Ч
ЭИ867	Исходный	900	22	87
	ЭШП			87
	Исходный			ПО
	ВДП			ПО
ЭИ867	Исходный	900	39	1
	ЭШП		40	1
	ПДП		40	1
	ЭЛП		42	1
ЭИ867А	Исходный	900	27	76
	ЭШП			100
	Исходный			70—79
	ВДП			105

Сплав ЭИ867 считали несвариваемым.
ЭШП способствует улучшению сваривае-
мости этого сплава, особенно способами
сварки без расплавления [91].

Сплавы ХН77ТЮР1 и ЭП487РЛ
(ХН60ВТЮР1). Эти сплавы содержат 0,3—
0,5% В. Они имеют сложный комплекс
упрочнения первичной боридной фазой
и интерметаллндного упрочнения. В бори-
дах в этих сплавах преимущественно
связаны молибден, хром и вольфрам. Важ-
нейшим преимуществом боридного упроч-
нения по сравнению с интерметаллидным
является сохранение пластических свойств
сплавов в процессе длительных испытаний
при значительном повышении жаропроч-
ности. Сплавы хорошо свариваются.

Слитки указанных сплавов, получае-
мые ВИП и разлитые в изложницу в сре-
де аргона, характеризуются значительной
усадочной рыхлостью, осевой пористостью,
иногда наблюдаются поперечные трещины,
берущие начало от усадочной раковины.
Слитки ЭШП плотные, без усадочных ра-
ковин и пористости, без трещин. При
ЭШП на фторидных флюсах и защите по-
верхности шлаковой ванны аргоном со-
храняется содержание легкоокисляющих-
ся легирующих элементов — алюминя, ти-
тана, бора.

Некоторые свойства сплава ЭП487РЛ
ЭШП приведены в табл. 187 и 188.

Зарубежные сплавы с интерметаллид-
ным упрочнением. В последнее время за
рубежом значительное распространение
получили жаропрочные сплавы с интерме-
таллидным упрочнением. Сюда относятся
прежде всего такие сплавы, как Юди-
мет 700, Ханнес 718, Инконель 706 и 901
и др.
Таблица 187. Механические свойства
сплава ЭП487РЛ ЭШП (по данным
Г. А. Павлийчука)

Т. '<	°в, кгс/мм2	°0,2’  кгс/мм2	б. %	Ф- %	*н-  кгс  м/см 2
20	77,3	62,0	3,4	4,8	1,4
700	71,4	59,9	6,5	8,7	—
800	68,9	59,0	9,2	11.6	1,6
900	57.3	50,7	11,3	14,1	2,2

Примечание. Термообработка: нагрев до 1130°С
3 ч, воздух.

Таблица 188. Пределы длительной

прочности н выносливости сплава ЭП487РЛ ЭШП
(по данным Г. А. Павлийчука)

д ’С	°100’  кгс/мм2	б- %	°500-  кгс/мм 2	о. %	О	р на базе  107 циклов. кгс/мм2
800	31	8,5	24	9,1	26
900	13	13,6	9	15,2	18

Примечание. о,0„ и оВп0 — 100-и 500-часовая
прочность.

Сплав Хайнес 718. Большое ко-
личество сплава Хайнес 718 способом
ЭШП производит фирма «Кэбот» [146].
В табл. 189 представлены сравнения ме-
ханических свойств листового проката из
металла 93 плавок ЭШП и 80 плавок
ВДП для сплава Хайнес 718. Различия в
средней прочности металла ЭШП и ВДП
незначительны:	пластичность металла

ЭШП выше. Для металла ЭШП характе-
рен, как и для сплавов типа Хастеллой X,
значительно меньший разброс по прочно-
сти и пластичности, что обеспечивает
возможность закладывать в конструкцию
более высокую прочность и быть уверен-
ным, что минимальных показателей не
будет.

Статистические исследования микро-
структуры сплава Хайнес 718 показали,
что оба материала ЭШП и ВДП имели
высокое качество и были свободны от ок-
сидных и сульфидных включений. Поэто-
му улучшение свойств сплава ЭШП не-
льзя объяснить только уменьшением со-
держания включений. В сплавах обоих
способов выплавки обнаружены нитри-
ды типа Т+, причем определено, что раз-
мер их и распределение в металле одина-
ковы.

Статистика показала, что размер зерна
двух толщин листа от 1,0 до 2,3 мм этого
сплава для ЭШП и ВДП одинаков.
Исключением явилось распределение пер-
вичных карбидов. В металле ВДП указан-
ных толщин первичные карбиды вытянуты
в виде строчек, в то время как при ЭШП
они равномерно распределены по всей ма-
трице.

При локальном рентгеноспектральном
анализе образцов металла, показавшего
наибольшие и наименьшие значения
свойств, установлена весьма любопытная
закономерность: в металле ЭШП отноше-

Таблица 189. Данные испытаний механических свойств (по АМ85596 после аустенитизации
при 970°С) металла катаных изделий из сплава Хайнес 718, подвергнутого ЭШП и ВДП [146]

Механические свойства	Общее сред- нее значение	X		О	
		эшп	ВДП	эшп |	вдп
Предел прочности на разрыв, кгс/мм2:				3,57	4,95
при комнатной температуре	134	+0,38 +0,12	—0,38		
при 650°С  Предел текучести, кгс/мм2:	108,5		—0,12	5,41	5,06
при комнатной температуре	112	—0,32	+0,32	4,27	5,18
при 650°С Удлинение, %	93,5	—0,40	-1-0,40	4,68	4,74
при комнатной температуре	17,71	+0,38 +0,65	—0,38	0,89	0,89
при 650°С	13,48		—0,65	2,74	3,19
Время до разрыва при 650° С, ч  Длительная пластичность при 650° С (по удли-	4.67	+0,04	—0,04	0,39	0,40
нению), %	1.93	0.14	—0,14	0,40	0,38

Примечание, Статистическая обработка механических свойств приведена к нормальному распределению!
X —средние значения; а — стандартная девиация (отклонения от усредненного значения).
Таблица 190. Прочностные свойства на разрыв листов из сплава Юдимет 700 [144]

Объект анализа	Термообработка *	т. °с	°0,2’ кгс/мм2	ов, кгс/мм2	6, %
Лист толщиной	8	Комнатная	96,3	139,9	25
30 мм	А1	»	99,1	150,4	21
	А1	760	86,4	114,6	11
	А2	760	86,4	113,2	9
	А] +870° С/100 ч	760	69,6	104,0	17
	А1	870	56,2	80,8	15
	А2	870	60.5	83,6	7
Лист толщиной	8	Комнатная	89,9	127,9	27
15 мм	А1	»	106,1	143,4	16
	А1	760	84,3	110,3	6
Кованый пруток	АЗ	Комнатная	98,4	143,4	17
(для сравнения)	АЗ	760	84,3	105,4	33
	АЗ	870	64,6	70,3	33

5 — отжиг при 1120° С 30 мии, быстрое охлаждение иа воздухе; А1 —старение при 1120° С 30 мин, быстрое охла-
ждение на воздухе, нагрев до 1065° С 4 ч, охлаждение иа воздухе; нагрев до 840° С 24 ч, охлаждение иа возду-
хе; нагрев до 740° С 16 ч, охлаждение на воздухе; А2— старение при 1175° С 2 ч, быстрое охлаждение иа возду-
хе; нагрев до 1065° С 4 ч, охлаждение на воздухе; нагрев до 840° С 24 ч, охлаждение на воздухе; нагрев до 760° С,
охлаждение на воздухе; АЗ — старение при 1175° С 4 ч, охлаждение на воздухе; нагрев до 1080° С 4 ч, охлажде-
ние на воздухе; нагрев до 840° С 24 ч. охлаждение на воздухе; нагрев до 760° С, охлаждение на воздухе.

3 2_3 5

ние ЫЬ/С составляет ——• а для ВДП

2,2—2,4
несколько ниже-----—।.

Сплав Хайнес 718 склонен к сегрегаци-
ям, т. е. к пятнистой ликвации, причем,
как правило, в зоне пятнистой ликвации
обнаруживается фаза Лавеса (1\+КтЬ). Ав-
торы работы [146] считают, что хорошее
качество сплава Хайнес 718 обусловлено
оптимальным распределением МЬ + Т1.
В сплаве ЭШП эти элементы распределе-
ны более равномерно и большее количе-
ство ниобия может перейти в первичные
карбиды. Количество фазы Лавеса соот-
ветственно при этом уменьшается.

В результате сравнительных исследова-
ний по выбору оптимальной технологии
производства дисперсионно твердеющего
сплава Хайнес 718 фирма «Кэбот» пришла
к следующим заключениям, касающимся
относительных различий между материа-
лами ЭШП и ВДП [146]:

1.	Свойства сплава Хайнес 718, полу-
ченного способом ЭШП, лучше и стабиль-
ней, чем свойства материала, полученного
способом ВДП.

2.	В листовом прокате ВДП обнаруже-
но значительное количество первичных
карбидных строчечных включений, в то
время как изделия ЭШП из этого спла-

ва имеют более однородную микрострук-
туру.

3.	Химический состав первичных кар-
бидов в сплаве Хайнес 718 ЭШП и ВДП
несколько различен. В частности, карбиды
в сплаве ЭШП характеризуются отноше-
нием МЬ/С 3,2—3,5/1, а ВДП — 2,2—2,4/1.

4.	Оба материала ЭШП и ВДП имеют
высокое качество, свободны от оксидов и
сульфидов, у них одинаковое количество
ТЛМ, размер зерна в листе толщиной 1,0—
2,3 мм также одинаков. Улучшение свойств
металла ЭШП можно объяснить более
равномерным химическим составом слит-
ка ЭШП и особенно более равномерным
и более дисперсным распределением
МЬ + ТЕ Чем мельче и равномернее рас-
пределена фаза Лавеса в слитке при
его затвердевании, тем лучше его свой-
ства.

Сплав Юдимет 700. Отличные ре-
зультаты получила фирма «Кэбот» при
ЭШП жаропрочного труднодеформируемо-
го сплава Юдимет 700 с высоким содержа-
нием титана и алюминия (см. табл. 161),
применяемого в виде листа, в частно-
сти в газотурбинных двигателях [144]
(табл. 190). Аналогичные данные получе-
ны в Институте Меллона (США) при вы-
полнении программы по заданию ВВС ар-
мии США (табл. 191).
Таблица 191. Прочностные свойства
на разрыв листов сплава Юдимет 700
толщиной 23 мм [8]

Направление образца	О с	ав. кге.мм*	•г'Оо	6, %	%
Продольное Поперечное	27	142,3  142,6	110,5  109,2	16,3  18,3	16,5  22,8
Продольное Поперечное	760	101,9  108,6	87,3  91,5	24,5  25,5	38,9  41.1
Продольное Поперечное	930	63,6  53,5	46,6  37,7	25,0  25,0	43,5  53,7

Примечание. Даны средние результаты

На фирме «Кэбот» сравнивали три ме-
тода производства слитков из этого спла-
ва: ВИП, ВДП и ЭШП, выполненные с
использованием электродов из одного и
того же металла ВИП. Дуговой переплав
производили также в атмосфере аргона.
Диаметр слитков ЭШП 100 и 305 мм. Для
оценки размеров зерна и макроструктуры
металла ВДП в процессе плавки изменяли
мощность, давление в камере; сплав пере-
Рис. 204. Пластичность в горячем состоянии
сплава Юдимет 700 [137]:

Г —ЭШП; 2 — ВДП.

Рис. 205. Данные испытаний сплава Юдимет 700
ЭШП на ползучесть при 760 (о) и 930° С (б).

мешнвали в ванне. Слитки, получаемые при
перемешивании ванны, имели чистое зерно
со столбчатой структурой возле поверхно-
сти и равноосную структуру по направле-
нию к центру. Слитки, получаемые без пе-
ремешивания, имели более крупное зерно
и столбчатую структуру по направлению к
поверхности, где охлаждение наиболее эф-
фективно, и осевую по направлению к цен-
тру слитка. Слитки дуговой плавки в арго-
не (давление 0,5 атм) имели грубоватую
поверхность, но мало отличались от слит-
ков, получаемых в вакууме.

Испытания на горячую пластичность
показали, что, несмотря на указанные из-
менения параметров ВДП, положительно
повлиявших на макроструктуру слитка,
размер зерен и поверхность слитков, нет
значительных различий в пластичности по-
лучаемых слитков в горячем состоянии.

При исследовании слитков, получен-
ных ВИП, выяснилось, что, несмотря на
высокую чистоту металла, слитки не обла-
дали повышенной горячей пластичностью
по сравнению с крупнозернистыми слит-
ками ВДП.

Хотя литые структуры слитка ЭШП и
ВДП подобны, данные фирмы «Кэбот» по
испытаниям сплава Юдимет 700 на плас-
тичность в горячем состоянии (см. рис. 200)
свидетельствуют о преимуществе металла
ЭШП [144].

Согласно данным фирмы «Олвэк»
[137], горячая пластичность сплава Юди-
мет 700 после ЭШП и ВДП одинакова
(рис. 204). Однако существенным явля-
ется то, что температурный интервал,
в котором существует адекватная обраба-
тываемость слитков этого сплава при го-
рячей деформации, в результате ЭШП
удваивается [144].
Рис. 206. Данные испытаний сплава Юдимет 700
ЭШП на длительную прочность при 760 (а)
и 930” С (б). Цифры у кривых обозначают сте-
пень пластической деформации образцов.

На рис. 205 и 206 приведены кривые
ползучести и длительной прочности спла-
ва при 760 и 930° С, которые свидетель-
ствуют о том, что свойства сплава Юди-
мет 700 ЭШП отвечают всем необходимым
требованиям.

Сплавы Инконель 706 и Ин-
конель 901. Сплав Инконель 706 ис-
пользуется фирмой «Интернэшнл никел
Ко» (США) для производства заготовок
деталей газотурбинных двигателей (см.
табл. 161) [155].

Сплав Инконель 706 разработан на ос-
нове сплава Инконель 718. Он менее скло-
нен к сегрегации и лучше обрабатывается,
чем другие жаропрочные сплавы, обладаю-
щие подобными свойствами.

Для турбин требуются поковки из
сплава Инконель 706 большого поперечно-
го сечения. Так, например, некоторые де-
тали изготовляются из осаженных дисков
диаметром 2032 мм. Здесь очень важно
получить бездефектные крупные поковки.

В процессе отработки технологии
ЭШП сплава производили круглые куз-
нечные слитки диаметром 635, 762 и
1016 мм. Масса слитков диаметром 762 мм
составляла 6,8—9,1 т. Слитки выплавляли
на однофазной печи в стационарном
кристаллизаторе. Электрод один, коэффи-
циент заполнения кристаллизатора равен
0,6—0,8. Печь, изготовленная фирмой
«Консарк корп», снабжена системой взве-
шивания электрода с динамометрическим

датчиком, используемым для контроля ско-
рости плавления.

Плавки выполняли на малой, средней
и большой скоростях плавления. Некото-
рые данные о качестве поверхности и ма-
кроструктуре слитков приведены в табл.
192 и 193.'

Исследования показали, что качество
слитков зависит от скорости плавления.
При ЭШП на низкой и высокой скоро-
стях возможно образование в слитках
пятнистой ликвации. Локальным анализом
было установлено, что в местах, поражен-

Таблица 192. Данные о качестве
поверхности и микроструктура опытных
электрошлаковых слитков

диаметром 635 мм из сплава Инконель 706 [155]

Скорость плавле- ния	Макроструктура слитка	Толщина гарниса- жа, мм	Качество поверх- ности слитка
Высокая	Крупнокри- сталлическая	4,8	Хорошее
Средняя	Хорошая	6,4	»
Низкая	С пятнистой ликвацией	19,1	Плохое

Таблица 193. Данные о качестве слитков

ЭШП диаметром приблизительно 1 м
из сплава Инконель 706 [155]

Скорость плавле- ния	Количе- ство ис- следован- ных слитков	Макроструктура слитка	Термиче- ские тре- щины
Средняя	3	Хорошая	Есть
Высокая	2	С пятнистой	Нет
		ликвацией	
Таблица 194. Прочность сплава

Инконель 706 в зависимости от способа
выплавки [155]

способ
выплавки

ВИП + эшп
ВИП + ВДП

27

15

Количе-
ство об-
разцов

24

54

54

Рис. 207. Зависимость относительного сужения
от температуры испытаний образцов сплава
Инконель 901:

Таблица 195. Длительная прочность

и удлинение сплава Инконель 706

в зависимости от способа выплавки [155]

/ — ЭШП; 2 — ВДП (данные «Кэбот»); 3 — ВДП (дан
ные фирмы «Олвэк»).

Способ выплавки

Количество
образцов

ВИП 4- ЭШП
ВИП -!- ВДП

ных пятнистой ликвацией, обнаружива-
ются повышенные концентрации ниобия и
титана. Причина образования этого де-
фекта окончательно пока не ясна. Опти-
мальной скоростью наплавления слитков
методом ЭШП следует признать среднюю.
К сожалению, при ЭШП слитков диаме-
тром 1000 мм, которые предпочтительны
для изготовления крупных поковок, об-
разуются продольные осевые трещины.
Причиной трещин является захолажи-
вание донной части слитка, так как
плавка ведется в стационарном кристалли-
заторе.

Имеющаяся печь не позволяет произ-
водить выплавку слитков в подвижном
кристаллизаторе (при котором предотвра-
тить захолаживание слитков весьма про-
сто), поэтому выбор был остановлен на
слитках диаметром 762 мм. При травле-
нии восьмиугольных биллетов с попереч-
ником 482,6 мм в различных сечениях *
из слитков ЭШП, выплавленных на сред-
ней скорости, выявлена равномерная мел-
козернистая структура без следов ликва-
ции.

При сравнении механических свойств
сплава Инконель 706, полученного мето-
дом ЭШП и ВДП, существенных различий

* Микротравление производили в растворе, со-
стоящем из трех частей Н2О, двух частей НС1 и
одной части Н2О9.

не обнаружено (табл. 194). Испытания на
длительную прочность каких-либо разли-
чий в прочности не показали, однако
пластичность после ЭШП была выше
(табл. 195). Более высокая горячая пла-
стичность после ЭШП у сплава Инко-
нель 901 (рис. 207) производства фирмы
«Олвэк» [137].

Существенным преимуществом ЭШП
перед ВДП в производстве сплавов Инко-
нель является более высокий выход год-
ного металла. Слитки ЭШП подвергают
ковке без какой-либо обработки поверхно-
сти, в то время как слитки ВДП и элек-
троды для этого процесса требуют об-
дирки.

Жаропрочные дисперсионно
твердеющие сплавы 600, 625, 706,
718, 750, 902. Фирма «Уоллэс Мурэй кор-
порейшн» (США) к 1971 г. провела в но-
вом плавильном цехе в г. Саймонде об-
ширные исследования по выбору оптималь-
ной технологии производства большого
числа жаропрочных дисперсионно твер-
деющих сплавов 600, 625, 706, 718, 750 и
902 (см. табл. 161) [57]. Сравнивали два
метода плавки: ЭШП и ВДП. Для ЭШП
и ВДП использовали электроды одной
электродуговой плавки. Ставилась задача
выяснить, сможет ли металл ЭШП удо-
влетворить самым жестким требованиям.

В процессе исследования установлено,
что ЭШП обеспечивает равномерное рас-
пределение всех элементов, в том числе
титана и алюминия, как по высоте, так и
по сечению слитка (табл. 196 и 197).

Практически в химическом составе
сплавов, полученных методами ЭШП и
Таблица 196. Влияние ЭШП на химический состав слитков из высоколегированных
сплавов 600, 625, 718, 750 (используемые электроды из металла ЭД), %

Марка сплава	Способ выплавки	Место отбора пробы	С	Мп	м	Сг	Ре	П	А1	[Мб	Мо
600	эд	Ковш	0,06	0,31	74,59	16,01	8.19	0,15	0,14		
	ЭШП	Г олова	0,06	0,32	74,46	16,01	8,32	0.16	0,16		 Ч
		Дно	0.07	0,33	74.44	16,05	8.32	0,14	0.14	—  от»	——
625	эд	Ковш	0,04	0,10	61,07	21,61	4,55	0,23	0,19	3,45	8,38
	ЭШП	Г олова	0,04	0,10	60,84	21,87	4.54	0,20	0,17	3,53	8,46
		Дно	0,05	0.10	61,21	21,87	4,57	0,15	0,19	3,35	8,30
718	эд	Ковш	0,06	0,17	52,75	20,47	16,70	0,66	0,44	5,12	2,92
	ЭШП	Г олова	0,07	0,16	52.81	20,32	16,85	0,64	0,48	5,11	2,86
		Дно	0.06	0,16	52,87	20,36	16,85	0,64	0.43	5.09	2,85
750	эд	Ковш	0,03	0,21	71,92	15,81	7,31	2.48	0,68	0,91	
	ЭШП	Г олова	0,03	0,21	71,95	15,79	7,43	2,50	0,65	0.88	
	1	Дно	0,03	0,21	71.93	15.77	7 43	2,50	0.64	0.88	

Таблица 197. Химический состав слитков ЭШП из высоколегированных сплавов 600, 718. 750
'(расходуемые электроды из металла ЭД), % [57]

Марки ’плэва	Место отбора пробы	(	Мп	№	Сг	Ре	п	А|	гчь	Мо
600	Край	0,06	0,33	73,68	15,94	9,32	0,19	0,16		
	Центр	0,06	0,35	73,62	15,94	9,32	0,23	0,17	'И*“	1	—
718	Край	0,06	0,16	52,85	20,29	16,85	0,64	0,48	5,09	2,86
	Центр	0,06	0,15	52,76	20,34	16,85	0,69	0,45	5,15	2,87
750	Край	0,03	0,22	71,95	15 79	7,43	2,50	0,68	0,87	
	Центр	0,03	0,22	71.95	15.79	7,43	2,50	0.65	0.88	— 1 ™

Таблица 198. Химический состав слитков ЭШП и ВДП из высоколегированных
сплавов 600, 625, 750 (расходуемые электроды из металла ЭД одной плавки), % [57]

Номер
сплава

Способ
выплавки

Место
отбора
пробы

Мп

М1

Ее

А1

мь

Мо

600

625

750

ЭШП

ВДП

ЭШП

ВДП

ЭШП

ВДП

Верх
Низ
Верх
Низ

Верх
Низ
Верх
Низ

Верх
Низ
Верх
Низ

0,06
0,07
0,06
0,06

0,04
0,05
0,03
0,04

0,03
0,03
0,03
0,03

0,32
0,33
0,31
0,33

0,10
0,10

0,11
0,11

0,21
0,21
0,21

0,21

74.46
74,44

74,40
74,48

60,84
61,81

60,80
60,87

71,95
71,93
71,67
71,65

16,01	8,32	0,16	0,16	Ч »|1	^оти
16,05	8,32	0,14	0,14		
15,88	8,23	0,16	0,15	М 1	
15,83	8,23	0,17	0,16		1  —
21,87	4,54	0,20	0,17	3,53	8,46
21,87	4,57	0,15	0,19	3,55	8,30
21,99	4,54	0,22	0,20	3,53	8,35
21,87	4,54	0,22	0,20	3,53	8,30
15,79	7,43	2,50	0,65	0,88	вот»
15,77	7,43	2,50	0,64	0,88	—
16,02	7,37	2,52	0,68	0,89	
15,90	7,43	2,50	0,68	0,88	' -
Таблица 199. Данные испытаний продольных
образцов с длиной рабочей части 57 мм
из сплава 625 (отжиг при 925° С — 1 ч) [57]

ВДП, никакой разницы не наблюдается
(табл. 198), имеется небольшое отличие
в содержании никеля в сплаве 625 и хро-
ма в сплаве 750, что, несомненно, обу-
словлено наследственностью (т. е. неоди-
наковым содержанием этих элементов по
длине электродов).

Слитки ЭШП и ВДП имеют равномер-
ную мелкозернистую структуру, свободную
от пористости и сегрегаций. Микровключе-
ния всех типов в металле ЭШП всех ис-
следуемых сплавов, кроме сплава 902, от-
носятся к типу серии тонких включений и
к типу Уг серии крупных включений *. Та-
кие показатели удовлетворяют самым
строгим требованиям по чистоте.

Механические свойства исследованных
сплавов приведены в табл. 199—204. Спла-
вы 600, 625, 700 испытывали по техниче-
ским условиям для авиационной промыш-
ленности.

Эти испытания не выявили какой-ни-
будь значительной разницы между мате-
риалами ЭШП и ВДП и показали, что
электрошлаковый металл удовлетворяет
требованиям технических условий.

С точки зрения деформируемости и вы-
хода годного ЭШП имеет явные преиму-
щества. Все слитки ЭШП подвергали го-
рячей деформации без промежуточной об-
работки (в противоположность слиткам
ВДП).

Пластичность сплавов ЭШП настолько

• Испытания по шкале й системы А$ТМ.

высока, что непосредственно из слитка
диаметром 405 мм сплава 600 была вы-
прессована труба диаметром 432/305 мм,
длиной 2290 мм.

Выход годного от электрода до слитка
(прошедшего макроиспытания и ультра-
звуковой контроль) для слитков ЭШП
обычно составляет 88—94%, что на 5—10%
выше, чем при ВДП.

При ЭШП высоколегированных спла-
вов в последние годы за рубежом исполь-
зуют в основном расходуемые электроды
из металла ВИП. При этом получают бо-
лее высокие и стабильные результаты по
качеству металла. Тем не менее данные,
приведенные выше по ЭШП жаропрочных
сплавов с использованием расходуемых
электродов из металла ЭД, представляют
большой интерес. В отдельных случаях,
исходя из реальных условий эксплуатации
изделий для ЭШП можно использовать и
электроды из металла ЭД.

Сплав Нимоник 901. Основным
дефектом крупных слитков из сплавов ти-
па Нимоник, отлитых по обычной техно-
логии, является образование пятнистой
ликвации. Этот дефект для сплавов на
никелевой основе типа Нимоник представ-
ляет собой местную концентрацию раство-
римых элементов (титана, алюминия,
углерода), сочетающуюся с выпадением
крупных первичных карбидов титана (на-
пример, Т1С). Наличие пятнистой ликва-
ции наряду с агломерацией первичных
карбидов в междендритных областях
может отрицательно сказываться на де-
формируемости в горячем состоянии и,
что более важно, может привести к ухуд-
шению свойств, особенно прочности на
разрыв и длительной пластичности в на-
правлении, перпендикулярном к деформа-
ции в готовых поковках.

Электрошлаковый переплав сплавов
типа Нимоник свел к минимуму эти про-
блемы. Так, он широко используется на
фирме «Генри Уиггин энд компани, лими-
тэд» (Англия) при производстве сплава
Нимоник 901. Фирма является крупным
производителем высоколегированных спла-
вов, которые она поставляет для авиаци-
онных, промышленных и морских газовых
турбин [119].

Наряду со сплавом Нимоник 901 эта
Т а б л и ц а 200. Данные испытаний на растяжение сплава 750 при комнатной температуре

Способ выплавки	Направление испытаний	ов. кгс/мм:'	а0,2’ кгс/мм2	0 (на базе 100 мм). %	Ф. %	НВ. кгс/мм1-
ЭШП	Продольное	127,1	93,0	27,1	40,9	332
	Поперечное	127,1	91,8	27,1	40,7	332
вдп	Продольное	127,0	85,6	23	46,3	313
	Поперечное	126,2	85.4	24	43,2	313
Требования	Продольное	>Н9	>80,6	>18	>18	297—393
по ТУ АМ8	Поперечное	> 115,9	>77,1	>15	>15	297—393

Примечание. Катаный брусок сечением 25,4 х 152,5 мм. Отжиг при 975° С 1 ч, старение при 750° С 8 ч и при
615° С 8 ч [57].

Таблица 204. Данные испытаний сплава
600 ЭШП на растяжение при комнатной
температуре (поперечные образцы,
взятые после ковки) [57]

Таблица 201. Данные испытаний

на растяжение сплава 750 при комнатной

температуре (кованые диски, степень укова 3)

Показатель	эшп	вдп	Требова- ния ТУ АМ85671В
ов, кгс/мм2 00,2, кгс/мм2 0, %  %  НИС, кгс/мм2	121,5 86,5 24 40 34	121,2 87 23  41  35,5	>115,5  >15  >15 32—42

Примечание. Тангенциальные образцы на середи-
не радиуса. Отжиг при 975° С 1 ч, старение при 715° С
8 ч и при 615® С 8 ч (57].

Сечеиие
слитка, мм

Т а б л и ц а 202. Данные испытаний на длитель-
ную прочность сплава 750 при температуре 730° С

Показатель

вдп

Требования
ТУ АМ85668О

О. кгс/мм2

т, Ч

б, %

НВ, кгс/мм2

35

101,3

12

283

35

100,7

13

290

>31.5
>100,0
>5

262—341

Примечание. По истечении 100 ч напряжение уве-
личивается до 49 кгс/мм2

Таблица 203. Данные испытаний

сплава 600 на растяжение при комнатной

температуре (поперечные

разцы взятые

из квадратной поковки размером 127 мм [57]

Показатель

ЭШП

ВДП

Требования
ТУ АМ85665С

Ов, кгс/мм-

00,2, КГС/ММ2
6 (на базе 100 мм),
%

НВ, кгс/мм2

35,0	35,0

170	170

>56

>24,5

>30

<187

356 X 356
203 X 203

145 X 432
Т ребо вания
ТУ
АМ85665С

60

65

62,3

>56

53,5

49,0

51,9

146

156

163

<187

фирма производит методом ЭШП такие
Нимоники, как РК31, РК50, 80А, 90, 203,
РЕН, а также Инконель 718 и Инко-
нель 800. Ранее эти сплавы фирма произ-
водила методом ВИП.

Главные преимущества ЭШП, по мне-
нию фирмы,— это более высокое качество
сплавов по сравнению со сплавами ВДП,
отсутствие пятнистой ликвации, скопле-
ния титана, алюминия, карбидов типа
МеС (например, НС, фазы Лавеса (Ее,
ЕН, СО)2 (Мо, ЙЪ)й и др.), дисперсное рас-
пределение карбидов (см. рис. 103), прево-
сходная горячая обрабатываемость (что
очень важно при изготовлении дисков
большого диаметра для газовых турбин),
более высокий выход годного, чем при
ВДП.

Для ЭШП указанных сплавов фирма,
использует в основном трехкомпонентные
флюсы на основе СаЕ2, СаО и А120з. Они
могут также содержать МеО и ТЮ2. Вы-
бор шлака определяется не только хими-
ческим составом переплавляемого сплава,
но и условиями переплава, необходимыми
для получения слитка данного сплава со-
ответствующих размеров, качества и тре-
буемой поверхности. ЭШП ведется в по-
движном кристаллизаторе.

Наиболее вредными примесями в обыч-
но применяемых для этих целей шлаках
являются 81О2 и РЬО, которые могут вы-
звать неравномерный по высоте слитка
угар высокореакционных элементов: тита-
на, алюминия, бора, церия, циркония и,
кроме того, вызвать переход кремния и
свинца в слиток. Свинец особенно вреден.
От него можно избавиться, предваритель-
но расплавив шлак (т. е. ЭШП надо вы-
полнять на жидком старте). Чтобы изба-
виться от 8Ю2 во время плавки флюса
принимают меры для удаления из него
кремния в виде 81Р4.

В том случае, если кислород воздуха
попадает на поверхность шлаковой ванны,
и в головной, и в нижней частях слитка
имеет место окисление реакционных эле-
ментов. При ЭШП сплава Нимоник 901
потери титана могут достигать 1,0 абс.%.
Поэтому принимают меры против доступа
кислорода к поверхности расплава. Опыт
фирмы показал, что наличие неподвижно-
го слоя паров фторидов над шлаком сво-
дит к минимуму окисление реакционных
элементов. Для этих целей используется
также инертный газ, в отдельных случаях
наносят защитное покрытие на поверх-
ность электродов.

Электрошлаковый переплав ведется
так, чтобы слиток выходил из кристалли-
затора, покрытый тонким слоем гарниса-
жа. Не допускается получение слитков,
частично покрытых гарнисажем или с тол-
стой корочкой. Для каждого сплава и ти-
поразмера слитка разрабатываются инди-
видуальные условия плавки (электриче-
ский и шлаковый режимы).

Весьма важным преимуществом ЭШП
является возможность управления процес-
сом кристаллизации путем изменения глу-
бины и формы металлической ванны, что
практически не удается осуществить при
ВДП.

Слитки из жаропрочных сплавов, полу-
ченные в подвижном кристаллизаторе,

имеют гладкую поверхность и подверга-
ются дальнейшему переделу без дополни-
тельной обработки (зачистки, обдирки, как
это делается в случае ВДП). Продукция
фирмы из жаропрочных сплавов, полу-
ченных методом ЭШП,— диски, кольца,
обечайки и др.

Метод ЭШП позволяет фирме со зна-
чительной коммерческой выгодой изготов-
лять различные жаропрочные сплавы вы-
сокого качества, удовлетворяющие стан-
дартам авиационной промышленности.
Разработана и успешно применяется тех-
нология переплава, позволяющая легко
добиться стабильности результатов, и в
настоящее время значительное количество
металла ЭШП используется для деталей
ответственного назначения.

Сплавы типа Юкар. Фирма
«Юнион Карбайд лтд» (Англия) разрабо-
тала технологию ЭШП ряда жаропрочных
сплавов взамен ВДП [113, 139], в том
числе Юкар-8, Юкар-С263, применяющих-
ся соответственно при температурах до
900 и 800° С, Юкар-90, Юкар-718, А-286
и др. Диаметр слитков 270, 300, 430 мм.
Эта технология объединяет процессы ВПП
и ЭШП. Она предусматривает контроль по-
ведения высокореакционных элементов,
обеспечивает однородность литой структу-
ры слитка, хорошую поверхность и почти
полное отсутствие неметаллических вклю-
чений. Разработке этой технологии пред
шествовал никл исследований по програм-
ме, предусматривавшей выплавку слитков,
изготовление корпусов и колец для авиа-
ционных газовых турбин путем ковки, с
учетом экономических факторов.

Основной технологией изготовления
электродов для последующего ЭШП явля-
ется ВИП, так как только эта технология,
по мнению фирмы, обеспечивает точный и
постоянный контроль содержания в них
активных элементов, а также добавок дру-
гих элементов, отсутствие вредных легко-
испаряющихся элементов, таких, как сви-
нец, и относительно низкое содержание
азота и кислорода.

Особое внимание уделяется выбору
сырья для ВИП по содержанию кислоро-
да и азота, основных элементов и вред-
ных примесей. В электродах, изготовлен-
ных методом ВИП из сплава С-263, обыч-
Расстояние от нижнего торца слитка, см

Рис. 208. Распределение алюминия (а), тита-
на (б) и кислорода (в) по высоте слитков ЭШП
диаметром 270 мм, массой 1000 кг из сплава
Юкар С-263 [113] (1 и 2 — соответственно верх-
ний и нижний пределы содержания алюминия
и титана в сплаве; штриховые линии — содер-
жание элемента в электроде).

но содержится 0,004—0,006% Ы, 0,001 —
0,002% О, 0,002—0,004% 8. Содержание ти-
тана и алюминия контролируется с точ-
ностью до ±0,05%, а циркония—с точ-
ностью ±0,01%.

Исследование трех основных процес-
сов вторичного рафинирования ВДП,
ЭШП и ЭЛП показало, что оптимальной
технологией является ЭШП. ЭЛП сразу
был отклонен из-за высокой стоимости.
Стоимость ЭШП и ВДП на данной фирме
практически одинакова, но качество ме-
талла ЭШП и выход годного выше.

Электрошлаковый переплав жаропроч-
ных сплавов производится в подвижном
кристаллизаторе с использованием жидко-
го старта. Исключительно большое внима-
ние уделяется выбору системы шлака для
сплавов такого типа. При этом учитыва-
ются два момента:

а)	физические характеристики шлака
(точка или интервал плавления, удельное
сопротивление, текучесть, теплопровод-
ность, вязкость) должны подходить для
данной плавки, т. е. для данного сплава;

б)	флюс должен обеспечивать неизмен-
ность химического состава слитка по высо-
те и поперечному сечению и снижение ки-
слорода в нем не менее чем до 0,001%.

Термодинамические активности алюми-
ния и титана близки, поэтому в зависи-
мости от содержания в сплаве алюминия
и титана, а также активности АЬОз и
ТЮ2 — Т1О в шлаке наблюдается преиму-
щественное окисление алюминия или ти-

тана в слитке. В зависимости от соотно-
шения А1 : Т1 в сплаве варьируют содер-
жание окислов этих элементов в шлаке.

Авторы работы [113] считают, что для
ЭШП высоколегированных сплавов, со-
держащих титан, алюминий и другие ре-
акционные элементы, на основе законов
термодинамики можно заранее рассчи-
тать состав флюса на основе СаР? с до-
бавкой окислов устойчивых элементов, ко-
торый будет удовлетворять перечислен-
ным выше требованиям.

Чтобы предупредить существенное
окисление реакционных элементов в ниж-
ней части слитка ЭШП, содержание не-
прочных окислов в шлаке (81О2, РеО и др.)
ограничивают.

Степень управления содержанием ак-
тивных элементов при ЭШП в производ-
ственных условиях слитков диаметром
270 мм, массой 1000 кг из сплава Юкар
С-263 с использованием разработанных
фирмой шлаков показана на рис. 208.
Принятая технология, как видим, обеспе-
чивает приемлемое усвоение титана и алю-
миния металлом слитка; имеет место зна-
чительное снижение содержания кисло-
рода.

Содержание азота в процессе ЭШП
этих сплавов не удается снизить, он толь-
ко перераспределяется в металле более
равномерно (рис. 209).

В процессе ЭШП тщательно контроли-
руется скорость наплавки с точностью
±5%. В конце плавки производится под-
питка. Судя по тому, что верхняя обрезь
слитков ЭШП диаметром 300—430 мм не
превышает 12 мм, подпитка ведется в оп-
тимальных условиях.

Данные, полученные при ковке 225 кор-
пусов и колец турбин, указывают на улуч-
шенную ковкость сплавов Юкар С-263 и
Расстояние от нижнего торца слитка , см

Рис. 209. Распределение азота по высоте слит-
ков ЭШП диаметром 270 мм, массой 1000 кг из
сплава Юкар С-263 [113]. Средняя линия — со-
держание азота в электроде.

Юкар 90 ВИП 4- ЭШП по сравнению с
другими процессами. Слитки из этих спла-
вов перед ковкой подвергаются гомогени-
зирующей термической обработке для
уменьшения концентрации алюминия и ти-
тана в междендритных объемах.

Тщательный подбор электродов по чи-
стоте, современный уровень технологии
ЭШП (плавки на жидком старте в по-
движном кристаллизаторе, горячие режи-

Рис. 210. Влияние температуры испытаний на
кратковременные механические свойства кова-
ных колец-свидетелей из сплава Юкар 90 ЭШП
[ИЗ]:

1 — предел прочности на разрыв и 2 — предел текуче-
сти; 3 — относительное сужение и 4 — относительное
удлинение.

б,ЮС/ММ*

мы в начале плавки, тщательный отбор
шлаков по чистоте, контроль производи-
тельности процесса по ходу плавки, хоро-
шая подпитка в конце плавки и др.) обе-
спечивают высокое качество слитков и хо-
рошую воспроизводимость показателей
качества от слитка к слитку. При такой
технологии оказалось вполне достаточным
вести контроль качества корпусов только
по кольцам-свидетелям (рис. 210 и 211).

При изготовлении 225 корпусов и ко-
лец из 70 слитков ЭШП из сплавов
Юкар 90 и Юкар С-263 было получено
исключительное соответствие механиче-
ских свойств изделий требованиям, предъ-
являемым к материалам для современных
военных турбовинтовых двигателей.

Сплавы Рене 41 и Рене 95.
Сплав Рене 41 применяют в основном для
корпусов компрессоров дисков турбин ре-
активных двигателей. ЭШП сплава прово-
дили в Институте Меллона (США). Вы-
плавляли слитки-слябы сечением 275 X
X 500 мм, массой по 750 кг. В качестве
флюса использовали сухую смесь: 30%
СаЕг, 40% А12О3, 17% СаО и 13% М§О.
При переплаве не применяли каких-либо
дополнительных средств, предотвращаю-
щих угар легирующих элементов, однако
содержание алюминия и титана в электро-
дах было выше, чем это предусматрива-
ется техническими условиями на еялав
Рене 41. Слитки прокатывали на пластины


I

И

<

1

I
♦

I

I

5

|

1

Г
I

Рис. 211. Длительная прочность кованых колен-
свидетелей из сплава Юкар 90 ЭШП [113]:

1 — на базе 10 ч: 2 — на базе 100 ч: 3 — на базе 1000 ч.



1

I

толщиной 25,4 мм. При этом никаких за-
труднений не испытывали. В табл. 205 и
на рис. 212 и 213 приведены данные иссле-
дований механических свойств пластин
сплава Рене 41, выплавленного способом
ЭШП при комнатной и повышенной темпе-
ратурах. Так как для улучшения свойств
ползучести и длительной прочности спла-

У

П

и

[й

I

•— 538°

С после 100 ч выдержки

при 927° С.

Рис. 212. Кривые усталости сплава Рене 41

ЭШП (пластина толщиной 25,4 мм) [7]:

1 — комнатная температура; 2 — 538° С; 3 — 649° С;

4— 760° С; 5 — комнатная температура после 100 ч вы-
держки при 927° С: 6

Таблица 205. Данные испытаний на разрыв
листов сплава Рене 41 (средние значения) [8]

Направление образца	т, ®с	2 2	2  - 2  О и е	-О  О'	9  
Поперечное	27	135,8	102,7	17,7	20,2
Продольное	27	135,7	102.3	20,3	31,6
Поперечное *	27	106,0	66,9	11,5	9,9
Продольное *	27	107,5	65,8	Не	13.5
				опр.	
Поперечное	760	110,3	82,4	13,5	12,5
Продольное	760	108,8	83,9	14,8	18,7
Поперечное *	760	93,7	61,5	10,0	9,0
Продольное *	769	95,3	62,9	12,0	13,2
Поперечное **	760	102,2	65,7	23,5	23,3
Продольное **	760	101,4	64,9	22,2	23,5
Поперечное	930	50,9	39,1	27,1	48,7
। Продольное	930	50,5	39,3	33,2	54.2

• Перед испытанием образцы выдерживали при 930° С
в течение 100 ч и охлаждали на воздухе до комнатной
температуры

** Образцы прошли термообработку, идентичную обра-
ботке образцов, испытанных на ползучесть и длитель-
ную прочность.





ва Рене 41 его подвергали специальной
термообработке, в таблице приведены
также данные на разрыв образцов, про-
шедших такую термическую обработку.

На основании полученных данных в
Институте Меллона был сделан вывод,
что сплав Рене 41, подвергшийся ЭШП, по
своим свойствам не уступает металлу, по-
лученному способом ВДП, а его пластиче-
ские характеристики даже выше.

Сплав Рене 95 производят методом
ЭШП фирмы «Кэбот» и «Олвэк» [44, 126].
Отмечается [126], что потери сплава в ви-
де отходов при ЭШП на переменном и
постоянном токе на 50% меньше, чем при
ВДП. ЭШП на переменном токе и ВДП
дают более высокую чистоту металла, чем



ЭШП на постоянном токе.

В процессе

ЭШП на переменном токе наблюдается
примерно 50%-ная десульфурация сплава
(при содержании в исходном металле от
0,002 до 0,010% 8), тогда как пи при ВДП,
ни при ЭШП на постоянном токе десуль-
фурации нет.

Сплав после ЭШП на переменном то-
ке имеет более высокую горячую пластич-
ность, чем после ВДП (рис. 214). Это хо-
рошо подтверждается и данными фирмы
«Кэбот» [146], которые свидетельствуют о
Рис. 213. Ползучесть и длительная прочность
сплава Рене 41 ЭШП (пластина толщиной
25,4 мм) при 760° С. (Обозначения те же, что
на рис. 212).

возможности осадки слитков ЭШП диа-
метром 305 мм из сплава Рене 95 со сте-
пенью 3:1, тогда как такие же слитки
ВДП удается осадить лишь со степенью
2-2,25 : 1.

Таким образом, в производстве жаро-
прочных сплавов ЭШП является адекват-
ной заменой ВДП, причем он обеспечива-
ет такие особенности и преимущества, ко-
торые невозможно реализовать при ВДП
(например, десульфурация, сохранение ле-
тучих легирующих элементов, большая
технико-технологическая гибкость про-
цесса). Поэтому за рубежом ЭШП широ-
ко применяется взамен ВДП для произ-
водства высоколегированных жаропроч-
ных сплавов, в том числе дисперсионно
твердеющих, содержащих такие легкоокис-

Рис. 214. Влияние ЭШП и ВДП на горячую
пластичность сплава Рене 95 (скорость нагру-
жения 76 мм/мм/мин):

/ — ЭШП. слиток диаметром 330 мм; 2 — ВДП. сли-
ток диаметром 300 мм.

ляющиеся элементы, как алюминии, ти-
тан, магний, цирконий, церий. Наиболее
высокое качество металла обеспечивает
дуплекс-процесс: ВИП (электроды) —
ЭШП (главным образом в подвижном кри-
сталлизаторе). Предпочтительными для
ЭШП сплавов этого класса являются трех-
компонентные шлаки на базе СаРг, СаО
и АЬОз, не содержащие такие непрочные
окислы, как 81Ог, РеО, РЬО. В качестве
добавок эти шлаки могут содержать М^О,
ТЮг, 7ггОз и др. ЭШП в таких случаях
обеспечивает получение более чистого и
более гомогенного металла, чем ВДП, при
одновременном увеличении выхода годно-
го от 5 до 30%. В связи с этим ЭШП ока-
зался лучшим способом для производства
дисков большого диаметра из жаропроч-
ных сплавов для крупных газовых турбин.

§ 10. Трубы и полые
деформированные заготовки

Развитие энергетики, особенно ядерной,
выдвинуло задачу получения катаных труб
из высоколегированных хромоникелевых
сталей аустенитного класса. Однако при
изготовлении труб из этих сталей обыч-
ного производства встретились большие
трудности, связанные с низкой пластич-
ностью металла при высоких температу-
рах. Зачастую прошивка трубной заготов-
ки приводила к разрушению ее в очаге
деформации. Качество труб было неудо-
влетворительным: их внутренняя поверх-
ность была поражена грубыми пленами
и трещинами. Достаточно указать, что
при производстве труб из труднодеформи-
руемы.х сталей расходный коэффициент
металла составлял 10—12, т. е. для полу-
чения 1 т годных труб расходовалось 10—
12 т трубных заготовок.

Трубы. Электрошлаковый переплав
вследствие значительного повышения чи-
стоты трубных аустенитных сталей суще-
ственно улучшил их технологическую пла-
стичность при высоких температурах и
тем самым повысил качество трубных за-
готовок. Так, длина строчечных включе-
ний в электрошлаковой нержавеющей ста-
ли ЭП755 уменьшилась в 2—3 раза [33].

Внедрение ЭШП позволило освоить
производство труб из таких жаропрочных
аустенитных сталей, как, например, ЭП184,
ЭП167, ЭШ68 с высоким содержанием
бора [76], ЭИ844Б, ЭИ450 и др. При этом
были значительно снижены расходные ко-
эффициенты металла, существенно повы-
шена эксплуатационная надежность труб.
Благодаря высокой чистоте электрошлако-
вого металла улучшилось качество особо
тонкостенных электрополированных труб.

Опыт изготовления труб из высокобо-
ристых марок сталей показал, что полу-
чить трубы хорошего качества из металла
обычной выплавки невозможно. Стали, ле-
гированные бором, отличаются низкой
технологической пластичностью при горя-
чем и холодном переделе, весьма чувстви-
тельны к перегреву и имеют очень узкий
температурный интервал горячей дефор-
мации.

Вследствие склонности бора к ликва-
ции легированные бором аустенитные ста-
ли, выплавленные в дуговых печах (с кри-
сталлизацией слитка в изложнице), неод-
нородны по химическому составу и меха-
ническим свойствам. Для получения ме-
талла, однородного по составу и свойст-
вам, а также для повышения его пластич-
ности при горячей обработке давлением
целесообразно использовать ЭШП.

Как показали исследования, поверх-
ность слитков ЭШП стали ЭП381 хоро-
шая и не требует механической обработки
перед ковкой на трубную заготовку диа-
метром 170 мм и полосу сечением 90 X
200 мм, технологическая пластичность ста-
ли при ковке достаточно высокая, содер-
жание бора в металле уменьшается не-
значительно.

Контроль макроструктуры электрошла-
ковой стали ЭП381 в кованой трубной за-
готовке показал, что металл ЭШП имеет
плотную однородную структуру, дефекты
ликвационного характера отсутствуют.
Величина зерна оценивается баллом 5.
Анализ неметаллических включений в ис-
ходном и переплавленном металле свиде-
тельствует о большей чистоте металла
ЭШП (балл по оксидам 0,5 против балла
3,5 у исходного металла). Скопления окис-
но-силикатных включений в виде вытяну-
тых строчек, имеющиеся в исходном ме-
талле, после переплава отсутствуют.
В электрошлаковом металле содержится

небольшое количество мелких разрознен-
ных включений. В отличие от исходной
стали, где имеются крупные колонии бори-
дов, в переплавленном металле бориды
распределены более равномерно.

По данным механических испытаний
электрошлаковая сталь имеет несколько
лучшую пластичность и более высокую
ударную вязкость по сравнению с исход-
ной. Как показали испытания на горячее
скручивание, электрошлаковая сталь
ЭП381 имеет максимальную пластичность
в интервале 1000—1125° С.

В электрошлаковых аустениных ста-
лях с высоким содержанием бора, как по-
казано в работе [5.9], характер распреде-
ления боридной фазы более благоприят-
ный, чем в исходном металле. Если в ста-
ли ЭИ846 обычного производства наблю-
даются грубые скопления боридной фазы
как при малых, так и при больших уко-
вах, то в этой же стали ЭШП указанная
фаза более мелкодисперсна и равномерно
распределена.

Нержавеющие бористые стали аусте-
нитного класса ЭП167 и ЭП168, выплав-
ленные в открытых индукционных печах,
обладают чрезвычайно низкой пластич-
ностью, весьма чувствительны к перегре-
ву и в связи с этим являются трудноде-
формируемыми. Особенно большим недо-
статком трубной заготовки этих сталей,
выплавленных в индукционных печах, яв-
ляется наличие в горячекатаных трубах
громадного количества дефектов (расслое-
ний) протяженностью в 2—10 мм по ме-
стам залегания скоплений неметалличе-
ских включений. Эти дефекты обнаружи-
ваются при расточке и обточке горячека-
таных труб и являются неустранимым бра-
ком, так как неметаллические включения
залегают по всей толщине стенки труб.

Как показали результаты лабораторных
исследований и производственный опыт
по изготовлению труб из электрошлаковых
сталей ЭП167 и ЭП168, микроструктура
заготовок плотная, мелкозернистая. Участ-
ки повышенной травимости, характерные
для заготовок обычной выплавки в цент-
ральной зоне, отсутствовали.

Микроструктура электрошлаковых за-
готовок состояла из округлых зерен аусте-
нита и строчек боридов, равномерно рас-


Таблица 206. Влияние технологии производства трубной стали ЭИ847 на загрязненность
металла и брак трубных изделий [99]

Технология производства	Неметаллические включения, баллы				Отбраковка труб. %	
	Оксиды, силикаты	Сульфиды	Глобули	Нитриды	Год-  ные	Нет-од- ные
ЭД (выплавка на свежей шихте)	3,0	0,5	0,5	3,5	98	2
ЭД (выплавка на отходах)	7,0	1,0	3,5	3,5	67	33
ЭД (выплавка на отходах) ЭШП	1,5	0,5	0,5	2,5	100	0

пределенных по сечению заготовки. Лик-
вационные скопления боридов в центре,
имевшие место в заготовках обычной вы-
плавки, не обнаружены. Неметаллические
включения в заготовках распределены в
виде частых строчек небольшой протяжен-
ности, тогда как в большинстве заготовок
обычной выплавки включения имели вид
крупных вытянутых скоплений до 5 и бо-
лее баллов.

Применение металла ЭШП при произ-
водстве труб из бористых сталей ЭП167 и
ЭП168 обеспечило повышение технологи-
ческой пластичности и позволило осуще-
ствить прошивку сплошной заготовки.

Получение горячекатаных труб из
сплошной заготовки гарантирует большую
экономическую выгоду, так как при этом
устраняется дорогостоящий и трудоемкий
передел — сверление заготовки (неизбеж-
ный при использовании металла обычной
выплавки), значительно снижавший рас-
ходный коэффициент металла.

При расточке отдельных партий горя-
чекатаных труб из стали ЭИ847 был обна-
ружен массовый брак в виде расслоений.
Исследованиями [24] установлено, что эти
дефекты имеют металлургическое происхо-
ждение. В связи с этим было изучено
влияние неметаллических включений в за-
готовках и трубах на пластические свой-
ства металла в горячем состоянии.

После ЭШП расходуемого электрода
дуговой плавки, раскисленной силико-
кальцием или алюминием, резко уменьши-
лось количество оксидных включений,
преобладающий балл снизился до едини-
цы, наибольший — до 2,5, в то время как
в металле, полученном з индукционных
печах и раскисленном порошкообразным
силикокалышем, преобладающий балл

достигает 4, а наибольший! — 6. Кроме
мелких рассредоточенных оксидов в ме-
талле ЭШП других включений не наблю-
дали [24].

Как видно из рис. 88, где приведены
данные испытаний на горячее скручивание
образцов из обычных и электрошлаковых
сталей ЭИ847, ЭШП обеспечивает самое
высокое качество трубных сталей. Кроме
того, он позволяет производить выплавку
стали ЭИ847 с использованием отходов
[99], о чем свидетельствуют данные
табл. 206.

Горячую прокатку труб диаметром 89
и 96 мм при толщине стенки 9—И мм про-
изводили на автоматическом стане. При
осмотре горячекатаных труб (после тер-
мообработки и травления перед расточ-
кой) в некоторых случаях-<)бнаружили де-
фекты прокатного происхождения (вну-
тренние плены), чаще — на трубах из ме-
талла, выплавленного в индукционной
печи, реже — на трубах из электродугово-
го металла. В трубах из металла ЭШП
плен не было.

При контроле стали ЭИ844Б
(00Х16Н15МЗБ) обычной выплавки для
получения труб с толщиной стенок 0,2—
1,0 мм 55% плавок не укладывалось в
нормы ТУ из-за чрезмерной загрязнен-
ности оксидами и крупными силикатами,
около 20% плавок — из-за загрязненности
сульфидами и 22% плавок — из-за глобу-
лярных включений. С целью улучшения
качества металла для обеспечения макси-
мальной надежности готовых изделий
сталь ЭИ844Б была переплавлена в элек-
трошлаковой печи.

В результате проведения испытаний и
исследований было установлено, что оп-
тимальные результаты (с точки зрения
Рис. 215. Макроструктура продольного темплета
электрошлакового слитка стали 00Х16Н15МЗБ
(ЭИ844Б).

технико-экономических показателей и ка-
чества металла) получены при ЭШП ста-
ли на флюсе АНФ-6. Качество металла в
этом случае полностью удовлетворяет
требованиям технических условий. Высо-
кая чистота металла получена также при
переплаве стали на флюсе АНФ-1П.
Однако низкая производительность процес-
са при этой технологии делает ее эконо-
мически нецелесообразной.

Макроструктура стали ЭШП более
плотная по сравнению с исходным метал-
лом (рис. 215). Общая пористость в ме-
талле ЭШП не превышает 0,5 балла, дру-
гие дефекты отсутствуют. Установлена
склонность электрошлаковой стали ЭИ844Б
к слоистой кристаллизации, которая, как
известно, не является браковочным при-
знаком.

Если загрязненность электрометалла
была очень высокой (по данным работы
[76], оксиды и силикаты составляли 3—
5 баллов [76], по данным работы [16], со-
держание включений составляло 0,035%),
то у электрошлаковой стали содержание
кислорода снижается на 9—50%, водоро-
да — на 28—41%, общее содержание вклю-
чений составляет 0,004—0,01% [16]. Осо-
бенно значительно снижаются количество
и размеры глобулярных и сульфидных
включений [77]. Механические свойства
при повышенных температурах электро-
шлаковой стали более высокие, чем у элек-
трометалла, это обеспечивает производ-
ство нержавеющих труб высокого каче-
ства [22].

Сталь ЭП450 (1Х13.М2ВФР) применя-
ется в новых энергетических агрегатах
с рабочей температурой до 600° С. По
структурной классификации она относит-
ся к мартенситно-ферритному классу. На-
личие в стали сильных ферритообразую-
щих элементов — хрома, ванадия, молиб-
дена — приводит к образованию струк-
турно свободного феррита. Таким образом,
сталь ЭП450 является двухфазной нержа-
веющей сталью, свойства которой зависят
от свойств мартенситной и ферритной фаз,


Технология
производства

Е
Е

Таблица 207. Влияние ЭШП

на механические свойства стали ЭП450
при различных температурах

Е
. Е

эд	20	76,4	58,4	18,8	56,4
	350	61,2	48,4	17,2	55,1
	600	42,1	—	25,1	68,8
ЭД + ЭШП	20	83,0	67,2	18.3	59,1
	350	66,5	55.2	14,4	57,6
	600	46,2	—	22,9	73,8

Примечание. Образцы вырезаны из профиля сече-
нием 90x90 мм. Закалка образцов от 1050— 1080* С в
воду, отпуск при 720—740° С с охлаждением иа воздухе.

их количественного соотношения, разме-
ров и формы расположения фазовых со-
ставляющих.

К этой стали предъявляются очень
жесткие требования по чистоте металла
ввиду сопоставимости размеров включе-
ний с толщиной особотонкостенных труб.
Сталь ЭП450 поставляется в виде труб-
ной заготовки диаметром 85—150 мм, в
макроструктуре заготовок не должно быть
трещин, газовых пузырей, следов усадоч-
ной раковины, подкорковых пузырей, шла-
ковых включений, расслоений. Из-за этих
дефектов процент брака заготовок из элек-
трометалла был очень высоким. В резуль-
тате ЭШП заметно уменьшилась загряз-
ненность металла, особенно благоприятным
стало распределение диспергированных
включений. И хотя существенных различий
в механических свойствах продольных об-
разцов электрометалла и стали ЭШП не
обнаружено (табл. 207), технологическая
операция по изготовлению тонкостенных
труб из заготовок электрошлакового ме-
талла производилась весьма эффективно,
брак был полностью исключен.

В процессе прокатки нержавеющей
стали часто образуются рванины. В стали
аустенитного класса рванины возникают
главным образом вследствие двухфазностп
структуры. Хотя хромоникелевая нержа-
веющая сталь должна иметь аустенитную
структуру, при некоторых условиях она
может иметь двухфазную структуру —
аустенитно-ферритную.

При нагреве стали, содержащей 18% Сг
и 9% №, выше 1330° С в ней наряду су-фа-
зой устойчива также и б (а)-фаза. Поэтому
часть аустенита будет превращаться в фер-
рит. Таким образом, в процессе нагрева
стали перед прокаткой количество а-фазы
в ней может увеличиться. В процессе про-
катки выделившаяся а-фаза деформирует-
ся и располагается в виде волокон вдоль
прокатки, так как зерна феррита белее
пластичны, чем зерна аустенита. Таким
образом, двухфазность структуры является
причиной неодинаковой пластичности от-
дельных зерен, что приводит к образова-
нию трещин и рванин при прокатке и про-
шивке стали. Поэтому необходимо умень-
шать количество а-фазы, особенно в труб-
ных заготовках, подвергаемых прошивке.

Механизм влияния а-фазы на пластич-
ность двухфазных сталей объясняется
[104] тем, что сопротивление горячей де-
формации в сопоставимых условиях у фер-
ритных сталей меньше, чем у аустенитных,
а уширение — больше. Поэтому при сов-
местной деформации в аустенитных зернах
будут возникать растягивающие напряже-
ния, а в ферритных — сжимающие. Кроме
того, из-за различия в скоростях протека-
ния рекристаллизационных процессов в
разных фазах аустенит наклепывается
сильнее и возрастание остаточных напря-
жений может привести к образованию
трещин.

Даже малые количества аустенита в
ферритной матрице могут рассматриваться
как более жесткие включения, тормозящие
развитие деформации и являющиеся кон-
центраторами напряжений. В связи с этим
вряд ли справедливо считать ответствен-
ными за пониженную пластичность двух-
фазных сталей только нитриды или карби-
ды хрома.

Особенно неблагоприятно сказывается на
пластичности таких сталей при горячей
прокатке строчечное расположение карби-
дов и нитридов титана вблизи поверхности.
Эти строчки являются непосредственной
причиной разрушения металла. Низкая
пластичность ряда высоколегированных
сталей при их прошивке не дает возмож-
ности получить гильзу без дефектов на
внутренней и наружной поверхности (пле-
ны, трещины и др.). К числу труднопро-
Рис. 216. Поперечные темплеты исходной элек-
тродуговой (а) и электрошлаковой (6) кованой
стали ЭИ654.

шиваемых сталей относится хромоникеле-
вая аустенитная сталь ЭИ654. Значитель-
ное количество штанг и прутков из этой
стали отбраковывается из-за наличия в
них волосовин и других макродефектов.

Для уменьшения содержания неметал-
лических включений, в том числе карбо-
нитридов, в стали и, как следствие, суще-
ственного повышения технологической! пла-
стичности при горячей прокатке эту сталь
подвергли ЭШП.

Результаты химического анализа слит-
ков и кованых штанг показывают, что при
переплаве стали ЭИ654 на нераскисленном
флюсе АНФ-6 и без газовой защиты по-
верхности шлаковой ванны угар титана со-
ставляет 10—20%, алюминия 10—30%. Со-
держание серы при переплаве снижается
на 20—50%. Изменение содержания ос-
тальных элементов находится в пределах
точности химического анализа.

Все слитки ЭШП имели плотную мел-
кокристаллическую макроструктуру без ка-
ких-либо дефектов ликвационного и уса-
дочного происхождения. Усадочная ракови-

на и подусадочная рыхлость практически
отсутствуют. Поверхность слитков гладкая,
золотистого цвета и настолько чистая, что
не требует механической обработки перед
ковкой.

Макроструктура кованого исходного и
электрошлакового металла приведена на
рис. 216 и 217. Структура электрошлаково-
го металла плотная, без волосовин, тре-
щин и других дефектов. При ковке металл
характеризовался очень хорошей пластич-
ностью. Неметаллические включения в
исходном металле, представляющие глав-
ным образом нитриды титана, оценивались
баллом 5. После переплава общее содер-
жание нитридов почти не изменилось, одна-
ко распределение их стало равномерным,
не было грубых строчечных скоплений.
В другом случае [4] в результате ЭШП
содержание включений уменьшилось в
3 раза.

Известно, что в обычном слитке аусте-
нитной стали наблюдается значительное
увеличение содержания феррита в направ-
лении от периферии к центру слитка.
В осевой части слитка феррит имеет более
грубое строение. Это ухудшает пластич-
ность стали при горячей механической об-
работке. Исследование электрошлакового
слитка двухфазной стали ЭИ654 показало,
что феррит в нем по всему сечению распре-
делен практически равномерно. Кроме то-
го, строение его в центральных объемах

слитка такое же тонкое, как и в поверх-
ностном слое.

Содержание а-фазы в исходном и пе-
реплавленном металле одинаково, однако
во втором случае ферритная составляющая
распределена более равномерно и ее вклю-
чения имеют меньшие размеры, чем в ис-
ходном металле, что способствует увели-
чению прошиваемости аустенитно-феррит-
ных трубных сталей.

Прошивка труб из стали ЭИ654, по-
ставленной в виде ободранной заготовки
диаметром 85 мм, показала, что более 60%
труб из электрошлаковой стали имели
очень чистую внутреннюю поверхность, а
остальные трубы имели небольшие плены
на концах. Трубы, прокатанные из обычно-
го металла, имели по всей длине плены,
трещины и надрывы.

Рассмотрим производство особотонко-
стенных труб из стали 1Х18Н9Т
(1Х18Н10Т). Изготовленные из стали
1Х18Н10Т электрополированные трубы,
толщина стенки которых составляет деся-
тые доли миллиметра при диаметре в не-
сколько миллиметров, не должны иметь
рисок и волосовин. Однако добиться этого
при использовании стали, выплавленной в
обычной дуговой печи, чрезвычайно труд-
но. Только применение ЭШП для изготов-
ления трубных заготовок этой стали спо-

Рис. 217. Продольный темплет электрошлако-
вого слитка стали ЭИ654.

Т а б л и ц а 208. Размеры бесшовных труб
больших диаметров для трубопроводов
энергоблоков большой единичной мощности

Марка	Размер	Марка	Размер
стали	трубы, мм	стали	трубы, мм
15Х1М1Ф	465 X 75	15ГС	720x85
	530 х 85		820x22
	550 х 25		1020x22
	630 х 17  630 х 25	Сталь 20	550x25
	720 х 22  920 х 32		630x22
		0Х18Н12Т	426 x 38 530x36
15ГС	530 х 65	12Х1М1Ф	560x32
	630 х 17		630x42
	630 х 75		1020x80

собствовало устранению брака и обеспечи-
ло высокое качество изделий [60].

Принципиально новые возможности в
производстве груб ответственного назначе-
ния открывает использование в качестве
трубной заготовки полых электрошлаковых
слитков. Применение для этой цели полых
электрошлаковых слитков позволяет упро-
стить технологию и оборудование для про-
изводства горячекатаных труб, особенно
из труднодеформируемых сталей и спла-
вов.

Проблема производства крупнога-
баритных бесшовных толстостенных труб
из теплоустойчивых сталей типа
15Х1М1Ф, 12Х1М1СФ, нержавеющих — ти-
па 0Х18Н12Т, 0Х18Н10Т, качественных —
типа сталей 20, 15ГС и других для тепло-
вой и атомной энергетики успешно реша-
ется на основании электрошлаковой вы-
плавки полых слитков.

Сортамент труб, необходимых для этой
отрасли промышленности (табл. 208), до-
статочно велик [12, 94], Поэтому, исполь-
зуя полые электрошлаковые слитки, часть
сортамента труб целесообразно получать
путем прессования либо протяжки, кроме
того, электрошлаковые трубы с толщиной
стенки более 20 мм могут использоваться
в литом виде. Перспективная технология
прессования труб из полых электрошлако-
вых слитков была опробована еще в
1968 г. В опытном порядке были получены
трубы размером 600 X 22 методом обрат-
лого прессования полой заготовки на вер-
тикальном прессе мощностью 30 тыс. т.
Трубы имели хорошую поверхность, разно-
стенность полностью отсутствовала.

Полые деформированные заготовки.
Потребность современной техники в коль-
цевых заготовках исключительно велика.
Особенно широко применяются они в судо-
строении, энергетике, химической и нефтя-
ной промышленности, в авиационной и ра-
кетной технике. Так, например, в совре-
менных газотурбинных и реактивных дви-
гателях кольцевые детали ответственного
назначения составляют 25—30% общей
массы двигателя.

Из-за низкого качества полых слитков,
получаемых обычными методами литья,
металлурги и машиностроители вынуждены
были прибегнуть к изготовлению полых за-
готовок для деталей ответственного назна-
чения с помощью различных способов го-
рячей деформации — ковки, прошивки,
протяжки, прессования, раскатки слитков
сплошного сечения.

Серьезные недостатки этой техноло-
гии — высокая стоимость заготовок, обу-
словленная применением большого количе-
ства промежуточных операций (ковка
слитков на биллеты, обдирка, разрезка
биллетов на заготовки, прошивка загото-
вок, раздача, калибровка), низкий коэф-
фициент использования металла и необхо-
димость иметь дорогостоящее кузнечно-
прессовое оборудование.

Задача производства кольцевых загото-
вок успешно решается на основе электро-
шлаковой выплавки полых слитков. С раз-
работкой и освоением технологии произ-
водства полых слитков методом ЭШП не
только упростилась технология изготовле-
ния кольцевых заготовок и повысился ко-
эффициент использования металла, но, что
особенно важно, повысилось качество этих
изделий. Известно, что с уменьшением
массы и диаметра слитка улучшается его
качество.

Выплавка полых слитков ЭШП связа-
на прежде всего с уменьшением его тол-
щины и снижением глубины металличе-
ской ванны. Наличие дорна (своего рода
холодильника) в этом случае способству-
ет более интенсивному отводу тепла и по-
лучению металла с более высокими и ста-

бильными свойствами. Были проведены
сравнительные исследования структуры и
свойств полых и сплошных слитков ЭШП.
Сравнивали слитки из стали 35ХНЗМ диа-
метром 540 мм и полые того же размера с
толщиной стенок 200 мм. Слитки выплав-
ляли при равных значениях тока и напря-
жения под одним и тем же флюсом.

При изучении структуры слитков было
установлено, что хотя металл как полых,
так и сплошных слитков был плотный, без
каких-либо дефектов усадочного происхо-
ждения, однако по макроструктуре слитки
существенно отличались.

Макроструктура полых слитков харак-
теризуется наличием лишь одной зоны
столбчатых кристаллов, имеющих радиаль-
но-осевые направления. У поверхности
слитка размеры кристаллов в поперечном
направлении не превышают 2—3 мм. По
мере удаления от. поверхности кристаллы
несколько укрупняются и в середине тол-
щины стенки слитка достигают 8 мм. По-
лучение такой довольно однородной и тон-
кой структуры обусловлено тем, что при
выплавке полых слитков, несмотря на
большую производительность процесса
ЭШП, глубина металлической ванны под-
держивалась сравнительно небольшой — в
пределах 120—130 мм. При выплавке спло-
шных слитков того же размера и с такой же
производительностью глубина металличе-
ской ванны возросла до 250—260 мм, т. е.
увеличилась более чем в 2 раза по срав-
нению с полым слитком. Это отразилось
на структуре металла. Макроструктура
сплошных слитков включает две зоны —
периферийную зону столбчатых кристал-
лов, ширина которой составляет около
250—260 мм, и осевую зоны равноосных
кристаллов шириной 50—60 мм. Столбча-
тые кристаллы у слитков сплошного сече-
ния укрупняются от 3—5 мм до 20—25 мм
в осевой зоне.

Увеличение глубины металлической
ванны привело к развитию структурной не-
однородности металла, что в свою очередь
сказалось на его качестве — плотности и
пластических свойствах. Как видно из
рис. 218, плотность металла в полом слит-
ке по мере перемещения от периферии к
зоне встречи столбчатых кристаллов прак-
тически не снижается. В слитке сплошного
Расстояние от наружной поверхности слитка, мм

Рис. 218. Изменение плотности литого металла
ЭШП по сечению сплошного (1) и полого (2)
слитков ЭШП.

сечения наблюдается ~ постепенное сниже-
ние плотности от наружной поверхности к
центру, связанное с развитием рассеянной
микропористости.

Исследования показали, что металл по-
лых слитков характеризуется более высо-
кой степенью дисперсности первичной
структуры по сравнению со сплошными
слитками (рис. 219). Если в полых слит-
ках расстояния между осями дендритов
первого порядка увеличиваются от 100 мкм
в районе наружной поверхности до 830 мкм
в середине толщины стенки, т. е. возраста-
ют в 8 раз, то в сплошных слитках эти
расстояния соответственно составляют
100 мкм вблизи наружной поверхности и
1900 мкм в центральной части, т. е. увели-
чиваются в 19 раз. Аналогичная картина
характерна и для ветвей второго порядка.

Рис. 219. Изменение расстояний между осями
дендритов в слитках ЭШП:

с —расстояния первого порядка; б — расстояния вто-
рого порядка; 1 — сплошной слиток; 2 — полый сли-
ток.

Отмеченная разница в структуре слит-
ков отразилась и на механических свой-
ствах металла. Как видно из рис. 220, пла-
стические свойства слитка сплошного сече-
ния в средней части несколько ниже, чем
в периферийной зоне. Пластические свой-
ства полого слитка практически одинаковы
как по высоте, так и по сечению. Высокое
качество полых слитков ЭШП является за-
логом высокого качества труб, колец, обе-
чаек, полученных путем деформации этих
слитков.

Целесообразность использования полых
слитков ЭШП в качестве заготовок для
производства труб, колец и тонкостенных
обечаек в последние годы подтверждена
рядом исследований, выполненных как в
СССР, так и за рубежом.

Кольца и обечайки из среднелегирован-
ной высокопрочной хромомарганцекремне-
никелемолибденовой стали вследствие вы-
соких требований, предъявляемых к их ка-
честву, как правило, изготавливали из
сплошных слитков ВДП, подвергнутых
биллетированшо, осадке, прошивке, ковке
и раскатке. Применение полых слитков
ЭШП для производства колец не только
резко снижает стоимость последних, но и
позволяет обеспечить все механические ха-
рактеристики, предъявляемые к деформи-
рованному металлу ВДП (табл 209). Об-
ращает на себя внимание то, что увеличе-
ние степени деформации колец от 53,4 до
84,5% не приводит к улучшению механиче-
ских свойств. Это еще раз свидетельствует
о высоком качестве литого металла полых
слитков ЭШП, деформация для которых в
данном случае может быть незначительной
или даже ненужной.

Из полых слитков ЭШП размером
360 X 60 высокопрочной хромомарганце-
кремненикелемолибденовой стали были
также раскатаны обечайки диаметром
Таблица 209. Механические свойства цельнокатаных колец из высокопрочной
хромомарганцекремненикелемолибденовой стали

Способ выплавки	Степень деформа- ции. %	Ов> кгс/мм2	Оч, кгс/мм?	е, %	Ф- %	«н.  кгс - м/см2
ЭШП (закалка с отпуском)	53,4	206,5	200,0	9.6	34,5	46
		207	200,0	9,0	32,8	4,3
	69,0	205,0	182,0	10,0	35,0	4,1
		203,4	185,0	10,8	37.2	3,9
	84,5	205,0	184 0	10,2	36,7	3.7
		207,0	185,0	10,4	36,4	3,5
ВДП (требования ТУ для тангенциальных образцов)	—	>190	—	>6	>20	>3,0

Примечания: 1. Приведены средние значения свойств по 40 образцам. 2, Числитель— свойства, определен-
ные на образцах, вырезанных в тангенциальном направлении, знаменатель — в осевом направлении.

Таблица 210. Механические свойства металла раскатной обечайки из высокопрочной
хромомарганцекремненикелемолибденовой стали, полученной из полой заготовки ЭШП

Направление вырезки образцов	*В’ кгм/мм5.	<3  *	а5, кгс/мм51	сэ О	<о		Ф. %		«н> кгс - м/см!	1Л к
Продольное	190,2	1,04	178,0	0,98	10,0	0,957	31,9	1,01	7,1	1,05
	190,2		165,3		8,0		31,9		6,9	
	191,8		174,8		11,3		366		—	
Поперечное	187,7		175,0		11,3		37,4		—	
	191,8		179,0		10,0		31,0		5,5	
	190.2		174,8		9,3		31,0		7,8	

Примечания: I. Термообработка: закалка и отпуск. 2. Ка, — Ка^ — коэффициенты анизотропии (отношение
значений свойств, установленных на продольных образцах, к поперечным).

360 мм с толщиной стенки 1,7 мм. Резуль-
таты механических испытаний этих обечаек
(табл. 210) свидетельствуют о полной изо-
тропности металла, что особенно важно.

Рис. 220. Изменение пластических характери-
стик по сечению сплошного (/) и полого (2)
слитков ЭШП:

а — поперечные образцы; б — продольные образцы.

когда действие основной нагрузки при ра-
боте изделия не совпадает с направлением
деформации при раскатке. Изготовленные
из указанных обечаек корпуса изделий
подвергли гидроиспытанию до разрушения.
Конструктивная прочность при этом соста-
вила о = 200 кгс/мм2, что удовлетворяет
предъявлемым техническим требованиям.

Полые слитки сравнительно большого
размера (Онар = 650 мм, /)Вн = 250 мм,
высота — 1000 мм) из стали типа 40ХГСА
были подвергнуты горячей деформации с
различной степенью обжатия (до 60%).

Результаты испытаний (рис. 221) пока-
зали, что механические свойства колец, из-
готовленных из полых слитков ЭШП, пол-
ностью отвечают требованиям, предъявляе-
мым к кольцам, полученным со значитель-
но большей величиной деформации слитков

сплошного сечения.
Рис. 221. Зависимость механических свойств
колец из стали типа 40ХГСА ЭШП от степени
деформации (штриховые линии — аксиальные
образцы, сплошные — тангенциальные образцы).

Высоколегированная хромистая сталь
ЭИ961 (1Х12Н2ВМФ) широко применяется
для производства тяжелонагруженных ко-
лец, работающих при высоких температу-
рах. Для проведения исследований колец
из этой стали выплавлялись слитки
(Свар = 450 мм, Овн = 150 мм), которые
затем были раскатаны на кольца с разной
степенью деформации. Химический состав
стали ЭИ961 после ЭШП под флюсом

АНФ-6 практически не изменился
(табл. 211). Содержание серы уменьши-
лось в 2 раза.

Механические свойства литого металла
(электрошлакового полого слитка) и ко-
лец (табл. 212) полностью удовлетворяют
требованиям технических условий на цель-
нокатаные кольца, изготавливаемые из
биллетов металла ЭШП.

По данным В. В. Панина, для произ-
водства цельнокатаных колец, работающих
в сложных температурных условиях при
значительных нагрузках, с успехом были
использованы полые слитки ЭШП из вы-
соколегированных аустенитно-ферритной
стали 00Х22Н6С2 и мартенситно-старею-
щей стали 00Х11Н10М2Т. Исследования,
выполненные В. В. Паниным, показали,
что полые слитки ЭШП из этих сталей
имели плотную макроструктуру с отчетли-
вой направленностью кристаллов к верти-
кальной оси под углом 30—35°, а в зоне
встречи кристаллов их направление при-
ближается к продольно-осевому. В исход-
ной стали 00Х22Н6С2 (открытой электро-
печной выплавки) загрязненность по окси-
дам оценивалась баллом 1,5, а по сульфи-
дам — 0,5 (ГОСТ 1778—62), после ЭШП
обнаружены только оксиды 0,5 балла.

В исходной стали 00Х11Н10М2Т (ме-
талл ВДП) обнаружены оксиды балла 1,0
и нитриды балла 2,0, а после ЭШП выяв-
лены только нитридные включения, оце-
ниваемые баллом 1,0. Микроструктура ста-
ли 00Х22Н6С2 после ЭШП двухфазная с
дезориентированным ферритом. Микро-
структура стали 00Х11Н10М2Т представ-
ляет собой игольчатый мартенсит с равно-
мерным зерном.

Средние данные испытания шести об-
разцов из этих сталей приведены в
табл. 213. Как видно из таблицы, кольца
из стали 00Х22Н6С2 в литом состоянии

Таблица 211. Химический состав стали ЭИ961 до и после ЭПШ, %

Объект анализа	С	81	Мп	8	р	Сг	м		V	Мо
Расходуемый электрод	0,13	0,23	0,58	0,006	0,029	11,3	1,62	1,90	0,26	0,46
Слиток ЭШП	0,13	0,23	0,54	0,003	0,024	11,1	1,62	1,89	0,27	0,49
Требования ЧМТУ	0.1— 0,16	<0,6	<0,6	<0,02	<0,03	10,5— 12,0	1,5—  1,8	1,6— 2,0	0.18— 0,30	0,35— 0,50
Таблица 212. Механические свойства литого и деформированного металла ЭШП (сталь ЭИ961 |

Объект анализа	Направление вырезки образцов	°В’ кгс/мм2	о5, кгс/мм2	0. %	Ф. %	"н-  кгс - м/см2
Литой металл (полый сли- ток диаметром 450 х 145 мм)  Цельнокатаное кольцо (степень деформации 60%)  Требования ТУ на цель- нокатаные кольца	Осевое  Радиальное  Тангенци- альное  Тангенци- альное  То же	112—114	100—102	15,0—18,5	64—69	9,4—13,1  11,4  10,0—12
		113 113—116	101  100—104	16.8  14,5—20,0	67,6 64—71	
		114  111 — 113	102 99—101	17,9  17,0—19,0	68,1 66—71	11,2  9,0—13,7
		111,8  112—115	100 102—106	17,6  15,5—17,5	69  69,71	10,9  16,1 — 19,2
		113  >Ю4,5	104,1  >85,5	16,8  >9,0	70,1  >40,0	18,1  >5,25

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средине

Таблица 213. Механические свойства сталей 00Х22Н6С2 и 00Х11Ш0М2Т

Марка стали	Металл	Направление вырез- ки образцов	ов.  кгс/мм2	кгс 'мм2	6, %	’Г. %	ан.  кгс - м/см2
00Х22Н6С2	Исходный	Продольное	76,5	57,2	47,8	78,8	29,9
		Поперечное	—	—	—	—	12,1
	После ЭШП	Тангенциальное	66,0	50,0	41,7	73,3	28,5
	(литой)	Радиальное	67,5	52,7	45,0	68,8	25,1
		Осевое	67,3	51,7	51.8	71,3	34,2
Требования ТУ (не менее)			66,0	35	15,0	36,0	4,5
00Х11НЮМ2Т	После ЭШП	Тангенциальное	141,5	136,0	10,9	58,8	7.7
	(уков 5,4)	Радиальное	144,0	137,0	9,6	36,0	4,0
		Осевое	145,0	140.0	9,6	40,5	3,7
Требования ТУ (не менее)		Осевое	130,0	120	8,0	30,0	3,0

обладают весьма высокими механическими
свойствами и отвечают требованиям техни-
ческих условий, предъявляемым к дефор-
мированному металлу. Следует особо отме-
тить высокие значения пластических ха-
рактеристик. После укова 5,4 кольца из
стали 00Х11Н10М2Т также удовлетворяют
требованиям ТУ.

Бандажные кольца крупных турбогене-
раторов изготавливают в основном из не-
магнитных хромомарганцевых и хромомар-
ганценикелевых высокоуглеродистых аусте-
нитных сталей.

Предел текучести аустенитных сталей
Сг—Мп и Сг—Мп—применяемых для

производства бандажных колец в закален-
ном состоянии, не превышает 30—
40 кгс/мм2, в то время как для современ-
ных агрегатов он должен составлять 60—
90 кгс/мм2, а в перспективе—120—
140 кгс/мм2. Чтобы достичь таких прочно-
стных характеристик, бандажные кольца
подвергают холодному, или так называе-
мому полугорячему, наклепу, который про-
изводится при температуре 400—500° С.

Бандажные кольца в СССР и за рубе-
жом изготавливают практически по одина-
ковой технологии, которая заключается в
горячей прошивке слитков сплошного сече-
ния из электропечного металла, раздаче
Рис. 222. Зависимость механических свойств
колец из стали 60ХЗГ8Н8В ЭШП при 20° С (а,
6) и 500° С (в, г) от степени деформации (тре-
бования ТУ: бв > 90 кгс/мм2, ов > 98 кгс/мм2.
6 >20%, ф>35%).

прошитых слитков на оправке, механиче-
ской обработке (обдирке) заготовок и по-
следующем наклепе. Наклеп аустенитных
сталей, как известно, сопровождается за-
метным снижением их пластичности, что
ограничивает возможность упрочнения бан-
дажных колец. В связи с этим ряд иссле-
дователей обратили внимание на металл
ЭШП. Повышение чистоты стали и связан-
ное с ним повышение пластических харак-
теристик полых слитков ЭШП являются
своего рода резервом для упрочнения ко-
лец путем наклепа.

Для производства немагнитных бандаж-
ных колец у нас в стране широко приме-
няется сталь 60ХЗГ8Н8В. Выплавленные
из этой стали полые электрошлаковые
слитки, имеющие наружный диаметр
375 мм и толщину стенки 105 мм, проко-
вывались со степенью деформации 85%.

Макроструктура кованого металла отлича-
лась мелким и достаточно однородным
зерном, соответствующим 3—4 баллам
стандартной шкалы.

Механические свойства после закалки
были весьма однородны и имели следую-
щие средние значения: Щ>,2 = 34 кгс/мм2;
Св ~ 77 кгс/мм2; б = 75%; ф = 79%. По-
сле упрочняющей обработки (прокатки при
Т = 20° С и Т = 500° С) со степенью де-
формации 10, 20, 30, 40 и 50% по толщине
заготовки наблюдается повышение прочно-
стных и снижение пластических характери-
стик.

Как видно из рис. 222, электрошлако-
вый металл обладает высокой пластично-
стью, что позволяет повысить его прочно-
стные характеристики (путем наклепа) до
требуемых по техническим условиям вели-
чин, обеспечив при этом необходимые зна-
чения пластических свойств. Особенно вы-
сокие значения механических свойств до-
стигаются после полугорячего наклепа при
деформации 50%	(Оо,2 > 102 кгс/мм,

Ов = 123 кгс/мм, б > 28%, Ф = 65%).

Аналогичный вывод был сделан во
Франции, где исследовали бандажные
кольца из полых слитков ЭШП (сталь
50Х4Г18). Для сравнения качества колец,
полученных из полых слитков ЭШП, был
отлит полый слиток в песчано-земляную
форму из металла открытой выплавки. Из
этого слитка так же, как и из полых слит-
ков ЭШП, были откованы кольца. Кроме
того, было изготовлено бандажное кольцо
по принятой на фирме технологии из спло-
шного слитка открытой выплавки.

В табл. 214 приведен химический со-
став всех бандажных колец. Размеры
слитков и прокованных колец приведены в
табл. 215. Механические свойства металла
прокованных бандажных колец после за-
калки в воде (1050° С, выдержка 6 ч) и
гидравлической раздачи приведены в
табл. 216.

Приведенные данные свидетельствуют
о том, что механические свойства бандаж-
ных колец, полученных из полых слитков
ЭШП, в наибольшей степени отвечают тре-
бованиям, предъявляемым к этим изде-
лиям.

Электрошлаковый металл уже более
20 лет широко используется в произвол-
Таблица 214. Химический состав бандажных колец из стали 50Х4Г18, полученных различными
методами, %

Исходная заготовка	С	81	Мп	8	р	Сг	ьи	Мо	V	А1	К
Полый слиток ЭШП	0.51	1.15	17,4	0,003	0,015	4,4	0,16	0,03	о,1	0,01	0,05
Отливка в землю	0,51	1,02	18,42	0,007	0,014	4,4	0,17	0,03	0,13	0,033	0,042
Слиток из металла от- крытой выплавки	0.51	1,01	18,45	0,007	0,014	4,4	0,17	0,03	0,12	0,034	0,042

Таблица 215. Размеры слитков и колец из стали 40X4Г18

Исходная заготовка	Размеры после ковки, мм			Степень укова
	^нар	^ВН	Высота заго- товки	
Полый слиток ЭШП (Онар = 345 мм, Пвн = 160 мм)	540	450	370	1,6
Отливка в землю (Г>	= 375 мм,	= 160 мм)	555	455	375	1,6
Слиток из металла открытой выплавки массой 3800 кг	570	450	360	5,2

Таблица 216. Механические свойства металла слитка ЭШП. отливки и слитка
обычного производства стали 40Х4Г18 (после гидравлической раздачи)

Исходная заготовка	Степень де- формации, %	°0,2»  кгс/мм2	ов , кгс/мм2	б. %	4’. %	кгс  м/см2
Полый слиток ЭШП	32	99,3	122,9	31,6	49,5	13,8
	45	114,0	194,8	25,0	48,5	10
	53	122,6	142,0	22,4	45,0	7,7
	70	157	169,0	12,3	36,0	5,1
Отливка в землю  Слиток массой 3,8 т из ме-	30	95,6	125	31,4	47,0	10
талла открытой выплавки	55	130	146,5	17,6	38	5,1

Примечание. Приведены средние значения испытаний четырех образцов.

стве подшипников. Изготавливать кольца
подшипников из полых слитков ЭШП гораз-
до проще и выгоднее, чем нз слитков
сплошного сечения. Полые слитки ЭШП
могут непосредственно подвергаться горя-
чему прессованию и раскатке. Это позво-
ляет не только сократить трудоемкость, по-
высить коэффициент использования метал-
ла, но и повысить качество изделий. Срав-
нительные исследования стали типа ШХ15
показывают, что наименьшую дендритную
неоднородность имеют полые слитки ЭШП.
Например, в полом слитке ЭШП диамет-
ром 380 X 150 мм максимальное расстоя-
ние между осями первичных дендритов со-
ставило 450 мкм, а в сплошном слитке
ЭШП— 1700 мкм. Эта особенность позво-
ляет значительно уменьшить требуемую

степень обжатия полых слитков ЭШП по
сравнению со сплошными слитками. В на-
чале 70-х гг. были проведены исследования
стали типа ШХ15, переплавленной в полые
слитки ЭШП. Полые слитки ЭШП раска-
тывались на кольца (табл. 217). Слитки
раскатывались легко, без вибрации, свой-
ственной кованым заготовкам металла ЭД.
Как показал ультразвуковой контроль, в
слитках и полученных после раскатки коль-
цах шлаковые включения и пористость от-
сутствовали. Из раскатанных колец выре-
зали образцы для определения загрязнен-
ности стали неметаллическими включения-
ми. Аналогичные образцы отбирали из
кольца, раскатанного из металла откры-
той выплавки с содержанием кислорода
0,0025% и серы 0,023%. Данные о количе-
Таблица 217. Размеры слитков и колец
из стали ШХ15

Способ выплав- ки	Размер, мм		Сте- пень обжа- тия. %
	Слиток	Кольцо	
эшп	383x152x213	679x581x214	46
»	385x158x199	842x766x170	67
эд	320x150x200	710x600x230	46

стве неметаллических включений в метал-
ле приведены в табл. 218, из которой сле-
дует, что при одинаковом содержании кис-
лорода и степени обжатия в металле ЭШП
неметаллических включений меньше, чем в
стали открытой выплавки.

Не меньший интерес представляют дан-
ные А. К. Петрова о загрязненности стали
1ПХ15Ш неметаллическими включениями.
Размер оксидных включений в металле по-
лого слитка не превышает 2—3 мкм, суль-
фидных 4—6 мкм, нитридных 2—4 мкм.
Исследование металла трубы, прессован-
ной из полого слитка, показывает, что за-
грязненность электрошлаковой стали по
оксидным и точечным включениям не пре-
вышает 0,5 балла, т. е. находится на уров-
не загрязненности стали, выплавленной
методами ВДП и ЭЛП. По мнению автора,
эти данные не случайны и связаны с тем,
что при уменьшении продолжительности
пребывания металла в жидком состоянии
в полом слитке подавляется процесс укруп-
нения включений, образующихся, напри-
мер, в результате протекания реакций вто-
ричного раскисления в междендритных
объемах металла.

Кольца из малогабаритных подшипни-
ков теплоустойчивых сталей 9X18Ш и

ЭП347Ш обычно изготавливают путем раз-
резки кованого прутка на диски с после-
дующим высверливанием сердцевины. По-
лучение полых слитков ЭШП позволяет
коренным образом изменить процесс изго-
товления колец подшипников благодаря
использованию горячедеформированных
труб. Такая технология изготовления ко-
лец снижает расход металла и трудоем-
кость токарной обработки. Кроме того,
применение полых слитков ЭШП позволя-
ет улучшить качество металла, особенно
рабочей поверхности колец подшипников,
что положительно отражается на контакт-
ной выносливости и долговечности подшип-
ников.

По данным микроисследовання Б. М. Ни-
китина, в металле полого слитка стали
9Х18Ш структура карбидной эвтектики
более тонкая, а размеры ячеек и скопления
карбидов в ней меньше, чем у обычного
слитка. Это объясняется небольшой про-
должительностью пребывания металла в
жидком состоянии вследствие ускоренной
кристаллизации полого слитка по сравне-
нию со сплошным. Поскольку металл поло-
го слитка имеет тонкую сетку карбидов,
облегчается ее дальнейшее дробление в
процессе деформации, кроме того, сокра-
щается продолжительность гомогенизации
после деформации.

Эвтектическая составляющая в металле
после гомогенизации по ступенчатому ре-
жиму представлена в виде цепочек изоли-
рованных карбидов угловатой формы, бо-
лее равномерно распределенных по сече-
нию слитка.

Прессование и раскатка полых слитков
из стали 9Х18Ш привели к дальнейшему
измельчению крупных карбидов и более

Таблица 218. Влияние способа выплавки на загрязненность стали ШХ15

Способ выплавки	5. %	[01-10—*,%	Содержание включений					Степень обжатия, %
			мкм иа единицу площа- ди		баллы			
			Сульфиды	Оксиды	Сульфиды	Оксиды	Г лооули	
эшп	0,003	26	0	4	0,5	0,5	0,5	46
»	0,004	26	0	14	0,5	1,0	0,5	67
эд	0,023	25	210	25	1,5	1,5	0	46
Таблица 219. Контактная выносливость стали 9X18

Объект анализа	Напряжение в месте контакта шарика с плоским кольцом, кгс/мм	икс, кгс/мм2	Долговечность, млн. циклов	
			110	^0
Пруток диаметром 30 хм из обычного слитка, подвер- гнутого деформации с коэффициентом вытяжки 100  Каваный образец из полого слитка, подвергнутого де- формации с коэффициентом вытяжки 5	350  350	61,5  61,5	100  170  85  250	250  310  250  368

Примечания: 1. Режим термообработки: закалка с 1070° С, охлаждение до 90—70° С, отпуск при 160° С.

2. В числителе дана контактная выносливость металла после отжига по обычной технологии, в знаменателе —
после гомогех изации по ступенчатому режиму.

благоприятному распределению их в ме-
талле.

Для оценки работоспособности подшип-
ников, изготовленных нз полых слитков
стали 9X18111, провели испытание образцов
на контактную выносливость на 9-позици-
онных машинах по схеме, предусматрива-
ющей осевую нагрузку упорного подшип-
ника типа 8100.

Работоспособность оценивалась по дол-
говечности тщ, что соответствует стойкости
не менее 90% испытуемых образцов нз
партии. Результаты испытаний (табл. 219)
показывают, что работоспособность стали
9Х18Ш из полого слитка (отжиг по обыч-
ной технологии) после ковки образцов с
коэффициентом вытяжки металла 5 при-
ближается к работоспособности стали
9Х18Ш, прокатанной на пруток диаметром
30 мм с коэффициентом вытяжки металла
100. Более того, в случае гомогенизации
металла по ступенчатому режиму при
той же схеме деформации по работоспо-
собности сталь из полого слитка превосхо-
дит металл, прокованный из слитка сплош-
ного сечения.

Аналогичные результаты, свидетель-
ствующие о высоком качестве колец и
труб, полученных путем деформации полых
электрошлаковых слитков, были получены
американскими исследователями [1321.

Для проведения исследований были ис-
пользованы полые слитки ЭШП высоко-
прочной низколегированной стали, диспер-
сионно упрочняемого хромоникелевого
сплава и сверхвысокопрочной стареющей
стали марки 250. Результаты испытаний
этих слитков и деформированных нз них
колец приведены в табл. 220.

Кроме того, была осуществлена элект-
рошлаковая отливка полых слитков из жа-
ропрочных сплавов А-286, Инконель, 600,
Рене 41, Инконель 718, ПУ-700. Механи-
ческие свойства полых слитков в литом и
деформированном состоянии приведены в
табл. 221.

Приведенные выше данные раскрывают
далеко не полностью все преимущества, ко-
торые обеспечивают полые электрошлако-
вые слитки, используемые в качестве ис-
ходной заготовки для производства труб,
обечаек и колец.

Переходники из разнородных сталей.
Появление и развитие технологии изготов-
ления переходных элементов (переходни-
ков) обусловлены трудностями, возника-
ющими при сварке разнородных металли-
ческих материалов. Эти трудности прояв-
ляются в образовании в зоне сплавления
хрупких прослоек, которые являются ре-
зультатом взаимного перемешивания раз-
нородных металлов и диффузии элементов
из одного сопрягаемого материала в дру-
гой (так называемая структурная, или
диффузионная, неоднородность), например
углерода из неаустенитной стали в аусте-
нитную (или в шов).

Отрицательно влияют на эксплуатаци-
онную надежность соединений также оста-
точные напряжения, обусловленные раз-
личными физическими свойствами соеди-
няемых металлов. В ряде случаев имеются
трудности в получении металла шва без
трещин и требуемых механических свойств
соединения. Эти трудности устраняются
или в значительной степени ослабляются
применением так называемых переходни-
ков. Их применение наиболее рационально
Таблица 220. Механические свойства литых полых слитков ЭШП и деформированной
сверхвысокопрочной стали

Объект анализа	Режим термообработки	Направление ис- пытания	кгс/мм2	ов,  кгс, мм2	0, %	ф. %
Полый слиток со стенкой	Закалка с 873° С,	Осевое	148,0	168	8.0	22
толщиной 88,9 мм из ста- ли марки 4354У	охлаждение в масле, отпуск при 260°С	Касательное	146,0	166	8.5	23
Деформированное кольцо	То же	Осевое	150,5	170	10,5	30
со стенкой толщиной 44,4 мм из стали марки 4335У		Касательное	147,5	169	11,0	29
Полый слиток со стенкой	Закалка с 900° С в	Осевое	162	194.5	7.0	20
толщиной 100 мм из ста- ли марки 300М	соленой ванне, отпуск при 288° С	Касательное	164	197	8,0	22
Деформированное кольцо	То же	Осевое	169	203	9,0	27
со стенкой толщиной 50,8 мм из стали марки ЗООМ		Касательное	171	204	9,5	28
Полый слиток со стенкой	Закалка с 900° С в	Осевое	145,5	173,5	5,5	16
толщиной 100 мм из стали марки 1)6	соленой ванне, отпуск при 316е С	Касательное	144	173	6,5	18
Деформированное кольцо	Закалка с 900° С в	Осевое	147,5	188	7.0	20
со стенкой толщиной	соленой ванне, отпуск	Касательное	147	184,5	6,0	19
25,4 мм из стали марки	при 316°С и при	Осевое	120	165	14,0	30
П6	594° С	Касательное	119	161	13,0	2»
Полый слиток со стенкой	Обработка на твердый	Осевое	119	132	15,5	38
толщиной 100 мм из стали марки 17Сг— 14141РН	раствор при 1023° С, старение при 482°С	Касательное	120	133,5	15,6	39
Полая деформированная	Обработка на твердый	Осевое	121	136	19,0	42
заготовка со стенкой тол- щиной 44,4 мм из стали марки КС — 14141РН	раствор при 1040° С, старение при 482°С	Касательное	122,2	137	19,0	43
Полый слиток со стен-	Нагрев до 815° С 1 ч	Осевое	166	170	6,0	28
кой толщиной 76,2 мм из стали марки Магащп^ 250  К81	Нагрев до 497° С 6 ч	Касательное	169	175,5	7,0	30
Деформированное кольцо	Нагрев до 815° С 1 ч	Осевое	173,5	181	10,0	35
со стенкой толщиной 25,4 мм из стали марки Мага§1п§ 250 К81	Нагрев до 497° С 5 ч	Касательное	175,5	182	п.о	38

Примечания: 1. Размер полых слитком 2>нар колебался в пределах 200—400 мм, масса пол^1х заготовок со-
ставляет 100—210 кг. 2. Диаметр колец, полученных из полых заготовок ЭцГН. равен 510—1020 мм

в монтажных условиях, так как при нали-
чии переходников остается сварить только
одноименные материалы. Сами же пере-
ходники производятся в цеховых условиях,
где имеется возможность точного соблюде-
ния технологии изготовления, термообра
ботки, контроля качества.

Наибольшее применение нашли пере-
ходники в высокотемпературных областях
трубопроводных систем энергетических
установок для соединения низколегирован-

ных теплоустойчивых сталей с аустенитны-
ми нержавеющими сталями. Небольшие
переходники используются в пароперегре-
вателях, переходники больших размеров —
в главном паропроводе. Причем диаметры
трубных переходников изменяются от 30
до 250 мм, а толщина стенки — от 8 до
85 мм. Характерными условиями эксплуа-
тации больших переходников являются
давление пара в 180000 Па и температура
505° С.
Таблица 221. Механические свойства литых полых слитков ЭШП и деформированных колец
из жаропрочных и теплоустойчивых сплавов

Характеристика металла	Направление ис- пытания	о8,  КГС'ММ2	°В’ кгс/мм2	6. %	Ф, %
Марка А-286, толщина стенки 88,9 мм, обработ-	Осевое	70	105,0	16	30
к.ч на твердый раствор при 985° С, выдержка при 375° С — 16 ч	Касательное	70,7	105,5	17	31
Марка А-286, толщина стенки кольца 25,4 мм,	Осевое	71,4	105,5	24	40
обработка иа твердый раствор при 985° С, выдер- жка при 735° С — 16ч	»	72,1	107,5	25	41
Марка Инконель 600, слиток со стенкой толщи- ной 100 мм	»	44.8	71.4	19	39
Марка Инконель 600, катаное кольцо со стенкой	»	38,5	70	35	56
толщиной 25,4 мм	Касательное	40,6	70.7	38	58
Марка Рене 41, катаное кольцо со стенкой тол-	Осевое	86,5	126,5	19	24
щиной 50,8 мм, нагрев при 1065° С 0,5 ч, закал- ка в воде, нагрев при 760° С 16 ч. охлаждение на воздухе	Касательное	84	124.5	18	22
Марка Инко 718, катаное кольцо со стенкой	Осевое	112,5	133	25	34
толщиной 44,4 мм, нагрев при 985° С 1 ч, на- грев при 735° С 16 ч	Касательное	117,5	138,5	26	35
Марка ИУ - 700, слиток со стенкой толщиной	Осевое	91,7	115,0	8	17
100 мм, нагрев при 1090° С 1 ч, охлаждение на воздухе	Касательное	89,5	112,5	8	18
Марка ИУ-700. поковка со стенкой толщиной	Осевое	103,5	138,5	18	24
50.8 мм, нагрев при	1090° С 1	ч,	охлаждение	на  воздухе; нагрев при	845° С 24	ч,	охлаждение	на  воздухе; нагрев при	760° С 16	ч,	охлаждение	на  воздухе	Касательное	101,0	137,0	18	22

Одним из наиболее распространенных в
последнее время способов изготовления пе-
реходников является способ ЭШП состав-
ных по высоте расходуемых электродов в
водоохлаждаемый кристаллизатор соответ-
ствующего сечения (рис. 223) [64, 72].
В результате переплава такого составного
электрода образуется слиток (сплошной
или полый), имеющий переходную зону, в
которой наблюдается постепенное измене-
ние состава и структуры (рис. 224). Сли-
ток либо подвергают последующему пере-
делу (на трубу, стержень, полосу или
лист), либо используют его в литом виде,
не подвергая горячей или холодной дефор-
мации.

В каждом переходнике имеются соеди-
нение двух разнородных материалов и,
естественно, более или менее выраженная
структурная неоднородность. Однако в пе-
реходнике протяженность ослабленной зо-
ны структурной неоднородности во много

раз больше, чем при непосредственной
сварке встык разнородны! материалов. Это
позволяет в несколько раз снизить удель-
ные нагрузки на поверхность контакта раз-
нородных материалов и уменьшить опас-
ность разрушения соединения. Иными сло-
вами, в переходнике реализуется известная
идея косого стыка, используемая в тех слу-
чаях, когда шов уступает по прочности
основному металлу.

Сварка разнородных материалов в пе-
реходнике способствует более благоприят-
ному распределению напряжений, вызван-
ных разнородностью материалов, чем при
непосредственной сварке их друг с другом.

Технология изготовления переходников
электрошлаковый способом разработана
независимо друг от друга в СССР [72] и
Англин [64]. В СССР переходники изго-
тавливались из сталей 20Х2М и Х18Н10Т,
15Х1М1Ф и аустенитной жаропрочной ста-
ли Э14612, аустенитно-мартенситной стали
ВапаПп

Виде

Ст,ашЮ,
штат А ~~

и

Ст аль, сплав, г+
металлА 1

Вставка

ВОЙ7
ПерехоИ/ш

Сталь,спла6,
метем Б

’Шо

Ст
сплю,
/нтшБъ.

Сталь,сплаС, |"|* ® МеталлА ЯертЛт зона МртамБ

Рис. 223. Схема процесса электрошлаковой вы-
плавки слитка из разнородных металлических
материалов для изготовления переходника с ис-
пользованием составного расходуемого элек-
трода сплошного сечения (/. //, III) и в виде
трубы (VI). Сваркй стержня (IV), листа (V)
и трубы (VII) из разнородных металлических
материалов с помощью переходников, получен-
ных этим способом:

1 — расходуемый электрод; 2 — водоохлаждаемый
кристаллизатор: 3 — шлаковая ванна; 4 — металличе-
ская ванна; 5 — наплавленный металл (слиток).

ЭП56 и жаропрочного сплава ЖС-ЗДК
(рис. 225). В Англии — из теплоустойчивой
хромомолибденовой стали 2СгМо и аусте-
нитной стали типа А181316, стали 2СгМо
и сплава Инколой 800, стали типа В8
1503 622 (2,25% Сг) и стали типа А181316.

Некоторое количество электрошлаковых
переходников было изготовлено фирмой
«Ферс-Браун» (Англия) для атомных
электростанций. Наибольший переходник
имел следующие размеры: наружный диа-
метр 430 мм, внутренний диаметр 245 мм,
длина 1020 мм. При этом фирма отмечает,
что нет причин, препятствующих разработ-
ке и изготовлению переходников более
крупных размеров [64].

Для производства переходников на фир-
мах «Ферс-Браун» и «Джессоп-Сейвил»
(Англия) ранее успешно использовался
ВДП, однако позже было признано [64],
что ЭШП больше подходит для этой цели
вследствие большей простоты изготовления

электродов и возможности варьировать
параметры переплава.

Постепенное изменение химического со-
става по экспоненциальной зависимости в
зоне перехода от одной стали к другой
вызывает соответствующее изменение
структуры металла и его твердости. Так,
микроструктура нормализованного (940° С
1 ч) и отпущенного (680° С 2 ч, воздух)
переходника из стали 2СгМо/316 изменяет-
ся в следующем порядке: бейнит — мартен-
сит — мартенсит + аустенит + феррит —-
аустенит + феррит. Сталь 2СгМо имеет
бейнитную структуру и сохраняет ее до со-
держания 9% Сг, 7,5% №, когда появляется
мартенсит. Эта мартенситная область

Рис. 224. Состав и твердость переходной зоны
в электрошлаковом переходнике сталей
2СгМо/316.
Рис. 225. Внешний вид электрошлаковых труб-
ных переходников:

а — переходник диаметром 360 мм и толщиной стен-
ки 50 мм сталей 15Х1М1Ф/ЭИ012; б — переходник
диаметром 170 мм и толщиной стенки 20 мм сталей
20Х2М/Х18Н10Т.

образует твердую зону (360 НУ). При со-
ставе 12,5% Сг и 7,5% М1 происходит изме-
нение структуры от мартенсита к аустенп-
ту с резким падением твердости от 310 НУ
до 195 НУ. В соответствии с этим меняют-
ся механические свойства металла различ-
ных зон переходников (рис. 226) и ко-
эффициент термического расширения
(рис. 227).

Кратковременная механическая и дли-
тельная прочность образцов, вырезанных
из электрошлаковых переходников, как
правило, находится на уровне этих же ха-
рактеристик для менее прочного из двух
соединяемых разнородных металлов (табл.
222, рис. 228).

Необходимо отметить, что к результа-
там одноосных испытаний переходников
следует относиться с определенной осто-
рожностью, поскольку условия разрушения
образцов и натурных переходников сущест-
венно различны. Например, при темпера-
туре 565° С образцы из переходников
2СгМо/316 при испытании на разрыв раз-
рушаются по стали 2СгМо, хотя предел те-
кучести стали 316 ниже, чем стали 2СгМо
(см. рис. 226). Образцы по стали 2СгМо
разрушаются потому, что большая пласти-
ческая деформация стали А181316, приво-
дит к ее наклепу, вызывая деформацию и
последующее разрушение стали 2СгМо, по-
скольку ее прочность ниже, чем у стали
А181316. В натурных же условиях может
и не происходить пластической деформа-
ции стали А181316, приводящей к ее накле-
пу. Кроме того, большие коррективы могут
внести внутренние напряжения. Поэтому

Таблица 222. Кратковременные механические свойства образцов, вырезанных из трубного
переходника

Материал переходника	т, °с	°в* кгс/мм2	°0,2- кгс/мм2	А О/ /о	ф. %	Место разрушения
2СгМо/А181316	20	60,4	29,5	не опр.	72	По стали А181316
	565	33,4	19,4	22	79	По стали 2СгМо
2СгМо/Инколой 800	20	47,6	23,9	31	68	По сплаву Инколой 800
	565	36,8	16,7	30	50	По стали 2СгЛ1о
20Х2М/Х18Н10Т	20	59,4	26,3	12,9	45,9	По зоне
15ХМ1Ф/ЭИ612	20	48,0	28.0	15,5	67,0	По аус ениту
	565	38,5	20,5	17.1	65,1	» »
ЭП56/ЖС-ЗДК	20	48,6	21,8	18,2	40,3	» »
Рис. 226. Изменение кратковременных механи-
ческих свойств в переходнике из сталей
2СгМо/316 при 20° С (а) и 565° С (б).

большее внимание следует уделять натур-
ным испытаниям переходников, например
испытаниям на теплосмены в условиях по-
вышенной жесткости закрепления переход-
ника. Такие испытания, проведенные для
трубных переходников диаметром 360 и
толщиной стенки 50 мм, а также диаметром
100 и толщиной стенки 20 мм соответ-
ственно из сталей 15Х1М1Ф/ЭИ612 и
ЭП56/ЖС-ЗДК, показали их высокую стой-
кость против разрушения, вызываемого
разнородностью свойств сплавленных ме-
жду собой материалов.

Аналогичные испытания, проведенные в
Англии, показали следующее: переходники
ЭШП выдержали 381 горячий цикл (450—
565° С) и 46 холодных циклов (от окружа-
ющей температуры до 565° С) без следов

Рис. 227. Изменение коэффициента термическо-
го расширения в переходнике 2СгМо/316.

Рис. 228. Длительная прочность при 565° С
стали 15Х1М1Ф (1) и образцов (2), вырезан-
ных из литого трубного переходника
15Х1М1Ф/ЭИ612.

разрушений, тогда как в сварных переход-
никах, подвергнутых той же самой обра-
ботке, развились кольцевые трещины.

На основании результатов исследова-
ний свойств электрошлаковых переходни-
ков, маршвудская исследовательская лабо-
ратория компании «Сентрал электрисити
дженерейтинг Боард» (Англия) пришла к
заключению о том, что электрошлаковые
переходники с плавным изменением соста-
ва в условиях элсплуатацни на электро-
станциях могут рассматриваться как не
склонные к ранним разрушениям.
ГЛАВА VI

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ
ЛИСТОВАЯ
СТАЛЬ

Стальной лист — основной конструкцион-
ный материал. Масштабы применения его
в современной промышленности, строи-
тельстве практически неограничены. Он
применяется и в судостроении и в авиа-
строении, и в энергетическом и нефтехими-
ческом машиностроении, индустриальном
строительстве и т. д.

В век научно-технической революции
уровень развития ведущих отраслей техни-
ки во многом определяется не столько аб-
солютным объемом производства и сорта-
ментом выпускаемого стального листа,
сколько высокими качественными показате-
лями листового металла, такими, как хи-
мическая и физическая однородность, ста-
бильность механических свойств, достаточ-
ная пластичность и вязкость, выносливость,
сопротивляемость зарождению хрупкого
разрушения и его распространению, хладо-
стойкость^ хорошая свариваемость.

Широко применяемые для этих целей
холоднокатаный тонкий лист, а также го-
рячекатаный толстый лист нз низко- и
среднелегнрованных, а также высоколеги-
рованных сталей, полученные методами от-
крытой выплавки, во многих случаях уже
не удовлетворяют возросшим потребностям
промышленности. Так, в настоящее время
в ряде машиностроительных отраслей при-
меняются холоднокатаные листовые стали
с пределом прочности более 200 кгс/мм2.
К этим сталям предъявляются высокие
требования по пластичности и выносливо-
сти.

Одним из основных путей повышения
пластических свойств является повышение
общей чистоты металла от вредных приме-
сей, неметаллических включений и газов.

Качество готового листа, его технологи-
ческие и эксплуатационные свойства зави-
сят от условий передела, а также опреде-
ляются качеством исходного слитка. При
обычных способах выплавки специальных
сталей в мартеновских и электродуговых
печах и при последующей разливке ме-
талла в изложницы крупные листовые
слитки поражены такими дефектами, как
зональная химическая и фазовая ликва-
ция, междендритные рыхлости, пузыри,
плены, внутренние и поверхностные трещи-
ны. Эти дефекты служат причиной грубых
расслоений, крупных скоплений неметалли-
ческих включений, волосовин, флокенов,
шиферного излома и других дефектов в ли-
сте. Наличие этих дефектов вызывает рез-
кое снижение пластических свойств, повы-
шает анизотропию, снижает стойкость из-
делий из стали против хрупких разруше-
ний, особенно при знакопеременных на-
грузках и в агрессивных средах.

Повышение обшей чистоты металла,
удаление из него вредных примесей и га-
зов, формирование плотной и однородной
макроструктуры способствуют улучшению
пластических характеристик конструкцион-
ных сталей. Такой металл обладает способ
ностью к пластической деформации перед
разрушением, что очень важно для изде-
лий, работающих в условиях сложнонапря-
женного состояния, в агрессивных средах,
при низких и высоких температурах.

Листовой прокат особо ответственного
назначения подвергается жесткому контро-
лю как у изготовителя, так и у- потребите-
ля. Так, например, каждый холодноката-
ный лист из высокопрочной стали проходит
контроль на неметаллические включения и
наличие дефектов, выявляемых методом
ультразвукового контроля на специальных
установках. Даже при выплавке указан-
ных сталей на свежей шихте в электроду-
говых печах с электромагнитным переме-
.шиванием и отливке относительно мелких
листовых слитков массой 9—13 т металл в
!листовом прокате имеет характерные де-
। фекты.

Листовой прокат толщиной 40 мм и бо-
лее из низко- и среднелегированных сталей
открытой выплавки отличается строчечной
макроструктурой с ярко выраженными ско-
плениями сульфидных и оксидных включе-
ний, обусловливающих значительную ани-
зотропию свойств и расслоения. В связи с
этим по результатам ультразвукового
контроля на металлургических заводах
бракуются большие партии металла [48,
51].

Вместе с тем часто расслоения в тол-
стых листах могут быть обнаружены толь-
ко в процессе производства из них изделий.
При ультразвуковом контроле толстолисто-
вого металла в состоянии поставки эти

дефекты обычно не выявляются, однако
они имеют металлургическую природу и
«подготовлены» еще при выплавке и кри-
сталлизации листовых слитков. В процессе
технологического передела при правке,
вальцовке, штамповке, сварке, термообра-
ботке листового проката они только «рас-
крываются». Наличие расслоев в металле
(особенно высокой прочности) может яви-
ться причиной зарождения трещин и хруп-
кого разрушения сварной конструкции.

С увеличением толщины металла веро-
ятность появления в нем расслоев в про-
цессе изготовления сварных конструкций
резко повышается. Для устранения указан-
ных дефектов обычно требуется весьма
трудоемкая операция по замене бракован-
ной детали или узла, нередко уже в гото-
вой сварной конструкции. Поэтому часто
появившееся расслоение может явиться
причиной окончательного брака конструк-
ции.

Не менее серьезным является вопрос о
сохранении высокого уровня механических
свойств листовой стали при увеличении
толщины металла. Из-за ухудшения каче-
ства листового металла с повышением его
толщины существующие стандарты жестко
ограничивают толщину проката, для кото-
рой регламентируются технические харак-
теристики стали. Так, для широко исполь-
зуемой в строительных конструкциях стали
марки 15ХСНД стандарт устанавливает
механические характеристики только до
толщины 32 мм, а для сталей марок 09Г2С
и 16ГНМ, применяющихся для котлострое-
ния и сосудов высокого давления,— до
160 мм. В настоящее время в строительных
металлоконструкциях все чаще использу-
ются элементы толщиной 45—70 мм и бо-
лее, а для изготовления корпусов сосудов
высокого давления требуется листовой про-
кат 200—250 мм и более.

Указанные ограничения создают значи-
тельные трудности при проектировании
сварных конструкций и неизбежно приво-
дят к выбору излишне большой толщины
стенки, что усложняет подгонку (сбор-
ку) кромок перед сваркой и сам процесс
сварки, особенно в монтажных условиях.
Кроме того, увеличение толщины сварной
конструкции способствует повышению оста-
точных и температурных напряжений и мо-
жет привести к возникновению неблагопри-
ятного объемного напряженного состояния.

Задача получения высококачественной
листовой стали, пригодной для изготовле-
ния ответственных изделий, связана пре-
жде всего с уменьшением содержания в
ней вредных примесей (серы, фосфора, не-
металлических включений и др.). Чтобы
успешно бороться с такими пороками леги-
рованной стали, как шиферность, камне-
видный излом и флокены, нужно иметь ме-
талл с низким содержанием газов.

Анализ современного сталеплавильного
производства показывает, что в настоящее
время все больше прослеживается тенден-
ция, когда при выплавке легированной
стали заключительные операции раскисле-
ния, окончательного рафинирования и ле-
гирования переносят из основного стале-
плавильного агрегата в разливочный про-
лет, где применяют различные агрегаты и
установки для внепечной обработки стали
и доводки ее до кондиции. С этой целью
в отечественной и зарубежной металлур-
гической практике широко применяются
обработка металла в ковше жидкими син-
тетическими высокоосновнымп глиноземи-
стыми шлаками, продувка жидкой ванны
инертными газами и порошкообразными
материалами, вакуумирование жидкой ста-
ли различными методами (вакуумирование
струи, порционное вакуумирование и т. д.),
вакуумирование стали в ковше или излож-
нице с одновременной продувкой аргоном
или другими инертными газами, использо-
вание для легирования жидкой лигатуры,
расплавленной в специальной печи, и др.
' Повышение требований к качеству ли-
стового металла вызвало необходимость
изыскания в металлургии способов, позво-
ляющих снизить загрязненность металла
вредными примесями, газами и неметал-
лическими включениями при одновремен-
ном улучшении качества структуры слитка.
Среди специальных методов переплава
(ЭШП, ВДП. ПДП, ЭЛП) наибольшее
распространение получил электрошлаковый
переплав стали и сплавов.

Работами, проведенными еще в 1964—
1967 гг. ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР
совместно с рядом металлургических и ма-
шиностроительных заводов [40, 485, 53],
было однозначно показано, что качество

стального листа может быть существенно
улучшено благодаря применению ЭШП,
который позволяет не только повысить об-
щую чистоту металла, снизить в нем со-
держание вредных примесей, но и, что са-
мое важное, обеспечить постепенное фор-
мирование листового слитка в процессе его
получения и тем самым резко уменьшить
развитие химической и физической неодно-
родности по сечению слитка и образование
в нем дефектов лнквационного и усадочно-
го характера. Основное преимущество это-
го процесса состоит также в том, что вы-
сококачественный листовой слиток можно

получить на несложном и надежном в эк-
сплуатации оборудовании.

/ В настоящее время ЭШП является
единственным из перечисленных методов
улучшения качества листовой стали, при
котором возможно наплавление крупного
слитка прямоугольного сечения с поверх-

|ностыо, не требующей какой-либо обработ-
ки перед последующим переделом.,

V Следует отметить, что качество и слу-
|жебные свойства конструкционных сталей

ЭШП, как и при других способах рафини-
. рующих переплавов, в значительной степе-
ни зависят от качества исходного металла,
из которого изготовлены расходуемые
электроды. Для ЭШП наибольшее распро- .
странение получили литые и деформиро-
ванные электроды из металла, выплавля-
емого в электродуговых печах и частично
в мартеновских печах, в том числе после ч
внепечной обработки. При переплаве ряда
жаропрочных сталей и сплавов используют
литые расходуемые электроды, полученные

в вакуумно-индукционных печах.

В последние 15—20 лет во всем мире
интенсивно развивается кислородно-кон-
вертерный процесс. Основные его достоин-
ства: более высокая производительность,
меньшие расходы по переделу, более низ-
кие капитальные вложения. О стремитель-
ном развитии кислородно-конвертерного
процесса свидетельствуют следующие циф-
ры. В 1957 г. мировая выплавка кислород-
но-конвертерной стали составляла всего
.2,82 млн. т/год. В 1971 г. мировое произ- I
водство кислородно-конвертерной стали до-
стигло 239 млн. т/год, а в 1975 г. в кон-
вертерах было выплавлено уже 430 млн. т,
или 66% всей стали [70]. Многочисленные
прогнозы подтверждают, что строительство
кислородных конвертеров будет продол-
жаться и в последующие два-три десятиле-
тия.

/ В кислородных конвертерах освоена вы-
плавка практически всех низко- и среднеле-
гированных сталей, которые раньше вы-
плавлялись в мартеновских печах, а также
сталей ряда марок, выплавляемых в элект-
ропечах. При этом по качеству кислородно-
конвертерная сталь не уступает электро-
стали или мартеновской стали аналогич-
ных марок. Кроме того, она отличается
низким содержанием газов (водорода, азо-
та, кислорода), а также серы (при работе
на обессеренном чугуне). В этой связи осо-
бое значение приобретает вопрос о воз-
можности применения при ЭШП расходуе-
мых электродов из кислородно-конвертер-
ного металла (К + ЭШП).

Начиная с 1971 г. ПЭС нм. Е. О. Пато-
на АН УССР совместно с рядом других
институтов, а также металлургических и
машиностроительных заводов проводятся
работы по использованию металла кисло-
родно-конвертерной выплавки для произ-
водства высококачественных низко- и сред-
нелегированных марок стали. В результа-
те этих работ [32. 45, 46] было однозначно
показано, что сталь марок К35ГС,
К10ХСНД, К16Г2АФ и др., выплавленная
в кислородном конвертере емкостью 130 т,
может быть с успехом применена в каче-
стве исходного металла для ЭШП, в част-
ности с целью получения толстолистового
проката самою высокого качества.

Дальнейшим развитием указанных ра-
бот явилось создание нового комбиниро-
ванного технологического процесса произ-
водства легированных сталей на основе ле-
гирования при ЭШП стали-полупродукта,
полученной в кислородном конвертере
(КП + ЭШП-процесс) [46, 52].

/ На протяжении более 15 лет считалось,
что ЭШП — всего лишь вторичный рафини-
рующий процесс и переплаву следует под-
вергать металл конечного химического со-
става. Однако если рассматривать электро-
шлаковую печь как агрегат, в котором од-
новременно с ЭШП осуществляются окон-
чательное раскисление, дополнительное ле-
гирование и модифицирование металла, тс
открываются совершенно новые возможно-

сти для производства легированных высо-
кокачественных сталей ЭШП, а именно
подвергать переплаву металл, не доведен-
ный до кондиции в сталеплавильном агре-
гате, так называемую сталь-полупродукт,
и в результате заметно снизить стоимость
расходуемых электродов, практически без
удорожания процесса ЭШП.

Ввод раскислителей, легирующих, мо-
дификаторов при ЭШП может осуществля-
ться различными методами, как классиче-
скими, так и специальными, например с
помощью электрода-спутника, выполненно-
го в виде порошковой ленты (или пучка
лент). В принципе для выплавки стали-по-
лупродукта может быть использован и дру-
гой сталеплавильный агрегат — электро-
печь или мартеновская печь. Однако для
промышленной реализации ЭШП стали-по-
лупродукта наиболее целесообразно ориен-
тироваться на высокопроизводительный и
экономичный кислородно-конвертерный
процесс, имея в виду, что в конвертерном
производстве относительно труднее дово-
дить легированную сталь до кондиции, чем
при выплавке ее в дуговой печи.

у При КП + ЭШП-процессе существенно
упрощается технология выплавки металла
в кислородном конвертере и в полной мере
используются его преимущества как высо-'
непроизводительного агрегата, уменьшают-
ся потери легирующих в скрап пли обрезь
при прокатке или раскрое расходуемых
электродов, исключается сложная противо-
флокенная термообработка расходуемых
электродов после прокатки, обычно приме-
няемая для легированных сталей.

Другим не менее важным, по нашему
мнению, средством воздействия на каче-
ство готовой стали ЭШП может явиться,
как уже указывалось выше, снижение до
минимума степени раскисления стали-по-
лупродукта при выплавке ее в кислородном
конвертере и осуществление окончательно-
го раскисления (или самораскисления за
счет реакции углерода) металла при ЭШП.
Это должно дополнительно уменьшить со-
держание неметаллических включений в
исходном кислородно-конвертерном метал-
ле и положительно сказаться на количе-
ственном и качественном составах неметал-
лических включений и степени их диспер-
сности в. го то вой стали ЭШП.
Таблица 223. Химический состав исходной стали-полупродукта типа К16Г и стали К16Г2АФШ,
полученной на основе КП -ф ЭШП-процесса, %

Марка стали	Способ выплавки	Место отбора пробы	С	81	Мп	8	р	V	К
К16Г	130-тонный кисло-	Ковш	0,16	0,12	0,51	0,021	0,012	Нет	0,006
К16Г2АФШ	родный конвертер ЭШП (листовой	Лист (через	0,18	0,24	1,34	0,007	0,007	9,18	0,014
	слиток)	каждые 2000 мм	0,18	0,22	1,36	0,007	0,007	0,18	0,015
		по длине)	0,18	0,23	1.36	0,005	0,008	0,18	0,017
			0,18	0,24	1,36	0,007	0,008	0,18	0-016

1/ КП + ЭШП-процесс прошел промыш-
ленную проверку на ряде заводов. При
этом для выплавки исходной стали-полу-
продукта -использовали 130-тонные кисло-
родные конвертеры: ЭШП различных ма-
рок низко- и среднелегированных сталей
производили в листовые слитки массой до
20 т, предназначенные для прокатки на ли-
сты толщиной 45—200 мм.

Результаты, полученные при изготовле-
нии по комбинированному КП + ЭШП-про-
цессу промышленных партий листовых
слитков различных марок стали, свидетель-’
ствуют, что указанная технология обеспе-
чивает гарантированное, близкое к расчет-
ному содержание легирующих элементов в
металле ЭШП и равномерное распределе-
ние их по сечению и высоте слитков ЭШП.
!/ КП + ЭШП-процесс позволяет предель-
но ограничить ввод легирующих элементов
при кислородно-конвертерной выплавке
стали-полупродукта, избежать охлаждения
жидкого металла ниже опасного уровня и
тем самым резко упростить технологию вы-
плавки стали в конвертере, повысить про-
изводительность и обеспечить высокую рит-
мичность работы конвертерного цеха. При
этом создаются благоприятные условия
для обезводороживания, а также проведе-
ния более глубокой десульфурации и де-
фосфорации кислородно-конвертерной ста-
ли (полупродукта), что в свою очередь од-
новременно облегчает задачу последующе-
го ЭШП этого полупродукта и ввод в него
в процессе ЭШП легирующих элементов.

'/ В результате проведенных работ пока-
зано, что введение лигатуры при ЭШП под
шлак, а не в процессе выплавки конвертер-
ной стали способствует лучшему усвоению
легирующих элементов, резко уменьшает
расход дефицитные материалов, обеспечи-

вает более равномерное распределение ле-
гирующих элементов в металле ЭШП.

Комбинированным КП + ЭШП-процес-
сом была успешно изготовлена крупная
промышленная партия толстолистовой ста-
ли марки 16Г2АФШ толщиной 70 мм, пред-
назначенной для производства различных
сварных конструкций, в частности кожухов
доменных печей. Применение этой стали
открытой мартеновской или кислородно-
конвертерной выплавки в листе толщиной
более 32—45 мм сдерживается из-за зна-
чительной анизотропии механических
свойств, появления с увеличением его тол-
щины структурных дефектов типа строчеч-
ных скоплений крупных неметаллических
включений, лпквационной полосчатости и
расслоя, затрудняющих получение высоко-
качественных сварных соединений и их
ультразвуковой контроль.

Проведенные исследования листового
проката стали 16Г2АФШ толщиной 70 «Ли,
прокатанного из плоских листовых слитков
ЭШП массой 12—15 т, полученных по тех-
нологии КП + ЭШП, подтвердили высокое
качество металла ЭШП: повышенную чи-
стоту по сере (0,005—0,007%) и фосфору
(0,007—0,008%), химическую однородность
по длине листов (табл. 223), высокую изо-
тропность механических свойств по сече-
нию листов (табл. 224), отсутствие рас-
слоений при ультразвуковом контроле. Ре-
зультаты механических испытаний показы-
вают, что листовой металл К16Г2АФШ
толщиной 70 мм, полученный на основе
КП + ЭШП-процесса при сохранении проч-
ностных показателей на уровне исходного
конвертерного металла аналогичного хими-
ческого состава, но меньшей толщины
(30—50 мм), существенно превосходит по-
следний по пластическим (б) и вязкостным
Таблица 224. Механические свойства листовой стали К16Г2АФ кислородно-конвертерной
выплавки после ЭШП (К + ЭШП) и полученной путем делегирования в процессе ЭШП (КП +
4- ЭШП-процесса) после нормализации при 940—950° С

Способ выплавки стали	Механические свойства при Т = 20° С				ан (кгс/см2) при Т. °С		
	о5, кгс/мм2	ПВ’  КГС/ММ2	б, %	Ф. %	20	-40	—70
		Поперечные образцы					
к	43.0—44,0	60,0—61,0	26.0—28,0	58,0—64,0	14,2—14,8	7,6—9,1	6,1—8,8
	43.5	60.5	26,5	61,0	14,2	8,2	7,2
к + эшп	40,0—43,0	60,0—62.0	29.0—31.0	69.0—73,0	21,5—22,7	19.1—21,1	12,2—18,5
	42,5	61,0	29,6	71,0	22,0	20,1	14,7
кп-|-эшп	42,0—45,0	61,0—62,0	29,0—32,0	70,0—73,0	25,5—28,0	20,2—23,7	19,6—20,7
	44,0	61,5	30,0	71,5	27,0	22,0	20,0
		Продольные образцы					
к	42,0—44,0	61,0—62,0	24,0—28,0	60.0—64,0	13,5—15,6	7,8—8,8	6,6—7,9
	43,0	61,5	26,5	62,5	14,7	8,2	6,9
к + эшп	43,0—43,0	60,0—61,0	28,0—30,0	69,0—74,0	22,5—26,0	18,5—19,3	12,5—17,2
	43,0	60,3	28,6	71,0	24.3	19,0	14,2
кп+эшп	42,5—45,0	61,0—62,0	28,0—32,0	74,0—74,0	26,0—30.2	18,5—24,0	20,5—22,5
	43.5	61,5	29,5	74,0	27,5	20,8	21.4
		Вертикальные образцы					
к	36,0—38,0	35,0—55,0	8,5—10,0	7,0—13,5	6,2—7,0	3,0—3,2	1,0—1.7
	37,0	47,0	9,0	11,0	6,5	3,1	1,3
к + эшп	37,0—39,0	58,0—59,0	25,0—32,0	59,0—67,0	17,2—18,7	8.5—11,2	6,2—8.2
	38,0	58,5	28,5	63,0	18,0	9.8	7,2
кп + эшп	38,0—41,0	58,0—60,0	28,0—32,0	62,0—66,0	23,0—24,5	13.0—13,7	9.7—11,2
	39,5	59,0	29,5	64,5	24,5	13,2	10,5

Примечание. В числителе даны минимальные и максимальные значения, в знаменателе — средние.

(ф, дн) характеристикам и особенно при
испытании на образцах, вырезанных по
толщине проката.

Следует отметить, что стоимость 1 г
электрошлакового листового слитка стали
марки 16Г2АФШ, выплавленного по техно-
логии КП + ЭШП, по сравнению со стои-
мостью 1 т слитка, полученного по стан-
дартной технологии путем переплава кон-
диционной конвертерной стали К16Г2АФ,
уменьшилась на 27%.

/Таким образом, совмещение высокопро-
изводительною и экономичного кислород-
но-конвертерного процесса для получения
нелегированного или малолегированного
полупродукта (КП) с высокоэффективным
рафинирующим переплавом (ЭШП) для
переплава и одновременного ввода при

этом раскислителей и легирующих элемен-
тов (КП + ЭШП) открывает новые воз-
можности для производства высококачест-
венного листового металла самого ответ-
ственного назначения.

§ 2. Особенности производства
электрошлаковой листовой стали

В нашей стране впервые в мире в промыш-
ленных масштабах была решена задача
производства стального листа особо высо-
кого качества на основе ЭШП. Первые
крупногабаритные толстые листы стали
марок 09Г2С и 16ГНМА толщиной 80—
115 мм из металла ЭШП были изготовле-
ны в начале 60-х гг. В то время еще не
были созданы специализированные печи
Рис. 229. Брама, откованная из кузнечного
слитка ЭШП для последующей прокатки на
толстый лист.

ЭШП для выплавки плоских листовых
слитков и слитков-слябов ЭШП. Поэтому
первые промышленные листы ЭШП были
получены по довольно сложной техноло-
гической схеме: кузнечный слиток ЭШП
круглого сечения (диаметр 1200 мм, мас-
са 10—14 т)—ковка на прессе на бра-
му— прокатка на толстый (6 = 80-э
115 мм) лист (рис. 229).

Подобная технологическая схема произ-
водства листового проката заимствована
из классической металлургии, где ее
используют при изготовлении особо тол-
стых широкоформатных катаных плит от-
ветственного назначения. В этом случае
применение ковки вынужденное и диктует-
ся необходимостью разрушить грубую мак-
роструктуру, а также обеспечить заварку
внутренних дефектов, вызванных повышен-
ной ликвацией вредных примесей и газона-
сыщенностью, присущими металлу крупно-
тоннажных слитков открытых способов вы-
плавки.

Рис. 230. Варианты расположения расходуемых
электродов при выплавке кузнечных слитков
диаметром 1200 мм по трех- (а) и однофаз-
ной (б) схемам.

Разумеется, для металла ЭШП приме-
нение ковки перед прокаткой излишне, так
как качество литого электрошлакового ме-
талла несравненно выше, чем у кузнечного
слитка металла открытой выплавки, и он
не требует дополнительной деформации
для повышения плотности. Здесь назначе-
ние ковки состоит в том, чтобы придать
заготовке ЭШП форму, удобную для про-
катки на лист.

Электрошлаковые слитки выплавляли
по двум технологическим вариантам
(рис. 230): 1) ЭШП трех расходуемых
электродов диаметром 300 мм по трехфаз-
ной схеме в кристаллизатор диаметром
1200 мм; 2) ЭШП одного расходуемого

Рис. 231. Типичные сечения крупнотоннажных
листовых слитков:

а — слиток металла обычной выплавки; б — слиток
ЭШП для прокатки иа слябинге, виг — слитки ЭШП
для прокатки на обжимном стане без боковых вер-
тикальных валков (штриховой линией показаны вид
кромки листа и величина боковой обрези при прокат-
ке без боковых валков).

электрода диаметром 800 мм по однофаз-
ной схеме в кристаллизатор диаметром
1200 мм. Для ЭШП использовали кованые
и литые расходуемые электроды, отлитые
в специальную изложницу. В результате
ЭШП получены кузнечные слиткн массой
12 т, которые на прессе ковали на браму
массой 9,2 т, а затем прокатывали на ли-
сты толщиной 80—115 мм, массой 6 т, т. е.
расходный коэффициент от слитка ЭШП к
листу ЭШП составляет приблизительно 2,0.

Электрошлаковый листовой металл, по-
лученный по указанной технологии, значи-
тельно превосходил по всем показате-
лям листовой прокат открытой выплавки
[48].

Следует отметить, что для получения из
кузнечного слитка ЭШП более тяжелого
листа (массой 10—15 т) диаметр слитка
должен быть больше 1500—1800 мм. При
таких параметрах неизбежно развитие хи-
мической неоднородности по сравнению со
слитками ЭШП относительно малого сече-
ния. Поэтому для выплавки особо крупных
кузнечных слитков ЭШП требуется приме-
нение более сложной технологии, что еще
более удорожает листовой металл, полу-
ченный по этой технологической схеме.

Таким образом, технологическая схема
получения толстого стального листа (куз-
нечный слиток ЭШП — брама — лист) от-
личается повышенной трудоемкостью и
расходом металла, требует для своей реа-
лизации уникального кузнечно-прессового
оборудования и по своим технико-экономи-
ческим показателям не всегда удовлетво-
ряет потребителя.

Несомненно, более совершенной техно-
логией производства широкоформатного
толстолистового металла является получе-
ние листового проката из плоских листо-
вых слитков ЭШП прямоугольного сечения.
Созданию современной промышленной тех-
нологии получения стального листа ЭШП
предшествовала длительная, скрупулезная
работа. Для реализации этой технологии
потребовалось создать принципиально но-
вые технологические схемы электрошлако-
вой выплавки плоских слитков и слитков-
слябов ЭШП, разработать наиболее рацио-
нальные со всех точек зрения конструктив-
ные схемы специализированных электро-
шлаковых печей и технологического обо-
рудования. Однако прежде всего надлежа-
ло определить оптимальную геометрию
листового слитка ЭШП.

Общеизвестно, что крупнотоннажные
листовые слитки, получаемые из металла
обычной выплавки, подобно крупнотон-
нажным кузнечным слиткам имеют не глад-
кую, а волнистую поверхность (рис. 231, а).
Сделано это для упрочнения корочки, пре-
дотвращения ее разрушения и заливин
жидкого металла под действием ферроста-
тического давления.

Из упрощенной схемы, приведенной на
рис. 232, видно, что при ЭШП ферростати-
ческое давление на порядок ниже, чем при
затвердевании слитка в чугунной изложни-
це. Поэтому в случае использования схемы
ЭШП с заполнением неподвижного относи-
тельно слитка кристаллизатора можно ори-

ентироваться на применение кристаллиза-
тора с гладкими формирующими стенками.

Слиток прямоугольного сечения с ров
ными узкими гранями (см. рис. 231, б)
применяют для прокатки на слябинге или
другом обжимном стане, имеющем верти-
кальные боковые валки. Если же прокатку
приходится вести на стане, не имеющем
боковых валков, предусматривается иная
форма сечения слитка: боковые грани дол-
жны быть выпуклыми (см. рис. 231, в, г)
во избежание боковых закатов металла и
с целью сведения к минимуму боковой об-
рези.

На рис. 233 приведен внешний вид ли-
стовых слитков ЭШП массой 13—14 т пря-

Рис. 232. Схема действия ферростатпческого
давления при кристаллизации обычного слитка
в крупной изложнице (ферростатическое дав-
ление 15 кгс/см2) (а) и слитка ЭШП в водо-
охлаждаемом кристаллизаторе (ферростатиче-
ское давление 1,5 кгс/см2) (б).

моугольного сечения, выплавленных по схе-
ме заполнения в кристаллизатор с ровны-
ми узкими гранями (рис. 233, а), и в кри-
сталлизатор с выпуклыми узкими гранями
(рис. 233, б), а на рис. 234 показаны боко-
вые кромки листов из этих слитков ЭШП,
прокатанных с равным обжатием на стане,
не имеющем вертикальных боковых вал-
ков.

Как было установлено [45, 47], выпук-
лая форма боковых граней листового
слитка ЭШП обеспечивает при его прокат-
ке на листы меньшую (на 10—15%) боко-
вую обрезь и соответственно повышает вы-
ход годного металла.

В зависимости от конкретных условий
передела листовых слитков печи ЭШП
снабжают кристаллизаторами того или
иного профиля. Для получения листовых
слитков ЭШП массой до 20 т по схеме за-
полнения целесообразно применять универ-
сальные (модульные) панельные кристал-
лизаторы, у которых узкие панели можно
раздвигать по ширине. Такие кристаллиза-
торы позволяют плавно менять массу
выплавляемых слитков ЭШП путем изме-
нения их ширины. В настоящее время в на-
шей стране и за рубежом накоплен значи-
тельный опыт по применению различных
технологических схем выплавки листовых
слитков ЭШП и эксплуатации листовых
печей ЭШП [22, 44, 68].

В 1967 г. на заводе «Днепроспецсталь»
впервые в мировой практике были введены
в промышленную эксплуатацию две бифи-
лярные двухэлектродные электрошлаковые
печи типа У-436, предназначенные для
производства крупнотоннажных (массой
9—13 т) листовых слитков ЭШП.

Рис. 233. Крупнотоннажные листовые слитки
массой 13—14 т, выплавленные по схеме запол-
нения в кристаллизатор прямоугольного сече-
ния с ровными узкими гранями (о) в кристал-
лизатор с выпуклыми узкими гранями (б) ив
коротком рифленном кристаллизаторе (в).

8
Бифилярная схема питания печи ЭШП
предусматривает кратное двум число рас-
ходуемых электродов (рис. 235). В зависи-
мости от конкретных условий можно пере-
плавлять как электроды-слябы, так и
электроды квадратного сечения. И те и
другие могут быть катаными и литыми, по-
лученными методом непрерывной раз-
ливки или отливки в специальные излож-
ницы. Так, на печах типа У-436 завода
«Днепроспецсталь» преимущественно ис-
пользуются электроды-слябы. Их распола-
гают широкими гранями друг к другу
(рис. 235, а).

На печи У-436 два расходуемых элект-
рода включены во вторичную цепь транс-
форматора последовательно и подаются в
кристаллизатор синхронно одним механиз-
мом. Электроды в электрододержателе
изолированы друг от друга, поэтому ток
идет по цепи электрод — шлаковая ван-
на — электрод.

Бифилярное расположение двух расхо-
дуемых электродов и токоведущих шин по-
зволяет до минимума свести индуктивные
потери в короткой сети электрошлаковой
установки, в результате чего повышает-
ся эффективность использования печных
трансформаторов, снижается расход элек-
троэнергии на тонну переплавленного ме-

талла. Печь питается от электропечного
трансформатора. Размеры расходуемых
электродов-слябов и выплавляемых на
печи У-436 слитков ЭШП приведены в
табл. 225.

Выплавка слитков начинается на жид-
ком старте. Расплавленный в тигле-ковше
шлак заливается в кристаллизатор сифон-
ным способом. Переплав осуществляется в
автоматическом режиме с помощью про-
грамматора прямого технологического дей-
ствия. Программа, закладываемая в по-
следний, обеспечивает в каждый момент
времени определенную скорость подачи
электродов. Эта скорость рассчитывается
применительно к конкретной геометрии
шлаковой ванны с учетом теплофизическо-
го состояния системы. Кроме выполнения
программы по скорости наплавления про-
граммное устройство обеспечивает в про-
цессе переплава заданное сопротивление
шлаковой ванны, или, иными словами, рас-
стояние между расходуемыми электродами
и поверхностью металлической ванны.

Готовые слитки ЭШП (см. рис. 233, а)
имеют хорошую поверхность. Ее не нужно
подвергать ремонту или зачищать перед
дальнейшей прокаткой.

На заводе шведской фирмы «Авеста»,
купившей в СССР печь ЭШП типа У-436,
Таблица 225. Размеры расходуемых электродов-слябов и выплавляемых слитков на печи У-436

Тип кристал- лизатора	Размеры, мм				Масса слитков, т
	расходуемых электродов	слитков ЭШП			
		Низ	Верх	Высота	
I	140x880x4900	1120x640	1090x580	1850	9,0—9,3
II	140x1120x4830	1370x640	1330x580	1900	11,2—11,7
III	140x1230x4850	1480x640	1440x580	1900	12,5—13,0

в основном предназначенную для выплав-
ки листовых слитков из аустенитных
сталей сечением 450 X 1200 мм, электро-
ды сечением 450 X 250 мм расположе-
ны в ряд (рис. 235, в), а не парал-
лельно. При этом также обеспечиваются
высокие значения коэффициента мощ-
ности печи.

Однофазные листовые печи ЭШП типа
У-436 значительно более просты по кон-
струкции, чем применяемые за рубежом
трехфазные печи [68], а недостатки, при-
сущие однофазной индуктивной нагрузке,
компенсируются путем использования би-
филярной схемы питания. В условиях круп-
номасштабного производства листовых
слитков ЭШП легко разрешимы и задачи
равномерной загрузки трехфазной сети: в
специализированных цехах, оснащенных

Рис. 234. Вид боковых кромок листов, прока-
танных из слитка прямоугольного сечения (а)
и слитка с выпуклыми узкими гранями (б).

несколькими однофазными электрошлако-
выми печами, не составляет труда подклю-
чить их таким образом, чтобы все три фа-
зы были загружены практически одинако-
во. Кроме того, для этой цели могут быть
использованы специальные симметрирую-
щие устройства [55], которые, как показа-
ла практика, не только полностью устра-
няют несимметрию, вносимую однофазной
нагрузкой (5000 кВ-А), но и существенно
улучшают параметры общезаводской элект-
роэнергосистемы [50].

Однофазные бифилярные электрошла-
ковые печи типа У-436 позволяют выплав-
лять листовые слитки только по схеме за-
полнения, т. е. с применением стационар-
ного кристаллизатора, имеющего высоту,
достаточную для получения требуемою
слитка, установленного на неподвижном во
время плавки поддоне, в котором переплав-
ляются два подвижных расходуемых элект-
рода (рис. 236, а). В связи с этим на пе-
чах типа У-436 тележка подъема кристал-
лизатора, предназначенная только для раз-
девания слитка после плавки, не имеет
собственного привода, а перемещается с
помощью накидных цепей тележкой элект-
„ рододержателя.

Схема ЭШП листовых слитков с за-
полнением неподвижного кристаллизатора
благодаря своей простоте и надежности,
безусловно, способствовала быстрому про-
мышленному освоению процесса ЭШП и
нашла широкое распространение: в настоя-
щее время основным типом действующих в
стране промышленных печей ЭШП являют-
ся печи, работающие . с заполнением кри-
сталлизатора. Вместе с тем эта схема име-
ет ряд существенных недостатков, которые
ограничивают применение ее во вновь со-
здаваемых листовых печах ЭШП.

Стационарные кристаллизаторы требу-
ют для своего изготовления большого ко-
личества дефицитной меди, сложны и до-
роги в изготовлении (рис. 237). С увели-
чением массы слитков соответственно уве-
личиваются размеры кристаллизаторов и
усложняется их производство. Кроме того,
в процессе эксплуатации выявились и дру-
гие недостатки крупногабаритных стацио-
нарных кристаллизаторов: сварной медный
кокиль кристаллизатора со временем де-
формируется и его приходится рихтовать.
Ужесточение кристаллизатора за счет уве-
личения толщины стенки кокиля, примене-
ние ребер жесткости, отказ от сварки и
переход к модульным конструкциям (кри-
сталлизатор состоит из нескольких мо-
дульных элементов — панелей) не решают
полностью поставленной задачи. Однако
главный недостаток технологической схе-
мы получения листовых слитков путем за-
полнения неподвижного относительно
слитка кристаллизатора состоит в том, что
при выплавке слитков высотой более 1,5—

Рис. 235. Варианты расположения расходуемых
электродов прямоугольного (а, б, г) и квадрат-
ного (в) сечения в листовом кристаллизаторе
при ЭШП по однофазной бифилярной схеме.
Рис. 236. Схемы ЭШП листовых слитков:
а — заполнение кристаллизатора; б — вытягивание
слитка из кристаллизатора; в — перемещением крис-
таллизатора по слитку (встречное движение электро-
да и кристаллизатора); г — применение кристаллиза-
тора с верхней уширенной частью.

Рис. 237. Панельный кристаллизатор для вы-
плавки листовых слитков массой до 20 т.

2 м происходит захолаживание их донной
части. Это обстоятельство, не имеющее су-/
щественного значения при выплавке слит-
ков из низко- или высоколегированных у
сталей, в случае ЭШП легированных вы- (
сокопрочных сталей, закаливающихся на
воздухе, очень существенно: донная
часть слитков до посадки в термическую
печь успевает остыть настолько, что ста- /
новится возможным появление холодных I
трещин.	/
V Указанных недостатков лишена техно-
логическая схема получения листовых
слитков в подвижном относительно слитка
коротком кристаллизаторе, перемещаю-
щемся в процессе плавки снизу вверх на-
встречу расходуемым электродам (рис. 236,
в).

Как известно, идея гак называемого
встречного движения кристаллизатора и
расходуемых электродов была впервые
предложена в ИЭС им. Е. О. Патона АН
УССР и запатентована в ряде зарубежных
стран (например, в Австрии — патент
№ 253711, Англии—патент № 1103350,
Франции — патент № 1448657 и др.).

у/ Необходимо отметить, что ЭШП расхо-
дуемых электродов впервые был осущест-
влен с помощью аппаратуры для электро-
шлаковой сварки по схеме, предусматри-
вающей подъем короткого кристаллизатора
по слитку (рис. 236, в). Позднее было осу-
ществлено вытягивание наплавляемых
слитков из кристаллизатора (рис. 236, б).
По этому принципу в 1958—1959 гг. на за-
воде «Днепроспецсталь» работали первые
опытно-промышленные электрошлаковые
печи Р-909 и ДСС-1 [22], вытесненные
затем печами ЭШП, работающими с за-
полнением стационарного кристаллиза-
тора.

Применение технологической схемы
ЭШП листовых слитков с относительным
перемещением слитка и кристаллизатора
позволяет интенсифицировать рафинирова-
ние металла и существенно расширить тех-
нологические возможности ЭШП. В част-
ности, благодаря постоянству уровней
жидких шлака и металла относительно
кристаллизатора легко осуществляется
продувка их газовыми и газопорошковыми
смесями, которая при схеме заполнения
труднсосуществима и малоэффективна.
В результате удается повысить степень
рафинирования жидкого металла и его де-
газацию, в том числе и удаление водорода.
Благодаря созданию электромагнитного
поля внутри подвижного кристаллизатора
возможно управление процессами плавле-
ния, перемещения и кристаллизации жид-
кого металла. При этом в кристаллизу-
ющийся металл несложно осуществить
ввод упругих колебаний для измельчения
макроструктуры слитка.

Рис. 238. Короткий подвижный кристаллизатор
для выплавки слитков-слябов.

Кроме того, при ЭШП с подвижным
относительно слитка коротким кристалли-
затором без особых трудностей может быть
обеспечен дополнительный обогрев донной
части слитка или замедленное его охла-
ждение либо, наоборот, усиленное вторич-
ное охлаждение слитка по мере его на-
плавления. Последнее целесообразно при
ЭШП ряда аустенитных и других сталей.
Вторичное охлаждение слитка (водяное,
воздушное, газовое) позволяет повысить
производительность ЭШП без ущерба для
качества слитка. Наоборот, при заданной
производительности замедленное охлажде-
ние слитка позволяет добиться снижения
удельного расхода электроэнергии.

Короткие подвижные кристаллизаторы
просты в изготовлении (рис. 238), надежны
в работе, допускают производить слив шла-
ка в конце плавки. Очень важным является
также то обстоятельство, что на основе
ЭШП в коротком подвижном кристаллиза-
торе успешно решается задача получения
плоских листовых слитков с большим от-
ношением ширины .к толщине, в частности
слитков-слябов ЭШП.

Известно, что листовой слиток металла
обычной выплавки, как и сортовой, пора-
жен несплошностями. Центральные объемы
его отличаются малой плотностью вслед-
ствие развития микропористости. Принято
считать, что для эффективного воздействия
деформации на сердцевину слитка с целью
заварки дефектов и получения листа удо-
влетворительного качества металл должен
быть подвергнут по меньшей мере 10—
20-кратному обжатию.
III

С появлением непрерывной разливки
стали и накоплением опыта по переделу
непрерывнолитых слябов в значительной
степени изменились давно устоявшиеся
взгляды на основные закономерности про-
изводства листового проката. Многочислен-
ные экспериментальные исследования по-
казали, что благодаря большей плотности,
структурной и химической однородности
непрерывнолитых слябов по сравнению с
обычными крупными слитками качествен-
ный листовой прокат из них может быть
получен при существенно меньших суммар-
ных обжатиях, чем в случае прокатки
крупнотоннажных листовых слитков [66].

Совершенно очевидно, что все сказан-
ное еще в большей мере справедливо для
металла ЭШП. В настоящее время не вы-
зывает никаких сомнений тот факт, что
электрошлаковые передельные слитки бла-
годаря высокой степени плотности, химиче-
ской и физической гомогенности не нужда-
ются в столь значительной степени обжа-
тия, как слитки металла обычной выплав-
ки. Поэтому нельзя механически перено-
сить геометрию сечения обычного листово-
го слитка на слиток ЭШП.

Листовой слиток может и должен быть
тоньше обычного слитка, но его ширина
может и должна быть наиболее близкой к
ширине будущего стального листа. По этой
причине не обязательно катать лист из ли-
стового слитка по схеме слиток — сляб —
лист, его целесообразно производить из
слитков-слябов, минуя обжимные станы,
т. е. непосредственно на листопрокатных
станах.

В числе основных преимуществ слитка-
сляба ЭШП перед листовым слитком мож-
но отметить следующее. В связи с резким
уменьшением объема и глубины метал-
лической ванны практически исключают-
ся ликвационные процессы в металличе-
ской ванне и соответственно ощутимо воз-
растают качественные показатели стали.
В процессе выплавки слитков-слябов ис-
ключается ряд технологических операций
по их переделу и термической обработке,
которым подвергается электрошлаковый
листовой слиток (замедленное охлаждение,
отжиг, нагрев при передаче горячим вса-
дом, прокатка слитков на слябинге). Слит-
ки-слябы, минуя прокатку на слябинге, за-

даются непосредственно в листопрокатный
стан. В результате суммарная обрезь ли-
стов снижается в 2,5—3 раза, а выход год-
ного увеличивается в среднем на 10%.

Широкие грани слитка-сляба имеют
волнистую поверхность. Такая поверхность
достигается за счет рифлений, специально
выполненных на широких гранях формиру-
ющей части кристаллизатора. Рифления
способствуют упрочнению гарнисажа, уве-
личению контактной площади между кри-
сталлизатором и слитком, препятствуют
образованию заливин на поверхности слит-
ка и в результате благоприятно влияют на
качество поверхности слитка [67].

Дальнейшим развитием технологиче-
ской схемы получения плоских листовых
слитков ЭШП в подвижном коротком кри-
сталлизаторе является разработка метода
многоручьевой выплавки слитков-слябов
ЭШП [41, 43], основанной на переплаве
Ь.вух или более расходуемых электродов,
включенных по бифилярной схеме в общую
для нескольких ручьев шлаковую ванну
(рис. 239). Дело в том, что при выплавке
слитков-слябов по обычной одноручьевой
схеме значительно снижается производи-
тельность печи ЭШП в связи с падением
массовой скорости наплавления сляба по
сравнению с массовой скоростью листового
слитка. Известно, что производительность
печи ЭШП пропорциональна сечению вы-
плавляемого слитка. Чем больше это сече-
ние, тем выше массовая скорость перепла-

Рис. 239. Схемы получения методом ЭШП слит-
ков-слябов:

а — многоручьевая схема; б — выплавка одного слит-
ка-сляба в подвижном кристаллизаторе.
ва и производительность печи. С учетом
этого обстоятельства при многоручьевой
плавке слитков-слябов ЭШП удается пол-
ностью реализовать преимущества крупно-
тоннажной печи ЭШП (использование от-
носительно дешевых слябовых электродов
и высокой производительности при относи-
тельно низком удельном расходе электро-
энергии), несмотря на выплавку мелкотон-
нажных слитков. При этом качество слит-
ков-слябов ЭШП сохраняется на том же
уровне, что и при одноручьевой схеме
ЭШП.

Проведенные исследования показывают,
что литой металл ЭШП отличается высо-
кой плотностью, пониженным содержанием
и равномерным распределением серы и
неметаллических включений, структурной
и химической однородностью, а также
высокой изотропностью механических
свойств. Это обусловило широкое приме-
нение электрошлаковой технологии для
изготовления фасонных отливок различно-
го назначения, в частности корпусов запор-
ной арматуры и сосудов высокого давле-
ния, коленчатых валов судовых двигателей,
прокатных валков, штамповых заготовок и
т. д. Поэтому не вызывает сомнений пол-
ная возможность не только замены листо-
вых слитков ЭШП слитками-слябами, но
и использование их во многих случаях в
литом виде, т. е. без всякой деформации.
I/ Несомненным достоинством многоручье-
вой схемы ЭШП является то, что выплав-
ка слитков-слябов ЭШП может быть осу-
ществлена на тех же печах, что и выплав-
ка плоских листовых слитков ЭШП. Для
производства плоских листовых слитков и
слитков-слябов ЭШП в нашей стране по-
строены и успешно работают специализи-
рованные крупнотоннажные печи, в частно-
сти двухколонные четырехэлектродные би-
филярные печи типа УШ-105, позволяющие
выплавлять широкоформатные листовые
слитки массой до 40 т [66]. Размеры
40-тонного слитка составляют 500 X 2500 X
Х4200 мм. Такими печами в СССР осна-
щаются новые цехи ЭШП. Одно из досто-
инств четырехэлектродной печи УШ-105
состоит в том, что в отличие от двухэлект-
родных печей эта печь позволяет реализо-
вать принцип модулирования мощности
для рассредоточения источника нагрева,

уменьшения глубины металлической ванны
и улучшения ее формы. Модуляция мощ-
ности, осуществляемая в печи УШ-105, обес-
печивает перемещение теплового центра в
шлаковой ванне. Это достигается путем
сдвига модуляции мощности на каждом
электроде во времени, при этом глубина
металлической ванны существенно умень-
шается. Модуляция мощности способствует
также измельчению литой структуры слит-
ков, позволяет снизить электрическую мощ-
ность печи и повысить эффективность про-
цесса ЭШП [34].

О высоком техническом уровне печи
УШ-105 свидетельствует такой факт: по
советской лицензии эта печь под индексом
ЭШП-40 построена на металлургическом
заводе в Японии и с 1975 г. находится в
промышленной эксплуатации.

Необходимо отметить, что для каждого
вида продукции требуется и соответствую-
щая заготовка: для прокатки тонкого ли-
ста предпочтителен слиток-сляб ЭШП; для
толстого листа — листовой слиток, но ли-
стовой слиток нужен и для непрерывной
прокатки рулонированной тонколистовой
стали. Поэтому в связи с широким сорта-
ментом листового проката выбор опти-
мальной схемы производства электрошла-
кового листового слитка или слитка-сляба
должен осуществляться на основе прове-
денного в каждом конкретном случае тща-
тельного технико-экономического анализа.

§ 3. Низколегированные
толстолистовые стали

Толстолистовая низколегированная сталь
является наиболее широкоприменяемым
конструкционным материалом. Общее ко-
личество марок низколегированной стали,
выпускаемых нашей промышленностью
только для строительных металлоконструк-
ций, превышает 50 [24].

К низколегированным сталям относятся
малоуглеродистые, как правило, хорошо
свариваемые стали с относительно невысо-
ким (обычно до 2,5%) содержанием леги-
рующих элементов (Мп, 81, Сг, №, Си, М,
МЬ, V и др.) и уровнем прочности по пре-
делу текучести в среднем от 30 до
45 кгс/мм2. Повышенная прочность и со-
противляемость хрупким разрушениям до-
стигаются в этих сталях присадкой леги-
рующих элементов и измельчением струк-
туры при термической обработке.

В СССР и за рубежом ведутся работы
по созданию и промышленному исполь-
зованию свариваемых низколегированных
сталей с более высоким (50—80 кгс/мм2)
уровнем прочности, в частности, на основе
нитридного упрочнения, а также исполь-
зованию сталей с небольшими добавками
титана и ванадия, титана и бора. В по-
следние годы созданы новые стали систе-
мы МЬ—V—КЧ высокой вязкости с пони-
женным содержанием углерода и серы и
добавлением РЗМ. По сравнению с обыч-
ными высокопрочными сталями той же
прочности эти "стали обладают не только
высоким сопротивлением зарождению, но и
способны к остановке трещины [64], что
наиболее важно для газопроводов, прокла-
дываемых в арктических районах.

Низколегированные стали повышенной
и высокой прочности используются и будут
использоваться все в большей мере для
изготовления таких ответственных изделий,
как трубопроводы большого диаметра, со-
суды высокого давления, грузоподъемные
краны различного назначения, пролетные
строения больших мостов, крупные мор-
ские суда, атомные реакторы, резервуары
для хранения нефти и газа, кожуха кон-
вертеров и другие сварные конструкции.

Непрерывный рост габаритных разме-
ров сварных конструкций, вызванный необ-
ходимостью увеличения единичной мощно-
сти агрегатов, в частности доменных печей,
кислородных конвертеров, кранового обо-
рудования и других изделий, ужесточение
условий их эксплуатации вследствие фор-
сированных условий работы и в то же
время необходимость обеспечения их
эксплуатационной надежности обусловли-
вают все более высокие требования к ка-
честву конструкционного материала, иду-
щего на их изготовление. Все больше воз-
растает потребность в сталях, сочетающих
высокую прочность с достаточной пластич-
ностью, вязкостью, стойкостью против
хрупких разрушений и хорошей сваривае-
мостью.

Одно из основных требований, которым
должна удовлетворять низколегированная

сталь,— обеспечение гарантированного ста-
бильного уровня предела текучести для
данной марки стали при испытании на
статическое растяжение, так как именно
эта характеристика чаще всего использу-
ется в расчетах конструкции на прочность.
Низколегированные стали должны также
обладать достаточной пластичностью, для
того чтобы обеспечить отсутствие разруше-
ний в металле в процессе изготовления из-
делий при таких технологических опера-
циях, как гибка, штамповка, вальцовка,
правка, и других операциях, а также в
условиях их эксплуатации. Оценку пластич-
ности листовой стали обычно производят
по показателям относительного удлинения
или сужения. При этом относительное су-
жение для большинства низколегированных
сталей открытых способов выплавки со-
ставляет 40—55%, а относительное удлине-
ние должно быть не менее 18—22%.

Очень важным показателем качества
низколегированной стали в зависимости от
ее термического состояния, структуры, сте-
пени загрязненности неметаллическими
включениями являются испытания на удар-
ный и статический изгиб, в том числе при
отрицательных температурах, позволяю-
щие определить температуру, при которой
металл переходит из вязкого состояния в
хрупкое (порог хладноломкости Тк, крити-
ческая температура хрупкости Гиде). По
этим показателям можно судить о сопро-
тивляемости стали хрупким разрушениям,
чем ниже эта температура (Тк и Гкдс), тем
менее чувствительна сталь к концентрато-
рам напряжений и динамическим нагруз-
кам.

Для низколегированных сталей, кото-
рые в процессе изготовления сварных кон-
струкций на заключительных операциях
могут подвергаться холодной деформации
(калибровке, правке и т. д.) без последу-
ющей термообработки, обязательна оценка
склонности стали к деформационному ста-
рению. Существует несколько методик про-
ведения указанного испытания. Наиболее
часто чувствительность к деформационно-
му старению оценивают согласно ГОСТ
7268—54 по изменению ударной вязкости
стали после 10%-ной деформации растяже-
нием и нагрева до 250° С в течение 1 ч по
сравнению с ударной вязкостью в исход-
ном состоянии. При этом снижение удар-
ной вязкости не должно превышать 50%
исходного значения.

Наиболее важной характеристикой низ-
колегированной стали является удовлетво-
рительная ее свариваемость, так как ис-
пользование в металлоконструкциях той
или иной марки стали во многом зависит
от возможности ее сварки. Основными про-
блемами при сварке сталей высокой проч-
ности являются склонность к холодным
трещинам и образование ламелярных
(пластинчатых или слоистых) трещин в
сварных соединениях [12, 33]. Ламелярные
трещины возникают в основном металле
вблизи сварных швов, иногда за пределами
околошовной зоны под действием высо-
ких объемных напряжений сварки и обу-
словлены большой анизотропией механи-
ческих свойств и особенно понижением
пластичности в направлении толщины про-
ката из-за повышенной загрязненности ста-
ли грубыми неметаллическими включения-
ми.

Пластинчатому растрескиванию при
сварке наиболее подвержены марганцови-
стые низколегированные стали открытой,
например мартеновской, выплавки, в кото-
рых содержание серы согласно ГОСТ
5058—65 может достигать 0,040%. В хоро-
шо раскисленной (кремнием и алюминием)
марганцовистой стали при отношении
Мп/8 > 30 сернистые включения представ-
ляют собой чистый сульфид марганца
(Мп8) [76]. Включения Мп8 в процессе
горячей деформации раскатываются в
длинные пластинчатые строчки, ориенти-
рованные в плоскости прокатки. Такие
включения значительно понижают пластич-
ность и сопротивляемость стали действию
нагрузок в направлении толщины проката.
Так, установлено [27, 64], что преждевре-
менное разрушение образцов, вырезанных
из толстолистового металла открытой вы-
плавки в направлении толщины, обуслов-
лено растрескиванием сульфидов и слабым
сцеплением между сульфидами и матрицей
или их нарушением. Длина образующихся
при этом микропустот соизмерима с раз-
мерами сульфидов и составляет 10—
100 мкм.

Согласно данным исследований [80,
85], критерием стойкости против образова-

ния ламелярных трещин может служить
величина относительного сужения в на-
правлении толщины проката ф2, которая
должна быть не менее 15—25%. Счита-
ют, что если относительное сужение при
испытании на статическое растяжение
в направлении толщины проката боль-
ше 25%, то сталь стойка против ламеляр-
ных трещин, при — 15 -т- 25% она ведет
себя умеренно, а при ф2 < 15% весьма
склонна к образованию указанных трещин.

При изучении склонности стали 16Г2АФ
к образованию ламелярных трещин наши-
ми совместно с ЦНИИПроектстальконст-
рукции исследованиями [12, 14] * установ-
лено, что на поверхности разрушения об-
разцов, вырезанных в направлении толщи-
ны проката стали открытой выплавки, при-
сутствуют пластинчатые и глобулярные
включения, которых нет в металле после
ЭШП. При этом пластинчатые включения
образованы сернистым марганцем, а гло-
булярные — окисью алюминия. Понижение
пластичности и сопротивляемости разру-
шению стали открытой выплавки в направ-
лении толщины проката вызвано именно
наличием пластинчатых включений Мп8,
ориентированных в плоскости проката.
В результате исследований было установ-
лено, что сталь 16Г2АФ после ЭШП отли-
чается очень низкой склонностью к образо-
ванию ламелярных трещин, в то время
как эта же сталь мартеновской выплавки
умеренно склонна к этим разрушениям.

Интересно отметить, что, согласно реко-
мендациям японских исследователей [63],
высокая стойкость против пластинчатого
растрескивания может быть обеспечена
только в случае применения вакуумиро-
ванных сталей со сверхнизким содержа-
нием серы (0,008—0,006%) и дополнитель-
ного введения редкоземельных элементов.
Там же отмечается, что успех в создании
стойкой против холодных трещин стали
высокой прочности был достигнут в основ-
ном путем снижения в ней углерода до
0,06% и ниже и серы до 0,005%. Сталь та-
кого состава была использована при соору- 
жении сферических резервуаров, судов и
других конструкций.

* В работе принимали участие Л. И. Гладштейн,
Л. Г. Гавриленко, В. Н. Пахуридзе, А. В. Ша-
тунова.
Таким образом, задача получения ме-
тодом ЭШП толстолистовой низколегиро-
ванной стали повышенной и высокой
прочности, пригодной для изготовления
ответственных сварных металлоконструк-
ций, прежде всего связана со снижением в
ней вредных примесей (серы, неметалличе-
ских включений и др.) и обеспечением
плотной и однородной макроструктуры, а
также высоких механических свойств ме-
талла по сечению листа.

Ниже приводятся физико-механические
и технологические свойства низколегиро-
ванной стали основных наиболее широко
применяемых нашей промышленностью ма-
рок, улучшенных методом ЭШП, по ре-
зультатам исследований и промышленного
освоения, значительная часть которых вы-
полнена при участии авторов.

Сталь 09Г2 и 09Г2С. Исследовали
влияние ЭШП на зависимость ударной
вязкости стали 09Г2 от температуры испы-
тания. Результаты испытания свидетель-
ствуют о том, что температура порога хлад-
ноломкости снизилась с — 90 до— 130° С.

Созданная вначале как сталь для судо-
строения, сталь 09Г2С благодаря высокой
пластичности, вязкости, хорошей сварива-
емости, технологичности и дешевизне в на-
стоящее время широко используется в ря-
де таких отраслей, как вагоностроение,
мостостроение, металлургическое и тяже-
лое машиностроение. Согласно ГОСТ
5058—65 предусматривается возможность
применения этой стали в сечениях толщи-
ной до 160 мм. Свойства стали 09Г2С до-
статочно хорошо изучены при нормальных
(20°С), повышенных (до 450° С) и отри-
цательных (до — 70° С) температурах [24].
Одним из основных назначений толстоли-
стовой стали 09Г2С являются аппараты и
сосуды, работающие под давлением при
температуре в пределах от — 70° С до
450° С, п различное нефтехимическое обо-
рудование.

Были проведены сравнительные иссле-
дования листовой стали марки 09Г2С тол-
щиной 40—80 мм, прокатанной из промыш-
ленных мартеновских и электрошлаковых
слитков [48, 51]. Электрошлаковые слитки
выплавляли по двум технологическим ва-
риантам: 1) ЭШП трех расходуемых
электродов диаметром 300 мм по трехфаз-

ной схеме в кристаллизатор круглого сече-
ния диаметром 1200 мм (печь ЭШП-10
НКМЗ); 2) ЭШП двух расходуемых элект-
родов сечением 155 X 1100 мм по бифиляр-
ной схеме в листовой кристаллизатор пря-
моугольного сечения 600 X 1450 мм (печь
УШ-100 ЖЗТМ). Кузнечные слитки ЭШП
массой 12 т, полученные по первому вари-
анту, ковали на прессе на браму, а затем
прокатывали на листовом стане. Листовые
слитки ЭШП массой 14—15 т, выплавлен-
ные по второму варианту, непосредственно
катали на лист.

Как было указано в § 2 настоящей
главы, реализация технологического ва-
рианта кузнечный слиток ЭШП — ковка
на прессе на браму — прокатка на лист
относится к началу 60-х гг., когда еще не
были созданы специализированные печи
ЭШП для выплавки плоских листовых
слитков по бифилярной схеме.

Одной из важнейших задач выполнен-
ных исследований явилось изучение хими-
ческой однородности металла листов. Ре-
зультаты химического анализа в плавоч-
ной (ковшовой) пробе, а также в голов-
ной и донной частях мартеновской (исход-
ной) стали и электрошлаковых листов
приведены в табл. 226. Четко видно, что
содержание основных легирующих элемен-
тов в планочной пробе и листах практи-
чески одинаково и их распределение по
длине листов равномерное. Содержание

Рис. 240. Серные отпечатки листового металла
марки 09Г2С толщиной 80 мм мартеновской
выплавки (а) и ЭШП (б).
Таблица 226. Химический состав стали марки 09Г2С мартеновской выплавки и ЭШП, %

Способ и вариант выплавки	Место отбора пробы	С	Мп	51	8	Р	№	Си	Т1
Мартеновский	Печь (плавоч- ная проба)	0,10	1,55	0,68	0,030	0,018	0,06		0,016
ЭШЛ, кузнечный слиток	Голова	0,10	1,47	0,69	0.015	0,025	0,06	—	0,044
(первый вариант) То же	Середина	0,10	1,46	0,70	0,013	0,025	0,06			0,046
» »	Дно	0,10	1,49	0,69	0,007	0,025	0,06	—	0,045
Мартеновский (второй вариант)	Печь (плавоч- ная проба)	0,10	1,66	0,76	0,021	0,017	0,11	0,23		
ЭШП, листовой слиток	Голова	0,09	1,61	0,71	0,007	0,011	0,12	0,20	—
(второй вариант) То же	Середина	0,09	1,63	0,71	0,006	0,010	0,11	0,23	—
» »	Дно	0,09	1,63	0,72	0,006	0,011	0,11	0,21	—

Примечание. В каждой строке, относящейся к металлу ЭШП, приведены результаты химического анализа
проб, отобранных не менее чем в пяти точках поперечного сечения листа.

серы в стали ЭШП снижается с 0,030—
0,035 до 0,007—0,013%, т. е. почти в 3 ра-
за. Наблюдается существенное различие
в характере распределения серы по тол-
щине листов мартеновского металла и ме-
талла ЭШП. Как хорошо видно на сер-
ных отпечатках по Бауману (рис. 240),
для металла ЭШП характерна однород-
ная плотная макроструктура с равномер-
ным распределением серы по всей толщи-
не листа. Металл ЭШП отличается также
более низким содержанием кислорода и
азота по сравнению с мартеновским ме-
таллом (табл. 227). Так, концентрация
кислорода в металле после ЭШП снижа-
ется в 4 раза, а азота — в 1,6 раза. Со-
держание этих газов определяли химиче-
ским методом и вакуум-плавлением. Для
листового металла ЭШП характерно не
только значительно меньшее содержание
неметаллических включений, но и более
равномерное их распределение по толщи-

не листа по сравнению с мартеновским
металлом (табл. 228).

Для толстолистовсго мартеновского
металла характерно как бы трехслойное
строение: в средней части листа (при-
мерно '/г толщины) сульфидная строчеч-
ность, несплошности, повышенное содер-
жание газов и неметаллических включе-
ний; у поверхности листа (примерно
'/« толщины) металл плотный, более чис-
тый от неметаллических включений и га-
зов.

По механическим свойствам — наибо-
лее важному показателю качества — тол-
столистовой металл ЭШП также имеет
преимущество перед мартеновской сталью.
Механические свойства испытывали на
образцах, вырезанных из листов в трех
направлениях: вдоль прокатки (по длине
листов), поперек прокатки (по ширине
листов) и перпендикулярно к поверхности
листа (по толщине) по оси 2.

Таблица 227. Содержание газов в стали
09Г2С мартеновской выплавки и ЭШП, %

Способ вы- плавки	Место отбора пробы по толщине листа			
	Поверхност1		г ередина	
	(О]	[М	[01	
Мартенов- ский ЭШП	0,0090  0,0018	0,0170 0,0100	0,0100 0,0021	0,0190  0,0120

Таблица 228. Общее содержание
неметаллических включений в листах 09Г2С
толщиной 80 мм мартеновской выплавки и

ЭШП, %

Способ выплавки	Место отбора пробы по толщине листа	
	Поверхность	Середина
Мартеновский	0,0129	0,0550
ЭШП	0,0054	0,0053
В связи со специфическим слойным
строением толстолистового мартеновского
металла образцы для испытаний механи-
ческих свойств отбирались как из поверх-
ностных слоев, так и из середины. Сравни-
тельные результаты механических испы-
таний стали 09Г2С до и после ЭШП в
состоянии нормализации при 920° С приве-
дены в табл. 229. Как следует из этой таб-
лицы, показатели прочности и относитель-
ного удлинения, определенные на продоль-
ных и поперечных образцах мартеновского
металла и металла ЭШП, практически
одинаковы. Относительное сужение у ме-
талла ЭШП на 8—10% выше, чем у мар-
теновского. Пластические характеристики
образцов мартеновского металла, вырезан-
ных из середины листа, несколько ниже,
чем у образцов, вырезанных из поверхност-
ных слоев. В металле ЭШП подобной раз-
ницы не наблюдается. Кроме того, прочно-
стные и пластические свойства по длине
листа более равномерны у электрошлако-
вого металла, чем у мартеновского.

При испытании образцов толстолисто-
вой стали 09Г2С, вырезанных по оси г,
выявлена существенная разница в свой-
ствах: практически полное отсутствие
удлинения и сужения в мартеновском ме-
талле и высокая пластичность металла
ЭШП.

Механические свойства образцов ме-
талла ЭШП, вырезанных вдоль и поперек
направления прокатки, а также по тол-
щине листа (по оси г), практически оди-
наковы, т. е. в толстолистовом металле
ЭШП отсутствует анизотропия свойств по
сечению листа.

Степень анизотропии пластических
свойств Кпл толстолистового металла ЭШП
для листа из стали 09Г2С, определенная
по формуле

,	+ Фг

Кпл = Ъх+Ьу Фх + Фу ; (У1-1 >
2	+	2

где 6Ж, фх; бц, фи; 62, ф2 — свойства листа
соответственно по его длине, ширине и
толщине, составляет 0,91, а этой же ста-
ли мартеновской выплавки — 0.

Особенно существенная разница в ка-
честве металла ЭШП и мартеновского

металла выявлена при испытании толсто-
листовой стали на ударный изгиб. Резуль-
таты испытаний (табл. 230 и 231) показы-
вают, что ЭШП не только повышает об-
щий уровень показателей ударной вязко-
сти, но и существенно снижает темпера-
туру критической хрупкости Тк, особенно
на образцах, вырезанных по оси г. Так,
порог хладноломкости, определенный на
продольных образцах металла ЭШП, на-
ходится в интервале температур от —ПО
до —130° С, а мартеновской стали той же
толщины (80 мм)—в области—90° С.

Весьма заметная разница в свойствах
металла ЭШП и мартеновского металла
выявлена также при испытании образцов,
предварительно подвергшихся механиче-
скому старению. Как видно из табл. 231,
для стали 09Г2С ЭШП порог хладнолом-
кости находится в интервале температур
от —60 до —90° С, тогда как для стали
09Г2С мартеновской выплавки он нахо-
дится в области —10° С.

Степень анизотропии вязких свойств
Кан, а также общий коэффициент анизо-
тропии Кобщ толстолистового металла
ЭШП, определенные по формулам

Кан =

2

„________________б? + Фг г онг___________

общ ~ 6Х + бу Фх + Фу аих + аку ’

2	+	2	+	2

(VI .3)

составляют соответственно 0,63 и 0,84.

Полученные данные о повышении в ре-
зультате ЭШП общего уровня показате-
лей ударной вязкости толстолистовой ста-
ли и о снижении при этом ее порога хлад-
ноломкости (в среднем на 20—50° С) име-
ют весьма важное значение, так как они
характеризуют более высокую стойкость
металла ЭШП против хрупкого разруше-
ния по сравнению с металлом мартенов-
ской выплавки. Заметим, что, согласно
принятым критериям оценки (29, 63], тол-
столистовая сталь 09Г2С ЭШП толщиной
80 мм должна отличаться также исклю-
чительно высокой стойкостью против об-
разования ламелярных трещин в сварных
соединениях (фг = 77.4 4- 78,0%). В связи
с этим применение толстолистового ме-
Таблица 229. Механические свойства листов стали 09Г2С толщиной 80 мм после нормализации при ! с

Способ вы- плавки	Направление вырезки образцов	Поверхностный слой				
		сц, кгс/мм*	ов, кгс/мм*	6, %	«С. %	кгс/
Мартенов- ский	Продольное	29,3—32,5  30,9	51,2—52,6 52,0	34,8—38,2 36,1	75,0—76,6  75,4	31,5—3  32,9
	Поперечное	33,9—35,4  34,7	52,0—53,5  52,7	32,0—34,0 33,0	71,6-73,3  72,4	32,5—3  33,5
	Перпендикулярное	Не определя- лось	13,8—27,9  20,3	Образец хруп	ко разрушила	
эшп	Продольное	31,2—31,8  31,5	49,6—50,0  49,8	31,2—37,6  34,4	78,9—81,8  80,1	30,8—5  31,5
	Поперечное	30,2—32,6  31,4	50,0—50,6  50,3	32,4—35,7  35,0	80,5—83,2.  81,9 |	33,1—5  33,1
	Перпендикулярное	29,5—30,2  29,8	48,2—48,6  48,4	27,2—28,2  27,7	77,4—78,Оу  77,7 ' 1	

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние.

талла ЭШП при изготовлении сварных
конструкций, например сосудов высокого
давления, должно повысить их надеж-
ность, в особенности при низких темпера-
турах.

Для проверки качества металла ЭШП
на наличие внутренних дефектов (рассло-
ев, трещин, крупных скоплений неметал-
лических включений и др.) вся промыш-

ленная партия листа стали 09Г2С ЭШП
была подвергнута 100%-ному ультразвуко-
вому контролю. В табл. 232 приведены
результаты качественного анализа толсто-
листовой стали 09Г2С равной толщины
мартеновской выплавки и ЭШП по наи-
более распространенным дефектам, обна-
руживаемым с помощью ультразвукового
контроля. Сравнительному анализу под-

ЭШП п«

листов стали 09Г2С толщиной 80 мм на ударный изгиб до и лоо

Т а б лица 230. Данные испытаний

Способ вы- плавки	Направление вырезки образцов	аи (кгс  м/см2) при Т,					
		20	—20	—40	-70		—9
Мартенов- ский	Продольное	18,7—27,0  23,5	Не опр.	Не опр.	7,4—11,4  9,0		1,9— Тк
	Поперечное	35,0—35,4  35,2	» »	18,8—34,5  25,5	5,9—18,7  12,3		1,9— тк
	Перпендикулярное	2,1—4,6 Тк	0,6—0,9 0,8	Не опр.	Не опр.		Не с
ЭШП	Продольное	34,1—35,6  35,1	Не опр.	» »	32,3-35,3  33,5 '		»
	Поперечное	35,5—35,6  35,5	» »	33,4—35,6  34,5	16,0—26,2  21,0		3,75—  5,'
	Перпендикулярное	20,8—23,9  22,3	» »	9,1 — 18,0  12,6	Не опр.		2,5—  Л

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние
ации при	920° С					
—			Середина листа			
ф. %			а,., кгс/мм2	ов, кгс/мм2	6, %	ф. %
,0—76,6 .			31,5-33,6	50,1—53,0	31,5—36,3  35,4  32,1—35,4  33,0  делились	76,6—77,5  77,1  64,0—73,5  69,1
75,4 ,6—73,3			32,9  32,5-34,4  33,5	52,2  51,2—53,3		
72,4  фушился	1			52,1  Не опре		
,9—81,8			30,8-31,8	50,0—51,4	32,7—38,5	78,9—78,9
80,1  ,5—83,2			31,3  33,1-33,9	50,7  49,8—50,5	35,7  33,6—37,0	78,9  82,6—82,6
81,9 ,4—78,0			33,6	50,2  Не опре	34,6 делились	82,6
77,7						

вергалась вся партия металла ЭШП
(8листов), что соответствовало количест-
ву произвольно отобранных листов марте-
новской выплавки. Основанием для поста-
новки знака «плюс» в табл. 232 являлось
обнаружение дефекта в указанной части,
по крайней мере одного из обследуемых
листов стали. Разумеется, и среди марте-
новского металла были листы, свободные

ЭШП после нормализации при 920° С

при Т, °С					
—70		-90	—ПО	—130	—150
1—11,4	1  {	1,9-9,5 т  1 к  I,9—9,0 Тк  Не опр.  > »  3,75-18,7  5,0  2,5-9,!  тк	0,4—0,9 0,5  0,5—0,5 0,5  Не опр.  3,2—18,7  11,7  1,4—3,6 т  1 к  1,4—2,5 2,0	Не опр.  » »  » »  2,5—18,7  Т  1 к  2,5—18,7 Тк  2,5—18,7 т  1 к	Не опр.  » »  » »  0,6—0,75 0,65  0,6—0,75 0.65  0,6—0,75 0,65
9,0  18,7					
12,3 е опр.  3—35,3					
33,5  0—26,2					
21.0  е опр.					

от перечисленных дефектов. Поэтому дан-
ные табл. 232 следует рассматривать лишь
как вероятность наличия дефектов в ука-
занной части листа, полученного тем или
иным способом. Необходимо отметить, что
дефекты, перечисленные' в пунктах 4 и 5
табл. 232, являются браковочными при-
знаками для металла, используемого в
тяжелонагруженных конструкциях. В ли-
стах ЭШП отдельные точечные дефекты
были обнаружены лишь в зоне головной
обрези.

Одним из важнейших результатов ис-
следований [48], приведенных в работе,
является экспериментальное подтвержде-
ние возможности отказа от обязательной
нормализации конструкций из листового
металла ЭШП после ЭШС. ЭШС углеро-
дистых и низколегированных сталей, как
известно, вызывает перегрев металла око-
лошовной зоны и рост в ней величины
зерна. Это приводит к снижению пласти-
ческих свойств сварного соединения и
особенно ударной вязкости в зоне терми-
ческого влияния.

Для повышения механических свойств
сварных соединений конструкций их после
ЭШС обычно подвергают обязательной
нормализации. Подобное положение при-
вело к тому, что применение ЭШС стало
сдерживаться из-за отсутствия в ряде слу-
чаев достаточных термических средств для
нормализации преимущественно на мон-
тажных площадках. В связи с этим в
ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР еще
в 1964 г. были проведены сравнитель-
ные исследования околошовной зоны свар-
ных соединений сталей 09Г2С и 09Г2С
ЭШП для установления возможности отка-
за от обязательной нормализации после
ЭШС.

Как видно из табл. 233, ударная вяз-
кость и порог хладноломкости Гк в зоне
термического влияния электрошлаковых
сварных швов толстолистовой стали
09Г2С ЭШП толщиной 80 мм в состоянии
после отпуска практически такая же, как
в зоне термического влияния электрошла-
ковых сварных швов толстолистовой ста-
ли 09Г2С мартеновского производства
после нормализации. Иными словами,
сварной сосуд высокого давления, изго-
товленный из толстолистового металла
Таблица 231. Данные испытаний листов стали 09Г2С толщиной 80 мм на ударный изгиб после нор

С пособ вы - пла вки	Направление вы- резки образцов	ов (кгс-м/см2) при Т. “С				
		20	0	—10	—20	—30
Мартенов- ский	Продольное	14,7—18,7  16,3	15,0—18,0  16,0	1,0—5,25 тк	Не опр.	Не опр.
	Поперечное	9,6—17,2  13,4	9,0—10,7  9.6	2,1—7,5 тк	1,5—2,25  1,3	» »
ЭШП	Продольное	15,3—18,5  1Ь,9	Не опр.	Не опр.	15,0—17,1  16,5	» »
	Поперечное	18,7—23,2  20,9	» »	» »	Не опр.	15,1 — 18,8  17,9

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средНйе.

ЭШП, после ЭШС может быть подвергнут
только высокому отпуску.

Стали 16ГНМА, 20ГНМА, 20ГНДФБ.
Стали этого типа применяются в виде тол-
стых листов и плит толщиной до 300 мм
для изготовления ряда ответственных
конструкций, таких, как сосуды высокого
давления, различные аппараты и оборудо-
вание для химической промышленности,
платформы и металлоконструкции, пред-
назначенные для работы в море, в том
числе под водой, и др.

Сталь 16ГНМА широко используется
для изготовления барабанов паровых кот-

лов — наиболее ответственных элементов
теплосилового оборудования. По мере
дальнейшего увеличения количества теп-
ловых электростанций при одновремен-
ном наращивании мощностей ТЭЦ осо-
бенно актуальным становится вопрос про-
дления сроков службы и повышения на- !
дежности этих агрегатов за счет повыше-
ния качества толстолистовой котельной I
стали.

Стали марок 20ГНМА и 20ГНДФБ по- -
лучили распространение за рубежом, в
частности в Японии (где своему широко-
му применению они обязаны прежде всего

Таблица 232. Сравнительная характеристика качества листов стали Г209С мартеновской
выплавки (числитель) и ЭШП (знаменатель) по наиболее распространенным дефектам, обнаруженным
с помощью ультразвукового контроля

Примечание. Плюс означает наличие дефектов, минус — их отсутствие.
кализации при 920° С и механического старения

-40	—60	—70	—90
Не опр.	Не опр.	—	Не опр.
» »	» »	—	» »
9,5-11,2	2,9—8,0			в	»
10,3	тк		
Не опр.	—	5,6—9,9	0,9—2,25
		7,7	т  1 к

ЭШП). С увеличением габаритов сварных
конструкций возникает проблема ламеляр-
ных трещин в стальных листах в местах
сварных соединений, подвергающихся на-
пряжениям в направлении толщины (по
оси г). В связи с этим и была специально
создана сталь марки 20ГНДФБ (А8ТМ-
А537, класс I) с высоким сопротивлением
ламелярным трещинам. Однако только
благодаря применению ЭШП этой стали
удалось добиться стабильных результатов
и получить толстолистовой металл высо-
кой прочности, отвечающий крайне жест-
ким требованиям.

Исследованию влияния ЭШП на меха-

нические и служебные свойства сталей
16ГНМА, 20ГНМА, 20ГНДФБ посвящены
работы [5, 7, 48, 67}. В табл. 234 приведе-
ны результаты химического анализа ис-
ходного металла и металла листов ЭШП,
полученных по различным технологиче-
ским вариантам. Как следует из таблицы,
содержание углерода, марганца, кремния,
никеля, молибдена в плавочной пробе и
листах ЭШП практически одинаково. По
длине листов эти элементы распределяют-
ся равномерно. Содержание серы в метал-
ле после ЭШП снижается в среднем на
70%; в стали 16ГНМ — с 0,012—0,014 до
0,004—0,006%; в стали 20ГНМА — с 0,005
до 0,002%; в стали 20ГНДФБ — с 0,014 до
0,002%. Анализ серных отпечатков свиде-
тельствует о равномерном распределении
серы по сечению и длине листов ЭШП.
На рис. 241 показаны серные отпечатки
мартеновского и электрошлакового листов
стали 16ГНМА толщиной 115 мм. На сер-
ном отпечатке, снятом с темплета элек-
трошлакового листа, видны лишь отдель-
ные точечные сульфиды. В мартеновском
металле сульфидные включения вытянуты
в виде строчек вдоль направления про-
катки.

Образцы для газового анализа отбира-
ли от деформированного металла ЭШП,
а в исходном металле — от огарков из
годной части расходуемых электродов
(для сталей 20ГНМА и 20ГНДФБ). Для

Таблица 233. Данные испытаний на ударный изгиб металла околошовной зоны
электрошлаковых сварных швов листовой стали О9Г2С толщиной 80 мм (надрез на расстоянии
2 мм от линии сплавления)

	ТермооС- Габотка после сварки	ан (кгс *м/см2) при Т, °С					
Способ выплавки		20	—20	—30	—70	-90	—ПО
Марте- новский	Нормали- зация	21,4—23,3  22,3	Не опр.	13,7—14,5  14,1	12,5—13,1  12,8	0,9—6,9 тк	Не опр.
	Отпуск	18,7—25,7  20,1	19,2—25,0  19,5	1,5—5,1 тк	Не опр.	Не опр.	» »
эшп	Нормали- зация	35,8—35,9  35,8	Не опр.	Не опр.	26,8—31,0  29,2	11,6—21,2  16,4	1,9—8,5 тк
	Отпуск	35,5—35,8  35,6	» »	» »	6,25—19,6  12,9	2,5—18,7 тк	0,4—1,0 0,75

Примечание. ЭШС выполнялась проволокой Св-10Г2 диаметром 3 мм иа флюсе АНФ-8. В числителе даиы
предельные значения, в знаменателе — средние.
Таблица 234. Химический состав сталей 16ГНМА, 20ГНМА и 20ГНДФБ до и после ЭШП, %

Сталь	Способ выплавки	Место от- бора про- бы	С	Мп	81	Сг	8	р	К!
16ГНМА	Марте-	Ковш	0,17	1,02	0,33	0,16	0,014	0,018	1,16
	невский	Голова	0,16	0,97	0,30	0,12	0,012	0,017	1,09
		Дно	0,18	0,97	0,29	0,12	0,010	0,018	1,16
	ЭШП	Голова	0,18	0,92	0,35	0,13	0,004	0,018	1,12
		Дно	0,18	1,00	0,27	0,13	0,006	0,017	1,11
20ГНМА	эд	Ковш	0,21	1,45	0,37	0,14	0,005	0,005	0,63
	ЭШП	Голова	0,23	1,33	0,38	0,10	0,002	0,006	0,63
		Середина	0,23	1,33	0,38	0,10	0,002	0,006	0,63
		Дно	0,23	1,37	0,40	0,10	0,002	0,006	0,63
20ГНДФБ	эд	Ковш	0,17	1,03	0,30	Не опр.	0,014	0,010	0,58
	ЭШП	Голова	0,16	1,05	0,26	0,20	0,002	0,010	0,1
		Середина	0,17	1,03	0,27	0,21	0,002	0,010	0,1
		Дно	0,17	1,01	0,30	0,21	0,002	0,010	0,1

стали 16ГНМА пробы для газового анали-
за отбирали от листов мартеновской ста-
ли и листов ЭШП по длине — от голов-
ной, средней и донной частей и по толщи-

Рис. 241. Серные отпечатки листового металла
марки 16ГНМА толщиной 115 мм мартеновской
выплавки (а) и ЭШП (б).

не — от поверхностных слоев и середины.
Из табл. 235 видно, что содержание ки-
слорода в результате ЭШП снизилось в
среднем в стали 20ГНДФБ на 50%
(с 0,0065 до 0,0027%); в стали 20ГНМА

на 44% (с 0,0043 до 0,0020%)
16ГНМА на 66% (с 0,0044 до
Содержание кислорода и азота

и в стали
0,0014%).
в поверх-.
Мо	Си	V	А1	Се
0,50	0,15	0,04	Не опр.	Не опр.
0,44	0,10	0,03	0,04	Следы
0,46	0,13	0,02	0,04	»
0,49	0,12	0,03	0,04	0,005
0,49	0,12	0,03	0,04	0,005
0,47	0,10	Не опр.	0,01	Не опр.
0,52	0,05	» »	0,01	» »
0,46	0,05	» »	0,01	» »
0,47	0,05	» »	0,01	» »
Не опр.	0,08	» »	0,01	» »
0,1	0,05	» »	0,01	» »
0,1	0,05	» »	0.01	» »
0,1	0,05	» »	Не обн.	» »

костных слоях и середине листов
16ГНМАШ практически одинаковое. В мар-
теновском листе 16ГНМА содержание ки-
слорода в середине листа выше на 25%,
чем в поверхностном слое. При исследо-
вании распределения азота в стали
16ГНМА не выявлено никакой законо-
мерности в изменении его концентрации
по длине и толщине листов. Вместе с тем
среднее содержание азота в листе
16ГНМШ на 70% меньше, чем в марте-
новском, и составляет 0,0019%. Содержа-
ние азота в стали 20ГНДФБШ практиче-
ски такое же, как в исходной стали, и его

распределение по длине листа ЭШП рав-
номерное.

Содержание неметаллических включе-
ний в электролитическом осадке снизи-
лось в металле ЭШП по сравнению с ис-
ходным для стали 16ГНМА— в 3 раза
(0,0017% против 0,0054% в мартеновском
металле), для стали 20ГНМА — более чем
в 3 раза (0,0033—0,0043% против 0,0133%
в электростали) (табл. 236). Основную
долю включений как в исходном, так и в
переплавленном металле составляет А1зОз,
а поданным петрографического анализа —
магнезиальная шпинель МрО • А1зОз. Оцен-
ка металла ЭШП по ГОСТ 1778—70 по-
казала, что максимальный балл по всем
видам включений не превышает единицы
независимо от типа применяемого флюса
(СаРз—СаО—АЬОз—8Юз; СаРз—СаО—
А1зОз—8Юз—М^О; СаР2—СаО—АБОз—
М^О). Балльная оценка неметаллических
включений в листовом металле 20ГНДФБШ
толщиной 50 мм (после пятикратного об-
жатия) приведена в табл. 237. При ме-
таллографическом контроле металла ЭШП
в поле зрения шлифов обнаружены мел-
кие оксиды, хрупкие и пластинчатые си-
ликаты, а также сульфиды (оценка не
выше балла 0,5—1,0). Во многих полях
зрения включения вообще отсутствуют.
Недеформируемые силикаты оценены бал-
лом 0,5—1,0. В одном поле зрения шли-

Таблица 235. Содержание газов в сталях 16ГНМА, 20ГНМА и 20ГНДФБ до и после ЭШП, %

Сталь	Способ выплавки	Место отбора пробы по дли- не листа	Место отбора проб по толщине листа			
			Поверхность		Середина	
			[О]	[ИЗ	[О]	[Ы]
16ГНМА	Мартеновский	Г олова	0,0036	0,0041	0,0054	0,0133
		Середина	0,0038	0,0042	0,0046	0,0032
		Дно	0,0038	0,0100	0,0055	0,0048
	ЭШП	Голова	0,0010	0,0008	0,0010	0,0015
		Середина	0,0014	0,0070	0,0009	0,0010
		Дно	0,0024	0,0040	0,0017	0,0014
20ГНМА	эд	Ковш	Не опр.	Не опр.	0,0043	Не опр.
		Голова	» »	» »	0,0021	» »
	ЭШП	Середина	» »	» »	0,0020	» »
		Дно	» »	» »	0,0019	» »
20ГНДФБ	эд	Ковш	» »	» »	0,0130	0,0130
	эшп	Голова	» »	» »	0,0027	0,0126
		Середина	» »	» »	0,0023	0,0123
		Дно	» »	» »	0,0030	0,0128
Таблица 236. Состав неметаллических включений в электролитическом осадке в стали 20ГНМА
до и после ЭШП, %

Объект анализа	Тип флюса ЭШП	Коли- чество включе- ний	МдО	510,	А12О3	ГеО	СаО
Исходный электропечной металл	Нет	0,0133	12,33	9,36	65,90	2,05	3,80
Переплавлен-	СаР2 — СаО — А12О3 — 8Ю2	0,0043	14,27	12,55	62,51	3,07	6,34
ный металл,	Са1'2 — СаО — А12О., — 8Ю2 — М§О	0,0033	14,38	19,89	51,35	5,29	6,78
лист толщиной 100 мм	СаР2 — СаО — А12О3 — М^О	0,0035	14.85	25,39	59,19	4,21	5,07

Таблица 237. Загрязненность неметаллическими включениями стали 20ГНДФБ (лист ЭШП
толщиной 50 мм)

Способ выплавки	Тип флюса	Место отбо- ра пробы	Оксиды, балл		Силикаты, балл			Суль- фиды, балл
			точеч- ные	стро- чечные	хруп- кие	пла- стичные	иедефор- мирован- ные	
эшп	СяР» — А1«О3 — СаО —		0,5  1,0	1,о  0,5	0	0,5  0,05	0,5  1,0	0,5 0,5
	— 8Ю2 — М^О	Середина			0,5			
		Дно	1,0	0,5	0	0	1,0	0,5
	СаР2 — СаО — 81О2	Голова	1,0	1,0	0	0,5	1,0	0,5
		Середина	1,0	0,5	0,5	0,5	1,0	0,5
		Дно	1,0	0,5	0	0,5	1,0	0,5
		1	1,0	0,5	0	0,5	1,0	0,5
		2	0,5	0,5	0	0,5	0,5	0,5
		3	1,0	0,5	0	0,5	1,0	0,5
		4	1,0	0,5	0	0,5	1,0	0,5
ЭД (ис- ходный металл)		Ковш	2,5	4,0	5,0	3,0	5,0	3,0

Примечание. 1, 2— поперечный темплет от верха слитка; 3, 4 — то же от низа слитка; 1,3 —край слитка;
2, 4 — ось слитка. Оценка включений проводилась по ГОСТ 1778 — 70.

фа имеется лишь несколько мелких вклю-
чений овальной или неправильной формы.
В исходном металле обнаружили крупные
скопления неметаллических включений,
особенно хрупких и недеформируемых си-
ликатов, которые оценены баллом 5.
Петрографический анализ показал, что
минералогический состав их следующий:
магнезиальная шпинель МдО  АкОз; а-ко-
рунд АкОз; однокальциевый алюминат
СаО • АкОз. При рассмотрении образцов
исходного металла в электролитическом
осадке обнаружили 0,0186% неметалличе-
ских включений, в составе которых преоб-
ладал А120з (0,101%, или 74,5 отн.%).
Содержание включений в металле
20ГНДФБШ составило 0,0023—0,0048%,
т. е. снизилось в 3—6 раз. После пере-

плава под флюсом типа СаР2—АкОз—
СаО—8Юг—М^О в составе включений
преобладал глинозем (45—53 отн.% ), а
после переплава под флюсом типа СаРг—
СаО—8Юг кремнезема было несколько
больше, чем глинозема (37—40 и 26—
34 отн.% соответственно).

Механические свойства свидетельству-
ют о высоких пластических и вязкостных
характеристиках и высокой изотропности
толстолистовой стали ЭШП этого типа
(16ГНМА, 20ГНМА). В табл. 238 приве-
дены результаты исследования механиче-
ских свойств листов стали 16ГНМА мар-
теновской выплавки и ЭШП на образцах,
вырезанных в продольном, поперечном
и перпендикулярном к плоскости про-
катки направлениях. Образцы для испы-
таний отбирались от головной, средней
и донной частей листов. Как следует
из таблицы, прочность и относительное
удлинение у мартеновского и электрошла-
кового листов в продольных образцах
практически неодинаковы. Относительное
сужение у металла ЭШП на 5—10% вы-
ше. Более высокие свойства обнаруживает
электрошлаковая сталь 16ГНМА и при
испытании на ударный изгиб при 20 и
—40° С.

Анализ результатов испытания попе-
речных образцов стали 16ГНМА показы-
вает, что средние прочностные и пласти-
ческие характеристики листов открытой
выплавки и ЭШП близки по значениям,
но свойства по длине листа у электрошла-
кового металла более равномерны, чем у
мартеновского. Показатели вязкости ста-
ли, выявляемые при испытании на удар-
ный изгиб, существенно различаются.

При температуре 20° С у электрошла-
кового листа ударная вязкость, опреде-
ленная на поперечных образцах, находит-
ся в пределах 17,3—19,8 кгс-м/см2, в то
время как у мартеновского она составляет
10,4—16,8 кгс-м/см2. При понижении тем-
пературы испытания до —40° С мартенов-
ский металл в головной части листа
охрупчивается: отдельные образцы имеют
ударную вязкость 1,3 кгс-м/см2 (мини-
мально допустимое значение по техниче-
ским условиям должно быть не менее
4,0 кгс-м/см2). В средней и донной частях
листа этот показатель составляет соответ-
ственно 6,5 и 6,3 кгс-м/см2.

При температуре —40° С средние вели-
чины ударной вязкости электрошлакового
металла, определенные на поперечных об-
разцах, составляют 10,9—14,3 кгс-м/см2,
а мартеновской стали — 5,7—10,3 кгс-м/см2,
или в 1,5—2,5 раза ниже, чем металла
ЭШП. Подобное же соотношение ударной
вязкости электрошлакового и мартенов-
ского листов получено при испытании об-
разцов, подвергшихся механическому ста-
рению.

Исследование порога хладноломкости
листовой стали 16ГНМА Тк на образцах
Менаже показало, что критическая темпе-
ратура хрупкости для мартеновского ме-
талла составляет —40° С, а для электро-
шлакового —60° С.

Значительный интерес представляет
изучение механических свойств толстоли-
стовой стали на вертикальных образцах.
При одинаковых прочностных характери-
стиках мартеновского и электрошлакового
листов имеется существенная разница в
пластических и вязкостных свойствах.
Относительное удлинение и относительное
сужение у стали ЭШП в 2 раза больше,
чем у мартеновской. Температура 20° С
является порогом хладноломкости марте-
новской стали. Электрошлаковый металл
при этой температуре имеет ударную вяз-
кость 12,1—13,5 кгс-м/см2. Критическая
температура хрупкости листа 16ГНМАШ
при испытании вертикальных образцов
равна —30° С.

Электрошлаковый переплав стали
16ГНМА не только повышает общий уро-
вень механических свойств толстолистово-
го проката, но и резко снижает их анизо-
тропию. В табл. 239 приведены механиче-
ские характеристики мартеновского и
электрошлакового металла в различных
направлениях, определенные как среднее
арифметическое свойств головной, сред-
ней и донной части листов. Здесь же даны
условные показатели механических свойств
каждого из листов, вычисленные как сред-
нее арифметическое свойств, определен-
ных на продольных, поперечных и верти-
кальных образцах. Кроме того, были опре-
делены коэффициенты анизотропии: Кпл —
степень анизотропии пластических свойств;
Кап — степень анизотропии вязкостных
свойств; Кобщ — общий коэффициент ани-
зотропии.

Из данных табл. 239 видно, что при
одинаковых прочностных характеристиках
среднее относительное удлинение электро-
шлакового листа на 5% выше, чем марте-
новского, относительное сужение выше на
14%, а ударная вязкость на 6 кгс-м/см2.
Повышение чистоты металла при ЭШП
увеличивает изотропность свойств элек-
трошлакового листа вдвое по сравнению
с листом мартеновского производства.
При этом практически отсутствует анизо-
тропия пластических свойств и в 2,5 раза
возрастает коэффициент изотропности
ударной вязкости.

Аналогичные данные получены и для
стали марки 20ГНМА. В табл. 240 приве-
5

Таблица 238. Механические свойства листов стали 16ГНМА до и после ЭШП

Способ выплавки	Место отбора об- разцов по длине листов	о5, кгс/мм2	ов, кгс/мм2	0, %
Мартеновский	Голова	50,4—51,0  50,6	66,9—70,5  68,1	Г  20,0—23,8 22,5
ЭШП	»	58,3—58,5  58,4	70,1—70,5  70,3	23,4—23,6  23,5
Мартеновский	Середина	53,4—57,2  55,9	66,1—71,5  69,4	19,2—25,0  22,1
ЭШП	»	58,8—61,8  60,9	73,6—74,2  74,0	20,4—21,8  21,1
Мартеновский	Дно	39,5—49,0  44,3	56,0—63,1  59,9	22,8—25,4  24,1
ЭШП	»	58,5—59,1  58,8	70,0—70,8  70,5	21,0—22,6  21,7
Мартеновский	Голова	45,2—46,5  45,9	61,1—62,0  61,5	п  23,4—26,2  25,2
ЭШП	»	58,2—59,4  58,7	69,1—72,0  70,2	21,2—22,6  21,9
Мартеновский	Середина	57,9—59,2  58,3	70,4—71,5  71,0	21,0—22,6  22,2
ЭШП	»	61,1—67,5  63,8	73,3—75,2  74,0	19,0—21,2  20,1
Мартеновский	Дно	38,2—49,0  44,9	55,2—62,6  60,0	23,0—29,6  25,9
ЭШП	»	58,5—60,3  59,9	70,9—71,8 71,3 Вертикаль	20,6—21,8  21,2  и ы е (по толш
Мартеновский	Голова	42,6—45,2  43,9	62,0—64,1  62,7	10,6—12,4  11,5
ЭШП	»	58,0—58,4  58,1	63,2—63,2  63,2	21,5—23,6  22,8
Мартеновский	Середина	52,9—54,4  53,7	66,1—68,5  67,6	7,8—12,0  10,4
ЭШП	»	60,6—61,7  61,1	73,6—73,7  73,6	20,0—21,6  20,9
Мартеновский	Дно	43,5—47,3  45,3	56,5—58,2  57,4	11,4—15,0  13,3
ЭШП	9	59,7—59,8  59,8	70,9—71,1  71,0	20,0—21,4  20,5

*Ф- %

56,5—59,1.

58,2 

69,6—70,7

70.0

61,1-662)

62,7 1
65,2—67,5!

66,1

58,9—63,9

62,2

66,4—68,6

67,5

о п е р ечин
60,4-60,4

60,4

68,8-69,6

69,3

60,2-62,8

61,5

65,2—67,5
§6,4

53,9-65,3

61,5

65,2—686

66,9

ине лист

31,1-35,9

33,2

65,1-66,3

65,9

25,9—33,0

29,0

62,8-64,0

63,6

31,1-39,1

35,9

62,2—64,0

63,4

Примечания; 1. Температура испытаний на разрыв 20°С. 2. В числителе даны предельные значения, в знамена*
ак (кгс • м/мм2) при Т, °С		
20	—40	—60
образцы		
14,6—15,8	Не опр.	Не опр.
15,2		
16,0—18,2	» »	» »
17,6		
Не опр.	» »	
15,2—19,5	4,7—8,0	» >>
17,4	5.9	
15,7—17,1	Не опр.	» »
16,4		
16,4—17,5	» »	» »
16,8		
образцы		
9,3—10,9	1,3—8,6	4,1—6,5
10,4	5,7	5,0
16,0—20,0	11,0—12,7	7,6—14,7
17,8	11,7	11,1
9,9-12,2	3,7—10,2	6,1—7,9
11,0	6,5	7,0
15,1-19,2	2,7—12,6	6,2—7,5
16,7	8.0	6.9
14,4—18,2	3,8—8,0	Не опр.
16,8	6,3	
13,9-16,7	Не опр.	5,7—7,2
15,2		6,3
образцы		
0,9—3,0	0,4—0,5	Не опр.
1,9	0,4	
12,0-14,1	2,7—7,8	» »
13,2	4,6	
3,0-3,3	0,6—0,7	» »
3,1	0,7	
8,7-13,6	2,2—5,4	» »
		
11,8	3,2	
6,9—7.6	0,7—1,6	» »
7,3	1,3	
7,9—14,5	1,2—6,0	» »
12,2	3,0	«

ле — средние.

дены данные механических свойств листо-
вого металла толщиной 100 мм стали
20НГМА открытой выплавки и ЭШП, ко-
торые свидетельствуют о высокой изотроп-
ности металла 20ГНМАШ.

С учетом повышенного уровня пласти-
ческих и вязкостных свойств, а также изо-
тропности толстолистовой стали 16ГНМАШ
была проведена оценка вязкости разру-
шения этой стали по критерию раскрытия
надреза. В качестве основного критерия
по этой методике использовалась величи-
на критического раскрытия конечной об-
ласти надреза, характеризующая в соот-
ветствии с механикой разрушения вяз-
кость материала. Кроме того, фиксирова-
лись величина номинальных разрушающих
напряжений и процент волокна в изломе.

Критическое раскрытие определялось с
помощью надреза-свидетеля. Суть метода
заключается в том, что при испытании
образца на изгиб два надреза раскрыва-
ются практически одинаково вплоть до
момента возникновения трещины в одном
из них, раскрытие другого надреза при
этом практически не меняется, что позво-
ляет достаточно точно измерить раскры-
тие надрезов в момент разрушения об-
разца.

Как видно из рис. 242, сталь 16ГНМА,
подвергшаяся ЭШП, обладает более вы-
сокой сопротивляемостью возникновению
хрупких трещин по сравнению с мартенов-
ским металлом. Вязкость разрушения,
определявшаяся по критерию раскрытия
надреза, у стали ЭШП в 3—4 раза выше,
чем у мартеновской во всем диапазоне
температур (от —60 до 100° С).

Верхняя критическая температура, со-
ответствующая переходу из вязкого в ква-
зихрупкое состояние, у электрошлаковой
стали 16ГНМА на 20—30° С ниже, чем у
мартеновской.

Полученные результаты по оценке вяз-
кости разрушения тол стол истовой стали
16ГНМАШ имеют большое практическое
значение. Исследования последнего време-
ни показывают, что при наличии в метал-
лической сварной конструкции запаса
энергии, достаточного для поддержания в
процессе разрушения приложенного на-
пряжения (например, в работающих под
давлением газа сосудах), разрушения
Таблица 239. Усредненные механические свойства и коэффициенты анизотропии листов стали
16ГНМА толщиной 115 мм до и после ЭШП

Способ вы- плавки	Направление вырезки об- разцов	кгс/мм2	0В’ кгс/мм2	б. %	М>. %	ан, кгс-м/см2, при 20° С	Коэффициент анизотропии
Мартенов-	X	50,2	65,8	22,9	61,0	15,8	Кпл = 0,52
СК ИЙ	У	49,7	54,2	24,4	61,1	12,7	Лан = 0,28
	2	47,6	62,6	11,7	32,7	4,1	Кобш = 0,40
В среднем		49,2	64,2	19,7	51,6	10,9	—
ЭШП	X	47,8	63,4	25,8	68,2	19,5	л пл = 0,93
	У	47,7	63,9	26,1	66,0	18,1	Кан = 0,66
	2	45,7	62,1	23,4	63,6	12,6	Кобш = 0,80
В среднем		47,1	63,1	25,9	65,9	16,7	—

Таблица 240. Механические свойства листового металла стали 20ГНМА толщиной 100 мм
открытой выплавки до и после ЭШП

Металл	Место от- бора про- бы	Направле- ние вы- резки об- разца	о5, кгс/мм2	ав. кгс/мм2	& %	ф. %	ан.  кгс* м/см2
ЭШП	Голова	X	53,0—59,5	69,5—70,0	21,0—22,0	71,0—76,0	24.5—30,0
			56,8	69,8	21,3	73,3	27,2
		У	62,5—65,5	70,5—72,5	21,0—22,0	74,5—75,5	23,0—25,0
			64,2	71,5	21,7	74,8	23,9
		X	62,0—65,0	67,0—78,0	21,0—21,0	72,5—75,0	29,5—32,0
			63,2	71,0	21,0	74,2	30,3
ЭШП	Дно	У	58,0—62,5	64,0—67,5	21,0—23,0	75,0—75,0	29,5—32,0
			60,0	65,7	22,3	75,0	28,5
			57,0—65,5	70,0—74,0	21,0—21,0	66,5—74,5	24,0—28,0
			62.0	72,0	21,0	70,7	26,2
		У  X	94,8	92,7	106,0	100,0	94,0
		2	98,0	101,0	100,0	96,0	86,5
			X	67,0—68,0	70,5—71,5	37,0—40,0	71,0—72,5	20,3
			67,5	71,0	39,5	71,7	
Исход-	—	У	66,0—57,0	69,5—57,0	28,0	64,0	15,1
ный			61,5	63,2			
		2		Не определялись			
		У  X	ПО	112,5	141,5	1	112	।	134,5
		2		Не определялись			
		X			1					

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние. Значение отношений
свойств в различных направлениях дано в процентах, х, У, г. — соответственно продольное, поперечное и пер-
пендикулярное направления.
Таблица 241. Значение коэффициента р
влияния среды на относительное сужение
образцов стали 16ГНМА до и после ЭШП

	%озд			
Способ выплавки	Череды			
	X	У		г
Мартеновский ЭШП	1,88  1,20		2,46  1,36	2,73  1,49
Рмарт ₽ЭШП	1,57		1,80	1,83

Примечание. Испытания на растяжение проводи-
лись на установке УИМ-Л в кипящем 30%-ном раст-
воре ИаОН.

могут распространяться при температурах
до 300° С и напряжениях, не превышаю-
щих предела текучести металла. Поэтому
при оценке и выборе толстолистовых ма-
териалов для такого рода конструкций
одним из главных критериев является со-
противляемость металла возникновению
трещин.

Особый интерес представляют резуль-
таты сравнительных исследований сопро-

Рис. 242. Зависимость разрушающих нетто-на-
пряжений (а) и раскрытия надрезов (б) от
температуры:

1 — лист ЭШП; 2 — мартеновский лист.

Таблица 242. Условные пределы статической
коррозионной усталости образцов стали 16ГНМА
до и после ЭШП

Способ выплавки	а (кгс/мм2) для направления			х/р	х/г
	X	У	*		
Мартеновский	37,5	32,5	17,5	1,15	2,14
ЭШП	52,5	47,5	37,5	1,10	1,40
°март  °эшп	1,40	1,46	2,14	—	—

Примечание. Испытания проводили на установ
ке длительной прочности УИМ-Л в кипящем растворе
нитратов (база испытаний — 200 ч).

Таблица 243. Значения коэффициентов
анизотропии 0ан и влияния ЭШП аг, вычисленные
по результатам испытаний стали 16ГНМА на
малоцикловую усталость с деформацией е = 0,5%

Способ выплавки	Ран		Д'эшп  март.		
	Л'х/Л'р	л'2/л'р	X	У	г
Мартеновский ЭШП	1,84  1,13	5,00  1,41	1,54	2,5	5.46

Примечание. Л/ — количество циклов до разруше-
ния.

Таблица 244. Относительная долговечность
(%) образцов с острым надрезом (г <0,1 мм)
при малоцикловой усталости с деформацией
8= 1,6%

Способ выплавки	Направление вырезки образцов		
	X	У	2
Мартеновский	165	140	100
ЭШП	190	175	165

тивляемости толстолистовой (толщиной
115 мм) стали 16ГНМА ЭШП и мартенов-
ской выплавки коррозии под напряжени-
ем, а также испытания на малоцикловую
усталость. Результаты исследований, пред-
ставленные на рис. 243 и табл. 241 и 242,
свидетельствуют о том, что ЭШП более
чем в полтора раза снижает склонность
толстолистовой стали 16ГНМА к щелоч-
Рис. 243. Долговечность мартеновской (I) и
электрошлаковой (11) стали при испытании на
малоцикловую усталость в 50%-ном растворе
КН4МО3:

/ — продольные образцы; 2 — поперечные образцы;
3 — образцы по толщине листа.

ной хрупкости — одному из наиболее опас-
ных видов повреждений котельных сталей,
имеющих место при эксплуатации котлов.

Преимущества электрошлакового ме-
талла проявляются также при испытаниях
на малоцикловую усталость, особенно на
образцах, вырезанных по толщине листов
(табл. 243). Прежде всего здесь следует
отметить существенное снижение анизо-
тропии выносливости металла ЭШП: если
коэффициент анизотропии исходной мар-
теновской стали равен 1,84—5,0, то у ста-
ли ЭШП он равен лишь 1,13—1,41. Пре-
имущества металла ЭШП по сравнению с
исходным сохраняется и в случае приме-
нения в опытах по определению выносли-

вости образцов с острым надрезом (радиус
закругления менее 0,1 мм) типа трещины
(табл. 244). Это обусловлено тем, что в
процессе ЭШП происходят удаление и
диспергирование неметаллических включе-
ний, в результате улучшается гомоген-
ность металлической матрицы и повыша-
ется изотропность структуры. Оставшиеся
после ЭШП в металле неметаллические
включения практически индифферентны к
направлению действия усилий. Наблюдае-
мая у сталей открытой выплавки анизо-
тропия коррозионно-механических свойств в
значительной степени определяется загряз-
ненностью металла вредными примесями
(неметаллическими включениями, газа-
ми). В связи с этим применение ЭШП
является одним из наиболее эффективных
методов повышения стойкости котельных
сталей против коррозии под напряжением.

Сталь 10ХСНД. Низколегированная хро-
моникелемедистая сталь марки 10ХСНД
(старое обозначение СХЛ-4) выплавляет-
ся как в мартеновских печах, так и в ки-
слородных конвертерах и поставляется
толщиной 4—40 мм с гарантированными
нормами по величине временного сопро-
тивления Ов 5= 52 -т- 54 кгс/мм2 и предела
текучести о, 40 кгс/мм2. Ударная вяз-
кость стали 10ХСНД определяется по тре-
бованию заказчика после механического
старения и при отрицательной температу-
ре (—40 или —70° С). Минимальное зна-
чение ударной вязкости при 20° С после
механического старения должно быть не
менее 3 кгс-м/см2. Кроме того, сталь
10ХСНД должна подвергаться испытани-
ям на загиб широкой пробы и на излом
больших образцов с надрезом для опреде-
ления процента волокнистости. Количество
волокна в изломе при температуре испы-
таний 20° С должно быть не менее 30%.

Высокие характеристики прочности,
пластичности и свариваемости стали
, 10ХСНД в сочетании с малой склон-
ностью к хрупкому разрушению и низкой
чувствительностью к старению обусловили
широкое применение ее как корпусного
материала в судостроении, энергетическом
и химическом машиностроении, промыш-
ленном строительстве и т. д.

Вместе с тем листовой прокат из этой
стали открытой выплавки, особенно тол-
Таблица 245. Данные сдаточного контроля промышленных партий листового проката стали
10ХСНД толщиной 40 мм мартеновской выплавки и ЭШП

По механическим свойствам

По загибу (факульта-
тивно)

По ультразвуковому
контролю

Мартенов-
ский
ЭШП

щиной 30—40 мм, отличается значитель-
ной анизотропией свойств и подвержен
расслоям. Так, по данным металлургиче-
ского завода отбраковка листов стали
10ХСНД мартеновской выплавки при уль-
тразвуковом контроле составила более
40%, причем основной процент брака да-
вали листы толщиной 40 мм. Кроме того,
для стали 10ХСНД различных назначе-
ний, в том числе и для листа, характерна
нестабильность от плавки к плавке пока-
зателей ударной вязкости, что связано,
по-видимому, с повышенной загрязнен-
ностью этой стали серой и неметалличе-
скими включениями.

ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР сов-
местно с запорожским заводом «Днепро-
спецсталь» и Коммунарским металлурги-
ческим заводом (КМЗ) в 1969 г. были
проведены работы по улучшению стали
марки 10ХСНД мартеновской выплав-
ки методом ЭШП. На печи У-436 бы-
ло выплавлено 76 листовых слитков се-
чением 615 X 1100 мм и массой 9—10 т.
Слитки ЭШП прокатывали на КМЗ на
слябы с последующим переделом на
листы толщиной 6—40 мм. 75% всего ко-
личества слитков прокатывали на слябы
305X 1000 X 2500 мм для производства
крупногабаритных листов толщиной 40 мм.
В табл. 245 проведено сопоставление ка-
чества листов мартеновской и электро-
шлаковой выплавки. Как видно из
табл. 245, применение ЭШП позволяет
полностью исключить брак листовой ста-
ли марки 10ХСНД толщиной 40 мм по
расслоям и другим дефектам.

Работами, проведенными ИЭС им.
Е. О. Патона АН УССР совместно с
Донецким политехническим институтом
(ДПИ), ждановскими металлургическим
заводом им. Ильича и производственным
объединением Ждановтяжмаш [39, 45, 46,
47], показано, что одним из резервов по-
вышения качества толстолистовой низко-и
среднелегированной стали ЭШП является
использование в качестве расходуемых
электродов металла кислородно-конвер-
терной выплавки взамен мартеновской и
электропечной стали. В развитие этих ра-
бот был выполнен комплекс исследований
по получению толстолистовой стали марки
10ХСНД на основе ЭШП кислородно-кон-
вертерного металла [45].

Исходную сталь 10ХСНД выплавляли
в 130-тонных кислородных конвертерах
ждановского металлургического завода
им. Ильича по технологии, разработанной
ДПИ и заводом. Особенностью этой тех-
нологии является проведение комбиниро-
ванного предварительного раскисления
стали и шлака, которое заключается в по-
даче на шлак порошкообразной смеси
65%-ного ферросилиция и термоантрацита
совместно с твердой присадкой силико-
марганца и 65%-ного ферросилиция.
Здесь феррохром в твердом виде приса-
живали в конвертер, а окончательно рас-
кисляли металл в ковше 65%-ным ферро-
силицием, алюминием (250 г/т), ферроти-
таном (500 г/т) и ферросиликокальцием
(2 кг/т). Разливку стали вели сифонным
способом через стакан диаметром 50 мм
в изложницы ВС-16 (масса слитка 16,05 т)
Глава V). Электрошлаковая листовая сталь	342	|

----------------------------------------------------------—------------------------------ |

Таблица 246. Химический состав стали марки 10ХСНД кислородно-конвертерной выплавки и ЭШП,

Способ выплавки	Вариант раскисления исходной конвертерной стали	Система флюса ЭШП	I
Конвер- терный ЭШП  »  Конвер- терный ЭШП  »  Конвер- терный ЭШП  »	65%-ный Ре81 — 1,5 т + РеТ1 — 1 кг/т А1 — 0,5 кг/т  65%-ный Ре81 — 1,5 тф РеТ1 — 1 кг/т + А1 — 0,5 кг/т  65%-ный Ре81 — 1,5 т + РеТ1 — 0,5 кг/т + + А1 — 0,25 кг/т + Ре81Са — 2 кг/т	СаР2—А12О3—СаО  СаР2—А12О3—СаО	раскислитель 81Са  СаР2—А12О3—СаО  СаР2—А12О3—СаО—8Ю2—М§О	:  СаР2—А12О3 —СаО  СаР2—А12О3—СаО ф- раскислитель 8Юа

под экзотермическим шлаком. Слитки про-
катывали на листы-свидетели толщиной
40 мм, а также на расходуемые электро-
ды для ЭШП.

Электрошлаковый переплав осуществ-
ляли на Ждановтяжмаше по бифиляр-
ной схеме в слитки-слябы сечением
290 X 800 мм, массой 2 т по двум вариан-
там ЭШП: на флюсе системы СаРа—
АЬОз—СаО и на флюсе системы СаРг—
АЬОз—СаО—8 Юз— М^О. Слитки-слябы
ЭШП прокатывали на заводе им. Ильича
на листы толщиной 40 мм.

Листы исходной кислородно-конвертер-
ной стали и листы ЭШП подвергали за-
калке с температуры 930° С в воду с по-
следующим отпуском и охлаждением в
воде. Температура отпуска для исходной
стали составляла 670° С, а для стали
ЭШП — 630° С. Указанные режимы термо-
обработки были установлены на основа-
нии специальных исследований и обеспе-
чивали равный уровень прочностных
свойств листов-свидетелей и листов
ЭШП.

Помимо обычных испытаний согласно
условиям приемки листов были исследо-
ваны химическая неоднородность и анизо-
тропия механических свойств, склонность
стали к механическому старению, содер-
жание неметаллических включений (ме-
таллографическим и электрохимическим
методами). Содержание кислорода и азо-
та определяли методом вакуум-плавления
на газоанализаторе типа ЕА-1 фирмы
«Бальцере». Образцы для всех этих ис-

следований отбирали из различных зон
по длине и ширине листов.

Для оценки склонности стали к хруп-
ким разрушениям использовали серийные
испытания на ударный и статический из-
гиб при понижающихся температурах с
определением критических температур пе-
рехода стали из вязкого состояния в хруп-
кое. Ударную вязкость определяли на
поперечных образцах, вырезанных из сред-
ней трети полуширины листа, соответ-
ствующей средней по высоте части слит-
ка. Использовали образцы с двумя типа-
ми надрезов: с радиусом в вершине над-
реза /? = 1 мм (тип I) и /? = 0,25 мм
(тип II). Испытания ударной вязкости
проводили в интервале температур от 40
до —140° С. По результатам испытаний
строили сериальные кривые и определяли
долю волокнистой составляющей в изломе
ударных образцов. Критические темпера-
туры хрупкости определяли: 1) Тк —по
уровню ударной вязкости 3 кгс • м/см2;
2) ТКЛс — по 65% волокна в изломе образ-
цов типа II, испытанных на статический
изгиб; 3) ТкВ0 — по содержанию 50% во-
локна в изломе на образцах типа I;
4) Ткб— по содержанию 70% волокна в
изломе больших проб.

Электронно-микроскопические исследо-
вания проводили на изломах ударных об-
разцов сталей ЮХСНД и 10ХСНДШ. На
поверхность изломов напыляли угольную
реплику, которую затем отделяли в спир-
товом растворе азотной кислоты, промы-
вали в спирте от продуктов травления и
	с	81	Мп	8	р	Сг	Ы1	Си	А1	[О]	Ш1	[Н]
	0,09	1,00	0,75	0,0160	0,015	0,76	0,89	0,54	0,036	0,0058	0,0073	1,90
	0,09	0,93	0,74	0,0033	0,016	0,76	0,89	0,55	0,030	0,0027	0,0054	1,87
	0,09	1,06	0,77	0,0031	0,017	0,75	0,87	0,54	0,040	0,0025	0,0051	1,88
	0,12	1,07	0,83	0,013	0,013	0,61	0,90	0,55	—	—	—	—
	0,11	0,96	0,59	0,004	0,011	0,71	0,90	0,55	—					—
	0,11	0,93	0,83	0,003	0,013	0,61	0,90	0,56	—	—	—	—
	0,12	0,99	0,63	0,010	0,014	0,76	0,94	0,56	0,017	0,0044	0,0077	1,90
	0,11	0,90	0,62	0,003	0,013	0,75	0,93	0,56	0,030	0,0024	0,0058	2,28
	0,12	1,05	0,62	0,003	0,011	0,76	0.94	0,56	—	—	—	—

помещали на опорные медные сетки. По-
лученные таким образом угольные репли-
ки исследовали на электронном микроско-
пе УЭМВ-100К при увеличении 7—20 тыс.

Для изучения распределения химиче-
ских элементов по объему слитка-сляба
ЭШП отбирали пробы от его головной,
средней и донной частей. Химический со-
став исходного металла определяли в
маркировочной пробе. Как видно из
табл, 246, по содержанию углерода, хро-
ма, никеля и меди металл ЭШП практи-
чески не отличается от исходного. Содер-
жание серы после ЭШП уменьшилось в
3—4 раза, обессеривание составило 70-—
80%. При переплаве без раскисления име-
ет место незначительное окисление крем-
ния и марганца. В случае примене-
ния раскисления в процессе ЭШП ферро-
силикокальцием содержание марганца
в металле ЭШП полностью стабилизи-
руется.

Металлографическое исследование по-
казало, что средний балл по оксидам и
нитридам для сталей 10ХСНД и
10ХСНДШ соответствует в первом случае
единице и во втором — 0,5. Максимальная
загрязненность оксидами конвертерной
стали доходит до 3 баллов, тогда как в
металле ЭШП не превышает 2 баллов, а
по нитридам составляет соответственно 1,5
и 1,0 баллов. Распределение неметалли-
ческих включений по площади листа ЭШП
равномерное, а в листах кислородно-кон-
вертерной стали наиболее загрязненной
является головная часть.

Естественно, что особенно эффективно
при ЭШП удаление сульфидных включе-
ний. По данным электроннографического
анализа осадка на репликах сульфиды в
исходной стали 10ХСНД представлены в
основном сульфидом марганца в виде
хрупких включений неблагоприятной пла-
стинчатой формы. В стали после ЭШП
такие включения отсутствуют, а обычный
контроль на оптическом микроскопе при
увеличениях 100 и 300 сульфидов не обна-
руживает.

Данные металлографического исследо-
вания полностью подтверждаются резуль-
татами определения включений электро-
химическим методом (табл. 247). Содер-
жание оксидов после ЭШП находится в
пределах 0,0048—0,0060% против 0,0134—
0,00187% в исходном металле. В соответ-
ствии с условиями кристаллизации в из-
ложнице загрязненность исходной стали
оксидами растет от донной части к голов-
ной и от периферии к центру листа, а по-
сле ЭШП распределение оксидов по пло-
щади листа значительно более равномер-
ное. Показательно также, что при пере-
плаве стали 10ХСНД содержание оксидов
уменьшается в основном за счет уменьше-
ния глинозема, а состав силикатов замет-
но изменяется — уменьшается относитель-
ная доля глинозема с одновременным уве-
личением доли 8Ю2. Общее содержание
кислорода в результате удаления оксидов
уменьшается на 65—75%, а колебания
относительно среднего содержания не пре-
вышали 0,0005% (табл. 248).
Таблица 247. Содержание неметаллических включений в стали 10ХСНД до и после ЭШП, %

Место отбора пробы	Всего включений 		Изменение со- держания	о" <	Изменение со- держания	Силикаты	Изменение со- держания	Состав силикатов			
							О ОО	Изменение содержания	О <	Изменение содержания
Голова: ось	0,0187  0,0060	—68	0,0095  0,0020	—79	0,0084 0?004Г	—51	31,2  54,0	42	68,6  46,0	—33
край	0,0176  0,0049	—72	0,0068  0,0018	—74	0,0103  0,0031	—70	33,9  65,7	48	65,8  33,9	—48
Середина:  ось	0,0173 0,005?	—70	0,0072  0,0013	—82	0,0096  0,0034	—65	34,2  57,9	41	65,0  41,7	—36
край	0,0159  0,0058	—64	0,0062  0,0006	—90	0,0094  0,0052	—45	33,3  55,0	40	66,3  45,0	—32
Дно:  ось	0,0149  0,0048	—68	0,0064 ода	—78	0,0081  0,0030	—63	29,7  55,5	46	69,8  44,5	—36
край	0,0134  0,0062	—54	0,0046  0,0010	—78	0,0084  6,0040	—52	32,8  60.0	45	66,8  40,0	—40

Примечание. В числителе приведены данные для
переплавленной

кислородно-конвертерной стали, в знаменателе — для

Удаление азота при ЭШП чаще всего
не наблюдается. Эта закономерность под-
твердилась также и при переплаве ста-

Таблица 248. Содержание газов в стали
10ХСНД до и после ЭШП, %

Место отбора проб	(О]	[И]
Голова: ось  край  Середина:  ось  край  Дно: ось  край	0,0053  0,0018  0,0041	0,0060  0,0056  0,0048
	0,0010  0,0052	0,0050  0,0050
	0,0015  0,0048	0,0052  0,0052
	0,0016  0,0046	0,0051  0,0053
	0,0015  0,0042	0,0054  0,0048
	0,0016	0,0050

Примечание. В числителе приведены данные для
кислородно-конвертерной стали, в знаменателе — для
стали ЭШП.

ли 10ХСНД. Можно только отметить, что
распределение азота по площади листа
как в исходной стали, так и в стали ЭШП
довольно равномерное. В обоих случаях
незначительное повышение концентрации
азота имеет место в головной части листа.

Таким образом, после ЭШП сталь
10ХСНД отличается высокой степенью
чистоты по неметаллическим включениям,
что в сочетании с их дисперсностью и рав-
номерным распределением способствует
устранению брака по расслоениям и су-
щественному повышению и стабилизации
всего комплекса физико-механических
свойств.

При ультразвуковом контроле листов
из стали ЭШП на установке УЗУЛ-З при
чувствительности контроля 30, 40 и 50%
дефекты в листах не были обнаружены,
в то время как в некоторых листах-свиде-
телях исходной стали в головной части
был обнаружен расслой (рис. 244).

Анализ результатов механических ис-
пытаний сталей 10ХСНД и 10ХСНДШ
(рис. 245) показывает, что в наибольшей
степени преимущества ЭШП проявились
в повышении ударной вязкости металла,
Рис. 244. Макроструктура листовой стали
10ХСНД толщиной 40 мм:

а — кислородно-конвертерная выплавка; б— ЭШП.

которая примерно в 2 раза выше, чем для
исходной стали кислородно-конвертерной
выплавки. Кроме того, относительное су-
жение у металла ЭШП на поперечных об-
разцах на 5—13% выше, чем у конвертер-
ного металла.

Сравнительные испытания показывают
(табл. 249), что металл ЭШП отличается
равномерностью свойств по всей площади
листа. При этом наблюдается одинаково
высокий уровень свойств в продольном и
поперечном направлениях и коэффициент
анизотропии во всех случаях близок к еди-
нице.

Исходная кислородно-конвертерная сталь
менее изотропна. Предел текучести и вре-
менное сопротивление разрыву имеют тен-
денцию к понижению в направлении от
центра к периферии и от головной к дон-
ной части листа.

Оценку стабильности механических
свойств стали до и после ЭШП проводили
на основе сравнения изменения свойств
внутри серии испытаний однотипных об-
разцов, отобранных из одного и того же
места листа (табл. 250).

Как видно, ЭШП позволил не только
существенно повысить пластичность и
ударную вязкость, но и обеспечил измене-
ние всех показателей механических свойств
в более узких пределах. Прочностные по-
казатели конвертерной стали и стали
ЭШП относительно стабильны и коэффи-
циент вариации их находится в основном
в пределах 1—4%. Разброс значений по
сужению площади поперечного сечения в
стали ЭШП примерно в 3 раза меньше.
Вариация по ударной вязкости при темпе-
ратурах 20 и 400° С и после механического
старения в листах стали 10ХСНДШ в

1,5—2,0 раза меньше, чем в исходном
конвертерном металле. Причем в боль-
шинстве случаев вариация показателей в
исходной стали увеличивается от головной
части к донной. В металле же ЭШП, на-
оборот, результаты испытаний более ста-
бильны в донной части слитка.

Сериальные кривые испытаний удар-
ных образцов с надрезами /? = 1,0 мм и
/? — 0,25 мм и значения доли волокнистой
составляющей в изломе образцов в зави-
симости от температуры испытаний пред-
ставлены на рис. 246 и свидетельствуют о
преимуществах металла ЭШП перед кон-
вертерным металлом. Ударная вязкость
образцов с надрезом К = 1,0 мм стали
ЭШП вплоть до —100° С характеризуется
высокими значениями (16,5 кгс-м/см2про-
тив 10,0 кгс-м/см2 для конвертерного ме-
талла). Увеличение остроты надреза об-
разцов мало сказывается на значениях
ударной вязкости металла ЭШП в темпе-
ратурном интервале вязких разрушений.
Для исходной конвертерной стали переход
к более острому надрезу сопровождается
существенным снижением ударной вязко-
сти при вязком характере разрушения-
Все это свидетельствует о более высоком
запасе пластичности и пониженной чув
ствптельности к концентрации напряже-
ний электрошлакового металла по сравне-
нию с металлом открытой выплавки. Пол-
ностью хрупкое разрушение для металла
ЭШП наступает при температуре ниже
—120° С, для кислородно-конвертерного
металла — при —80° С.

Как известно, сравнивая результаты
испытаний ударных образцов с различны-

Рис. 245. Механические свойства стали 10ХСНД
до и после ЭШП:

1 — требования ТУ; 2— исходный металл кислородно-
конвертерной выплавки; 3 — электрошлаковый металл.
Таблица 249. Анизотропия механических свойств в листах стали 10ХСНД толщиной 40 мм до и пом ЭШП

Способ выплавки	Место от- бора про- бы	кгс/мм2	«а	°В, кгс/мм2	Ла	б, %	Ла	ф. %	Ла	ан20- кгс • м/см’		Лан
Кисло- родно-	Голова:	50,3	0,97	64,3	0,99	24,0	0,99	68,6		18,7		
конвер-	центр	52,0		64,6		25,6		73,3	0,93	22,9		0,8Е
терний	край	49,3	1,05	62.3	1,02	25.6	0,96	64,0	0,86	18,7		0,75
		47,0		61,0		27,6		74,6		24,6		
	Дно:											
		45,5	0,99	60,6	0,99	26,3		70,0		16,9		
	центр	46,5		61,0		28,3	0,95	75,3	0,93	25,2		0,69
	край	46,0	0,97	60,6	0,99	24,3	0,92	63,3	0,84	18,7		0,81
		48,5		61,3		26,3		75,3		23,7		
ЭШП	Голова:  центр	49,6	1,04	63,0	1,04	28,3	0,98	74,0	0,97	32,5		0,94
		47,3		60,6		29,0		76,0		34,5		
	край	47,6	1,01	60,6	1,00	27,6	0,93	74,3	0,95	31,4		0,98
		47,3		60,6		29,8		78,0		32,1		
	Дно:  центр	50,0	1,02	62,6	1,01	27,3	1,01		0,98			1,19
								75,0		36,2		
		48,6		62,0		27,0		76,6		30,5		
	край	48,0	0,98	61,3	0,97	28,6		76,0		32,5		
		49,0		63,0		29,0	0,99	76,3	0,99	“адГ		0,99

Примечания: 1. Ла и Дан — коэффициенты анизотропии механических свойств. 2. В числителе приведены значения свойств ;
дольных.

ми радиусами надреза, можно оценить
чувствительность металла к остроте над-
реза. За величину чувствительности ме-
талла к остроте надреза обычно принима-
ют отношение ударной вязкости образцов

с /? = 0,25 мм к ударной вязкости образ-
цов с К = 1,0 мм в процентах при различ-
ных температурах испытания. Как видно
из рис. 247, сталь 10ХСНДШ менее чув-
ствительна к остроте надреза в интервале

те
в-

сс
У-
с
Б.

в
мс
та
иь
Вс
вь
(Р

Тг
хр:

Таблица 250. Вариации показателей механических свойств стали 10ХСНД до и после ЭШП

Показатель ме* ханических свойств	Кислородно-конвертерная сталь			Электрошлакова» сталь		
	Г олова	Середина	Дн<	Голова	Середина	Дно
	1,60	2,00	2,30	1,00	2,00	3,00
°в	1,02	1,68	2,41	1,00	1,00	2,10
6	3,68	4,90	3,80	3,50	1,70	4,50
чр	3,40	3,20	3,34	1,20	1,10	1,00
ан 20	12,00	6,30	8,40	6,00	6,02	2,30
ав —40	10,30	10,40	16,10	7,60	9,70	6.80
аи стар	19,33	10,40	13,60	6,10	7,40	3,70
°5 400	2,38	2,10	4,30	3,30	3,30	1,60
°в 400	1,00	1,56	2,49	1,00	1.80	1,00
$400	4,96	6,40	6,30	4,00	8,30	4,00
^400	5,82	4,40	2,50	2,90	1,60	3,90

1

1


и после ; ЭШП

ан 20* с • м/см*			кан	°н —40, кгс  м/см2	^ан	°в400, кгс/мм2	«а
18,7			0,85  0,79  0,69  0,81  0,94  0,98  1,19  0,99	14,4	0,97  1,10  0,99  0,80  1,01  0,91  1,24  1,04	39,0 40,0  37,0  37,0  34,7  35,5  35,5  40,0  33,0  32,8  33,0  35,5  31,5  32,5  38,5  38,9	0,97  1,00  0,99  0,88  1,01  0,99  0,98  0,95
22,9  18,7				14,7  15,2  13,9  15,3  16,0  12,0			
24,6  16,9							
25,2  18,7							
23,7  32,5				15,3  23,3  23,0  20,6  22,6  24,3  19,6  21,1  20,3			
34,5  31,4							
32,1  36,2							
30,5  32,5							
32,6							

свойств для поперечных образцов, в знаменателе — для про-

шчения

Рис. 246. Сериальные кривые испытаний удар-
ных образцов с 11-образным надрезом /? =
= 1,0 мм (а) и У-образным надрезом Ц =
= 0,25 мм (б) и значения доли волокнистой
составляющей в изломе образцов в зависи-
мости от температуры испытаний:

1 — исходный конвертерный металл; 2 — электрошла-
новый металл.

температур от 40 до —140° С, чем кон-
вертерная сталь КЮХСНД.

Полученные выше данные хорошо
согласуются с результатами испытаний
ударных образцов (из тех же материалов)
с наведенной трещиной по методике
Б. А. Дроздовского. Усталостную трещину
в заготовках образцов наводили с по-
мощью вибратора. Затем проводили испы-
тания образцов с такими трещинами в
интервале температур от 20 до —160° С.
Во всех случаях металл ЭШП имел более
высокие показатели ударной вязкости
(рис. 248). Таким образом, толстолисто-

Таблица 251. Критическая температура
хрупкости стали 10ХСНД до и после ЭШП, °С

Марка стали	7к3.0	гк50	^к65	т  кдс	7кб
10ХСНД	—по	—30	2	—20	30
10ХСНДШ	—120	—54	-20	—30	30

вая сталь 10ХСНДШ характеризуется бо-

лее

тия

высокими значениями работы разви-
трещины по сравнению с металлом

открытой выплавки, что обеспечивает бо-
лее надежную эксплуатацию ее в сварных

Рис. 247. Влияние остроты надреза на ударную
вязкость сталей 10ХСНД (Г) и 10ХСНДШ (2)
при различных температурах испытания.
Рис. 248. Данные испытаний образцов с наве-
денной трещиной стали 10ХСНД:

1 — исходный конвертерный металл; 2 — электрошла-
ковый металл.

I

конструкциях, особенно при отрицатель-
ных температурах.

В сводной табл. 251 приведены значе-
ния критической температуры хрупкости
(Гкз.о, Тибо, Ткв5, Ткдс, 7кб), определенные
по различным критериям и разными ме-
тодами, которые свидетельствуют, что
хладностойкость толстолистовой стали
10ХСНДШ выше хладностойкости исход-
ной кислородно-конвертерной стали.

Электронные фрактограммы сталей
10ХСНДШ и КЮХСНД при различных
температурах испытаний показывают, что
характер перехода разрушения от вязкого
к хрупкому одинаков, каку металла ЭШП,
так и у конвертерного металла. Однако

полностью хрупкое разрушение у металла
ЭШП наступает при более низкой темпе-
ратуре, чем у конвертерного металла. Вы-
сокое сопротивление металла ЭШП хруп-
кому разрушению связано с меньшей за-
грязненностью его неметаллическими вклю-
чениями и более чистыми границами
зерен.

Помимо описанных выше и широко
распространенных методов оценки склон-
ности стали к хрупкому разрушению пу-
тем определения критической температуры
хрупкости (Тк, Ткбо, Гкб5, Гкдс, Гкб) была
проведена также экспериментальная срав-
нительная оценка сопротивляемости тол-
столистовых сталей 10ХСНДШ и КЮХСНД
развитию хрупкого разрушения по методу
двойного растяжения и по методике испы-
тания падающим грузом по Пеллини.

Анализ кривых (рис. 249), полученных
при испытании толстолистовых сталей
10ХСНДШ и КЮХСНД по методу двой-
ного растяжения. разработанному в
ЦНИИПроектстальконструкции [И], позво-
лил выявить более пологий характер кри-
вой зависимости напряжение — температу-
ра для стали ЭШП. Это свидетельствует
о том, что стойкость стали 1ОХСНДШ
против распространения сквозных трещин
выше, чем у стали КЮХСНД.

В результате испытаний падающим
грузом, по Пеллини [78], проведенных в
Центральном научно-исследовательском ин-
ституте «Проектстальконструкция», уста-
новлено, что температура нулевой пла-
стичности для исследованных сталей
10ХСНДШ и КЮХСНД составила —68 и
—62° С соответственно. Диаграммы раз-
рушения Пеллини, построенные по темпе-
ратуре нулевой пластичности, приведены
на рис. 250.

Таблица 252. Механические свойства кислородно-конвертерной (К + ЭШП) и мартеновской (М 4- ЭШП)

Способ выплавки	о5, кгс/мм*	ов. кгс/мм?	6. %	+ %
М +ЭШП к + эшп	46,0—47,0	59,6	24,0—28,0	74,2—75,2
	46,5  47,2—50,0	59.6  60,6—63,0	27,0  27.0—29,3	74,5  74,0—78,0
	48,5	61,7	28.3	75,8

“н 4-20,
кгс • м/смг

26,0—28,2

27,6

30,6—36,2

32,5

П римечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние.
Рис. 249. Данные испытаний сварных соедине-
ний стали 10ХСНД до (а) и после (б) ЭШП
по методу двойного растяжения:

У—трещина не вышла из сварного шва; 2 — трещина
распространилась по всему сечению образца.

Рис. 250. Данные испытаний стали 10ХСНД до
(1) и после (2) ЭШП.

стали 10ХСНД в листе толщиной 40 мм

г	ан —40, кгс • м/см2	°5 400- кгс/мм2	гкЗ.О °с	Гкдс °С
	22,5-23,1	36,3—38,9 37,2  31,5—38,5 34,1	—100  —120	0  —30
	22,2  20,3-24,3			
	22,3			

Таким образом, ЭШП кислородно-кон-
вертерной стали 10ХСНД для толстоли-
стового проката обеспечивает высокий и
стабильный уровень пластических и вяз-
костных свойств, повышает стойкость ста-
ли против хрупких разрушений, полностью
устраняет брак по расслоениям, что по-
зволяет рекомендовать широкое примене-
ние этой стали в конструкциях ответ-
ственного назначения.

Учитывая преимущества, которые до-
стигаются при использовании в качестве
исходной заготовки для ЭШП стали кис-
лородно-конвертерной выплавки взамен
мартеновской (возможность получения бо-
лее низких содержаний кислорода в мало-
углеродистых сталях, а также весьма низ-
ких содержаний практически неудаляемых
при ЭШП фосфора, азота, водорода), це-
лесообразно провести сопоставление меха-
нических свойств стали КЮХСНДШ, по-
лученной по схеме К + ЭШП с аналогич-
ными показателями этой же стали, полу-
ченной по схеме М + ЭШП (М10ХСНДШ),
т. е. с использованием для ЭШП металла
мартеновской выплавки.

Как видно из табл. 252, при примерно
равных прочностных и пластических свой-
ствах толстолистовая сталь (толщиной
40 мм) КЮХСНДШ имеет более высокие
показатели ударной вязкости при 20° С.
Кроме того, критические температуры
хрупкости (Тк и Гкдс) у стали КЮХСНДШ
ниже, чем у стали МЮХСНДШ, соответ-
ственно на 20 и 30° С.

Сталь 16Г2АФ. Для изготовления весь-
ма обширной группы сварных аппаратов,
сосудов высокого давления, кожухов до-
менных печей большого объема и других
ответственных конструкций технически це-
лесообразно и экономически выгодно ис-
пользовать толстолистовой прокат из низ-
колегированных сталей повышенной проч-
ности. В ряде случаев, например при из-
готовлении металлоконструкций кожухов
доменных печей большого объема, исполь-
зование сталей, обладающих высокой проч-
ностью, пластичностью и вязкостью, явля-
ется единственно правильным техническим
решением. Это не только позволяет сни-
зить толщину стенки и тем самым умень-
шить массу металлоконструкции и полу-
чить значительный экономический эффект.
Более важным является то, что уменьше-
ние толщины стенки облегчает процесс
подгонки (сборки) кромок перед сваркой
и сам процесс сварки кожуха, особенно
в монтажных условиях, и способствует
уменьшению остаточных сварочных напря-
жений. В результате повышаются стой-
кость сварной конструкции против хруп-
кого разрушения и ее работоспособность.

Кроме того, при выборе материала ко-
жуха доменных печей необходимо учиты-
вать следующие обстоятельства. Материал
кожухов доменных печей при эксплуата-
ции испытывает сложные силовые и тем-
пературные воздействия. Дальнейшее уве-
личение объема доменной печи, повыше-
ние рабочего давления и форсирование
режимов работы еще более усложняют
условия эксплуатации материала. Так,
применение в этих конструкциях материа-
ла с прочностью обычной малоуглероди-
стой стали типа Ст. 3 (о8	23 кгс/мм2)

приводит к необходимости увеличения тол-
щины кожуха доменной печи до 100—
150 мм. Таким образом, попытка приме-
нить в кожухе доменной печи большого
объема углеродистую сталь марки Ст. Зсп
приведет к получению крайне ненадежной
конструкции из-за низкой сопротивляемо-
сти хрупкому разрушению (ТК5о = 44,5 4-
4- 100°С). Кроме того, понижение предела
текучести (о8 = 17,2 4- 20,6 кгс/см2) вызо-
вет необходимость дальнейшего увеличе-
ния толщины металла.

Подобная картина будет иметь место
и при попытке использовать для металло-
конструкций кожуха рядовую низколеги-
рованную сталь марок 09Г2С, 10Г2С1,
15ХСНД и др. Поэтому единственно пра-
вильным и технически обоснованным ре-
шением, как уже отмечалось выше, явля-
ется применение для металлоконструкций
кожуха высокопрочной низколегированной
мелкозернистой стали.

Одним из наиболее перспективных на-
правлений в области повышения прочно-
сти низколегированных сталей и уменьше-
ния при этом величины зерна является
легирование их азотом, т. е. нитридное
упрочнение.

Обычное содержание азота в углеро-
дистой и легированных сталях при вы-
плавке в мартеновских печах и кислород-

ном конвертере составляет 0,003—0,008%,
при электродуговой плавке вследствие по-
глощения атомарного азота в дуговом
пространстве его содержание в стали мо-
жет повышаться до 0,007—0,012% [13].

Как известно, азот в углеродистых и
легированных сталях в большинстве слу-
чаев является вредной примесью, ухуд-
шающей механические свойства металла,
сообщая ему хрупкость и склонность к
старению. Однако прочность и одновре-
менно вязкость стали с азотом можно рез-
ко повысить, если ввести в нее небольшое
количество сильных нитридобразующих
элементов, таких, как алюминий, ванадий,
ниобий и др. В результате образуются
мелкодисперсные нитриды, равномерно
распределенные в металле, при этом силь-
но измельчается структура стали.

Наиболее типичным представителем
строительной высокопрочной низколегиро-
ванной мелкозернистой стали является
сталь 16Г2ЛФ (лист толщиной 4—50 мм),
которая согласно И МТУ-1-349—68 содер-
жит 0,08—0,15 V и 0,015—0,030% К. При
этом прокат стали 16Г2АФ толщиной до
32 мм характеризуется относительно одно-
родной структурой по сечению листа, а
также примерно одинаковым уровнем ме-
ханических свойств [13, 36]. Эта сталь
в листах большой толщины, выплавленная
открытым способом — в мартеновских пе-
чах или кислородных конвертерах, имеет
структурные дефекты типа строчечных
скоплений крупных неметаллических вклю-
чений, ликвационной полосчатости и рас-
слоя, вызывающие анизотропию механиче-
ских свойств, а также затрудняющие
получение высококачественных сварных со-
единений и проведение дефектоскопиче-
ского контроля ультразвуковым методом.

При наличии указанных дефектов, осо-
бенно в соединениях металлоконструкции
большой толщины, возникает опасность
появления в околошовной зоне холодных
ламелярных трещин под действием высо-
ких объемных остаточных напряжений
сварки. Как показали специальные ис-
следования [27], зародышами таких тре-
щин могут быть надрывы, возникающие
в околошовной зоне вблизи крупных не-
металлических включений сульфидного
типа.
В связи с этим представляет большой
практический интерес исследование воз-
можности использования процесса ЭШП
для повышения качества толстолистовой
высокопрочной строительной стали марки
16Г2АФ. В процессе ЭШП все неметал-
лические включения, в том числе и нитри-
ды, диспергируют и весьма равномерно
распределяются в металле ЭШП. Поэтому
создание в металле ЭШП высоко дисперс-
ных, равномерно распределенных окси-
сульфидов и нитридов будет способство-
вать улучшению его качества и повыше-
нию пластических характеристик.

Вместе с тем поведение азота при
ЭШП зависит от многих факторов, в част-
ности от исходного содержания его в ме-
талле, от наличия в стали сильных нитрид-
образующих элементов (алюминия, ва-
надия, титана, ниобия и др.), а также от
состава флюса, режима плавки и т. д.
[33]. Обычно при ЭШП низко- и средне-
легированных конструкционных сталей во
многих случаях содержание азота в пере-
плавляемом металле ниже, чем в исход-
ном [48].

Легирование азотом (0,025—0,030%)
конструкционных сталей при открытой
выплавке производят с помощью азотсо-
держащих ферросплавов или путем непо-
средственного контакта жидкого металла
с газообразным азотом, воздухом или азот-
содержащими газами. Наиболее полные
сведения об упрочнении конструкционных
сталей нитридами содержатся в рабо-
те [2].

Работы, проведенные в последние го-
ды в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР
В. И. Лакомским с сотрудниками, показа-
ли весьма высокую эффективность легиро-
вания жидкой стали азотом непосред-
ственно из газовой фазы в процессе ПДП.
При этом получаются плотные слитки с
содержанием азота выше тех концентра-
ций, которые достижимы при выплавке
стали в открытых печах [39, 49]. Однако
ПДП не нашел применения при производ-
стве толстолистовой стали с нитридным
упрочнением, так как этим способом пока
невозможно получить плоские крупные
листовые слитки, пригодные для прокатки
на лист.

Известен также способ получения ста-

лей и сплавов, легированных азотом пу-
тем ЭШП при повышенном (по сравне-
нию с атмосферным) давлении азота
(например, патент ИЭС в Австрии
№ 277298, кл. 18, 20/01 с приоритетом от
24.05.63 г.). Сущность способа состоит в
том, что при плавке в атмосфере азота
при повышенном давлении шлак на осно-
ве СаО + АЬОз может растворить до
1,46% К и обогатить азотом находящуюся
под ним металлическую ванну. Вместе с
тем реализация указанного способа в про-
изводстве нитридсодержащих сталей ЭШП
сопряжена со значительными трудностя-
ми, связанными с необходимостью созда-
ния и эксплуатации специального обору-
дования.

ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР сов-
местно с ЦНИИПроектстальконструкцией
были проведены работы по исследова-
нщо возможности улучшения качества тол-
столистовой стали марки 16Г2АФ на ос-
нове ЭШП с использованием обычно при-
нятой для листовых сталей технологии
переплава и стандартного оборудова-
ния [35].

В связи с тем что металл ЭШП харак-
теризуется пониженным содержанием при-
месей, оказывающих влияние на рост зер-
на аустенита, особое внимание авторы
работы [35] уделяли характеру измельче-
ния структуры электрошлакового металла
дисперсными частицами в зависимости от
типа флюса, используемого при ЭШП.

Кроме того, поскольку упрочнение ста-
ли зависит от содержания нитридов, была
поставлена задача обеспечения необходи-
мого количества азота в стали 16Г2АФШ.
Дело в том, что при выплавке стали
16Г2АФ в мартеновских печах (как и в
кислородных конвертерах) не удается по-
лучить в строгих пределах заданное со-
держание азота. Это происходит потому,
что при легировании стали азотом в ков-
ше путем ввода азотированных ферро-
сплавов на освоение азота оказывают
влияние многие факторы, такие, как гра-
нуляция ферросплавов, степень раскислен-
ности стали, ее температура и т. д. [33].
Поэтому нередко содержание азота в
исходном металле может находиться на
нижнем пределе марочного состава стали
16Г2АФ и даже ниже нижнего предела.
В результате механические свойства (пре-
дел текучести и временное сопротивление
разрыву) листового проката не удовлетво-
ряют требованиям ГОСТ 19282—73.

Несомненным достоинством электро-
шлаковой технологии является то, что она
позволяет в процессе ЭШП в широких
пределах производить дополнительное ле-
гирование исходного металла различными
легирующими элементами, в том числе
азотом. При переплаве стали 16Г2АФ,
очевидно, наиболее удобно использовать
выпускаемый промышленностью азотиро-
ванный марганец, который при ЭШП вво-
дится в ванну с помощью дозатора или
электрода-спутника (порошковой ленты
или трубки), закрепленного на основном
расходуемом электроде. Разумеется, тех-
нологическая схема ЭШП стали 16Г2АФ
с долегированием в процессе ЭШП азотом
с помощью азотированного марганца при-
менима только в том случае, если содер-
жание марганца в исходном металле на-
много ниже верхнего предела по ГОСТ
19282—73. Однако, когда содержание мар-
ганца в исходном металле находится на
верхнем пределе марочного состава, деле-
гировать такую сталь для исправления
брака металла открытой выплавки не
представляется возможным. В этом слу-
чае, как показано в работе [35], целесо-
образно применить селективный подбор
металла исходных плавок для расходуе-
мых электродов, чтобы стабилизировать
(усреднить) химический состав металла
слитков ЭШП.

В работах [35, 57] проведены сравни-
тельные исследования электрошлаковой
стали 16Г2АФШ толщиной 30—60 мм, по-
лученной с применением флюсов системы
СаР2—А12Оз—СаО (флюс № 1), СаР2—
А12Оз—СаО—М^О (флюс № 2) и СаР2—
СаО—8Ю2 (флюс № 3) по обычной тех-
нологии, с долегированием в процессе
ЭШП, а также исходной мартеновской
стали толщиной 30 мм.

Металл ЭШП и исходную мартенов-
скую сталь перед проведением механиче-
ских испытаний подвергали нормализа-
ции при 950° С. Выбор этой температуры
обусловлен результатами предварительно-
го изучения микрошлифов, изготовленных
из стали, нормализованной при 920, 960

и 1000° С. Величина зерна после таких
термообработок во всех образцах была
практически одинакова.

Результаты химического и газового
анализа металла 16Г2АФ до и после ЭШП
(табл. 253) свидетельствует, что содержа-
ние основных легирующих элементов в ре-
зультате ЭШП практически мало измени-
лось. Содержание серы в стали ЭШП сни-
зилось в среднем в 2,5—3 раза. Макси-
мальное снижение серы наблюдается при
ЭШП под флюсом системы СаГ2—АЬОз—
СаО—М^О: с 0,015% в исходной стали до
0,002% в металле ЭШП. Содержание кис-
лорода в стали 16Г2АФШ после ЭШП по
обычной схеме снизилось на 25%: с 0,004%
в исходной стали до 0,003% в металле
ЭШП. При ЭШП с долегированием содер-
жание кислорода практически не измени-
лось.

Особенно важным результатом иссле-
дований следует считать полученные дан-
ные о содержании азота в металле ЭШП.
Как следует из табл. 253, содержание азо-
та в стали 16Г2АФ после ЭШП по обыч-
ной технологии сохраняется практически
на уровне исходной мартеновской стали.
Это, по-видимому, можно объяснить нали-
чием в стали такого сильного нитридобра-
зующего элемента, как ванадий. При ис-
пользовании технологии ЭШП с долегиро-
ванием содержание азота возрастает в
среднем на 0,012%, или в среднем на 25%
исходного уровня, а распределение его в
слитке (по высоте и сечению) практически
равномерное.

Усвоение азота металлом слитка до-
стигает 60%. Это можно объяснить тем,
что электрод-спутник (порошковая лента
или трубка) с азотированным марганцем
плавится в шлаке и при этом имеет место
взаимодействие расплавляемого электрод-
ного металла с азотом легирующего спла-
ва уже на торце электрода.

При ЭШП с долегированием содержа-
ние водорода снизилось в 6 раз. Сниже-
ние содержания водорода, вероятно, мож-
но объяснить кипением шлаковой и ме-
таллических ванн, обусловленным выделе-
нием в процессе плавки азота, не раство-
рившегося в стали.

Как видно из табл. 254, механические
свойства стали 16Г2АФ после ЭШП при
Таблица 253. Химический состав исследованных партий стали марки 16Г2АФ до и после
ЭШП, %

Способ выплавки	С	Мп	81	8	р	V	[О]	[Н]	1
Мартеновский	0,17	1,38	0,50	0,0155	0,017	0,12	0,004	0,0006	0,0165
ЭШП (флюс № 1)	0,165	1,27	0,40	0,005	0,017	0,12	0,003	0,0004	0,0152
ЭШП (флюс №2)	0,17	1,40	0,35	0,002	0,019	0,13	0,003	0,0003	0,0150
ЭШП (флюс Х«3)	0,16	1,30	0,38	0,006	0,017	0,14	0,003	0,0004	0,0145
ЭШП (с делеги- рованием)	0,18	1,70	0,36	0,003	0,017	0,14	0,0035	0,0001	0,024

Примечание. Приведены данные по содержанию азота в листовом прокате после нормализации. В слитке
ЭПШ (с делегированием) содержание азота (до прокатки) составляло 0,030%.

Таблица 254. Данные испытаний на статистическое растяжение образцов круглого сечения
диаметром 6 мм из стали 16Г2АФ. подвергнутой ЭШП по различным технологическим схемам,
и в исходном состоянии

Способ выплавки	Направление вырезки об- разцов	Номер об- разца	кгс/мм2	°В’ кгс/мм2	Истинное со- противление разрыву, кгс/мм2	«. %	Ф, %
Мартеновский	Продольное	1	38,5	60,0	131	32,0	70,0
		2	39,0	59,4	132	31,4	71,8
	Поперечное	1	40,7	58,0	127	. 30,0	67,5
		2	42,8	59,2	121	33,8	66,2
ЭШП (флюс № 1)	Продольное	1	42,7	58,7	139	33,5	71,8
		2	43,7	58,8	136	33,4	73,0
		3	41,2	59,2	131	30,9	71,1
	Поперечное	1	43,3	58,3	140	30,0	75,0
		2	43,0	57,5	126	29,7	71,5
		3	43,1	58,2	138	29,7	74,5
ЭШП (флюс № 2)	Продольное	1	46,2	58,1	128	32,1	73,0
		2	44,5	57,5	138	33,7	75,2
		3	44,3	58,5	129	29,6	73,2
	Поперечное	1	43,7	57,5	127	28,7	72,5
		2	43,1	57,5	125	30,9	71,5
ЭШП (флюс 3)	Продольное	1	41,0	55,8	127	33,6	74,0
		2	41,3	56,2	135	37,0	74,5
		3	40,0	55,6	135	35,0	75.5
	Поперечное	1	39,4	56,2	130	32,3	73,0
		2	40,0	55,0	132	29,7	73,5
		3	41,2	56,0	—	31,9	71.8
ЭШП (с долегиро-	Продольное	1	41,6	59,7	Не опр.	31,3	79.8
ванием азотирован-		2	42,8	60,3	» »	78,0	79,8
ным марганцем)		3	42,7	60,1	» »	34,6	79.8
	Поперечное	1	41,7	59.8	» »	32,7	78.2
		2	45,6	61,9	» »	37,0	79.8
		3	44,3	61,0	» »	34,9	79,2

толщине 30 и 56 мм для всех исследован-
ных вариантов технологии выше свойств
исходного мартеновского металла толщи-
ной 30 мм. Предел текучести металла
ЭШП находится па уровне 40—47 кгс/.мм2
против 38—43 кгс/мм2 для исходного

мартеновского металла, временное сопро-
тивление разрыву — в пределах 55—
60 кгс/мм2 для стали мартеновского про-
изводства и ЭШП по обычной технологии
и 59—68,5 кгс/мм2 — для стали ЭШП с
делегированием.
Таблица 255. Данные испытаний на статическое растяжение нестандартных образцов круглого
сечения диаметром 5 мм из стали 16Г2АФ мартеновского производства и ЭШП

Способ выплавки	Направление вы- резки образцов	Номер образца	о5.  кгс/мм2	°В’  кгс/мм2	6. %	М>. %	^ПЛ
Мартеновский	Продольное	1	41,2	59,3	35,2	68,2	0,29
		2	37,6	59,5	32,4	66,3	•—
		3	39,3	59,2	33,1	67,6	—
	Поперечное	1	40,8	60,0	35,1	72,5	—
		2	39,0	59,7	34,0	71,5	—
		3	39,5	60,0	34,1	71,5	—
	По толщине	1	41,5	55,7	10,6	17,1	—
		2	41,6	55,8	8,5	20,3	—
		3	41,5	55,9	10,8	23,2	—
ЭШП (флюс № 1)	Продольное	1	43,3	59,4	34,0	74,3	0,97
		2	44,5	58,5	33,7	73,0	—
		3	43,6	57,8	32,8	74,0	—
	Поперечное	1	42,4	58,3	34,0	75,8	—
		2	43,7	58,0	32,4	73,4	—
		3	43,7	58,5	33,1	73,2	—
		4	43,7	58,1	33,3	73,2	—
	По толщине	1	44,0	57,3	32,4	74,1	—
		2	43,0	58,0	32,4	70,4	—
		3	43,3	57,6	32,4	70,4	—
ЭШП (флюс № 2)	Продольное	1	42,6	58,6	35,6	74,0	0,98
		2	43,4	58,5	33,3	74,8	——
		3	44,5	59,0	35,6	75,6	—
		4	44,6	58,9	35,0	76,0	—
	Поперечное	I	41,8	57,6	32,0	69,7	—
		2	41,5	58,0	31,7	70,7	—
		3	41,7	56,8	32,9	70,7	—
		4	41,8	58,0	32,0	70,5	-—
	По толщине	1	39,5	57,0	33,4	69,5	—
		2	42,3	57,4	33,4	74,1	—
		3	42,0	56,7	32,6	72,3	—
ЭШП (флюс № 3)	Продольное	1	40,8	57,1	32,0	73,0	1,02
		2	41,5	57,8	33,1	74,0	-—
		3	37,7	57,5	31,7	73,0	—.
		4	41,0	56,5	31,7	72,7	—
	Поперечное	1	41,5	58,0	34,0	70,4	.—
		2	41,5	58,0	32,0	70,5	—
		3	39,6	58,8	33,4	70,0	—
		4	40,4	58,8	33,8	69,6	—
	По толщине	1	43,0	55,0	36,1	75,0	—
		2	42,2	57,1	35,0	70,2	—
		3	42,3	57,0	33,6	70,8	—

Характеристики пластичности (прежде
всего относительное сужение поперечных
образцов) стали 16Г2АФШ несколько
выше, чем у стали мартеновского произ-
водства той же толщины (30 мм), а пла-
стичность стали 16Г2АФШ, полученной с
делегированием, примерно такая же, как
стали мартеновского производства толщи-
ной 30 мм. Для металла ЭШП практиче-
ски отсутствует анизотропия показателей
прочности и пластичности в зависимости

от направления вырезки образцов. Для
стали мартеновской выплавки наблюдает-
ся некоторое различие относительного су-
жения и истинного сопротивления раз-
рыву, полученных на продольных и попе-
речных образцах. Еще большая разни-
ца в показателях пластичности стали
ЭШП и открытой выплавки имеет место
при испытании образцов, вырезанных
по толщине листа (на вертикальных образ-
цах).
Результаты исследований, приведенные
в табл. 255, свидетельствуют о том, что
показатели пластичности, определенные на
вертикальных образцах стали 16Г2АФШ
толщиной 30 мм, выше, чем у исходной
мартеновской стали той же толщины, в
среднем в 3,1—3,4 раза.

Сравнительные испытания на статиче-
ское растяжение проводили на нестандарт-
ных образцах диаметром 5 мм, общей
длиной 30 мм. Образцы испытывали на
машине ИМ-4А системы ЦНИИТМАШ.
Скорость перемещения захватов до дости-
жения пределов текучести не превышала
1 мм/мин. Коэффициент анизотропии пла-
стических свойств Апл, определенный по
формуле (VI.!) для стали 16Г2АФШ со-
ставляет 0,97—1,02 (в зависимости от
типа флюса ЭШП); для мартеновской
стали 16Г2АФ — 0,29. Для толстолисто-
вой стали 16Г2АФШ толщиной 60 мм, по-
лученной с долегированием в процессе
ЭШП, коэффициент анизотропии пласти-
ческих свойств составляет 1,09. Испыта-
ния на статическое растяжение проводили
на стандартных образцах диаметром 6 мм с
резьбовой головкой, изготовленной в соот-
ветствии с требованиями ГОСТ 1497—61.
Вертикальные образцы из металла ЭШП
разрушались вязко с образованием шейки.
Образцы исходной мартеновской стали
разрушались практически без предвари-
тельной деформации.

Необходимо особо остановиться на та-
ком важном показателе, как относитель-
ное сужение при испытании на статиче-
ское растяжение в направлении толщины
проката (Ф?), величина которого может
служить критерием при оценке чувстви-
тельности толстолистовой стали к образо-
ванию ламелярных трещин в сварных со-
единениях [29, 63].

Как видно из табл. 255, для листовой
стали 16Г2АФШ величина фг составляет
71,6—72,0%, т. е. сталь ЭШП отличается
исключительно низкой склонностью к об-
разованию ламелярных трещин; для ис-
ходного металла 16Г2АФ мартеновской
выплавки эта величина составляет 17,1—
23,2%, что характеризует этот металл, как
умеренно склонный к образованию указан-
ных трещин.

Большой интерес представляют также

сравнительные испытания стали 16Г2АФШ
и исходной мартеновской стали на удар-
ный изгиб. Ударную вязкость определяли
на стандартных образцах с надрезами
Менаже (тип I, ГОСТ 9454—60) и Шарли
(тип II, ГОСТ 9454—60). Ось надреза,
выполненного профилированной фрезой,
располагалась перпендикулярно к плоско-
сти прокатной поверхности. Качество из-
готовления, форма и размеры образцов,
методика испытаний отвечали требовани-
ям ГОСТ 9454—60 и 9455—60. Для листов
толщиной 30 мм образцы двух типов
(I и II) вырезали вдоль и поперек на-
правления прокатки. Для листов ЭШП
толщиной 60 мм, кроме того, вырезались
образцы типа I по толщине листов. По-
лученные результаты значений ударной
вязкости и доли волокнистой составля-
ющей в изломе представлены на рис. 251.
Ударная вязкость образцов с надрезом
Менаже стали ЭШП вплоть до —70° С

характеризуется очень высокими значе-
ниями: 15,5—21 кгс-м/см2 против 6—

Рис. 251. Влияние температуры испытания на
ударную вязкость и характер излома (содер-
жание волокнистой составляющей ДГ) образ-
цов Менаже (а) и Шарли (б) из сталей 16Г2АФ
(штриховые линии) и 16Г2АФШ (сплошные ли-
нии, флюс № 2):

1 — продольные образцы; 2 — поперечные.
11 кгс-м/см2для стали мартеновского про-
изводства.

Увеличение остроты надреза образцов
(при переходе от образцов типа I к образ-
цам типа II) мало отразилось на сниже-
нии ударной вязкости ЭШП металла в
температурном диапазоне вязких разру-
шений. Вместе с тем для стали мартенов-
ской выплавки в исходном состоянии пе-
реход к более острым надрезам сопровож-
дается значительным снижением ударной
вязкости при вязком разрушении. Это сви-
детельствует о гораздо более высоком за-
пасе пластичности и пониженной чувстви-
тельности к концентрации напряжений
ЭШП металла по сравнению с металлом
открытой выплавки.

Из рис. 251 видно, что сталь мартенов-
ского производства обнаруживает силь-
ную анизотропию ударной вязкости. Так,
при 20° С она в 2 раза выше для продоль-
ных образцов, чем для поперечных. С по-
нижением температуры испытания это со-
отношение постепенно уменьшается до 1,5
при —100° С.

Электрошлаковый переплав стали
16Г2АФ понижает критическую темпера-
туру хрупкости Тк5о и условный темпера-
турный предел хрупкости (Тк). За крити-
ческую температуру хрупкости принимали
температуру, при которой доля волокни-
стой составляющей на поверхности излома
образцов с надрезом Менаже составляла
50%. Верхняя граница критического ин-
тервала хрупкости определялась как ми-
нимальная температура, при которой все
образцы серии получали излом с пол-
ностью волокнистой поверхностью (ДР/Р =
= 1,0). Установленные таким образом
критические температуры хрупкости стали
16Г2АФ исследованных вариантов пред-
ставлены в табл. 256. Низкие значения
критической температуры хрупкости стали
ЭШП свидетельствуют о ее высокой со-
противляемости хрупкому разрушению.

Обращают на себя внимание высокие
показатели ударной вязкости и изотроп-
ность свойств толстолистовой стали
16Г2АФШ, полученной по технологии с
долегированием в процессе ЭШП (см.
стр. 352). Так, условный температурный
предел хрупкости Тк для листовой стали
16Г2АФШ толщиной 30 и 60 мм состав-

Таблица 256. Влияние ЭШП на критическую
температуру хрупкости стали 16Г2АФ

Способ вы- плавки	Гк50, °С  / АЛ  \ Р ~  = 0.5)	Температура верхней гра- ницы крити- ческого ин- тервала хрупкости, °С	ан (кгс X X м/см*) при Т, "С	
			—40	—60
Мартенов- ский (ис- ходный) ЭШП:	0	>20	8,9	7,2
флюс № 1	—48	0	16,8	16
флюс № 2	—60	0	19,7	16,5
флюс № 3	—40	0	19,4	16.7

ляет —100 и —130е С соответственно
вместо —90° С для стали 16Г2АФ марте-
новской выплавки толщиной 30 мм.

Коэффициенты анизотропии вязкост-
ных свойств К аН и общий Кобщ при темпе-
ратуре испытаний 20° С, определенные по
формулам (У1.2) и (VI. 3) для стали
16Г2АФШ толщиной 60 мм, полученной с
долегированием, равны единице, что сви-
детельствует о весьма высокой изотроп-
ности металла ЭШП.

Как видно из табл. 256, ЭШП стали
16Г2АФ понижает нижнюю критическую
температуру хрупкости (Ркзо) на 40—60° С
и верхнюю границу критического интерва-
ла хрупкости не менее чем на 20° С по
сравнению с исходной сталью мартенов-
ского производства. При этом существен-
но снижается анизотропия ударной вяз-
кости вдоль и поперек направления про-
катки, характерная для стали мартенов-
ского производства. Наиболее высокой
изотропностью отличается сталь 16Г2АФШ,
полученная с применением флюса типа
С а Рг—А.1гОз—С а О—М^О.

Сталь 16Г2АФШ проявляет меньшую
склонность к деформационному старению
по сравнению с металлом мартеновской
выплавки. Так, потери ударной вязкости
при вязком разрушении для стали ЭШП
составляют 10,8—22,7% против 28—48%
для мартеновской стали, а повышение
хладноломкости — 20—25° С против 15—
40° С. Следует отметить, что сталь
16Г2АФШ, выплавленная под флюсом ти-
па СаРг—А12Оз—СаО—МрО, по всем по-
казателям, характеризующим склонность
стали к механическому старению, превос-
ходит сталь, выплавленную под другими
типами флюсов.

Высокие значения ударной вязкости
только тогда являются свидетельством хо-
рошего качества высокопрочной стали,
когда они обусловлены высокой сопротив-
ляемостью зарождению трещин — очага
разрушения и высокой способностью со-
противляться развитию имеющегося очага
разрушения [25].

В этой связи ИЭС им. Е. О. Патона
АН УССР и ЦНИИПроекстальконструк-
цией выполнена работа [14] по оценке
влияния ЭШП на стойкость стали
16Г2АФ против хрупких* разрушений. При
этом производили разделение ударной
вязкости вн на две составляющие: аз, ха-
рактеризующую сопротивляемость зарож-
дению трещин, йр, ответственную за ее
распространение. Для определения удар-
ной вязкости ап (полной работы) прово-
дили испытания на ударный изгиб образ-
цов с надрезом Шарли. Для определе-
ния работы распространения трещины ар
использовали метод испытания на удар-
ный изгиб образцов с надрезом Шарви с

Рис. 252. Влияние температуры испытания на
ударную вязкость образцов Шарли (/) и об-
разцов Шарли с усталостной трещиной (II) из
стали 16Г2АФ открытой выплавки (в) и после
ЭШП (применялись флюсы № 1 (а), № 2 (г),
№ 3 (б)).

заранее нанесенной усталостной трещи-
ной, предложенный Б. А. Дроздовским.
Усталостная трещина глубиной 1 мм вы-
ращивалась на специальном вибраторе
при повторном нагружении (до 10 тыс.
циклов). Образцы с такой усталостной
трещиной затем испытывали на маятнико-
вом копре ГЗИЛ с запасом работы
20 кгс-м. Вся работа принималась за ра-
боту распространения трещины.

На рис. 252 представлены результаты
сравнительных испытаний по приведенной
выше методике электрошлаковой листовой
стали 16Г2АФ толщиной 30 мм, выплав-
ленной под тремя типами флюсов, и
исходной мартеновской стали 16Г2АФ
толщиной 30 мм. Испытания проводили
на поперечных образцах на тех же мате-
риалах, которые использовались для из-
ложенных выше исследований.

Как видно из рис. 252, при температу-
рах ниже —60° С сталь ЭШП и исходная
мартеновская сталь обнаруживают несу-
щественные различия в сопротивляемости
распространению трещины. Выше —60° С
с повышением температуры это различие
становится более существенным. Так, при
—40° С показатель сопротивляемости рас-
пространению трещин аР для стали ЭШП
в 1,3—2,6 раза выше, чем для стали от-
крытой выплавки. При температуре —20
и 20° С указанное отношение составляет
1,5—2,1; 1,2—2,1; 1,7—2,5 соответственно
для трех составов флюса. Анализ данных
Таблица 257. Влияние ЭШП на структуру
стали 16Г2АФ

Способ выплавки	Средняя ве- личина зерна феррита, мкм	Доля перлита в линейном отрезке, %
Мартеновский (исходный) ЭШП:	8,1	29,5
флюс № 1	6,0	30,1
флюс № 2	5,9	20,0
флюс № 3	6,8	25,1

(см. рис. 252) позволяет заключить, что
сталь 16Г2АФШ, выплавленная под флю-
сом системы СаРг—А1гОз—СаО—М§0, во
всем исследованном интервале температур
имеет преимущества не только перед ме-
таллом открытой выплавки, но и перед
другими вариантами металла ЭШП как
по сопротивляемости зарождению, так и
по распространению дефектов типа тре-
щин.

Большой интерес представляют иссле-
дования микроструктуры листовой стали
16Г2АФШ и исходной мартеновской ста-
ли 16Г2АФ толщиной 30 мм. Сталь
16Г2АФ как до, так и после ЭШП обна-
руживает мелкодисперсную феррито-пер-
литную структуру, в которой отсутствуют
продукты промежуточных превращений.
В табл. 257 представлены результаты
определения методом линейных образцов,
проводимых в трех направлениях, средней
величины зерна феррита и доли перлита
на микрошлаках исследуемых сталей. Эти
данные свидетельствуют о том, что сталь
16Г2АФ после ЭШП сохраняет способ-
ность образовывать мелкую структуру.
При этом металл ЭШП характеризует-
ся даже более мелким зерном феррита,
чем исходная сталь мартеновской вы-
плавки.

Как известно, образование мелкодис-
персной структуры в стали типа 16Г2АФ
обусловлено влиянием дисперсных нитри-
дов (карбонитридов) ванадия на рост
зерна аустенита и характер фазовых пре-
вращений при термической обработке —
нормализации.

В процессе ЭШП все неметаллические
включения, в том числе и нитриды, еще
более диспергируют и равномерно распре-

деляются в металле ЭШП. Это, естествен-
но, способствует улучшению микрострук-
туры стали 16Г2АФ ЭШП, ее измельче-
нию, повышению пластических и вязкост-
ных характеристик и свариваемости ме-
талла ЭШП.

При оценке загрязненности металла
ЭШП неметаллическими включениями со-
гласно методике ГОСТ 1778—70 (метод
Ш1) установлено, что сталь 16Г2АФШ
существенно чище исходной мартеновской
стали по оксидам и сульфидам (табл. 258).

В то время как среднебалльная оцен-
ка загрязненности исходного мартеновско-
го металла составляет по оксидам и суль-
фидам 2—3 балла, металл ЭШП по суще-
ствующей методике оценивается по суль-
фидам не выше 1 балла, а по оксидам —
нулевым баллом. Из-за мелкодисперсно-
сти нитридов ванадия произвести оценку
металла 16Г2АФ по включениям типа нит-
ридов по существующей методике не пред-
ставляется возможным как до, так и пос-
ле ЭШП. В связи с этим в работе [14]
содержание, характер распределения не-
металлических включений изучали мето-
дом электролитического осаждения на
оптическом микроскопе «Неофот-2», ска-
нирующем микроскопе УХА-50А и рентге-
новском микроанализаторе «СатеЬах».

В табл. 259 приведены результаты
определения содержания неметаллических
включений рассматриваемых партий стали
16Г2АФ и мартеновского производства
методом электролитического осаждения.
Сталь мартеновского Производства харак-

Таблица 258. Неметаллические включения
в стали 16Г2АФ мартеновской выплавки и ЭШП

Способ вы- плавки	Степень загрязненности (метод НИ) неметаллическими включениями, баллы				
	Строчечные оксиды	Точечные оксиды	Недеформи- рованные си- ликаты	Сульфиды	Точечные нитриды
Мартенов- ский  ЭШП:  флюс № 1  флюс № 2  флюс № 3	3  0  0  0	2  0  0 0	1  1 1 0	3  1 0  1	0  0 0  0
Таблица 259. Содержание неметаллических включений в стали 16Г2АФ мартеновского
производства и ЭШП (метод электролитического осаждения)

Способ вы- плавки	Количество неметаллических включений, %						
	Общее содержа- ние ок- сидных включе- ний	А12О3	8Ю2	МпО	МцО	Титан в окси- дах и твер- дом растворе	Общее содер- жание нит- ридов
Мартенов-	0.0136	0,0125	0,00025	0,0015	0,0006	0,001	0,0238
ский  ЭШП:  флюс№ 1	0,0026	0.0023	0,00035	Не обнару-	Не обнару-	Не обнару-	0,0140
флюсД» 2	0,0029	0,0019	0,00030	жен 0,0002	жен 0,0006	жен То же	0,0070
флюс№ 3	0,0012	0,0003	0,00045	0,0003	0,0002	» »	0,0153

Примечание. РеО и СаО ни в мартеновском металле, ни в металле ЭШП не обнаружены.

теризуется значительным общим содержа-
нием оксидных включений. В сталях
ЭШП их в 4,7—11,3 раза меньше. Основ-
ную долю оксидных включений составля-
ют АЬОз. Так, в стали мартеновского про-
изводства АЬОз составляет 92% общего
количества оксидных включений. В метал-
ле ЭШП в зависимости от типа приме-
няемого флюса АЬОз составляет 88,9—
25% общего количества оксидных вклю-
чений, при этом содержание глинозема
после ЭШП снижается в 5,5—41,8 раза по
сравнению с его содержанием в исходном
металле. Содержание кремнезема в стали
ЭШП возросло от 1,2 до 2 раз.

Очень важным результатом использо-
вания метода электролитического осажде-
ния явилось определение общего содержа-
ния нитридов. Исходный металл характе-
ризуется высоким содержанием нитридов.
Их процент в 1,7 раза превышает общее
содержание оксидных включений. После
ЭШП под флюсами № 1, 2 и 3 по обще-
принятой технологии содержание нитри-
дов снижается соответственно в 1,7; 3,4 и
1,5 раза. В металле ЭШП, переплавлен-
ном под флюсом № 1 по технологии с де-
легированием, имеет место несуществен-
ное возрастание количества нитридов, что
обусловлено введением в процессе ЭШП
азотированного марганца.

Метод электролитического осаждения
не позволил определить количество суль-
фидных включений. Об их содержании и
распределении можно судить по виду от-

печатков по Бауману, снятых с микро-
шлифов стали всех вариантов, из кото-
рых видно, что ЭШП интенсивно снижает
загрязненность металла сульфидами. Наи-
более эффективное рафинирование от
сульфидов имеет место при переплаве под
флюсом № 2.

Данные исследований на оптическом
микроскопе хорошо согласуются с резуль-
татами анализа электролитического осаж-
дения и отпечатков по Бауману. На ми-
крошлифах стали мартеновского производ-
ства наблюдалось преимущественно два
типа включений с признаками АЬОз и
Мп8, на микрошлифах электрошлакового
металла — один вид включений АЬОз.

Фрактографические исследования про-
водили на изломах продольных, попереч-
ных и вырезанных по толщине проката
образцов, разрушившихся при статиче-
ском растяжении. Задача фрактографиче-
ских исследований состояла в анализе
морфологии и распределения включений
и нахождении корреляции их с механиче-
скими свойствами в направлении толщи-
ны проката. Представляло интерес также
оценить плотность и величину «чашек»,
поскольку существует мнение [41, что эта
плотность определяется плотностью рас-
пределения неметаллических включений.
На рис. 253 приведены электронные фрак-
тограммы наиболее характерных участков
поверхностей изломов.

Выявленные различия в строении из-
ломов различных вариантов стали в наи-
большей степени проявляются па образ-
цах в направлении толщины проката. По-
верхности разрушения металла характе-
ризуются наличием чашек и гребней раз-
рыва. На изломах стали ЭШП чашки
мелкие и однородные по величине, гребни
разрыва вытянуты. Средний размер ча-
шек составил 4,2 мкм. Они практически
не содержат неметаллических включений.
Наблюдались лишь редкие единичные
глобулярные включения, не превышающие
10 мкм. Плотность распределения их со-
ставляла 6,75 • 103 см-2.

Изломы образцов мартеновской стали
состоят из чашек больших размеров
(12,9 мкм), разделенных менее вытянуты-
ми гребнями разрыва матрицы. В чашках
располагаются глобулярные или пластин-
чатые включения.

Анализ природы неметаллических вклю-
чений, наблюдаемых на поверхности изло-
ма, проводили на рентгеновском микро-
анализаторе «СагпеЬах», который позво-
ляет сканировать вдоль рентгеновского
спектра в выбранной точке образца либо
сканировать для выбранной точки спектра
вдоль одного направления поверхности
образца, а также получать на экране ки-
нескопа увеличенное изображение квад-
ратного участка поверхности в отражен-

Рис. 253. Электронные фрактограммы поверх-
ности изломов образцов мартеновской стали
16Г2АФ (а) и после ЭШП (б), вырезанных в
направлении толщины проката после разруше-
ния при статическом растяжении, Х1000.

вых электронах и монохроматических
рентгеновских лучах определенной линии
спектра и фотографировать его. Такой
анализ позволил наблюдать картину рас-
пределения отдельных элементов по по-
верхности образца и сделать вывод, что
глобулярные неметаллические включения,
наблюдаемые на поверхности излома,
образованы окислами алюминия, а плос-
кие неопределенной формы — сернистым
марганцем.

Таким образом, металл ЭШП, на по-
верхности разрушения которого не обна-
ружено глобулярных или пластинчатых
неметаллических включений, обладает вы-
сокой сопротивляемостью зарождению и
распространению дефектов типа трещин,
низкой склонностью к деформационному
старению, высокой пластичностью в на-
правлении толщины проката и низкой
склонностью к образованию ламелярных
трещин. Сталь открытой выплавки, изло-
мы которой покрыты глобулярными вклю-
чениями АЬОз пли плоскими определен-
ной формы включениями Мп8, ориенти-
рованными в плоскости прокатки, имеет
пониженную по сравнению с металлом
ЭШП сопротивляемость зарождению и
распространению хрупкого разрушения,
повышенную склонность к деформацион-
ному старению, низкую пластичность в на-
правлении толщины проката и высокую
чувствительность к образованию ламеляр-
ных трещин.

Как указывалось выше, одним из ре-
зервов повышения качества толстолисто-
вой низко- и среднелегированной стали
ЭШП является использование для пере-
плава металла кислородно-конвертерной
выплавки. В связи с этим ИЭС им. Е. О. Па-
тона АН УССР совместно с ДПИ,
ЦНИИПроектстальконструкцией, жданов-
скими заводами ПО Ждановтяжмаш и
им. Ильича были выполнены работы по
разработке и освоению технологии элек-
трошлаковой выплавки промышленных
листовых слитков стали 16Г2АФ массой
10—14 т с использованием для переплава
кислородно-конверторного металла [58],
а также исследованию механических
свойств листового проката стали 16Г2АФШ
толщиной 50 и 70 мм, полученного из этих
слитков [36].

Электрошлаковый переплав осуществ-
ляли по двухэлектродной бифилярной схе-
ме с применением флюсов двух систем;
СаРг—АЬОз—СаО и СаРг—А1гОз—СаО—
8Ю?—М§О. После охлаждения от срав-
ниваемых слитков отбирали стружку для
определения химического анализа. Хими-
ческую однородность исследовали на трех
горизонтах: в головной, средней и донной
частях слитка в двух противоположных
точках поперечного сечения (на узких гра-
нях). Результаты химического анализа
слитков ЭШП, выплавленных по двум ва-
риантам, и исходной стали приведены в
табл. 260. Как видно, распределение хи-
мических элементов, в том числе азота и
ванадия, по высоте и сечению в листовых
слитках ЭШП весьма равномерное. Содер-
жание их практически почти такое же,
как и в исходной кислородно-конвертер-
ной стали. Содержание серы в металле
ЭШП уменьшилось по сравнению с исход-
ной сталью в 1,5-—2 раза.

Таким образом, разработанная техно-
логия ЭШП кислородно-конвертерной ста-
ли марки 16Г2АФ обеспечивает высокое
качество и химическую однородность
крупнотоннажных (массой 10—14 т) ли-
стовых слитков, предназначенных для по-
лучения крупногабаритных толстых ли-
стов.

Как известно, листовой прокат стали
марки 16Г2АФ открытой выплавки приме-
няется толщиной до 50 мм. При этом со-
гласно ГОСТ 19282—73, который регла-
ментирует свойства листового проката тол-

щиной не выше 50 мм, сталь этой толщины
должна обладать следующим комплексом
свойств: Св = 58 кгс/мм2; = 42 кгс/мм2;
6 = 20%; ан = 4 кгс-м/см2 при Т = —40° С
и «п = 3 кгс-м/см2 при Т = —70° С.

Для листового проката стали 16Г2АФ
открытой выплавки при толщине более
32 мм характерны анизотропия механиче-
ских свойств, наличие расслоев, ухудшен-
ная свариваемость. Вместе с тем для обес-
печения более высоких параметров работы
доменных печей в новых агрегатах требу-
ется увеличить толщину стенки кожуха из
стали 16Г2АФ до 70 мм. В связи с этим
в работе [36] ставилась задача оценить
свойства листовой электрошлаковой стали
толщиной до 70 мм по сравнению с исход-
ным металлом.

Для оценки механических свойств и
отработки режимов термической обработ-
ки из головной части листов ЭШП и кон-
вертерного металла были вырезаны карты
размером 200 X 350 мм и подвергнуты
термической обработке (нормализации) по
следующим режимам: нагрев до темпера-
туры 900, 930 и 950° С и выдержка при
этих температурах в течение 2 ч 20 мин;
1 ч 40 мин и 20 мин. Результаты меха-
нических испытаний образцов, вырезан-
ных из карт и термически обработанных
по разным режимам, представлены в
табл. 261.

Как видно из табл. 261, механические
свойства листового металла ЭШП по срав-
нению с конвертерным металлом значи-
тельно выше и стабильнее как при тол-
щине 50 мм, так и при толщине 70 мм.
Конвертерный металл толщиной 50 мм при
всех режимах термической обработки не
удовлетворяет требованиям стандарта. Ха-
рактерно, что листовой прокат толщиной
70 мм металла ЭШП и конвертерного про-
изводства имеет примерно одинаковые
прочностные характеристики, однако по
пластическим показателям (ф) и (ав)
преимущество за металлом ЭШП. Это
особенно относится к металлу ЭШП, вы-
плавленному под флюсом системы СаЕз—
АЬОз—СаО—8Юг—М§О, для которого
ударная вязкость, например, практически
в 2 раза выше, чем в исходной стали.

Следует также отметить, что на образ-
цах из конвертерного металла (особенно
Таблица 260. Содержание (%) химических элементов по высоте и сечеиию в исходном металле и ли, 1

Способ вы- плавки	Флюс	Место отбо- ра пробы	Номер пробы	С	Мп	81	8	р
Конвертер-	—	Ковш	3	0,16	1,38	0,33	0,010	0,012
ный			5	0,17	1,39	0,34	0,011	0,013
			6	0,18	1,37	0,33	0,012	0,013
эшп	СаР2—А12О3—СаО	Голова	1	0,18	1,51	0,30	0,007	0,006
			2	0,18	1,51	0,30	0,005	0,007
		Середина	1	0,18	0,45	0,31	0,005	0,010
			2	0,19	1,50	0,30	0,006	0,009
		Дно	1	0,19	1,51	0,31	0,006	0,013
			2	0,18	1,41	0,32	0,006	0,011
	СаГ2—А1,О3—СаО—	Голова	1	0,17	1,46	0,30	0,006	0,012
	81О2—М§0		2	0,16	1,47	0,30	0,007	0,012
		Середина	1	0,18	1,46	0,30	0,006	0,015
			2	0,17	1,47	0,30	0,007	0,015
		Дно	1	0,16	1,48	0,30	0,006	0,016
			2	0,16	1,46	0,30	0,007	0,016

при испытании на холодный загиб) на-
блюдались расслои, в то время как ни на
одном из образцов металла ЭШП их не
было.

Таким образом, ЭШП обеспечивает по-
лучение крупногабаритных толстых (до
70 мм) листов стали 16Г2АФ, позволяет
гарантировать механические свойства в
пределах требований ГОСТ 19282—73 и
значительно улучшает показатели пластич-
ности металла, что должно положительно
сказаться на свариваемости стали и рабо-
тоспособности сварной конструкции.

§ 4. Среднелегированные
толстолистовые стали

Наибольший эффект от применения мето-
да ЭШП как радикального средства по-
вышения пластических и вязкостных ха-
рактеристик, а также изотропности свойств
конструкционных сталей следует ожидать
при переплаве толстолистовых высоко-
прочных сталей. Не существует такого
сочетания легирующих элементов, которое
обеспечивало бы исключительно высокие
свойства данной композиции и устраня-
ло бы при этом склонность к различным
видам хрупкости.

При этом имеется в виду не столько
устранение хрупкости, связанной с темпе-
ратурой хладноломкости стали, так как

почти все качественные высокопрочные
стали мало изменяют значения ударной
вязкости вплоть до температур от —40 до
—50° С, сколько устранение снижения |
ударной вязкости в интервале отпускной
хрупкости, а также чувствительности ста-
ли к острым надрезам и трещинам, осо-
бенно в условиях динамических нагру- |
зок.	!

Конструкционные среднелегированные
толстолистовые стали должны обладать
высоким уровнем свойств не только в про-
дольном и поперечном направлениях, но и
в направлении, перпендикулярном к пло-
скости проката,— по толщине проката.

Проведенные в последние годы иссле-
дования [49, 61 и др.] показывают, что
ЭШП обеспечивает наиболее высокий
комплекс физико-механических свойств
легированной толстолистовой стали толь-
ко в том случае, если для данного хими-
ческого состава найдены оптимальный
технологический вариант ЭШП и соответ-
ствующий режим термообработки. Это по-
ложение в первую очередь относится к
сложнолегированным высокопрочным ста-
лям, склонным к различного рода микро-
химическим неоднородностям.

Одним из наиболее важных факторов,
определяющих свойства стали, является
ее химический состав. Известно, что раз-
ные легирующие элементы в различной
степени влияют на свойства металла.
товых слитках ЭШП массой 10—14 т

	Сг	И1	Си	А1	V	1Ы]
	0,02	0,02	0,02	0,027	0,100	0,015
	0,02	0,02	0,02	0,027	0,100	0,016
	0,02	0,02	0,02	0,027	0,100	0,017
	0,06	0,03	0,03	0,013	0,098	0,015
	0,07	0,03	0,02	0,016	0,098	0,015
	0,06	0,03	0,04	0,015	0,100	0016
	0,05	0,03	0,03	0,013	0,100	0,016
	0,07	0,03	0,04	0,009	0,100	0,016
	0,07	0,03	0,04	0,013	0,098	0,015
	0,05	0,03	0,02	0,012	0,098	0,016
1	0,05	0,03	0,02	0,014	0,100	0,016
	0,05	003	0,02	0,013	0,100	0,015
	0,05	0,03	0,02	0,012	0,110	0,016
	0,05	0,03	0,02	0,012	0,110	0,016
	0,05	0,03	0,02	0,014	0,110	0,017

К числу наиболее эффективных легирую-
щих элементов в низко- и среднелегиро-
ванных сталях относится углерод. Даже
> относительно незначительное изменение
содержания углерода существенно сказы-
вается на физико-механических свойствах
металла.

!	Проведенные нами исследования на

низкоотпускаемой (до 300° С) кремнемар-
ганцемолибденовой стали ЭШП с содер-
жанием углерода от 0,28 до 0,39%
(табл. 262) показывают, что изменение
содержания углерода на 0,1% приводит
к увеличению предела прочности на
25 кгс/мм2 и падению ударной вязкости
при 20°С на 2,5 кгс-м/см2. Падение удар-
ной вязкости, увеличение содержания угле-
рода выше определенного предела в низ-
ко- и среднелегированных сталях сопря-
жены с резким ухудшением свариваемости
металла и поэтому нежелательны.

Влияние углерода в высокоотпускае-
мых сталях на механические свойства
(в отличие от низкоотпускаемых сталей)
носит более сложный характер, связанный
с тем, что содержание углерода в стали
определяет температуру высокого отпуска
для получения требуемой категории проч-
ности.

Поэтому для среднелегированной ста-
ли, содержащей углерод, по нижнему
(Са) и верхнему (Св) пределам для полу-
чения одинаковой категории прочности

приходится изменять температуру высоко-
го отпуска в довольно широком интервале
(рис. 254). При этом для получения верх-
него предела прочности стали, содержа-
щей углерод, ближе к нижнему пределу
нередко приходится снижать температуру
высокого отпуска ниже верхней границы
отпускной хрупкости. В результате резко
увеличивается склонность среднелегиро-
ванной стали к хрупкому разрушению,
особенно при отрицательных температу-
рах. Таким образом, изменение содержа-
ния углерода на 0,1% в высокоотпускае-
мых среднелегированных сталях может
привести к существенному изменению фи-
зико-механических свойств. Между тем
существующие стандарты предусматрива-
ют изменение содержания углерода в низ-
ко- и среднелегированных сталях в преде-
лах марочного состава до 0,06—0,1%.
Такое изменение содержания углерода не-
изменно сопутствует способам открытой
выплавки (в мартеновских, электродуго-
вых печах и конвертерах) и зависит глав-
ным образом от способа выплавки стали,
легирования стали другими элементами,
ведения процесса плавки и т. п.

Вместе с тем гарантированный уровень
механических и служебных свойств, по
которому производится расчет конструк-
ций ответственного назначения, устанав-

Рис. 254. Влияние содержания углерода и тем-
пературы высокого отпуска на верхний (1) и
нижний (2) пределы прочности легированной
толстолистовой стали (Сн, Сср и Ся — нижнее,
среднее и верхнее содержание углерода; Т\ и
Т2 — предельные значения температуры от-
пуска; Гкр — температура отпуска, соответ-
ствующая началу отпускной хрупкости).
Таблица 261. Механические свойства толстолистового проката стали марки 16Г2АФ до и послеЭПШ

Способ выплавки	Тол- щина листа, мм	Режимы термооб- работки (норма- лизация)	05, кгс м/мм2	°в* кгс/мм2	6. %	Ф, %
Кислородно- ко11вертерный	50	Нагрев до 900° С	39,0—39,0	53,5—55,0	24,0—32,0	61,0-63,0
		1 ч 40 мин	39,0	54,0	28,0	62.0
ЭШП под флюсом системы	50	Нагрев до 900° С	42,0—42,5	56,0—56,0	31,0—33,0	68,0—75,0
СаР2—А12О3—СаО —		2 ч 20 мин	42,2	56,0	32,0	71,0
8Ю2—М^О						
Кислородно-конвертерный	70	То же	43,5—44,5	60,0—61,0	28,0—28,0	59,0—64,0
			43,7	60,3	28,0	60,7
ЭШП под флюсом системы	70	» »	45,0—46,0	60,0—61,0	28,0—30,0	69,0-71,0
СаГ2—А12О3—СаО			45,5	60,6	29,0	70,0
То же, СаР2—А12О3—	70	» »	43,0—46,0	57,0—57,0	29,0—32,0	75,0-75,0
СаО—8Ю2—МуО			44,2	57,0	31,0	75,0
Кислородно-конвертерный	50	Нагрев до 930° С	39,5—40,0	54,0—54,0	29,0—30,0	60,0—64,0
		1 ч 40 мин	39,8	54,0	29.5	62,0
ЭШП под флюсом системы	50	То же	40,0—42,5	56,0—56,0	28,0—32,0	75,0—75,0
СаР2—А12О3—СаО			41,1	56,0	30,0	75,0
Кислородно-конвертерный	70	Нагрев до 930° С	44,0—45,5	61,0—62,0	26,0—28,0	58,0—64,0
		2 ч 20 мни	44,1	61,3	27,1	61,1
ЭШП под флюсом системы	70	То же	45,0—45,0	60,0—60,0	30,0—32,0	69,0—70,0
СаР2—А12О3—СаО			45,3	60,0	30,7	69.7
То же, СаР2—А12О3—	70	» »	43,0—47,0	57,0—60,0	29,0—33,0	75,0-75,0
СаО—81О2—М§О			43,0	58,0	31,3	75,0
Кислородно-конвертерный	50	Нагрев до 950° С	38,5—39,5	54,0—55,0	28,0—30,0	52,0-61,0
		1 ч 40 мин	39,0	54,3	29,0	56,0
ЭШП под флюсом системы	50	То же	42,0—43,5	57.0—58,0	28,0—31,0	64,0-75,0
СаР 2~~"^ 2^з—СаО-—			42,0	57,6	29,0	69,6
81О2—М^О						
Кислородно- конвертерный	70	» »	43,5—44,5	62,0—62.0	29,0—30,0	60,0-60,6
			44,0	62,0	29,3	60,0
ЭШП под флюсом системы	70	» »	46,5—48,5	62,0—62,0	28,0—30,0	69,0-71,0
СаР2—А12О3—СаО			47,1	62,0	29,3	60,0
То же, СаР2—А12О3 —	70	» »	43.0—45,5	58,0—59,0	28,0—32,0	70,0-75.0
СаО—8 Ю2—М^О			44,5	58,3	30,0	71,6
Кислородно-конвертерный	50	Нагрев до 930° С	40,0—41,0	59,0—61,0	30,0—31,0	60,0—64,0
		2ч 20 мин	40,3	59,2	30,3	61,0
ЭШП под флюсом системы	50	То же	42,0—46,0	56,0—57,0	29,0—30,0	69,0-75,0
СаР2—А12О3— 8Ю2 —			43.6	56,6	29,3	73,0
СаО—-М^О						
Кислородно-конвертерный	70	» »	43,0—43,5	61,0—61,0	26,0—28,0	64,0-64.0
			43,0	61,0	27,0	64,0
ЭШП под флюсом системы	70	» »	45,5—48,0	61,0—62,0	28,0—30,0	65,0—70,0
Са!12*—" А!2'-^з—СаО			46,8	61,3	28,6	68,0
То же, СаР2—А12О3—	70	» »	43,0—44,0	57,0—58,0	29,0—33,0	70,0—75,0
—С10--- А1^О			43,3	57,6	30,6	72,0

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние.
сн (кгс-м/см2) при Г, °С			После меха- нического старения
20	—40	—70	
13,6-16,3	10,4—11,9	8,9—9,6	11,9—12,4
15,0	11,1	9,2	12,3
33,4-34,7	21,2—33,8	17,8—18,6	18,5—18,7
34,2	28,7	18,3	18,6
16,3-18,5	10,1—13,4	8,4—9,9	11,6—13,6
17,7	11,6	9,1	12,5
18,6-18,8	16,4—18,7	11,3—14,7	18,5—18,5
18,7	17,2	12,8	18,5
29,5—31,5	18,1—22,5	16,5—18,8	18,3—18,5
31,0	20,2	18,4	18,4
10,8—14,4	10,8—13,9	9,1—9,1	10,9—11,9
12,9	Н.9	9,1	11,3
23,3—31,3	21,2—26,5	18,6—18.6	18,0—18,7
28,4	23,2	18.6	18,3
13,9—16,9	8,9—10,1	6,9—7,4	12,4—12,9
15,5	9,5	7,1	12,7
18.1-18.7	16,6—18,7	9,2—15,5	18,4—18,6
18,5	17,7	13,0	18,5
30,5-31,7	20,0—21,6	18,5—18,8	18,5—18,8
31,2	20,9	18,7	18,6
11,1-16,3	9,9—10,8	7,1—8,9	10,6—12,6
13,9	9,3	7,8	11,8
30,0-32,0	18,3—22,0	18,6—18,7	18,1—18,6
31,3	20,9	18,6	18,3
14,4-15,5	10,3—13,2	7,4—8,4	10,4—11,8
15,1	11,6	7,9	11,3
20,2-22,8	12,5—15,8	8,3—11,9	14,9—18,7
15,1	11,6	10,0	17,2
28,7-30,0	17,5—19,3	18,1—18,6	18,3—18,5
29,4	18,7	18,4	18,4
16,3-18,7	15,8—17,1	10,4—10,4	11,4—14,7
17,5	16,5	10,4	12,9
32,3-33,8	18,5—23.0	18,6—18 6	18,3—18.6
32,8	21,4	18,6	18,6
16,2-17,0	11,1—14,2	7,8—8,8	13,2—14,4
16,4	12,6	7,9	13,6
21,8-23,7	11,7—13.2	12,4—18,1	18,6—18,7
22,8	12,6	14,8	18,6
27,0-28,7	19,3—24,7	17,0—17,4	18,4—18,7
28,3	21,3	17,2	18,5

Рис. 255. Частотная характеристика серийных
плавок легированной толстолистовой стали при
различном содержании углерода:

1 — металл Открытой выплавки; 2 — металл ЭШП
после сужения пределов содержания углерода.

ливается исходя из прочностных характе-
ристик металла с нижним содержанием
углерода, а пластических и вязкостных
свойств — с верхним содержанием угле-
рода. Это приводит к завышению толщи-
ны металла и массы конструкций. Кроме
того, исходя из условия свариваемости
стали приходится для обеспечения требуе-
мой прочности применять более легиро-
ванную сталь, но с меньшим содержани-
ем углерода или существенно усложнять
технологию сварки стали.

Практика применения конструкцион-
ных сталей в изделиях ответственного на-
значения показывает, что оптимальным
сочетанием рассмотренных выше физико-
механических свойств обладают стали, со-
держащие углерод ближе к среднемароч-
ному составу. Поэтому в металлургиче-
ском производстве имеется тенденция к
получению стали со средним содержанием
углерода.

Типичная частотная кривая плавок
конструкционных легированных сталей в
зависимости от содержания углерода
(рис. 255) показывает, что 30% общего
количества плавок составляют плавки с
содержанием углерода Сн и Св. Именно
эти 30% плавок фактически определяют
гарантированный уровень механических и
служебных свойств низко- и среднелегиро-
ванных сталей. В связи с этим на сталях
Таблица 262. Концентрация некоторых элементов в среднелегированной стали (%) до ЭД
и после ЭШП с применением парной комплектации расходуемых электродов

1  Плавка	эд			Плавка и схема пар- ной ком- плектации электродов	эшп					
	С	8	р		с		8		р	
					расчет- ное	факти- ческое	расчет- ное	фактиче- ское	расчет- ное	фактиче- ское
И2	0,30	0,005	0,010	ЭШП-1 И2 + И4	0,310	0,308  0,311	0,0060	0,004  0,005	0,0090	0,008  0,009
И4	0,32	0,007	0,008							
ИЗ	0,31	0,006	0,010	ЭШП-2 ИЗ + И5	0,320	0,315  0,322	0,0056	0,004  0,005	0,0080	0,008  0,009
И5	0,33	0,005	0,006							
И1	0,27	0,006	0,010	ЭШП-3  И1 + И6	0,335	0,338  0,343	0,0070	0,005  0,006	0,0070	0,007  0,008
И6	0,40	0,008	0,004							

Примечания: 1. Для исходного металла химический состав приведен по ковшовой пробе. 2. Для металла ЭШП
приведены средине значения химического состава, определенного не менее чем иа шести листах от плавки. ЭШП-Ь
ЭШП-2 и ЭШП-3 — три плавки ЭШП. Числитель — проба, соответствующая головной части слитка, знаменатель —
проба, соответствующая донной части слитка. И! . .. И6 — номера плавок исходного металла.

некоторых марок сужают пределы содер-
жания углерода до 0,04% за счет отбра-
ковки по углероду большого числа имею-
щихся плавок, т. е. производят так назы-
ваемый селект. Это искусственное суже-
ние пределов содержания углерода в слу-
чае дорогих легированных конструкцион-
ных сталей неэкономично и приводит к
перерасходу таких легирующих элементов,
как никель, молибден, за счет отбраков-
ки, которая может достигать, как видно
из рис. 255, примерно 30%.

При ЭШП содержание основных леги-
рующих элементов, определяющих свой-
ства стали до и после переплава, остается
практически неизменным; уменьшается
только содержание вредных примесей —
серы, кислорода и др. Поскольку при
ЭШП не изменяется содержание основ-
ных легирующих элементов, то у электро-
шлаковой стали в зависимости от хими-
ческого состава металла электродов в
пределах конкретной марки также будут
значительно колебаться механические и
служебные свойства.

В работах [4, 35, 48] показано, что пу-
тем селективного подбора металла расхо-
дуемых электродов из разных исходных

плавок можно получать сталь ЭШП с со-
держанием таких легирующих, как угле-
род, марганец, азот, соответствующим
среднему марочному составу данной мар-
ки стали.

При выплавке плоских листовых слит-
ков ЭШП по бифилярной схеме для этой
цели осуществляют парную комплектацию
электродов, которая состоит в том, что для
первого электрода используют исходную
плавку стали с содержанием одного или
нескольких легирующих элементов ниже
средних значений для данной марки ста-
ли, а для второго электрода — с содержа-
нием легирующих элементов выше сред-
них значений.

Была поставлена задача оценить эф-
фективность парной комплектации расхо-
дуемых электродов при изготовлении разо-
вой промышленной партии толстолистовой
среднелегированной стали ЭШП.

Исходную сталь для расходуемых
электродов выплавляли в открытой дуго-
вой печи с основной футеровкой емкостью
80 т. Всего было выплавлено 6 плавок
стали, которая при выпуске была подверг-
нута обработке жидким синтетическим
шлаком, разлита в слитки массой 11 т.
Таблица 263. Механические свойства толстолистовой среднелегированной стали ЭШП,
выплавленной с использованием парной комплектации расходуемых электродов

Плавка	Содержание углерода. %	Механические свойства				ан> кгс м/см2	
		°в> кгс/мм8	<г5. кгс/мм2	б. %	%	20° С	—70» С
ЭШП-1	0,31	113,5	102,5	16,0	67,2	16,7	8,0
ЭШП-2	0,32	114,0	103,5	16,0	67,0	15,5	8,3
ЭШП-3	0,34	118,5	107,0	15,5	65,5	13,5	8,5

Примечание. Приведены средние зиачеиия, полученные не менее чем на трех образцах. Направление вы-
резки образцов — поперек прокатки.

Слитки прокатывали на слябинге 1150 на
слябы толщиной 140 мм, которые приме-
няли в качестве расходуемых электродов
при ЭШП.

Электрошлаковый переплав стали осу-
ществляли на печи типа У-436 под флю-
сом марки ЛНФ-25 в листовые слитки
массой 10 т. В процессе выплавки слитков
ЭШП применяли селекцию металла элек-
тродов только по углероду (см. табл. 263),
так как содержание других легирующих
элементов (хрома, никеля, молибдена) в
исходных плавках практически не отли-
чалось.

Слитки ЭШП прокатывали на листы
толщиной 90 мм, от которых отбирали
пробы (от головной и донной части) для
определения химического состава. Изуче-
ние химического состава металла ЭШП
показало, что фактическое содержание
углерода в стали ЭШП практически сов-
падает с расчетным. При этом в резуль-
тате парной комплектации расходуемых
электродов предельные значения концент-
рации углерода для промышленной пар-
тии металла ЭШП составляют 0,30—0,34%
против 0,27—0,40% для металла исходных
плавок, т. е. для металла ЭШП предель-
ные значения содержания углерода сужа-
ются в 3,25 раза. Селекция металла рас-
ходуемых электродов также благоприятно
сказывается на снижении и выравнива-
нии в металле ЭШП концентрации серы
и фосфора (см. табл. 262).

Термическая обработка листов ЭШП
промышленной партии позволила выявить
преимущества стали ЭШП с узкими пре-
делами содержания углерода. Установле-
но, что полученное в результате селекции

сужение пределов концентрации углерода
(0,30—0,34%) в металле ЭШП промыш-
ленной партии дает возможность суще-
ственно упростить технологию термообра-
ботки листов ЭШП. Требуемая согласно
техническим условиям категория прочно-
сти толстолистовой среднелегированной
стали (табл. 263) получена путем термо-
обработки листов ЭШП всех трех пла-
вок по одному режиму. При этом как
для закалки, так и для отпуска применя-
ли многорядную садку в камерной печи с
выдвижным подом, что позволило значи-
тельно упростить технологию и повысить
производительность процесса термообра-
ботки. Для сравнения отметим, что для
обеспечения той же категории прочности
толстолистового металла с химическим со-
ставом, аналогичным химическому соста-
ву металла исходных плавок (с содержа-
нием углерода 0,27—0,40%), необходимо
назначать дифференцированный отпуск в
пределах 40—60° С в зависимости от со-
держания углерода.

Возможность получения в результате
парной комплектации расходуемых элек-
тродов больших партий листа ЭШП со
стабильным, близким содержанием леги-
рующих элементов в сочетании с прису-
щей металлу ЭШП высокой структурной
и химической однородностью обусловли-
вают высокую технологичность толстоли-
стовой стали ЭШП в процессе изготовле-
ния из нее изделий.

Использование при выплавке каждого
слитка ЭШП металла двух исходных пла-
вок обеспечивает сокращение вдвое коли-
чества плавок ЭШП по сравнению с ко-
личеством исходных плавок, естественно,
при условии, что выплавка этих слитков
производится по одной и той же техноло-
гии и с применением одних и тех же ма-
териалов. Указанное обстоятельство име-
ет важное практическое значение. Сокра-
щается вдвое объем сертификатных испы-
таний листового металла ЭШП, которые
обычно проводятся на технологических
пробах, отобранных от одного листа каж-
дой плавки. При этом уменьшается вдвое
также количество металла, необходимого
для изготовления проб.

Необходимо отметить, что еще боль-
ший эффект может быть достигнут в про-
цессе производства из листа ЭШП свар-
ных металлоконструкций. Как известно,
для контроля качества сварных соедине-
ний изделий ответственного назначения,
например сосудов высокого давления,
одновременно со сваркой изделия преду-
сматривается сварка контрольных образ-
цов-свидетелей, количество которых выби-
рается в зависимости от количества пла-
вок листовой стали, используемой для
производства металлоконструкций. Поэто-
му увеличение объема поставки толстоли-
стового металла одной плавки позволяет
сократить расходы, связанные с проведе-
нием дополнительных испытаний.

Таким образом, проведение при ЭШП
среднелегированной толстолистовой стали
парной комплектации расходуемых элек-
тродов с учетом конкретного химического
состава всех исходных плавок позволяет
для данной партии металла ЭШП стаби-
лизировать содержание легирующих эле-
ментов, в частности углерода, и вредных
примесей (серы, фосфора) и в результате
повысить качество и технологичность ста-
ли ЭШП.

Хромомолибденовые стали. Стали это-
го типа нашли широкое применение для
изготовления корпусов сосудов высокого
давления и различной аппаратуры в энер-
гетическом и нефтехимическом машино-
строении. Наиболее известны две марки
толстолистовой хромомолибденовой ста-
ли— 10Х2М1 и 18Х2МА.

Результаты исследований [4, 48], про-
веденных ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР
и другими организациями, свидетельству-
ют об эффективности применения ЭШП в
производстве высококачественного толсто-

листового проката стали типа 10Х2М1 и
18Х2МА.

С целью изучения влияния технологии
ЭШП на качество листового металла при
производстве крупногабаритных листов
ЭШП, предназначенных для исследований,
использовали два технологических вари-
анта: для стали 18Х2МА — прокатку
листов толщиной 110 мм из плоских ли-
стовых слитков ЭШП массой 10 т и сече-
нием 640 X 1100 мм, полученных по схеме
заполнения с использованием флюса си-
стемы СаРг—АЬОз—СаО; для стали
10Х2М1—прокатку листов толщиной
100 мм из слитков-слябов ЭШП массой 8 т
и сечением 250 X 1100 мм, полученных по
схеме встречного движения кристаллиза-
тора и расходуемых электродов, с исполь-
зованием флюса системы СаГг—СаО—
АЬОз— 8 Юг.

Качество металла ЭШП изучено на
образцах из литого слитка-сляба и листов
толщиной 100 мм (сталь 10Х2М1) и
110 мм (сталь 18Х2МА), а также конт-
рольного листа стали 18Х2МА толщиной
ПО мм, прокатанного из исходной марте-
новской стали.

Для оценки макроструктуры слитка-
сляба стали 10Х2М1 были вырезаны про-
дольный осевой (параллельно узкой гра-
ни) и два поперечных (из верхней и ниж-
ней частей слитка-сляба) темплета. Ма-
кроструктура слитка-сляба показана на
рис. 256. Головная обрезь составляла
9—100 мм (5—5,5%), а донная — 50—
60 мм (2—2,5%). Макроструктура слитка-
сляба плотная, однородная. Зона ориенти-
рованных дендритов распространяется на
100—ПО мм. В осевой части имеется зона
разориентированных мелких кристаллов
(ширина зоны 30—40 мм).

Кроме визуального изучения плотности
литого металла ЭШП проводили гидро-
статическое взвешивание образцов, ото-
бранных от головной, средней и донной
частей слитка-сляба из осевой и крайней
зон. Проведенные исследования свидетель-
ствуют о практически равной плотности
металла по всему сечению слитка. Пре-
дельные отклонения от среднего значения
плотности составляют ±0,0001—0,0004 г/см3.
Для определения плотности металла из
образцов были изготовлены шлифы и про-
Таблица 264. Химический состав сталей 10Х2М1 и 18Х2М до и после ЭШП, %

Марка стали	Способ вы- плавки	Место отбора пробы	с	81	Мп	р	8	Сг	Мо
10Х2М1	эд	Ковш	0,11	0,32	0,50	0,010	0,010	2,42	0,99
	ЭШП	Голова	0,11	0,23	0,50	0,011	0,003	2,40	0,97
		Середина	0,11	0,23	0,48	0,010	0,003	2,39	0,97
		Дно	0,12	0,32	0,47	0,012	0,003	2,37	0,98
18Х2М	Мартеновский	Ковш	0,16	0,34	0,43	0,015	0,015	2,27	0,28
	ЭШП	Голова	0,16	0,34	0,43	0,015	0,009	2,29	0,29
		Дно	0,16	0,34	0,46	0,015	0,007	2,25	0,29

смотрены под микроскопом при увеличе-
нии 500. Никаких дефектов усадочного
характера не было обнаружено.

Рис. 256. Макроструктура слитка-сляба стали
10Х2М1Ш.

Серные отпечатки, по Бауману, темп-
летов, отобранных из листов электрошла-
кового металла, свидетельствуют об одно-
родной плотной макроструктуре и равно-
мерном распределении серы. Для листово-
го металла мартеновской выплавки в
средней трети по толщине наблюдается
ярко выраженная сульфидная ликвация,
которая как результат горячей прокатки
носит строчечный характер.

Результаты исследования химической
однородности листовой заготовки (слитка-
сляба ЭШП) стали 10Х2М1 и листов ста-
ли 18Х2МА исходной мартеновской вы-
плавки и после ЭШП приведены в
табл. 264. Как видно из таблицы, для ста-
ли 18Х2М содержание основных легирую-
щих элементов (углерода, хрома, молиб-
дена), а также марганца и кремния в
плавочной пробе и листах практически
одинаково и их распределение по длине
листов равномерное. Содержание серы
снизилось в 2 раза (на 50%) —с 0,015—
0,017% в мартеновской стали до 0,007—
0,009% в стали ЭШП.

Для стали 10Х2М1 распределение
углерода, хрома, молибдена, марганца по
высоте и сечению слитка равномерное, со-
держание их находится на уровне исход-
ного металла. Кремний в нижней части
слитка остается на уровне исходного ме-
талла, а в средней и верхней частях на-
блюдается небольшой угар.

Дальнейшие работы показали, что рас-
кисление шлака по ходу ЭШП, кот9рое
легко осуществимо при применяемой схе-
ме ЭШП (встречное движение кристалли-
затора и расходуемых электродов), обес-
печивает равномерное распределение крем-
ния по высоте слитка, соответствующее
содержанию его в исходном металле.
Таблица 265. Содержание газов в сталях
10Х2М1 и 18Х2М до и после ЭШП, %

Марка стали	Способ выплавки	Ш1	[О]	[Н]
10Х2М1  18Х2М	эд эшп Марте- новский ЭШП	0,0120  0,0130  0,0040  0,0028	0,0056 0,0034 0,0030  0,0019	0,00027 0,00022 Не опр.  » »

Содержание углерода в слитке ЭШП, осо-
бенно в нижней его части, незначительно
повышается по сравнению с исходным ме-
таллом. Такое поведение углерода объяс-
няется некоторым науглероживанием флю-
са, вызванным более продолжительным
приготовлением флюса в графитовом тиг-
ле-ковше из отдельных шихтовых материа-
лов (обычно расплавляют готовый плав-
леный флюс). Как показал в дальнейшем
опыт ЭШП слитков-слябов на плавленом
флюсе, содержание углерода в металле
ЭШП остается на уровне его содержания
в электродах. Содержание серы после
ЭШП снизилось в 3 раза (на 60—70%) —
с 0,010% в исходном металле до
0,0033% в стали ЭШП.

Газовый анализ (табл. 265) показал,
что после ЭШП содержание кислорода
как в стали 10Х2М1, так и в стали
18Х2МА снизилось в среднем в 1,6 раза
(с 0,0056 до 0,0034% — для стали 10Х2М1
и с 0,0030 до 0,0019% — для стали
18Х2МА). Содержание азота для стали
10Х2М1 после ЭШП несколько повыси-
лось— на 5—7%. В стали 18Х2МА содер-

жание азота, наоборот, на 30% уменьши-
лось: с 0,0040 до 0,0028%. Интересно отме-
тить, что в стали 10Х2М1 ЭШП содержа-
ние водорода в среднем на 20% ниже, чем
в исходном металле.

Как показали последующие работы,
применение при схеме выплавки встречно-
го движения кристаллизатора и расходуе-
мых электродов продувки шлака и метал-
ла осушенным аргоном или аргонокисло-
родной смесью с одновременной защитой
плавильной зоны от контакта с атмосфе-
рой способствует дальнейшему снижению
содержания газов и особенно водорода в
металле ЭШП, а также более равномер-
ному их распределению.

Образцы литого металла ЭШП стали
10Х2М1, отобранные из тех же участков
слитка, что и образцы для химического
анализа, были исследованы для выявле-
ния микрохимической неоднородности ме-
тодом микрорентгеноструктурного анализа
на установке МД-46 («Сашеса», Фран-
ция). Запись кривых распределения леги-
рующих элементов проводили одновре-
менно по хрому, марганцу, молибдену и
кремнию при перемещении образца под
зондом. Зонд пересекал оси дендритов и
межосные участки. В результате исследо-
ваний установлено очень равномерное рас-
пределение указанных элементов. Только
по содержанию хрома в оси дендрита и
на межосном участке отмечено незначи-
тельное различие на одном образце. Не
обнаружено локальных обогащений и по
таким ликвирующим элементам, как угле-
род, сера, фосфор, алюминий.

Таблица 266. Неметаллические включения в листе толщиной 100 мм стали 10Х2М1 после
ЭШП, балл по ГОСТ 1778—70

Место отбора пробы	Оксиды		Силикаты			Сульфиды
	точечные	строчечные	хрупкие	пластинчатые	недеформиро- ваниые	
Голова	0,6—1,5	0—0,5	0—0,5	0—0,5	1,0—2,0	0,5—0,5
	1,01	0,45	0,4	0,43	1,7	0,5
Середина	1,0—1,0	0—0,5	0—0,5	0,5—0,5	1,0—2,0	0,5—0,5
	1,0	0,45	0,4	0,5	1,6	0,5
Дно	1,0—1,0	0—0,5	0—0,5	0,0—0,0	1,0—2,0	0,5—0,5
	1,0	0,47	0,45	0	1,6	0,5

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние.
Таблица 267. Механические свойства листов толщиной 100 мм стали 10Х2М1 из слитков-слябов
ЭШП толщиной 250 мм

Место отбора образцов	Направление вы- резки образцов	КГС/ММ2	ав, кгс/мм«	6. %	Ч>. %	ан, кгс - м/см2
Голова  Дно	X  У  X  г  X 2  X  У  X  г  X  2	54,5—56,5 55,5  56,6—59,0  57,8  104  49,0—58,0  53,2  96  58,0—61,0 60,0  59,5—61,0	66,0—68,5	21,0—19,0	84,0—84,0	30,0—30,0
			67,5  68,0—68,5	20,3  19,0—21,0	84,0  83,5—84,5	30,0  30,0—30,0
			68,7  102 63,0—69,0	20,3  100 20,0—21,0	84,0  100 84,0—84,0	30.0  100 29,0—30,0
			65,7  97,5  71,0—74,5	20,7  102  20,0—21,0	84,0  100  82,0—83,5	29,3  97,6  32,0—34,0
			73,0  71,5—74,5	20,7  18,5—21,0	82,5  80,5—83,5	33,0  30,0—34,0
		60,0  99,5  58,5—60,0	72,8  99,6  72,0—73,0	20,2  97,6  18,0—21,0	81,7  99,1  80,5—81,5	32,3  97,8  33,0—35,0
		59,5  98.8	72,5  99,3	19,7  95,2	81,2  98,5	34,3  104

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние. Значение отношения в раз-
личных направлениях дано в процентах.

Как следует из данных табл. 266, для
листового металла ЭШП характерна не
только значительно меньшая загрязнен-
ность неметаллическими включениями, но
и равномерное распределение их по длине
листов. При просмотре образцов при уве-
личении 100 и 500 в светлом и темном
полях зрения, а также в поляризованном
свете установлено, что основную массу
включений составляют включения корунда
АкОз, алюмосиликатов ЗА12Оз-281О2 и си-
ликатов марганца 2МпО4-81О2. Кроме то-
го, в небольшом количестве присутствуют
включения окиси хрома Сг2Оз и кварцево-
го стекла. Интересно отметить, что содер-
жание включений в исследованном метал-
ле ЭШП очень низкое, а размеры их не
превышают 10 мкм.

Механические свойства листов толщи-
ной 100 мм стали 10Х2М1 исследовали на
образцах, соответствующих головной и
донной частям слитка, вдоль (х), поперек
(у) и по толщине (г) листа. Изотропность

механических свойств оценивали по отно-
шению значений Щ, <Тв, 6, яр, ав попереч-
ных и вертикальных (по толщине листа)
образцов к значениям тех же показателей
продольных образцов. Результаты прове-
денных исследований показали, что в тол-
столистовом металле 10Х2М.1 ЭШП прак-
тически отсутствует анизотропия свойств
по сечению листа (табл. 267). Для стали
18Х2МА определяли механические свой-
ства листов толщиной НО мм мартенов-
ской выплавки и после ЭШП (табл. 268).
При этом, если прочностные характери-
стики листовой стали до и после ЭШП
были примерно одинаковыми, то по пла-
стическим свойствам металл ЭШП превос-
ходил мартеновский металл.

Особенно существенная разница в ка-
честве тол стол истово го металла ЭШП и
металла мартеновской выплавки при ис-
пытании тол стол истовой стали на ударный
изгиб. Результаты сравнительных испы-
таний листовой стали 18Х2МАШ и
Таблица 268. Механические свойства листов стали 18Х2М толщиной 110 мм до и после ЭШП (м

Способ вы- плавки	Термообработка	<1$, КГС/ММ2	ав. кгс/мм3	6, %	4>. %
		20 °С			
Мартеновский  ЭШП	Закалка 4- отпуск  Нормализация -)- отпуск  Закалка + отпуск  Нормализация + отпуск	57,4—60,0  58.7 53,4—54,4	70,6—73,0	21,4—21,8	70,5—74,5
			71,8  69,5—67,3	21,6  23,0—25,0	72,5  75,9-77,9
		53,9  57,4—59,4	66,6  69,4—70,6	24,0  21,2—22,6	76,9  73,0-75,0
		58,4  50,3—50,9	70,0  63,8—64,0	21,8  25,6—26,0	74,0  78,3-78,8
		50,5	63,9	25,8	78,6

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние.

18Х2МА мартеновской выплавки (табл.
269) показывают, что ЭШП не только по-
вышает общий уровень показателей удар-
ной вязкости, но также существенно (на
20—30° С) снижает температуру критиче-
ской хрупкости Тк, особенно на вертикаль-
ных образцах.

Для сравнительной оценки работы раз-
рушения толстолистового металла ЭШП и
мартеновского металла были испытаны на
излом крупногабаритные образцы разме-
ром 110 X 50 X 300 мм, которые газокис-
лородным способом вырезали по всей тол-
щине НО мм листов стали 18Х2МАШ и
18Х2МА. На образцах выполняли надрез
глубиной 15 мм с помощью машинного
газокислородного резака. Хрупкая мар-
тенситная зона в вершине надреза, обра-
зующаяся в результате подкалки при га-
зовой резке, инициировала начало разру-
шения образцов при их изгибе на 200-тон-
ном прессе.

При испытании на прессе оценивали
разрушающее усилие. Результаты испыта-
ния показывают, что работа разрушения
(излома) при изгибе крупногабаритных
образцов с надрезом для металла ЭШП
на 50% больше, чем для мартеновского
металла.

Поскольку большинство конструкций
из толстолистовой стали изготавливаются
сварными, одной из важнейших характе-
ристик среднелегированной листовой ста-
ли является ее стойкость против образо-
вания холодных трещин при сварке.

В ИЭС им. Е. О. Патона ЛИ УССР

А. М. Макара, В. Г. Гордонный и др. [8,
27] оценивали склонность к холодным
трещинам (замедленному разрушению)
сварных соединений из среднелегирован-
ной высокопрочной стали, прошедшей
ЭШП, и исходной стали.

При длительном испытании образцов
под нагрузкой в течение 24 ч сварные со-
единения на металле ЭШП не разруши-
лись при нагрузке о = 12 кгс/мм2. Соеди-
нение исходной стали выдержали нагруз-
ку о = 8 кгс/мм2. Стойкость против за-
медленного разрушения металла ЭШП
в этом случае возросла на 50%. Это уве-
личение длительной прочности металла
ЭШП и большую его стойкость против
образования холодных трещин авторы
объясняют тем, что холодные трещины
развиваются из зародышей в виде горя-
чих микронадрывов. В металле ЭШП, зна-
чительно очищенном от неметаллических
включений, сульфидов, микронадрывов го-
раздо меньше, чем в исходном металле.

Была проведена сравнительная оценка
склонности к холодным трещинам типа
отколов толстолистовой (толщиной ПО мм)
стали 18Х2МА ЭШП и мартеновской ста-
ли на жестких пробах типа Теккен [48].
Преимущество указанного испытания пе-
ред другими испытаниями на склонность
к холодным трещинам в простоте и малой
трудоемкости. По этой пробе можно су-
дить о склонности только к холодным тре-
щинам типа отколов в околошовной зоне.
Трещины в швах при этом виде испыта-
ний очень редки.
П (попе Р*4"» образцы)

%	4	<т5, кгс/мм’	ов, кгс/мм8	& %	%
		350 °С			
-74,5		49,5-52,5	62,2—69,0	17,7—18,0	71,6—75,0
>, 5  -77,9		50,9  45,1-47,6	63,6 60,0—62,5	63,6 18,3—22,0	72,3  71,6—75,0
>,9  -75,0		45,8 49,5-49,5	61,2  60,5—61,2	20,1 17,7—18,3	72,3  69,8—73,3
1,0  -73,8		49,5 42,0-42,5	60,7  56,1—56,8	18,1  20,7—21,7	71,5  71,6—73,5
>,6		42,3	56,5	21,2	72,5
					

Сравнительную оценку свариваемости
исходного и переплавленного металла про-
изводили следующим образом. Контроль-
ный шов жестких стыков заваривали в
один проход электродами с различным
содержанием водорода в покрытии:
УОНИ-13/45. прокаленными при темпера-
турах 350 и 550° С в течение 2 ч, и электро-
дами АНО-4, прокаленными при темпера-
туре 150° С в течение 2 ч. По данным
И. А. Козлова, содержание водорода в на-
плавке, выполненной электродами УОНИ-
13/45, составляет 4 см3 на 100 г и 0,8—
1,2 см3 на 100 г соответственно при темпе-
ратурах прокалки 350 и 550° С. Содержа-
ние водорода в наплавке, выполненной
электродами АНО-4, составляет 30 см3 на

100 г наплавленного металла. Для сохра-
нения скорости сварки и скорости охлаж-
дения сварка штучными электродами про-
изводилась на автомате «Кьельберг» с по-
стоянной скоростью подачи штучных элек-
тродов в сварочную ванну и постоянной
скоростью перемещения электрода вдоль
шва.

Сварка выполнялась электродами диа-
метром 4 мм. Сварочный ток равен 160—
180 А, напряжение 23—25 В. Сварка про-
исходила с предварительным подогревом
испытываемых образцов в электропечи.
Температура подогрева контролировалась
хромельалюмелевой термопарой с точно-
стью отсчета температуры ±5 град. Зава-
ренные стыки остывали на воздухе и вы-
леживались 48 ч после окончания сварки.
После этого пластинку разрезали на пять
темплетов, приготавливали и осматривали
макрошлифы. Результаты осмотра шли-
фов приведены в табл. 270.

Из сравнения результатов эксперимен-
та видно, что количество отколов на ста-
ли 18Х2М ЭШП по сравнению с исходной
сталью 18Х2М заметно уменьшилось. Так,
при температуре подогрева 130° С при
сварке электродами УОНИ-13/45 из пяти
просмотренных макрошлифов на исходной
стали на всех шлифах имелись отколы, на
металле ЭШП три микротемплета из пяти
не имели трещин; при температуре подо-
грева 150° С и сварке электродами АНО-4
с повышенным содержанием водорода в

Таблица 269. Данные испытаний на ударный изгиб листов стали 18Х2М толщиной НО мм
мартеновской выплавки и ЭШП (после нормализации при 920° С и отпуска с 650° С)

Способ выплавки	Направле- ние вы- резки об- разцов	(кгс • м/см2) при Г, ®С					
		20	—20	|	—40	|	—60	—70	—90
Мартенов- ский	У	17,6—20,8  19,2	—	—	12,4—15.0  13,7	1,5—10,7 тк	0,4—1,0 0,6
	2	3,9—4,5  4,8	3,1—3,4 3,2	1,9—2,5 тк	—	—	—
эшп	У	26,1—30,7  29,4	—	—	—	18,0—21,4  19,5	2,5—14,2 Тк
	2	14,6—20,2  17,4	—	12,5—14,7  13,6	12,4—14,0  13,2	2,5—14,0 Тк	—

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние.
Таблица 270. Результаты исследований склонности к холодным трещинам сталей 18Х2М
и 18Х2М ЭШП на модифицированной пробе Теккена

Номер опыта	Марка стали	Температура по- догрева, °С	Марка электрода	Наличие трещин в сечениях				
				1	2	3	4	5
1	18Х2М	Без подогрева	УОНИ-13/45	+	+							
2	18Х2МЭШП	» »	УОНИ-13/45			 1'	—	—
3	18Х2М	100	УОНИ-13/45	+	+	+	+	4-
4	18Х2МЭШП	100	УОНИ-13/45	+	+	+	+	+
5	18Х2М	130	УОНИ-13/45	+	+	+	+	+
6	18Х2МЭ1ПП	130	УОНИ-13/45	+	+			
7	18Х2М	150	АНО-4	+	+	+	+	+
8	18Х2МЭП1П	150	АНО-4					
9	18Х2М	150	УОНИ-13/45	—	—	—	—.	—
10	18Х2МЭШП	150	УОНИ-13/45	.—	—	—	-—	-—
11	18Х2М	200	УОНИ-13/45	.—	—	—	—	—
12	18Х2МЭШП	200	УОНИ-13/45	—	—	—.	—.	—
13	18Х2М	200	АНО-4	—	—	—  ’	—	—
14	18Х2МЭШП	200	АНО-4	—	—	—	-—	—

Примечание. Плюс означает наличие трещин, минус — их отсутствие. Род тока — постоянный, обратной по-
лярности; для опытов 1 и 2 количество образцов 3, для остальных — 2; в опытах 1 и 2 электроды были прокалены
при 550° С в течение 2 ч, в остальных — при 300° С в течение 2 ч.

зоне термического влияния мартеновской
стали 18Х2М также на пяти темплетах
имелись отколы, металл ЭШП был свобо-
ден от холодных трещин. Все это свиде-
тельствует о лучшей сопротивляемости бо-
лее вязкой толстолистовой среднелегиро-
ванной стали 18Х2МА ЭШП холодным

трещинам по сравнению с исходным мар-
теновским металлом.	>

Таблица 271. Влияние ЭШП иа хладнолом-
кость стали 06НЗ

г, «с	аи, кгс-м/см2	
	Обычный металл	Металл ЭШП
—190	1,0—1,3 1,1  3,8—12,0	3,1—3,2 3,1  19,5—21,1
		
— 170		
		20,2  22,3—23,0
— 163		
	3,2—16,4	
		22,4  21,4—26,2
		
—150	3,6—18,0	
		23,9
— 130	28,5	35,0
—90	24,1—31,4	29,3—31,0
	28,8	30,1
—20	28,9	35,0
20	32,4	30,8

Примечание. В числителе даны предельные дан-
ные, в знаменателе — средние.

Никелевая сталь 06НЗ. Сталь этой
марки предназначена для использования
в аппаратуре, работающей в условиях
глубокого холода. Поэтому главным тре-
бованием, предъявляемым к этой стали,
является высокая пластичность при низ-
ких температурах. В табл. 271 показано
влияние ЭШП на зависимость ударной
вязкости от температуры.

Достигнутое понижение температуры
порога хладноломкости стали 06НЗ с 150
до —190° С достигается, по-видимому,
благодаря снижению содержания в ней
кислорода (с 0,007 до 0,004%) и неметал-
лических включений.

Хромоникелемолибденовые стали. Тол-
столистовые среднелегированные хромони-
келемолибденовые стали применяются в
сварных конструкциях преимущественно в
тех случаях, когда имеется возможность
обеспечить при термической обработке де-
талей и узлов закалку с высоким отпуском.
Только при этом условии удается полу-
чить в стали хорошее сочетание прочност-
ных и вязкостных характеристик. Однако
при закалке должна быть обеспечена пол-
ная прокаливаемость стали, в противном
случае в структуре появляется феррит,
что приводит не только к понижению проч-
ности, но и к уменьшению пластичности
[28]. Очень важно также при термической
обработке среднелегированной хромонике-
Таблица 272. Концентрация некоторых элементов в среднелегнрованной хромоникелемолибденовой
стали до и после ЭШП, %

Способ вы- плавки	Флюс	Раскисление	8	р	С-ЭДмет	^СВЯЗ
Мартенов- ский ЭШП  X  х>	№ 1 №1 №2 №2	ГеСе + А1  ГеСе + А1	0,014—0,018  0,010—0,012 0,009—0,010 0,008—0,012 0,010—0,010	0,013—0,014  0,012—0,014 0,012—0,013 0,010—0,012  0,012—0,013	0,018—0,019  0,029—0,032 0,040—0,041 0,022 0,042	0,020—0,022  0,020—0,021 0,021 0,022 0,021

лемолибденовой стали получить мелкозер-
нистую структуру, которая в значительной
мере определяет стойкость стали против
хрупкого разрушения.

Не менее сложная проблема, с которой
приходится сталкиваться при термообра-
ботке среднелегированной хромоникелемо-
либденовой стали,— это склонность ее к
охрупчиванию при изотермическом от-
пуске или после замедленного охлажде-
ния в определенном интервале темпера-
тур. Сравнительные исследования [16, 56],
проведенные на сталях этого типа обыч-
ной промышленной чистоты и на высо-
кочистых материалах, свидетельствуют о
том, что общее повышение чистоты стали
по примесям является эффективным сред-
ством снижения склонности стали к обра-
тимой отпускной хрупкости. Следует отме-
тить, что в хромоникелемолибденовой ста-
ли повышение чистоты и легирование мо-
либденом действуют на отпускную хруп-
кость одном направлении, т. е. снижают
чувствительность к отпускной хрупкости.
Однако механизм этого воздействия раз-
личен. Если легирование молибденом
только замедляет процессы отпускной
хрупкости, то повышение общей чистоты
стали устраняет процессы, приводящие к
охрупчиванию [17].

Было изучено влияние технологии
ЭШП и режима термообработки (темпе-
ратуры отпуска) на свойства среднелеги-
рованной хромоникелемолибденовой тол-
столистовой стали [4]. При этом оценива-
ли влияние типа флюса ЭШП и раскисле-
ния в процессе ЭШП на стойкость толсто-
листовой стали ЭШП и снижение ее удар-
ной вязкости в интервале отпускной хруп-
кости в сравнении с исходным мартенов-
ским металлом.

Электрошлаковый переплав вели под
флюсом типа СаРг—А120з (флюс № 1) и
СаР2—А120з—СаО—ЭЮг—М§0	(флюс

№ 2) с раскислением некоторых плавок
ферроцерием и алюминием. Исследовали
влияние технологии ЭШП на содержание
в стали вредных примесей (серы, фосфо-
ра, неметаллических включений й др.),
ударную вязкость на вертикальных и по-
перечных образцах (тип!, ГОСТ 9454—60),
подвергнутых закалке и отпуску в интер-
вале температур — 525—600° С.

Толстолистовой металл ЭШП незави-
симо от типа применяемого флюса и рас-
кисления отличается более плотной и од-
нородной макроструктурой, чем мартенов-
ский металл той же толщины. Серные от-
печатки, по Бауману, снятые с металла
ЭШП, свидетельствуют также о более
низком и равномерном, чем в исходном
металле, распределении серы.

Усредненные данные о содержании се-
ры, фосфора и алюминия приведены в
табл. 272. Как видно из табл. 272, наи-
большей рафинирующей способностью об-
ладает флюс № 2. Следует отметить, что
дополнительное раскисление металла алю-
минием и ферроцерием при выплавке под
этим флюсом не приводит к более глубо-
кому рафинирующему эффекту. Вместе с
тем такое раскисление в ходе плавок
ЭШП способствует практически равномер-
ному распределению серы и основных ле-
гирующих элементов (хрома, никеля, мар-
ганца, молибдена) по высоте слитка
ЭШП. По-видимому, это явление связано
с тем, что ввод раскислителей в процессе
плавки компенсирует некоторую потерю
рафинирующей способности флюса, имею-
щую место при выплавке крупных слит-
ков ЭШП.
Т а б л и ц а 273. Загрязненность неметаллическими, включениями среднелегнрованной
хромоннкелемолнбденовой стали до и после ЭШП, Даллы

Способ выплавки	Флюс	Раскисление	Строчеч- ные окси- ды	Точечные оксиды	Недефор- мироваи- ные сили- каты	Сульфиды	Оксиды
Мартеновский	—	—	1,40	1,35	—-	3,0	2,15
ЭШП	АНФ-6	—_	1,0	1,0	—	1,0	—
»	АНФ-6	ГеСе -Г А!	—	1,0	1,0	1,0	1,0
	АНФ-25	—	—-	1,0	—	1,0	1,0
»	АНФ-25	ГеСе А1	—	1,0	0,5	1,0	1,0

Таблица 274. Зависимость ударной вязкости (кгс-м/см2) среднелегированной

хпомоникелемолнбденовой стали, определенной на вертикальных образцах, от применяемого флюса и рас-
кисления

Способ выплавки	Флюс	Раскисление	^ОТП’											
			550				575	|				600			
			Т °С											
			4-20	—20	—40	-70	20	-20	-40	-70	20	—20 | —40		—70
Мартен ЭШП  »	К" 1  № 1  №2	ГеСе 4- А1	4,1  6,6  4,8  7,6	4,9  6,1  4,8	2,1  2,7  3,3  3,1	1,3  2,7  1,8  3,1	4,9  8,9  12,3	4,1  9,9	3,1  7,5  9,2	2,0  5,0  6,6	4,9 11,6 10,4 14,0	5,7  10,6  12,8	3,8  8,0  7,3  13,9	2,8  9,0  7,3  9,0

Примечание. Приведены средние значения, полученные прн испытании не менее трех образцов.

Содержание фосфора в металле ЭШП
при выплавке по исследуемым технологи-
ческим вариантам практически остается
на уровне исходного мартеновского ме-
талла.

Металл ЭШП, выплавленный под флю-
сом № 2, содержит меньшее количество
несвязанного (растворенного) алюминия
(0,022%), чем металл, выплавленный под
флюсом № 1 (0,029—0,032%). Сталь, рас-
кисленная ферроцерием и алюминием,
также имеет повышенное содержание
алюминия (0,042%) (табл. 272).

Микроструктурными исследованиями
установлено, что металл ЭШП загрязнен
в основном равномерно распределенными
по толщине листа точечными оксидами и
сульфидами. Количество и размер неме-
таллических включений, содержащихся в
металле ЭШП, одинаковы независимо от
варианта выплавки и при оценке загряз-
ненности по методике ГОСТ 1778—61 со-
ответствуют 1 баллу, в то время как сред-
небалльная оценка загрязненности исход-

ного мартеновского металла, определенная
по той же методике, составляет 1,35—
3,0 балла (табл. 273).

Как известно, одной из важнейших ха-
рактеристик пластических свойств толсто-
листового металла при положительных и
особенно при отрицательных температурах
являются показатели ударной вязкости,
определенные на вертикальных образцах,
вырезанных по толщине листа, так как они
наиболее чувствительны к наличию в ли-
стовом металле макро- и микродефектов
(расслоев, неметаллических включений,
химической неоднородности и др.). Поэто-
му при оценке качества толстолистового
металла, особенно для легированных вы-
сокопрочных сталей, этот показатель яв-
ляется одним из определяющих критериев.

Как видно из табл. 274, металл ЭШП
существенно превосходит исходный марте-
новский металл по значениям ударной
вязкости, определенным по толщине листа
при температурах испытания 20, —20.
—40 и —70° С. При этом металл ЭШП,
Рис. 257. Содержание волокнистой составляю-
щей в изломе среднелегированной хромоникеле-
молибденовой стали (поперечные образцы), вы-
плавленной под флюсом № 2. Штриховые ли-
нии— исходный мартеновский металл, сплош-
ные липни— металл ЭШП, переплавленный под
флюсом № 2.

выплавленный под флюсом № 2, обеспе-
чивает наиболее высокие показатели удар-
ной вязкости после отпуска в интервале
температур 550—600° С. Особенно это раз-
личие в свойствах ощутимо при отрица-
тельных температурах испытания.

Следует отметить, что металл ЭШП,
выплавленный иод флюсом № 1 с раскис-
лением ферроцерием и алюминием, по
свойствам уступает металлу ЭШП, вы-
плавленному под флюсом № 2 без допол-
нительного раскисления. По нашему мне-
нию, здесь определенную отрицательную
роль может играть более высокое содер-
жание растворенного алюминия в металле
ЭШП, которое, очевидно, особенно прояв-

Рис. 258. Зависимость ударной вязкости сред-
нелегированной хромоникелемолибденовой ста-
ли до (штриховые линии) и после (сплошные
линии) ЭШП под флюсом № 2 на поперечных
образцах от температуры отпуска:

/ — Готп = 525° С; 2 — 7'отп= 550° С; 3 — 7ОТП =
= 575° С: 4 — 7ОТП = 600° С.

Рис. 259. Содержание волокнистой составляю-
щей в изломе среднелегированной хромонике-
лемолибденовой стали до (штриховые линии)
и после (сплошные линии) ЭШП под флю-
сом № 2.

ляется при отпуске в интервале темпера-
тур ниже 600° С.

Для качественной оценки влияния мар-
ки флюса на склонность перехода стали
ЭШП в хрупкое состояние при отрица-
тельных температурах исследовали содер-
жание волокнистой составляющей на по-
перечных ударных образцах после отпуска
525—600е С при температуре испытания
20 и —40° С (рис. 257). Полученные дан-
ные подтверждают предположение о влия-
нии несвязанного алюминия в среднеле-
гированной стали ЭШП на склонность пе-
рехода металла в хрупкое состояние, осо-
бенно при отрицательных температурах.

Сравнительные исследования металла
ЭШП, выплавленного под флюсом № 2,
и исходного металла мартеновской вы-
плавки на ударный изгиб, выполненные
на поперечных образцах, свидетельствуют
о том, что металл ЭШП существенно пре-
восходит мартеновский металл по пласти-
ческим свойствам, а по склонности к хруп-
кому разрушению при одинаковой проч-
ности не уступает ему (рис. 258 и 259).
Результаты оценки изломов технологиче-
ских проб листового металла ЭШП и мар-
теновского металла при температурах
испытания 20 и —40° С по содержанию
волокнистой составляющей подтвердили
преимущество металла ЭШП, выплавлен-
ного под флюсом № 2, по сравнению с
исходным мартеновским металлом.

Полученные результаты еще раз под-
тверждают, что ЭШП обеспечивает наи-
более высокое сочетание физико-механиче-
ских свойств в том случае, если для дан-
ной марки стали подобран оптимальный
тип флюса.

Достигнутый в металле ЭШП запас
пластичности по сравнению с металлом
мартеновской выплавки позволяет повы-
сить категорию прочности металла ЭШП.
при этом значение вязкостных характери-
стик остается на уровне исходного марте-
новского металла. Это достигается либо
изменением режимов термообработки, на-
пример снижением температуры отпуска,
либо изменением химического состава, на-
пример повышением содержания упроч-
няющих элементов, в частности углерода.

Присущая металлу ЭШП структурная
и химическая однородность, а также изо-
тропность пластических и вязкостных
свойств обусловливают высокую техноло-
гичность толстолистовой легированной ста-
ли ЭШП в процессе изготовления из нее
изделий, особенно когда требуется приме-
нение многократных технологических от-
пусков.

В большинстве случаев высокий от-
пуск толстолистовой легированной стали,
предназначенный для снятия структурных
и термических напряжений, после закалки
не является окончательной технологиче-
ской операцией. Для снятия возникаю-
щих напряжений на всех технологических
этапах изготовления изделий из толстоли-
стового металла (сварке, огневой резке,
правке и т. д.) предусматривают проме-
жуточные дополнительные технологиче-
ские отпуски.

В связи с тем что количество техноло-
гических отпусков при изготовлении круп-
нотоннажных сварных конструкций неред-
ко достигает 5—6, суммарное снижение
прочностных характеристик по сравнению
со снижением прочности стали после за-
калки и одного основного отпуска до-
вольно значительно.

В ряде случаев, когда на заключитель-
ном этапе невозможно произвести закал-
ку с отпуском всей конструкции, это может

Рис. 260. Режим отпуска среднелегированной
толстолистовой хромоникелемолибденовой ста-
ли ЭШП:

а _ стандартный: б — двустадийный; т — время вы-
держки.

привести к браку изделия из-за снижения
прочностных характеристик металла ниже
гарантированного уровня.

В связи с этим вопрос повышения
прочностных характеристик толстолисто-
вого металла без существенного снижения
его технологичности в процессе изготовле-
ния сварных конструкций приобретает
первостепенное значение. Перспективным
направлением для решения этой задачи
является двустадийный отпуск [26], сущ-
ность которого состоит в том, что образо-
вавшаяся на первой стадии отпуска кар-
бидная фаза при повторном нагреве до
более высоких температур становится бо-
лее устойчивой против разупрочнения,
которое связано с процессами коагуляции
карбидов. Причем одним из главных
условий при подборе температур первого
и второго отпусков является обеспечение
равномерного распределения карбидной
фазы при допустимом уровне напряжений
в металле.

Следует ожидать, что применение та-
кой термообработки для повышения проч-
ностных свойств толстолистового проката
особенно эффективно для сталей, прошед-
ших рафинирующий передел, в частности
ЭШП. Этому способствуют высокая струк-
турная и химическая однородность элек-
трошлакового металла, обеспечивающая
равномерное распределение карбидной
фазы по сечению металла, а также пони-
женный уровень локальных напряжений,
обычно возникающих в металле открытой
выплавки в местах наличия крупных или
скоплений мелких неметаллических вклю-
чений [70, 75]. Кроме того, более высокая
пластичность и изотропность механиче-
ских свойств электрошлакового металла
позволяют понизить температуру отпуска
на первой стадии без ущерба для техно-
логичности стали.

Проведенные исследования показывают,
что применение двустадийного отпуска
(рис. 260) для легированной хромоникеле-
молибденовой стали ЭШП в отличие от
обычного отпуска позволяет избежать сни-
жения прочностных характеристик ниже
гарантированного уровня (рис. 261). При
этом показатели прочностных свойств ме-
талла имеют более узкий интервал раз-
броса. С другой стороны, двустадийный
отпуск обеспечивает такое же качество из-
лома металла по волокну, как и стандарт-
ный отпуск (рис. 262).

Механические свойства листовой стали
определяли на разрывных образцах ГОСТ
6996—66, тип II, вырезанных поперек про-
ката. Содержание волокнистой составля-
ющей в изломе определяли на технологи-
ческих пробах, отобранных от листов попе-
рек направления прокатки.

Проведенные исследования подтвержда-
ют целесообразность применения для ме-
талла ЭШП после закалки двустадийно-
го отпуска: предварительного (на 60—80° С
ниже, чем основной) и основного. При

Рис. 261. Влияние режимов отпуска на проч-
ностные свойства толстолистовой (Сг—ЬИ—
Мо) стали ЭШП:

1 — стандартный отпуск; 2 — двустаднйный отпуск;
штриховкой показана область гарантированных
свойств.

Рис. 262. Влияние режимов отпуска на содер-
жание волокнистой составляющей в изломе
среднелегированной толстолисто вой хромонике-
лемолибденовой стали ЭШП при 20° С:

1 — стандартный отпуск; 2 — двустадийный отпуск.

этом установлено, что двустадийный от-
пуск легированной хромоникелемолибдено-
вой стали ЭШП обеспечивает получение
гарантированных свойств толстолистового
металла в узком интервале и способствует
повышению эффективности термического
упрочнения.

Среднелегированные конструкционные
стали с нитридным упрочнением. Одним из
наиболее перспективных способов повыше-
ния прочности среднелегированных сталей,
как уже неоднократно подчеркивалось,
является легирование их азотом, т. е. нит-
ридное упрочнение. Как было выше пока-
зано, хромомолибденовые и хромоникеле-
молибденовые стали после ЭШП имеют по
сравнению с металлом открытой выплавки
того же химического состава существенный
запас пластических и вязкостных свойств.
Это является резервом для повышения их
прочности путем легирования азотом при
условии сохранения характеристик пла-
стичности и вязкости на прежнем уровне.

Для исследования возможности получе-
ния на основе ЭШП среднелегированных
конструкционных сталей с нитридным
упрочнением были опробованы следующие
технологические варианты легирования
азотом в процессе ЭШП: вариант I — обо-
гащение металла в процессе ЭШП азотом
из предварительно азотированного флюса;
по варианту II металл легировали, как и в
Таблица 275. Зависимость содержания азота и значений коэффициентов усвоения азота в стали
от способа ввода азота при ЭШП под флюс № 2

Вари- ант плавки	Способ легировании	Содержа- ние азота во флюсе или лига- туре, %	Содержание азота в стали, %		Коэффи- циент усвоения азота, %
			до ЭШП	после ЭШП	
I	Через азотированный флюс+ 5—10% СаС2	0,073	0,005	0,013	12
11	То же, с продувкой шлаковой и металлической ванны азотом	0,072	0,005	0.015	15
III	Азотирование феррохромом (4% 14)	0,025 (по расчету)	0,005	0,020	60

варианте I, но с дополнительной продувкой
шлаковой и металлической ванн азотом в
ходе плавки; вариант III заключался в
ЭШП мартеновского металла с введением
в процессе переплава дозированных порций
азотированного феррохрома.

Опробование вариантов I, II и III про-
водили на стали 81—Мп—Мо с 0,28% С и
0,005% 14. Кроме того, для сравнения осу-
ществляли переплав мартеновской стали
Сг—№— Мо—V с 0,32% С и 0,013—
0,020% К и стали Сг—141—Мп—Мо—V с
0,32% С и 0,030% М. Легирование азотом
исходной стали для ЭШП осуществляли в
процессе мартеновской плавки путем вве-
дения в ковш азотированного ферромар-
ганца. Содержание азота в металле до и
после ЭШП определяли методом вакуум-
плавления и не менее чем на трех образ-
цах.

Механические свойства металла ЭШП с
азотом оценивали в литом состоянии, а ис-
ходной мартеновской стали — на образцах,
отобранных от прокатанных листов. Об-
разцы для механических испытаний изго-
тавливали из заготовок, которые подверга-
ли термообработке в лабораторной печи по
следующему режиму: закалка с температу-
ры 950° С в воду, отпуск при 620° С. вы-
держка 60 мин, охлаждение в воде.

При опробовании технологических ва-
риантов I—III использовали флюс № 2.
Как было показано Г. М. Григоренко,
флюсы для ЭШП на основе СаР? (типа
АНФ-6, АНФ-7 и др.) отличаются низкой
концентрацией азота и не могут являться
источником обогащения металла азотом
при переплаве. Поэтому при насыщении
расплавленного флюса азотом использо-

вали свойство азота давать соединение
цианамид кальция Са(СМ)2, которое спо-
собствует лучшему усвоению азота шлаком
[20]. С этой целью расплавленный в ти-
гель-ковше флюс с добавками 5 и 10%
карбида кальция продували в течение
35 мин азотом. Содержание азота во флю-
се до продувки составляло 0,003%, а после
продувки в среднем оно достигало 0,073%
(колебание от 0,048 до 0,095%). Таким об-
разом, добавление во флюс от 5 до 10%
СаСг не приводит к существенному повы-
шению в нем азота.

После получения азотсодержащего
флюса его заливали в кристаллизатор, в
котором затем переплавляли сталь 81—
Мп—Мо. При ЭШП этой же стали по
варианту II флюс перед заливкой в кри-
сталлизатор готовили, как и по варианту I.
Однако в процессе ЭШП дополнительно
проводили продувку шлаковой и металли-
ческой ванн азотом через специальные
фурмы в кристаллизаторе. Расход азота
составлял 2,5 л-мин-1, что обеспечивало
нормальное ведение плавок без сильного
барботажа шлака.

Переплав стали 81—Мп—Мо по ва-
рианту III проводили с одновременным
легированием ее в процессе ЭШП азоти-
рованным (4% 14) феррохромом из расче-
та достижения 0,030% в металле. Для
этого в ходе плавки через каждые,4 мм
оплавления электрода в металлическую
ванну забрасывали дозированные навески
лшатуры Коэффициент заполнения кри-
сталлизатора был равен 'А. Содержание
азота во флюсе перед заливкой в кристал-
лизатор составляло 0,003%, а после пере-
плава — 0,010—0,015%>.
Таблица 276. Содержание азота в сталях Сг—№—Мо—V и Сг—81—Мп—Мо до и после ЭШП

Номер опыта	Композиция стали	Флюс	Содержание азота в стали		Содержание азота в ме- талде ЭШП, % к исходному	Содержание серы, %	
			до ЭШП	после ЭШП		до ЭШП	после ЭШП
1	Сг-М-Мо с 0,16% V	№ 1	0,013	0,012	93	0,014	0,007
2		№ 2	0,013	0,010	79	0,014	0,006
3		№ 1	0,020	0,017	85	0,014	0,007
4	Сг—№—Мп—Мо с 0,17% V	№ 1	0,030	0,027	90	0,013	0,006

Содержание азота в стали 81—Мп—Мо
до и после ЭШП по технологическим ва-
риантам I—III, а также полученные при
этом коэффициенты усвоения азота при-
ведены в табл. 275. Данные таблицы сви-
детельствуют о том, что легирование в
процессе ЭШП среднелегированной кон-
струкционной стали 81—Мп—Мо азотом
через азотсодержащий флюс (0,073% К)
обеспечивает получение электрошлакового
металла с 0,013% К. При этом дополни-
тельная продувка азотом шлаковой и ме-
таллической ванны незначительно повышает
его содержание в металле ЭШП (до
0,015%). Коэффициенты усвоения азота
равны 12 и 15% соответственно.

При легировании металлической ванны
введением в процессе ЭШП дозированных
навесок азотированного феррохрома со-
держание азота в металле ЭШП достигает
0,020%, а коэффициент усвоения составля-
ет 60%, что значительно выше, чем при
легировании металла посредством флюса.

Здесь следует отметить, что исходная
сталь 81—Мп—Мо не содержит таких
сильных нитридобразующих элементов, как

ванадий, благодаря которым коэффициен-
ты усвоения азота в проведенных экспери-
ментах могли быть существенно выше
[14, 15]. Об этом также свидетельствуют
результаты опытов по переплаву сталей
Сг—М1—Мо—V и Сг—81—Мп—Мо—V,
результаты которых приведены ниже (см.
табл. 276).

Для оценки влияния состава флюса на
характер поведения при ЭШП азота, свя-
занного в нитриды ванадия, ЭШП стали
Сг—М1—Мо—V с 0,013% К осуществляли
по двум вариантам: на флюсе № 1 и флю-
се № 2. Как видно из табл. 276, флюс
№ 1 обеспечивает более высокое (93% ис-
ходного) содержание азота в металле
ЭШП, чем флюс № 2 (79% исходного).
Это можно объяснить тем, что флюс № 2
обладает большей способностью раство-
рять азот, чем флюс № 1. В связи с этим
ЭШП сталей Сг—КЧ—Мо—V с 0,020% И
и Сг—81—Мп—Мо—V с 0,030% М прово-
дили только на флюсе № 1.

Данные, приведенные в табл. 276, сви-
детельствуют о том, что при переплаве
указанных сталей, содержащих такой

Таблица 277. Механические свойства сталей Сг—№—Мо—V и Сг—81—Мп—Мо—V,
легированных азотом до и после ЭШП

• Композиция стали	СпосоС выплавки	Содержа- ние азота, %	Состоя- ние ме- талла	КГС/ММ2	ов, кгс/мм2	Ф. %	он» кгс-м/см2	
							20° С |	—40° С
Сг—№—Мо—V	Мартенов- ский	0,020	Катаный	97	107	49	9,4	8,2
	эшп	0,017	Литой	102	112	40,5	8,7	7,9
	»	0,015	Катаный	102	113	60	10,0	7,2
Сг—81—Мп—Мо—V	Мартенов- ский	0,030		90	102	48	8,6	6,2
	эшп	0,027	Литой	103	ПО	40	9,0	8,1
сильный нитридобразующий элемент, как
ванадий, азот сохраняется в металле
ЭШП практически на уровне исходного ме-
талла.

Результаты испытаний механических
свойств стали до переплава (образцы из
проката толщиной 80 мм) и после ЭШП
(литой и катаный металл толщиной 80 мм)
приведены в табл. 277. Как видно из
табл. 277, металл ЭШП даже в литом со-
стоянии имеет более высокие (на 5—
8 кгс/мм2) прочностные характеристики,
чем катаный мартеновский металл, а зна-
чения ударной вязкости находятся практи-
чески на одном уровне.

Полученные данные, по-виднмому, мож-
но объяснить более равномерным распре-
делением азота в слитке ЭШП, а также
меньшим содержанием вредных примесей,
в частности серы, что способствовало вы-
сокому упрочняющему эффекту легирова-
ния стали ЭШП нитридами ванадия.

§ 5.	Среднелегированные
тонколистовые стали

Дальнейшее повышение конструкционной
прочности и надежности сварных конструк-
ций из тонколистовых среднелегированных
высокопрочных сталей неразрывно связано
с существенным улучшением качества при-
меняемых материалов.

Применяемые в настоящее время вы-
сокопрочные среднелегированные тонколи-
стовые стали имеют минимальные, необхо-
димые для получения данной категории
прочности количество углерода (чаще в
пределах 0,25—0,47%) и суммарное содер-
жание легирующих элементов, таких, как
хром, марганец, кремний, никель (не ме-
нее 2—3%). Весьма важным условием,
способствующим высокой надежности при
эксплуатации конструкций из высокопроч-
ной стали, является мелкозернистость
структуры, которая обеспечивается нали-
чием в среднелегированной стали одного
или нескольких интенсивных карбидобра-
зующих элементов (молибден, вольфрам,
ниобий, ванадий) [56].

Как известно, высокопрочные стали от-
личаются повышенной чувствительностью
к концентраторам напряжения, особенно

при малоцикловом нагружении, а также
склонностью к коррозии под напряжением.
В связи с этим важным фактором, опре-
деляющим поведение высокопрочных тон-
колистовых сталей, является состояние
тонкого поверхностного слоя.

Концентраторами напряжения кроме
всякого рода отверстий, выточек галтелей
и т. п. могут быть различные металлурги-
ческие дефекты металла, в том числе гру-
бые неметаллические включения, выходя-
щие на поверхность изделия. Поэтому про-
блема повышения надежности работы из-
делий из высокопрочных сталей прежде
всего связана с необходимостью выплав-
лять особочистый от неметаллических
включений и газов металл с плотной и од-
нородной макроструктурой.

До недавнего времени для изготовле-
ния многих видов изделий из высокопроч-
ных сталей применялся только металл
обычной электродуговой выплавки, кото-
рый в большинстве случаев уже не удов-
летворял новым требованиям, предъяв-
ляемым техническими условиями к тон-
колистовому прокату. Помимо повышения
уровня механических свойств, сужения
пределов химического состава новыми тех-
ническими условиями были установлены и
заметно ужесточены нормы допустимых не-
металлических включений, волосин. В ряде
случаев введены неразрушающие методы
контроля (ультразвуковой, электромагнит-
ный и др.), позволяющие производить
контроль всего объема выпускаемого тон-
колистового высокопрочного листа. Так,
согласно техническим условиям на высо-
копрочную тонколистовую сталь контроль
металла по неметаллическим включениям
осуществляется на 18 образцах от 7 листов
партии с ограничением максимального
балла по видам включений не более 2 и
выпадам на каждом из трех видов вклю-
чении не более 3 баллов. Принятый ульт-
развуковой метод контроля позволяет вы-
являть дефекты в листах линейной протя-
женностью до 25 мм.

Резкое повышение требований к каче-
ству высокопрочной листовой стали приве-
ло к повышенной отбраковке металла по
неметаллическим включениям, расслоям и
дефектам, выявленным методом ультразву-
кового контроля. Особенно большая отбра-
Таблица 278. Химический состав среднелегированных тонколистовых сталей до и после ЭШП, %

Марка стали	Способ вы- плавки, ин- декс пробы	с	81	Мп	р	8	Сг	141	Мо	XV	V
30Х2ГСНВМ	ЭД	0,30	1,08	1,16	0,007	0,003	1,75	1,13	0,45	1,09		
(ВЛ-1Д)	эшп	0,30	0,98	1,12	0,007	0,003	1,75	1,13	0,97	1,06	—
30Х2ГСНВМ	Требования	0,28	1,0	0,9	0,012	0,006	1,5	1,0	0,4	0,9	—
(ВЛ-1Д)	ТУ	0,33	1.3	1,2			2,0	2,0	0,5	1,3	
42Х2ГСН	ЭД	0,42	1,0	0,76	0,008	0,003	1,70	0,61	0,45	—	0,06
(ВКС-1)	эшп	0,42	0,98	0,78	0,008	0,003	1,70	0,61	0,47	—	0,07
42Х2ГСН	Требования	0,38	0,9	0,75	0,015	0,011	1,5	0,5	0,4	—	0,03
	ТУ цниичм 1035—63	0,43	1,2	1,0			2,0	0,8	0,6		0,08
28ХЗСНВМФ	эд	0,30	1,16	0,67	0,010	0,006	2,95	1,04	0,44	0,89	0,12
	ЭШП:										
	голова	0,29	1,07	0,68	0,011	0,005	2,98	1,02	0,41	0,41	0.Н
	середина	0,30	1,07	0,68	0,011	0,005	2,98	1,02	0,42	0,42	0,11
	ДНО	0,30	1,06	0,68	0,011	0,005	2,98	1,02	0,42	0,42	0,11
ЗЗХЗСНВМФ (СП 33)	эд ЭШП:	0,35	1,08	0,65	0,015	0,004	2,98	1,02	0,43	1,09	0,13
	голова	0,35	1,05	0,71	0,015	0,004	2,96	0,98	0,42	1,06	0,10
	середина	0,35	1,04	0,71	0,015	0,004	2,96	0,98	0,42	1,06	0,10
	ДНО	0,36	1,04	0,71	0,015	0,004	2,96	0,98	0,42	1,06	0,10

Примечание. В числителе даны минимальные значения, в знаменателе — максимально допустимые.

ковка металла имеет место при производ-
стве широкоформатного горяче- и холодно-
катаного листа, изготавливаемого путем
прокатки крупных слитков (массой более
10 т). Только по неметаллическим вклю-
чениям при первичном контроле на одном
из металлургических заводов имели место
выпады более 60% плавок и более 25%
партий листа, а окончательный брак по от-
дельным маркам стали составлял 20—45%.

Применение особочистой шихты, элект-
ромагнитного перемешивания и внепечной
обработки жидкого металла синтетически-
ми шлаками, а также других технологиче-
ских мероприятий не дали существенного
улучшения качества тонколистовой высо-
копрочной стали при открытой электроду-
говой выплавке.

В связи с этим ИЭС им Е. О. Патона
АН УССР совместно с рядом заводов и
организаций был выполнен комплекс
работ, который завершился освоением
промышленной технологии электрошлако-
вой выплавки крупных листовых слитков
массой до 13 т из среднелегированных вы-
сокопрочных сталей типа 25—ЗОХГСА,
30Х2ГСН2ВМА (ВЛ-10), 40Х2ГСНМФА
(ВКС-1),	28—43ХЗСНВМФА (СП-28,

СП-33, СП-43) и других, предназначенных
для получения из них высококачественного
тонколистового холодно- и горячекатаного
проката.

Ниже приведены основные результаты
сравнительных испытаний слитков, слябов
и листов ЭШП промышленных партий ме-
талла и эталонных листов исходной стали
открытой электродуговой выплавки.

Качество поверхности слитков и слябов
ЭШП при соблюдении разработанной тех-
нологии вполне удовлетворительное, в то
время как на слитках и слябах металла
ЭД наблюдаются подпороты, плены, шла-
ковые включения и другие дефекты, кото-
рые требуют значительно большей зачист-
ки, чем металл ЭШП.

После охлаждения и отжига электро-
шлаковые слитки прокатывают на слябы
толщиной 115—140 мм. Макроструктура
слябов ЭШП характеризуется большей по
сравнению с металлом ЭД плотностью и
однородностью и не содержит усадочных,
ликвационных и подповерхностных дефек-
тов при обычно установленной норме об-
рези.

Химический состав слябов и листов ме-
талла ЭШП практически не отличается
Таблица 279. Отклонение от среднего содержания химических элементов по длине и ширине
листов ЭШП и ЭД (исходная плавка) среднелегированных тонколистовых сталей, %

Марка стали	Способ выплавки	с	51	р	8
25-30ХГСА	эд	±0,04	±0,05	±0,004	±0,003
	ЭШП	±0,01	±0,03	±0,001	±0,001
28ХЗСНВМФА	эд	±0,04	±0,05	±0,003	±0,002
(СП-28)	ЭШП	±0,01	±0,03	±0,001	±0,001

Таблица 280. Содержание газов в среднеле-
гированнон тонколистовой стали 28-ЗЗХЗСНВМФ
ЭШП и ЭД (исходная плавка), %

Способ выплавки	о	ы	Н
эд  ЭШП	0,0028—  0,0038  0,0016— 0,0036	0,0070— 0,0135 0,0050— 0,0084	0,00035— 0,00055  0,00030— 0,00052

от исходного электродугового металла и
соответствовал требованиям технических
условии (табл. 278). Вместе с тем измене-
ние химического состава по длине и шири-
не слябов ЭШП меньше, чем для металла
ЭД (табл. 279). Так, для стали марок
СП-28-33 по содержанию углерода и крем-
ния в металле ЭШП отклонение среднего
содержания составляет 0,02%, а для ме-
талла ЭД —до 0,04%.

При ЭШП происходит некоторое сни-
жение содержания в .металле кислорода и
азота (табл. 280).

Как видно из табл. 281, где приведены
данные о загрязненности металла слябов
толщиной 115 мм неметаллическими вклю-
чениями, после ЭШП максимальные бал-

лы по оксидам строчечным, силикатам
хрупким, пластичным и недеформируемым
снижаются с 4,0—4,5 до 1,0—2,5 балла.
Средний балл снижается в 2—5 раз. Та-
ким образом, качество слябов ЭШП по
всем характеристикам выше качества сля-
бов металла ЭД.

Из сталей марок ВКС-1 и 25-30ХГСА
были получены холоднокатаные листы
толщиной 3,4—5 мм, шириной 1200—
2200 мм. Из стали марки ВЛ-1Д—-горя-
чекатаные листы толщиной 5,5 мм, ши-
риной— 1100 мм, а из стали марок
СП-28-43 — холодно- и гарячекатаные ли-
сты толщиной 1,0—5,5 мм и шириной
1100—2200 мм.

Для получения более объективных
сравнительных данных технологические
операции по переделу слитков и листов, а
также контроль качества листов ЭШП и
эталонных листов ЭД (для металла каж-
дой марки) производили одновременно по
одинаковым режимам и методам.

Качество листового проката оценивали
по загрязненности неметаллическими вклю-
чениями, по наличию внутренних дефектов
типа расслоев и скоплений неметалличе-
ских включений.

Таблица 281. Содержание неметаллических включений в слябах ЭШП и ЭД (исходная плавка)
стали типа 28-ЗЗХЗСНВМФА, баллы по ГОСТ 1778—70

Способ вы- плавки	Оксиды		Силикаты			Сульфиды
	строчечные	точечные	хрупкие	пластичные	недеформируе- мые	
эд	0.5—4,0	1,0—2,0	2.0—1.5	0.5—1.5	2.5—5,0	1,0—2,0
	2,7	1,25	3,1	1.5	2,8	1,7
ЭШП	0,5—2,6	0,5—1,0	_0,5—1,0	0,5—1,0	0,5—2.5	0,5—2,0
	0,8	0,5	0,6	0,6	1,5	0,8

Примечание. Е числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние
Таблица 282. Содержание неметаллических включений в листах ЭШП и ЭД (исходная плавка)
среднелегированной тонколистовой стали (баллы по ГОСТ 1778—70)

		Оксиды		Силикаты			
Марка стали	Способ выплавки	строчечные	точечные	хрупкие	пластичные	иедеформи- руемые	Сульфиды
25-30ХГСА	эд	1,0—3,5	0,5—1,5	0	0	0,5—2,5	0,5—1,0
		1,5	1,0			0,9	0,6
	эшп	0—1,5	1,0—1,5	0—1,5	0—1,0	0—1,5	0—1,5
		0,5	0,5	0,1	0,1	0,5	0,3
28-ЗЗХЗСНВМФ	эд	0,5—3,5  1,2	0	0—4,0 0,2	0—3,0 0,4	0,5—5,0 2,1	0
	эшп	0—20 0,5	0	0—1,5 0,1	0—1,0 0,1	0,5—2,5 1,3	0
42Х2ГСНМФ	эд	0—3,0	0	0—3,0	0—3,0	1,0—1,0	0
		1,5		0,5	0,5	2,0	
	эшп	0—1,5	0	0	0—1,0	1,0—2,5	0
		0,3			0,1	1,3	

Примечание. В числителе даны предельные зиачеиия. в знаменателе — средние.

Таблица 283. Содержание неметаллических включений в среднелегированной тонколистовой
стали типа 28ХЗСНВМФ ЭШП и ЭД (исходная плавка), %

Способ выплавки	Оксиды		Силикаты			Сульфиды	Нитриды	Общая за- грязнен- ность
	точечные	строчечные	хрупкие	пластич- ные	недефор- мируемые			
ЭД	0,03150							0,0150	0,00140	0,00055	0,01845
эшп	0.00058	0,00014	—	—	0,0041	0,00006	—	0,00488

Сталь марок СП-28-33. Как видно из
табл. 282, листовой металл ЭШП намного
чище по неметаллическим включениям, чем
листовой металл ЭД. Так, для сталей ма-
рок СП-28-33 максимальные баллы в ме-
талле ЭШП снижаются по строчечным ок-
сидам с 3,5 до 2,0; по хрупким силикатам
с 4,0 до 1,5; по пластичным силикатам с
3,0 до 1,0; по недеформируемым силикатам
с 5,0 до 2,5.

Соответственно средние баллы снижа-
ются с 1,2 до 0,5; с 0,2 до 0,1; с 0,4 до
0,1 и с 2,1 до 1,3. Особенно важно сниже-
ние в 1,5—2 раза максимального балла по
недеформируемым силикатам, так как ме-
талл этой марки в основном бракуется по
этому виду включений. Высокая чистота
металла ЭШП подтверждается и при объ-
емной оценке неметаллических включений
металлографическим методом: общая за-

грязненность металла снижается с 0,01845
до 0,00488%, т. е. почти в 4 раза
(табл. 283).

Все горяче- и холоднокатаные листы
ЭШП (24 партии) толщиной 1,0—5,5 мм
прошли 100%-ный ультразвуковой конт-
роль и с первого предъявления были оце-
нены годными. Сводные результаты конт-
роля листа стали ЭШП и ЭД по неметал-
лическим включениям и ультразвукового
контроля приведены в табл. 284. Данные
этой таблицы свидетельствуют о бесспор-
ном преимуществе металла ЭШП.

Сравнение механических свойств листа
(табл. 285) показывает, что металл ЭШП
стали марки СП-28 имеет более высокие
(примерно на 20%) значения относитель-
ного удлинения при некотором снижении
предела прочности (в пределах требова-
ний технических условий на лист ЭД).

13 2426
Таблица 284. Данные контроля качества среднелегированной тонколистовой стали типа
28ХЗСНВМФ ЭШП и ЭД (исходная плавка)

Способ выплавки	Количе- ство пла- вок	Количе- ство партий	Годных партий по неметаллическим включениям		Годных партий по ультразвуковому контролю		Окончательная отбраковка, %	
			шт.	%	шт.	%	по неметал- лическим включениям	по ультра- звуковому контролю
эшп	7	24	24	100,0	24	100,0	0	0
ЭЛ	74	292	216	74,0	205	70,0	20,2	7,0

Таблица 285. Механические свойства среднелегированной тонколистовой стали типа
28ХЗСНВМФ ЭШП и ЭД (исходная плавка)

Объект анализа	Способ, вы- плавки	Твердость (диаметр от- печатки), мм	ов, кгс/мм*	о5. %	Угол загиба, град
	эшп	3,8—4,0	168—175	10—13,2	70—78
Горячекатаный лист толщи-		3,9	172,9	Н,1	74
ной 3,5 мм		3,8—4,0	174—180,3	8,3—10,0	42—70
		3,9	177.5	9,4	55,5
		4—4,2	172—175	10,1—13,2	45—130
Холоднокатаный лист тол-		4,1	172,9	11.7	75,5
щиной 3,5 мм	эд	4—4,3	172—181.5	8,3—10	45—54
		4,1	176,6	8,9	48,5
		4—4,4	166—172	10—12	60—76
	эшп	4,2	168,4	11	66
Холоднокатаный лист тол-		4—4,2	166—178	10—12	59—80
щиной 5,6 мм	эд	4,1	170,8	10,6	69

Примечания: 1. Режим термообработки: закалка 950* С, выдержка 30 мин, воздух 4- отпуск при 320° С, вы-
держка 3 ч воздух. 2. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние. 3. Замер твердости про-
изводится иа отпущенных (в состоянии поставки) образцах.

Сталь марки 25-ЗОХГСА. Контроль ли-
стов показал, что металл ЭШП значитель-
но чище, чем металл открытой дуговой
плавки, как по количеству, так и по макси-
мальному баллу отдельных включений
(см. табл. 282).

Исходный металл в основном загряз-
нен строчечными оксидами и недеформи-
руемыми силикатами 3,0—3,5 балла по
шкале ГОСТ 1778—70. В металле ЭШП
указанные включения встречаются значи-
тельно реже и их максимальный балл не
превышает 1,5. Остальные виды включе-
ний (точечные оксиды, хрупкие силикаты,
пластичные силикаты и сульфиды) встре-
чаются довольно редко как в исходном ме-
талле, так и в металле ЭШП.

Механические испытания листового ме-

талла показали, что при одинаковой тер-
мообработке пластические свойства метал-
ла ЭШП выше, чем исходного, при некото-
ром снижении прочностных свойств (табл.
286).

Сталь марки 42Х2ГСН(ВКС-1). При
контроле качества листов из металла
ЭШП толщиной 4,8—5,9 мм установлено,
что основным видом включений являются
недеформируемые силикаты от 1 до 3 бал-
лов по шкале ГОСТ 1778—70. Точечные
оксиды и пластичные силикаты встречают-
ся редко и не превышают 2 баллов. Осталь-
ные виды включений (строчечные оксиды,
хрупкие силикаты, сульфиды) единичны,
а на отдельных плавках вообще не обна-
ружены. Ни в одном из проконтролиро-
ванных листов ЭШП не было обнаружено
Таблица 286. Механические свойства среднелегированной тонколистовой стали типа
25-ЗОХГСА ЭШП и ЭД (исходная плавка)

Способ’ выплавки	Направление вы- резки образцов	св, кгс/мм»	о5> кгс/мм*	6. %
ЭШП  эд	X  У у/х  X  У  У/х	58,0—63,6	37,4—44,3	26,0—31  27,9  25,0—32  28,7 102  17,3—29  25,3  22,0—32,0
		60,1 54,9—65,5  61,2  101  57,8—64,8	41,1  37,7—43,8  41,4  100  34,0—53,3	
		61,3 59,3—64,7	44,1  31,4—54,5	
		62,5  102	45,3  102	26,0  103

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние. Значение отношения свойств
в различных направлениях дано в процентах

Таблица 287. Механические свойства
средиелегированной тонколистовой стали ВКС-1
толщиной 3,4 мм ЭШП и ЭД (исходная плавка)

Способ выплавки	Направ- ление вы- резки об- разцов	ов, кгс/мм*	е,. %
ЭШП  эд	X  У У/х  X  У  У/х	192,7—197,6  195,1 195,2—196,5  195,8  100  194,6—197,5  196,0 193,6—195,8  194,7  99	9,5—11,1  10,4  9,2—9,5
			9,3  90  7,7—9,2
			8,4  6,8—8,7  7,7  90

Примечание. В числителе даны предельные зна-
чения, в знаменателе — средние. Значение отношения
свойств в различных направлениях дано в процеитах.

включений с браковочным баллом, т. е.
более 3 по шкале ГОСТ 1778—70. В ли-
стах из стали ВКС-1 открытой выплавки
на свежей шихте недеформируемые сили-
каты достигали 4 баллов. Кроме того, име-
ется значительное количество оксидов
(до 2,5 балла) и хрупких силикатов (до
3 баллов). В отдельных случаях точечные
оксиды достигают 5 баллов.

Из табл. 282 видно, что электрошлако-
вый металл значительно чище исходного и
удовлетворяет требованиям технических
условий.

Применение различного рода шихтовых
материалов для выплавки исходной стали
и обработка стали в ковше синтетически-
ми шлаками не оказали влияния на сте-
пень загрязненности неметаллическими
включениями листов обычного и электро-
шлакового металла.

При контроле ультразвуковым методом
холоднокатаных листов из стали ВКС-1

Таблица 288. Механические свойства и угол загиба среднелегированных тонколистовых
сталей 42Х2ГСН и 30Х2ГСНВМ толщиной 5 мм ЭШП и ЭД (исходная плавка)

Марка стали	Способ вы- плавки	кгс/мм*	6. %	аи, кгс • м/см2	Угол загиба, град
42Х2ГСН	ЭШП эд	195,0  198,4	8,85  8,90	9,09  7,94	83  65
30Х2ГСНВМ	ЭШП эд	174,9  175,7	10,26  9,93	11,4  8,9	90  90

Примечание. Приведены только средние значения.
Рис. 263. Длительная прочность образцов сред-
нелегированной тонколистовой стали типа
ВКС-1. Сплошные линии —металл ЭД; штри-
ховые — металл ЭШП.

установлено, что листы электрошлакового
металла не имели поверхностных и внут-|
ренних дефектов, между тем как после:
ультразвукового контроля электрометалла!
ЭД было забраковано 46,8% листов. 

Испытания механических свойств ли-]
стов стали марки ВКС-1 толщиной 3,4—-
5 мм (табл. 287 и 288) показали, что тон-
колистовой металл ЭШП обладает более
высоким комплексом пластических и вяз-:
костных свойств по сравнению с исходным,
электродуговым металлом. О высоком ка-
честве металла ЭШП свидетельствуют так-,
же сравнительные исследования длитель-
ной прочности листовой стали до и после
ЭШП (рис. 263). Испытаниям на длитель-
ную прочность подвергались образцы, ото-
бранные от листов стали ВКС-1 с предва-
рительно нанесенной поверхностной трещи-
ной длиной 2,5 мм в условиях смачивания
дистиллированной водой.

Сталь 30Х2ГСНВМ (ВЛ-1Д). Конт-
роль качества исходного металла показы-
вает, что, несмотря на специальную обра-
ботку синтетическими шлаками в ковше,
сталь ВЛ-1Д ЭД имеет повышенную за-
грязненность, особенно строчечными окси-
дами (до 2,5 балла), хрупкими силиката-
ми (до 2,5 балла) и недеформируемыми
силикатами (до 4 баллов).

В листах стали ВЛ-1ДШ (толщиной
5,5 мм) включения типа недеформируемых
силикатов в основном не превышают
1,0—2,0 балла. Включения других типов
(точечные оксиды, строчечные оксиды,
хрупкие силикаты, пластичные силикаты,
сульфиды) встречаются весьма редко и не
превышают 1,0—1,5 балла.

Как и для стали ВКС-1, применение

свежей чистой шихты для выплавки исход-
ной стали марки ВЛ-1Д и ее обработка
синтетическими шлаками не оказывают
существенного влияния на степень загряз-
ненности неметаллическими включениями
металла ЭД и металла после ЭШП.

Механические испытания листового ме-
талла ЭШП (см. табл. 288) показывают,
что листы ЭШП имеют более высокие
значения ударной вязкости, чем листы
обычной электродуговой стали (исходные
плавки).

Таким образом, применение ЭШП в
производстве холодно- и горячекатаной вы-
сокопрочной среднелегированной стали по-
зволяет обеспечить в тонколистовом метал-
ле высокую технологическую, пластичность
и чистоту по включениям и в результате
практически исключить брак листов по
ультразвуковому контролю. Меньшая за-
грязненность электрошлаковой стали не-
металлическими включениями способствует
получению более высоких и стабильных
механических свойств тонколистового ме-
талла, особенно удлинения и ударной вяз-
кости, а также длительной прочности об-
разцов с поверхностной трещиной.

§ 6.	Высоколегированные
листовые стали и сплавы

Проблема повышения качества высоколе-
гированных сталей и сплавов путем при-
менения рафинирующих переплавов при-
обретает большое значение в связи с тем,
что обычные методы их производства даже
при существенном усовершенствовании
уже не могут удовлетворить требования к
металлу, предъявляемые развивающимися
отраслями техники.

Среди высоколегированных сталей и
сплавов наиболее широкое распростране-
ние получили аустенитные хромоникелевые
стали с 18—20% Сг и 8—12% ГД, стаби-
лизированные или нестабилизированные
титаном или ниобием. Листовые хромони-
келевые стали являются основным кон-
струкционным материалом для современ-
ных энергетических установок, химической
и нефтеперерабатывающей промышленно-
сти, криогенной и ядерной техники.

В настоящее время аустенитные хро-
моникелевые стали, как и другие высоко-
легированные стали и сплавы, выплавля-
ют преимущественно в открытых электро-
дуговых и индукционных печах. В резуль-
тате плавки металл в открытых печах
насыщается газами, загрязняется различ-
ными неметаллическими включениями.

Для повышения качества металла про-
изводят внепечпое рафинирование жидкой
стали различными способами: обрабаты-
вают металл в ковше жидкими синтетиче-
скими шлаками, вакуумируют сталь в
ковше или при переливе, продувают сталь
аргоном, кислородом и водяным паром че-
рез днище ковша с одновременной обра-
боткой синтетическим шлаком, применяют
специальные агрегаты для порционного и
циркуляционного вакуумирования жидкой
стали, вводят в сталь редкоземельные эле-
менты и т. д.

Указанные способы в большей или
меньшей мере повышают чистоту жидкой
стали, однако они не могут устранить
дефекты металла ликвационного или уса-
дочного характера, неизбежно образу-
ющиеся при кристаллизации аустенитного
слитка в изложнице.

Одним из наиболее частых дефектов
макроструктуры аустенитной литой стали
является усадка, которая может иметь
вид полости, иногда заполненной шлаком,
или рыхлости с точечной неоднородностью
и развитыми крупными дендритами [10].

Для уменьшения усадки и снижения
потерь дорогостоящего высоколегирован-
ного металла на обрезь при прокатке слит-
ка на лист в последние годы получили
распространение различные способы уплот-
нения головной части слитка в процессе
его кристаллизации в изложнице. На прак-
тике в производстве жаропрочных сталей
и сплавов известны применение экзотерми-
ческих смесей, электродуговой, индукци-
онный и газопламенный обогревы, а также
электрошлаковая подпитка головной части
слитка и др. Однако все эти способы,
уменьшая величину усадки в слитке, не
могут существенно повлиять на развитие
в нем ликвационных процессов при кри-
сталлизации.

Высоколегированные стали и сплавы
отличаются значительной неоднородностью
литой структуры, выраженной в различном
строении периферийных и внутренних объ-

емов слитка, а также повышенным содер-
жанием крупных неметаллических включе-
ний. Последние наиболее часто встречают-
ся в аустенитных нержавеющих сталях,
легированных титаном, и представляют со-
бой скопление окислов и карбонитридов
титана.

Структурная неоднородность аустенит-
ных слитков является причиной разнозер-
нистости и строчеч пости в листовом про-
кате, обусловливающих анизотропию ме-
ханических свойств листового металла и
повышенную склонность к образованию
трещин в околошовной зоне при сварке
Г31].

В аустенитных слитках, особенно круп-
ных, возможно образование несплошно-
стей в виде кристаллизационных трещин,
подкорковых и осевых пузырей, а также
пористости, которая для хромоникелевых
сталей, содержащих титан, располагается
непосредственно у поверхности отливок
[1]. При прокате газовые пузыри и круп-
ные скопления неметаллических включений
вытягиваются вдоль направления деформа-
ции и выявляются в листе в виде расслое-
ний и поверхностных волосовидных тре-
щин.

Качество поверхности слитков высоко-
легированных сталей и сплавов открытых
способов выплавки, несмотря на принима-
емые в процессе заливки металла в излож-
ницы специальные технологические меры,
в ряде случаев остается неудовлетвори-
тельным. Для удаления поверхностных де-
фектов (плен, заворотов, трещин) произво-
дят полную или частичную обдирку слит-
ков на глубину до 10—15 мм на фрезер-
ных станках или зачистку на абразивных
станках. Ремонт поверхности слитков ука-
занными способами позволяет надежно
удалять большинство дефектов и обеспе-
чить получение качественной поверхности
в листовом прокате, но отличается боль-
шой трудоемкостью и повышенными поте-
рями высоколегированного металла в виде
стружки.

Многочисленные работы, проведенные
за последние годы в нашей стране и за
рубежом, и прежде всего фундаменталь-
ные исследования, выполненные в ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР Г2>, 22, 31,
33 и др.], свидетельствуют об эффектив-
нести применения ЭШП в производстве
высоколегированных сталей и сплавов.

В настоящее время уже ни у кого не
вызывает сомнения тот факт, что ЭШП
обеспечивает получение сплавов из высо-
колегированных сталей и сплавов с плот-
ной и однородной макроструктурой без ка-
ких-либо дефектов ликвационного и уса-
дочного происхождения.

О высоком качестве металла ЭШП сви-
детельствует более высокая плотность пе-
реплавленного металла, чем исходного.
Плотность заготовки из стали Х18Н9ТШ
составляет 7,921 г/см3 против 7,825 г/см3
для исходной стали этой же марки откры-
той дуговой плавки. Поверхность слитков
ЭШП независимо от марки стали или
сплава свободна от дефектов, что позволя-
ет производить их прокатку на лист без
обдирки или зачистки [66].

Первоначально ЭШП получил широкое
применение при производстве на заводах
качественной металлургии передельных
(круглого или квадратного сечения) слит-
ков жаропрочных сталей и сплавов, пред-
назначенных для изготовления сортового
проката и труб [83]. В дальнейшем в на-
шей стране впервые в мировой практике
была освоена технология ЭШП высоколе-
гированных сталей в листовые слитки пря-
моугольного сечения, предназначенные для
прокатки на лист.

По сравнению с другими способами ра-
финирующих переплавов (ВДП, ЭЛП,
ПДП, ВИП) ЭШП выгодно отличается бо-
лее высокой производительностью просто-
той и надежностью оборудования и, глав-
ное, возможностью получения крупнотон-
нажных листовых слитков и слитков-сля-
бов для дальнейшего передела на листовой
прокат.

При ЭШП практически независимо от
массы выплавленного слитка может быть
обеспечена направленная кристаллизация
металла, играющая важную роль в подав-
лении ликвационных явлений, обычно при-
сущих крупным слиткам высоколегирован-
ных сталей открытой выплавки.

Работы, проведенные на заводе «Дне-
проспецсталь», показали эффективность
получения методом ЭШП листовых слит-
ков массой около 10 т из стали марок
Х18Н10Т и Х15Н5ДГТ [10]. На печи

У-436 были получены слитки ЭШП сечени-
ем 1350X615X 1900 мм (типоразмер И)
и 1100 X 615 X 1900 (типоразмер III). При
этом установлено, что почти все элементы
распределяются равномерно в слитках
ЭШП, отклонения находятся в пределах
точности химического анализа. При ЭШП
стали, содержащей титан, типа Х18Н10Т,
без применения специальных мер (аргоно-
вой защиты шлаковой ванны и др.) в ниж-
ней части слитков наблюдается угар тита-
на и пригар кремния и алюминия. Прокат-
ка слитков ЭШП на слябы и слябов на
листы по технологии, принятой для метал-
ла открытой дуговой выплавки, не вызы-
вает затруднений.

Металлографические исследования ли-
стов ЭШП показывают, что при ЭШП сни-
жается загрязненность металла неметалли-
ческими включениями и полностью устра-
няются скопления включений, являющихся
источником таких макродефектов, как во-
лосовины.

Для титансодержащих хромоникелевых
аустенитных сталей (Х18Н10Т), в которых
основным видом включений являются ни-
триды титана, значительного снижения за-
грязненности нитридами не происходит, а
имеет место лишь их перегруппировка.
Как видно из табл. 289, в стали типа
Х18Н10Т после ЭШП снижается балл
строчечных нитридов, но возрастает балл
точечных нитридов. Данные о распределе-
нии неметаллических включений хорошо
согласуются с результатами проверки со-
держания в этой стали кислорода и азота
до и после ЭШП (табл. 290). Для сравне-
ния в таб<. 290 приведены данные [34] по
содержанию газов до и после ЭШП в ста-
ли типа 0Х18Н9. При переплаве этой ста-
ли поведение азота иное. Содержание азо-
та в металле ЭШП уменьшилось почти в
3 раза по сравнению с исходным метал-
лом.

Большие возможности для улучшения
качества толстолистовых высоколегирован-
ных сталей и сплавов открывает технологи-
ческая схема ЭШП с применением по-
движных коротких кристаллизаторов, по-
зволяющая получать плоские слитки-сля-
бы ЭШП. Направленная и постепенная
кристаллизация сравнительно небольших
порций жидкого металла, характерная для
Таблица 289. Загрязненность неметаллическими включениями листовой стали Х18Н10Т ЭШП
и ЭД (исходная плавка), баллы по ГОСТ 1778—70

Способ вы- плавки	Оксиды		Силикаты			Сульфиды	Нитриды	
	точечные	строчеч- ные	хрупкие	пластич- ные	иедефор- мируемые		строчечные	точечные
ЧП	0,5	0,5—2,5	0,5—5,0	0,5	0,5	0,5	2,0—4,5	1,0—2,0
	0,5	1,5	2,7	0,5	0,5	0,5	3,5	1,5
ЭШП	0—1,0	0—1,0	0,1—0	0,5	0,5—1,0	0,5	0,5—2,0	2,0—3,5
	0,5	0,5	0,5	0,5	0,7	0,5	1,2	2.5

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние

Таблица 290. Влияние ЭШП на содержание
газов в аустенитных хромоникелевых сталях

Марка стали		г  Содержаиие кисло- рода. %		Содержание азота, %	
	До ЭШП	после ЭШП	до ЭШП	после  ЭШП
Х18Н10Т	0,0031	0,0027	0,0120	0,0125
0Х18НЧ	0,0035	0.0022	0,0757	0,0273

электрошлаковой выплавки слитков-сля-
бов, возможность продувки металлической
и шлаковой ванны инертными газами и га-

зопорошковыми смесями ПОЗВОЛЯЮТ ПОЛ-
НОСТЬЮ подавить процессы зональной и
дендритной ликвации и обеспечить получе-
ние литого металла с высокой химической
однородностью.

Для оценки эффективности применения
технологии ЭШП слитков-слябов при про-
изводстве толстолистовой аустенитной хро-
моникелевой стали было исследовано ка-
чество слитков-слябов ЭШП размером
500X 1100X2200 мм стали типа 2Х18Н9
в литом и деформированном состояниях [9].

Исходный- металл выплавляли в дуго-
вой печи, разливали в слитки массой 2,8 т,
которые затем прокатывали на расходуе-
мые электроды. Переплав осуществляли в
коротком подвижном кристаллизаторе с

Рис. 264. Макроструктура стали 2X18Н9:

а —продольно-осевой темплет, верх слитка; б — то же,
ииз слитка; в — фрагмент поперечного темплета, иерх
слитка; г — то же. ииз слитка.
Таблица 291. Изменение химического состава (%) и содержания газов (%-10 ) по высоте слита!

Место отбора пробы	С	81	Мп	р	8	И1 I
Голова	0,150	0,78	1,56	0,026	0,004	9,73 I
Середина	0,150	0,77	1,52	0,027	0,004	9,75 |
Дно	0,155	0,80	1.41	0,026	0,004	9,80 1
Среднее значение	0,1516	0,784	1,496	0,0263	0,004	9,79 |
Максимальные отклонения	0.0034	0,0026	0,064	0,003	0	0,04 |
Отклонения от среднего значения	—0,0016	—0,0014	—0,080	—0,007	0	—0,04 &

уширенной верхней частью под флюсом си-
стемы СаО—ЁяОа—АЬОз—СаРа. В резуль-
тате ЭШП получали слитки-слябы сечени-
ем 500 X 1000 мм, которые прокатывали
на листы толщиной 50 мм.

Опенку распределения элементов по
высоте и сечению слитка производили по
результатам химического и газового ана-
лизов. Результаты анализов (табл. 291)
свидетельствуют о равномерном распреде-
лении элементов.

Для оценки макроструктуры литого ме-
талла из контрольного слитка параллель-
но его узкой грани был вырезан один про-
дольный и два поперечных темплета (из
головной и донной частей слитка). Мак-
роструктура металла (рис. 264) по всей
высоте характеризуется развитой трапскри-
сталлизацией от поверхностного слоя к
оси слитка, что свидетельствует о высокой
скорости охлаждения слитка в кристалли-
заторе в процессе ЭШП. Зона мелких рав-
ноосных кристаллов отсутствует, дефекты
усадочного характера не обнаружены.

Одним из основных критериев качества

высоколегированной хромоникелевой стали
ЭШП является чистота ее по неметалличе-
ским включениям. Известно, что в сталях
и сплавах, не содержащих сильных ни-
тридобразующих элементов (ниобия, тита-
на, циркония), неметаллические включе-
ния в основном представлены оксидами.
Поэтому достигаемое при ЭШП снижение
содержания кислорода способствует значи-
тельному рафинированию металла от ок-
сидных включений.

Для характеристики стали 2Х18Н9Шпо
степени загрязненности неметаллическими
включениями была проведена балльная
оценка включений по ГОСТ 1778—70. Ре-
зультаты балльной оценки (табл. 292) сви-
детельствуют о небольших размерах обна-
руженных включений (от 0,5 до 2,0 балла
по стандартной шкале), равномерности их
распределения и отсутствии строчечных
включений.

Как видно из рис. 265, после переплава
изменилась не только величина включений,
но их форма, что в свою очередь положи-
тельно влияет на* свойства стали.

Таблица 292. Оценка неметаллических включений в стали типа 2Х18Н9 ЭШП после переплава
под флюсом системы СаО—8;О—А12О3—СаР2, баллы по ГОСТ 1778—70

Место отбора пробы	Оксиды		Силикаты			Сульфиды	Нитриды	
	точечные	строчеч- ные	хрупкие	пластич- ные	недеформи- руемые		строчеч- ные	точечные
Голова	0,5	0,5	0,5	0,5	1,0—2,5	. 0,5	0,5—1,0	1,0—2,1
	0,5	0,5	0,5	0,5	1.7	0,5	0,7	1,5
Середина	0,5	0,5	0,5	0,5	1,0—1,5	0,5	0,1	1,0—2,5
								
	0,5	0,5	0,5	0,5	1,2	0,5	1,0	1.7
Дно	0,5	0,5	0,5	0,5	1,0	0,5	1,0	2,0
	0.5	0,5	0,5	0,5	1,0	0,5	1.0	2,0

Примечание. В числителе даны предельные значения, б знаменателе — средние.
392

слитка-

	
9,73  9,75  9,80	
1 9,79  0,04 1—0,04	

ли
ре-
ях

и-

га-

е-
[И.
ре
1и-
|к-

сляба ЭШП стали типа 2Х18Н9

	Сг	А!	ГН]	ГЫ]	[О]
	17,3	0,03	6,0	165	29
	18,1	0,01	8,2	170	29
	17,2	0.01	. 6,5	175	28
	17,51	0,017	6.9	170	28,6
	0,59	0,006	1,3	5	0,4
	-0,31	—0,013	—0,09	5	—0,5

Микроисследования металла ЭШП по-
сле аустенитизации (нагрев до 1050—
1100° С, выдержка 1 ч, охлаждение в воде)
показывают, что средний размер аустенит-
ного зерна в ста&и типа 2Х18Н9Ш соответ-
ствует 4,5—5,0 баллам. Характерной осо-
бенностью микроструктуры аустенита в ис-
следуемой хромоникелевой стали является
наличие двойников, которые в литом состо-
янии обычно не обнаруживаются. Двойни-
ки (рис. 266) обычно проявляются после
деформации и рекристаллизации, а иногда
и при охлаждении отливки в результате
возникновения термических напряжений.
Вследствие высокого содержания хрома в
стали по границам зерен выделяется кар-
бид хрома состава СгязСб, поэтому границы
зерен кажутся темными.

Для определения механических свойств
стали ЭШП из' листов, соответствующих
головной и донной частям слитка, выреза-
ли образцы вдоль, поперек и в плоскости,
перпендикулярной к направлению прило-
жения деформации. Результаты механиче-
ских испытаний образцов исходного метал-
ла и после ЭШП представлены в табл.. 293.
Как видно из таблицы, относительное су-
жение образцов металла после ЭШП воз-
росло по сравнению с исходным на 15%
(для продольных), на 4—5% (для попе-
речных) и на 75% (для вертикальных).

Данные испытаний свидетельствуют
также о возрастании абсолютных значений
ударной вязкости металла ЭШП. Так, в
продольном направлении значение ая воз-
растает в среднем на 121%, в попереч-
ном — на 133, а в вертикальном — на
183%.

Следовательно, в стали типа 2Х18Н9
после ЭШП наблюдается резкий рост пла-
стических и вязкостных свойств, особенно
в вертикальном направлении, что значи-
тельно повышает изотропность металла.



§ 7.	Малодеформированные
и недеформированные
листовые стали

В последние годы у нас в стране и за ру-
бежом большое внимание уделяется иссле-
дованиям свойств литого и малодеформи-
рованного (степень деформации 1,5—2)

Рис. 265. Неметаллические включения в исход-
ной (а) и электрошлаковой (б) стали 2Х18Н9,
Х600.
Таблица 293. Механические свойства стали типа 2Х18Н9 до и после ЭШП

Способ ВЫ’ плавки	Направление вы- резки образцов	о5, кгс/мм2	ав, кгс/мм2	С, %	ф. %	аи. кгс • м/см2
эд		2,9—31,5	60,5—61,5	53,5—56	53,5—59,5	11.0—12,6
	X	30.2	61,0	54,5	56,5	11.8
		24,5—28	60,0—60,0	60,0—68,0	68,0—71,5	20,2—20,4
	У	26,2	60,0	64,0	69.8	20,3
		30,5—31,5	56,5—59,0	40,0—49,0	32,5—36,5	7,2—7,7
	2	31,0	57,7	44,0	33,5	7,4
	у!х	86,7	98,5	117,5	113,5	172,0
		27,0—52,0	57,0—67.5	48,0—49,0	78,0—77,5	26,0—29,0
ЭШП (го-	X	29,3	62,5	59.0	77.4	27,7
ловная		28,0—30,0	63,0—66,0	63,0—73,0	72,5—77.5	26—30,5
часть)	У	29,0	64,0	67.3	75,2	28.3
		29,0—31,5	28,5—64,5	51.0—57,0	53,5—68,5	20,5—21,5
		30,0	61,8	53,0	62,8	20,8.
	у/х	98,9	102,5	114,0	101,2	104,0
	г/х	102.4	98.8	90,0	84,4	75.2
ЭШП (дон- ная часть)		34,0—36,0	64,0—67,5	46,0—68,0	53,5—68	21,5—27,5
		35.0	63,5	57,6	62,8	25,2
		33,5—43,0	64,5—74,0	41,0—65,0	61,0—62,0	24,0—28,0
	У	38,0 32,0—36,0	69.2  53 0 62 0	54,0  44,0—45,0	60,0  52,0—67,5	26,5 19,0—23,5
						
	2	34,0	63,0	47,0	59.3	22,2
	у/х	108,5	110,7	93,6	95,5	105,2
	г/х	97.2	99,2	81,6	94.4	88,6

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние. Значение отношения свойств
в различных направлениях дано в процентах.

электрошлакового металла с целью ис-
пользования его для изделий ответственно-
го назначения взамен деформированного
(с 8—10-кратным обжатием) металла от-
крытой (мартеновской или электродуго-
вой) выплавки.

Рис. 266. Микроструктура стали 2Х18Н9 ЭШП
после аустенитизации, X 100.

Как известно, качество исходного слит-
ка, его строение, плотность, химическая и
физическая однородность по сечению, со-
держание неметаллических включений и
газонасышенность оказывают существенное
влияние на механические характеристики
и уровень служебных свойств металла в
катаном листе или поковке.

Практикой установлено [59], чТо полу-
чение стального слитка металла открытой
выплавки с высокими качественными пока-
зателями тем труднее, чем больше масса
слитка и чем выше степень легирования
металла. Это объясняется тем, что, во-пер-
вых, с увеличением массы слитка в боль-
шей мере проявляются несовершенства
технологии разливки, которые приводят к
появлению поверхностных дефектов; во-
вторых. создаются менее благоприятные
условия кристаллизации металла из жид-
кой фазы, что приводит к химической и
структурной неоднородности, нарушению
сплошности металла (усадочные раковины,
пористость, пузыри, трещины внутри слит-
ка). Эти особенности необходимо учиты-
вать при прокатке или ковке слитков [64].

Если пустоты (пузыри) и трешины име-
ют чистую металлическую поверхность и
не выходят наружу, то при высокой тем-
пературе и больших степенях обжатия они
завариваются, а рыхлая структура уплот-
няется. С другой стороны, при горячей
деформации происходит дробление ликва-
тов и крупных скоплений неметаллических
включений.

Принято считать, что для эффек-
тивного воздействия деформации на серд-
цевину слитка сталь должна быть подвер-
гнута по меньшей мере 4—5-кратному об-
жатию [19], хотя на практике для гаран-
тии обычно применяется 8—10-кратное об-
жатие. При этом самыми благоприятными
являются условия, когда слои металла в
центральной (осевой) зоне при деформа-
ции подвергаются такому же относитель-
ному обжатию, как и поверхностные слои
[62].

Большинство исследователей [18, 66]
считают, что обработка давлением способ-
ствует улучшению качества металла по
большинству параметров. Однако возника-
ющая в процессе деформации волокни-
стая структура, связанная прямой зависи-
мостью с наличием неметаллических вклю-
чений, их распределением и формой, а так-
же со степенью обжатия металла, приво-
дит к различию в механических свойствах
вдоль и поперек проката, особенно пла-
стических и вязкостных характеристик [19].

Различие в величине коэффициента ани-
зотропии при разных процессах горячей
деформации определяется как содержани-
ем и составом, так и характером распреде-
ления неметаллических включений в стали
[37], которые, вытягиваясь в направлении
пластической деформации, играют роль
концентраторов напряжений и, следова-
тельно, понижают пластичность и вязкость
листовой стали в поперечном направлении.
Поэтому принято считать, что степень не-
однородности свойств в деформированном
металле находится в зависимости от сте-
пени неоднородности исходной литой заго-

товки (слитка). Чем меньше неоднород-
ность литого металла, тем меньше и неод-
нородность деформированного металла при
прочих равных условиях.

Учитывая приведенные результаты,
можно ожидать, что получение плотного,
без пустот и трещин, структурно и хими-
чески однородного, с равномерным распре-
делением неметаллических включений ли-
того металла исходной заготовки позволи-
ло бы, не применяя больших суммарных
обжатий при прокатке такого металла,
обеспечить высокие физико-механические
свойства и изотропность толстолистового
проката./ Многочисленными исследования-
ми [38, 44, 48] было установлено, что та-
ким высоким качеством обладает литой
металл, полученный методом ЭШП. При-
чем наиболее рациональным и эффектив-
ным является применение метода ЭШП
для получения литых заготовок толщиной
80—250 мм из конструкционных и средне-
легированных сталей. В этом случае наи-
более полно реализуется преимущество на-
правленной и постепенной кристаллизации
металла из сравнительно небольших пор-
ций жидкой стали, в частности имеющее
место при электрошлаковой выплавке в
подвижный кристаллизатор слитков-сля-
бов ЭШП или электрошлаковой литье раз-
личных фасонных отливок (заготовок сосу-
дов высокого давления, корпусов запорной
арматуры и т. д.); направленная и посте-
пенная кристаллизация способствует по-
лучению литого металла ЭШП с плотной
и однородной макроструктурой. В связи с
этим было проведено исследование каче-
ства толстолистовой среднелегированной
хромоникелемолибденовой стали, получен-
ной с 1,5-кратным обжатием из слитков-
слябов ЭШП, выплавленных по двухручье-
вой схеме *, а также влияния степени
обжатия на качество толстолистового ме-
талла.

Для выплавки слитков-слябов ЭШП
использовали флюс системы СаРг—СаО—
—АЬОз—8Юг.

Слитки-слябы ЭШП сечением 120 X
X 1000 мм, длиной до 2,5 м прокатывали

* В работе принимали участие Г. А. Тринеев,
Ю. П. Штанько, А. К. Цыкуленко, С. С. Каза-
ков, Г. П. Кагановский, 3. И. Максюта.
Таблица 294. Содержание некоторых
элементов в расходуемых электродах и в слитках-
слябах ЭШП из хромоникелемолибденовой
стали, %

Способ выплавки	Место от- бора про- бы	8	р	А^мет
Марте- новский	Ковш	0,020	0,013	0,0280
эшп*	Голова Дно	0,013 0,011	0,012 0,012	0,0265 0,0275

* Средине значения для трех плавок.

на листовом стане вдоль направления вы-
тяжки слябов на листы толщиной 80 мм,
из которых вырезали темплеты от голов-
ной и донной частей. Из темплетов изго-
тавливали макро- и микрошлифы, образцы
для изучения химической неоднородности,
определения содержания неметаллических
включений и газов, заготовки образцов для
механических испытаний и технологические
пробы для оценки изломов.

Содержание основных легирующих эле-
ментов после ЭШП практически не изме-
нилось. Как видно из табл. 294, где при-
ведено распределение серы, фосфора и
алюминия по длине слитка-сляба ЭШП,
содержание серы уменьшается с 0,020%
(исходный металл) до 0,011—0,013% (ме-

талл ЭШП). Степень рафинирования для
донной части слитка составляет 45%, а
для головной — 35%.

Переплав под флюсом системы Сард—
СаО—АкОз—ЫОг существенно снижает
количество неметаллических включений по
сравнению с исходным мартеновским ме-
таллом (табл. 295). Причем содержание
неметаллических включений в головной
части слитка-сляба ЭШП уменьшается
примерно в 5 раз, а в донной — приблизи-
тельно в 10 раз по сравнению с их содер-
жанием в головной и донной частях мар-
теновского слитка. Интересно отметить,
что, как и в исходной стали, I. металле
ЭШП преобладающими являются силикат-
ные и глиноземистые включения. Изучение
неметаллических включений хромоникеле-
молибденовой стали металлографическим
методом, проведенное по ГОСТ 1778—70
(табл. 296), также указывает на значи-
тельно меньшую загрязненность электро-
шлакового металла.

Результаты газового анализа приведе-
ны в табл. 297. Как видно из таблицы, со-
держание кислорода в металле ЭШП
уменьшается с 0,0034% (в исходной ста-
ли) до 0,0020—0,0022%. Содержание водо-
рода при этом не изменяется, а азста —
несколько повышается.

Таблица 295. Содержание неметаллических включений (%) в расходуемых электродах
и в слитках-слябах ЭШП из хромоникелемолибденовой стали, определенное электролитическим
методом

Способ выплавки	Место от- бора про- бы	Всего включе- ний	8Ю2	МпО	Сг2О3	РеО	А12О3	СаО
Мартеновский	Голова	0,0116	18,18			1,21	1 6,89	65,07		
	Дно	0,0163	14,08	—	0,73	4,81	74,70	—
ЭШП	Голова	0,0024	30,50	Следы	0,13	0,66	53,60	0,34
	Дно	0,0014	41,80	»	0,53	2,70	37,80	0,53

Таблица 296. Загрязненность неметаллическими включениями исходной мартеновской
хромоникелемолибденовой стали и металла ЭШП, баллы по ГОСТ 1778—70

Способ выплавки	Место от- бора про- бы	Оксиды		Силикаты			Сульфиды	Нитриды	
		строчеч- ные	точечные	хрупкие	пластич- ные	недефор- мируе- мые		титана	алюми- ния
Марте-	Голова	2,5	1.0	0,3	0	0,9	3,3	0	0
НОВСКИЙ	Дно	2,8	1,0	0	0	0,3	3,0	0	0
эшп	Голова	0,5	0,5	0	0	0,5	1,0	0	0
	Дно	0,5	0,5	0	0	0	0,5	0	0
Таблипа 297. Содержание газов
в расходуемых электродах и в слитках-слябах
ЭШП из хромоникелемолибденовой стали, %

Способ выплавки	Место от бора про- бы	Ю]	(Ы)	ГН]
Марте- новский	Середина	0,0034	0,0062	0,00033
ЭШП	Голова Дно	0,0022 0,0020	0,0089 0,0069	0,00028 0,00033

Металлографическими исследованиями
листов хромоникелемолибденовой стали из
слитков-слябов ЭШП установлено, что по-
сле 1,5-кратной горячей деформации ме-
талл по толщине проката имеет в центре
практически литую структуру (50% по вы-
соте сечения) и деформированные поверх-
ностные слои (рис. 267). Несмотря на раз-
личие в макроструктуре по толщине листа,
микроструктура поверхностных и централь-
ных слоев практически не отличается
(рис. 268) как для головной, так и для
донной части листа.

Изучение серных отпечатков (рис. 269)
и изломов технологических проб (рис. 270)
показало, что металл ЭШП не имеет рас-

Рис. 267. Макроструктура листовой хромони-
келемолибденовой стали ЭШП толщиной 80 мм
с 1,5-кратным обжатием:

а —- головная часть листа; б — дониая часть листа.

слоев ни в головной, ни в донной части
листов, что свидетельствует о высоком ме-
таллургическом качестве литой исходной
заготовки.

При этом в металле ЭШП отсутствуют
обычно присущие толстолистовому прока-
ту стали открытой выплавки осевая рых-
лость и строчечность. Травление в кипя-
щем 50%-ном растворе соляной кислоты
выявило плотную структуру металла ЭШП
со слабой точечной растравленностью, в то
время как на пробах мартеновской стали
наблюдается преимущественно штриховая
растравленность, особенно в центральной
части сечения листа. Серные отпечатки,
по Бауману, темплетов листов электро-
шлакового металла свидетельствуют о по-
нижении содержания серы и ее равномер-
ном распределении.

Необходимо отметить, что одновремен-
но было проведено исследование качества
литых плит ЭШП толщиной 120 мм из хро-
моникелемолибденовой стали аналогичного
химического состава, выплавленных по
двухручьевой схеме под специальным флю-
сом, не обладающим обессеривающей спо-
собностью. Ставилась задача оценки влия-
ния на качество литого металла ЭШП ме-
таллургических особенностей кристаллиза-
ции слитков-слябов ЭШП в двухручьевой
подвижный кристаллизатор при условии,
Рис. 268. Микроструктура листовой хромонике-
лемолибденовой стали ЭШП толщиной 80 мм
с 1,5-кратным обжатием, Х2О0:

а — поверхностный слой; б — центральные слои листа.

Рис. 269. Серные отпечатки, по Бауману, листо-
вой хромоникелемолибденовой стали ЭШП тол-
щиной 80 мм с 1,5-кратным обжатием:
а — головная часть листа; б — донная часть листа.

что обессеривание стали в процессе ЭШП
ограничено. При этом дополнительно ис-
следовался характер распределения серы
(содержание серы такое же, как в марте-
новском металле) по сечению и длине
слитка-сляба ЭШП. Для проведения ис-
следований от слитков-слябов ЭШП из го-
ловной, средней и донной частей вырезали
темплеты, из которых изготавливали мак-
рошлифы.

Макроисследования показали, что ли-
той металл ЭШП отличается плотной и
однородной макроструктурой как по сече-
нию (толщине, ширине), так и по длине
слитка-сляба ЭШП. В литом металлу
ЭШП отсутствуют обычно характерные
для толстолистового проката осевая рых-
лость и строчечность. Серные отпечатки,
по Бауману, также свидетельствуют о рав-
номерном распределении серы по толщине
и длине слитков-слябов ЭШП, несмотря на
то что общее содержание серы (0,010—
0,015%) в металле ЭШП осталось та-
ким же, как и в исходном мартеновском
металле. Это обстоятельство, по нашему
мнению, имеет решающее значение, так
как оно объясняет высокую изотропность
литого металла ЭШП. Для сравнения на
рис. 271 представлен серный отпечаток,
снятый с катаного листа толщиной 80 мм
мартеновской стали, имеющий такое же
содержание серы, как и в литом слитке-

г»**®*®-
Таблица 298. Механические свойства толстолистовой хромоникелемолибденовой стали из слитков-
слябов ЭШП

Направление вырезки об- разцов	Место отбора пробы		кгс/мм2	о5, кгс/мм2	0. %	1|>- %	си, <кгс -м/см2) при Т®, С			
	в слитке	в листе					20	|	—20	—50	—70
Вдоль про-	Голова	Поверхность	96,0	86,5	16,0	62,3	15,2	13,2	12,9	Н,1
ката		Центр	96,5	86,5	14.5	63.5	13,5	12,5	12,6	10,3
	Дно	Поверхность	94,0	84,0	19,0	68,5	16,0	15,0	14,7	12,4
\		Центр	95,0	84,5	17.0	67,0	15.5	15,3	14,4	11.7
Поперек	Голова	Поверхность	95,5	85,0	16,0	54,5	10,1	9,3	9,4	8,6
проката		Центр	96,5	86.5	15,5	52,5	10.2	9,5	9,0	8,2
	Дно	Поверхность	96,0	87,0	16,5	62,0	13,8	14,0	12,7	11,1
		Центр	95,0	85.5	15,8	59,6	13,6	12,5	11,9	10,0
По толщине	Голова	—	94,5	83,5	14,6	58,3	7,3	7,9	6,7	5,6
	Дно	—	94,0	84,5	15.5	62,0	10,4	9,5	8,7	7,4

Примечание. Приведены средние значения испытаний трех образцов.

слябе ЭШП. В средней трети по толщине
наблюдается ярко выраженная сульфидная
ликвация, которая как результат горячей
прокатки носит строчечный характер и обу-
словливает значительную анизотропию
свойства и расслоения в листовом прокате.

Механические свойства металла листов
ЭШП с 1,5-кратным обжатием оценива-
лись в сравнении с механическими свой-
ствами листового мартеновского металла
аналогичного химического состава, полу-
ченного 8-кратным обжатием на образцах.

Рис. 270. Изломы хромоникелемолибденовой
стали ЭШП толщиной 80 мм с 1,5-кратным об-
жатием:

о —головная часть листа: б — донная часть листа.

вырезанных из головной и донной частей
в трех направлениях: вдоль и поперек на-
правления прокатки, а также по толщине
листа. Кроме того, для металла ЭШП
оценивались механические свойства по-
верхностных и центральных слоев листа.
Заготовки образцов подвергали закалке с
890—10° С и отпуску при 580° С в течение
1 ч в одной садке.

Как следует из табл. 298, поверхност-
ные (деформированные) и центральные
(литые) слои металла ЭШП имеют прак-
тически одинаковые показатели пластично-
сти и ударной вязкости, что свидетельству-
ет о высоком качестве листов ЭШП даже
в том случае, если при прокатке из-за ма-
лой степени обжатия по толщине листов
Таблица 299. Механические свойства толстолистовой (80 мм) хромоникелемолибденовой стали
мартеновской и электрошлаковой выплавки

Способ выплавки	Направление вырез- ки образцов	Место от- бора пробы в слитке	Механические свойства				ан, при 20° С, кгс - м/см8
			°В’ кгс/мм2	а5, кгс/мм2	С. %	%	
Мартеновский	Вдоль проката	Голова	95,5	86,5	15,9	60,2	12,5
		Дно	96,0	84,5	17,7	62,4	14,0
	Поперек проката	Голова	94,5	85,0	14,3	55,8	10,3
		Дно	94,5	83,5	16,1	58,1	10,3
	По толщине	Голова	95,5	86,0	9,4	21,6	5,9
		Дно	96,0	84,5	10,8	23,3	6,9
ЭШП	Вдоль проката	Голова	96,0	86,0	15,3	62,9	14,4
		Дно	94,5	84,0	18,0	67,7	15,8
	Поперек проката	Голова	96,0	85,5	15,0	53,5	10,2
		Дно	95,5	86,5	16,2	60,8	13,7
	По толщине	Голова	94,5	83,5	14,6	58,3	7,3
		Дно	94,0	84,5	15,5	62,0	10,4

Примечание. Для мартеновского металла приведены средние значения трех образцов, а для металла ЭШП —
средние значения шести образцов.

Рис. 271. Серные отпечатки, по Бауману (хро-
моникелемолибденовая сталь):

а — литые плиты (слитки-слябы) ЭШП толщиной
120 мм; б — лист толщиной 80 мм мартеновской стали
(8-кратное обжатие).

ЭШП остаются зоны с недостаточно про-
работанной литой структурой.

Механические свойства электрошлако-
вого металла из слитков-слябов с 1,5-крат-
ным обжатием по сравнению с механи-
ческими свойствами толстолистовой ста-
ли из листового мартеновского слитка с
8-кратным обжатием приведены в
табл. 299.

Подсчет по формулам средних геоме-
трических значений механических свойств
и коэффициентов анизотропии (табл. 300)
показывает, что металл ЭШП при одном
уровне прочности с мартеновским метал-
лом имеет лучшие показатели изотропно-
сти (Дпл И ЦоСщ).

Таким образом, используемый при
двухручьевой схеме выплавки слитков-сля-
бов ЭШП флюс системы СаРг—СаО—
АЬОз—8Юг обеспечивает эффективное ра-
финирование металла хромоникелемолиб-
деновой стали от серы, удаление неметал-
лических включений в процессе переплава,
постоянство химического состава по длине
сляба и получение высококачественного
литого металла.

Общая оценка физико-механических
свойств металла ЭШП, подвергнутого
50%-ному суммарному обжатию, позволяет
сделать вывод о высокий химической и
структурной однородности литого металла
ЭШП, что подтверждается одинаковыми
свойствами по толщине листа.
Таблица 300. Коэффициенты анизотропии толстолистовой (80 мм) хромоникелемолибденовой
стали мартеновской (слиток с 8-кратным обжатием) и электрошлаковой (слитки-слябы с 1,5-кратиым
обжатием) выплавки

Способ выплавки	Место отбора пробы	Средние геометрические значения			Коэффициенты анизотропии		
		«в.	м?	“н	^пл	Паи	^общ
Мартеновский	Голова	164,3	85.6	17,3	0,42	0,52	0,41
	Дно	164,3	89,1	19,0	0,43	0,55	0,45
ЭШП	Голова	164,3	101,0	19,1	0.98	0,60	0,93
	Дно	164,3	110,0	23,1	0,95	0,70	0,91

_______________02 + бу	__________—

Примечание. ов = ]/< +	= 6^6,, Ч'х+ %"'	= ]/ ** +	

2	+	2

°нг	г —-------------—_________________________6г 4- Фг + °нг_____________

”ш + апу °н — у “их "I” °вд °иг : 1'обш 6Х _|_ бу Ф* _|_ анх ану
2	2	+	2	+	2

Толстолистовой металл ЭШП среднеле-
гироваиной хромоникелемолибденовой ста-
ли из слитков-слябов ЭШП с 1,5-кратным
обжатием при одинаковом уровне прочно-
сти превосходит катаный мартеновский ме-
талл той же стали с 8-кратным обжатием
по значениям пластичности и вязкости.

Следовательно, достижение высокого
сочетания характеристик пластичности и
вязкости в листовом прокате ЭШП не тре-
бует применения больших суммарных об-
жатий, необходимых для толстолистового
металла открытой выплавки.

§ 8.	Листовые стали за рубежом

Высокое качество листового проката, полу-
чаемого из слитков ЭШП, в настоящее
время общепризнано. Лучшим подтвер-
ждением этому является тот факт, что на-
ряду с ростом производства электрошлако-
вой листовой стали в нашей стране это
производство в последние годы получает
интенсивное развитие и за рубежом (в
ФРГ, Франции, Швеции, Англии, Японии,
США и других странах). .

Не вызывает сомнения также тот факт,
что успехи, достигнутые нашей промыш-
ленностью в создании специализированных
листовых печей ЭШП, разработке и приме-
нении электрошлаковой технологии полу-
чения листовых слитков и слитков-слябов
ЭШП, оказали определяющее влияние на
развитие оборудования и технологии ЭШП

слитков различного сортамента во многих
зарубежных странах. Так, в 1970 г. швед-
ская фирма «Авеста» закупила в СССР
оборудование и технологию для выплавки
листовых слитков массой до 9 т. С 1974 г.
крупнейшая в мире сталеплавильная кор-
порация «Ниппон стил корпорейшн»
(И8С) успешно эксплуатирует самую
большую в мире печь ЭШП для выплавки
листовых слитков массой до 40 т (печь
ЭШП-40). Эта печь построена по совет-
ской лицензии, проект печи разработан
ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР [68].
Конструкция печи предусматривает воз-
можность выплавки листовых слитков по
однофазной бифилярной схеме в коротком
уширенном кристаллизаторе Т-образного
сечения по двух- и четырехэлектродной
схеме. В основу печи заложена идея
встречного движения электродов и кри-
сталлизатора.

Общее представление о находящихся в
настоящее время в эксплуатации в зару-
бежных странах крупных листовых печах
ЭШП дает табл. 301. Кроме указанных в
табл. 301 специализированных печей ЭШП
ряд зарубежных фирм, не имеющих специ-
ального оборудования ЭШП, производит
также листы и плиты ЭШП из кузнечных
и сортовых электрошлаковых слитков,
подвергнутых предварительной ковке на
прессе на слябовые заготовки.

Как уже указывалось, однофазные би-
филярные печи ЭШП конструкции ИЭС
Таблица 301. Листовые печи, эксплуатируемые в зарубежных странах

Фирма	Страна	Слиток		Г од пуска печи
		Сечение, мм	| Масса, т	
«Ниппон стил корпорейшн»	Япония	510X2400	40	1974
		510x1900	29	
		300x1900	17	
		450X1200	5	1971
«Лукенз стил корпорейшн»	США	750X2000	30	1970
«Инко Хантингтон»	»	300X1300	10	1971
«Рейншталь Хаттинген»	ФРГ	600X1000	6,2	1968
«Беллер Капфенберг» *	Австрия	260x1150	2,2	1967
«Авеста»	Швеция	400X1200	9	1970
«Электрометалл Акос Финос»	Бразилия	430x910	7	1973
«Бритиш стил корпорейшн»	Англия	640X 3100	50	1976

С 1975 г. «Ферайнигте Эдельштальверке»



им. Е. О. Патона АН УССР типа ЭШП-40
или ЭШП-16ВГ более просты в эксплуата-
ции, чем применяемые за рубежом трех-
фазные печи, и обеспечивают получение
листового проката ЭШП с более высокими
изотропными механическими, а также спе-
циальными свойствами. В связи с этим
весьма показательны результаты исследо-
вания толстых листов С—Мп—81—МЬ и
С—Сг—Мо—V низколегированной стали,
полученных из слитков, выплавленных по
трехфазной и однофазной схемам с приме-
нением одного и двух (расщепленная схе-
ма) электродов. Исследования были про-
ведены фирмой «Бритиш стил корпо-
рейшн» [30].

В работе [30] отмечается, что при
ЭШП указанных сталей изменяется в ос-
новном содержание кремния, алюминия и
серы. При этом снижение содержания
кремния происходит в меньшей мере, когда
в материале электродов есть алюминий
или когда он вводится в процессе ЭШП.
Содержание углерода, марганца, хрома,
молибдена, ниобия и ванадия практически
не изменяется. Во всех случаях отклонение
содержания элементов по всему поперечно-
му сечению листов было незначительным и
находилось в пределах ожидаемой точно-
сти химического анализа.

Металлографические исследования по-
зволили определить, что в листах ЭШП в
основном присутствуют точечные оксиды.
Снижение содержания оксидов в металле
ЭШП подтверждается более низким, чем
в электродах, содержанием кислорода. Ко-

личество сульфидных включений пропор-
ционально содержанию серы в стали ЭШП.
Большая часть этих включений оказалась
сульфидами марганца, меньшая — окси-
сульфидами. Полученные данные совпада-
ют с результатами ультразвукового конт-
роля. При ультразвуковом контроле
листов, выплавленных по различным вари-
антам, дефектов не обнаружено, что сви-
детельствует о высоком качестве металла
ЭШП.

Показатели анизотропии металла раз-
личных вариантов ЭШП оценивались как
отношение поглощения энергии образцов
Шарли в продольном и поперечном на-
правлениях. Данные табл. 302 свидетель-
ствуют о том, что значения поглощения
энергии для всех вариантов ЭШП доста-
точно высоки, однако листовой металл
толщиной 25 мм имел высокую степень
анизотропии, за исключением плавки № 1.
Предполагается, что поскольку влиток № 1
прокатывался только в продольном на-
правлении, то анизотропия листа высокая.
Полученную однородность свойств листа
№ 1 можно объяснить низким содержани-
ем остаточного алюминия в металле ЭШП
этого варианта, что способствует образова-
нию малопластичных сульфидов, которые
незначительно деформируются при прока-
те. В металле листов № 2, 3, 4 и 5 содер-
жание остаточного алюминия значительно
выше и поэтому образуются пластичные
сульфиды. В результате деформации сте-
пень анизотропии этих листов повыша-
ется.
В результате проведенной работы дела-
ется вывод о необходимости принятия спе-
циальных мер по снижению в расходуемых
электродах ЭШП серы, водорода, азота и
других вредных примесей. Не менее важ-
ным считается также сведение к минимуму
ликвации легирующих элементов по длине
электрода, так как этот фактор приводит к
изменению химического состава и механи-
ческих свойств в слитке и листе ЭШП.
При этом, однако, отмечается, что смена
электродов в процессе плавки не сказыва-
ется отрицательно на качестве макро- и
микроструктуры сталей, использованных в
описываемых опытных плавках. Следует
обметить, что разработанная в ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР бифилярная
многоэлектродная схема, широко приме-
няемая при выплавке листовых слитков и
заложенная, в частности, в схему печи
ЭШП-40, позволяет расположить электро-
ды так, что зоны отрицательной ликвации
одного электрода или группы электродов
переплавляются одновременно с зонами
положительной ликвации другого электро-
да или группы электродов. Это обеспечи-
вает исключительно высокую химическую
однородность слитков ЭШП. В связи с
этим особый интерес представляют дан-
ные о качестве толстых листов ЭШП, по-
лученных из листовых слитков массой 40 т
на японской фирме К8С [76].

До пуска печи ЭШП-40 в Японии тех-
нологическая схема производства толсто-
листового проката из конструкционных и
нержавеющих сталей на фирме «Ниппон
стил корпорейшн» включала следующие
этапы: выплавку стали в 50-тонной дуговой
печи или кислородном конвертере; внепеч-
ную десульфурацию и вакуумирование
стали; разливку металла в слиток толщи-
ной 800 мм; ковку слитка на прессе в
сляб-заготовку толщиной 400—500 мм;
ремонт сляба, безокислительный нагрев
и прокатку его на лист; нормализацию и
закалку листа; высокий отпуск и правку
на прессе. Естественно, что такая техноло-
гия трудоемка, дорога, не обеспечивает
стабильных высоких качественных показа-
телей, так как дефекты слитка переходят
в лист. По этим причинам эта фирма вне-
дрила у себя советскую технологию ЭШП
для производства толстых листов из слит-

Рис. 272. Общий вид печи ЭШП-40 для выплав
ки листового слитка массой 40 т.

ков такой толщины, какую имела заготов-
ка после ковки, т. е. 400—500 мм. Таким
образом, для листов толщиной 300 мм бе-
рется исходный слиток толщиной 510 мм,
в данном случае обжатие равно 1,7. При
этом важно отметить, что оценка металла
ЭШП производилась по принятым фирма-
ми специальным техническим условиям,
которые по сравнению с действующими в
нашей стране более жестки (в частности,
требования к химическому составу). Печь
ЭШП-40 работает только с подвижными
короткими кристаллизаторами (рис. 272).

Сталь А533В (типа 20ГНМА). Эта сталь
переплавлялась в слитки массой 40 т, раз-
мером 520X2430X4200 мм.

Как отмечалось, однородности химиче-
ского состава металла ЭШП придавалось
особое значение, так так она во многом
определяет качество листа в целом. Кроме
того, фирма «Ниппон стил корпорейшн*
задает очень узкие пределы по каждому
элементу, в технических условиях указы-
ваются также допустимые отклонения от
среднего содержания каждого элемента в
Таблица 302. Ударная вязкость образцов Шарли с У-образным надрезом из сляба и листа ЭШП |30|*

Номер плавок		Тип стали	Варианты ЭШП и прокатки	Термообработка	1 Толщина	листа, мм	Работа удара;	
							—60	-40
1  2  3  4  5  6		с—Мп—81—№  С—Мп—81—1ЧЬ  С—Сг—Мо—V  С—Сг—Мо—V  С—Мп—81—№  С—Мп—81—№	ЭШП по трехфазной схеме; сечение слитка 305X1422 мм; прокатка только вдоль; шлак 70; 15; 15  ЭШП по трехфазной схеме со сме- ной электродов; обжатие вдоль и поперек; шлак 65:35  ЭШП по трехфазной схеме; про- катка вдоль; добавки 0,036% А1; шлак 70:15:15  ЭШП по трехфазной схеме и сме- ной электродов; обжатие вдоль и поперек; шлак 65:35  ЭШП по однофазной расщепленной схеме со сменой электрода, сечение сляба 1100x 250 мм; подвижный кристаллизатор; добавка 0,1% А1; шлак 33:33:33  ЭШП по одноэлектродной схеме; сечение сляба 1015x 200 мм; шлак 65:5:30	Нормализация  »  Нормализация и отпуск  »  Нормализация  Нормализация и отпуск	25  76  152  305**  25  102  25  102  25  102  25  114  25  114		9,68  4,68  6,22  4,79  1,73  2,04 Не опр.  0,815  2,96  3,06  2,75  1,53  2,44 Не опр. Не опр.  3,06	14,6  6,93  12,43  8,55  4,18  7,65  1,32  1,73  6,22  3,16  8,36  3,06 ;  4,18  0,202   2,45  Не опр '  13,01 ’
							2,24  1,43	2,85  10,2
							Не опр.  3,20	Не опр.  11,92
							Не опр.  1,43	3,06  3,76
							Не опр.  3,43	Не опр.  4,58
							Не опр.  Не	2,43  >пр. с  	

* В числителе — продольное направление вырезки образцов; в знаменателе — поперечное.

** Литой сляб.

данном слитке (листе). В качестве приме-
ра приведем данные о химическом составе
слитка в сравнении с требованиями техни-
ческих условий (табл. 303). Реальные от-
клонения от среднего значения в электро-
дах по углероду, марганцу и молибдену
превышают гарантированные. В результа-
те ЭШП отклонения от средних значений
по углероду, сере, никелю, меди и хрому
отсутствуют. Отклонения по марганцу,
кремнию и алюминию составляют соответ-
ственно 0,01 и 0,001%, что значительно ни-

же, чем в электродах. Такая исключитель-
ная равномерность химического состава
обеспечивается рациональной шихтовкой
четырех электродов и введением непрерыв-
ного раскисления. Следует отметить также
низкое содержание водорода и кислорода
после ЭШП.

После ЭШП под флюсом АНФ-29 со-
держание неметаллических включений в
листах толщиной 240 мм снизилось с
0,08% в электродах до 0,03%. При этом
распределение включений в листах ЭШП
(кгс-и) при Т. °С					Волокнистость излома (%) при Т, °С						Пог лоще-	Коэффи- циент анизотро- пии
	-20	0	20	40	—60	—40	—20	0	20	40	вие энер- гии образ-  ца ми, кгс* м	
	19,15	22,5	24,02	Не опр.	20	40	65	100	100	Не опр.	24,02	1.48
	9,18	11,6	14,2	16,2	0	10	20	40	75	100	16,2	
	17,32	18,45	23,6	25,01	0	30	60	85	100	100	25,01	1,18
	12,52	16,7	20,6	20,1	5	10	25	60	100	100	21,1	
1	25,0	30,2	Не опр.	Не опр.	0	45	80	100	—	—	30,2	1,25
	13,87	19,2	22,2	24,2	5	30	55	70	"85	Тоо	24,2	
	4,59	8,35	11,82	15,0	0	0	0	45	80	90	15,6	1,15
	4,38	17,45	9,26	10,4	0	0	10	25	40	60	13,45	
	9,68	15,1	Не опр.		10	35	70	100	Не	опр.	15,1	2,75
	5,4	5,5			20	40	100	100			5,5	
	11,5	14,7	17,65	19,55	0	15	35	70	100	100	19,55	1,46
	4,59	6,93	10,8	13,15	0	10	20	33	80	100	13,35	
	13,47	16,2	17,45	18,0	5	10	45	80	100	100	18,0	2,72
	2,65	3,49	4,68	6,11	Не опр.	0	20	20	75	100	6,63	
	4,39	6,94	11,12	16,3	Не опр.	0	5	13	45	100	16,6	1,5
	2,86	3,67	5,41	7,64	—	Не опр.	0	5	22	60	11,1	
	16,0	17,55	19,5	20,8	5	25	55	80	100	100	20,8	2,0
	4,18	5,81	7,45	9,69	0	5	15	35	60	100	10,4	
	12,55	14,9	16,9	—	0	20	30	50	100	Не опр.	16,7	1,01
1  1	3,46	5,81	10,4	16,6		Не опр.	0	5	40	10,0	16,62	
	14,5	16,4	16,9	18,15	5	30	45	65	85	90	20,2	2,02
	4,08	5,5	7,75	10,0	Не опр.	0	5	80	95	100	10,0	
	5,51	11,15	15,6	16,6	0	5	15	30	70	100	16,62	1,10
	5,0	7,75	11,2	14,05	Не опр.	Не опр.	0	20	60	100	15,2	
	7,14	11,0	13,85	14,0	0	10	25	50	100	100	13,97	1,74
	3,36	4,18	5,7	7,85	Не опр.	0	5	15	60	95	8,05	
		4,18	6,11	10		Не опр.		5	20	60	12,75	1,11
		3,06	4,99	8,05				0	20	60	11,5	

1

значительно более равномерное (рис.
273).

Результаты испытаний механических
свойств листа толщиной 225 мм (обжа-
тие 2, 3) приведены в табл. 304. Отмечает-
ся высокая изотропность свойств по тол-
щине листа.

Кроме того, были проведены испытания
для определения сопротивления материала
развитию трещины, а также вязкому раз-
рушению Кю при различных температу-
рах. Проводились испытания (для сравне-

ния) электропечной стали и электрошлако-
вой в листах толщиной 150 мм. Результа-
ты этих исследований представлены на
рис. 274.

О приемлемости коэффициента Кю су-
дили по тому, удовлетворяется ли соотно-
шение

°0.2’

(У1.4)

где В — толщина образца; од. 2 — предел
текучести металла.
Таблица 303. Химический состав расходуемых электродов и слитка ЭШП массой 40 т из стали Л533

	Металлургиче- ские особенности производства	с	Содержали				
Объект ана- лиза		Количв' ство пу	С	81	Мп	р	8
Расходуе-	Внепечная де-	8	0,196—0.251	0,23—0,25	1,42—1,49	0,007—0,009	0,005—0,001
мые элек- троды  Слиток	сульфурация и вакуумирова- ние Непрерывное	9	0,224  0,21—0,21	0,235  0,28—0,30	1,145  1,38—1,40	0,0083  0,009—0,010	0,006  0,003-0,003
эшп	раскисление		0,21	0,29	1,39	0,0095	0,003
Требования ТУ  Требования по максимальным откло- нениям от среднего значения:			0,19—0,21	0,18—0,28	1,37—1,47	0,010	0,007
гарантия  цель (хотели получить)			±0,015 ±0,01	±0,02	±0,03	±0,002 ±0,001	±0,002 ±0.001
Фактические максимальные нения от средних значений: в электродах  в слитках ЭШП		ОТКЛО-	+0,027  —0,028 0	+0,016  —0,005  0,01  —0,01	+0,045  —0,025 0,01  —0,01	+0,001  —0,001  0,0005  —0,0005	+0,0015  —0,0005 0

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние

Рис. 273. Распределение неметаллических вклю-
чений по толщине листов из стали 20ГНМА
ЭШП (1) и обычной выплавки (2) по данным
просмотра 60 полей зрения при увеличении 400.

Рис. 274. Сравнение критериев вязкого разру-
шения стали 20ГНМА (лист толщиной 150 мм)
ЭШП и электродуговой выплавки:

/ — сталь ЭШП; 2 — электродуговая сталь (данные
фирмы «Ниппон стнл корпорейшн»); 3 — электродуго-
вая сталь (технические условия), светлые кружки —
значения неприемлемы; темные — значения приемле-
мы.

Аналогичная зависимость Кю от тем-
пературы для стали А533В открытой вы-
плавки описана также в работе [82].
В частности, отмечается, что значение /+
резко возрастает в интервале температур
0—20° С. Следовательно, в этом интервале
возможно существование в металле высо-
ких напряжений без разрушения*листа. Из
рис. 274 видно, что у стали А533В ЭШП
резкое возрастание значения К\с наблюда-
1533В	
сание	
	
>,007	
,003	
	

407

§ 8. Листовые стали за рубежом

элементов					Содержание газов. % -10—4		
.Си	№	Сг	Мо	А1	ГГ4Т	Н)	ГО]
0,02-0,02	0,64—0,67	0,12—0,13	0,52—0,60	0,016—0,022	54—63	1,5	20—40
0,02	0,66	0,123	0,56	0,019	60		26
0,02-0,02	0,64—0,64	0,14—0,14	0,51—0,52	0,009—0,011	63—67	1,3—2,8	20—40
0,02	0.64	0,14	0,52	0,010	64	2,4	20
0,10	0,60—0,70	0,10—0,20	0,48—0,58	0,012—0,030	Не регла- ментируется	<2,5	Не регла- ментируется
±0,02	±0,02	±0,02	±0,02	±0,005	Не р	егламенти	эуется
±0,01		—	—	±0,003	»		»
0  0  0	0,01  -0,02 0	0,007  —0,003 0	0,04  —0,04  0,00  —0,01	0,003  —0,003  0,001  —0.001	Не опр.		—4  14

ется при температурах, значительно более
низких (—75° С). Это свидетельствует об
исключительно высокой вязкости металла
ЭШП, что не позволило создать при тем-
пературах выше —75° С условия плоской
деформации, т. е. пластичность у конца

трещины была слишком высокая. В дан-
ном случае в связи с резким ростом значе-
ния Хю нарушено соотношение (VI. 4)
для листа толщиной 150 мм. Поэтому уча-
сток кривой, проходящий по светлым точ-
кам, принято считать неприемлемым.

<



I»'

Таблица 304. Механические свойства листа толщиной 225 мм стали типа А533В

Направление	. кгс/мм*			«Б	. кгс/мм2		6. %			<₽. %		
вырезки об- разцов	8	1/4 1	1/2 1	8	1/4 <	1/2 1	8	1/4 1	1/2 1	8	1/4 1	1/2 (
Ч  X  У г	62,0 60,5 Не опр.	53,6  53,2  52,0	51,2  61,6  51,8	71,9 71,5 Не опр.	66,7  66,4  65,1	65,0  65,3  65,2	23,2 22,9 Не опр.	22,8  22,4  19,8	22,8  20,1  20.6	76,2 75,1 Не опр.	73,2  69,2  67,2	72,4  60,0  64,3
У_  X	97,6	99,3	100,8	99,4	99,6	100,5	98,7	98,2	88,2	98,6	94,5	82,3
н | X	—	97,0	101,2	—	97,6	100,3	—	86,8	90.4	—	91,8	88,8

Примечания: 1. Образцы отбирались с поверхностного слоя листа 5, а также на глубине 1/4 и 1/2
его толщины (1/4 I и 1/2 /). 2. Средний химический состав металла листа, %: 0,20 С; 0,22 81; 1,30 Мп; 0,004 Р;
0,002 8; 0,07 Си; 0,64 ЬИ; 0,20 Сг; 0,52 Мо. 3. Значение отношения свойств в различных направлениях дано в
процентах.
Рис. 275. Сопоставление усталостной прочности
стали А533В ЭШП (1) и электропечной вы-
плавки (2) (лист толщиной 180 мм, ов = 61,6-5-
-5- 65,4 кгс/мм2).

Рис. 276. Зависимость скорости роста устало-
стной трещины йа/йЫ от интенсивности устало-
стного напряжения Д/г/:

1 — сталь А533В ЭШП; 2 — диапазон значений для
низкопрочных низколегированных сталей, используе-
мых при производстве сосудов высокого давления.

Рис. 277. Распределение химических элементов
в листе стали А537М, обладающей высоким со-
противлением возникновению ламелярных тре-
щин:

1 — '/г толщины листа; 2 — поверхностный слой.

Аналогичное поведение металла ЭШП,
свидетельствующее о его высоких вязкост-
ных и пластических свойствах, описано в
работе [82].

Данные, приведенные на рис. 275, сви-
детельствуют о более высокой усталостной
прочности стали А533В ЭШП и этой же
стали электродуговой выплавки.

Весьма важным параметром для расче-ь
тов конструкций является скорость роста
усталостной трещины	На рис. 276,

взятом из работы [76], показано влияние
на отношение с1а1с!М изменения интенсив-
ности напряжения в течение одного цикла
нагружения (ДА/). Из рис. 276 видно, что
сталь ЭШП имеет лучшую сопротивля-
емость распространению усталостных тре-
щин при невысоких значениях <1а[с1п. Это
можно объяснить высокой чиетотой стали,
так как зарождение и распространение
трещины зависят от количества и разме-
ров дефектов (неметаллических включе-
ний, несплошностей и т. д.). Внутренние
Рис. 278. Содержание неметаллических вклю-
чений в листах стали А537М ЭШП толщиной
130 мм (I) и стали открытой выплавки толщи-
ной 100 мм (II):

/ — верхняя часть листа; 2 — нижняя часть листа;
А — сульфиды и силикаты; В — глинозем, С — глобу-
лярные оксиды.

Рис. 279. Распределение значения фг в листах
стали А537М ЭШП:

I — центр; 2 — '/< ширины; 3 — край.

Рис. 280. Кривые ударной вязкости стали
А537М, полученной методом ЭШП и открытой
выплавкой (образцы отбирались на половине
толщины листов):

а —сталь ЭШП (лист толщиной 100 мм); б — сталь
ЭШП (лист толщиной 130 мм); в — обычная сталь
(лист толщиной 100 мм); 1 — вдоль прокатки; 2—
поперек прокатки; 3 — вертикальное направление.

дефекты могут быть причиной активного
распространения усталостной трещины.

Сталь А537М (типа 20ГНДФБ). Эта
сталь используется в виде толстых листов
для изготовления сосудов высокого давле-
ния, а также для изделий, работающих
при низких температурах.

В месте сварных соединений, подвер-
гающихся действию напряжений в направ-
лении толщины листа (г), с увеличением
размеров сварных конструкций возникают
слоистые трещины в стальном листе. Появ-
ление ламелярных трещин вызывается в
большинстве случаев наличием сернистых
включений в стали при низкой прочности
в направлении г. Сталь А537М ЭШП прак-
тически нечувствительна к ламелярным
трещинам благодаря высокой чистоте и
изотропности механических свойств.

Сталь А537М переплавлялась в слитки
массой 28,5 т, размером 520Х1940Х
X 3800 мм. Как и для стали 20ГНМА,
четырехэлектродная перекрестная схема
ЭШП обеспечила выполнение весьма жест-
ких требований по распределению всех
химических элементов в слитках и листах
этой стали (рис. 277), несмотря на то что
по углероду, марганцу, кремнию, алюми-
нию и другим элементам практически на
каждой плавке фактические отклонения в
электродах от среднего содержания были
выше допустимых техническими условия-
ми. На рис. 278 приведены типичные ре-
зультаты исследований неметаллических
включений в стали А537М ЭШП и откры-
той выплавки. Видно, что сульфиды, сили-
каты и глинозем в листе ЭШП практиче-
ски полностью отсутствуют, а содержание
глобулярных оксидов в 2—2,5 раза мень-
ше, чем в листе открытой выплавки.

Как уже отмечалось, для стали А537М
с точки зрения повышения ее сопротивле-
ния ламелярным трещинам весьма важным
является обеспечение равномерных и вы-
соких свойств в направлении г, особенно
это относится к сужению площади попе-
речного сечения фг. Как видно из рис. 279,
где показано распределение фг в объеме
листов толщиной 100 и 130 мм стали
А537М, ф2 = 70 <-76%. При этом отмеча-
ется весьма высокая кучность результатов
по всему объему листов (у металла от-
крытой выплавки фирмы Г48С фг 45%,
Рис. 281. Распределение углерода и хрома в
крупногабаритном листе ЭШП толщиной 100 мм
стали 8118304 (05Х18Н9).

т. е. в данном случае значение фг в ре-
зультате ЭШП увеличилось в 1,6 ра-
за).

Низкое содержание серы и высокая об-
щая чистота стали намного повысили
(примерно в 1,7 раза) ударную вязкость
(рис. 280).

Сталь 8118304 (типа 05Х18Н9). Эта
сталь характеризуется высокой стой-
костью в агрессивных средах и при высо-
ких температурах, поэтому широко исполь-
зуется в химической, пищевой, атомной и
строительной промышленности. Дальней-
шее повышение ее служебных свойств обе-
спечивается в результате ЭШП. Сталь ис-
пользуется фирмой «Ниппон стил корпо-
рейшн» в листах толщиной 7—150 мм.

Рис. 282. Содержание неметаллических вклю-
чений в листе шириной 85 мм стали 8118304
ЭШП (I) и обычной выплавки (II). Обозначе-
ния те же, что на рис. 278.

Верх

Сталь 8118304 переплавлялась в слитки
массой 16,7 и 24 т, размерами соответ-
ственно 320X1940X3800 и 520X1940Х
X 3100 мм.

Отмечается исключительно высокая од-
нородность этой стали по всем элементам
в объеме листа толщиной 100 мм. Это под-
тверждается результатами химического
анализа (рис. 281). Никаких дефектов при
ультразвуковом контроле листов стали
8118304 ЭШП обнаружено не было.

При исследовании металла в листе тол-
щиной 85 мм выяснилось (рис. 282), что
сталь 8118304 ЭШП по неметаллическим
включениям значительно чище стали от-
крытой выплавки.

Сопротивление стали 8118304 ЭШП в
кислотных средах на 60% выше, чем у
стали открытой выплавки (рис. 283).

На рис. 284 приведены результаты ис-
пытаний механических свойств листов тол-
щиной 85, 125 и 150 мм стали 8118304
ЭШП в различных направлениях по отно-
шению к направлению прокатки и на раз-
ных горизонтах по толщине. Как следует
из рисунка, отклонение показателей этих
свойств в отдельных точках и направлени-
ях незначительны.

Сталь 8118304 ЭШП и открытой вы-
плавки была испытана также на полиру-
емость. Результаты испытаний, проводив-
шихся па образцах размером 7Х200Х
X 300 мм, представлены на рис. 285 как за-
висимость степени шероховатости (полиру-
емости) от количества внутренних дефек-
тов. Они свидетельствуют, что этот пока1
затель у стали ЭЩП в несколько раз
выше.
Рис. 283. Стойкость в кислотных средах стали
8118304 обычной выплавки (1) и ЭШП (2):
а — 1%-иый раствор НС1; б — 0,5%-ный раствор Не8О4.

Таким образом, толстые листы, полу-
ченные из крупных листовых слитков мас-
сой до 40 т, имеют высокие качественные
показатели. Это позволяет потребителям
широко использовать толстый лист из ме-
талла ЭШП в изделиях ответственного на-
значения.

Толстолистовые стали. На фирме
«Лукэнз стил Ко» (США) эксплуатирует-
ся 30-тонпая печь ЭШП, построенная аме-
риканской фирмой «Консарк». На этой пе-
чи выплавляются листовые слитки толщи-
ной 508—762 мм и шириной 1525 мм.

Рис. 284. Распределение механических свойств
в листах стали 8Й8304 ЭШП толщиной 150 (1),
125 (2) и 85 мм (3):

Ь — вдоль прокатки; Т — поперек прокатки; 2 — верти-
кальное направление; 5 — поверхность; I — толщина
листа.

Слитки прокатываются в листы толщиной
до 305 мм. Печь работает по одноэлект-
родной схеме с использованием, как пра-
вило, электродов из вакуумированной ста-
ли. Питание печи осуществляется от трех
последовательно включенных трансформа-
торов, обеспечивающих ток до 60 кА. Годо-
вая производительность печи 10000 т слит-
ков. Полученные листы ЭШП используются
для изготовления ядерных силовых уста-
новок, сосудов высокого давления, в ко-
раблестроении и космической промышлен-
ности.

Отмечается, что одним из преимуществ
ЭШП является способность снижать уро-
вень серы, кислорода и азота. На рис. 286
[71] показано содержание серы и кисло-
рода в стали А181 4140 (0,38—0,43% С;
0,20—0,35% 81; 0,75—1,0% Мп; не более
0,04% 8 и Р; 0,80—1,1% Сг; 0,15—
0,25% Мо) до и после ЭШП. Содержание
серы в результате ЭШП уменьшилось на
72%, а кислорода — на 68%.

Толстые листы ЭШП имеют мелкодис-
персные, равномерно распределенные не-
металлические включения. Результаты ис-
следования загрязненности листов некото-
рых сталей приведены в табл. 305. Эти же
листы полностью удовлетворяли требова-
ниям, предъявляемым к ядерным материа-
лам, подвергаемым ультразвуковому кон-
тролю. В табл. 306 [79] приведены меха-
нические свойства толстых листов некото-
рых конструкционных сталей. Отмечается,
что механические свойства более равно-
мерны во всех направлениях, а показатели
вязкости и пластичности выше, чем у этих
сталей открытой выплавки.

Испытания на усталость листов стали
типа А181 14340 (0,38—0,43% С; 0,20—
0,35 81; 0,60—0,80% Мп; не более 0,04% 8
и Р (каждого); 0,70—0,90% Сг; 0,20—
0,30% Мо; 1,65—2,0% ЬП), полученных ме-
тодами ВИП и ЭШП, показали (рис. 287),
что предел выносливости для стали ЭШП
более чем на 20 кгс/мм2 выше, чем для
стали ВИП.

В работе [82] отмечается, что данные
испытаний на ударную вязкость, по Шар-
пи, не всегда применимы в расчетах кон-
струкций. Более надежным параметром
является Аю. В этой работе приведены
результаты исследования зависимости Аю
Таблица 305. Оценка микрочистоты на 1/4 толщины листов из сталей ЭШП, баллы по
стандартам для вакуумной стали

са Ь о §  ё* 3 о X	Марка стали	Сульфиды		Алюминаты		Силикаты		Глобулярные оксиды	
		Т	н	т	н	Т	н	т	н
1	А533В (25ГНМА)	0,5	0	1,0	0,3	0	0	1,5	1,5
2	А537А (20ГНДФБ)	1,5	1,0	1,7	1,5	0	0	1,5	1,0
3	А537В (20ГНДФБ)	1,8	1,3	1,5	1,0	0	0	1,5	1,0
4	А387Д 15Х2М1	0,3	0	0,5	0,5	0	0	1,5	0,3
5	А387Д 15Х2М1	0,5	0	1,0	1,0	0	0	1,5	1,0

Примечание. Т — тонкий лист; Н — толстый лист.

от температуры для стали 20ГНМА, под-
тверждающие высокую вязкость стали
ЭШП. Аналогичные результаты приведены
в работе [76].

Отмечается также важность параметра
с1а1с1К. Показано влияние на значение
д.а1(1К изменения интенсивности напряже-
ния в течение одного цикла нагружения
(Д^).

Таким образом, высокая степень дис-
персности неметаллических включений и
низкое содержание кислорода и серы в со-
четании с благоприятной структурой слит-
ков и слябов ЭШП обеспечивают низкую
анизотропию механических свойств, высо-

Рис. 285. Полируемость листа толщиной 7 мм
стали 81/8304:

1 — сталь ЭШП; 2 — сталь обычной выплавки.

Степень шероховатости поверхности листа, мхи

кие стабильные свойства по толщине низ-
колегированных конструкционных листо-
вых сталей, предназначенных для изделий
ответственного назначения.

Мартенситно-стареюгцие стали. По ха-
рактеру легирования и структурных изме-
нений стали этой группы близки к хромо-
никелевым сталям переходного класса,
которые рассмотрены в гл. V.

Отличительной особенностью мартен-
ситно-стареющих сталей является ограни-
чение содержания в их составе углерода,
кремния, марганца, серы и фосфора. Со-
держание углерода не должно превышать
0,03%. Более высокое содержание углеро-
да считается вредным, так как способ-
ствует разупрочнению и охрупчиванию ста-
лей вследствие перевода карбидообразу-
ющих элементов (Т1, Мо) из твердого раст-
вора в карбиды (Т1С, МоС). Кремния и
марганца должно быть не более 0,20%
Таблица 306. Данные механических испытаний толстых листов из конструкционных сталей ЭШП

Сталь	Толщина листа, мм	Место отбора образцов	Направление вырезки об- разцов	<УВ, кгс/мм2	°5’ кгс/мм2	6. %	Ф. %
А387Д (16Х2М1)	165	1/2 толщи-	Вдоль	57	34,8	29,0	77,0
		ны	Поперек	59	36,6	28,8	78,1
			По толщине	57,8	34,4	32,0	75,4
А516-70	127	1/2 толщи-	Вдоль	51	30,9	34,0	70,3
		НЫ	Поперек	51,1	30,91	34,0	67,4
			По толщине	51,3	30,6	39,0	69,3
А533В (25ГНМА)	152	1/4 толщи-	Вдоль	61,4	45,6	27,0	72,4
		НЫ	Поперек	61,7	45,6	27,5	71,6
			Вдоль	60,6	44,6	27,3	71,6
			Поперек	61,2	44,61	26,8	68,1
			По толщине	60,5	44,2	36,5	67,5
А537В (20ГНДФБ)	64	1/2 толщи-	Вдоль	66,3	46,6	28,0	71,0
		ны	Поперек	64,6	45,7	25,0	69,3
			По толщине	63,4	44,6	34,0	66,0
НУ-80	127	1/2 толщи-	Вдоль	71,7	60,2	27,6*	79,1
		НЫ	Поперек	71,2	60,1	27,8 *	78,1
			По толщине	71,0	59,5	26,2*	76,0
НУ-100	127	1/2 толщи-	Вдоль	90,3	80,5	21,3 *	77,6
		НЫ	Поперек	90,3	80,5	22,1 *	76,9
			По толщине	92,4	82,6	22,1 *	73,2

Примечание. Расчетная длина образцов диаметром 6,4 мм составляла 25,4 мм.

каждого, а серы и фосфора меньше 0,01%
каждого.

Большое распространение получили
мартенситно стареющие стали в США. Они
применяются для изготовления оболочек
космических летательных аппаратов, кор-

пусов ракетных двигателей на твердом
топливе, шасси самолетов и т. п.

Учитывая требования, предъявляемые
к их химическому составу, и то, что мар-
тенситно-стареюшие стали применяются в
изделиях ответственного назначения, боль-

Таблица 307. Данные химического анализа образцов, взятых из листа электрошлаковой
18%-ной никелевой мартенситно-стареющей стали [72]

Элемент	Содержание элемента, %							
	в электроде	в точке листа						
		Верх, 1/2 К	1/4 от вер- ха, центр	Центр	Центр, 1/2 К	1/4 от дна		Дно, центр
						центр	1/2 /?	
Мп	0,07						0,07						- -		
81	0,07	—	—	0,11	—	—-	—	—
КН	18,45	—	—	18 20	—	—	—	—
Со	8,80		—	8,78	—.	—	—	—
Мо	4,83	—	—	4,75	—	—	—	—
Т1	0,99	0,76	0,51	0,66	0,68	0.76	0,70	0,77
А!	0,08	—	—	0,09	—	—	—	0,08
С	0,012	—	0,020	—	—	0,020	0,026	—
8	0,007	—	0,008	—	—	0,009	0,009	—
Р	0,003	—	0,004	—	—	0,003	0.004	—
1 аблица 308. Данные испытаний на разрыв электрошлаковой 18%-ной никелевой мартенситно-
стареющей стали (лист толщиной 25,4 мм) |72]

Направление вырезки об- разна	Режим термообработки		Ор , кгс/мм2	°0,2’  кгс/мм2	б»* %	4>. %
	Нагрев, °С	Выдержка, ч				
Продольное	483	4	193,0	184,5	9,0	41,3
»	483	6	198,0	189,0	8,5	38,2
»	500	4	202,1	195,7	8,5	38,7
»	500	6	204,7	197,2	9,2	43,7
Поперечное	500	6	204,8	198.1	7,8	39,1

' На базе 50,8 мм.

Таблица 309. Данные испытаний электрошлаковой 18%-ной никелевой мартенситно-стареющей
стали для оценки запаса пластичности [72]

Направление вырезки об- разца	Направление надреза	Размеры образца, мм			Разрушающая нагрузка, кгс	Показатель пластичнисти
		Ширина	Толшина	Глубина тре- щины, мм		
Поперечное	По поверхности	19,05	19,05	5,105	5,684	92,1
	» »	19,05	19,025	5,44	5,220	88,7
	По толщине	19,05	19,05	5,72	5,078	89,5
	» »	19,05	19,025	5,44	4,770	88,1
Продольное	По поверхности	19,05	19,025	5,41	5,608	94,9
	» »	19,05	19,05	5,38	5,288	89,1
	По толщине	19,025	19,05	5,44	5,355	91,1
	» >'	19.05	19.025	5,13	5,603	91,2

шое внимание уделяют способам выплавки
этих сталей.

Большие работы по ЭШП мартенситно-
стареющих сталей проведены по заданию
ВВС в Институте Меллона (США) и ла-
боратории «Интернейшнл никел лтд»
(Англия) [1,72].

В Институте Меллона ЭШП были по-
лучены слитки 18%-ной никелевой мартен-
ситно-стареющей стали с пределом теку-
чести 200 кгс/мм2. Слитки массой 900 кг
имели сечение 280 X 500 мм. Электроды

Рис. 287. Выносливость стали типа А181 4340
после ВИП (/) и ЭШП (II) (данные фирмы
«Лукенз стил»; нормализация с отпуском, за-
калка в масле с отпуском на твердость 347/ДС).

Рис. 288. Кривые усталости для пластины тол-
щиной 25,4 мм мартенситно-стареющей стали,
прокатанной из слитка-сляба сечением 280 X
X 500 мм:

1 — продольные образцы; 1 — поперечные образцы.
выплавлялись в вакуумно-индукционной
печи из качественного скрапа с добавле-
нием легирующих элементов. Для компен-
сации потери титана в процессе ЭШП со-
держание его в электроде было повышено
почти до 1%. Кроме того, поверхность
электрода покрывали защитной обмазкой,
а флюс в процессе ЭШП раскисляли. Сли-
тки прокатывали на листы толщиной
25,4 мм и подвергали исследованиям. Ре-
зультаты исследований показали, что со-
держание титана в переплавленном метал-
ле и его распределение в листе удовлетво-
ряют техническим условиям А8ТМ для
мартенситно-стареющей стали с пределом
текучести 200 кгс/мм2 (табл. 307).

В табл. 308 приведены результаты ис-
пытаний на разрыв образцов, прошедших
различную термическую обработку. Из
этих данных следует, что для получения

требуемого уровня прочности температуру
старения мартенситно-стареющей стали
ЭШП необходимо повысить с 485 до 497° С,
а время старения увеличить с 3 до 6 ч.
Образцы, обработанные по такому режи-
му, имеют большую пластичность (табл.
309) и высокое сопротивление усталости
(рис. 288).

На основании полученных результатов
Институт Меллона пришел к заключению
о том, мартенситно-стареющие стали ЭШП
по качеству и механическим свойствам
полностью отвечают требованиям, предъяв-
ляемым к металлу ВДП, а по технологич-
ности и пластичности превосходят его [12].
К аналогичному выводу пришли в лабора-
тории «Интернейшнл никел лтд» [72] по-
сле проведения экспериментов по ЭШП
мартенситно-стареющей стали 18Ы1—8Со—
5Мо—Т1.
§ 1. Механические свойства
и характеристики отливок
из различных сталей

ГЛАВА VII

ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЕ

ОТЛИВКИ

В настоящее время электрошлаковые ли-
тые заготовки машиностроительных дета-
лей получают из сталей различных марок
и классов. Конструкционные стали 20Г, 25Г,
35 применяются в судовом машинострое-
нии для выплавки заготовок шатунов,
кривошипов и шеек коленчатых валов су-
довых изделий. Из стали 40Х изготавлива-
ют коленчатые валы автомобильных дви-
гателей, из стали 20 — корпуса запор-
ной энергетической арматуры, из стали
09Г2С — корпуса сосудов давления. Из
теплоустойчивой стали 15Х1М1Ф отливают
корпуса энергетической запорной армату-
ры для тепловых электростанций, из стали
20Х2М — корпуса сосудов высокого дав-
ления, из стали 15Х2МФ — патрубки на
корпусах сосудов высокого давления. Из
высокопрочных сталей 38ХНЗМФА,
35ХНЗМА, 35ХНЗМФА изготовляют отлив-
ки с одной или несколькими полостями. Из
высоколегированной аустенитной стали
0Х18Н10Т отливают корпуса запорной
энергетической арматуры для атомных
электростанций, сосуды высокого давления
для криогенной техники.

Инструментальные стали типа 9Х, 9X2,
9Х2МФ, ЗХ2В8, 90ХМФ, Р18, Р6М5 и дру-
гие применяются при изготовлении мето-
дом ЭШП заготовок валков холодной и го-
рячей прокатки, инструмента для горячего
прессования, калибров трубопрокатных
станов, режущего инструмента и т. п.

Из штамповых сталей 5ХВ2СТ, 5ХНВ
изготовляют отливки для молотовых штам-
пов, из сталей 5КНМ, ДИ-22 (4Х4М2ВФС),
4Х5МФС, ЗХЗМЗФ и других — штамповый
инструмент для горячего прессования и
штамповки.

Ниже даны некоторые характеристики
и свойства ЭШЛ из конструкционных
углеродистых, теплоустойчивых, высоко-
прочных, высоколегированных, инструмен-
тальных, штамповых сталей. Эти ладные,
приведенные для литого электрошлакового
металла, связываются с определенными
отливками, их конструктивными особен-
ностями. Это позволяет оценивать качество
конкретных отливок из конкретных марок
стали, а также прогнозировать свойства
других отливок.

Углеродистые и низколегированные
стали. На практике довольно часто для
формирования при отливке фасонных де-
талей с несквозными отверстиями приме-
няют жесткие дорны. Это создает опас-
ность возникновения горячих трещин в
местах наибольшей концентрации растяги-
вающих напряжений. Природа и условия
образования трещит^ такого типа в обыч-
ных отливках изучены достаточно хорошо
[4, 5, 16]. Для предотвращения образова-
ния кристаллизационных трещин в эффек-
тивном интервале кристаллизации в боль-
шинстве случаев стремятся наряду со сни-
жением величин растягивающих напряже-
ний в отливке уменьшить количество лег-
коплавкой эвтектики. Это достигается пу-
тем ограничения содержания в металле
ликвирующих элементов и в первую оче-
редь серы.

Критическое содержание серы зависит
от химического состава металла отливки и
главным образом от содержания углерода.
При выплавке отливок с полостями из
стали 20 экспериментально установлено,
что критическое содержание серы оказа-
лось равным 0,009—0,010% (табл. 310).

Опыты по выплавке отливок из
шведской шарикоподшипниковой стали
Е-8КР-ЗОН (аналог советской стали
ШХ15), содержащей 1,03% С, с использо-
ванием неподвижных охлаждаемых дорнов
показали, что даже при содержании серы
в металле 0,003—0,004% отливки пораже-
ны трещинами. Отливки без трещин уда-
лось получить только после применения
дорна специальной конструкции, обладаю-
щего повышенной податливостью.

Для предотвращения образования кри-
сталлизационных трещин в электрошлако-
вых отливках следует особое внимание
уделять степени рафинирования наплав-
ленного металла и в ряде случаев ограни-
чивать содержание вредных примесей в
расходуемых электродах, применяемых для
ЭШЛ.

Сталь 20Г в ЭШЛ имеет более высо-
кую усталостную прочность и выносли-
вость, чем эта же сталь при обычном
литье. Проведено специальное сравнение
усталостных свойств литой стали 20Г по-

Таблица 310. Зависимость возникновения
трещин в зоне днища электрошлаковых отливок
от содержания серы в литом металле

Номер плавки	Марка флюса	Содержание серы в от- ливке, %	Наличие трещин
1	АН-8	0,020	Есть
2	АНФ-6	0,015	»
3	АНФ-25	0,009	Нет
4	АНФ-7	0,006	»

Примечание. Содержание серы в электроде со-
ставляло 0,022%.	к

еле ЭШЛ под различными флюсами. Для
исследований были взяты три отливки тол-
щиной 150 мм и высотой 400 мм, которые
были получены следующим образом. Пер-
вую отлили в песчано-глинистую форму из
металла открытой индукционной плавки,
вторую выплавили методом ЭШЛ под
флюсом АНФ-6, третью — методом ЭШЛ
под флюсом АНФ-25. Образцы для уста-
лостных испытаний отбирали из стенок
отливки в осевом направлении.

Образцы для испытаний на усталость с
диаметром рабочей части 5 мм испытыва-
лись с частотой 3000 цикл/мин на чистый
изгиб при вращении с базой 10 млн. цик-
лов. Плоские образцы толщиной 6 мм ис-
пытывались на малоцикловую усталость с
частотой 10 цикл/мин при чистом отнуле-
Рис. 289. Предел выносливости (а) и долго-
вечность (б) стали 20Г:

1 — металл открытой индукционной выплавки- 2 — ме-
талл ЭШЛ под флюсом АНФ-6; 3 — металл ЭШЛ под
флюсом АНФ-25: Л/ — количество циклов до разруше

НаВозВухе ВпоВврхтто- На Возруж В гпшрхнтп-
активной срсВе	тиВнзИ срвВв
Таблица 311. Химический состав расходуемых электродов и металла электрошлаковых отливок
кривошипов, %

Г =	С	Мп	51	8	р	С	Мп	81	8	р
X с		Расходуемые электроды					Литые кривошипы			
1	0,23—0,24	0,83—0,89	0,38—0.40	0,015—0,017	0,030—0,034	0,23  0,23	0,66  0,77	0,32  0,29	0,005  0,009	0,030 0,033
2	0,24—0,26	0,68—0,72	0,25—0,34	0,012—0,016	0,030—0,032	0,24  0,25	0,59  0,66	0,30  0,24	0,005  0,004	0,030 0,028
3	0,24—0,26	0,79—0.90	0.43—0,45	0,017—0,025	0,030—0,032	0,24  0,25	0,63  0,81	0,32  0,33	0,005  0,012	0,030  0,030

Примечание. В числителе — низ щеки кривошипа, в знаменателе — вер'7 щеки.

Таблица 312. Механические свойства литого электрошлакового кривошипа

Место вырезки образцов для испытаний	ов, кгс/мм*	°0,2-  КГС/ММ2	б, %	Ф. %	кгс  м/см2	НВ, кгс/мм2
Первая щека: низ	50,0	28,0	34,5	63,0	15,6	143
верх	51,0	29,0	32,0	54.0	9,5	143
Вторая щека: низ	49,0	27,0	34,0	63,1	14,75	137
верх	45,5	26,0	34,0	61,0	14,25	128
Центр шейки	47,0	27.0	25,0	38,0	13,25	137
Требования ТУ	44—54	24	24	35	5	125—160

Примечание. Испытание • а холодный загиб во всех

случаях показало удовлетворительные результаты.

вом изгибе с базой 25 тыс. циклов. И те
и другие образцы испытывались на возду-
хе и в поверхностно-активной среде, в ка-
честве которой использовалось отработан-
ное масло «Т», применяемое для смазки
коленчатых валов судового дизеля.

Результаты сравнительных испытаний
приведены на диаграмме (рис. 289). Как
видно из диаграммы, металл ЭШЛ имеет
значительно более высокие показатели
предела выносливости и большую долго-
вечность (особенно сталь, переплавленная
под многокомпонентным флюсом), чем ме-
талл, выплавленный в индукционной печи.
Следует отметить, что при испытаниях в
поверхностно-активной среде достигаются
более высокие относительные показатели.

Из стали 25Г методом ЭШЛ отливали
кривошипы для полусоставных колен-
чатых валов судовых дизелей. Кривошипы

изготовляли путем последовательной вы-
плавки шек кривошипов и приплавления к
ним шеек, установленных заранее в соот-
ветствующие отверстия кристаллизатора
для выплавки щек. В качестве расходу-
емых электродов использовались литые
заготовки, отливаемые в песчано-глини-
стые формы или на машинах полунепре-
рывного литья (МПНЛЗ).

Химический анализ электродов из ис-
ходной стали и отлитых кривошипов пред-
ставлен в табл. 311.

Сравнивая полученные результаты, мо-
жно отметить, что в процессе ЭШЛ со-
держание углерода и фосфора практически
не изменяется; несколько уменьшается со-
держание марганца и кремния (последне-
го не более чем на 25%); содержание серы
уменьшается в 2—3 раза.

Литой металл кривошипов подвергался
механическим испытаниям после принятой
в производстве термообработки отливок:
отжиг при температуре 930° С, выдержка
16 ч, нормализация при температуре 920° С,
выдержка 16 ч, отпуск при 600—620° С,
выдержка 10 ч.

В табл. 312 представлены результаты
исследования механических свойств метал-
ла одного из кривошипов. Анализ получен-
ных результатов свидетельствует о том,
что прочностные свойства металла во всех
зонах отливки, включая и зону приплав-
ления, практически одинаковы и соответ-
ствуют требуемым.

Исследование микроструктуры металла
показало высокую степень его чистоты, от-
сутствие усадочных или ликвационных яв-
лений, трещин, пор, раковин и других де-
фектов.

Несмотря на четко различимые после
травления границы места сплавления, ни-
каких признаков нарушения сплошности
металла, наличия дефектов не обнаружено.
Процесс приплавления по характеру струк-
туры, наличию зоны термического влияния
несколько напоминает процесс сварки, но
прочность, и надежность соединения не-
сравненно выше и приближаются к проч-
ности и надежности основного металла.
Это подтверждается более высокой сте-
пенью однородности структуры, уровнем
механических свойств, особенно ударной
вязкости непосредственно в этой зоне.
Микроструктура металла в других зонах
достаточно однородна и свидетельствует о
том, что режим термообработки обеспечи-
вает полную перекристаллизацию литой
структуры.

Для проверки эксплуатационной надеж-
ности зоны приплавления в ЦНИИТМаш
были проведены усталостные испытания
металла кривошипов. Кривошипы имели
шатунную шейку диаметром 560 мм, тол-
щину щеки 250 мм, высоту 1200 мм и мас-
су 4,5 т. Полученные результаты позволя-
ют оценить уровень предела усталостной
прочности следующим образом: в зоне
приплавления шейки кривошипа ЭШЛ он
составляет 16—17 кгс/мм2; в основном ме-
талле шейки кривошипа ЭШЛ — 18—
19 кгс/мм2; в металле шейки кривошипа,
отлитого из мартеновской стали в песча-
но-глинистую форму,— 15—16 кгс/мм2.

Рис. 290. Отливка кривошипа коленчатого вала.

Из* /п Ц55^
Саежх» » СССР

Служебные свойства литой стали 35
оценивались путем исследований * криво-
шипа (рис. 290) коленчатого вала дизель-
ного двигателя. Коленчатый вал изготав-
ливался из шведской стали путем последо-
вательной выплавки щек кривошипов и
приплавления к ним шеек, установленных
заранее в соответствующие отверстия кри-
сталлизатора для выплавки щеки. Диаметр
литых заготовок шеек составлял 450 мм,
толщина выплавляемых щек 200 мм, а их
высота 850 мм. Химический состав расхо-
дуемых электродов и выплавленного под
флюсом АНФ-6 кривошипа приведен в
табл. 313. Химический состав металла кри-
вошипа определяли в различных точках по
сечению и высоте. В табл. 313 приведены
предельные значения содержания элемен-
тов. Необходимо отметить, что пределы эти
достаточно узки. Это свидетельствует о хо-
рошей химической однородности металла
кривошипа. Как видно из таблицы, содер-
жание углерода, марганца, хрома, никеля,
меди после переплава практически не из-
менилось. Значительно снизилось содержа-
ние серы. Так как кривошип выплавлялся
без дополнительного раскисления, содер-
жание кремния снизилось на 30%.

Механические свойства отливки криво-
шипа определяли после ее термообработки
по следующему режиму: отжиг при темпе-

* Исследования качества металла кривошипа
выполнены на фирме «Мутала-Веркстад>
(Швеция).
Табл и ца 313. Химический состав расходуемых электродов и электрошлаковой отливки
кривошипа, %

Объект анализа	С	51	Мп	8	р	Сг	Ы1	Си
Расходуемый электрод Отливка кри- вошипа	0,34  0,33—0,34	0,33  0,22—0,24	0,56  0,52—0,54	0,024  0,002—0,004	0,011  0,008—0,009	0,11  0,09	0,08  0,08	0,24  0,23

р ату ре 950°С, выдержка 10 ч, охлаждение
на воздухе. Схема вырезки образцов из
кривошипа для исследования механиче-
ских свойств и их маркировка показаны на
рис. 291. Образцы отбирались из всех наи-
более ответственных частей кривошипа.

Как видно из табл. 314, прочностные
свойства и ударная вязкость литого элект-
рошлакового металла достаточно высоки и
однородны во всех сечениях.

Известно, что коленчатый вал работает
в условиях знакопеременных нагрузок. По-
этому для подобных изделий обязательны
испытания на выносливость.

Для определения предела выносливости
образцы 1—6 вырезали из галтели, .'явля-
ющейся наиболее нагруженной частью кри-
вошипа. Образцы 7—18 — из зоны, где
происходит приплавление шейки к щеке, а
образцы 19—30, 31—36, и 37—42 — из щеки
соответственно в трех направлениях: вдоль
оси вала, вдоль направления выплавки
кривошипа и в плоскости, перпендикуляр-
ной к оси вала и направлению выплавки.

Диаметр рабочей части образца для ис-
пытаний на выносливость составлял 16 мм.
Испытания проводили с частотой 180 Гц.
Схема нагружения: растяжение — сжатие.
База испытаний 2  107 циклов. Испытания
выполнены при трех уровнях напряже-
ний— 18, 20 и 22 кгс/мм2. Каждый обра-

Т аблица314. Механические свойства образцов,
вырезанных из различных зон литого кривошипа

Номер образцов	°0,2 • кгс/мм2	кгс/мм2	б. %	4>. %	ан> кгс - м/см2
9	26	55	15	24	5,0—5,8
21	27	59	18	24	4,7—5,0
32	28	57	19	24	4,7—4,7
42	28	57	21	29	5,0—5,8
2	26	57	15	26	5,4—5,8

зец испытывался до разрушения при дан-
ном напряжении или до базового числа
циклов. Результаты испытаний представле-
ны на рис. 292.

Уровень выносливости металла криво-
шипа практически одинаков во всех сече-
ниях. Такая изотропность свойств вообще
характерна для литого электрошлакового
металла. Значение предела выносливости
для зоны приплавления также находится
на этом уровне — почти все образцы вы-
держали напряжение 18 и 20 кгс/мм2. Раз-
рушение, как правило, происходило при
напряжении 22 кгс/мм2. Статистическая об-
работка результатов испытаний показала
следующие значения предела выносливо-
сти (кгс/мм2) литого электрошлакового
металла в различных зонах кривошипа:

Галтель	21,2

Зона приплавления	20,3+0,3

Щека:

вдоль оси вала	20,3+0.3

вдоль направления выплавки	19,0±0.4

в плоскости, перпендикулярной

к оси вала и направлению вы-

плавки	20,0+0.4

Среднее значение	20,3+0,3

Рис. 291. Схема вырезки образцов из отливки
кривошипа (цифры — номера Образцов).
Таблица 315. Неметаллические включения в металле литого электрошлакового кривошипа

Металл	Номер образца	Площадь включений, %			Количество включений, шт/мм2			। Суммарная про- тяженность ок- сидов (мм) на площади 1 мм2
		Всего	Оксиды	Сульфиды	Суммарное	В том числе разме- ром 5 мкм		
						Всего	В том чис- ле оксиды	
Исходный			0,192	0,054	0,138	130	32,0	8,0	0,125
Литого кривошипа	13	0,030	0,014	0,016	27	1,7	1,0	0,020
	27	0,015	0,015	Не обна- ружено	7	1,7	1.7	0,025
	40	0,050	0,018	0,032	70	4,7	1,3	0,038

Среднее значение предела выносливости
составляло 20, 3 ± 0,3 кгс/мм2.

Характеристики выносливости обычно
определяются сочетанием прочностных и
пластических свойств материала при ста-
тическом нагружении. Сравнение резуль-
татов статических и усталостных испыта-
ний показывает, что, несмотря на сравни-
тельно невысокий уровень пластических
свойств, особенно относительного сужения,
предел выносливости практически одинаков
в разных зонах кривошипа. По-видимому,
в данном случае определяющее влияние на
усталостные характеристики оказывают
прочностные свойства. Поэтому дополни-
тельные мероприятия, такие, как модифи-
цирование, продувка газами и газопорош-
ковыми смесями, повышающие прочност-
ные и пластические свойства, способствуют
и повышению выносливости.

Содержание неметаллических включе-
ний определяли в различных местах кри-
вошипа (образцы 13, 27 и 40) по всей его

Рис. 292. Данные испытаний металла отливки
кривошипа на усталостную прочность:

кружок — образец выдержал базу испытаний, кре-
стик — образец разрушился; I — образцы, вырезанные
из галтели; II— образцы, вырезанные из зоны про-
плавления; III, IV V — образцы, вырезанные нз щекн
кривошипа соответственно в направлений вдоль оси
вала, вдоль направления выплавки и поперек направ-
ления выплавки.

высоте. Для сравнения определяли содер-
жание включений в исходном металле. Ко-
личество и распределение включений ис-
следовали с помощью телевизионного мик-
роскопа. Данные исследований представ-
лены в табл. 315. Как видно, содержание
оксидов и сульфидов в металле электро-
шлакового кривошипа из стали 35 в 4—
6 раз меньше, чем в исходном металле
расходуемых электродов. Распределение
включений по размерам также более бла-
гоприятное в металле ЭШЛ. Включения
размером более 5 мкм после ЭШЛ состав-
ляют всего 6—7% общего количества вклю-
чений, тогда как в исходном металле их
25%. Суммарная протяженность оксидов в
литом электрошлаковом металле снизилась
в 3—5 раз.

Методом ЭШЛ из стали 45Г выплав-
ляют заготовки ведущих колес промыш-
ленных тракторов. Химический состав рас-
ходуемых электродов и литых электрошла-
ковых заготовок колес, полученных путем
переплава электродов под флюсом АНФ-6,
приведен в табл. 316. Содержание элемен-
тов, кроме кремния, практически не изме-
нилось после ЭШЛ. Количество серы в
электрошлаковой отливке по сравнению с
исходным металлом снизилось в 1,7 раза.
В электрошлаковых отливках стали 45Г
содержится 0,0025% О и 0,0050% №

																																			>—5
																																			
																																			

НОбразцов 5 4 6.7 10 Л 12 15 14 15 16 18 .20 21 22 25 24 25 26 27 28 29 50..51 52 55 54 55 56 ..57 58 59^40 4142

1	П	'	Ш	IV	V
Таблица 316. Химический состав электрошлаковых литых заготовок из стали 45Г, %

Объект анализа	С	Мп	81	8	р
Расходуемые электроды	0,46	0,80	0,25	0,012	0,017
Отливка ЭШЛ	0,43	0,73	0,18	0,007	0,016
	0,43	0,86	0,17	0,007	0,016
	0,47	0,85	0,17	0,007	0,016
Требования ТУ	0,42—0,50	0,7—1.0	0,17—0,37	<0,04	<0,04

Применение для литых электрошлако-
вых заготовок колес стандартной термооб-
работки, принятой в производстве для по-
ковок, не позволило получить в литом ме-
талле оптимальные механические свойства.
Для этого потребовалось разработать спе-
циальный режим термообработки. Данные
сравнительных испытаний механических
свойств поковок металла обычной выплав-
ки и электрошлаковых отливок приведены
в табл. 317. Оптимальный режим термооб-
работки позволяет получить в литых элект-
рошлаковых заготовках из стали 45Г пла-
стические свойства, которые значительно
выше, чем это требуется по техническим
условиям, и аналогичны свойствам поко-
вок из стали открытой выплавки.

Металлографическое исследование ли-
той стали обычного производства показа-
ло, что основную массу включений состав-
ляют мелкие глобулярные сульфиды, хотя
нередко встречаются сульфиды вытянутой
формы. Оксиды — мелкие, точечные. Встре-
чаются оксисульфиды, представляющие со-
бой светло-серую матрицу с темными ок-

сидными вкраплениями в виде точек и па-
лочек. Наиболее крупными включениями
являются оксисульфиды.

Оксиды в литой электрошлаковой ста-
ли 45Г соответствуют баллу 1 по стандарт-
ной шкале ГОСТ 1778—70, сульфиды —
баллу 16, зерно имеет 8—9 баллов. Мик-
роструктура стали представляет собой
перлитные зерна, окруженные ферритной
сеткой. Перлит в зерне мелкопластин-
чатый.

Из стали 38ХС изготовляются детали,
работающие в условиях знакопеременного
ударного нагружения. Ее долговечность
связана с выносливостью, которая в свою
очередь зависит от чистоты стали по неме-
таллическим включениям. Оценка долго-
вечности литого электрошлакового металла
производилась в сравнении с деформиро-
ванным металлом открытой электродуговой
плавки. При ЭШЛ осуществляли микроле-
гирование литого металла путем введения
ферроцерия. В табл. 318 приведен химичес-
кий состав стали 38ХС различных вариан-
тов выплавки.

Таблица

317. Механические свойства заготовок

колес, полученных различными методами из стали 45Г

Объект анализа	Режим термообработки	а0,2* кгс/мм1
Металл ЭШЛ  » »  Поковки  Требования ТУ (не менее)	Нагрев до 850° С, охлаждение в масле, отпуск при 650° С, охлаж- дение в масле (стандартная термообработка)  Нагрев до 840° С, охлаждение в воде, отпуск при 500° С, охлаж- дение на воздухе (новая термообработка)  То же	42,7—48,2 43,1  56,2—59,0  57,8  4 Г,0—43,0  41,9  38,0

Примечание. В числителе даны предельные значения, в замеиателе — средние
Таблица 318. Химический состав исходной стали и после ЭШЛ под различными флюсами, а
также с добавлением РЗМ, %

Металл	Флюс	С	Мп	81	8	р	Сг
Исходный			0,39	0,43	1,28	0,0080	0,016	1,38
ЭШЛ	АНФ-6	0,41	0,40	1,10	0,0042	0,017	1,42
	АНФ-6 4- РЗМ	0,39	0,40	1,14	0,0045	0,016	1,42
	АНФ-7	0,40	0,39	0,93	0,0020	0,015	1,41
	АНФ-7 + РЗМ	0,40	0,40	0,90	0,0020	0,020	1,40
	АНФ-25	0,40	0,41	0,98	0,0038	0,018	1,42
	АИФ-25 + РЗМ	0,41	0,40	0,98	0.0034	0,017	1,41

Таблица 319. Содержание неметаллических включений в металле отливки из стали 38ХС, об. %

Мет алл	Флюс	Всего	В том числе		
			оксиды	сульфиды	нитриды
Исходный ЭШЛ	АНФ-6  АНФ-6 + РЗМ  АНФ-7  АНФ-7 + РЗМ  АНФ-25  АНФ-25 + РЗМ	0,0046 0,0025  0,0023  0,0006 0,0011 0,0013  0,0027	0,0028 0,0021 0,0018  0,0004  0,0007  0,0008  0,0011	0,0017 0,0003 0,0004  0  0,0002 0,0001 0.0014	0,0001 0,0001 0,0001 0,0002 0,0002 0,0004 0,0002

Количественную оценку неметалличе-
ских включений производили на продоль-
ных шлифах по методике УИМ-ЦНИИЧМ.
В табл. 319 приведены данные о содержа-
нии неметаллических включений в литой
стали 38ХС различных вариантов выпла-
вок, а в табл. 320 дано их распределение
на 100 мм2 площади шлифов из металла
различной выплавки.

Для оценки выносливости и долговеч-
ности литой электрошлаковой стали 38ХС

были проведены испытания плоских образ-
цов толщиной 2,5 мм на малоцикловую
усталость чистым изгибом при макси-
мальной деформации крайнего волокна
е = 0,63%. Испытанию подвергался ме-
талл, прошедший изотермическую закалку
с 900° С, отпуск в селитре при 340° С и за-
тем охлаждение на воздухе.

Для приближенной имитации реальных
условий, которые могут иметь место при
эксплуатации литых деталей, испытания

ОБ, кгс/мм1	& %	ф. %	ан , кгс-м/см2		НВ, кгс/мм2
			20® С	|	—40° С	
66,4—68,2	24,7—28,7	55,6—57,8	9,1—9,4	6,2—7,7	197
67,3	26,7	56,7	9,2	6,8	
82,0-85,1	18,1—19,0	38,6—43,7	5,2—8,5	4,0—5,0	302
83,7	18,4	40,3	6.8	4,2	
68,4-79,8	8,0—29,0	15,7—43,4	40,2—6,0	—	269
75,4	15,6	26	4,8		
63,0	15	40	5	—	
Таблица 320. Распределение неметаллических включений в литой электрошлаковой стали
38ХС, шт.

Металл	Флюс	Количество включений по размерам, мкм									
		<3,0	3,1—  5,6	5,61— 10	>10	Всего	<3,0	3,1—  5,6	5,61—  10	>10	Всего
Исходный		52	С 119	)ксиды 20	0	191	9	1  3	Зитридг 0	I  0	12
ЭШЛ	АНФ-6	67	81	21	0	169	0	3	0	0	3
	АНФ-6 + РЗМ	52	103	9	0	164	3	6	0	0	9
	АНФ-7	26	12	0	0	38	6	15	0	0	21
	АНФ-7 + РЗМ	41	38	3	0	82	9	6	0	0	15
	АНФ-25	18	44	3	0	65	15	20	0	0	35
	АНФ 25 4- РЗМ	32	73	0	0	105	6	9	0	0	15
Исходный		90	(  61	2ульфщ  15	1Ы  0	166	151	Всег  183	3 вклю  35	чений 0	369
ЭШЛ	АНФ-6	0	18	3	0	21	67	102	24	0	193
	АНФ-6 + РЗМ	12	29	0	0	41	67	138	9	0	214
	АНФ-7	0	0	0	0	0	32	27	0	0	59
	АНФ-7 + РЗМ	0	15	0	0	15	50	59	3	0	112
	АНФ-25	0	3	0	0	3	33	67	3	0	103
	АНФ-25 + РЗМ	0	41	6	0	47	38	123	6	0	167

на малоцикловую усталость проводились
на воздухе, в коррозионной (3%-ный ра-
створ ИаС1) и наводороживающей (3%-ный
раствор Г\аС1 с катодной поляризацией)
средах.

Как показали результаты испытаний
(табл. 321), электрошлаковая сталь гораз-
до долговечнее (образцы выдерживают
больше циклов до разрушения), чем исход-
ный электродуговой металл, причем пре-
имущество литого электрошлаковогоо ме-

Таблица 321. Данные испытаний исходной
и литой электрошлаковой стали 38ХС на
долговечность

Металл	Флюс	Долговечность образ- цов при испытаниях, циклы		
		на возду- хе	0.0 О. К Ф ох ч  О Ф  .Д т о	в [авойо । рожигаю- щей
Исход-	—	23000	8800	3800
ный				
ЭШЛ	АНФ-6	34800	16700	4650
	АНФ-6 + РЗМ	36800	13900	5030
	АНФ-7	42000	17800	4860
	АНФ-7 + РЗМ	37000	16700	5790
	АНФ-25	39500	17400	4720
	АНФ-25 + РЗМ	48600	16600	6000

талла существенно зависит как от состава
флюса и присадки РЗМ, так и от среды,
в которой производились испытания.

Электрошлаковое литье без дополни-
тельных присадок обеспечивает увеличение
долговечности стали 38ХС в воздухе на
50—80% (рис. 293). Добавка ферроцерия
в случаях переплава на флюсах АНФ-6 и
АНФ-25 обусловливает дополнительное по-
вышение выносливости еще на 10—40%,
причем особо благоприятным оказывается
присадка РЗМ для металла, выплавляемо-
го под флюсом АНФ-25. Добавка ферроце-
рия во флюс АНФ-7 вызвала некоторое
снижение долговечности стали.

Несмотря на то что при малоцикловой
усталости в коррозионной среде долговеч-
ность стали 38ХС снижается в 2—3 раза,
электрошлаковый металл сохраняет пре-
имущество перед исходным. В этой среде
неблагоприятно сказывается присадка фер-
роцерия во все три исследуемых флюса
(см. рис. 294). При анализе состава неме-
таллических включений в электрошлако-
вом металле обращает на себя внимание
значительное увеличение содержания суль-
фидов в металле, переплавленном с введе-
нием ферроцерия. Выполненные исследо-
вания показали, что сульфиды железа и
марганца являются наименее благоприят-
Рис. 293. Долговечность стали 38ХС при мало-
цикловой усталости в воздухе (процентное от-
ношение долговечности литого электрошлако-
вого металла к долговечености исходного элек-
тродугового металла):

I — флюс без дополнительных присадок; 2 — флюс с
присадкой ферроцерия.

ними включениями при коррозионной уста-
лости, так как они обусловливают наи-
большую электродную разность потенциа-
лов в коррозионной среде и, соответствен-
но, максимальную электрохимическую ге-
терогенность металла.

Еще больше (в 6—8 раз по сравнению
с испытаниям на воздухе) снижается дол-
говечность стали 38ХС при малоцикловой
усталости в наводороживающей среде, что
объясняется чрезвычайно большой склон-
ностью закаленных низкоотпущенных
структур углеродистых сталей к водород-
ной хрупкости. Показатели выносливости
исходной стали и электрошлаковых отли-
вок в значительной степени выравнивают-
ся; преимущество металла ЭШЛ достигает
всего 20—28%. Однако в этой среде при-
садки ферроцерия во всех случаях обеспе-
чивают увеличение долговечности на 10—
20% по сравнению с ЭШЛ без ферроцерия
(рис. 294).

Надо полагать, что основной причиной
повышенной долговечности в наводорожи-
вающей среде металла, полученного при

ЭШЛ под различными флюсами с присад-
кой ферроцерия, является наличие в таком
металле мелкодисперсных неметалличе-
ских включений, которые, как показали
исследования, являются благоприятными
с точки зрения влияния водорода, так
как представляют собой минимальные по-
тенциальные коллекторы для его сегре-
гации.

Прокат из стали 45Х широко применя-
ется в качестве материала при изготовле-
нии горячей штамповкой заготовок колен-
чатых валов автотранспортных двигателей.
В качестве заготовок под штамповку могут
быть использованы электрошлаковые от-
ливки из этой стали. В табл. 322 приведен
химический состав расходуемых электро-
дов и электрошлаковых отливок из стали
45Х.

Металл коленчатых валов из электро-
шлаковой заготовки имеет больший запас
пластичности, который при корректировке
термообработки позволяет выйти на более
высокий уровень прочностных характери-
стик механических свойств. Это подтвер-
ждается данными табл. 323.

Из сравнения механических свойств
стали 45Х в литой электрошлаковой заго-
товке (табл. 324) и после штамповки этой
заготовки (см. табл. 323) видно, что при
одинаковой термообработке механические
свойства в обоих случаях практически оди-
наковы. Однако в случае применения литой

Рис. 294. Долговечность стали 38ХС (литой
электрошлаковый металл) без ферроцерия в %
к долговечности с ферроцерием в коррозионной
(1) и наводороживающей (2) средах.
Таблица 322. Химический состав расходуемых электродов и электрошлаковых отливок из стали
45Х, %

Объект анализа	С	Мп	81	8	р	И1	Сг
Расходуемый электрод	0,45	0,75	0,32	0,023	0,013	0,14	0,92
Электрошлаковая отливка	0,44	0,71	0,26	0,008	0,012	0,15	0,90

Таблица 323. Механические свойства металла коленчатых валов (образцы вырезались из щек),
изготовленных штамповкой проката стали 45Х открытой выплавки и литых заготовок электрошлаковой
стали той же марки

Объект анализа	Термообработка	°в • кгс/мм2	а0,2>  КГС/ММ2	б, %	%	°н>  кгс - м/см2	НВ, кгс/мм2
Прокат откры-	Нормализация при 900° С	81,5	60,5	17,0	38,0		
той выплавки	(охлаждение на возду-	81,5	60,0	16,5	30,0	4,0	229
	хе); закалка при 850° С	80,5	57,0	13,0	38,5		
	(масло), отпуск с 650° С,	80,5	59,0	15,0	40,5	5,0	229
	охлаждение в воде	82,0	53,5	15,0	38,5		
		81,1	56,0	15,0	29,5	5,0	229
Металл ЭШЛ	То же	77,5	59,0	16,5	48,0	11,5	217
		77,0	57,0	20,0	53,0	9,8	217
		76,0	57,0	17,0	38,0	11,0	217
		77,0	54,0	16,5	48,5	10,0	217
	То же, с повторной тер- мообработкой; нормали-	100,0	81,5	13,5	53,0		
		109,0	83,5	13,3	48,5	12,0	321
	зация при 900° С, закалка	112,0	85,0	13,6	48,5	10,0	363
	при 850° С (масло), от-	120,0	85,5	11,6	43,0		
	пуск с 550° С, охлажде-	122,5	92,0	13,3	44,0		
	ние в воде	116,0	94,0	15,0	51,0	8,0	363
Требования ТУ		>65	>40	>15	>45	>6	207—225

Таблица 324. Механические свойства отливок из электрошлаковой стали 45Х

Направление вы- резки образце!	Термическая обработка	ав ’ кгс/мм2	°0.2-  КГС/ММ2	6. %	%	°Н  кгс-м/см2	НВ
Радиальное	Нормализация при 900° С,	82,0	60,0	21,0	48,0	14,0	255
	закалка при 840° С (во-	81,5	64,0	20,6	53,0	12,0	
	да); отпуск с 660° С, охлаждение в воде	80,0	62,5	20,6	53,0	13,0	
	Нормализация при 900° С,	97,5	Не опр.	12,6	38,5	8,7	302
	закалка при 850° С (мае-	98,0	» »	12.0	38,5	8,8	
	ло к отпуск с 550° С, охлаждение в воде	97,5	» »	14,3	43,0	9,0	
Осевое	То же	92,0	» »	13,6	55,0	15,0	285
		88,0	» »	13,0	51,0	15,0	
		88,5	» »	15,0	51,0	12,8	
	» »	78,0	» »	18,3	55,0	16,0	248
		80,5	» »	18,3	55,0	17,5	
		76,0	» »	18,6	64,0	15,0	

Примечание. Разница между показателями пластических свойств образцов в осевом и радиальном на-
правлениях объясняется разными режим—*и отпуска.
Таблица 325. Ударная вязкость стали 09Г2С (кгс-м/см2) при отрицательных температурах

Объект анализа	т, °с				
	20	—20	—30	-40	—60
Литой металл открытой вы-	9,1	0,9						
плавки	7,4	2,3	—	—	—
	6,8	3,7	—	—.	—
Среднее значение	7,8	тк	—	—	—
Прокат открытой выплавки	20,3	9.0	8,4	8,9	—
	19,4	8,4	6,7	1,7	—
	18,9	7.5	4,0	3,2	—
Среднее значение	19,5	8,3	6,3	7-к	
Металл ЭШЛ	19,9	15,4	Не опр.	3,1	1.9
	20,9	10,8	» »	5,9	1,9
	21,4	И,2	» »	6,7	1,5
Среднее значение	20,7	12,8	Не опр.	4,9	7’к

электрошлаковой заготовки стабильность
механических свойств коленчатых валов
значительно выше, чем коленчатых валов,
отштампованных из проката открытой вы-
плавки.

Опыт эксплуатации коленчатых валов
показывает, что для их работы в режиме
знакопеременного нагружения наиболее
опасными являются напряжения изгиба в
зоне галтели шейки. Поэтому методика
испытания коленчатых валов предусматри-
вает получение максимальных напряжений
металла в зоне галтелей шатунных шеек
от действующего изгибающего момента,
задаваемого на специальном стенде. На-
гружение на стенде осуществляли по сим-
метричному циклу. Сравниваемые детали
подвергали ступенчатому нагружению (ме-
тод нагружения «вверх—вниз»). Момент
выхода из строя испытываемого объекта
фиксировали по выходу на поверхность
макротрещпны. При нагрузках, соответст-
вующих напряжениям предела выносливо-
сти, испытания продолжали на базе 107
циклов.

В результате проведенных испытаний

установлено, что для коленчатых валов,
изготовленных ковкой из проката открытой
выплавки, предел выносливости составлял
13,1 кгс/мм2, а для изготовленных из литой
электрошлаковой заготовки — 12,2 кгс/мм2,
т. е. на 7% ниже.

Некоторое снижение выносливости ко-
ленчатых валов, изготовленных из литых
электрошлаковых заготовок, по-видимому,
связано с тем, что при одинаковом режи-
ме термообработки предел прочности этих
валов в среднем на 5% ниже, чем у ко-
ленчатых валов, изготовленных из проката
открытой выплавки. Кроме того, у колен-
чатых валов из более пластичного элект-
рошлакового металла средняя величина
твердости закаленного слоя шатунной шей-
ки составляет 51,3 ИКС, а в случае ко-
ленчатого вала из проката — 54,7 ИКС,
т. е. твердость металла шейки в первом
случае на 7% ниже.

Путем повышения твердости шейки при
закалке или повышения прочности метал-
ла благодаря корректировке режима тер-
мообработки удается довести уровень пре-
дела выносливости коленчатых валов, по-
Таблица 326. Содержание серы в слитках из
стали 12Х1М1Ф до и после ЭШП

Металл	Общее чис- ло определе- ний	Содержание серы (сред- нее по слиг- ' кам), %	Среднеквад- , ратнчное 1 отклонение, %
Мартеновский  Электрошлако- вый из марте- новского ме-	139	0,0224	0,0070
талла  Электродуго-	154	0,0072	0.0017
вой  Электрошлако- вый из электро- дугового ме-	119	0,0103	0,0015
талла	134	0,0042	0,0006

лучаемых штамповкой литой электрошла-
ковой заготовки, до уровня предела вынос-
ливости у серийных коленчатых валов.

Горячедеформированная углеродистая
сталь открытой выплавки отличается более
низкой стойкостью против хрупких разру-
шений, чем литой электрошлаковый ме-
талл. Это видно на примере стали 09Г2С.
В табл. 325 приведены результаты испыта-
ний электрошлаковой стали 09Г2С на удар-
ный изгиб при отрицательных температу-
рах.

Теплоустойчивые стали. Неравномер-
ные свойства металлических изделий по
длине и толщине, как правило, связаны с

Таблица 327. Содержание алюминия в слитках
нз стали 12X1М1Ф до и после ЭШП

Металл	Общее число определений	Содержание алюминия (среднее по слиткам), %	Среднеквад- ратичное от- клонение, %
Мартеновский Электрошлако- вый из марте-	139	0,0228	0,0041
			
невского ме- талла	154	0,0086	0,0028
Электродуго- вой Электрошлако- вый из элек- тродугового ме-	118		
		0,0229	0,0034
			
талла	135	0,0116	0,0014

неравномерностью химического состава,
который в свою очередь зависит от особен-
ностей строения и кристаллизации исход-
ного слитка. С увеличением габаритов из-
делий, получаемых из слитков традицион-
ных методов изготовления, нестабильность
свойств по длине и толщине существенно
меняется. Например, неравномерность рас-
пределения таких химических элементов,
как сера, алюминий, наблюдаемая в слит-
ках стали 12Х1МФ мартеновской и элект-
родуговой выплавки, в электрошлаковых
отливках существенно уменьшается [6].
Это связано с тем, что в процессе ЭШП
уменьшается общее содержание этих эле-
ментов, а их распределение в отливках
становится более равномерным. В табл. 326
и 327 приведено содержание серы и алю-
миния в слитках из стали мартеновской и
электродуговой выплавки и в электрошла-
ковых отливках, полученных путем пере-
плава заготовок из исходного металла, со-
ответствующего указанным способам вы-
плавки.

Относительно более равномерен харак-
тер распределения ванадия. Колебания его
содержания находятся в пределах не более
0,05%. В исходном слитке ЭД он содер-
жится в количестве 0,27—0,31%, а в исход-
ном мартеновском слитке — 0,19—0,23%.
В электрошлаковых отливках, полученных
путем переплава заготовок из электроду-
гового и мартеновского металла, содержа-
ние ванадия соответственно находится в
пределах 0,27—0,29 и 0,20—0,22%. Во вре-
мя переплава ванадий практически не оки-
сляется.

Среднее содержание кремния в исход-
ных мартеновском и электродуговой ме-
талле составляет соответственно 0,25 и
0,32%. Среднее содержание в электрошла-
ковых отливках — соответственно 0,21 и
0,27%, т. е. снижается примерно на 20%.
В табл. 328 представлен химический состав
отливок из теплоустойчивых сталей 1Х2М1
и 15ХМ.

Типичным представителем теплоустой-
чивых сталей является сталь 20Х2М, ши-
роко применяемая в производстве электро-
шлаковых отливок изделий энергетическо-
го оборудования. Для оценки механиче-
ских свойств литой электрошлаковой стали
20Х2М исследовались отливки из этой ста-
Таблица 328. Химический состав электрошлаковых отливок и исходного металла, %

Марка стали	Место отбора проб	с	Мп	81	8	р	Сг	Ы1	Мо	Т!
1Х2М1	Расходуемый электрод	0,09	0,62	0,20	0,025	0,011	1,85	0,07	0,94	
	Отливка: верх	0,09	0,55	0,15	0,011	0,011	1,80	0,07	0,95			
	середина	0,09	0,60	0,15	0,011	0,011	1,85	0,07	1,00	—
	НИЗ	0,10	0,65	0,14	0.011	0,011	1,85	0,07	1,00	—
15ХМ	Расходуемый электрод	0,12	0,49	0,22	0,018	0,018	1,01	0,15	0,43	0,12
	Отливка: верх	о,н	0,47	0,18	0,010	0,016	1,00	0,13	0,44	0,10
	середина	0,11	0,42	0,18	0,010	0,019	0,97	0,14	0,43	0,11
	низ	0,11	0,43	0,17	0,010	0,017	1,00	0,13	0.45	0,11

Таблица 329. Химический состав расходуемых электродов из металла различных способов
выплавки и электрошлаковых отливок из стали 20Х2М, %

Металл	С	Мп	81	8	р	Сг	ьи	Мо
эд	0,20	0,42	0,35	0,015	0,015	2,25	0,39	0,33
ЭШЛ	0,20	0,41	0,20	0,006	0,015	2,20	0,35	0,33
Мартеновский	0,18	0,53	0,32	0,017	0,015	2,15	0,38	0,31
ЭШЛ	0,18	0,49	0,20	0,008	0,014	2,20	0,36	0,30

ли, полученные путем переплава расходу-
емых электродов из металла различных
способов выплавки (электродугового и
мартеновского). Химический состав метал-
ла электродов и отливок приведен в
табл. 329.

Исходный и литой электрошлаковый
металл подвергали термообработке — нор-
мализации при 920° С и отпуску при 650° С
с последующим охлаждением на воздухе.

Для механических испытаний из листо-
вого проката вырезали образцы, располо-
женные поперек направления прокатки и
по толщине листа, а из отливок ЭШЛ —
поперек кристаллов и по толщине стенки.
Результаты сравнительных испытаний для
комнатной и рабочей температур приведе-
ны в табл. 330.

Механические свойства стали 20Х2М
в зависимости от направления вырезки об-
разцов представлены в табл. 331. Как вид-
но из приведенных данных, металл элек-
трошлаковых отливок полностью изотро-
пен.

Свойства литого электрошлакового ме-
талла по толщине плиты, т. е. по месту

встречи кристаллов (традиционно, но оши-
бочно называемому местом слабины), го-
раздо выше, чем аналогичные свойства
у проката открытой выплавки. Особенно
это видно при сравнении таких показате-
лей (табл. 331), как относительное удли-
нение, относительное сужение и ударная
вязкость. Литая электрошлаковая сталь
20Х2М не уступает деформированной ста-
ли той же марки по ударной вязкости
даже при отрицательных температурах
(рис. 295).

Одним из важнейших показателей, ха-
рактеризующих эксплуатационную надеж-
ность сосудов высокого давления, являе-
тся стойкость металла против хрупкого
разрушения. И здесь литая электрошлако-
вая сталь 20Х2М обладает более высокой
сопротивляемостью хрупкому разрушению,
чем деформированный металл открытой
выплавки (рис. 296).

Обработка РЗМ жидкой стали в про-
цессе ЭШЛ приводит к дальнейшему по-
вышению качества литого электрошлако-
вого металла. Например, введение мишме-
талла (45—50% Се; 20—25% Ьа; 15—
Таблица 330. Механические свойства литой электрошлаковой стали 20Х2М и стали 20Х2М в
виде проката открытой выплавки

Способ выплавки	Объект анализа	г, °с	°в» кгс/мм2	п0,2* кгс/мм2	6. %	Ф. %
ЭШЛ (расходуемые элек-	Литая плита толщиной	20	68,9	53,5	21,0	70,6
троды из мартеновской	100 мм		66,8	52,3	22,6	69,8
стали)			67,1	53,4	21,6	69,8
Среднее значение			67,6	53,1	21,7	70,0
ЭШЛ (расходуемые элект-	Литая плита толщиной	350	58,2	44,1	19,0	69,1
роды из мартеновской	100 мм		58,5	45,4	20,0	72,5
стали)			59,2	45.4	17,7	70,7
Среднее значение			58,6	44,9	18,9	70,1
Основная мартеновская	Листовой прокат толщи-	20	64,3	52,4	21,2	70,8
плавка	ной ПО мм		62,8	50,3	22,3	71,4
			62,3	51,2	20,6	72,0
			65,6	58,1	20,8	73,0
			69,1	54,8	19.3	69,8
Среднее значение			64.8	52,1	20.8	71,4
Электропечной	Л: с овой прокат толщи-	20	69,3	53,8	20,0	68,3
	ной 35 мм		70,1	54,6	19,6	69,4
			65,6	52,1	21,3	70,9
Среднее значение			68,3	53,5	20,3	69,5
Электропечной	Листовой прокат толщи-	350	58,3	43,4	18,9	68,2
	ной 35 мм		57,8	44,6	19,6	71,3
			59,4	44,8	20,3	70,4
Среднее значение			58,5	43.9	19.9	69,9
ЭШЛ (расходуемые элек-	Литая плита толщиной	20	65,4	53,1	22,0	73,0
троды из электропечного	100 мм		67,1	53,6	20,8	72,2
металла)			65.5	50,8	22.6	73,8
Среднее значение			66,0	52,5	21.8	73,0
Дуплекс-процесс (основ-	Листовой прокат толщи-	20	66,4	51,3	19,4	73,0
пая + кислая мартенов-	ной 100 мм		68,2	54,2	18,8	72,4
ская печь)			66,4	52,0	21,8	73,6
Среднее значение			67,0	52,5	20,0	73,0
Требования ТУ		20	<58	<44	<16	<50
		350	<50	<37	<16	<50
Таблица 331. Механические свойства стали 20Х2М в зависимости от направления вырезки
образцов для испытаний

СпосоС выплав- ки	Объект исследова- ния	Направление вырезки об- газцо:	ав, кгс/мм?	а0,2> кгс/мм8	«О		гИЭ/И - эля . н0	Коэффи- циент анизотро- пии
ЭШЛ	Литая плита тол- щиной 100 мм	Поперек кристаллов	65,4  67,1  65,5	53,1  53,6  50,8	22,0  20,8  22,6	73,0  72,2  73,3	18,8  17,9  20,3	т‘пл ~~ = 0,98
Среднее значение			66,0	52,5	21,8	73,0	19,4	
ЭШЛ	Литая плита тол- щиной 100 мм	Вдоль крис- таллов	65,2  66,4  66,8	52,8  54,3  51,0	20,4  21,8  22,0	74,0  73,0  72,2	19,4  21,0  20,5	II  Оз г-я о II
Среднее значение			66,1	51,3	21,4	73,1	20,3	
ЭШЛ	Литая плита тол- щиной 100 мм	По толщи- не плиты	61,1  61,9  62,1	50,5  49,5  51,2	20,7  20,0  20,7	75,8  75,6  76,6	18,5  18,2  20,9	^общ = 1,0
Среднее значение			61,7	50,4	20,4	76,0	19,2	
Дуплекс-процесс (основная + кис- лая мартеновская печь)	Листовой прокат толщиной 110 мм	Поперек проката	66,4  68,2  66,4	51,3  54,2  52,0	19,4  18,8  21,8	73,0  72,4  71,6	17,9  19,8  20,3	II  II  1	
Среднее значение			67,0	52,5	20,0	73,0	19,3	
Дуплекс-процесс (основная + кис- лая печь)	Листовой прокат толщиной 110 мм	Вдоль про- ката	67,8  69,3  66.0	52,4  55,2  54,3	20,1  21,5  19,8	74,3  75,0  73,4	19,3  21,0  21,4	^ан = 3,6
Среднее значение			67,7	53,9	20,4	74,2	20,5	
Дуплекс-процесс (основная -{- кис- лая мартеновская печь)	Листовой прокат толщиной 110 мм	По толщи- не листа	52,2  48,6  45,4	36,4  31,8  31,8	13,3  13,9  Ю.З	43,5  38,6  37,0	4,8  3,9  7,8	^общ — = 2,7
Среднее значение			48,7	33,3	12,5	40,0	5,5	

Чпл + Т1ан

Т^общ —	2

Примечание. Коэффициенты анизотропии рассчитывались по формулам
°прод °ПОП 'Фпрод 'Фпоп в _ °н прод "Ь а'л поп
^пл 2 ( опо ТОЛщ + Фпо толц1	ав 2ан по толщ
Рис. 295. Зависимость ударной вязкости стали
20Х2М от температуры испытания:

1— отливка ЭШЛ (исходная сталь — мартеновская);
2— листовой прокат мартеновской стали; 3- отливка
ЭШЛ (исходная сталь — электродуговая); 4 — ли-
стовой прокат из электрошлаковой стали.

17% Ы<1; 5% Ее; 8—10% других РЗМ) вли-
тую электрошлаковую сталь 20Х2М позво-
лило снизить критическую температуру
хрупкости литого металла на 40° С в сто-
рону более низких температур и тем са-
мым повысить стойкость металла против
хрупких разрушений (табл. 332).

Оценка служебных свойств теплоустой-
чивой стали 15Х1М1Ф производилась на
образцах, вырезаемых непосредственно из

Рис. 296. Зависимость критического раскрытия
надреза (6С) стали 20Х2М от температуры ис-
пытания:

1 — прокат электропечного металла; 2 — отливка ЭШЛ
(исходный металл — электропечи ой).

Таблица 332. Влияние РЗМ на ударную
вязкость литой электрошлаковой стали 20Х2М

т, °с	Объект анализа		
	Прокат от- крытой вы- плавки	ЭШЛ	ЭШЛ с до- бавкой 0.2% РЗМ
20	20,3—20,9  20,6	23,3—28,6  25,6	20,5—23,0  21,6
—20	11,6—15,5  13,6	8,5—19,4  13,9	15,2—17,9  16,0
—40	8,2—13,2  10,7	8,7—10,6  9,8	11,6—14,5  13,0
—60	8,4—9,0  8,7	3,6—10,6  7,7	12,0—12,2  12,1
—70	0,6—1,2 тк	1,7—0,6 тк	8,2—9,5 8,7
—90	—	—	7,5—12,7  8,1
—НО	—	—	1.0—4,0 Т’к

Примечание. В числителе даны предельные
значения, в знаменателе — средние.

отливок корпусов энергетической армату-
ры. Химический состав металла расходуе-
мых электродов и отливки приведен в
табл. 333. Такому химическому составу
стали 15Х1М1Ф соответствовали механиче-
ские свойства, приведенные на рис. 297.

В табл. 334 приведены механические
свойства стали 15Х1М1Ф после тепловой
выдержки при температуре 560° С в тече-
ние 500 и 5000 ч. Как следует из данных
табл. 334, тепловая выдержка при указан-
ных выше условиях существенно не влияет
на механические характеристики литой
электрошлаковой стали. Характеристики

Рис. 297. Механические свойства стали
15Х1М1Ф обычного литья (1) и в электрошла-
ковых отливках (2) при температуре 20 и
565° С.
Таблица 333. Химический состав металла расходуемых электродов и отливок корпусов арматуры
из стали 15Х1М1Ф, %

Объект анализа	С	Мп	51	Сг	Мо	V	8	р
Расходуемые	электроды  (электропечной металл) ЭШЛ	0,14  0,14	1,0 0,88	0,40  0,30	1,81  1,80	0,9 0,9	0,35  0,35	0,013 0,005	0,018  0,017

пластичности и ударной вязкости сохрани-
ли первоначальные значения. Кроме того,
по абсолютным значениям ударная вяз-
кость литой электрошлаковой стали гораз-
до выше, чем у обычного литья, и равна
или выше, чем у проката открытой вы-
плавки (рис. 298).

Показатели длительной прочности теп-
лоустойчивой стали 15X1М1Ф представле-
ны на рис. 299.

Для оценки эксплуатационной надеж-
ности сварных соединений из литой элек-
трошлаковой стали 15Х1М1Ф в паропрово-
дах энергетических установок исследовали
их качество в сравнении с качеством свар-
ных соединений из литой стали обычной
выплавки. Сварные соединения выполня-

Рис. 298. Зависимость ударной вязкости стали
15Х1М1Ф от температуры испытаний:

/ — обычное литье; 2 — электрошлаковая отливка.

Рис. 299. Длительная прочность литой стали
15Х1М1Ф обычного литья и в электрошлако-
вых отливках:

/ — обычное лнтье. о = 9 кгс/мм2; 2— отливки ЭШЛ,
с = 12 кгс/мм2.

лпсь на патрубках с наружным диамет-
ром 245 мм и с толщиной стенки 45 мм.
Патрубок, отлитый традиционным спосо-
бом, сваривали с патрубком, отлитым спо-
собом ЭШЛ. При этом использовались сва-
рочные электроды марки ЦЛ-20М. Сварку
производили с послойным заполнением
разделки. Величина погонной энергии до-
стигала 8—10 ккал/см. Сварные соедине-
ния подвергали термообработке по режи-
му: нагрев до температуры 730° С, выдерж-
ка 3 ч, охлаждение с печью. Химический
состав свариваемых заготовок патруб-
ков представлен в табл. 335. Содержание
неметаллических включений в металле
сравниваемых патрубков приведено в
табл. 336.

Для оценки механических свойств око-
лошовной зоны сварных соединений при-
бегли к моделированию околошовной зоны
путем нагрева на установках ИМЕТ-
ЦНИИЧМ образцов цилиндрической фор-
мы диаметром 15 мм и длиной 80 мм до
1300° С и последующего охлаждения в
струе воздуха со скоростью 10—12 град/с
ниже Аг3. Часть образцов подвергали тер-
мообработке по режиму, соответствующему
режиму термообработки реальных сварных
соединений.

Результаты испытаний, приведенные на
рис. 300, позволяют утверждать, что пла-
стические свойства, а следовательно, и де-
формационная способность околошовной
зоны сварных соединений литой электро-
шлаковой стали 15Х1М1Ф в 2 раза выше,
чем у сталей этой же марки открытой вы-
плавки. Это особенно важно в случае от-
клонения от оптимальных режимов термо-
обработки.

В процессе изготовления и испытания
паропроводов сварные соединения могут
подвергаться динамическим нагрузкам
(например, гидравлическому удару). По-
Таблица 334. Механические свойства стали 15Х1М1Ф после тепловой выдержки в течение 500 и
5000 ч при температуре 20 и 560° С

Объект анализа	Т.	7, °С	кгс/мм2	°0,2- КГС/ММ2	6. %	Ф. %	ан.  кгс - м/см2
Обычное литье	500	20	67,5	52,6	18.0	59,3	7,1
			65,8	52,0	19,1	58,4	5,7
			65,9	51.0	19.3	57.0	6,0
Среднее значение			66,4	51.8	18,7	58.2	6,2
Обычное литье	500	565	45,3	41.7	18,7	60,6	8,1
			43,0	39,6	16,8	62,0	6,6
			48,1  1	44.9	15,7	50.0	7,1
Среднее значение			45,4	42.1	17,1	60,8	7,3
ЭШЛ	500	20	66,4	51,2	21,7	67.9	12,0
			65,7	51,6	22,4	68,6	12,2
			65,7	51,6	22,0	69.8	12,2
Среднее значение			65,8	51,5	22,0	68,7	12,1
ЭШЛ	500	565	44,2	40,0	21,0	76,6	18,1
			43,7	39.9	22,3	75,0	15,6
			43,1	39,2	20,7	75.0	17,1
Среднее значение			43,8	39,7	21,3	75,8	16,9
Прокат открытой	500	20	67,8	53.2	20,0	65.3	10,8
выплавки			69,5	51,4	21,3	64,8	11,3
			66.5	51,0	19,8	66.7	11,8
Среднее значение			67,9	51,8	20,5	62,3	11,3
Прокат открытой	500	565	45,6	44,3	20,3	70.4	17,4
выплавки			46,8	44,2	22,1	74,8	16,8
			46.9	40,4	20.4	74.3	16,9
Среднее значение			46.4	42,9	20,9	73.1	17,0
Обычное литье	5000	20	69,6	55,8	19.3	62,0	8,5
			67,1	52,0	21,0	62,0	4,2
			65,4	50,1	22,0	59,9	7,2
Среднее значение			1  |	67,4	52,6	20,7	61,3	6,6
500 и

Продолжение табл. 334

Объект анализа	т. %	т, °с	°В ’  кгс/мм2	°0,2« кгс/мг2	л- %	Ф. %	кгс - м/см2
ЭШЛ	5000	20	67,4  69,2  67,1	52,6  54,7  51,2	23,4  22,6  25,4	66,0  66,0 67,9	15,3  12,2  13,5
Среднее значение			67,9	52,8	23,8	66,8	13,6
Прокат открытой выплавки	500	20	67,8  68,4  68,9	53,4  52,5  51.0	20,1  21,2  21,4	63,2  64,0  64,5	5,0  8,4  7,3
Среднее значение			68,3	52,3	20,9	63,9	6,9

Таблица 335. Химический состав литой стали 15Х1М1Ф обычной выплавки и ЭШЛ, %

Объект , анализа	С	Мп	51	ч	р	Сг	Мо	V
Обычное литье	0,18	0,7	0,23	0.025	0,019	1,35	1.1	0,28
Металл ЭШЛ	0,16	0,69	0,23	0,007	0,015	1,36	0,95	0,30
Требования ТУ	0,14—0,20	0,6—0,9	0,20—0,40	5=0,025	<0.025	1,2—1,7	0,8—1,2	0,25—0,40

этому несомненный интерес представляет
исследование склонности сварных соедине-
ний к хрупким разрушениям.

Наиболее простым и широко распро-

Таблица 336. Содержание неметаллических
включений в патрубках из литой стали обычной
выплавки и ЭШЛ, %

Размеры включений по диаметру, мкм	Обычное литье		ЭШЛ	
	Суль- фиды	Оксиды	Оксиды	Окси- суль- фиды
1,0—1,7			0,0011	0,0003		
1,7—2,5	0,0005	0,0030	0,0004	0,0001
2,5—3,0	0,0022	0,0025	0,0012	0,0002
3,0—3,5	0,0085	0,0025	0,0010	0,0007
5,5—7,6	0,0066	0,0012	0,0002	0,0020
7,6—10,6	0,0055	—	—	0,0028
10,6—15,0	0,0092	—	—	0,0060
15,0—21,0	0,0123	—				
21,0—26,0	0,0492	—	—	—
Всего	0,0940	0,0103	0.0031	0,0118

страненным методом оценки хрупкой проч-
ности сварных соединений является опре-
деление критической температуры хруп-
кости при ударном изгибе. Для проведе-
ния испытаний из сварных соединений из-
готавливали образцы типа Менаже для
ударного нагружения с надрезом по линии
сплавления. За критерий критической тем-
пературы хрупкости принимали температу-
ру, при которой на 50% площади образца
разрушение носило характер кристалличе-
ского излома.

Из полученных данных (рис. 301) вид-
но, что если околошовная зона литого
электрошлакового металла имеет критиче-
скую температуру хрупкости Тк = 10° С,
то в околошовной зоне литого металла
обычной выплавки (открытой дуговой
плавки) 7’к = 35°С. Таким образом, в
сварных конструкциях, выполненных из ли-
того металла открытой выплавки, в про-
цессе изготовления и испытания энергети-
Таблица 337. Определение критического раскрытия трещин околошовной зоны сварных
соединений из стали 15Х1М1Ф открытой и электрошлаковой выплавки (Т = 20° С)

Металл	бс . мм		Удельная энергия раз- рушения кгс - мм/мм2	В язкость разрушения сГ=Мо,2
	Прямое измерение	Расчет (по Форду)		
Металл открытой выплавки: без термообработки	0,062—0,073 0.067	0,090—0,108  0,096	—	—
после термообработки	0,413—0.519  0,460	0,466—0,556 0,500	30,4	28,5
ЭШЛ:  без термообработки	0,145—0,168 0.157	0,110—0,204 0,168	—	—
после термообработки  1	0,600—0,649  0,650	0,485—0,670 0,640	44,6	42,0

Примечание. В числителе приведены предельные значения, в знаменателе — средние.

ческого оборудования могут возникать
хрупкие разрушения.

Изложенная методика позволяет полу-
чить лишь качественную характеристику

Рис. 300. Механические свойства околошовной
зоны сварных соединений из литой стали
15Х1М1Ф обычной выплавки (1) и ЭШЛ (2),
полученные на моделированных образцах без
термообработки (а) к после нее (б).

оценки хрупкой прочности конструкции из
стали данной марки. Количественную ха-
рактеристику, оценивающую склонность
сварных соединений к хрупкому разруше-
нию и позволяющую определить разруша-
ющие напряжения и критические размеры
дефектов, можно получить, используя кон-
станты механики разрушения.

Испытаниям подвергали образцы
15 X 15X150 мм с надрезом в околошов-
ной зоне, острота которого приближалась
к критической (/? = 0,03 мм). Образцы ис-
пытывались на статический изгиб при тем-
пературе 20° С и скорости деформирования

Рис. 301. Изменение ударной вязкости и крити-
ческой температуры хрупкости в околошовной
зоне сварного соединения, выполненного руч-
ной электродуговой сваркой:

1 — сталь 15Х1М1Ф обычной выплавки; 2 — сталь
15Х1М1Ф ЭШЛ; К — содержание кристаллической
составляющей в изломе.
Рис. 302. Диаграмма разрушения сварных сое-
динений с надрезом в околошовной зоне после
дуговой сварки без термообработки (I) и после
термообработки (II):

/ — сталь 15Х1М1Ф обычной выплавки; 2 — сталь
15Х1М1Ф ЭШЛ; Т — стрела прогиба.

V = 1 мм/с. Критическое раскрытие трещи-
ны определяли прямым экспериментом как
разность замеров до и после испытания,
а также путем расчета по формуле, пред-
ложенной Фордом [13].

Результаты расчета удельной энергии
разрушения (табл. 337) хорошо совпадают
с данными прямого определения по диа-
грамме разрушения (рис. 302) и указыва-
ют на повышенную сопротивляемость зо-
ны термического влияния сварного соеди-
нения литой электрошлаковой стали
хрупкому разрушению.

В связи с периодическими пусками и
остановками современных энергетических
установок сварные соединения претерпева-
ют циклическое деформирование. Возника-
ет необходимость изучения малоцикловой
усталости сварных соединений с учетом
компенсации напряжений.

Исследование малоцикловой усталости
сварных соединений выполняли по режиму
жесткого (2а= сопз!) нагружения при чис-
том изгибе с изменением частоты ? от 2
до 60 цикл/ч с обеспечением четырехточеч-
ного симметричного изгиба при пилообраз-
ном и трапецеобразном циклах нагруже-
ния. При испытаниях по пилообразному

циклу оценивали влияние скорости нагру-
жения на долговечность, а при испытаниях
по трапецеобразному циклу — влияние вы-
держек при нагружении.

Температура испытания при симметрич-
ном цикле составляла 565° С. Исследуя ма-
лоцикловую усталость сварных соединений,
применяли образцы цилиндрической фор-
мы с кольцевым надрезом в околошовной
зоне. Надрез использовали для оценки дол-
говечности околошовной зоны и установле-
ния влияния концентраторов, нередко име-
ющих место в сварных соединениях, на
долговечность.

Результаты экспериментальных иссле-
дований малоцикловой усталости сварных
соединений из сравниваемых сталей при
частоте нагружения Р = 60 цикл/ч приве-
дены на рис. 303 в виде логарифмической
зависимости амплитуды номинальных ус-
ловных напряжений от числа циклов до
разрушения. Из полученных данных следу-
ет, что сопротивление малоцикловой уста-
лости околошовной зоны сварных соедине-
ний из литой стали 15Х1М1Ф обычной вы-
плавки ниже, чем из литой электрошлако-
вой. Применение изделий энергетического
оборудования, изготовленных методом
ЭШЛ, позволяет повысить долговечность
зоны сварного соединения примерно в 1,5—
2 раза. Так, например, при амплитуде ус-

Рис. 303. Выносливость околошовной зоны
сварных соединений из литой стали 15Х1М1Ф
обычной выплавки и ЭШЛ;

1 и 2 — экспериментальные кривые при /V = 60 цикл/ч
и 7" = 565° С соответствеиио для литых сталей электро-
шлаковой и обычной выплавки; 3 и 4 — то же, при
Л/ 2 цикл/ч и Т =* 565° С; М — число циклов до
разрушения; оа — амплитуда напряжений, од =©аЕ
Таблица 338. Режимы термообработки литой
электрошлаковой стали 15Х2МФ

Операция	Т, »с		Охлаждение
	печи при посаде	нагрева	
Закалка	470	1000	В масле
1-й отпуск	360	710	На воздухе
2-й отпуск	270	610	» »
3-й отпуск	400	670	» »
4-й отпуск	310	670	С печью до 300° С

ловных напряжений оа = 80 кгс/мм2 раз-
рушение в околошовной зоне сварного сое-
динения из литой стали 15Х1М1Ф обычной

выплавки произошло через 700 циклов, а
из электрошлаковой стали 15Х1М1Ф —че-
рез 1300 циклов.

Переход к испытаниям сварных соеди-
нений из литой стали обычной выплавки
и литой электрошлаковой стали с выдерж-
ками т = 30 мин (трапецеобразный цикл)
при частоте нагружения М/=2 цикл/ч приво-
дит к резкому (в 2—4 раза) снижению
долговечности. Это объясняется тем, что
с переходом к испытаниям с выдержками
при высоких температурах к повреждае-
мости от чистой усталости добавляется по-
вреждаемость от ползучести.

При сравнении результатов испытания
сварных соединений и заготовки литой

Таблица 339. Механические свойства литой стали 15Х2МФ ЭШЛ (поперечные темплеты)

Часть слитка	Направление вырез- ки образцов	0В.  кгс/мм2	°0,2> кгс/мм2	6. %	Ф. %	ан • кгс  м/см2
Голова:						
периферия	Радиальное	59.7—58,6	48,0—47,7	28,7—28,0	79,8—78,2	33,0—31,8
	Тангенциальное	59,1 60,0—50,0	47.8 47,4—46,7	28,5 27,0—25,7	78.7 79,8—79,8	32,4 35,6—31,2
центр	Радиальное	60,0  60,6—59,8	47,2  50,0—48,1	26,6  28,3—26,7	79,8  78,2—78,2	33,4  35,9—34.6
	Тангенциальное	60.7 60,2—60,0	49.0  48,0—46,5	27,7  28,4—25,6	78,- 78,8—77,0	35,2  34,1—32,8
		60,1	47,2	26,7	78,2	33,4
Середина:						
периферия	Радиальное	60,2—59,6	48,0—47,0	28,0—26,4	77,0—75,0	35,8—35,2
	Тангенциальное	59,9 60,5—60,0	47,5 48,0—48,0	27,2 28,6—27,8	76,0 78,8—77,0	35,5  35,8—34,8
центр	Радиальное	60,2  60,7—59,5	48,0  47,0—46,0	28,2  28,4—25,4	77,9  77,0—77,0	35,3  35,6—33,4
	Тан генциаль ное	60,1  61,2—59,5	46,5  48,5—47,5	26,9 28,0—26,6	77,0  77,0—77,0	34,5  35,6—33,4
		60,3	48,0	27,3	77,0	34.0
Дно:						
периферия	Радиальное	60,5—59,5	48,5—47,0	26,7—25,0	78,2—75,0	34,8—32,4
	Тангенциальное	60,0 60,5—58,4	47,0  49,1—47,4	25,8 27,3—26,0	76,4 79,8—79,8	33,6  35,1—33,3
центр	Радиальное	59,4  60,9—60,0	48,3  49,1—47,7	26,7  26,7—25,3	79,8  78,2—78,2	34,4  34,9—33,8
	Тангенциальное	60,4 60,9—59,8	48,4 49,1—47,7	26,0 26,7—25,8	78,2 76,7—76,6	34,3  34,0—33,8
		60,3	48,5	26,0	76,6	33,9 	

Примечание. В числителе даиы предельные значения» в знаменателе — средние.
стали, полученной обычным методом и
электрошлаковым литьем, видны преиму-
щества сварных соединений, выполненных
на литом электрошлаковом металле. Так,
например, при амплитуде условных напря-
жений о» = 80 кгс/мм2 число циклов к' до
разрушения сварных соединений из литой
стали 15Х1М1Ф обычной выплавки равно
250, а для сварных соединений из литой
электрошлаковой стали 15Х1М1Ф — 400.

Служебные свойства литой стали
15Х2МФ [11] оценивались на отливках за-
готовок патрубков сплошного сечения ^диа-
метром 360 мм и высотой 400 мм^ выплав-
ленных методом ЭШЛ. Заготовки подвер-
гались термообработке (табл. 338), приня-
той в производстве, изделий энергетики из
стали 15Х2МФ.

Для механических испытаний из отли-
вок вырезались образцы (рис. 304), распо-
ложенные вдоль и поперек оси кристаллов,
в осевом, радиальном и тангенциальном
направлениях. Образцы испытывались при
температуре 20° С. Результаты испытаний
приведены в табл. 339 и 340.

Для каждого показателя механиче-
ских испытаний определяли анизотропию
свойств как отношение максимального по-
казателя к минимальному (см. табл. 339,
340): для Ов г) = 1,04; для оо.з= 0,97; для
бт] = 1,14; дляф»] = 1,05; для анц = 1,10;
Лер = 1,08.

Подсчитанный на основании данных
табл. 339 и 340 показатель анизотропии ц
определялся по формуле

_____к ( Ф шах I Си тах \
2 \ Ф Ш1П С« т,п /

Для литого электрошлакового металла
он составил 1,08. Деформированная сталь
15Х2МФ при аналогичном подсчете имеет
показатель л = 1,4 Ч- 1,5.

Высокая изотропность литого металла
объясняется его структурной и химической
однородностью (табл. 341), развномерно
распределенными в небольшом количестве
неметаллическими включениями (табл.
342), более высокой и стабильной плот-
ностью металла по всему объему слитка
(табл. 341).

Введение микродобавок РЗМ (мишме-
талла) в литую электрошлаковую сталь
15Х2МФ при выплавке отливок повышает
ее механические свойства. Степень влияния
мишметалла в количествах 0,1, 0,2 и 0,3%
на свойства литой стали изучали на элек-
трошлаковых отливках, выплавлявшихся
под флюсом АНФ-6. В табл. 343 приведен
химический состав отливок и исходного
металла расходуемых электродов. Из дан-
ных таблицы видно, что в процессе ЭШЛ
стали 15Х2МФ происходит некоторое окис-
ление кремния и значительно снижается
содержание серы (примерно на 60%). Со-
Таблица 340. Механические свойства литой стали 15Х2МФ ЭШЛ (продольные темплеты)

Часть слитка	Направление вырезки образцов	°в*  КГС/ММ2	а0,2’ кгс/мм2	<5. %	т. %	°Н’ кгс • м/см2
Г олова: периферия	Перпендикулярно оси слитка  Паралельно	оси	60,5—60,0  60,2  60,5—60,1	49,5—47,7  48,8 48,5—47,7	26,7—24,4  25,8  26,7—25,3	79,8—76,6  78,4  78,2—78,6	35,8—32,5  34,7  35,7—33,8
центр	слитка  Перпендикулярно оси слитка  Параллельно оси	60,4 59,0—58,4  58.8 60,5—60,5	47,9  46,7—45,9  46,2  49,1—47,7	25,7  27,7—24,4  25,5  27,7—24,9	77,1  78,2—78.2  78,2 78,2—78,2	34,5  34,6—33,9  34,2  33,4—33,4
Середина: периферия	слитка  Поперек оси крис-	60,5  60,9—59,7	48,4  48,8—48,1	25,8  26,7—25,3	78,2  79,8—78,2	33,4  34,6—32,8
	таллов  Вдоль оси кристал-	60 3  59,0—58,0	48,8  47,4—44,5	26,0  26,7—23,3	79,3  79,8—76,6	33,7  33,4—32,8
центр	лов  Перпендикулярно	58,5  60,9—59,7	46,0  49,5—48,2	25,7  26,7—25,7	78,2  79,8—78,2	32,2  35,7—33,2
	оси слитка  Параллельно оси	60,3  59,8—59,5	48,8  48,1—47,7	26,1  25,7—24,7	78,5  78,2—78,2	34,7  35,0—33,4
Дно: периферия	слитка  Поперек оси кри-	59,6  60,9—60,9	47,8  49,5—49,1	25,1  26,0—25,3	78,2  78,2—76,6	34,2  35,6—32,8
центр	сталлов  Вдоль оси кристал- лов  Перпендикулярно	60,9  60,5—59,5  60,0  60,8—57,5	49,3 50,0—48,9  49,4  49,0—45,9	25,6  27,7—24,7  26,2  26,4—25,0	77,4  78,2—76,6  77,6  78,9—78,2	34,2  35,3—31,3  33,9  35,6—32,6
	оси слитка  Параллельно оси	59,1  59,8—59,0	47,4  48,1—47,4	25,7  28,7—24,3	78,5  78,2—78,2	34,2  35,2—34,1
	слитка	59,4	47,7	26,5	78,2	34,1

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние.

Таблица 341. Химический состав и плотность металла отливки из стали 15Х2МФ

Место отбора пробы	Содержание элементов, %									Плот- ность, г/см3
	с	81	Мп	Ы1	Мо	V	Сг	8	р	
Г олова	0,14	0,23	0,46	0,25	0,60	0,28	2,6	0,0035	0,012	7,8672
	0,13	0,24	0,48	0,26	0,60	0,28	2,5	0,0030	0,012	7,8666
Середина	0,13	0,23	0,46	0,25	0,60	0,28	2,6	0,0030	0,012	7,8661
	0,13	0,23	0,46	0,24	0,60	0,28	2,7	0,0030	0,013	7,8646
Дно	0,14	0,23	0,44	0,24	0,60	0,28	2,7	0,0030	0,013	7,8667
	0,14	0,24	0,46	0,24	0,61	0,27	2,6	0,0030	0,013	7,8656

Примечание. Числитель — периферия слитка, знаменатель — середина

а
Рнс. 305. Содержание газов в стали 15Х2МФ
обычной выплавки (1) и в литой электрошла-
ковон (2).

держание остальных элементов практиче-
ски не изменилось. Необходимо отметить,
что с увеличением количества вводимого
мишметалла окисление кремния несколько
уменьшается.

В процессе ЭШЛ (рис. 305) примерно
вдвое снижается содержание кислорода и
в полтора раза азота^Механические свой-
ства исходной деформированной и литой
электрошлаковой стали, прошедшей одно-

Рис. 307. Зависимость механических свойств
стали 15Х2МФ деформированной открытой вы-
плавки (1) и литой электрошлаковой (2) после
выдержки при температуре 340° С от времени
выдержки.

Рис. 306. Механические свойства стали 15Х2МФ
в литом и деформированном состояниях при
20° С (сплошные линии) и 350° С (штриховые
линии):

1 — требования ТУ на горячедеформированную сталь;
2 — прокат обычной выплавки; 3 — литой металл
ЭШЛ; 4— то же, с добавкой 0,1% РЗМ; 5 — то же,
с добавкой 0,2% РЗМ; о — то же, с добавкой 0,3%
РЗМ.

временную термообработку,] приведены в
табл. 344.

На рис. 306 показано изменение меха-
нических свойств литого электрошлакового
металла в зависимости от количества вве-
денного в отливку мишметалла.

Изменение ударной вязкости в зависи-
мости от температуры испытаний исходной
и литой электрошлаковой стали без доба-
вок мишметалла и с добавками 0,1—0,3%
приведено в табл. 345. Как видно из
Таблица 342. Распределение неметаллических включений по объему отливки ЭШЛ. Сталь 15Х2МФ

		Размер						включений (оксидов) в			хелениях		окул
Часть	Зона отливки	1.1	—2.0	2.1—3,0		3.0	—4,0	4.1—5,0		5,	—6.0		1
отливки		1.5		2.5		3.5		4.5		5.5			
															
		а,-	гп[ха)	аг	т^-ха.	а,	гп/ха.		гщха,	<2,	пцха^		а/
Г олова	Периферия	17	25,5	—	—	1	3,5	2	9,0	1	5,5		
	Середин?	1	1,5	5	12,5	—	—	1	4,5	1	5,5		1
Середина	Периферия	4	6,0	7	17,5	5	17,5	1	4,5	1	5,5			
	Середина	9	13,5	2	5,0	3	10,5	1	4,5	—	—		2
Дно	Периферия	9	13,5	7	17,5	4	14,0	—	—	1	5,5			
	Середина	6	9,0	2	5,0	4	14,0	3	13.5	2	11.0		1

* В знаменателе приведены средние значения интервала размерной группы в делениях окулярной шкалы (т;); 0( —км
на линии подсчета 15 см.

табл. 345, введение 0,2% мишметалла в
литую электрошлаковую сталь 15Х2МФ
позволяет снизить температуру охрупчива-
ния стали и тем самым повысить стой-
кость электрошлаковых отливок против
^срупких разрушений.

| Термическая усталость, термическое
'старение, малоцикловые испытания, крити-
ческая температура хрупкости позволяют
оценить работоспособность и надежность
изделий, изготовленных из литой стали
15Х2МФ^ Исследование этих специфиче-
ских характеристик металла проводили
на отливках заготовок патрубков диамет-
ром 370 мм в сравнении с деформирован-
ной сталью в виде листового проката тол-
щиной 160 мм [12]. Исследуемый металл
подвергался стандартной термообработке
(закалка в воду с последующим отпус-
ком) в заводских условиях.

Сравнительную оценку склонности к

термическому старению исследуемых ма-
териалов производили путем испытания
образцов после выдержки при температуре
340° С в течение 2000, 5000 и 10000 ч. На
рис. 307 приведены данные испытания об-
разцов при температурах 20° С (а) и
350° С (б), позволяющие утверждать, что
литая электрошлаковая сталь 15Х2МФ не
склонна к термическому старению.

С На образцах (рис. 308) определяли
термическую усталость деформированной
и литой электрошлаковой стали 15Х2МФ.
Цикл термической обработки образцов
представлял собой нагрев до температуры
340° С и последующее охлаждение в воде.
Число циклов доводили до 15000. Макси-
мальная длина трещин на образцах из де-
формированной стали была равна 0,11 мм,
! на образцах из литой — 0,07 мм.

Таким образом, термическая усталость
литой электрошлаковой стали находится

Таблица 343. Химический состав исходного металла и электрошлаковых отливок из стали
15Х2МФ, %

Объект анализа	Расчетное коли- чес’хТ’о вводимого мишметалла, %	с	Мп	81	Сг	ГЦ	Мо	V	8	р
Расходуемые	—	0,17	0,33	0,28	2,98	0,30	0,63	0,34	0,010	0,012
электроды  Металл ЭШЛ	——	0,16	0,44	0,20	2,7	0,30	0,65	0,32	0,004	0,012
	0,1	0,15	0,36	0,23	2,9	0,33	0,64	0,33	0,004	0,010
	0,2	0,15	0,44	0,24	2,8	0,33	0,70	0,33	0,004	0,013
	0,3	0,15	0,4!	0,26	2,7	0,31	0,67	0,31	0,004	0,012
443

окулярной шкалы *									я ?	Размер включений (силикатов) в делениях окулярной шка- лы *			га ет
	(-.1-8,0		8.1-	-10,0	10,1	-12,0	12,1	—14,0	я -	1.1	—2.0		ё?  о> ь-
	7,0		9,0		11,0		13,0			1.5		Индекс за-	Я ° I5
	“1	т^ха.	а(	1  | пцхо)	а.	пцха}		тщха;	Индекс мости,	а1	"4*0,	грязнениости, об.% • 10—з	Общий грязне об % • 11
	—			—												0,87	6	9,0	0,18	1,05
	1	7,0	1	9.0	—	—	1	13,0	1,06	1	1,5	0,03	1,09
	—	 —	1	9,0	—	—	—	—	1,20	3	4,5	0,09	1,29
	2	14,0	2	18,0	—	—	—	—	1,31	4	6,0	0,12	1,43
	—	—	1	9,0	—	—	—	—	1,19	2	3,0	0,06	1,25
	1	7,0	—	—	—	—	—	—	1.19	3	4,5	0.09	1,28

чество недочитанных включений в дайной размерной группе; пена деления окулярной шкалы 3 мкм, увеличение 420; дли-

Рнс. 308. Образец для исследования термине- на том же уровне, что и деформированной
ской усталости литой и деформированной стали стали.

По результатам испытания образцов на
циклическое кручение оценивали малоцик-
ловую долговечность сравниваемых мате-
риалов.

Частота нагружения образцов состав-
ляла 0,4 об/мин. Частоту нагружения уста-
навливали в зависимости от размаха де-
формаций в пределах 3—10 цикл/мин.
Крутящий момент, действующий на обра-
зец, и угол закручивания на рабочей части
образца регистрировали с помощью шлей-
фового осциллографа.

Как видно из рис. 309, деформирован-
ная сталь 15Х2МФ несколько уступает по
малоцикловой долговечности литой элек-
трошлаковой стали того же химического
состава.

. Важной характеристикой корпусных
материалов является стойкость их про-
тив хрупких разрушений. Оценка склон-
ности деформированной и литой электро-
шлаковой стали к хрупким разрушениям
производилась путем статических (Ткдс)
и динамических (Тк) испытаний на из-
гиб.

Исследования проводились на образ-
цах Шарли (Ткдс). Они показали, что зна-
чения критической температуры хрупкости
для деформированной и литой стали близ-
ки и находятся в интервале от —10 до

Рнс. 309. Зависимость малоцикловой долговеч-
ности Л/ стали 15Х2МФ от размера пластиче-
ской деформации у:

/ — деформированный металл открытой выплавки; 2—
литой электрошлаковый металл.
Таблица 344. Механические свойства исходного металла и электрошлаковых отливок из стали
15Х2МФ

Объект анализа	’в . кгс/мм!	8  04  О р  Ь *	6, %	% ‘Ф.	«я- кгс-м/см2	кгс/мм2	°0,2’ кгс/мм2	1	  б. %	ф. %
		т =	= 20° С			Т = 350° С			
Расходуемые электроды	74,8	65,2	20,3	74,4	19,7	72,5	62,8	16,2	68,6
(лист толщиной 160 мм)	76,5	68,1	20,0	73 1	22,4	61,7	52,5	16,8	75,0
	76,5	68,1	19,7	73,1	21,8	61,7	51,0	16,2	73,0
Среднее значение	75,9	67,1	20,0	73,5	21,3	65,3	55,4	16,4	72,2
ЭШЛ	71,9	62,2	21,3	74,4	22,1	61,7	51,6	16,4	70,8
	72,0	62,5	20,5	73,1	30,6	62,2	53,1	18,4	70,8
	71,9	62,1	21,3	74,4	21,1	58,7	49,0	15,2	59,0
Среднее значение	71,9	62,3	21,0	73,9	24,6	60,8	51,2	16,6	66,3
ЭШЛ с 0,1 % РЗМ	79,5	71,3	22,3	72,4	21,8	66,3	57,6	17,6	66,4
	77,7	70,0	19,2	72,4	27,9	70,4	61,7	17,2	68,6
	75.5	70,0	19,2	72,0	20,5	66,3	58,1	16,4	68,6
Среднее значение	78,2	70,4	20,2	72,3	23,4	67,7	59,1	17,1	67,9
ЭШЛ с 0,2 % РЗМ	74,2	66,1	20,0	71,8	26,2	66,8	53,1	16,8	64,0
	74,8	66,5	19,7	71,8	24,5	66,3	58,1	14,8	68,6
	76,1	67,0	20,7	73,1	21-5	66,8	57,1	14,0	68,6
Среднее значение	75,0	66,5	20,1	72,2	24,1	66,6	57,8	15,2	67.1
ЭШЛ с 0,3 % РЗМ	73,2	67,0	14,5	70,5	12,0	64,8	55,6	15,6	68,6
	77,2	68,0	17,0	69,1	28,4	65,3	55,6	15,6	68,6
	76,5	68,0	15,0	67,7	27,4	65,3	55,6	15,6	68,6
Среднее значение	75,6	67,6	15,5	69,1	22,6	65,1	55,6	15,6	68,6

Литая электрошлаковая сталь 15Х2МФ
по такой важной характеристике, как стой-
кость против хрупких разрушений, прево-
сходит деформированную сталь 15Х2МФ
(рис. 310). Она отличается от деформиро-
ванной стали низким содержанием серы,
кислорода и неметаллических включений,
что способствует получению высоких слу-

жебных характеристик стали, следователь-
но, повышению долговечности и надежно-
сти изделий^

Высокопрочные стали. При ЭШЛ не
только снижается общее количество неме-
таллических включений в литой стали и
дробятся крупные включения, но и проис-
ходит равномерное распределение в метал-
Металл

Всего

Оксиды

0,0092

ЭШЛ

0,3

0,2

0,1

ЭШЛ

0,0057

21,5

18,5

10,0

2,0

1,0

Прокат обыч-
ной выплавки

19,7

22,4

21,8

21,8

27,9

10,0

10,0

12,0

28,4

14,1

10,0

8,0

0,9

0,5

Суль-
фиды

22,1

30,6

21,1

19,3

19,4

10,8

Таблица 345. Влияние добавок РЗМ иа пока-
затели ударной вязкости литой электрошлаковой
стали 15Х2МФ

ЭШЛ с добавками
РЗМ, %

10,0

8,9

10,7

10,9

12,6

Примечание. В числителе даны объемные про-
центы, в знаменателе — относительные.

а„ , кгс - м/см2

Исходный марте-
новский катаный

Таблица 346. Содержание неметаллических
включений в стали 20ХГС2Н катаной
(мартеновской) и литой (ЭШЛ), %

0,0255
73,5

0,0033
36,8

0,0347
100

0,0090
100

3

г»

с,

-40

-90

-ПО

8,2

лическои матрице отливки громадного ко-
личества мелкодисперсных включений. Эти
включения способствуют созданию более
или менее однородного напряженного со-
стояния в литой электрошлаковой стали.
Другими словами, последняя становится
как бы внутренне упрочненной.

Ниже приведены результаты оценки
выносливости литой электрошлаковой ста-
ли 20ХГС2Н, изделия из которой обычно
находятся в тяжелых условиях ударного
нагружения и повышенного абразивного
износа. При таких неблагоприятных усло-
виях эксплуатации возникновение в изде-
лиях концентраторов напряжения, напри-
мер зародившейся трещины, резко снижает
его долговечность. Оценивались также
влияние различных сред на выносливость

исходной и
же степень
различных

электрошлаковой стали, а так-
преимущества последней при
радиусах надреза испытывае-

мых образцов.

Из исходной стали мартеновской вы-
плавки методом ЭШЛ под флюсом систе-
мы СаРг—СаО—8Юг—АЬОз—МдО полу-
чали отливки. Этот флюс в значительной
степени повышает выносливость мало- и

среднелегированных сталей. Содержание
серы в металле снижается в 4,5 раза. Со-
держание остальных элементов практиче-
ски не изменяется и находится в пределах
требований технических условий.

В соответствии с результатами метал-
лографического анализа установлено, что
в исходной мартеновской стали неметалли-
ческие включения представлены в основ-
ном железомарганцевыми сульфидами, вы-
тянутыми в направлении деформации ме-
талла. Реже встречаются оксидные вклю-
чения корунда и алюмосиликатов разме-
ром до 10 мкм. В электрошлаковых отлив-
ках основные виды включений в металле
представлены алюмосиликатами и гло-
бул ям и кремнезема. Сульфиды встречают-
ся реже. Количественным анализом уста-
новлено (табл. 346), что в исходной мар-
теновской стали объемное содержание
сульфидов составляет 73,5 отн.%, окси-
дов — 26,5 отн. %. В отливках ЭШЛ содер-

1

4

•4

!

5

Рис. 310. Результаты ударных механических ис-
пытаний на изгиб:

1 — деформированный металл открытой выплавки: 2 —
литой электрошлаковый металл.
Таблица 347. Распределение неметаллических включений по размерным группам в стали
20ХГС2Н до и после ЭШЛ

Металл

Неметалли-
ческие вклю-
чения

Количество включений на 100 мм2 площади шлифа

В том числе по размерным группам, мкм

Всего	0.9—1,0	1,01—2.5	2,51—4,5	4,51—9,5	9,5

Мартенов- Оксиды
ский

Сульфиды

Всего

ЭШЛ	Оксиды

Сульфиды

Всего

2047
100,0
11388
100,0

13435
100,0

1482
100,0
923

100,0
2405

100,0

591
28,8
6390

56,1
6981

51,9

364
24,6

286

31,1

650
27,0

884
43,2
4108
36.1
4992
37,2

786
53,1
481
52,1
1267

52,7

520

25,4

767

67

1287

9,6

312

21,0

136

14,7

448

18,8

52
2,6
117

СО
169

1,2

20
1,3

20
2,1

40
1,7

6

0,1

6

0,1

Примечание. В числителе дано число включений, в знаменателе — относительный процент

Таблица 348. Механические показатели стали 20ХГС2Н до и после ЭШЛ

Направленна
вырезки об-
разца

о, . кгс/мм*

о. %

КГ • - м/см2

НВ. кгс/мм2

Осевое

Радиальное

152,5—159,5

156,0—158,0

150,0—157,0

155,5—155,6

11,0—11,6

12,0—12,2

10,2—10,8

15.4—15,6

50 0—54,8
60,1—61,0
43,2—46,5
55.6—62,1

8,8—9,65
ю,з—127Т

37—5,6

9,7—10,4

415

415

415

415

Ф, %

Примечание. В числителе даны свойства мартеновской стали, в знаменателе — металла ЭШЛ.

жание сульфидных включений в литом ме-
талле уменьшается в 8 раз, а оксидных —
в 1,5 раза.

Определение количества и распределе-
ния включений по размерным группам в
исследуемом металле показало, что более
95% всех включений в исходной и пере-
плавленной стали по размерам не превы-
шают 5 мкм (табл. 347). В металле отли-
вок количество сульфидов на 100 мм2 пло-
щади шлифа снизилось более чем в 10 раз,
оксидов — в 1,5 раза.

Сравнительная оценка служебных
свойств исходной стали 20ХГС2Н и литой
электрошлаковой стали 20ХГС2Н проводи-
лась путем определения их кратковремен-
ных механических свойств на образцах,

вырезанных из проката и отливок, а так-
же путем испытания соответствующих об-
разцов на усталостную прочность. Все об-
разцы подвергались стандартной термооб-
работке; закалке при 950 ° С и отпуску при
230° С с выдержкой 1,5 ч и последующим
охлаждением на воздухе. В табл. 348 при-
ведены данные сравнительных испытаний
механических свойств стали 20ХГС2Н до
и после ЭШЛ, из которых следует, что ме-
талл ЭШЛ обладает большим запасом
пластичности и более стабильными показа-
телями свойств. У литого электрошлаково-
го металла показатели ударной вязкости
выше, чем у мартеновского деформирован-
ного металла, особенно в продольном на-
правлении (более чем в 2 раза).
Я, мм

Рис. 311. Влияние радиуса надреза на долго-
вечность стали 20ХГС2Н в различных средах
при малоцикловой усталости:

7 —воздух; 2 — коррозионная среда; 3 — наводорожн-
ваюшая среда; светлые значки — исходный металл,
темные — металл ЭШЛ.

Сравнительному испытанию на мало-
цикловую усталость чистым пульсирую-
щим изгибом подвергались плоские образ-
цы толщиной 2,5 мм, вырезанные из отли-
вок в радиальном направлении. На образ-
цах производили надрезы радиусами 1,0,
0,5 и 0,1 мм. Средами, имитирующими ус-
ловия работы реальных изделий, служили
воздух, коррозионная среда (3%-ный вод-
ный раствор хлористого натрия) и наводо-
роживающая среда (3%-ный раствор хло-
ристого натрия с катодной поляризацией
при плотности катодного тока 5А/дм2).

Испытания образцов на малоцикловую
усталость проводились при. обеспечении
постоянного угла поворота обоих захватов
образца. При этом на гладком образце (ра-
диус надреза равен бесконечности) отме-
чалась деформация крайнего волокна
0,625%, что соответствовало напряжениям,
примерно равным пределу текучести иссле-
дуемой стали.

Во всех случаях испытаний на мало-
цикловую усталость образцов с различны-
ми радиусами надреза однозначно выяв-
ляются преимущества литой электрошла-
ковой стали, причем, как видно из рис. 311,
они тем больше, чем острее концентратор.
При малых радиусах надреза различие в
загрязненности металла в большей степени
сказывается на свойствах металла, чем
при испытании в различных средах.

Если выносливость гладких образцов
литой электрошлаковой стали выше, чем у
исходной, на 60—75%, то уменьшение ра-
диуса надреза резко повышает ее до 350—
400% (рис. 312). Влияние среды (рис. 313)
достигает максимума при испытании глад-
ких образцов, т. е. при большем времени
пребывания образцов в испытательных
средах, но тем не менее преимущество
электрошлаковой стали в коэффициенте
влияния среды также возрастает с умень-
шением радиуса надреза.

Влияние коррозионной среды (рис. 314)
пропорционально долговечности стали в
этой же среде, в то время как в наводоро-
живающей среде картина более сложная.

Обычно степень чувствительности ме-
талла к концентрации напряжений при ус-
талости оценивают эффективным коэффи-
циентом концентрации напряжений, рав-
ным отношению пределов выносливости,
или долговечности, гладких и надрезанных
образцов. Как видно из рис. 315, электро-
шлаковая литая сталь обладает намного
меньшей чувствительностью к концентра-
ции напряжений, чем исходная деформиро-

Рис. 312. Влияние среды на преимущество в
долговечности электрошлаковой литой стали
20ХГС2Н перед исходным катаным металлом
при испытании на малоцикловую усталость об-
разцов с равными радиусами надреза (рт —
коэффициент влияния технологии, обозначения
те же, что и на рис. 311).
ванная мартеновской выплавки. Способ-
ность металла ЭШЛ в результате более
высокой пластичности и вязкости гасить
пики напряжений обуславливает. его
преимущество по этому показателю. Обра-
щает на себя внимание общая параллель-
ность зависимостей, связывающих эффек-
тивный коэффициент концентрации напря-
жений ак с долговечностью различных по
загрязненности сталей в трех использован-
ных средах. Эти результаты свидетельству-
ют о наличии вполне определенной связы-
вающей указанные характеристики законо^
мерности, которая, к сожалению, еще мало
изучена.

Сопоставление данных испытаний с по-
казателями механических свойств и харак-
теристикой загрязненности металла иссле-
дуемой хромомарганцекремнистой дефор-
мированной стали открытой мартеновской
выплавки и литой ЭШЛ показывает не-
сомненное преимущество последней. Та-
кое преимущество стали ЭШЛ можно
объяснить прежде всего существенным

Рис. 313. Влияние радиуса надреза на долго-
вечность образцов стали 20ХГС2Н при испыта-
нии на малоцикловую усталость в различных
средах (₽с — коэффициент влияния среды):

1 — коррозионная среда. 2 — наводороживающая
среда; светлые значки — исходный металл, темные —
металл ЭШЛ.

уменьшением содержания оксидных вклю-
чений, особенно крупных (размером более
4,5 мкм). Улучшение показателей стали
ЭШЛ по сравнению с исходной по мало-
цикловой выносливости в активных жид-
ких средах, наблюдавшееся при испытани-
ях в воздухе, объясняется весьма значи-
тельным (более чем в 10 раз) снижением
в стали ЭШЛ содержания сульфидов —
неметаллических включений, оказывающих
в указанных средах наиболее опасное воз-
действие.

Электрошлаковые отливки прямоуголь-
ного сечения со сквозными и несквозными
отверстиями круглой или квадратной фор-
мы из стали 35ХНЗМА применяются для
изготовления машиностроительных дета-
лей. Недостатком применявшихся ранее
поковок прямоугольного сечения из метал-
ла открытой выплавки были низкие меха-
нические свойства в центре поковки из-за
имевшей место в слитке неизбежной зо-
нальной ликвации, сохранявшейся и в го-
товой детали. Поэтому практически не
удавалось обеспечить стабильные свой-
ства * металла от заготовки к заготовке
(табл. 349).

* По данным Л. В. Чекотило.

Литой электрошлаковый металл полых
прямоугольных заготовок размером 600 X
X 550 X 900 мм из стали 35ХНЗМА прево-
сходит кованый в заготовках аналогичных
размеров по стабильности свойств, их изо-
тропности и соответствует требованиям
технических условий.

Рис. 314. Зависимость коэффициента влияния
среды от числа циклов до разрушения при ис-
пытании образцов с разными радиусами над-
реза (обозначения те же, что на рис. 313).
Участок ч|*к1|>щл11кптнх<> лнтья штаыпоя

Таблица 349. Механические свойства полых электрошлаковых отливок из стали 35ХНЗМА

Направление вы- резки образцов	°0,2» кгс/мм2	ов» кгс/мм2	0. %	4’. %	ан, кгс-м/см2	
					20° С	—40° С
Осевое	100,5—104,0	111,0—112,5	14,0—16,0	52,0—60,5	6,6—7,4	6,6—6,6
	102,8	111,6	15,0	55,3	6,8	6,6
Радиальное	101,5—103,0	111,5—111,6	15,0—15,0	55,0—58,0	6,1—6,7	6,4—6,6
•	102,3	111,6	15,0	56,5	6,4	6,5
Под углом к	99,5—102,5	109,5—111,5	14,0—15,0	53,0—56,0	7,1—7,4	6,6—6,6
оси отливки	101,0	110,5	14,5	54,0	7,2	6,6
Требования ТУ	—	—	—	>25,0	>3,5	>2,0

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние.

При исследовании литой электрошлако-
вой стали 38ХНЗМФА * установлено, что
содержание серы в металле не превышает
0,005—0,007%, содержание углерода, мар-
ганца, хрома, никеля, молибдена и вана-
дия практически не изменяется. Угар крем-
ния находится в пределах 30—50%.

Неметаллические включения в литой
электрошлаковой стали 38ХНЗМФА состоят
из точечных оксидов (максимальный балл
1,0, ГОСТ 1778—70), силикатов недеформи-
руемых (максимальный балл 2,0, ГОСТ
1778—70) и сульфидов (максимальный
балл 1,0). Механические свойства этой
стали приведены в табл. 350.

Представляют также интерес свойства
стали 38ХНЗМФА в термически обработан-
ных отливках сечением 400 X 400 мм, име-
ющих в центре сквозное отверстие диамет-
ром 80 мм (табл. 351).

Исследование [9] и сравнительные испы-
тания электрошлаковой 11%-ной хромис-
той жаропрочной стали (сталь ЭИ961) в
литом виде (слиток диаметром 425 мм и
массой до 2 т) и после различного укова
показали (табл. 352), что даже в таком
крупном сечении литой электрошлаковый
металл нисколько не уступает деформи-
рованному.

Высоколегированные стали. Металл
электрошлаковых отливок из высоколеги-
рованных сталей и сплавов, как правило,
соответствует требованиям, предъявляе-
мым к поковкам из такого металла. Хи-
мический состав отливок практически ос-

* По данным В. А. Тетюева и П. И. Тюрикова.

тается без изменений по сравнению с хи-
мическим составом расходуемых электро-
дов, за исключением легкоокисляющихся
элементов, например кремния и особенно
титана, содержание которых может замет-
но снижаться. Однако применение специ-
альных мер позволяет сохранить их содер-
жание в пределах требований к химиче-
скому составу.

Рис. 315. Зависимость между коэффициентом
концентрации напряжений <хк = л'г.пад/лнадр
и числом циклов до разрушения при испытании
образцов с разными радиусами надреза:

1 — воздух; 2 — коррозионная среда; 3— наводорожи-
вающая среда; светлые значки •— исходный металл;
темные — металл ЭШЛ.

15 + 74 2426
Таблица 350. Механические свойства термически обработанной в темплетах литой электрошлаковой
стали 38ХНЗМФА в сечении 400x 400 мм

Направление вырезки темплетов	Место вы- резки темплетов	Место отбора пробы из темплета	°0,2’ кгс/мм2	°в.  кгс/мм2	6, %	м>. %	ан> кгс«м/см2	
							20° С	—40' С
Поперечное	Верх	Периферия	115,0	122,0	10,0	38,0	4,8		
		2/3 7?	112,0	121,5	11,0	36,0	4,9	—
		1/3 7?	111,5	121,0	9,0	33,5	4,7	—
		Центр	114,0	121,5	9,0	19,5	4,9	—
»	Низ	Периферия	114,0	121,0	10,0	38,5	5,4	4,7
		2/3 7?	113,0	121,0	11,0	38,0	5,3	4,3
		1/3 7?	112,5	121,0	11,0	36,0	5,4	4,3
		Центр	112,0	122,0	10,0	28,0	5,2	4,1
Продольное	Верх	Периферия	120,5	128,5	14,0	48,0	3,9	3,2
		2/3 /?	120,0	128,5	11,0	40,0	3,8	3,2
		1/3 7?	120,5	127,0	9,0	31,0	4,1	3,1
		Центр	120,5	127,0	11,0	35,0	4,6	3,6
»	Низ	Периферия	122,0	128,5	12,5	46,5	4,0	3,3
		2/3 7?	120,5	128,0	12,0	42,0	4,2	2,8
		1/3 7?	118,0	126,5	10,0	29,0	4,2	3,0
		Центр	121,0	127,0	10,0	26,0	4,2	3,0
Требования 1	У		—	—	—	>20,0	>3,0	>2,0

Примечание. Н — радиус вписанной в квадратное сечение слитка окружности. Ударная вязкость опре-
делялась на образцах Шарли.

Таблица 351. Механические свойства термически обработанных литых электрошлаковых отливок
с отверстиями из стали 38ХНЗМФА

Направление вырезки образцов	Место отбора пробы	Ф. %	аа, кгс.м/см2	
			20° С	—40' с
Поперечное (параллель-	Зона отверстия	25,0	5,5	2,6
но грани отливки)		42,5	6,1	4,0
	Середина стенки	38,5	5,1	3,9
		39,0	4,1	3,1
	Наружная поверхность	31,5	3,6	4,3
		33,0	5,3	4,0
Поперечное(перпендику-	Зона отверстия	37,0	5,1	4,6
лярно диагонали отливки)		—	5,3	4,2
	Середина стенки	42,0	5,3	4,8
		36,5	5,7	4,5
	Наружная поверхность	38,5	4,7	4,0
		33,5	4,3	4,4
Продольное	Зона отверстия	49,5	6,5	2.7
		37,0	5,1	5,5
	Середина стенки	44,0	5,7	3,5
		47,5	4,7	3,4
	Наружная поверхность	51,5	6,0	4,4
		37,5	5.6	4,4
Требования ТУ		>25,0	>3,5	>2,0

Примечание. Ударную вязкость определяли на образцах Шарли.
Таблица 352. Механические свойства стали ЭИ961 ЭШП

Поперечное се- чение или диаметр 'заготовки, мм	Степень укова	°в, кгс/мм2	°0,2' кгс/мм2	б, %	Ф. %	А	ан, кгс • м/см2	В	А 4- В  2
425	Нет (литой	120,0	97,5	16.0	65,0	1,03	12,50	1,03	1,03
	металл)	123,0	102,0	15,0	63,0		12,20		
250X250	2,16	128,5	106,0	15,5	67,0	1,14	12,10	1,33	1,23
		131,5	107,0	13,5	58,5		9,10		
150X150	6,0	125,0	99,0	16,0	67,0	1,17	12,10	1,22	1,20
		121,0	98,0	14,5	57,5		9,55		
90X90	16,7	121,0	100,0	15,0	67,5	1,14	14,45	1,54	1,34
		119,5	98,5	16,5	59,0		9,40		

Примечания: 1. Ди В — отношение относительного сужения и ударной вязкости продольных образцов к
А ~} - В

тем же показателям поперечных, —----коэффициент анизотропии. 2. В числителе—продольные образ цы, в знаме-

нателе — поперечные.

Таблица 353. Химический состав отливок из электрошлаковой стали 0Х18Н10Т, %

Место отбора пробы	с	Мп	81	8	р	Сг	Т1	№
Верх	0,06	1,28	0,44	0,005	0,026	17,36	0,42	10,17
Середина	0,06	1,26	0,46	0,005	0,028	17,41	0,39	10,00
Низ	0,06	1,24	0,48	0,005	0,025	17,07	0,31	9,60
Верх	0,06	1,34	0,45	0,003	0,017	17,63	0,35	10,07
Середина	0,06	1,34	0,47	0,004	0,017	17,50	0,35	10,17
Низ	0,06	1,33	0,39	0,004	0,017	17,32	0,35	9,42
Ковшовая проба (ис- ходный металл от- крытой выплавки)	0,08	1,16	0,45	0,007	0,029	17,60	0,50	1Д0
Требования ГОСТ 5632-61	0,08	1,0—2,0	0,80	0,020	0,035	17,0—19,0	5С—0,60	9,0—11,0

Таблица 354. Механические свойства электрошлаковых отливок из стали 0Х18Н10Т при
различных температурах испытания

Т, °с	ов, кгс/мм2	°0 2’ КГС/ММ2	б. %	Ф. %	аНф кгс-м/см2
20	48,0	21,0	55,0	50,0	20,0
	48,0	21,0	44,0	78,0	28,8
	50,0	21,5	68,0	65,0	21,3
	49,0	24,5	48,0	68,0	20,0
Требования ТУ	>46,0	>20,0	>40,0	—	—
350	33,0	16,0	18,5	53,0	18,8
	36,0	17,0	26,5	55,0	25,0
	35,5	17,0	29,0	63,0	20,0
	34,0	16.0	38,0	57,0	22,5
Требования ТУ	>32,0	>16,0	>20,0	—	—

15+'Д'
Рассмотрим основные свойства * литой
электрошлаковой стали 0Х18Н10Т, из ко-
торой отливают корпуса энергетической
арматуры. Химический состав типичных
плавок представлен в табл. 353.

Типичные механические свойства отли-
вок из стали 0Х18Н10Т приведены в
табл. 354. Отливки подвергались аустени-
тизации при температуре 1050—1100° С и
охлаждались на воздухе.

Металл отливок плотный, без каких-ли-
бо дефектов. Он имеет двухфазную струк-
туру, которая состоит из аустенита и фер-
рита. Последний расположен по границам
зерен. Его содержание в отливке состав-
ляет 1,2—1,4%, а-фаза равномерно распре-
делена по всему объему отливок.

Металл термически обработанных кор-
пусов запорной арматуры не склонен к
межкристаллитной коррозии.

Интересны данные, полученные
А. Д. Чепурным и В. Я. Саенко по иссле-
дованию литой электрошлаковой стали
12Х18Н10Т, из которой методом ЭШЛ из-
готовляются толстостенные сосуды высо-
кого давления для криогенной техники.

Одним из важных условий достижения
требуемых служебных свойств этой стали
в литом виде после ЭШЛ является сохра-
нение в ней необходимой концентрации ти-
тана, который играет роль стабилизатора,
предотвращая склонность стали к меж-
кристаллической коррозии. Обычно содер-
жание титана в стали 12+18Н10Т находит-
ся в пределах 0,4—0,8%.

Дозированный ввод алюминия и ферро-
титана ТИ-В1 (0,1% С; 70,0% Т1; 5,27% 81;
2,88% А1; 0,06 8, 0,060% Р; 0,04 8п;
0,5% Мо; 0,7% V; остальное—Ее) в про-
цессе ЭШЛ позволяет сохранить требуе-
мое количество титана в литой электро-
шлаковой стали.

Исследования проводили на цилиндри-
ческих отливках сплошного сечения диа-
метром 140—310 мм и высотой до
420 мм.

Для раскисления флюса в ряде случаев
использовали алюминий в количестве
2,8—3,2 кг/т. Кроме того, в некоторых слу-
чаях вводили ТЮг в количестве до 10%.
Как уже было отмечено, в процессе ЭШЛ

* По данным В. И. Рабиновича, Ю. Н. Кригера.

проводили долегирование металла отлив-
ки титаном путем ввода с помощью доза-
торов ферротитана марок ТИ-В1 и ТИ-2,
который предварительно измельчался до
фракции 3—5 мм.

Для механических испытаний литой
электрошлаковой стали 12Х18Н10Т тем-
пл еты вырезали из средней (по высоте)
части цилиндрических отливок сплошного
сечения. Прочностные характеристики ме-
ханических свойств определяли при испы-
тании на растяжение при температуре
20° С, а ударную вязкость—при темпера-
туре 20° С и температуре кипения жидкого
азота (—196° С) для чего образцы из
темплетов вырезали по отношению к от-
ливкам в продольной, радиальном и тан-
генциальном направлениях.

Макро- и микроисследования литой
электрошлаковой стали свидетельствуют
о плотной бездефектной структуре отли-
вок. Полностью отсутствует ликвация се-
ры. На всех продольных темплетах отме-
чалась четко выраженная зона столбчатых
кристаллов, расположенных под углом к
боковой поверхности отливок. Микро-
структура металла отливок преимуще-
ственно двухфазная: аустенит + а-фаза.
В зависимости от химического состава
(прежде всего содержания титана) коли-
чество ферритной составляющей колебле-
тся в металле от 2,5 до 7%.

Незначительное количество неметалли-
ческих включений типа карбонитриодов в
литой электрошлаковой стали 12Х18Н10Т
в соответствии с ГОСТ 1772—70 оценива-
ется в 1 балл.

Твердость металла отливок в различ-
ных местах по сечению характеризуется
стабильностью. Ее значение находится в
пределах 143—156 НВ.

Механические свойства литой электро-
шлаковой стали 12Х18Н10Т определяли
после термообработки стали по режиму:
нагрев до 1100°С, охлаждение на воздухе,
нагрев до 1070° С и закалка в воду для
отливок сплошного сечения. При этом по-
лучены следующие значения: Ов = 5()4-
53,5 кгс/мм2; сц = 26 4- 28 кгс/мм2; 6 =
= 50 4-54%; ян при температуре—196°С
8,6—10,2 кгс . м/см2.

Литая электрошлаковая азотсодержа-
щая сталь 0Х18Н5Г12АБ сохраняет азот в
Таблица 355. Химический состав исходной обычной выплавки и литой электрошлаковой стали
0Х18К5Г12АБ, %

Металл	81	8	ЫЬ	V	ГМ	А1
Исходный	0,34	0,008	1,00	0,38	0,49	0,041
	—	0,002	0,99	0,36	0,48	—
ЭШЛ	0,17	0,003	0,98	0,37	0,49	0,053
			0,002	0,99	0,34	0,48	—
	—	0,002	0,98	0,35	0,47	0,048
			0,003	0,99	0,34	0,46	—
	0,15	0,002	0,98	0,35	0,47	0,048
			0,003	0,99	0,34	0,46	—
			0,002	0,98	0,37	0,46	—
	0.16	0,003	0,99	0,35	0.46	0,048
			0,002	0,99	0,36	0,45	—
		0,005	1,00	0,36	0,46	—
	0,27	0,005	0,99	0,35	0,46	0,051
			0,005	0,98	0,35	0,45	—
			0,003	0,99	0,38	0,48	—
	0,17	0,003	0,98	0,37	0,47	0,035
	—	0,002	1,0	0,36	0,47	—
			0,003	1,0	0,35	0,47	—
	0,17	0,003	1,0	034	0,45	0,046
			0,003	0,98	0,36	0.45	—
			0,005	1,00	0,36	0,47	—
	0,26	0,005	0,98	0,34	0,48	0.05
		0,005	0.99	0.35	0.46	—

( Таблица 356. Содержание газов и неметаллических включений в исходной литой обычной
выплавки и литой электрошлаковой стали 0Х18Н5Г12АБ	____________________

Металл	Газы		Неметаллические включения, % -10 2			Оксиды И НИТПИДЫ, % • 10 2							
	5	( К ], см” на 100 г	Всего	В том числе		О  <5	О	О 0) [Ь	О д	СаО	о3«	Нитриды ниобия и ванадия	X <
				нит- риды	О х 2  О								
Исход- ный	66	7,7	48,26	46,31	1,95	0,32	0,11	0,59	0,73	0,070	1,30	46,0	0,31
ЭШЛ	33	6,3	26,07	25,28	0,79	0,09	0,40	0,18	0,05	0,006	0,06	25,0	0,23
	20	15 9	16,88	16,43	0,45	0,02	0,23	0,08	0,01	0,007	0,10	16,0	0,43
	30	10,0	16,02	15,33	0,69	0,10	0,42	0,08	0,02	0,018	0,05	15,0	0,33
	30	12,2	19,95	17,28	0,67	0,06	0,38	0,07	0,01	0,005	0,15	17,0	0,28
	37	17,5	15,78	14,94	0,84	0,13	0,51	0,10	0,03	0,008	0,07	14,5	0,44
	38	12.4	17,26	16,28	0,98	0,05	0,52	0,22	0.06	0,040	0,09	16,0	0,28

пределах, допустимых для данной стали
обычной выплавки *. Сравнительный хими-
ческий анализ исходной и переплавленной
стали приведен в табл. 355.

Содержание марганца, фосфора, хро-

* По данным В. И. Жалыбина, А. Е. Коваля,
А. П. Баранова. И. Б. Бутовского.

ма и никеля в литой электрошлаковой
стали по сравнению с исходной остается
практически неизменным. Концентрация
кремния снижается в 2, а серы — в
3 раза.

Содержание кислорода и неметалличе-
ских включений в электрошлаковой стали
уменьшилось более чем в 2 раза
Рис. 316. Зависимость пластичности литой стали
0Х18Н5Г12АБ от температуры (в каждой точке
средние данные испытания трех образцов):

4, 3. 4, 5, 7, 10. 13 — номера плавок под разными
флюсами; 20— исходный металл; 25— литой электро-
шлаковый металл в 4-тонной отливке.

Рис. 317. Зависимость твердости (а) и проч-
ности на изгиб (б) стали Р6М5 от температуры
закалки (3-кратный отпуск при 560° С по 1 ч):
1 — исходная сталь; 2 — литая электрошлаковая сталь;
3 — литая электрошлаковая сталь, легированная
0.048% Ы.

Рис. 318. Зависимость твердости стали Р6М5
от температуры дополнительного 4-часового от-
пуска (после закалки с оптимальных темпера-
тур и 3-кратного отпуска при 560°С по 1 ч).
Условные обозначения те же, что на рис. 317.

(табл. 356). Общее содержание оксидных
включений в литой электрошлаковой стали
снизилось в 2, а нитридов в 3 раза по
сравнению с исходным металлом.

Оксидная составляющая изменяется в
связи со снижением содержания кремне-
зема, окислов железа и хрома при значи-
тельном увеличении концентрации глинозе-
ма. Уменьшение нитридной составляющей
связано со снижением содержания нитри-
дов ниобия и ванадия при неизменном со-
держании нитридов алюминия.

В литом металле обычной выплавки,
разливаемом в изложницы, неметалличе-
ские включения образуют сплошную сет-
ку из эвтектических колоний, встречаются
крупные глобулярные включения размером
до 100 мкм. В литом электрошлаковом ме-
талле эти включения имеют значительно
меньшие размеры и распределены более
равномерно.

По сравнению с исходной литой сталью
0Х18Н5Г12АБ у литой электрошлаковой
стали показатели пластичности в интерва-
ле температур 950—1350° С (рис. 316) в
2 раза выше и, следовательно, значительно
лучше горячая деформируемость.

Инструментальные стали. В результате
ЭШП инструментальных сталей существен-
но улучшаются их технологические и слу-
жебные свойства. Это позволяет в боль-
шинстве случаев говорить о возможности
использования этих сталей в литом виде
для изготовления инструмента. Испытания
инструмента [15] из литой электрошлако-
вой стали Р18, термически обработанной
Таблица 357. Свойства стали Р6М5 после
отжига при различных способах выплавки

Объект анализа	Содержание азота после закалки и 3- кратного от- пуска, %	НВ, кгс/мм2	р.  г/см8
Исходный ме-			
таил	0,0120	220	8,06
Литой электро-			
шлаковый ме-			
талл	0,0154	245	8,11
Литой электро-	0,0164	245	8,108
шлаковый ме-	0,0179	245	8,105
талл с азоти-	0,0190	245	8,105
рованием	0,0230	255	8,108
	0,0244	260	8,105
	0,0270	260	8,104
	0,0280	260	8 102
	0,0290	265	8,102
	0,0480	275	8,102

900 1000 1100 1200 1300	900 1000 1100

на твердость 63—64 НРС, показывают, что
он не уступает инструменту из проката.
Более того, при рациональном расположе-
нии главных осей дендритов его стойкость
можно повысить в 1,5—2,5 раза.

Легирование литой электрошлаковой
стали Р6М5 азотом в количестве 0,048% *
позволяет повысить температуру закалки
на 10—15 град и тем самым обеспечить
повышение твердости на 1—1,5 НРС. При
этом красностойкость (60 НРС) на 7 град
выше, чем у стали без азота, и на 25 град
выше, чем у исходной стали (рис. 317).

Изменение свойств стали Р6М5 в зави-
симости от температуры закалки представ-
лено на рис. 317 и в табл. 357.

Как видно из рис. 318, оптимальная
температура закалки для исходной и элек-

1200 1300	900 1000 1100 1200 1300 Т‘С

Рис. 319. Распределение ледебурита по высоте
и сечению отливок из обычной (а) и переплав-
ленной (б) стали Р18М:

1 — ннз; а — середина; 3 — верх.

Рис. 320. Технологическая пластичность литой
быстрорежущей стали различных методов вы-
плавки марок Р18 (а), Р12 (б), Р12Ф5М (в):
I — исходная сталь; 2— сталь ВДП; 3 — электрошла
новая сталь; 4 — сталь ЭЛП.

трошлаковой стали без азота составляет
1230° С. Дальнейшее повышение темпера-
туры закалки до 1260° С способствует до-
полнительному увеличению твердости при
снижении прочности на изгиб.

В литых электрошлаковых сталях типа
Р18М и Р12Ф5М (отливки диаметром
250—300 мм) * отсутствуют ликвационные

* По данным В. В. Степанова, А. В. Мельничи-
хина, Б Е. Лопаева и В. П. Колесникова.

* По данным Р. Д. Мининзона и М. С. Вульфо-
вича
Таблица 358. Химический состав (%) и плотность (г/см3) исходных катаных обычной выплавки  Л1

Марка стали	Состояние стали	С	Мп	81	8	р	Сг	УМ	V
Р18М	Исходная	0,75	0,28	0,25	0,018	0,028	4,26	16,48	1,35
	Литая электрошлаковая	0,75	0,22	0,20	0,007	0,028	4,28	16.43	1,31
Р12Ф5М	Исходная	1,48	0,45	0,34	0,011	0,026	3,95	12,40	4,53
	Литая электрошлаковая	1,50	0,40	0,25	0,003	0,025	3,80	12,30	4,60

Таблица 359. Размеры участков ледебурита (мм) в зависимости от места их расположения
в исходной катаной обычной выплавки и литой электрошлаковой стали типа Р18М и Р12Ф5М

Марка стали	Состояние стали	Поверхность отливки			1/2 К			Центр		
		Низ	Сере- дина	Верх	Низ	Сере- дина	Верх	Низ	Сере- дииз	Верх
Р18М	Исходная	о,1	0,10	0,10	0,40	0,70	0,75	1,00	1,80	2,50
	Литая электрошлаковая	0,2	0,05	0,05	0,50	0,37	0,40	0.60	0,48	0,45
Р12Ф5М	Исходная	0,15	0,25	0,22	0,70	1,00	1,00	0,66	1,20	1,60
	Литая электрошлаковая	0,40	0,32	0,30	0.45	0,30	0.50	0,55	0,42	0,45

полосы и точки, характерные для отливки
открытой дуговой выплавки, макрострукту-
ра плотная и однородная.

Химический состав исходной и литой
электрошлаковой стали приведен в
табл. 358.

Результаты исследования микрострук-
туры литого металла на разных горизон-
тах по сечению от поверхности отливки к
центру, а также максимальный размер
участков ледебурита, которые характери-
зуют степень ее карбидной неоднородно-
сти, приведены в табл. 359 и на рис. 319.

Технологическая пластичность литой
быстрорежущей стали различных методов
выплавки (ВДП, ЭШП, ЭЛП) определяли
методом испытания на ударный изгиб об-
разцов без надреза в интервале темпера-
тур 900—1250° С (рис. 320). Видно, что
наибольшую пластичность имеет литой
электрошлаковый металл.

У литых электрошлаковых быстрорежу-
щих сталей, химический состав которых
приведен в табл. 360, отмечается повыше-
ние прочности и вязкости * * после закал-
ки и отпуска по сравнению с исходным ме-
таллом (табл. 361).

* По данным А. И. Боровко, В. К. Заболоцко-
го, О. Г. Велигуры и В. В. Соляника.

В табл. 362 приведен химический состав
некоторых вольфрамсодержащих быстро-
режущих сталей открытой выплавки и
после ЭШП *.

В литом электрошлаковом металле об-
разуется более тонкая сетка карбидов, чем
в слитках открытой выплавки. Благопри-
ятная форма карбидов и равномерное их
распределение в электрошлаковой стали
способствуют получению в ней более мел-
кого и равномерного зерна (табл. 363).
Литой электрошлаковый металл по срав-
нению с исходным литым открытой выплав-
ки имеет после закалки с отпуском более
высокие прочность и вязкость (табл.
364).

Модифицирование титаном (0,025—
0,30%) и церием (0,01—0,15%) литых элек-
трошлаковых быстрорежущих сталей **
позволяет улучшить их структуру и неко-
торые свойства по сравнению с исходным
металлом открытой выплавки (табл. 365).

Наиболее существенно модификаторы
влияют на прочность металла (табл. 366).
Прочность в литом состоянии повышается

** По данным Ю. А. Геллера, В. К. Заболоцко-
ко, О. Г. Велигуры и Р. А. Пилюшенко.

** Поданным Ю. А. 1еллера, ъ к. Заболоцко-
го, А. И. Боровко и О. Г. Велигуры.
литых электрошлаковых сталей типа Р18М и Р12Ф5М

Мо	Си	(О].1О-»	[ЫЫО—8	р
0,67	0,12	5,5	18,5	8,5583
0,67	0,12	3,4	20,0	8,6029
1,31	0,13	4,5	26,0	8,1872
1,27	0,14	3,5	25,0	8,2280

заметнее, чем в кованом. Это, видимо, свя-
зано с существенным улучшением литой
структуры вследствие применения модифи-
цирования. Следует отметить, что моди-
фицирование больше влияет на прочность,
чем на ударную вязкость.

Повышение служебных свойств инстру-
ментальной стали может быть также до-
стигнуто путем воздействия во время пе-
реплава расходуемых электродов и форми-
рования отливки магнитным переменным
полем, например реверсируемым магнит-
ным полем *, на кристаллизующийся ме-
талл. Это, видимо, в какой-то мере связа-
но с тем, что реверсирование магнитного
поля с оптимальной частотой (0,25—
0,5 Гц) приводит к снижению и стабилиза-
ции степени дендритной ликвации по се-
чению отливки, а также увеличению ско-
рости кристаллизации металла в централь-
ной ее зоне (табл. 367).

Валковая сталь. Литая электрошлако-
вая сталь 9Х применяется в валках для
станов холодной прокатки [7]. Серный от-
печаток с продольного сечения валка оце-
нивается 0,5 балла по шкале серных от-
печатков. Сера распределена равномерно
по всему сечению валка. В табл. 368 при-
ведены результаты анализа загрязненности
металла валка из стали 9Х неметалличес-
кими примесями. Как видно из таблицы,
в литом электрошлаковом металле содер-
жание сульфидов в 10 раз, а окси сульфидов
в 3 раза меньше, чем в слитке стали 9Х от-
крытой выплавки. У металла литого валка
отсутствуют скопления сульфидов и окси-
сульфидов, а характерные размеры вклю-
чений в поперечнике для сульфидов
составляют 2,2—4,5 мкм, оксисульфи-

* По данным О. С. Якушева, С. П. Бакумен-
ко, В. И. Потанова и др.

Таблица 360. Химический состав исходных
катаных открытой выплавки и литых
электрошлаковых быстрорежущих сталей, %

Марка стали	С	XV	Сг	V	Мо	8
Р18	0,80	17,8	3,72	1.11	0,40	0.030
	0,80	18,70	3,80	1.22	0,40	0,022
Р12	0.83	12,9	3,49	1.67	—	0,031
	0,84	13,60	3,60	1,80		0.021
Р12ФЗ	0,99	13,54	3.73	2,73	1,02	0,028
	0,99	13,30	3.78	2,55	1,10	0,025
Р9	0,90	10,11	4.40	2,50	—	0,024
	0,91	10,03	4.39	2,22		0.021
Р9Ф5	1,48	11,33	4.32	4,14	0,51	0,025
	1,41	11.24	4,14	4,05	0,62	0,015
Р6МЗ	0,88	6,66	3,65	2.69	3.77	0,038
	0,86	6,37	3,60	2,43	3,41	0.023
Р6М5	0,86	6,25	3,81	2,12	5,72	0,020
	0,85	6,18	3,96	2.05	6,46	0,019
М8	0,94	—	4,11	1,94	8,21	0,030
	0,93		4,12	1,87	8,23	0,025

Примечание. В числителе приведены данные
для исходного металла, в знаменателе — для литого
электрошлакового

дов — 3,5—6,2 мкм и силикатов — 2,2—
3,5 мкм.

Сравнение механических свойств литого
электрошлакового валка и кованого валка
из стали открытой выплавки приведено
в табл. 369.

Штамповые стали. Штамповый инстру-
мент, изготовленный из литых электрошла-
ковых штамповых сталей, как правило,
имеет более высокую стойкость по сравне-
нию с инструментом, полученным из поко-
вок металла открытой выплавки [1, 10, 22].
Металл отливок плотный с изотропными
свойствами по всем сечениям. В них от-
сутствуют ликвационные дефекты. Запас
пластичности электрошлакового металла
достаточно высок. Кроме того, литой элек-
трошлаковый металл обладает таким за-
мечательным свойством, как большая по
сравнению с обычным металлом сопротив-
ляемость развитию трещины. В работе [22]
отмечается, что этой важной характерис-
тикой обладают литые штампы. Они име-
ют большую сопротивляемость развитию
трещин, чем штампы, изготовленные из ко-
ваного металла. В работах [1, 3, 10, 17,
Таблица 361. Сравнение свойств исходных катаных обычной выплавки и литых электрошлаковых
быстрорежущих сталей

Марка стали	Твердость после отпуска, НИС	Красностой- кость, °С	ои, кгс/мм2	Повышение аи после ЭШП, %	аб.н кгс-м/см2	Повышение аб.п после ЭШП» %
Р18	63,5—64,5	613—617	78—89	12—28	0,3—0,5	20—33
Р12	64,5—65,5  64,0—65,5	626—630  621—629	100—100 92—97	27—31	0,4—0,6  0,4—0,5	25—30
Р12ФЗ	64,5—65,5  64,5—65,0	637—641  625—637	120—123 81—86	14—17	0,5—0,65 0,3—0,4	13—17
Р9	65,0—65,1  63,5—64,6	633—640  620—627	95—98  91—103	15—21	0,35—0.45  0,4—0,55	18—25
Р9Ф5	64,3—65,3  64,2—65,0	629—632  631—642	110—118  69—82	6—13	0,5—0,65  0,25—0,3	17—2
Р6МЗ	64,8—65,3  62,0—63,0	645—655  610—618	17—87  89—102	16—25	0,3—0,35 0,4—0,5	20—25
Р6М5	62,5—63,5  64,5—65,1	618—623  617—622	111—118  80—85	23—25	0.5—0,6 0,35—0,45	22—29
М8	65,5—65,8  64,0—65,0	635—640  619—621	100—105 86—97	27—37	0.45—0,55 0,3—0,4	13—33
	64,5—65,5	621—623	118—123		0,4—0,45	

Примечание. В числителе приведены данные для исходного металла, в знаменателе — для металла ЭШЛ.
а б. и — ударная вязкость, определяемая для образцов без надреза.

Таблица 362. Химический состав исходных катаных обычной выплавки и литых электрошлаковых
сталей, %

Марка стали	С	XV	Сг	V	Мо	Со	8
Р9К5	1,00	10,38	3,90	2,42	0,80	4,96	0,026
	0,99	10,36	3,87	2,42	0,55	4,94	0,014
Р10К5Ф5	1,49	11,72	4,08	4,53	0,80	5,70	0,029
	1,49	11,70	4,06	4,52	0,57	6,67	0,014
Р8МЗК6С	1,06	8,64	3,28	1,20	3,82	5,48	0,032
	1,05	8,62	3,27	1,20	3,81	5,46	0,014

Примечание. В числителе приведены данные для исходного металла, в знаменателе — для литого электро-
шлакового.

19] приводятся экспериментальные данные,
показывающие, что ЭШЛ штамповых ста-
лей повышает их стойкость. Это связывае-
тся с пониженной водородопроницаемостью
более плотного электрошлакового металла,
имеющего меньше дефектов. По данным
работы [1], пластичность и усталостная
выносливость переплавленной стали

4Х4М2ВФС (ДИ-22) значительно выше,
чем исходного металла.

Исследования качества электрошлако-
вых отливок из сталей 5ХНВ, 5ХВ2СТ,
4Х5МФС [19] свидетельствуют о том, что
эти отливки имеют плотную и однородную
микроструктуру. Содержание серы, кисло-
рода и оксидных включений снижается по
Таблица 363. Параметр карбидной решетки зерна в исходных катаных обычной выплавки и литых
электрошлаковых сталях, содержащих вольфрам, ванадий, кобальт

Марка стали	Параметр ре- шетки карби- да, МвС. А	Темпера- тура за- калки. ° С	Зерно, баллы	Марка стали	Параметр ре- шетки карби- да, МвС. А	Темпера- тура за- калки. ° С	Зерно, баллы
Р18	11,0338	1280	10,0	Р9Ф5	11,0235	1240	10,5
	11,0258		11,0		11,0144		10,5
Р12	11,0315	1260	10,0	М8	11,0383	1200	10,5
					11,0338  11,0178		11,0  10,5
	11,0229  11,0144	1240	10,5  10,0	Р9К5		1240	
Р9					11,0121		н,о
	11,0110		10,5	Р10Ф5К5	11,0121	1240	10,5
Р6МЗ	11,0258	1220	10,0		11,0087		11,0
	11,0235		10,5	Р8МЗК6С	11,01440	1200	11,0
Р6М5	11,0258	1240	10,5	Р18 обычная: замедленное	11,00087		11,5
	11,0235		10,5				
Р12ФЗ	11,0315	1260	10,0	охлаждение ускоренное охлаждение	11,0303	—	—
	11,0212		10,5		11,0258	—	—

Примечание. В числителе приведены данные для катаного металла, в знаменателе — для ЭШЛ.

Таблица 364. Сравнение свойств вольфрамосодержащих исходных (литых, обычной выплавки)
и литых электрошлаковых сталей

Марка стали	Твердость после отпуска. ИКС	Красностойкость. ° С	аи, кгс/мм2	<2И, КГС-М/СМ2
Р9К5	65,6—66,1	636—638	100—109	0,22—0,35
Р9К5 ЭШП	66,4—66,8	645—649	121—130	0,4—0,6
Р10Ф5К5	65,0—65,2	628—630	98—113	0,4—0,4
Р10Ф5К5 ЭШП	65,5—66,0	638—640	108—116	0,5—0,5
Р8МЗК6С	67,5—68,1	637—639	78—91	0,20—0,23
Р8МЗК6С ЭШП	68,4—68,5	647—648	92—109	0,33—0,50

сравнению с исходным металлом в 2 раза
(табл. 370).

Показатели для сравнения механиче-
ских свойств металла кованых штампов из
стали открытой выплавки и литых элек-
трошлаковых заготовок штампов приведе-
ны на рис. 321.

Результаты промышленных испытаний
литых электрошлаковых молотовых штам-

пов (табл. 371) показывают их преимуще-
ство по сравнению со штампами, изготов-
ленными по традиционной технологии ков-
кой.

В табл. 372 приведены рассчитанные по
формуле ,	а

1 / • прод	и прод.

Аан — 9 I ЯЬ 'а

\ тпопер.	н попер.

значения коэффициентов анизотропии.
Таблица 365. Химический состав быстрорежущих сталей, подвергнутых модифицированию
в процессе электрошлаковой выплавки, %

Марка стали	Модифи- катор	С	XV	Сг	V	Мо	Со	8	Т1	Се
Р18	Т1	0,80	18,10	3,82	1,22	0,40		0,027	0,22	—
	Се	0,83	18,40	4,01	1,21	0,25	—	0,015	—	0,04
	Т1 + Се	0,82	19,50	4.37	1,22	0,23	-	0,015	0,08	0,04
Р12	Т1	0,83	13,30	3,54	1,75	0,30	—	0,021	0,35	—
	Т1 + Се	0,84	12,83	3,28	1,66	0.32	—	0,019	0,12	0,026
Р9	Т1	0,92	9,91	4,28	2,34	0,25	—	0,021	0,39	—
	Т1 + Се	0,95	9,87	4,04	2,16	0,27	—	0,019	0,13	0,020
Р12ФЗ	Т1 + Си	0,98	13,30	3,70	2,43	0,70		0,021	0,11	0,025
Р9Ф5	Т1 4- Се	1,42	10,43	4,06	4,12	0,53	—	0,020	0,09	0,026
Р6МЗ	Т1	0,86	6,78	3,60	2,36	3,47	—	0,028	0,42	—
	Т4 + Се	0,88	6,23	3,15	2,00	3,39	—	0,021	0,11	0,014
Р6М5	Т1 + Се	0,84	6,10	4,17	1,83	4,77	—	0,019	0,09	0,016
М8	Т1 + Се	0,88	—	3,98	1,87	7,82	—	0,019	0,13	0,022
Р9К5	Т1 + Се	1,02	11,26	4,13	2,54	0,66	5,47	0,020	0,07	0,027
Р10Ф5К5	Т1 + Се	1,51	11,70	4,24	4,68	0,63	5,56	0,020	0,09	0,031
Р8МЗК6С	Т1 +Се	1,02	8,12	3.40	1,22	3,81	5,79	0,021	0,12	0,039

Из табл. 372 следует, что литой элек-
трошлаковый металл обеих марок ста-
ли имеет более высокую степень изо-
трон-ности механических свойств при ука-
занных температурах испытаний по срав-
нению с кованым металлом открытой вы-
плавки.

В табл. 373 приведены данные испыта-
ния молотовых штампов, изготовленных из
кованого металла открытой выплавки и ли-
того электрошлакового металла. Как вид-
но из таблицы, при штамповке деталей,
имеющих сложную конфигурацию, литой
электрошлаковый штамп из стали 5ХВ2СТ,
отлитый с наложением реверсируемого
магнитного поля, имеет стойкость в 1,7 ра-
за выше, чем кованый штамп из стали
5ХНВ (в кованом виде обе стали откры-
той выплавки имеют практически одина-
ковую стойкость).

Несмотря на то что испытания, по дан-
ным О. С. Якушева (табл. 374), не выяви-
ли какой-либо разницы в ударной вязкости
литого электрошлакового металла с ори-
ентированной и дезориентированной вслед-
ствие наложения реверсируемого магнит-
ного поля структурой, служебные свой-
ства металла в изделиях оказались раз-
ными. Это можно проследить на примере
стали 5ХВ2СТ. Наложение реверсируемого
магнитного поля при выплавке штам-
пов из стали 5ХВ2СТ повышает цикли-
ческую ползучесть этой стали в услови-
ях, имитирующих работу штампового
инструмента горячего деформирования
(табл. 375 и 376).

По данным работы [17], литые электро-
шлаковые вкладыши из стали 4Х4МВФС,
используемые при литье под давлением де-
талей из латуни, имеют стойкость в 1,5 ра-
Таблица 366. Свойства литых электрошлаковых быстрорежущих сталей

Марка переплав- ленных сталей	Модифи- катор	Твердость после от- пуска, НКС	Красно- стойкость, °С	кгс/мм2	°б. н>  кгс • м/см2	р, Ом«мм2/м	Остаточный аустенит. %
Р18	—	64,5—65,5	626—630	100—100	0,4—0,6	0,739—0,757	28 9—29,2
	Т1	63,3—63,5	603—610	100—100	0,4—0.6	0,754—0,785	8,8—12,2
	Се	65,2—65,5	635—642	102—111	0,4—0.6	0,826—0,832	30,0—31.0
	Л + Се	65,0—65.5	633—641	119—126	0,4—0.6	0,819—0,824	22.5—23,8
Р12	—-	64,5—65.5	637—641	120—123	0,5—0,65	0,730—0,735	29,1—29,9
	Т1	63,1—64,2	623—629	118—122	0,5—0,65	0,750—0,756	16.2—17.3
	ТЦ-Се	64.5—65,5	638—633	156—102	0,55—0,65	0,845—0,850	23,0—26,0
Р9	—	64,3—65.3	629—632	110—118	0,5—0,65	0,722—0,725	26.0—28,2
	Т1	63,1—63,5	624—626	109—117	0,5—0,65	0,744—0,749	15,3—17,5
	Т1 + Се	64,5—65,6	630—635	150—167	0.5—0.65	0,800—0,805	32,0—34.0
Р12ФЗ	—	65,0—65,1	633—640	95—98	0,35—0,45	0,756—0,759	25,4—25,8
	Т1 + Се	65,0—65,2	635—642	139—159	0.4—0,5	0,792—0,798	23,0—23,0
Р9Ф5	—	64,8—65,3	645—655	77—87	0,3—0,35	0,770—0,75	33.9—35,9
	Т1 + Се	65,0—65,7	646—657	176—183	0,5—0.7	0,794—0,795	29,0—32,0
Р6МЗ	—-	62.0—63,5	618—623	111—118	0,5—0,6	0.715—0,716	15,2—17,2
	Т1	60,5—61,3	570—576	110—117	0.5—0,6	0,730—0,735	7,1—9,4
	Т1 + Се	63.8—64,8	622—627	134—147	0.5—0.6	0.802—0,805	16,0—20,0
Р6М5	—	65,5—65.8	635—640	100—105	0.45—0.55	0,752—0,754	28,5—30,0
	Т1 + Се	65,8—65,9	637—642	135—143	0,5—0,65	0,787—0,790	29,0—29,0
М8	—	64,5—65,5	621—623	118—123	0,4—0,45	0,760—0,766	24,7—25,5
4	Т1 + Се	Не	опр.	154—197	0.8—0,8	0,770—0,781	11,0—13,0
Р9К5	—	66,4—66,8	645—649	121—130	0,4—0,6	0,800—0,805	29,0—31,0
	Т1+ Се	66,5—66,8	647—650	149—156	0,4—0,6	0,841—0,845	24,0—24,0
Р10Ф5К5		65,5—66,0	638—640	108—110	0,5—0,5	0,850—0,861	29,0—29,3
	Т1 +Се	67,0—66,5	640—645	167—204	0,7—0,9	0,862—0,879	28,0—28,0
Р8МЗК6С		68.4—68,4	647—648	92—109	0,33—0.35	0,793—0,804	44,8—47,6
	Т1 + Се	68,5—68,6	648—658	140—149	0,45—0,46	0,811—0,818	33,0—33,0
Таблица 367. Оценка дендритной ликвации и расстояния между дендритными осями 1-го и
2-го порядков в литой электрошлаковой стали 30ХН2МФА

Вариант ЭШП	Частота реверси- рования, Гц	м				Расстояние между осями, мм			
		К о «я в =§.= га Щ ф К •& гг	на 1/2 П	в центре сечения	среднее	1-Й порядок		2-й порядок	
						на пе- рифе- рии	= 0?	В а;	ь к  ф ф  Д Си
Обычный			46,5	71,3	91,3	69,6	0,16	0,20	0,112	0,108
С наложением реверсируемо- го магнитного поля	0,25	71,3	63,6	69,9	68,2	0,21	0,23	0,097	0,098

Примечание. М — степень дендритной ликвации, М=----—----- 100%, где Ммо — твердость меж*

осных участков; Мо — твердость осей дендритов.

за выше, чем кованые вкладыши из той же
марки стали, но открытой выплавки, и в
2 раза выше, чем кованые вкладыши из
обычной штамповой стали ЗХ2В8Ф.
В табл. 376 приведены данные испытания
вкладышей в промышленных условиях.

Электрошлаковый переплав существен-
но не повышает прочности литых штампо-
вых сталей (см. рис. 321). На примере
стали 5ХНВ видно, что литой электрошла-
ковый металл при комнатной температуре
испытаний даже уступает кованому элек-
тропечному металлу открытой выплавки
по показателям пластичности и вязкости
(продольные образцы) и имеет с ним оди-
наковые аналогичные показатели при ис-
пытании поперечных образцов. При рабо-
чей температуре 600° С все указанные
показатели практически одинаковы. Из
сравнения показателей прочности и плас-
тичности кованых электропечных сталей
5ХВ2СТ и 4Х5М.ФС и литых электрошла-
ковых сталей тек же марок видно, что по-
следние не только не уступают первым, но
и превосходят их, особенно при темпера-
туре 600° С.

Исследование штамповых сталей
4Х5МФС и ЗХЗМЗФ показало, что при
электрошлаковой выплавке под разными
флюсами химический состав их [3] остает-
ся практически одинаковым (табл. 377).

Из литого электрошлакового металла
указанных марок сталей изготавливаются
матрицы для прессов-автоматов и пуансо-
ны для горячековочных машин. В табл. 378
приведены режимы стандартной термооб-
работки, которой подвергался этот штам-

Таблица 368. Содержание неметаллических
включений в слитке открытой выплавки и в литом
электрошлаковом валке стали ЭХ, %

Объект анализа	Сульфи- ды	Оксисуль фиды	Оксиды
Слиток открытой выплавки Литой электро- шлаковый валок	0,8100  0,0830	0,0240  0,0081	0,0060  0,0082

повый инструмент. В табл. 379 приведены
результаты испытания матриц и пуансонов
в промышленных условиях.

Из электрошлаковых отливок стали
5ХНМ [8] изготовляются штампы для мо-
лотов с массой падающих частей 5 т и бо-
лее. Химический состав таких отливок при-
веден в табл. 380.

Средняя стойкость литых электрошла-
ковых штампов составила 4000 поковок,
тогда как кованые штампы из мартенов-
ского металла выдерживают в среднем
лишь 2500 поковок, т. е. стойкость литых
штампов из стали 5ХНМ повышается в
1,5 раза по сравнению с коваными.

Приведенные выше данные достаточно
убедительно свидетельствуют о высоких
служебных свойствах литого электрошла-
кового металла, соответствующих требо-
ваниям, предъявляемым к кованому ме-
таллу.

С каждым годом растет число изделий
ответственного назначения, для производ-
ства которых раньше применялись только
Таблица 369. Механические свойства литого электрошлакового и кованого валков из стали 9Х

Режим термообработки	°0,2- кгс/мм2	ав, кгс/мм2	о. %	Ф. %	°н>  кгс - м/см2
	Литой валок ЭШП				
Отжиг при 780—800° С,	65,0—67,5	81,0—85,5	16,0—21,0	37,5—39,1	3,7—5,0
закалка, отпуск при 700— 720° С	66,5	83,3	18	38,0	4,4
Кованый	валок из	стали открытой выплавки			
Отжиг при 780 — 800° С;	64,0—69,5	88,0—91,5	20,0—21,0	45,2—52,3	5,5—6,7
закалка, отпуск при 700— 720° С	66,1	89,1	20,0	49,6	6,2

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние.

поковки, а теперь применяется литой элек-
трошлаковый металл. Деформация литого
электрошлакового металла несущественно
влияет на его свойства. Электрошлаковый
металл нет необходимости подвергать зна-
чительной деформации.

Весьма удобны для применения литого
электрошлакового металла кроме перечис-
ленных выше изделия нестандартного сече-
ния, например, трубы энергетического сор-
тамента. У таких труб стенки толще, чем
у обычных. Металлургическая промыш-
ленность их практически не производит.
Потребность в них исчисляется всего не-
сколькими десятками тысяч тонн. Приме-
нение метода ЭШЛ для производства ука-
занных труб является наиболее эффектив-
ным решением.

Методом ЭШЛ целесообразно произво-
дить и такую продукцию, как специальные

Рис. 321. Механические свойства сталей 5ХНВ,
5ХВ2СТ, 4Х5МФС в поковках и электрошла-
ковых отливках:

1 — исходный деформированный металл, продольные
образцы, Т = 20° С; 2 — исходный деформированный
металл, продольные образцы, Т = 600° С; 3 — литой
электрошлаковый металл, продольные образцы, Т =
= 20° С; 4 — литой электрошлаковый металл, продоль-
ные образцы, Т — 600° С; штриховые линии — попе-
речные образцы.

Таблица 370. Содержание серы, кислорода
и окисных неметаллических включений в поковках
и электрошлаковых отливках, %

Марка стали	Сера	Кислород	Окисиые неметал- лические включе - нн я
5ХНВ	0,008	0,0030	0,0079
	0,004	0,0015	0,0039
5ХВ2СТ	0,008	0,0031	0,0080
	0,002	0,0019	0,0045
4Х5МФС	0,008	0,0065	——-
	0,005	0,0032	

Примечание. В числителе дано содержание эле-
мента в поковке, в знаменателе — после электрошлако-
вой отливки заготовки.

ВО

60

20
Таблица 371. Стойкость молотовых штампов (кованых открытой выплавки и литых
электрошлаковых) при штамповке различных деталей в промышленных условиях

Масса падаю- щих частей молота, т	Марка стали	Способ выплавки	Съем поковок со штампа, шт.	
			средний	общий
0,7	4Х5МФС	ЭД, кованый	10 000	10 000
	4Х5МФС	Литой электрошлаковый	9525	38 100
2	5ХНВ	ЭД, кованый	4023	36 207
	5ХНВ	Литой электрошлаковый	4486	40 374
	5ХВ2СТ	» »	7250	58 016
2	5ХНВ	ЭД, кованый	4104	28 728
	5ХНВ	Литой электрошлаковый	3790	33 410
	5ХВ2СТ	» »	4316	21 580
2	5ХНВ	ЭД, кованый	4068	16 272
	5ХВ2СТ	Литой электрошлаковый	5910	23 640
2	5ХНВ	ЭД, кованый	6000	24 000
	5ХВ2СТ	Литой электрошлаковый	9540	38 150
5	5ХВ2СТ	ЭД, кованый	1360	1360
	5ХВ2СТ	Литой электрошлаковый	1780	1780
	5ХВ2СТ	Литой электрошлаковый с гравюрой	3100	3100

Таблица 372. Сравнение значений коэффициентов анизотропии литых электрошлаковых сталей
5ХВ2СТ и 5ХНВ и кованой стали 5ХНВ открытой выплавки при различных температурах испытаний

Марка стали	Технология электрошлак о- вой выплавки	Кан					
		20° С			€00° С		
		Край слитка	1/4 шири- ны грабли от края слитка	Центр слитка	Край слитка	1/4 шири- ны грани от края слитка	Центр слитка
5ХВ	Стандартная	1,49	1,80	1,19	—			0,96
2СТШ	С наложением неревер- сируемого магнитного поля	0,99	0,88	1,00	0.94	0,89	1,00
	С присадками РЗМ	1,21	1,14	—	1,06	1,01	0,91
5ХНВШ	Стандартная	0,81	0,76	1,26	0,87	0,95	1,03
	С наложением нереверси- руемого магнитного поля	0.80	0,85	—	1,01	1.14	0,98
	С присадками РЗМ	—	—	—	0,99	1,16	1,20
5ХНВ	Открытая выплавка (ко- ваный металл)	—	1,80	—	—	1,53	—

профили (тавр, двутавр и др.) нестан-
дартного сечения, и в относительно неболь-
ших количествах.

Исследования качества литого металла
фасонного электрошлакового литья (на-
копление жидкого электрошлакового ме-
талла и заливка в литейную форму) пока-

зали, что он по своим механическим свой-
ствам превосходит при прочих равных ус-
ловиях обычный литой металл открытой
выплавки.

При литье в кокили с малым соотно-
шением высоты к сечению, когда могут
быть созданы благоприятные условия для
Таблица 373. Зависимость средней стойкости молотовых штампов, изготовленных из литой
электрошлаковой стали и кованой стали открытой выплавки, от технологии электрошлаковой
выплавки

Марка стали	Технология электрошлаковой выплавки	Конфигура- ция детали	Средн яя :тойкость  (количество отштампо-  ванных дета- лей), шт.
5ХВ2СТШ	Стандартная	Сложная	2740
	С наложением нереверсируемого магнитного поля	»	5850
	С наложением реверсируемого магнитного поля	»	/585
5ХНВ	Открытая выплавка (кованый металл)	»	4104
5ХВ2СТ111	Выплавка с присадками РЗМ	Простая	4530
5ХНВШ	» » »	»	4486
5ХНВ	Открытая выплавка (кованый металл)	»	4023

направленной кристаллизации металла,
удается получить такие же свойства, как
у поковок.

Ниже представлены (по данным
Ю. В. Орловского) показатели (средние
по испытанию не менее трех образцов)
для сравнения механических свойств отли-
вок из стали 18Х2Н4ВА, полученных обыч-
ным литьем в кокиль, литьем в кокиль ме-
тодом ФЭЛ, выплавкой в охлаждаемом
кристаллизаторе методом ЭШЛ, и требо-
ваниями технических условий на кованый
металл соответственно:

— 122,3; 120,7; 122,2 и 118,0 кгс/мм2;
о,- 103,5; 107,8; 109,7 и 90,0 кгс/мм2;
6 — 3,2; 11,3; 14,8 и 10,0%; яр— 15,1; 49,5;
52,7 и 45,0%; Он — 5,0; 10,1; 11,8 и
10 кгс-м/см2.

Таблица 374. Средняя стойкость кованых
вкладышей из штамповых сталей обычного
производства и в литом виде после ЭШП

Марка стали	Количество запрессовок	Средняя стой- кость, шт.
4Х4МВФС	13 330	13 130
(открытой вы-	14 300	
плавки)	11 800	
4Х4МВФСШ	19 820	21 830
(литая электро-	24 300	
шлаковая)	21 370	
ЗХ2В8Ф	11 000	11 320
(открытой вы-	10 850	
плавки)	12 100	

Примечание. Причина ныхода из строя всех вкла-
дышей — трещины разгара.

Если сравнивать качество заготовок
штамповых вставок из стали 4Х4В2МФС,
полученных методом обычного литья, ФЭЛ
или ковкой, получаются соответственно сле-
дующие данные (средние по испытанию не
менее трех образцов): ов— 177,1 175,0 и
177,0 кгс/мм2; сц—154,2; 158,3 и 160,4
кгс/мм2; 6—0,5 7,9 и 8,5%; Ч- — 5,7 22,9
и 21,0%; Он — 0,38 2,4 и 2,2 кгсм/см2.

Отливки штамповых вставок, получен-
ные методом ФЭЛ, по стойкости против
разгарных трещин превосходят кованые
в 1,5—1,7 раза. Аналогичные литые штам-
повые вставки из стали 4ХМФС (ФЭЛ) по
стойкости не уступают кованым.

Если накопленный жидкий электрошла-
ковый металл залить в кокиль центробеж-
ной машины, получаются отливки, свой-
ства которых не уступают качеству дефор-
мированного металла из аналогичных ста-
лей. Ниже представлены (по данным
Д. В. Лакомского) показатели (средние
по испытанию не менее трех образцов) для
сравнения механических свойств отливок
из электрошлаковых сталей и проката (со-
ответственно): для стали 38ХНЗМФА:
Он — 145,1 и 145,0 кгс/мм2; сц—140,2 и
137,9 кгс/мм2; 6 — 8,1 и 10,0%; ф — 34,7
и 34,1%; йн — 3,2 и 3,0 кгс-м/см2. Для ста-
ли 40Х: ов — 83,3 и 67,0 кгс/мм2; о8 — 75,2
и 55,2 кгс/мм2; б — 14,0 и 14,9%; Ф — 18,6
и 43,1%; йн —8,1 и 5,5 кгс-м/см2. Для ста-
ли 12ХНЗА: ов — 96,2 и 81,1 кгс/мм2; о5—
80,1 и 70,8 кгс/мм2; 6— 18,3 и 11,3%; ф—
67,0 и 55,8%; ав—15,8 и 9,1 кгс-м/см2.
Для стали 2X13: ов—81,2 и 80,2 кгс/мм2;
Таблица 375. Усредненные механические свойства литых электрошлаковых сталей 5ХВ2СТ и
5ХНВ и кованой стали 5ХНВ открытой выплавки при различных температурах испытаний

Марка стали	Вариант электро- шлаковой выплавки	20“ С					600° С			
		й  3  - V  СП и  О «	°0,2> кгс/мм!	% ‘9		2 о  2"  - о Я и  е «	3  3  и и О	-X® О'*  Ю	-э	ан- кгс-м/см2
5ХВ2СТШ	Стандартная	152,5	143,1	7,0	28,8	2,5	39,0	33,3	94,5	2,6
		153,3	145,1	6,5	21,4	2,2	52,3	31,0	90,3	2,9
	С наложением	148,2	138,7	6,1	22,4	2,1	54,8	26,3	85,5	2,7
	нереверсируемого магнитного поля	149,4	141,0	6,7	20,6	2,3	49,9	29,7	90,5	2,9
	С присадками РЗМ	151,3	142,0	6,9	26,8	2,4	49,0	28,6	91,5	3,0
		152,3	144,6	5,4	17.9	2,3	50,0	28,6	89,5	3,4
5ХНВШ	Стандартная	150,4	140,9	5,9	22,4	2,4	39,0	34,1	90,9	3,2
		150,0	136,1	5,8	24,2	2,9	37,2	38,9	91,4	3,6
	С наложением не-	149,2	140,7	6,5	22,9	2,4	38,0	36,6	91,3	3,3
	реверсируемого  магнитного поля	149,8	138,9	6,3	23,3	2,8	40,6	37,8	86,6	2,9
	С присадками РЗМ	145,7	136,6	6,5	25,3	—	37,7	27,6	91,2	3,5
		149,2	135,5	6,9	24,5	2,8	37,6	37,4	86,7	3,0
5ХНВ	Открытая выплав- ка (кованый ме- талл)	157,0	149,6	11,6	27,6	4,3	42,0	—	87,0	4,5
		147.9	138,0	8,7	27,3	2,3	38,7		86,0	2,2

Примечание. В числителе — результаты механических испытаний образцов, вырезанных вдоль оси слитка,
в знаменателе — поперек оси слитка.

о» — 63,4 и 61,5 кгс/мм2; 6—20,1 и 20,2%;
ф — 64,0 и 65,9%; ап — 14,6 и 12,1 кгс-м/см2.

Опыт применения литого электрошла-
кового металла убедительно свидетельству-
ет о том, что его использование в произ-
водстве изделий самого ответственного на-
значения будет стремительно расти.

§ 2. Электрошлаковые отливки
за рубежом

Электрошлаковое литье за рубежом полу-
чило пока довольно слабое развитие (ис-
ключение, пожалуй, составляет только Япо-
ния, где на фирме «Мицубиси хэви инда-
стри лтд» ведутся серьезные исследования
и разработки технологических схем ЭШЛ).
Поэтому данных о свойствах литого элек-
трошлакового металла за рубежом накоп-
лено мало. Кроме того, они, к сожалению,
не дают возможности составить полную
картину о свойствах той или иной марки
стали или сплава. Однако имеющиеся све-
дения свидетельствуют о высоком качестве
металла электрошлаковых отливок.

Марганцемолибденовая сталь типа
16Г2НМ (А8ТМА533, группа В). Эта
сталь широко применяется японской
промышленностью в атомном реакторо-
строении. Литая электрошлаковая сталь
16Г2НМ отличается чистотой по неметалт
лическим включениям, однородностью хи-
мического состава, изотропностью механи-
ческих и других свойств. В результате тер-
мообработки этой стали можно получить
бейнитную структуру и как следствие —

Таблица 376. Данные испытания литой
электрошлаковой стали 5ХВ2СТ на циклическую
ползучесть

Вариант ЭШП	Частота ре- версирова- ния, Гц	Число циклов до разру- шения
Обычный  С наложением ре- версируемого маг- нитного поля	0,25	516  876

Примечание. Режим и спытаний Гт|П *=» ?’тах=
= 20	500° С, а = 10 кгс/мм2.
Таблица 377. Химический состав заготовок штампов из сталей 4Х5МФС и ЗХЗМЗФ до и после
электрошлаковой выплавки, %

Сталь	с	51	Мп	Сг	Мо	V	5	р	А1
4Х5МФС: исходная	0,38	1,09	0,38	5,01	1,25	0,3	0,014	0,024	0,1
после ЭШЛ: флюс СаР2—А12Оа,	0,38	0,93	0,38	5,09	1,27	0,3	0,003	0,024	0.2
флюс СаР2—А12О3—8Ю2— СаО—М§0	0,38	0,96	0,37	5,26	1,27	0,3	0,004	0,021	0,06
ЗХЗМЗФ: исходная	0,38	0,40	0.40	3,2	2,8	0,5	0,020	0,024	0,1
после ЭШП: флюс СаР2—А12О3	0,32	0,37	0,40	3,2	2,8	0,5	0,008	0,024	0,2

Примечание. Во всех случаях содержание меди составляет 0,18.

Таблица 378. Режимы термообработки матриц

Марка стали	Закалка	1-й отпуск	2-й отпуск	Твердость, НРС
4Х5МФС  ЗХЗМЗФ	1050° С; 1,5 ч, вентилируемый воздух (до 150° С)  1090° С; 1,5 ч, масло до (150° С)	550“ С; 7 ч, воз- дух  590° С; 7 ч, воздух	550° С; 7 ч, воз- дух  620°—630° С; 4 ч, воздух	54  46—48

Таблица 379. Данные промышленных испытаний матриц и пуансонов из проката и ЭШЛ

Вид штампового инструмента		Номер перехо- да	Средняя стойкость матриц из проката (ко- личество штамповок)	Система флюса ЭШЛ	Стойкость литых матриц из металла ЭШЛ (коли- чество штам- повок)
Штамп для выдавливания клана-		1	800	СаР2—А12О3	1200—1800
на		2  2	1600  1600	СаР2—А12О3  СаР2—А12О5—8 Ю2— СаО—МрО	3000—5000  2000
Матрицы бур»	пресса-автомата «Хате-	—	20 000	СаР2—А12О3	50 000
Пуансон машины	горизонтально-ковочной	4	8000	СаР2—А12О3	16 000

Таблица 380. Данные химического анализа стали 5ХНМ до и после электрошлаковой
выплавки, %

Состояние стали	С	Мп	81	8	р	Сг		Мо	Си
Исходная (электрод) Отливка	0,50 0,50	0,58 0,55	0,28 0,20	0,018 0,008	0,012  0,012	0,76  0,76	1,55  1,55	0,20 0,20	0,15 0,15
Таблица 381. Химический состав литого электрошлакового металла и катаного листа
из марганцемолибдеиовой стали, %

Объект анализа	Номер пробы или место от- бора пробы	С	81	Мп	8	р	М1	Мо	Сг	Си	А1
Литой элек-	1	0,14	0,23	1,24	0,013	0,014	0,69		0.10	0.05	0,010
трошлако-	2	0,14	—	—	—	—	—	—	—	—	—
вый металл	3	0,14	0.25	1,28	—	—•	0,68	—	0,10	0,05	0,012
	4	0.14	—	—	—-	——		——	—				—
	5	0,14	0,23	1,24	0,009	0,014	0,68	0,56	0,10	0.05	0,015
	6	0,14	0,23	1,23	0,009	0,015	0,68	—			—	—
	7	0,14	0.23	1,24	0,010	0,017	0,68	—	—	—	—
	8	0,14	0,25	1,27	0,009	0,014	—	0,55	—	—	—
	9	0,14	—	—	—					—	—		.	—
	10	0,14	—	—	—						-					—
	11	0,14	0,23	1,28	0,009	0,014	—	0,55			—	—
	12	0,14	0,22	1,25	0,013	0,014	—	0,56	—	—	—
	13	0,14	0,24	1,24	0,012	0,014	0,68	0,55	—	—	—
	14	0,14	0,21	1,24	0,011	0,014	0,68	0,56	—	—	—
	15	0,14	0,24	1,26	0,010	0,015	0,67	0,56	—	—	—
Катаный лист (ме- талл откры-	Поверхность	0,20	0,30	1,31	0,014	0,011	0,58	0,54	0,11	0,12	0,023
той выплав-	Середина	0,20	0,30	1,27	0,015	0,010	0,57	0,52	0,11	0,12	0,023
кп)	Центр	0.18	0,30	1,27	0,015	0,010	0,57	0,52	0,11	0,12	0,023
Требования Л8МЕ		<0,25	0,13— 0,32	1,10—  1,55	<0,040	<0,035	0,37— 0,73	0,41 — 0,64	—	—	—

Таблица 382. Содержание неметаллических
включений в марганцемолибдеиовой стали

Объект анализа	Схема отбора пробы			Место отбора пробы	Количество неметалличе- ских включе- ний, %
Электро-				/	0,067—0,075
шлако- вая от- ливка	°2		/> /%7	2	0,071 0,054—0,079
			-/		0,066
Центро- бежно-				3	0,050—0,081
					
	°				0,065
литая				1	0,096—0,106
заготов-					
					0.101
ка		'40		2	0,083—0,112 ” 0,098
				3	0,071—0,079
Литье			1		
		„3			0.075
		о2  < о 1 у		1	0,096
				2	0,098
	°7			3	0,104
Катаный	\ °г			1	0,063
металл			д/	2	0,075
				3	0,075

Примечание. В числителе даны предельные значе-
ния, в знаменателе — средние-

высокую ударную вязкость. Химический
состав литого электрошлакового металла
этой стали приведен в табл. 381—383.

Литая электрошлаковая марганцемо-
либденовая сталь отличается меньшим ко-
личеством неметаллических включений,
чем обычный катаный, литой металл или
металл, полученный методом центробеж-
ного литья (табл. 382). Как следует из
табл. 383, где приведено содержание газов
и неметаллических включений в исходной
листовой стали и литом электрошлаковом
металле, литой металл отличается низким
содержанием газов и неметаллических
включений.

Неметаллические включения в литом
электрошлаковом металле имеют не ламе-
лярную, как преимущественно в исходном
катаном металле, а шаровидную форму.
Это, как известно, благоприятно сказывае-
тся на показателях механических свойств
и ударной вязкости. Сравнивая механиче-
ские свойства марганцемолибдеиовой ста-
ли типа 16Г2НМ в виде литого электро-
шлакового металла и листового проката
из вакуумированной стали открытой вы-
плавки одинаковой толщины, равной
Таблица 383. Содержание неметаллических включений и газов в исходном листовом и литом
электрошлаковом металле (марганцемолибденовая сталь)

Объект анализа	Схема отбора проб	Место отбо- ра пробы	Количество не-	Газы, %	
			металлических включений, %	Н	о
Электрошла-	о; ^>4	1	0,083	—	—
ковая отливка	«2	°7Т^	2	0,096	•—	—
	сП	1	3	0,092	0,0002—0,0003	0,005—0,007
		4	0,101	—	—
		5	0,103	—	—
		6	0,098	—	—
		7	0,108	—	—
Катаный лист	|1	1	0,129	0,0001—0,0003	0,004—0,008
(исходный ме-		2	0,125	—	—
талл)	Ь-°-М-1	3	0,146	—	—

200 мм. видим, что литой электрошлаковый
металл не уступает по механическим свой-
ствам прокату и соответствует требовани-
ям А8МЕ. Кроме того, он обладает высокой
стабильностью показателей этих свойств
(рис. 322). Исследования показали
(рис. 323), что литая электрошлаковая
марганцемолибденовая сталь имеет в лю-

Рис. 322. Механические свойства японской мар-
ганцемолибденовой стали типа 16Г2НМ в виде
литого электрошлакового металла и листового
проката из вакуумированной стали открытой
выплавки.

АЖ 8А553 Ст.В 01.1 (55.2 пнп)

с.,кгс/мм^

40

30

! а-^-е	8

Литой алытрошлаюбый ютом

Прокат

иатсриал

бом направлении большую ударную вяз-
кость (испытывали образцы Шарли с
У-образным надрезом) по сравнению с ва-
куумированным катаным металлом.

Об однородности литой электрошлако-
вой стали свидетельствуют данные испы-
тания образцов на ударную вязкость
(рис. 324), взятых на поверхности, 1/4 тол-
щины и в центре стенки отливки.

Литая электрошлаковая сталь типа
16Г2НМ имеет достаточно большую вели-
чину Юс (рис. 325), характеризующую со-
противление материала разрушению в ус-
ловиях минимального развития пластиче-
ских деформаций. Она отличается лучшей
свариваемостью по сравнению с деформи-
рованным металлом открытой выплавки,
что подтверждается более высокими пока-
зателями ударной вязкости в зоне термиче-
ского влияния на литом электрошлаковом
металле (рис. 326).

Химический состав металла, испытанно-
го на свариваемость, приведен в табл. 384.

В связи с тем, что переплав исходной
японской стали проводился под кислым
флюсом, в литом электрошлаковом метал-
ле содержание серы находится практиче-
ски на одном уровне.

Литой электрошлаковый металл, как
правило, имеет более высокую горячую
пластичность, чем металл открытой вы-
плавки, что немаловажно при прямой
штамповке изделий из него. Это хорошо
видно (см. рис. 83) на примере американ-
ской дисперсионно твердеющей хромони-
келеванадиевой стали 17/4/РН (0,05% С,
17,0% Сг, 4,25% №, 3,5% Си, 0,35% МЬ).
Таблица 384. Химический состав стали типа 16Г2НМ, %

Объект анализа	С	81	Мп	8	р		Мо
Литой электрошлаковый металл Прокат из стали открытой выплавки	0,14 0,17	0,17 0,28	1,24  1,42	0,010 0,008	0,019 0,010	0,59 0,70	0,57  0,52

Рис. 323. Ударная вязкость в зависимости от
направления вырезки образцов из марганцемо-
либденовой стали типа 16Г2НМ в виде литого
электрошлакового металла и проката из ваку-
умированной стали открытой выплавки.

Рис. 324. Ударная вязкость образцов, взятых на
поверхности, четверти и половине толщины, из
марганцемолибдеиовой стали типа 16Г2НМ в
виде литого электрошлакового металла и про-
ката из вакуумированной стали открытой вы-
плавки (обозначения Ь' и С см. на рис. 323).

Японское общество инженеров-сварщи-
ков зарегистрировало литую электрошла-
ковую нержавеющую сталь под индексом
ВФ8М [23]. На эту сталь в Японии созда-
ны специальные технические условия. Ее
химический состав приведен в табл. 385.

Сталь ВФ8М отличается более высокой
усталостной прочностью, чем аналогичные
стали в виде листового проката и центро-
бежнолитых отливок (рис. 327).

Для литой электрошлаковой стали ус-
тановлена техническими условиями номи-
нальная толщина в пределах 8—80 мм. Ре-
комендуется ' следующая термообработка:
нагрев до 1050—1150° С, выдержка 1—2 ч
на каждые 25 мм толщины, быстрое
охлаждение. Показатели прочности при
температуре 20° С : Ов 2г 50,0 кгс/мм2; ст. >
2= 22 кгс/мм2; 6 2г 35,0%; ф > 50,0%.

Требуемые значения предела текучести
в зависимости от температуры эксплуата-
ции приведены ниже:

7, °С	38	93	204	260	316

а5 , кгс/мм2	22,0	22,0	17,5	16,5	16,0

7, °С	343	371	399	477

о5 , кгс/мм2	15,0	15,0	14,5	14,0

Рекомендуемая температура эксплуата-
ции этой стали составляет 0—427° С.

В Японии производят электрошлаковые
отливки из сталей НК40 (0,4% С;
25% Сг; 20% М) и НК50 (0,5% С; 25% Сг;
20% ГД). Химический состав литого элек-
трошлакового металла по длине отливки
приведен на рис. 328. Как видно из диа-
граммы, химический состав очень равно-
мерен во всем исследуемом диапазоне.
Разброс данных о химическом составе
36 отливок из стали НК40, полученных
при использовании расходуемых электро-

дов различных плавок, приведен на
рис. 329.

У литого электрошлакового металла
(НК40) даже по данным пяти плавок не
обнаружено заметного колебания прочно-
Б

10

о

ООО 900	1000 1100	1200 1300 Т'

ММ?

300

200

100

0

-350 -300 -250 -200

Зюргю ршруишя, кгс-м
17 ‘

./4

13

12

11

10

-150 -100 -50

1550’0

515’0 20 Ч

—41---к

25с

-Т25090
30мин

в

1

Рис. 325. Температура перехода в хрупкое со-

стояние

16Г2НМ

марганцемолибденовой стали типа
в виде литого электрошлакового

металла (1) и проката из вакуумированной
стали открытой выплавки (2).

Рис. 326. Зависимость ударной вязкости (об-
разцы Шарли с У-образным надрезом) марган-
цемолибденовой стали от температуры нагрева
в зоне термического влияния (при —12°С):

1 — литая электрошлаковая сталь; 2 — листовой про-
кат открытой выплавки; 3 — требования А8МЕ; 4 —
максимальная температура нагрева.

сти по длине отливок. Результаты испы-
таний на разрыв образцов, вырезанных из
отливок в трех направлениях, свидетель-

§ 2. Электрошлаковые отливки за рубежом

ствуют об изотропности литого металла
(рис. 330).

Данные о пределе длительной прочно-
сти отливок из сталей НК40 и НК50, по-
лученные методом ЭШЛ, нанесенные на
кривую 1 Ларсона—Миллера, приведены на
рис. 331. Отливки из стали НК50 имеют
более высокий предел выносливости по
сравнению с отливками из стали НК40.

Электрошлаковые отливки из хромони-
келевых сталей типа НК40 и НК50 в мень-
шей степени подвержены науглерожива-
нию, чем отливки из этих сталей, полу-
ченные методом центробежного литья
(ЦБЛ) (рис. 332). Это важно, так как
стали НК40 и НК50 используются в аппа-
ратах по производству этилена. Отливки
из этих сталей также лучше противостоят
окислению (рис. 333).

Одним из объектов применения литого
электрошлакового металла является ре-
жущий инструмент. В табл. 386 приведен
химический состав распространенной в Ан-
глии быстрорежущей стали Т1 [20] в виде
расходуемого электрода и после электро-
шлакового литья. Как видно, в результате
ЭШП расходуемого электрода значительно
снижается содержание серы, а также в не-
значительной степени уменьшается содер-
жание кремния, что не отражается на слу-
жебных свойствах стали. Содержание ос-

г

5

л?

к
4

к



11

1?

таточных примесеи в

литой электрошлако-

вой стали Т1 также находится на доста-
точно низком уровне (табл. 387).

Рис. 327. Данные испытаний литой электрошла-
ковой стали ВФ8М на малоцикловую выносли-
вость в зависимости от относительной дефор-
мации:

1 — литой электрошлаковый металл; 2 — прокат откры-
той выплавки; 3 — металл центробежного литья; 4 —
образец для испытаний.

1



1



201-

10

0,5
Таблица 385. Химический состав литой электрошлаковой хромоникелемолибденовой стали, %

г		  Объект анализа		81	Мп	8	Р	м
Литая электрошла- ковая сталь ВФ8М Прокат  Требования А8МЕ	<0,08 0,054—0,061  <0,08	<1,00 0,54—0,77  <1,50	<1,50 1,07—1,42  <1,50	<0,040 0,008—0,012  <0,040	<0,040 0,023—0,033  <0,040	9,0—12,0  9,00—9,29  9,0—12,0

В литой электрошлаковой быстрорежу-
щей стали отсутствуют крупные изолиро-
ванные неметаллические включения, кото-
рые имеются в стали открытой выплавки.
Поэтому вероятность ее преждевременно-
го растрескивания в условиях эксплуа-
тации при повышенных нагрузках умень-
шается.

В табл. 388 приведены данные об эф-
фективности удаления неметаллических
включений при ЭШП расходуемых элек-
тродов из стали Т1 открытой выплавки
по сравнению с ВДП. Оценка чистоты ме-

Рис. 328. Химический состав литого электро-
шлакового металла в продольном направлении:
/—3 — различные плавки; В — верх отливки; С — се-
редина; О — дно; заштрихованная область — допуск
по А8ТМА351.

талла проводилась с помощью магнитно-
порошковой дефектоскопии ступенчатой
пробы.

Электрошлаковый отливкам присуща
осевая кристаллизация, которая исключает
центральную карбидную ликвацию, харак-
терную для слитков быстрорежущей ста-
ли открытой выплавки.

В результате литая электрошлаковая
сталь не уступает деформированной быст-
рорежущей стали открытой выплавки, а в
ряде случаев и превосходит ее по стой-
кости.

Электрошлаковые отливки, будучи - по
массе в 2—3 раза больше, чем обычные
металлургические слитки, имеют гораздо
более благоприятную макроструктуру.
В электрошлаковом металле в отличие от
металла ВДП не наблюдается кольцевой

.1__________________________________।____________________________________I__________ 23

Мп, %
и

Р.0
29

.0

18,0—21 0

19,2-20,1

18,0-21.0

Мо	Со	ы
2,0—3,0	<0,20	
2,47—2,70	0,033—0,040	0,068—0,072
2,0—3,0	—	

слоистости. Если утонение, структуры вы-
сокоуглеродистых быстрорежущих сталей
характерно только для периферии слитка,
у электрошлаковых даже крупных отли-
вок наблюдается высокая однородность
структуры.

По данным работы [13], обнаруживае-
тся ряд преимуществ литых электрошла-
ковых инструментальных сталей Польди
МКС (0,95% С; 4% Сг; 10% XV; 2,4% V;

Рис. 329. Значения химического состава отли-
вок, выплавленных из расходуемых электродов
различных плавок (НК40) (А — пределы, об-
условленные техническими условиями «Мипу-
бисИ хэви индастри»).

20

10

§ 2. Электрошлаковые отливки за рубежом

10% Со), Польди М8С Экстра (0,85% С;
1% Сг; 10% XV; 2,35% V) и Польди
М8 75 Мо (1,1% С) в отливках сечением
260 X 260 мм по сравнению с обычной ко-
ваной сталью сечением 160 X 160 мм. Так,
литой металл гомогенен по всему попереч-
ному сечению и в нем отсутствует цент-
ральная пористость, характерная для слит-
ков обычной выплавки. Размер дендритов
оценивается 2 баллами по пятибалльной
системе. Кривая влияния температуры за-
калки на размер аустенитного зерна ха-
рактеризуется меньшим наклоном, чем в
случае деформированной стали (рис. 334).
Установлено, что при более высоких тем-
пературах закалки в литом электрошлако-
вом металле можно получить вторичные
аустенитные зерна такого же типа, как и
в деформированной стали.

Преимущества металла ЭШЛ обнару-
живаются и при определении твердости в
закаленном и отпущенном состоянии. При
оценке размеров зерен при термообработ-
ке, термического расширения, твердости
после термообработки и склонности к тер-
мическому расширению не установлено от-

5

$

;<

ч

$

Л



й

1


Таблица 386. Химический состав быстрорежущей стали марки Т1, %

Объект анализа	С	81	Мп	8	р	XV	Сг	V	Мо
Расходуемый электрод (ис- ходный металл открытой выплавки)  Электрошлаковая отливка:	0,75	0,26	0,28	0,017	0,022	18,30	4,20	1,12	0,32
верх	0,75	0,18	0,30	0,009	0,023	18,30	4,20	1,13	0,30
середина	0,75	0,21	0,29	0,009	0,022	18,30	4,20	1,12	0,30
низ	0,75	0,22	0,29	0,009	0,024	18,20	4,20	1.П	0,30

б$,К8С/ММ2

Таблица 387. Содержание остаточных
примесей в быстрорежущей стали Т1, %

Объект анализа	Си	2п	Аз	РЬ
Электрошлаковая отливка:  верх	0,1	0,020	0,029	0,001
середина	0,1	0,020	0,029	0,001
низ	0,1	0,020	0,031	0,001
Слиток ВДП: верх	0,8	0,022	0,033	0,001
середина	0,8	0,022	0,031	0,001
низ	0,9	0,020	0,030	0,001

Рис. 330. Прочность на разрыв в трех направ-
лениях отливок из стали НК40 (отклонения

А __ п

значений определялись как - — -100, где Л —

среднее значение в трех направлениях; В — зна-
чение в данном направлении).

Таблица 388. Чистота быстрорежущей
стали Т1 в виде металла открытой выплавки,
ВДП и ЭШП

Объект анализа

Частота обнаруже- ния неме-	Наиболь-
талличе-	шее вклю-
ских вклю-	чеиие, мкм
чеиий	

Рис. 331. Длительная прочность отливок из
сталей НК40 и НК50:

Электроды из металла
открытой выплавки:
верх
низ

Слиток ВДП:

верх
низ
Слиток ЭШП:

верх
низ

0,67
0.54

0,19

0

0

0

93,3

49,8

1,71

0

0
о

/ — т = 950° С (сталь НК50); // — 7 = 1050° С (сталь
НК50); 111— 7 = 950—1100° С (сталь НК40); штрихо-
вые линии — пределы, установленные В. Эструхом для
центробежнолитых отливок: сплошная линия —
1оео = 0,169227’4- 4,2361, где Р = 7 (15 + 1ое т) • 10"3:
7 температура испытаний плюс 273° С.

Примечание. Стандартное значение частоты об-
наружения неметаллических включений 0,5, наибольших
включений — 1,0. Количестве н длниа обнаруженных
рключегий отнесены к площади поверхности.
Расстояние от поверхности, мм

Максшлыш глубина
обауыцтбашя, мкм
100

10

Юг

10 5 время старения, я

Рис. 332. Данные испытаний на науглерожива-
ние электрошлаковых и цент робе ж политых от-
ливок из стали НК40:

/ — ЭШЛ; II — отливки ЦБЛ; III — отливки ЦБЛ
(после механической обработки).

Рис. 333. Данные испытаний на окисление элек-
трошлаковых и центробежных отливок из стали
НК40 при 980° С (а) и 870° С (б):

/ — ЭШЛ; 2 — отливки ЦБЛ; 3 — отливки ЦБЛ после
мехавической обработки.

Рис. 334. Влияние температуры закалки на раз-
мер аустенитного зерна стали Польди М875
Экстра (а) и М875 Мо (б):

1 — кованый металл открытой выплавки; 2 — литой
электрошлаковый металл.

личия свойств литого электрошлакового от
деформированного металла.

Результаты механической обработки
литой электрошлаковой стали типа МК и
аналогичной кованой стали открытой вы-
плавки показали, что инструменты, изго-
товленные из литой стали, по сроку служ-
бы не уступают кованым независимо от
того, из какой части отливки (централь-
ной или периферийной) изготовлены режу-
щие части инструмента.

Если рассматривать эффективность ре-
зания как функцию от температуры закал-
ки, можно видеть, что литая электрошла-
ковая сталь менее чувствительна к изме-
нению температуры закалки и при макси-
мальной температуре закалки ее свойства
аналогичны свойствам деформированного
металла. Испытания проводились при ско-
рости резания 11 м/мин, углах резания
8 X 70 X 60°. Сечение стружки 3X1 мм,
материал резания — углеродистая сталь с
пределом прочности 98—105 кгс/мм2.

Конические фрезы диаметром 120 мм,
изготовленные из литой электрошлаковой
стали (отливки диаметром 130 мм) и ко-
ваной заготовки того же диаметра из ста-
ли Польди М8 55 открытой выплавки, по
сроку службы инструмента, качеству обра-
ботанной поверхности, изменению окраски
стружки и степени затупления режущей
кромки не имеют существенных различий.

Из электрошлаковой отливки диамет-
ром 240 мм (сталь Польди М875Мо) были
изготовлены и испытаны червячные фрезы.
С точки зрения их производительности,
возможности применения и долговечности
не существует различий между литым и
деформированным электрошлаковый ме-
таллом.
Очень важно для повышения стойкости
литых электрошлаковых штампов, чтобы
торцы кристаллов выходили на их режу-
щие кромки. Электрошлаковые отливки из
штамповых сталей применяются для изго-
товления штампов горячей штамповки, про-
шивней, оправок и пробойников [18]. Это
объясняется их высокой термической удар-
ной прочностью и малой склонностью к
растрескиванию.

Пресс-формы для литья аллюминия под
давлением, изготовленные из литой элек-
трошлаковой стали Польди ТЕН (0,35% С;
0,35% Мп; 1,0% 8г, 5,0% Сг; 0,4% V;
1,0% Мо), служат в 3—4 раза дольше, чем

формы из стали того же состава обычного
производства.

Аналогичные свойства обнаруживают
стеклопресс-формы из литой электрошла-
ковой стали Польди ЬПМ (0,28% С;
0,50% Мп; 1,20% 81; 24,0% Сг; 19,0 №),
формы пластмасс из стали Польди СНО
8рег. (0,08% С; 0,32% Мп; 0,20% 81;
5,00% Сг; 0,20% V; 0,60% Мо).

Из приведенных данных видно, что ин-
струменты, изготовленные из литых элек-
трошлаковых сталей, во всех отношениях
могут заменить кованые резцы, фрезы,
штампы и пресс-формы из металла обыч-
ного производства.
§ 1.	Области применения

ГЛАВА VIII

КРУПНОТОННАЖНЫЕ ЗАГОТОВКИ
ИЗ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ

СТАЛИ

Для современного машиностроения требу-
ются стальные заготовки значительных га-
баритов и массы, достигающей нескольких
сотен тонн. Особенно остро потребность
в высококачественных крупнотоннажных
заготовках проявляется в энергетике, ме-
таллургическом машиностроении и в про-
изводстве широкоформатного листа.

Развитие энергетики характеризуется
непрерывным ростом единичных мощностей
турбин и генераторов. Это обусловлено
тем, что с увеличением единичной мощно-
сти установки стоимость производства
электроэнергии снижается. В энергетике
передовых в промышленном отношении
стран единичная мощность энергетических
установок удваивается каждые 7—10 лет.
Так, если в 1962—1966 гг. в развитых стра-
нах изготавливались турбогенераторы,
максимальная мощность которых состав-
ляла 500—615 МВт, то в настоящее вре-
мя мощность турбогенераторов превышает
1000 Мвт.

Ведутся проектные и строительные ра-
боты по созданию турбогенераторов мощ-
ностью 1200 МВт и выше [1,14].

Наряду с быстроходными (3000—
3600 об/мин) турбогенераторами, питаю-
щимися от обычных паровых котлов, созда-
ется все большее количество тихоходных
(1500 об/мин) турбогенераторов, которые
устанавливаются на атомных электриче-
ских станциях (АЭС). В ближайшие го-
ды мощность турбогенераторов АЭС до-
стигнет еще недавно казавшейся фантас-
тической цифры 2000 МВт.

Повышение единичной мощности турбо-
генератора и уменьшение частоты его вра-
щения влекут за собой резкое увеличение
размеров и массы вала ротора. Напри-
мер, для турбогенератора АЭС мощностью
2000 МВт чистая масса вала ротора до-
стигает 305 т. При изготовлении такого
вала классическим способом необходима
400-тонная поковка диаметром 3000 мм из
стального слитка массой не менее 680 т
и диаметром около 5000 мм.

Не менее актуальна задача получения
крупнотоннажных заготовок для металлур-
гического машиностроения и в производ-
стве широкоформатного листа. Известно,
что уже в настоящее время масса листо-
вых слитков достигает 70 т. В недалеком
будущем масса слитков достигнет 140 т.
Такой крупногабаритный лист нужен для
строительства атомных реакторов мощно-
стью более 1 млн. кВт. современных ги-
гантских океанских судов, резервуаров и
труб. Крупнотоннажные листовые электро-
шлаковые слитки нужны также для не-
прерывной прокатки тонколистовой ста-
ли [39].

Тенденция современного прокатного
производства — нарастание удельного веса
проката из качественных сталей. Легиро-
ванные стали и сплавы имеют ряд специ-
фических особенностей, многие из которых
существенно усложняют технологический
процесс их производства. Повышенное со-
противление деформации, обусловленное
химическим составом и структурой стали,
а также температурой деформации, пони-
женная пластичность многих легированных
сталей и сплавов, обусловленная природой
стали, характером напряженного состоя-
ния, температурными и скоростными ус-
ловиями деформации,— все эти особенно-
сти легированных сталей требуют мошных
прокатных станов с валками большого
диаметра [34]. Увеличение массы исходных
заготовок и специфика прокатки легиро-
ванных сталей обусловили широкое строи-
тельство современных специализированных
толстолистовых станов с длиной бочки
валков до 5000 мм. Большое число таких
станов было пущено за последнее время
в США, Франции, Японии, Англии. Уже
в 1964 г. в мире насчитывалось 164 тол-
столистовых стана, в том числе 44 в США,
19 в ФРГ, по 17 во Франции и Японии и
14 в Англии. Строительство таких станов
за рубежом продолжалось и в последую-
щие годы. Только в Японии за период с
1968 по 1976 гг. было пущено по меньшей
мере 7 толстолистовых станов с длиной
бочки валков от 4700 до 5500 мм. В СССР
также строятся новые мощные станы квар-
то с длиной бочки валков 5000 мм.

Широкое строительство современных
толстолистовых станов вызывает потреб-
ность в крупнотоннажных рабочих и опор-
ных валках. У новых крупных толстолис-
товых станов 4000—6000 диаметры опор-
ных валков достигают 2000—2130 мм при

общей длине валка 8000—12 000 мм, а мас-
са одного валка составляет 140—180 т[57].
Для изготовления таких валков, а также
для работающих под давлением сосудов
требуются слитки массой 250 т и более.
Так, для тол стол истового прокатного стана
японской фирмы «Мицусима» потребова-
лись валки диаметром 2400 мм и массой
240 т. Для их изготовления были исполь-
зованы слитки массой 500 т [641.

§ 2.	Материалы, применяемые
при производстве заготовок

В энергетике, металлургическом машино-
строении повышение рабочих параметров
установок достигается не только увеличе-
нием габаритов и массы отдельных дета-
лей, но и применением соответствующих
материалов, способных удовлетворительно
работать в экстремальных условиях. По-
этому тенденцией современного тяжелого
и металлургического машиностроения яв-
ляется переход от обычных углеродистых
сталей к легированным, причем степень ле-
гирования их все более возрастает, а комп-
лекс легирования усложняется.

В настоящее время в энергетическом
машиностроении широкое применение на-
ходят стали сложного легирования. В кон-
струкциях роторов паровых и газовых тур-
бин используются высокопрочные стали
перлитного класса —- хромомолибденовые
при рабочей температуре 500—530° С, хро-
момолибденованадиевые стали (в ряде слу-
чаев дополнительно легированные ниобием
и вольфрамом) и хромоникелемолибдено-
ванадиевые стали при рабочей температу-
ре до 570° С. В связи с высокими напря-
жениями, действующими в роторах при ра-
боте, они изготавливаются из высокопроч-
ных среднеуглеродистых (0,30—0,35% С)
перлитных сталей, однако в ряде случаев,
исходя из требований улучшения свари-
ваемости, используют стали с более низ-
ким содержанием углерода — до 0,2—
0,3%.

Широко используются сложнолегиро-
ванные стали также в реакторостроении
при изготовлении корпусов и периферий-
ных сосудов атомных реакторов. Условия
эксплуатации этих конструкций при дав-
лении до 200 атм и температуре 350° С по-
требовали замены углеродистой стали 22К
на стали типа 10ГН2МФА в сепараторах
пара и компенсаторах объема. Стало не-
обходимым усложнение легирования и при-
менение сталей типа 15Х2Н1МФ в корпу-
сах реакторов с толщиной стенки до
650 мм.

С переходом от углеродистых сталей к
сложнолегированным свариваемость их,
как правило, ухудшается, что приводит к
необходимости использования при сварке
ряда технологических приемов, связанных
в первую очередь с предварительным и со-
путствующим подогревами и термообработ-
кой сваренного изделия.

Сказанное в равной мере относится и к
сталям, применяемым при производстве
валков прокатных станов. Условия работы
этих деталей все более ужесточаются. Уси-
лие прокатки при 900° С на крупных тол-
столистовых станах составляет 4000—
6500 тс, а на новом тол стол истовом стане
5590 фирмы «Алко» (США) — даже
16000 тс [57]. Большие остаточные напря-
жения возникают в валках на различных
технологических стадиях их изготовления
и эксплуатации, причем с увеличением
диаметра валков увеличивается и величи-
на остаточных напряжений. Так, с увели-
чением диаметра валка от 1200 до 1600 мм
абсолютная величина остаточных напряже-
ний увеличивается на 15% [33].

Приведенные соображения вынуждают
к разработке и применению новых марок
легированных сталей для валков. Совре-
менной тенденцией в разработке сталей
для валков является повышение содержа-
ния в них легирующих элементов и угле-
рода. Последнее связано со стремлением
повысить износостойкость валков. Если
еще совсем недавно для валков горячей
прокатки применяли углеродистую сталь
с содержанием углерода 0,45—0,55%, то в
настоящее время для этих целей применя-
ют стали, легированные хромом, никелем,
молибденом, вольфрамом, марганцем,
кремнием, ванадием и др. Содержание уг-
лерода возросло до 1%. Так, в 1973 г.
ЦНИИТМашем и заводом «Азовсталь»
разработана валковая сталь 100ХНМФ,
призванная заменить валковые стали ма-
рок 60ХН и 9ХФ [24].

Рабочие валки станов холодной прокат-

ки воспринимают большие контактные дав-
ления, поэтому их выполняют с особенно
высокой твердостью рабочей поверхности.
Для обеспечения такой твердости (90—
102 ед. по Шору) рабочие валки холодной
прокатки изготавливают в СССР и за ру-
бежом в основном из высокоуглеродистых
(0,85—0,95% С) хромистых сталей (1,7—
2,1% Сг), дополнительно легированных
вольфрамом или молибденом и ванадием
(типа 9Х2МФ). Здесь также намечается
тенденция к использованию еще более
сложнолегированных сталей. Имеются све-
дения [70] об испытаниях в Японии сталей
для валков холодной прокатки, содержа-
щих от 2 до 12% Сг; от 0,3 до 0,82% Мо;
до 0,6% V; до 0,65% Со при содержании
углерода до 1,62%.

Таким образом, при изготовлении круп-
нотоннажных заготовок приходится иметь
дело с трудносвариваемыми легированны-
ми сталями, имеющими сравнительно вы-
сокое содержание углерода. Это обстоя-
тельство оказывает существенное влияние
на выбор способа производства крупнотон-
нажных заготовок. Прежде всего необхо-
димо обеспечить химическую однородность
заготовки. Это необходимо по нескольким
соображениям. И роторные, и валковые
стали для получения требуемого оптимума
свойств подвергаются термообработке. Ма-
кросегрегация легирующих элементов и
особенно углерода как одного из наиболее
ликвирующих элементов может поставить
очень сложные проблемы при термообра-
ботке, которая обычно предназначается
для какой-то одной структуры, а не для
множества различных структур, наблюдае-
мых в одной заготовке.

Высокая химическая и структурная од-
нородность металла заготовки вала ротора
необходима также для обеспечения требу-
емых электромагнитных характеристик
турбогенераторов.

Распределение остаточных напряжений
в валках прокатных станов и валах рото-
ров при их изготовлении и последующей
эксплуатации таково, что наибольшие рас-
тягивающие напряжения находятся в их
осевой части и могут в прокатных валках
достигать предела текучести и даже пре-
дела прочности [33]. В то же время в этой
части заготовок, особенно с прибыльной
стороны, располагается наибольшее коли-
чество неметаллических включений, а так-
же наиболее развита неоднородность ме-
талла. Скопление неметаллических вклю-
чений и других дефектов микроструктуры,
находящихся в зоне действия максималь-
ных остаточных или рабочих растягиваю-
щих напряжений, может явиться очагом
хрупкого разрушения. По данным Ново-
краматорского машиностроительного заво-
да им. В. И. Ленина по этой причине раз-
рушились 30% всех вышедших из строя
опорных валков [33]. Анализ брака валков
холодной прокатки на ждановском заводе
им. Ильича показал, что из-за трещин вы-
шло из строя 65% валков [51].

Необходимо отметить, что в соответ-
ствии с современными требованиями ме-
талл крупнотоннажных заготовок должен
быть самого высокого качества, т. е. во
всех сечениях он должен обладать химиче-
ской и структурной однородностью, высо-
ким уровнем и максимально низкой анизо-
тропией механических свойств, высоким
сопротивлением хрупкому разрушению.

§ 3.	Современные способы
производства заготовок

Потребность машиностроения в монолит-
ных и изотропных крупногабаритных и
крупнотоннажных деталях для энергетиче-
ских и металлургических агрегатов приве-
ла к интенсивному поиску новых и совер-
шенствованию известных способов получе-
ния слитков и заготовок.

Основные сложности при получении
стальных слитков вызваны явлениями, про-
текающими при кристаллизации стали.
Независимо от технологии выплавки стали
и ее обработки вне печи и при разливке
процесс кристаллизации слитка — конеч-
ный этап подготовки стали для последую-
щей горячей деформации — происходит в
изложнице. Характером затвердевания
жидкого металла в изложнице в основном
и определяются главные недостатки, при-
сущие обычному металлургическому слит-
ку: осевая пористость вследствие развития
усадочных явлений; значительная химиче-
ская неоднородность по высоте и сечению
слитка, обусловленная ликвацией элемен-
тов; повышенная загрязненность неметал-

лическими включениями ввиду размыва-
ния огнеупоров ковша, сифонной проводки
и вторичного окисления стали; наличие де-
фектов разливочного характера — «плен»,
«корок», газовых пузырей и т. д.

С увеличением объема металла, одно-
временно кристаллизующегося в изложни-
це, усадочные и ликвационные процессы
усиливаются. Увеличение размеров слитка
ведет к увеличению таких внутренних де-
фектов, как местное сосредоточение неме-
таллических включений, сегрегация в слит-
ке, слоистость, образование усадочных ра-
ковин и пористость. В настоящее время не
известно, как бороться с этими недостатка-
ми, прямо связанными с процессами кри-
сталлизации. Поэтому качество слитков,
отлитых в изложнице, находится в прямой
зависимости от их массы: с увеличением
поперечного сечения и массы слитков рез-
ко ухудшается качество готовой стали.
Для получения соответствующих свойств и
особенно равномерной структуры по всему
поперечному сечению слитка приходится
использовать только часть слитка, что сни-
жает выход годного. Однако и эта пригод-
ная часть с удовлетворительными свой-
ствами уменьшается с увеличением разме-
ра слитка (рис. 335). Поэтому сейчас сфе-
ра распространения канонического спосо-
ба отливки металла в изложницу ограни-
чена массой слитка 100—150 т, а для от-
ветственных изделий — еще меньшей мас-
сой.

В 1972 г. фирма «Джапэн стил уоркс
лтд» в Муроране (с. Хоккайдо, Япония)
предложила изготавливать 400-тонные
слитки диаметром 3550 мм с использова-
нием технологии последовательной залив-
ки (А—Р-технология). На рис. 336 показа-
на последовательность, с которой разлива-
ются плавки стали для этого слитка. Пер-
вые четыре плавки разливаются одна за
другой до тех пор, пока сталь частично не
заполнит утепленную прибыльную надстав-
ку. Более высокое содержание углерода в
плавках, идущих в нижнюю часть слитка,
помогает преодолеть «отрицательную» се-
грегацию, обычно наблюдаемую в подоб-
ных слитках. По истечении 20—24 ч вер-
хушка слитка открывается и осторожно
добавляется дополнительно 40 т стали с
более низким содержанием углерода, при


Рис. 335. Зависимость выхода годного от массы
обычного слитка [13].

Рис. 336. 400-тонный слиток фирмы «Джапэн
стил уоркс», изготовленный способом А—Р [14]:
7—93 т, 0,30% С; 2—132 т. 0.25% С; 3 — 100 т, 0,25%;
4 - 35 т, 0,18%С; 5 — 40 т, 0,18%С.

этом желательно избежать попадания ме-
талла в зону кристаллизации слитка. Бо-
лее низкое содержание углерода в стали
дополнительной порции позволяет полу-
чить крупнотоннажные слитки с относи-
тельно равномерным содержанием углеро-
да по сечению. Вместе с тем степень лик-
вации остальных элементов, в том числе и
вредных, таких, как сера, фосфор, кисло-
род, остается все еще довольно высокой
(рис. 337). Процесс кристаллизации ме-
талла в изложнице при этом не претерпе-
вает существенных изменений и поэтому
в слитках, отлитых этим способом, могут
обнаруживаться дефекты ликвационного и

Рис. 337. Средние величины сегрегации в круп-
ных поковках (масса слитков более 70 т) [10]:
1 — обычная выплавка; // — способ А—Р; III — ЭШП.

усадочного происхождения. Кроме того,
этот процесс не может обеспечить равно-
мерное распределение включений и пред-
отвратить образование крупных, обычно эк-
зогенных окисных включений. Вследствие
этого А—Р-процесс является только вре-
менным, хотя и довольно успешным, реше-
нием проблемы надежного и воспроизво-
димого производства крупных слитков с
Рис. 338. Схема получения стального слитка
с помощью электрошлаковой подпитки:

1 — металлическая ванна; 2— шлаковая ванна; 3 —
шлакоудерживающее кольцо; 4 — расходуемый элект-
род.

Рис. 339. Отклонение содержаний серы и фос-
фора от среднего по ковшовой пробе в обычном
слитке (сплошные линии) и в слитке, отлитом
с электрошлаковой подпиткой (штрихпунктир-
ные линии), стали 10Г2СД [59].

относительно малой сегрегацией по угле-
роду.

В 1956—1958 гг. в ИЭС им. Е. О. Па-
тона АН УССР были проведены работы
по изысканию нового метода отливки слит-
ков, который бы позволил резко сократить
объем прибыльной части или совсем отка-
заться от прибыли, а также повысить ка-
чество металла слитков. Исследования за-
вершились созданием нового способа, на-
званного электрошлаковой подпиткой
[7, 17]. Этот способ заключается в том,
что во время кристаллизации головная
часть отливки подпитывается жидким ме-
таллом, образующимся при расплавлении
в шлаковой ванне электрода большого се-
чения (рис. 338). Вместо прибыльной над-
ставки в верхней части изложницы уста-
навливается шлакоудерживающее кольцо.
После заливки металла в изложницу в
этом кольце наводится шлаковая ванна,
в которой плавится электрод.

С помощью электрошлаковой подпитки
можно рафинировать металл в верхней и
осевой частях слитка и разбавлять его ме-
таллом расходуемого электрода.

Аналогичные способы улучшения каче-
ства слитков впоследствии были разрабо-
таны за рубежом и получили название
процессов ВЕ8Т* и ТКЕ8Т ** [66]. Они
различаются тем, что в процессе ВЕ8Т
электрошлаковую плавку производят в во-
доохлаждаемой надставке, а в процессе
ТНЕ8Т — в футерованной.

С помощью электрошлаковой подпитки
можно регулировать направление и интен-
сивность потоков жидкого металла в кри-
сталлизующемся слитке [58]. Непрерывное
пополнение головной части кристаллизую-
щегося слитка каплями электродного ме-

* ВоеЫег—е!ес!го—в1ац—1орр1пр.

** Тепл—ге1гас(огу—е!ес1го—з1ац—(оррш^.
Рис. 340. Изменение содержания серы (7), фос-
фора (2) и углерода (3) по высоте в централь-
ной части слитка массой 23 т стали Сг — № —
Мо — V, полученного способом ВЕ8Т [66].

Рис. 341. Изменение плотности стали по высоте
и сечению слитка, полученного способом ВЕ8Т
[66].

Рис. 342. Изменение механических свойств по
оси листов стали 10Г2СД из обычного слит-
ка (1) и слитка, отлитого с электрошлаковой
подпиткой (2).

талла, обладающими значительной кинети-
ческой энергией, противодействует есте-
ственным потокам металла в изложнице,
которые обычно обусловливают ликвацию
элементов и сегрегацию примесей стали и
разбавляют загрязненную верхнюю часть
слитка чистым электродным металлом.
Благодаря указанным явлениям верхняя
часть слитка не имеет резко выраженной
осевой ликвации [16]. Наличие шлаковой
ванны способствует экстрагированию
всплывающих из слитка включений и уда-
лению из металла вредных примесей, та-
ких, как сера и кислород.

Изучение химической неоднородности в
слитках 10Г2СД массой 7,3—7,4 т [59]
показало (рис. 339), что в прибыльной
части степень положительной ликвации
углерода в обычном слитке составила

200%, а при электрошлаковой подпитке —
7%; серы — соответственно 10 и 0%; фос-
фора— 50 и 0%. Отрицательной ликвации
углерода и серы не было. Отрицательная
ликвация по фосфору соответственно 23%
и 0. При этом отмечается уменьшение со-
держания серы в теле слитков на 5%.

Аналогичные результаты получены при
выплавке слитков стали Сг—БИ—Мо—V
массой 23 т способом ВЕ8Т (рис. 340).
Здесь ясно виден эффект десульфурации
в верхней части слитка. Изучение распре-
деления легирующих элементов: марганца,
кремния, хрома, никеля, молибдена и ва-
надия показало, что различия в их концен-
трациях не превышают того уровня, кото-
рый может оказать влияние на структуру
и свойства стали [67].

Сравнение плотности металла в перифе-
рийных и центральных зонах, на шести
уровнях по высоте слитков, отлитых спосо-
бом ВЕ8Т (рис. 341), показывает высокую
степень однородности металла. Исключе-
ние составляет лишь переходная зона от
литого металла к переплавленному в верх-
ней части слитка, где отмечается неболь-
шое снижение плотности.

Электрошлаковая подпитка сопровож-
дается энергичным переходом водорода из
верхних слоев металла в шлак и после-
дующим переносом его из нижних гори-
Рис. 343. Коэффициент сегрегации в де-
формированной инструментальной стали
Х40СгМ0У5,1:

I — обычная выплавка; 2 — ЭШП; А — край; 6 —
центр |69).

Рис. 344. Кристаллизация слитка малого диа-
метра (йсл! и равного ему по сечению элемен-
та ((1) слитка большого диаметра (Осл) (а; и
а2 — расстояния между осями дендритов).

зонтов в подприбыльную часть слитка, че-
му способствуют создающиеся при этом
конвективные потоки. Вероятное ускорение
процесса удаления водорода из расплав-
ленного металла по ходу кристаллизации
оценивается в 20—25% (59], что имеет
практическое значение при производстве
сталей, склонных к флокенам, пятнистой
ликвации и другим порокам, связанным с
газонасыщенностью.

. Улучшение структуры слитка и сниже-
ние его газонасыщенности в результате
электрошлаковой подпитки способствуют
повышению показателей механических
свойств металла, полученного из таких
слитков, особенно показателей пластично-
сти. Характерным является постоянство
механических свойств во всех частях слит-
ка, включая и прибыльную часть
(рис. 342).

Таким образом, электрошлаковая под-
питка является эффективным средством
улучшения структуры и свойств крупнотон-
нажных слитков углеродистых и легиро-
ванных сталей ответственного назначения.

Электрошлаковый переплав. Электро-

шлаковый переплав, разработанный в Со-
ветском Союзе, позволил поднять на но-
вую качественную ступень производство
стальных слитков. Преимущества этого
способа хорошо известны, и это стало
причиной резкого возрастания в послед-
ние годы количества металла ЭШП, вы-
пускаемого во всем мире. Непрерывно рас-
тет и масса слитков ЭШП.

Такой интерес к крупнотоннажным
слиткам ЭШП обусловлен особенностями
электрошлакового процесса, который наря-
ду с рафинированием металла позволяет
управлять процессом кристаллизации. По-
степенная кристаллизация металла из срав-
нительно малых объемов жидкого металла
способствует практически полному устра-
нению явления зональной ликвации. В ре-
зультате ЭШП макросегрегация может
почти полностью отсутствовать даже при
большом сечении кристаллизующегося
слитка. Преимущества процесса ЭШП осо-
бенно четко видны при сравнении данных
о сегрегации в поковках из крупных слит-
ков (рис. 343). Направленная кристаллиза-
ция металла обеспечивает очень плотную
макроструктуру слитков ЭШП. Поэтому
при одинаковой массе слитков, отлитых
обычным способом в изложницу и получен-
ных ЭШП в кристаллизаторе, последние
выгодно отличаются своей макрострукту-
рой и отсутствием дефектов усадочного и
ликвационного характера, что в конечном
счете благотворно сказывается на каче-
стве готового металла.
Вместе с тем вследствие физических
процессов, протекающих в твердожидкой
зоне близ фронта кристаллизации, невоз-
можно полностью подавить явления ликва-
ции даже при ЭШП. Однако степень сегре-
гации в таких критических объемах слитка
ЭШП, как центральная часть, гораздо
меньше, чем в слитках из стали, получен-
ной обычным методом. На рис. 343 приве-
дены типичные данные [69], полученные
для слитков из стали Х40СгМоУ 5,1, про-
шедких горячую деформацию. Степень сег-
регации, оцениваемая с помощью микро-
анализатора, характеризуется отношени-
ем между максимальной и минимальной
концентрацией элемента.

Изложенное не означает, что при ЭШП
масса слитка не имеет значения для каче-
ства металла. Здесь важное значение име-
ют глубина и объем кристаллизующейся
ванны жидкого металла. Чем больше диа-
метр слитка ЭШП, тем больше и объем
жидкого металла, тем крупнее его макро-
структура, тем большее развитие получа-
ют ликвационные процессы. И наоборот,
чем меньше диаметр слитка, тем тоньше
его структура (рис. 344), тем в меньшей
степени развиваются ликвационные про-
цессы. Поэтому (при прочих равных усло-
виях), чем больше масса слитка ЭШП,
тем ниже качество металла.

Глубина металлической ванны при вы-
плавке крупнотоннажных слитков состав-
ляет обычно 0,5—0,6 диаметра слитка [35,
67]. Нетрудно подсчитать, что в 250—300-
тонных слитках ЭШП диаметром 3000 мм
масса жидкой металлической ванны может
достигать 40 т. Поэтому вряд ли целесо-
образно изготовление слитков ЭШП мас-
сой более 200 т. При производстве таких
слитков возникают сложности, связанные
с технологией их выплавки. Кроме того,
производство их требует создания дорого-
стоящих уникальных высокоспециализиро-
ванных электрошлаковых установок. По-
скольку число требующихся слитков такой
массы сравнительно невелико, капитало-
вложения окупаются нескоро.

Таким образом, производство сверх-
крупных слитков ЭШП (более 200 т) нель-
зя считать оправданным.

Электрошлаковое заплавление осевого
отверстия в слитке и ЭШП в расходуемый

кристаллизатор. Как известно, строение
стальных слитков характеризуется физи-
ческой, химической и структурной неодно-
родностью вследствие различных физиче-
ских и физико-химических свойств уже за-
твердевшей и кристаллизующейся стали,
развития процессов ликвации примесей,
неравномерного распределения температур-
ных полей, усадки и сложно-напряженного
состояния.

В последние десять лет для изучения
процессов формирования слитков были
привлечены теплофизические и радиоактив-
ные методы исследования, а также дости-
жения в области гидродинамики, тепло-
массопереноса и теории пограничного слоя
в металлических расплавах, благодаря че-
му получены новые уточненные данные.

Согласно современным представлениям
[18, 19], строение слитка выглядит следую-
щим образом (рис. 345). Равноосная
структура корки 3 и зона столбчатой кри-
сталлизации 4 обычно представляют собой
часть слитка с весьма однородной химиче-
ской структурой. Дисперсия неметалличе-
ских включений здесь лучше, чем во всей
остальной части слитка. Следующая зона
равноосных кристаллов 5 характеризуется
большой концентрацией ликвирующих
примесей. Здесь выявляется зональная се-
грегация, расположенная в зоне между
столбчатыми и равноосными кристаллами.
Она проявляется в виде ликвационных по-
лос. Содержание углерода, серы, фосфора
и других примесей в этих полосах в 3—
4 раза больше, чем в исходном металле.
Центральная часть слитка имеет самую
высокую химическую сегрегацию. В этой
части наблюдается У-образная сегрегация.
Этот вид неоднородности совпадает с рас-
положением осевой рыхлости. Полосы со-
стоят из смеси грубых равноосных кри-
сталлов с различными ликвационными
примесями. Кроме того, «в слитке имеются
еще зоны положительной 1 и отрицатель-
ной 8 сегрегаций. Наиболее выраженная
зона положительной сегрегации находится
непосредственно под прибыльной частью
слитка и в прилегающих к ней участках.
Содержание ликвирующих примесей в этой
зоне в 1,5—2,5, а под прибылью слит-
ка в 3—4 раза выше, чем в ковшовой
пробе. Зона отрицательной сегрегации
располагается в нижней трети слитка и ха-
рактеризуется пониженным содержанием
примесей и относительно мелкодис-
персной кристаллической структурой ме-
талла.

Таким образом, поверхностные слои
затвердевшего слитка, соизмеримые с зо-
ной транскристаллизации, имеют достаточ-
но высокое качество, а качество внутрен-
них объемов, соответствующих зоне рав-
ноосных кристаллов, неудовлетворитель-
ное.

Идея использования металлургически
полезных свойств, наблюдаемых во внеш-
них зонах крупных стальных слитков обыч-
ной выплавки, и преимуществ, создавае-
мых ЭШП, привела к созданию нового
способа повышения качества крупнотон-
нажных слитков. Сущность его состоит в
том, что после удаления центральной де-
фектной зоны затвердевшего слитка обра-
зованное отверстие заплавляется путем
ЭШП расходуемого электрода (рис. 346).

В качестве расходуемого электрода мо-
жет быть использован стержень, получен-
ный при трепанировании слитка [19], а так-
же специально изготовленные электроды
из стали аналогичного или другого состава
(рис. 347).

При этом способе возможно регулиро-
вание в широких пределах глубины про-
плавления тела слитка, что обеспечивает
надежное соединение нерасплавляющейся
части слитка с наплавленной сердцевиной.
Высокоэффективному рафинированию под-
вергается не только металл расходуемого
электрода, но и металл оплавившейся час-
ти слитка. Кристаллизация центральной
части слитка происходит из относительно
небольшой по объему металлической ван-
ны в условиях непрерывного поступления
в нее жидкого металла. Ликвация и уса-
дочные явления при этом не получают раз-
вития. Внутренняя зона такого слитка хи-
мически однородна и не имеет раковин,
пустот и рыхлот.

В нашей стране указанный способ был
предложен ИЭС им. Е. О. Патона
АН УССР и Новокраматорским машино-
строительным заводом. Он получил назва-
ние электрошлакового переплава в расхо-
дуемых кристаллизаторах. Этот способ до-
статочно полно описан в литературе [28,
43, 56]. За рубежом такой же способ улуч-
шения качества крупных кузнечных слит-
ков впоследствии был разработан амери-
канской фирмой «Мидвейл Хеппенстол» и
западногерманской фирмой «Клекнер Вер-
ке» и получил название МХКВ-процесс
(20, 60, 62, 63].

Сократить расход металла и повысить
качество крупнотоннажного слитка можно,
если в качестве расходуемого кристалли-
затора использовать полый слиток, полу-
чаемый при ЭШП [28]. Это способствует
получению более тонкой первичной крис-
таллической структуры наружной части та-
кого слитка, так как полый слиток харак-
теризуется более тонким кристаллическим
строением, чем сплошной, вследствие нали-
чия дополнительного внутреннего фронта
теплоотвода при его выплавке. Масса та-
кого укрупненного электрошлакового слит-
ка может быть увеличена по сравнению
с массой расходуемого электрода в 3—
4 раза. При этом вследствие аккумулиро-
вания тепла стенкой нерасплавившейся
части кристаллизатора значительно увели-
чивается коэффициент полезного исполь-
зования тепла при выплавке укрупненного
слитка. Благодаря этому крупнотоннаж-
ные электрошлаковые заготовки могут
быть получены на установках ЭШП срав-
нительно небольшой электрической мощно-
сти.

Для регулирования глубины металличе-
ской ванны при получении укрупненных
электрошлаковых слитков, протяженности
зоны проплавления кристаллизатора, тем-
пературы поверхности слитка и т. д. раз-
работана математическая модель процесса.
Она позволяет не только управлять ходом
укрупнения слитков ЭШП, но и прогно-
зировать этот процесс применительно к

Рис 345. Зоны кристаллизации и сегрегации
в слитке спокойной стали:

/ — максимальна;, положительная сегрегация; 2—
У-образная сегрегация; 3 — свободная от сегрегации
зона с мелкой равноосной структурой; 4 — зона столб-
чатой кристаллизации; 5 — зона равноосной кристал-
лизации; 6 — зона высокой сегрегации (нерегулярная
модель кристаллизации), 7 — зона обратной У-образ-
ной сегрегации; 8 — отрицательная сегрегация, равно-
осная кристаллизации; 9 — зона загрязнения осажден-
ными оксидами.

Рис. 347. Подготовка слитка к заплавлению
центральной зоны:

а — обычный слнток; б — трепанирование центральной
зоны; в — готовый к заплавлению слнток.

выплавке слитков массой до 100—150 т
[43].

Математическая модель температурного
поля слитка в процессе его выплавки име-
ет следующий вид:

д	1 д [ дТ\

д1 [фТ + хр/г (Т1Т5Т^)] = —	у +

д / дТ\

+ дг дг ]•	(VIII. 1)

где 0 < г < Я2, если 0 < г < 5 (<);	< г </?,,

если $(()<г</7; Т (г, г,1)— температура,
°С; X, с и р — соответственно коэффициент
теплопроводности, теплоемкость и плот-
ность металла слитка; и /?2 — внутрен-
ний и внешний радиусы расходуемого
кристаллизатора; 8(1)—уровень жидкого
металла в кристаллизаторе; Н — высота
кристаллизатора (будущего слитка);

Ч (Г1Г3Г4) — | Г) т ь

’	1 3 г’ (VIII.2)

Т-Т,
е(Т) = ТЬТ, 

Граничные условия отражают особенности
теплообмена на соответствующих участках
границ и имеют следующий вид: условие
осевой симметрии температурного поля
слитка

Рис. 346. Схема установки для электрошлако-
вого заплавления осевого отверстия в слитке:
/ — кузнечный слиток (расходуемый кристаллизатор);
2 — отверстие в центральной осевой зоне слитка; 3—
расходуемый электрод; 4 — шлаковая ванна; 5 — ме-
талл ЭШП; 6 — линия сплавления кузнечного слитка
и металла ЭШП: 7 — подставной нерасходуемый кри-
сталлизатор; 8 — поддон; 9 — устройство для сифон-
ной заливки жидкого шлака: 10 — металлическая ван-
на; 11 — трансформатор.

374

дг 1=0

= 0;

(УШ.З)

условие теплообмена боковой поверхности
слитка с окружающей средой

-я

= а1 (Г — Гср) + еоТ4 (/?„ г, /),
(VIII 4'
где щ—коэффициент теплоотдачи; Т —
температура поверхности слитка, К; 7ср —
температура среды, охлаждающей слиток;
условие потока тепла из шлака в стенку
кристаллизатора;

37’1

— Л-д-	=д,(г, Л 5 (Г) <г<й (/),

ог 1г=Я,

(У1П.5)

где Н(I) — уровень шлака в кристаллизато-
ре; условие нагрева внутренней стенки кри-
сталлизатора шлаковой ванной путем из-
лучения

1 ’?г| _ = Ч’еа [ ^(Р., г, О - Г?].

Л(0<г</7;	(УШ.6)

условие охлаждения поддона слитка

= «п(7’-7'в);	(УШ.7)

ог ’г—О

условие тепловложения в слиток

х дг .

= ?(г,0+СМ(г, 0(7'/.-Т);
1г=5(0

(УП1.8)

условие на верхнем срезе кристаллизатора

„ йТ|

дг | н — аг(Т Т'ср). (УШ.9)

Величина М(г, Г) выбирается из соот-
ношения

«к

2л 5 М (г, I) гс!г = С (/),
о

где 6(1)—производительность переплава;
Пк — радиус зоны каплепадения.

Модель (VIII.1) — (УП1.9) использова-
лась для расчета температурного поля
кристаллизующегося слитка на ЭВМ, что
позволило определить глубину металличе-
ской ванны, ширину зоны проплавления
стенки расходуемого кристаллизатора и
температуру наружной стенки в зависи-
мости от режима переплава и условий ох-
лаждения слитка.

Экспериментальная (серный отпечаток)
и расчетная линии проплавления стенки
расходуемого кристаллизатора и глубины
металлической ванны показаны на рис. 348.
Прогноз процесса укрупнения слитка мас-
сой 20 т представлен на рис. 349.

Следует отметить, что новая технология
укрупнения слитков с заплавлением их
центральной части способом ЭШП осваи-

вается быстрыми темпами. Опытные плав-
ки были начаты в 1972 г. и уже в начале
1974 г. по новому способу была получена
заготовка массой более 130 т. Исходный
слиток диаметром более 2400 мм и высо-
той 1800 мм имел трепанированное отвер-
стие диаметром 750 мм, которое заплави-
ли на печи ЭШП электродом диаметром
400 мм и длиной около 8,7 м [20].

Порционная электрошлаковая отливка
слитков. В 60-х гг. ИЭС им. Е. О. Пато-
на АН УССР был предложен и опробован
на Челябинском металлургическом заводе
и заводе «Электростальтяжмаш» способ
электрошлаковой отливки (ЭШО) слитков
[36, 37]. Этот способ заключался в наведе-
нии в охлаждаемой изложнице шлаковой
ванны, заливке в нее жидкого металла и
электрошлакового обогрева головной час-
ти затвердевающего слитка.

При ЭШО достигались достаточно вы-
сокая степень рафинирования стали, улуч-
шение качества поверхности слитка и
уменьшение головной обрези. Однако этот
способ не обеспечил существенного повы-
шения физической и химической однород-
ности слитка в целом, поскольку условия
кристаллизации основной массы слитка
при ЭШО близки к тем, которые имеют
место при обычной разливке.

В связи с этим в 1971 —1972 гг. ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР был предло-
жен новый способ производства крупных,
преимущественно кузнечных слитков с вы-
сокой физической и химической однород-
ностью. В этих слитках отсутствовали гру-
бые дефекты, а содержание вредных при-
месей было минимальным.

В отличие от известных способов по-
лучения высококачественных слитков, ос-
нованных на переплаве расходуемых элек-
тродов, этот способ, как и способ ЭШО,
предусматривает получение слитков непо-
средственно из жидкого металла.

Новый способ производства слитков,
получивший наименование «порционная
электрошлаковая отливка» (ПЭШО), со-
стоит в следующем [22, 38].

В водоохлаждаемой изложнице с по-
мощью нерасходуемых электродов рас-
плавляется смесь шлакообразующих ком-
понентов. При этом в изложнице образует-
ся слой жидкого шлака (шлаковая ван-
Рис. 348. Сравнение экспериментальных (1) и
расчетных (2) линий проплавления стенки рас-
ходуемого кристаллизатора слитка диаметром
240 мм.

Рис. 349. Прогноз проплавления стенки расхо-
дуемого кристаллизатора при получении слит-
ка массой 20 т.

на), обладающего высокой рафинирующей
способностью (рис. 350, а).

В изложницу через слой шлака залива-
ется первая порция (плавка) стали, полу-
ченной в том или ином сталеплавильном
агрегате, емкость которого составляет
часть емкости изложницы. В процессе за-
ливки металла погруженные в шлак элек-
троды автоматически поднимаются
(рис. 350, б).

После заливки первой порции металла
ведут электрошлаковый обогрев зеркала
металла при электрической мощности,

обеспечивающей поддержание зеркала ме-
талла жидким по всему сечению изложни-
цы. При этом залитый металл постепенно
затвердевает снизу вверх так, что к мо-
менту заливки следующей порции металла
под слоем жидкого шлака остается не-
большое количестве жидкого металла
(рис. 350, в). Металл следующей порции
аналогично первой заливается в изложни-
цу, где смешивается с остатком жидкого
металла первой порции (рис. 350, г). Эти
циклы (заливка порции металла — выдерж-
ка и частичная кристаллизация ее при
электрошлаковом обогреве зеркала метал-
ла — заливка следующей порции металла)
повторяются несколько раз до заполнения
всей изложницы.

После заливки последней порции ме-
талла производится постепенное снижение
электрической мощности, подводимой к
шлаковой ванне, за счет чего исключается
образование усадочной раковины в голов-
ной части слитка (рис. 350, д).

Интенсивная обработка металла рафи-
нирующим шлаком благодаря эмульгиро-
ванию его в металл при заливке и дли-
тельному взаимодействию металла с пе-
регретым шлаком на границе раздела
шлаковой и металлической ванн в период
между заливками порций металла обеспе-
чивает высокую чистоту металла слитка по
содержанию серы и неметаллических вклю-
чений.

Направленная снизу вверх последова-
тельная кристаллизация металла в излож-
нице с наличием в ней в каждый момент
времени сравнительно небольшого объема
жидкого металла и высокий градиент тем-
ператур в металлической ванне ограничи-
вают развитие в слитке зональной ликва-
ции и исключают образование в нем де-
фектов усадочного и ликвационного про-
исхождения.

Преимуществом способа ПЭШО являе-
тся возможность получения слитков прак-
тически неограниченной массы при нали-
чии сталеплавильного агрегата сравни-
тельно малой емкости. Например, слиток
массой 200 т может быть отлит путем по-
следовательной заливки в изложницу
4—6 плавок, полученных в дуговой элек-

Рис. 350. Схема порционной электрошлаковой
отливки:

I — нерасходуемые электроды; 2 — изложница; 3 —
поддон; 4 — затравка; 5 — шлаковая ванна; 6 — шла-
ковый гарнисаж: 7 — металлическая ванна; 8— слн-
ток.

тропечи (или ином агрегате) емкостью все-
го 35—50 т.

Способ ПЭШО может сочетаться с пре-
дварительным вакуумированием металла
или выплавкой его в вакуумных индукци-
онных печах. Это особенно важно при про-
изводстве крупных слитков из флокено-
чувствительных сталей.

Укрупнение заготовок с помощью
электрошлаковой сварки. Новым шагом
на пути получения крупнотоннажных заго-
товок из слитков сравнительно небольшой
массы (например, 60—150 т) является сва-
рочная технология (рис. 351). Она позволя-
ет использовать имеющееся металлургичес-
кое оборудование без дополнительных за-
трат на приобретение нового и сохранить
накопленный опыт по отливке, переплаву,
ковке без изменений. В связи с крупными
сечениями, подвергаемыми сварке, и ха-
рактером легирования применяемых при
этом сталей пришлось создать принципи-
ально новую электрошлаковую техноло-
гию укрупнения заготовок.

Широко распространенный способ ЭШС
плавящимся мундштуком поковок большо-
го сечения и сложной формы не в состоя-
нии удовлетворить требованиям, предъяв-
ляемым к сварным соединениям слитков
ЭШП и поковок из них. Как известно, ме-
талл проволочных электродов, используе-
мых при ЭШП плавящимся мундштуком,
обычно существенно отличается по хими-
ческому составу от металла свариваемых
поковок, поэтому невозможно обеспечить
равноценные магнитные характеристики и
Рис. 351. Блок-схема производства сварноко-
ваных валов роторов турбогенераторов.

Рис. 352. Схема расположения электродов в за-
зоре при ЭШС старым (а) и новым (б) спосо-
бами.

механические свойства в шве и поковках
сварной заготовки. При раздельной пода-
че в зону сварки множества проволочных
электродов (рис. 352, а) всегда возможно
заклинивание одного из них в мундштуке,
в результате чего в сварном соединении
возникает несплавление. Это резко снижа-
ет надежность указанного способа. Кроме
того, при ЭШС плавящимся мундштуком
закаливающихся на воздухе сталей необ-
ходим сопутствующий нагрев изделия до
температуры не менее 400° С. Это также
затрудняет использование ЭШС плавя-
щимся мундштуком применительно к укруп-
нению слитков ЭШП из роторной стали.

В связи с этим в ИЭС им. Е. О. Пато-
на АН УССР разработан новый высоко-
эффективный способ ЭШС слитков боль-
шого сечения, который гарантирует высо-
кое качество сварных соединений
(рис. 352, б). Этот способ сварки запатен-
тован практически во всех промышленно
развитых странах.

ЭШС позволяет сваривать швами точ-
но такого же состава, как и основной ме-
талл, заготовки любых сечений, практиче-
ски неограниченных габаритов, например
диаметром 3000 мм или сечением 3 X 3 м.

На основе электрошлакового процесса
разработаны принципиально новая высо-
коэффективная технология и оборудование
для изготовления слитков путем ЭШП и
укрупнения их или поковок из них с по-
мощью нового способа ЭШС в заготовки
практически неограниченной большой мас-
сы [48, 44].

Новый способ скорее напоминает ЭШП,
чем традиционную сварку: сварочный за-
зор измеряют сотнями миллиметров, ис-
пользуют электроды большого сечения
массой в несколько тонн того же химиче-
ского состава, что и свариваемые заготов-
ки; мощность источника питания достига-
ет 4000—5000 кВА. Схема процесса ЭШС
новым способом, названным ЭШСБ, пред-
ставлена на рис. 353. Сварка выполняется
с применением четырех расходуемых элек-
тродов большого сечения того же состава,
что и свариваемые заготовки. Два элек-
трода устанавливают в сварочном зазоре
неподвижно относительно свариваемых
кромок, а два других одновременно пода-
ют в шлаковую ванну. Токоподводящие
кабели от силового трансформатора к рас-
ходуемым электродам выполняются бифи-
лированными. Это снижает индуктивное
сопротивление силового электрического
контура и повышает электротехнические
характеристики сварочной установки.

Перед сваркой к торцам заготовок
привариваются нижний и верхний техно-
логические карманы для выведения шва.
Желательно, чтобы они были изготовлены
из той же стали, что и заготовки. Послед-
ние устанавливаются с учетом заданных
зазоров и соблюдения мер для компенсации
сварочных деформаций с целью предотвра-
щения искривления оси заготовки.

В зазоре сначала выставляются не-
подвижные электроды, положение которых
в зазоре корректируется (рис. 354). На-
ружные части свариваемых кромок за-
крываются водоохлаждаемыми накладка-
ми. ЭШСБ начинается с предварительной
сифонной заливки расплавленного шлака
в сварочный зазор. Скорость сварки при-
мерно 0,4—0,5 м/ч.

Способ ЭШСБ характерен большим
вводом теплоты по сравнению со способом
ЭШС плавящимся мундштуком. Напри-
мер, если при ЭШС плавящимся мундшту-

, Р

ком удельная энергия (<?ул = —» , где

Р — мощность на шлаковой ванне; исв —
скорость сварки; 6 — толщина изделия)
составляет 0,04—0,07 кВт/см2, то при
ЭШСБ она возрастает до 0,10—
0,15 кВт/см2 Это обеспечивает необходи-
мый подогрев свариваемых слитков или
поковок в процессе сварки и позволяет
отказаться от их специального предвари-
тельного и сопутствующего нагрева даже
в случае сварки закаливающихся на воз-
духе сталей.

ЭШСБ дает также возможность бла-
годаря энергичному рафинированию жид-
кого металла в значительной мере решить
проблему предотвращения образования
трещин в металле шва при высоком со-
держании углерода. Благодаря своеобраз-
ному характеру термодеформационного
цикла, свойственного ЭШСБ, появляется
возможность ослабить опасность появления
несплошностей в околошовной зоне свари-
ваемого металла в виде надрывов, кристал-
лизационных, гранулярных трещин и т. д.

Рис. 353. Схема процесса ЭШС крупных заго-
товок.

Рис. 354. Расположение неподвижных и по-
движных электродов в сварочном зазоре при
процессе ЭШСБ.
Способ ЭШСБ заготовок большого по-
перечного сечения имеет существенные
преимущества по сравнению с известными
способами сварки, при которых применя-
ется большое число проволочных элек-
тродов. Прежде всего упрощается свароч-
ное оборудование, резко повышается на-
дежность процесса сварки; снижается до
минимума возможность образования тре-
щин в сварных соединениях; уменьшаются
затраты труда на изготовление сварочных
электродов; отпадает необходимость в
предварительном и сопутствующем нагре-
ве заготовок при ЭШС; обеспечиваются
химическая и структурная однородность
сварных соединений, а также высокие и
однородные механические свойства свар-
ных заготовок; повышаются технико-эко-
номические показатели сварочного про-
цесса.

На рис. 355 показан внешний вид свар-
ных швов, выполненных при сварке по но-
вой технологии 40-тонных слитков ЭШП
диаметром 1500 мм.

Рис. 355. Внешний вид сварного соединения
слитков электрошлаковой стали, сваренных
ЭШСБ.

Производственная практика последних
лет подтвердила высокую эффективность
способа ЭШСБ. Этим способом сваривали
без предварительного и сопутствующего
подогрева заготовки диаметром 1500. 2000,
2500 мм из роторных сталей типа
25ХНЗМФА и 25НЗМФА. При этом холод-
ные трещины в сварном соединении отсут-
ствовали. Практика подтвердила также
возможность использования электродов
того же состава, что и основной металл,
без снижения содержания углерода в них.
Разумеется, это обеспечивает идентич-
ность химического состава и механических
свойств шва и свариваемых заготовок.

В ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР
разработана и спроектирована установка
У-658, на которой реализуется ЭШСБ заго-
товок диаметром до 2500 мм. Одна из та-
ких установок, изготовленная Новосибир-
ским заводом электротермического обору-
дования, поставлена по контракту фран-
цузской фирме «Крезо—Луар» (рис. 356).

Масса подвижных электродов, пода-
ваемых установкой У-658, достигает 8 т.
максимальный сварочный ток равен
40000 А, высота установки около 11 м.
Положение электродов может регулиро-
Рис. 356. Общий вид установки У-658.

ваться как вдоль, так и поперек сварочно-
го зазора с помощью специальных меха-
низмов. Привод вертикального перемеще-
ния электродов и цепи управления им
сдублированы в виде независимых бло-
ков, что практически исключает перерывы
в подаче электродов. Сварка и переплав
выполняются в ручном режиме работы
или автоматически по заранее заданной
программе [5, 61].

Использование новой технологии укруп-
нения заготовок путем ЭШСБ с примене-
нием установки У-658 позволило ряду за-
водов без дополнительных затрат на основ-
ное металлургическое и ковочное оборудо-
вание, а также без изменения существую-
щей технологии получения слитков, их
термообработки и ковки приступить к
изготовлению роторов для турбогенерато-
ров массой 180 и 250 т. Первые изготовля-
ются путем соединения двух, вторые — пу-
тем соединения трех поковок.

В последние годы ИЭС им. Е. О. Па-
тона АН УССР совместно с ПО Жданов-
тяжмаш и Новокраматорским машино-
строительным заводом им. В. И. Ленина
разработали способ ЭШС заготовок сверх-
крупных сечений из легированных сталей

с высоким содержанием углерода (до
1,5%) [41]. ЭШС по этому способу выпол-
няется неподвижными электродами с по-
дачей в сварочный зазор кусковых приса-
дочных материалов. Этот способ получил
сокращенное название ЭШС КПМ.

Сварочная установка для выполнения
этого способа предельно проста, так как
не нужны механизмы подачи расходуемых
электродов. Она состоит из источника
питания, короткой сети, соединяющей его
с неподвижными электродами, и простой
сварочной оснастки. Поэтому сварку мож-
но выполнять практически и без установ-
ки ЭШС, достаточно иметь источник тока
необходимой мощности.

Ввод кусковых материалов обеспечи-
вает формирование мелкозернистой дез-
ориентированной структуры металла шва,
что наряду с благоприятными термоде-
формационными условиями, создающими-
ся при способе ЭШС КПМ, способствует
получению сварных соединений легиро-
ванных высокоуглеродистых сталей без
горячих и холодных трещин. Поэтому ука-
занный способ находит применение при
изготовлении сварных заготовок рабочих и
опорных прокатных валков.

§ 4.	Моноблочные заготовки
из электрошлаковой стали

Как уже отмечалось, наиболее высокое
качество крупных заготовок достигается
в случае изготовления их из металла
ЭШП. Основные особенности сталей ЭШП
описаны в предыдущих главах. В настоя-
щем параграфе описываются только те
свойства, которые вытекают из специфики
применения этих сталей (валы роторов, ге-
нераторов, диски турбин, валки прокат-
ных станов и т. д.) и получения крупно-
тоннажных (свыше 10 т) электрошлако-
вых слитков.

Структура слитка. Известно, что слу-
жебные свойства стали в значительной
степени определяются металлургическими
характеристиками слитка и в первую оче-
редь его строением.

По структуре и однородности слитки
ЭШП существенно отличаются от слитков,
выплавленных обычными способами. Как
правило, макроструктура слитков неболь-
I

494

(ДО
пол-

по-
иса-
учил

Таблица 389. Химический состав металла 40-тонного слитка, выплавленного в СССР, %

Место отбора пробы	с	81	Мп	Р	8	Сг	Мо	Ы1	V	А1
Дно	0,25	0,24	0,65	0,013	0,003	1,09	0,88	0,66	0,36	0,003
Голова	0,28	0,18	0,73	0,010	0,004	1,09	0,88	0,66	0,36	0.001

гния
как
мых
1ика

его
стой
!ОЖ-
нов-
гока

ечи-
дез-
пва,
оде-
1МИ-
вует
про-
бег
ука-
при
IX и

того сечения (диаметром до 400—500 мм)
получается столбчатой, зоны равноосных
кристаллов и У-образных сегрегаций не
наблюдаются [21, 23, 30, 47]. Однако уже
в 12—14-тонных слитках диамером 800—
1150 мм [21, 30, 47] наблюдается образова-
ние наряду со столбчатой структурой зо-
ны равноосных кристаллов. В слитках диа-
метром 1500 мм в головной части ино-
гда обнаруживаются даже шнуроподобные
ликвационные полосы [32]. При этом
преобладающей структурной зоной в таких
слитках является зона столбчатых кристал-
лов с однородной химической структурой.

Рис. 357. Распределение элементов по сечению

диска, изготовленного из слитка
сой 12 т.

ЭШП мас-

Следует отметить, что появление зоны
равноосных кристаллов не является при-
знаком ухудшения качества электрошла-
кового металла. В слитках ЭШП массой
12—14 т качество металла в зонах столб-
чатой и равноосной кристаллизации по
содержанию кислорода и неметалличе-
ских включений практически одинаково
[46]. При этом распределение химических
элементов по сечению слитков равномер-
ное. На рис. 357 показано распределение
элементов по сечению диска, изготовлен-
ного из 12-тонного слитка ЭШП хромони-
келемолибденовой стали [19].

Исследование качества металла 40-тон-
ного слитка ЭШП, выплавленного в СССР,
показало, что содержание элементов в раз-
личных частях поверхности слитка соот-

н

НтОный хиштшй

<из койиа)

состаб

С 81
0,34 0,15

Мп
0,75

8 Р

0.012 0,014

Сг № МО
0,95 287 0,35

>кое
5ТСЯ
лла
ПП
гон-

те
ики

ге-
:ат-
1НО-
1КО-

с
0,55

81
0,23

Р
0,015

Сг
0,90

ЛП
0,75

М
2,92

5
0,020

МО
0,36

0
0,36

81
0,16

С
0,54

81

0,15

мп

8 Р

сг ш мо

0,75 0,012 0,012 0.30 2,83 0.36

мп

0,75

8 Р

0,012 0,014

I ' I

сг т мо
0,92 2,65 0,35

Верх слитка

к

лу-
ной

1МИ

(че-

тки
:ов,
\ак
ль-

I

С 81 Мп

0,34 0,15 0,76

$

Р

Сг Ш

МО

0,012 0,013 0,90 2,83 0,37
С 81 МП
0,36 0,14 0,75

С 5/ Мп 8

Р Сг № МО

8

р

0,011 0.012

0,35 0,16 0,78 0,011 0,015 0,30 2,85 0,57
Сг № Мо
0.32 2,30 0,34

С 81 МП
0,34 0,15 0,77

5

0,012

Р Сг № МО
0,014 0,93 2,86 0,37

С 51 Мп 8

Р Сг Ш Мо

0,36 0,15 0,74 0,012 0,015 0,31 2,30 0,57
ветствует граничным данным, приведенным
в табл. 389.

При сравнении свойств крупнотоннаж-
ных слитков нужно иметь в виду, что
большое значение для формирования
структуры слитка ЭШП и качества метал-
ла имеет технологическая схема перепла-
ва. Иллюстрацией этому служит следую-
щий пример.

Один из слитков ЭШП с ликвацион-
ными шнурами был выплавлен на 50-тон-
ной одноэлектродной печи фирмы «Кобе
стил» (Япония). Электрод, используемый
для переплава, был откован из 43-тонного
слитка вакуумированной стали и пред-
ставлял собой трехступенчатую поковку с
диаметром сечения ступеней 900, 1050 и
1200 мм.

Схема выплавки, примененная фирмой
«Кобе стил», является не самой лучшей с
точки зрения ЭШП крупнотоннажных
слитков. Появлению ликвационных шну-
ров способствует образование широкой
двухфазной зоны между изотермами лик-
видуса и солидуса вдоль оси слитка. Ши-
рина этой зоны у японцев на расстоянии
1,5 м от донной части имела 30 мм. Умень-
шением скорости плавления, а следова-
тельно, и ширины двухфазной зоны уда-
лось несколько уменьшить протяженность
ликвационных полос.

Между тем эффективным средством
уменьшения ширины двухфазной зоны яв-
ляется, как известно [45], применение
многоэлектродной схемы ЭШП, предло-
женной в СССР для выплавки крупнотон-
нажных слитков. Эта схема хороша и по
следующим соображениям. Известно, что
степень макросегрегации в слитках ЭШП
зависит от степени сегрегации переплав-
ляемого электрода. Естественно, что в не-
скольких электродах сравнительно мало-
го сечения степень сегрегации будет суще-
ственно меньше, чем в одном электроде
большого сечения, как в вертикальном,
так и в горизонтальном направлении.

Применение 4-электродной схемы на
165-тонной печи фирмы «Рехлинг—Бур-
бах» позволило в слитках ЭШП диамет-
ром 2300 мм получить однородное рас-
пределение легирующих элементов [11].
Даже по тем элементам, которые обычно
склонны к макросегрегации, не было осо-

бых различий в концентрациях (см.
рис. 337). Эти преимущества имеют осо-
бое значение для термообработки крупных
поковок.

Особое значение при производстве вы-
сококачественных сталей и сплавов имеет
дендритная неоднородность слитка ЭШП.
И. Н. Голиковым [15] показано, что во-
локнистая химическая неоднородность про-
катанной стали, являющаяся следствием
дендритной неоднородности слитка, в ре-
шающей степени ответственна за пони-
женную прочность металла и изделий из
него. С волокнистой химической неодно-
родностью связана анизотропия механи-
ческих свойств стали. Ликвация при ден-
дритной кристаллизации в значительной
мере влияет также на размеры, состав,
характер распределения и количество не-
металлических включений.

Для дендритной структуры характерны
две главные особенности: во-первых, мик-
росегрегация, показателем которой может
быть коэффициент, представляющий собой
отношение между максимальной и мини-
мальной концентрациями примеси: во-вто-
рых, дисперсность дендритной структуры,
показателем которой может быть протя-
женность осей второго порядка или рас-
стояние между ними.

Чем меньше степень микросегрегации
и чем выше дисперсность структуры, тем
однороднее металл, тем лучше его свой-
ства. С повышением дисперсности струк-
туры более полно протекает выравниваю-
щая диффузия при нагреве металла.

Было проведено сравнительное иссле-
дование дендритной структуры слитков
ЭШП диаметром 150, 300 и 1300 мм [30].

Исследование дендритной структуры в
слитках диаметром 150 и 300 мм проводи-
ли на продольных темплетах в средней
по высоте части слитка. Для изучения ли-
той структуры слитка диаметром 1300 мм
вырезались продольные темплеты на че-
тырех горизонтах слитка (рис. 358).

Макроструктура слитков диаметром
150 и 300 мм была однозонной и пред-
ставлена столбчатыми кристаллами с раз-
витыми дендритными осями первого по-
рядка. Расстояние между осями первого
порядка (дендритный интервал) колеба-
лось от периферии к центру в пределах
Рис. 358. Схема расположения структурных зон
и отбора проб для исследований в слитке диа-
метром 1300 мм.

Рис. 359. Протяженность вторичных ветвей
дендритов в центре обычного слитка (1) и слит-
ка ЭШП (2) [55].

0,8—2 мм. Дендритные оси второго по-
рядка в этих слитках были развиты слабо,
их длина составляла всего 0,25—0,8 мм и
расстояние между ними (дисперсность
структуры) не превышало 0,17—0,19 мм.

Литая структура слитка диаметром
1300 мм имела двухзонное строение: по
периферии располагалась зона столбчатых
кристаллов протяженностью 350—400 мм,
а в осевой части — зона равноосных кри-
сталлов, развитие которых начиналось на
уровне 500 мм от донной части слитка.

Дендритный интервал на периферии
крупнотоннажного слитка составлял 1,4—
1,6 мм, на половине радиуса слитка —
1,9—2,2 мм, а в зоне равноосных кристал-
лов достигал 3,6—3,8 мм.

Аналогично изменяется в этом случае
и дисперсность дендритной структуры. Рас-
стояние между осями второго порядка на
периферии слитка диаметром 1300 мм со-
ставляло 0,12 мм, на половине радиуса —
0,8 мм и в зоне равноосных кристаллов —
1,5—1,6 мм.

Развитие дендритной структуры зоны
равноосных кристаллов завершается ося-
ми третьего порядка, длина которых до-
стигает 0,6—0,8 мм.

Из приведенных данных следует, что с
увеличением диаметра слитков, а также
по мере перехода от периферии к центру
крупнотоннажного слитка ЭШП наблюда-
ется существенное огрубление дендритной
структуры. Вместе с тем по сравнению с
обычными слитками дендритная структура
слитков ЭШП более тонкая.

На рис. 359 показано, как протяжен-
ность вторичных ветвей дендритов в цент-
ре ЭШП и обычных слитков увеличивает-
ся с увеличением диаметра слитка. На ди-
аграмме в полулогарифмических коорди-
натах приведены реальные данные для
слитков диаметром 70—1000 мм. Все дан-
ные ложатся на прямую линию, что позво-
ляет легко экстраполировать эти результа-
ты на слитки большего диаметра. Из срав-
нения результатов, полученных для слитков
ЭШП и обычных слитков, видно, что про-
тяженность вторичных ветвей дендритов
у переплавленного слитка будет в 2 раза
меньше. Другими словами, диаметр слит-
ка ЭШП может вдвое превышать диаметр
обычного при сравнимой длине вторичных
ветвей дендритов. Даже тогда структура
слитка ЭШП будет лучше.

Однородность процесса ЭШП, особен-
но по фронту кристаллизации, видна из
показателей микросегрегации слитков
(рис. 360). Эти значения, которые постоян-
но остаются низкими, имеют особую важ-
ность для прочностных характеристик. Они
намного отличаются от тех, которые имеют
обычные слитки сопоставимых размеров.

Характерно, что для слитка ЭШП диа-
метром 2300 мм степень микросегрегации
Рис. 360. Микросегрегация (отношение макси-
мального содержания элементов к минималь-
ному) различных элементов на срезе обычного
слитка (I) и слитка ЭШП диаметром 2300 мм
(7/ЛН1-
хрома и молибдена составила в среднем
соответственно 1,3 и 2,0. Подобные же ре-
зультаты получены и для слитка диамет-
ром всего 300 мм из валковой стали, со-
держащей 0,40% С; 5% Сг; 1% Мои 1% V,
в котором степень сегрегации хрома и мо-
либдена соответственно были 1,34 и 1,98
[9]. Это подтверждает теоретический вы-
вод, сделанный в работе [8], о том, что
при надлежащей скорости наплавления
слитка ЭШП степень микроликвации с
увеличением диаметра слитка не изменя-
ется, будучи значительно ниже, чем у ме-
талла, отлитого в обычную изложницу.

Неметаллические включения. В слит-
ках, полученных обычным способом [13],
всегда содержатся включения до 6 и 7 бал-
лов (по шкале Диргартена). Эти включе-
ния часто сосредоточиваются в определен-
ных участках слитка. Неметаллические
включения могут быть трех видов: суль-
фиды, оксиды и нитриды. Наиболее круп-
ные включения образуются из оксидов
или оксисульфидов, которые резко снижа-
ют свойства стали. При этом распределе-
ние неметаллических включений в слитке
неразрывно связано с условиями кристал-
лизации отдельных зон слитка. Повышен-
ное количество неметаллических включе-
ний (как сульфидов, так и оксидов) на-
блюдают в конце зоны транскристаллиза-
ции, в зоне У-образной сегрегации. Скоп-
ления оксидных включений образуются в
донной части слитка в конусе осаждения.
Повышенное содержание и крупные раз-
меры сульфидов наблюдают в осевых

объемах, а также в головной части слитка
[18]. В связи с благоприятными условия-
ми кристаллизации металла при ЭШП и
отсутствием наиболее опасных с точки
зрения наличия неметаллических включе-
ний структурных зон металл ЭШП характе-
ризуется практически полным отсутствием
крупных включений. Этому способствуют
также процессы рафинирования при ЭШП.

Вопросам рафинирования стали от се-
ры и кислорода при ЭШП крупнотоннаж-
ных слитков посвящено много работ. Уста-
новлено [29], что при ЭШП 5,5—12-тон-
ных слитков жаропрочной стали 15X11МФБ
степень десульфурации металла не превы-
шала 19%, если ЭШП проводили без рас-
кисления шлаковой ванны. При раскисле-
нии шлаковой ванны алюминием достига-
лось устойчивое снижение содержания се-
ры по всей высоте слитка почти вдвое.
При этом содержание кислорода снижа-
лось в 2—2,6 раза, если исходная сталь
выплавлялась в основной электрической
или мартеновской печи, и в 6 раз, если
исходная сталь выплавлялась в мартенов-
ской печи с кислой футеровкой. Аналогич-
ные результаты получены в работе [53]
при ЭШП 13-тонных слитков роторной
стали 36ХН1МФАР. Несмотря на высокую
степень чистоты исходного металла, в ре-
зультате ЭШП 14-тонных слитков диамет-
ром 1200 мм французской валковой хро-
момолибденованадиевой стали 1ДК8 про-
изошло заметное уменьшение содержания
серы (с 0,008 до 0,001—0,002%) и кисло-
рода (с 0,0030 до 0,0015%, т. е. в 2 раза)
[27]. В 40-тонных слитках диаметром
1500 мм, получаемых ЭШП по одноэлек-
тродной схеме [31, 32], не обнаруживается
сегрегации серы, которая соответствова-
ла бы сегрегации серы по высоте электро-
да, что объясняется десульфурацией ме-
талла шлаком, которая в донной части
слитка составляет 50%. Снижение содер-
жания кислорода при этом достигает
70% при абсолютном значении 0,0007—
0,0020%.

Вместе с тем имеются данные [23], что
для некоторых материалов во время ЭШП
содержание кислорода остается неизмен-
ным или даже немного увеличивается.
Однако это вовсе не означает, что количе-
ство оксидных включений в металле ЭШП
Рис. 361. Зависимость размера включений от
частоты (включения размером более 2 мкм)
в хромомолибденованадиевой стали (3% Сг),
полученной открытой выплавкой (1) и методом
ЭШП (2) [23].

Рис. 362. Зависимость размеров (а) и часто-
ты (б) оксидных включений от содержания
кислорода в нержавеющих сталях, выплавлен-
ных в электродуговой печи (1) и печи ЭШП (2).
останется неизменным по сравнению с ме-
таллом обычной выплавки. Основной при-
чиной повышения чистоты стали ЭШП
является то, что неметаллические включе-
ния образуются в переплавленном слитке
в гораздо более мелкодисперсном виде и
равномерно распределены по объему. Они
не образуют сегрегаций или скоплений.

Для сравнения размеров и частоты
включений в стали ЭШП и стали обычной
выплавки проведены подробные числен-
ные оценки включений величиной до не-
скольких микрометров. На рис. 361 приве-
дены типичные результаты таких сравне-
ний для хромомолибденованадиевой стали
(3% Сг). Общее содержание кислорода,
определенное методом вакуум-плавления,
фактически одинаково для материала
электрода из стали, выплавленной в ос-
новной дуговой электропечи под двойным
шлаком, и полученного слитка ЭШП и ко-
леблется в пределах 0,0035—0,0040%. Кро-
ме наименьших измеренных частиц (т. е.
2,5 мкм), размеры и частота включений в

металле ЭШП значительно меньше, чем в
электроде.

Аналогичные результаты получены [55]
при сравнении частоты и размеров оксид-
ных и сульфидных включений в нержа-
веющей стали, выплавленной методом
ЭШП и обычным способом. Даже без
уменьшения содержания кислорода и се-
ры в металле, прошедшем ЭШП, число
оксидных и сульфидных включений умень-
шается (рис. 362, 363).

В настоящее время крайне мало дан-
ных о влиянии размера слитка ЭШП на
размер, число и распределение неметал-
лических включений. Следует полагать,
что эта зависимость носит линейный ха-
рактер, исходя из того, что расстояния
между осями второго порядка при ЭШП
увеличиваются пропорционально попереч-
ному размеру слитка [8].

Поэтому средний линейный размер та-
ких неметаллических фаз, выделяющихся
при дендритной кристаллизации, как
эвтектические фазы (в первую очередь,
сульфиды, а также некоторые виды окси-
дов и нитриды), тоже должен возрастать
пропорционально линейному размеру слит-
ка. Кроме того, между распределением
неметаллических включений и макрострук-
турой слитка, как известно, существует
тесная взаимосвязь. Поэтому следовало
ожидать, что с увеличением сечения слит-
ка и появлением структурных зон, прису-
щих слиткам, кристаллизующимся в обыч-
ных изложницах, загрязнение стали неме-
таллическими включениями должно не-
сколько увеличиваться.

В работе [30] изучали распределение
неметаллических включений по сечению и
высоте слитков диаметром 150, 300 и
1300 мм в зависимости от характера ден-
дритной структуры с помощью телевизи-
онного металломикроскопа «Квантимет
720».

Тщательные исследования (определе-
ния проводились через каждые 30—40 мм
от периферии к центру слитка на площа-
ди шлифа 50 мм2) показали, что незави-
симо от диаметра слитков сульфидные и
оксидные включения равномерно распре-
делены по сечению слитков (рис. 364).
Эти данные подтверждаются результата-
ми химического анализа по сере и газо-
вым анализом по кислороду.

Следует отметить, что при одинаковом
исходном содержании кислорода в расхо-

Рис. 363. Зависимость размеров (а) и часто-
ты (б) сульфидных включений от содержания
серы в нержавеющих сталях, выплавленных в
электродуговой печн (1) и печи ЭШП (2).

Рис. 364. Распределение оксидных и сульфид-
ных включений серы и кислорода в слитке диа-
метром 1300 мм.

дуемых электродах (0,0080%) количество
кислорода снизилось в слитке ЭШП диа-
метром 1300 мм до 0,0016%, в слитке диа-
метром 300 мм до 0,0022% и в слитке диа-
метром 150 мм до 0,0028%.

Результаты количественного определе-
ния неметаллических включений показа-
ли, что кислород в слитках ЭШП связан в
основном в равномерно распределенные
оксидные включения размером от 4 до
12 мкм (рис. 365). Среднее число оксидов
такого типа на шлифе площадью 50 мм2
составляет в слитке диаметром 1300 мм
35—40, в слитке диаметром 300 мм —
100—НО и в слитке диаметром 150 мм —
180—190.

Количество оксидов размером более
12 мкм во всех слитках было незначитель-
ным. При этом отсутствует тенденция к
укрупнению включений и увеличению их
доли от периферии слитка к центру, а
также с увеличением диаметра слитка.

Качественная оценка оксидных вклю-
чений размером 4—12 мкм на рентгено-
спектральном микрозонде «Камека» и их
металлографический анализ показали, что
во всех исследуемых слитках преобладают
глобули вюстита (РеО), кварцевого стек-
ла (8Ю2) и реже встречаются феррохро-
мовые шпинели. Включения размерами
Рис. 365. Распределение оксидных включений
по размерным группам и содержание кислорода
в слитках диаметром 150 мм (а), 300 мм (б)
и 1300 мм (в):

I — количество оксидных включений размером 4—
12 мкм; 2 — то же, размером более 12 мкм; 3 — со-
держание кислорода.

более 12 мкм представляют собой корунд
(АЬОз) или сложные оксиды, содержащие
А1, 81, Ре, Мп. Подобные включения в ко-
личестве не более 4—6 на шлифе пло-
щадью 50 мм2 встречаются как на пери-
ферии, так и в центре слитков ЭШП раз-
личного диаметра.

Таким образом, результаты проведен-
ных исследований показали, что увеличе-
ние диаметра слитков ЭШП и, как след-
ствие, некоторое огрубление дендритной
структуры не оказывают существенного

Рис. 366. Укрупнение сульфидных включений
в слитке ЭШП диаметром 1300 мм.

Рис. 367. Зависимость скорости плавки, отне-
сенной к единице площади поверхности шлака,
подверженной влиянию атмосферы (а), от
диаметра слитка.

Таблица 390. Состав сульфидных
включений, %

Диа- метр слитка, мм	Место от- бора образ- цов	Ре	Мп	8	Сг
300	Периферия	1,66	48,1	30,5	0,12
	*/2 7?	1,76	57,7	32,1	0,32
	Центр	2.75	56,36	32,56	0,19
1300	Периферия	1,79	56,02	28,0	0,068
	1/2 7?	1,39	56,35	33,3	0,18
	Центр	0,59	57,49	34,8	—

влияния на размер, форму и природу
оксидных включений.

Как уже указывалось, во всех исследо-
ваниях в слитках было обнаружено рав-
номерное распределение сульфидных вклю-
чений по сечению слитка. Однако форма
и размер сульфидов и оксисульфидов
существенно изменяются с увеличением
диаметра слитков, а в крупнотоннажных
слитках — и от периферии к центру. Внеш-
ний вид сульфидных и оксисульфидных
включений изменяется от глобулярной и
овальной формы на периферии слитков
до разветвленной, цепочечной в центре
слитков.

При исследовании состава сульфид-
ных включений микрорентгеноспектраль-
ным и металлографическим методами обна-
ружено в сульфидной фазе наличие глав-
ным образом сульфидов марганца (Мп8)
и в незначительной степени сульфидов
железа (Ре8) (табл. 390). Оксисульфиды
представляют собой матрицу из сульфида
марганца с вкраплениями окислов хрома,
алюминия. Качественный состав сульфид-
ных включений всех размерных групп
практически одинаков.

Количественный визуальный подсчет
сульфидных и окснсульфидных включений
на металломнкроскопе «Пеор1ю1-2» пока-
зал, что сульфидные включения во всех
исследуемых слитках представлены пре-
имущественно размерной группой от 6 до
12 мкм. Наряду с этим от периферии к
центру слитков значительно увеличивает-
ся число сульфидов размерной группы от
12 до 18 мкм (рис. 366). Следует также
отметить, что в электрошлаковых слитках
диаметром 150 и 300 мм, а также в зоне
столбчатых кристаллов крупнотоннажного
слитка не обнаружены сульфиды размера-
ми более 18 мкм. В зоне равноосных кри-
сталлов слитка диаметром 1300 мм выяв-
лены сульфиды размерами от 18 до 24 мкм.

Из приведенных данных следует, что
с увеличением размеров слитков, а также
по мере перехода от периферии к центру
слитка происходит заметное увеличение
линейных размеров сульфидных включе-
ний в полном соответствии с уменьшени-
ем дисперсности дендритной структуры.

Таким образом, проведенные исследо-
вания со всей очевидностью показали, что
на процесс образования сульфидных вклю-
чений и их размеры существенно влияет
ликвация серы, развивающаяся в двух-
фазной зоне слитков ЭШП при их кри-
сталлизации. С увеличением диаметра
электрошлакового слитка и ростом зоны
двухфазного состояния металла размер
сульфидных включений увеличивается. От-
сутствие подобной зависимости размера
оксидных включений от температурного
градиента металлической ванны, по-види-
мому, связано с тем, что процесс их обра-
зования в основном завершается на ран-
них стадиях кристаллизации и не зависит
от дендритной ликвации кислорода у
фронта затвердевания.

Следует отметить большое влияние на
степень чистоты стали от неметаллических
включений технологических параметров
процесса ЭШП и подготовки исходного
металла для электродов. Так, например,
в слитках ЭШП из валковой стали 1ДК8,
выплавленных в СССР по заказу зарубеж-
ных фирм, несмотря на довольно зна-
чительный диаметр слитков (1200 мм),

было получено равномерное распределе-
ние сульфидов и оксидов, размер которых
не превышал 4—8 мкм и 10—12 мкм со-
ответственно [27]. Аналогичные результа-
ты получены при выплавке слитка ЭШП
диаметром 2300 мм на 4-электродной печи
фирмы «Рехлинг—Бурбах». В этом слитке
оксиды так же, как и сульфиды, распре-
делены равномерно и не превышают ин-
декса 2 по шкале Диргартена [11]. Харак-
терно, что такое распределение и размер
включений были получены и на слитках
ЭШП диаметром до 800 мм из валковой
стали 85СгМоУ7 [10]. Это свидетельству-
ет о том, что при выплавке особокрупно-
тоннажных слитков ЭШП технологическим
параметрам процесса и подготовке элек-
тродов следует уделять особое внимание.

Поведение водорода. Известно, что низ-
колегированные стали имеют дефекты
из-за пятнистой ликвации, вызываемой во-
дородом. Поэтому в процессе ЭШП, кото-
рый длится продолжительное время, осо-
бенно в случаях крупных слитков, очень
важно контролировать поведение водо-
рода.

С увеличением диаметра слитка объем
металлической ванны и свободная поверх-
ность перегретого жидкого флюса над ме-
таллической ванной увеличиваются, а ско-
рость роста слитка уменьшается. Вслед-
ствие этого увеличивается масса жидкого
металла в металлической ванне на едини-
цу поверхности шлака, подверженной
влиянию атмосферы, а время пребывания
жидкого металла в ванне возрастает
(рис. 367). Поэтому особо остро встает
вопрос предотвращения насыщения метал-
ла водородом.

Исследовалось поведение водорода при
электрошлаковой выплавле 40-тонных
слитков хромомолибденовой стали [19].
Данные этого исследования (табл. 391)
свидетельствуют о существенном повыше-
нии содержания водорода по сравнению
с электродным металлом в крупнотоннаж-
ных слитках ЭШП. Поэтому при электро-
шлаковой выплавке крупных слитков чрез-
вычайно важно преградить все пути до-
ступа водорода к металлу.

В слиток ЭШП водород попадает в
основном из следующих трех источников!
из самого электрода; адсорбированной
Таблица 391. Поведение водорода
в процессе ЭШП

Флюс при ЭШП	Время взятия про- бы от начала плавки, мин	Содержание во- дорода, см3 на 100 г	
		в пробах	в стали
СаГ2—А12О3	20	0,89	5,81
		6,7	
	30	0,60	6,22
		6,82	
СаР2—СаО	23	0,90	13,52
		14,42	
СаР2—А12О3 с защи-	23	0,90	2,43
ТОЙ		3,33	
СаР2—СаО с защитой	36	0,60	2,47
		3.07	
СаЕ2—СаО—$Ю2— А12О3	21	0,85  3.84	2,99

Примечание. В числителе приведены данные для
электрода, в знаменателе — для жидкой ванны.

или связанной воды во флюсе; из водя-
ных паров в атмосфере. Исходя из этого
для крупных слитков ЭШП количество
водорода в металле регулируют, исполь-
зуя вакуумированную сталь для расходуе-
мого электрода, жидкий старт и контро-
лируемую атмосферу в процессе ЭШП, а
также другие технологические приемы

(продувка металла и шлака газовыми
смесями, подбор состава шлака). Такие
меры позволяют получать крупные слитки
ЭШП с низким содержанием водорода.
Так, для слитка диаметром 2300 мм со-
держание водорода в металле ЭШП уда-
лось удержать на уровне его содержания
в вакуумированном металле расходуемого
электрода (в среднем 0,0002%) [11]. Для
слитков диаметра 1000—1500 мм содержа-
ние водорода обеспечивается на уровне
0,0003% созданием защитной атмосферы
над шлаковой ванной [65]. В слитке ме-
талла ЭШП, выплавленном в СССР для
фирмы «Рейсхольц» из электрода из
вакуумированной стали, содержание во-
дорода составляло всего 0,00036%. При
этом распределение водорода по высоте
слитков ЭШП равномерное.

Механические свойства. Металлургиче-
ские преимущества слитков ЭШП состоят
и в улучшении механических свойств ме-
талла различных участков слитка. В тех
случаях, когда используют деформирован-
ный металл, механические свойства часто
определяют на образцах, вырезанных па-
раллельно и перпендикулярно относитель-
но направления деформации. Сравнение
на этой основе стали, полученной откры-
той выплавкой, и стали ЭШП из крупно-
тоннажных слитков показывает (табл. 392),
что металл ЭШП значительно более изо-
тропен.

Таблица 392. Сравнительные свойства стали открытой выплавки и ЭШП*

		о5, кгс/мм2		ов, кгс/мл2		6	%	ф.	%	°н-	
Материал		Вдоль прокатки	Поперек прокатки	Вдоль прокатки	Поперек прокатки	Вдоль прокатки	Поперек прокатки	Вдоль прокатки	Поперек прокатки	Вдоль прокатки	Поперек прокатки
Хромомолибденовая сталь (3% Сг), отпуск при 585° С [23]		119,4  119,3	119,8  120,3	139,9  140,7	141,3  140,4	14  14	9  14	54,5  56	21,5  47	53**  47	20 **  28
Сталь 15X11 МФБ слитка 12 т ЭШП, пуск при 740° С [29]	ИЗ	62,0	61,6	81,8	81,1	20	12,6	61,0	24,9	15,0***	3,8***
	от-	61,4	56,0	78,0	78,5	24,5	22,3	64,9	58,2	11,5	7,8
Сталь 36ХН1МФАР	из	77,0	76,0	95,0	93,0	16,9	10,2	51,0	12,2	6,2 ***	4 1***
слитка 13 т ЭШП, пуск при 640° С [53]	от-	63,0	63,0	81,0	81,0	20,6	17,5	61,0	50,0	8,9	5,8

•Образцы вырезались из средней части заготовок. В числителе приведены данные для стали открытой выплав-
ки; в знаменателе — ЭШП.

•♦ На образцах Шарли, Дж.

••♦На образцах Менаже, кгс-м/см2.
Рис. 368. Сравнение механических свойств ро-
торов из стали 28№СгМоУ14,5; ЭШП (I) и
обычной выплавки (П) [10]:

а — край, тангенциальное направление; б — край, ра-
диальное направление; в — центр, радиальное направ-
ление; 1 — о5, кгс/мм2; 2— ов, кгс/мм2; 3 — 6, %;
4 — 1]),%; 5 — ан (Шарпн)- 6 — переходная температу-
ра. °С.

Изучение изменения плотности образ-
цов 12%-ной хромистой стали по сечению
14-тонного слитка ЭШП [12] показывает
(табл. 393), что и по этому показателю
металл однороден по высоте и радиусу
слитка, так как разница величин плот-
ности не выходит за пределы точности ис-
пользованного метода измерений (гидро-
статическое взвешивание). Следует отме-
тить, что средняя удельная плотность это-
го металла до ЭШП была значительно
ниже и составляла 7,7106 г/см3.

Исследования заготовок валов турбин
диаметром 1500 мм показали (рис. 368),
что пластичность и вязкость стали откры-
той плавки значительно уменьшаются от
поверхности к центру. Эти показатели для

стали ЭШП тоже уменьшаются по направ-
лению к центру заготовки, но это умень-
шение происходит значительно медленнее.

Аналогичные результаты (табл. 394)
получены при исследовании металла дис-
ков паровых турбин из хромомолибдено-
вой стали слитков ЭШП массой 14 т [12]
и 40 т [19].

Как правило, из крупнотоннажных
слитков изготавливают поковки. Практика
показала, что поверхность слитков, изго-
товленных ЭШП, значительно лучше, чем
слитков, изготовленных обычными мето-
дами. Поверхность слитков ЭШП гораздо
ровнее и на них фактически нет шлако-
вых включений и подкорковых дефектов,
которые могут привести к растрескиванию
поверхности при ковке. Поэтому по срав-
нению со слитками, полученными откры-
той выплавкой, слитки ЭШП дают в про-
цессе ковки гораздо меньше поверхност-
ных трещин.

При ковке слитков, полученных откры-
той выплавкой, постоянно возникает про-

Таблица 393. Изменение плотности образцов
12%-ной хромистой стали по сечению 14-тонного
слитка ЭШП

Место вырезки образцов		Плот- ность, г/см-’
Координата по высоте	Координата в го- ризонтальной плоскости	
Верх слитка  Середина слитка  Низ слитка	Периферия Центр Периферия У2К Центр Периферия Центр	7,7661  7,7710  7,7770  7,7745  7,7823 7,7900  7.8215

Рис. 369. Выносливость электростали 15X11МФБ
Таблица 394. Механические свойства металла дисков паровых турбин из хромомолибденовой
стали

Сталь	Место отбора пробы	Механические свойства					
		ст0,2’ кгс/ммг	СТВ’ кгс/мм-	б, %	Ф. %	кгс - м/см2	НВ
Кислая мартеновская	Обод	53,0	68,0	18,0	49,0	9,5	227
вакуумированная ЭШП (слиток 14 т)	Центр	50,0	65,0	14,0	45,0	8,0	220
	Обод	61,0	72,0	19,5	60,0	14,5	223
ЭШП (слиток 40 т)	Центр	58,0	69,0	17,0	54,0	11,0	220
	Ступица	75,2	91,5	20,0	51,5	14,1	277
	Поверхность	74,2	88,5	19,8	62,3	12,7	269
	Ступица	72,7	89,0	20,8	62,3	14,1	269
	1/3 высоты	72,7	88,0	20,0	64,7	16,5	269
	Обод	76,0	89,3	21,6	61,8	14,5	269

блема растрескивания в центре слитка.
Этой проблемы фактически не существует
для слитков ЭШП, так как они имеют го-
раздо более качественную структуру в
центре и относительно свободны от сегре-
гаций.

Некоторые высоколегированные стали
очень чувствительны к изменениям в со-
ставе, которые влияют на пластичность
при температуре ковки. В таких случаях
уменьшение дендритной ликвации в ре-
зультате ЭШП может улучшить горячую
пластичность и, следовательно, улучшить
ковкость при различных температурах.
На рис. 83 приведены данные для стали
17/4/РН (0,05% С; 17,0% Сг; 4,25% М;
3,5% Си; 0,35% МЬ), выплавленной мето-
дом ЭШП и обычным способом [23].

Вследствие больших нагрузок на валы
турбин и генераторов интересны данные

Рис. 370. Данные испытания на усталость при
изгибе роторной 12Сг — Ы1— Мо — V — ста-
ли, полученной ВДП (1) и ЭШП (2) [68].

по выносливости сталей ЭШП, применя-
емых при их изготовлении. В работе [42]
приведены результаты испытаний образ-
цов при изгибе вращением, которые пока-
зали, что роторная сталь 15X11МФБ ЭШП
значительно превосходит эту же сталь
электропечной выплавки по сопротивляе-
мости усталостным разрушениям (рис. 369).
По выносливости при изгибе электрошла-
ковая сталь превосходит не только сталь
открытой выплавки, но и сталь, получен-
ную ВДП (рис. 370).

Рис. 371. Масса чернового слитка и поковки
для роторов [11]:

I — слитки ЭШП; // — слитки обычного производства;
1 — данные по экспериментальному слнтку; 2 — дан-
ные фирмы «Джапан стил воркс»; 3 — данные фирмы
«Ниппон чутанко тобата»; 4 — данные фирмы
«Юнайтед стейтс стил»; 5 —данные фирмы «Бетле-
хем стил»; 6 — данные фирмы «Райншталь Хаттин-
ген»; 7 —данные фирмы «Терни»; 8 — данные фирмы
«Бритиш стил корп.»; 9 — данные фирмы «Клёкнер
верке»; 10 — данные фирмы «Крезо—Луар»; //—дан-
ные фирмы «Ф. Крупп хюттенверке»; 12 — данные
фирмы «Шталь унд рёренверке Райсхольц»; 13 — дан-
ные фирмы «Витковице»; /4 —данные фирмы «Шталь-
верке Рёхлинг—Бурбах»; /5 — данные фирмы «Шталь-
верке Рёхлинг—Бурбах».

Мосса чернового слитка, т
Необходимо отметить, что благодаря
более высокому металлургическому выхо-
ду годного, а также тому, что для слитков
ЭШП не нужен столь высокий уков, как
для слитков обычной разливки, исходный
слиток ЭШП может иметь существенно
меньшую массу (рис. 371). Из этого сле-
дует, что качество металла ЭШП может
быть еще более повышено по сравнению
с качеством металла обычной разливки.
Кроме того, существующее кузнечное обо-
рудование может быть использовано для
производства кузнечных заготовок большей
массы.

§ 5.	Заготовки, получаемые способом
электрошлакового заплавления
осевого отверстия

Существует большое сходство процес-
сов канонического ЭШП и электрошлако-
вого заплавления осевого отверстия: и в

особенности, обусловленные наличием
проплавляемого металла, служащего сво-
его рода расходуемым кристаллизатором.
Во-первых, в образовании внутренней ча-
сти слитка участвует металл оплавившего-
ся расходуемого кристаллизатора, не про-
шедший обработку шлаком в процессе
капельного переноса при плавлении расхо-
дуемого электрода, а, во-вторых, остав-
шаяся часть расходуемого кристаллизато-
ра препятствует свободной усадке кри-
сталлизующегося металла центральной
зоны.

Из сравнения тепловых балансов ЭШП
в водоохлаждаемых и расходуемых кри-
сталлизаторах, выполненных на основа-
нии экспериментов, проведенных авторами
работы [28], следует, что до 30% общего
количества тепла, выделяемого в шлако-
вой ванне, идет на подогрев и расплавле-
ние стенки расходуемого кристаллизатора.
Это приводит к тому, что металл оплавив-

том и в другом случае происходят интен-
сивная обработка металла шлаком и по-
степенная кристаллизация металла срав-
нительно небольших объемов. Поэтому все
особенности электрошлакового металла в
равной степени относятся и к металлу,
полученному заплавлением центральной зо-
ны электрошлаковых или обычных слитков.

Вместе с тем при заплавлении осевого
отверстия существуют и специфические

шихся стенок составляет значительную
долю в общем объеме металла централь-
ной зоны. По данным работы [20], при
изготовлении слитка МХКВ диаметром
485 мм проплавление основного металла
по диаметру достигало приблизительно
300 мм, тогда как начальный диаметр
отверстия цилиндра составлял 155 мм
(рис. 372). Для слитка диаметром 900 мм
площадь переплавленной зоны составляла
53% общей площади сечения, в то время
как начальное трепанированное отверстие
составляло всего 13% первоначальной пло-
щади слитка. Для слитка диаметром
2100 мм зона проплавления составила
1000 мм при диаметре трепанированного
отверстия 675 мм.

Представляет интерес исследование хи-
мического состава и чистоты металла по
содержанию неметаллических включений
и газов в различных зонах слитков и по
сравнению с металлом, полученным при
обычном ЭШП. Данные исследований хи-
мического состава слитков МХКВ массой
65—125 т в различных точках поперечно-
го сечения (табл. 395) свидетельствуют о
том, что содержание основных элементов
в центральной и периферийной зонах
слитков МХКВ практически одинаково.
Некоторое снижение содержания кремния
в наплавленном металле объясняется тем,
что процесс ЭШП осуществлялся без до-

В работе [56] проведено сравнение чи-
стоты по включениям и газам металла,
выплавленного в расходуемом кристалли-
заторе и по обычной схеме ЭШП. При
этом образцы для исследований отбира-
лись таким образом, чтобы проанализи-
ровать все участки металла от периферии
к центру (рис. 374). Полученные данные
(табл. 396) показали, что рафинирование
металла при обеих схемах ЭШП практи-
чески одинаково. Одинакова и чистота ме-
талла по всему сечению переплавленного
участка заготовки, полученной ЭШП в
расходуемый кристаллизатор. По данным
петрографических исследований неметал-
лические включения в металле ЭШП соот-
ветствовали баллам 1—2, а в металле
расходуемого кристаллизатора, выплав-
ленного в электропечи,— баллам 2—3 по
ГОСТ 1778—70.

При исследовании микроструктуры ко-
ваных заготовок МХКВ не обнаруживает-

Рис. 372. Поперечный темплет слитка диамет-
ром 485 мм с заплавленной центральной зо-
ной [20].

Рис. 373. Серный отпечаток с поперечного тем-
плета 50-тонного МХКВ-слитка стали 85Мо7
[60].

Рис. 374. Схема отбора проб металла для опре-
деления содержания неметаллических включе-
ний и газов:

о —темплет из заготовки ЭШП в расходуемый кри-
сталлизатор с уковом 2,1; б — темплет от заготовки
литого металла, выплавленного в водоохлаждаемом
кристаллизаторе.

статочного раскисления шлака и металла,
о чем свидетельствует также низкое со-
держание алюминия в переплавленной
зоне. При переплаве электрода, материал
которого по составу (по содержанию угле-
рода, хрома и молибдена) отличался от
материала расходуемого кристаллизатора,
четко наблюдается эффект перемешивания
металлов. Вместе с тем эффект рафиниро-
вания металла распространяется на всю
переплавленную зону. В этой зоне на сер-
ных отпечатках наблюдаются заметное
уменьшение количества и диспергирование
сульфидных включений (рис. 373).

ся каких-либо различий между металлом
МХКВ изложницы и металлом ЭШП. Не
выявляется в микроструктуре и собствен-
но линии сплавления [60]. Это совпадает
с данными советских специалистов, полу-
чившими при ЭШП в расходуемом кри-
сталлизаторе однородную микроструктуру
по всему сечению заготовки с незначи-
тельным увеличением зерна к центру [56].

Таким образом, несмотря на то, что
значительная часть металла, образовы-
вающего центральную, переплавленную
Таблица 395. Химический состав металла на различных этапах изготовления слитков МХКВ, %

Масса слнтка, т	он/овн. мм	«Литературный источник	Марка стали	Место отбора пробы		
65	1650/600	[60]	85СгМо7	Считок (ковшовая проба) Электрод (ковшовая проба) Наружная зона слитка Место соединения Центральная зона		С С С с с
65	2150/700	[60]	20МпМо№‘55	Слиток (ковшовая проба) Наружная зона слитка Центральная зона		0 0  0
125	2500/750	[20]	26№СгМоУ14,5	Слиток (ковшовая проба) Электрод (ковшовая проба) Наружная зона слитка  Место соединения  Центральная зона		0 0  0  0  0  0, 0,  0,

Примечание. В числителе приведены данные для верхней части слитка, в знаменателе — для нижней части. Оствд ные д

зону слитков МХКВ, не проходит обра-
ботку шлаком в процессе капельного пе-
реноса при плавлении расходуемого элек-
трода, структура переплавленной зоны и
чистота металла в ней соответствуют по-
лучаемым при обычном ЭШП.

Остающаяся неоплавленной часть рас-
ходуемого кристаллизатора препятствует
свободной усадке кристаллизующегося ме-
талла центральной зоны. В результате
образуются благоприятные условия для
образования в металле внутренних дефек-

тов типа горячих трещин. Проведенные
исследования процесса ЭШП в расходуе-
мые кристаллизаторы свидетельствуют о
возможности получения этим способом
слитков без дефектов. Это достигается
благодаря более благоприятной форме ме-
таллической ванны, применению диффе-
ренцированного режима охлаждения по
высоте и значительно меньшей скорости
плавления электрода, чем при ЭШП по
обычной схеме. Однако в некоторых слу-
чаях переплава в расходуемый кристалли-

та б л и ц а 396. Количество, состав неметаллических включений и содержание газов в стали
34ХНЗМ

Объект анализа	Номер пробы (рис. 374)	Всего включе- ний, % 		Свободные окислы. %		Силикаты. %	Состав сили- катов. %		Содержание газов, %	
			Ее,О4	А1ГО.  и шпи- нель		8Ю2	АЦО,	го]	гм
Металл ЭШП по обыч-	В1	0,0060	8,15	41,90	49,52	73,40	26,25	0,0020	0,0022
ной схеме	В2	0,0056	8,03	45,95	45.90	69,75	30,05	0,0039	0,0021
Металл ЭШП в расходу-	А1	0,0057	7,50	38.65	53,70	76,25	23.60	0,0020	0,0074
емый кристаллизатор	А2	0,0048	Следы	49,25	49,90	65,78	34.00	Не опр.	Не опр.
	АЗ	0,0073	6,68	46,57	46,25	67,75	31,80	» »	» »
	А4	0,0061	6,25	52,93	40,48	62,40	37,25		» »
	Аб	0,0063	5,05	55,35	39,50	57,50	42,20	» »	» »
	Аб	0,0068	4,20	61,95	33,62	51,05	48,75	» »	» »
Металл расходуемого	Б1	0,0097	4,75	54,90	39,95	58,00	41,90		х> »
кристаллизатора	Б2	0,0096	5,30	59,50	34,91	53,62	46.15	» »	» »
С	Мп		р	8	81			Сг	Мо	V		А1		Си
0,84	Не опр.		Не опр.	0,011	0,28	Не опр.		1,86	0,31	Не опр.		Не опр.		Не опр.
0,10			» »	0,027	0,29		»	0,15	0,05			»	»	
0,81	»	»	» »	0,012	0,28	х>		1,82	0,31				»	» »
0,69		»	» »	0,008	0,20			1,48	0,25		»	»	»	
0,67	»	»	» »	0,008	0,21	»		1,49	0,25	»	»	»	»	» »
0,20	1,34		0,007	0,007	0,24	0,66		0,06	0,50	—		—		0,06
0,20	1,41		0,007	0,008	0,22	0,67		0,06	0,48	—		—		0,07
0,20	1,39		0,007	0,007	0,16	0,67		0,07	0,49	—		—		0,07
0,29	0,31		0,007	0,008	0,21	3,50		1,59	0,38	0,10		0,001		—
0,29	0,35		0,010	0,006	0,25	3,49		1,59	0,39	0,09		0,002			
0,30	0,29		0,007	0,008	0,20	3,55		1,62	0,37	0,09		0,004		—
0,30	0,29		0,007	0,007	0,18	3,54		1,64	0,35	'0,09		0,004		
0,30	0,29		0,007	0,008	0,18	3,54		1,64	0,37	0,08		0,004		—
0,27	0,21		0,007	0,008	0,04	3,59		1,58	0,35	0,07		0,005		
0,31	0.30		0,007	0,006	0,03	3,60		1,64	0,38	0,07		0,003		—
0,28	0.15		0,006	ода	0 01	3,56		1,51	0,35	0,06		0,003		

иве данные относятся к средней части слитка

затор трешины могут возникать вслед-
ствие недостаточного прогрева металла
расходуемого кристаллизатора или боль-
шой глубины металлической ванны, но
скоплений оксидных и сульфидных вклю-
чений по границам трещин, наблюдаемых
в металле обычной выплавки, здесь не
обнаруживается. Поэтому в процессе го-
рячей деформации эти дефекты заварива-
ются. Исследования показали [57], что
заваривание происходит уже при укове
2,0. Это дало возможность получить из
слитка стали 34ХНЗМ, имевшего крупные

кристаллизационные трещины, поковки
для турбинных деталей, по качеству пол-
ностью удовлетворяющие требованиям тех-
нических условий.

Изучение механических свойств наибо-
лее критической зоны МХКВ-слитков —
сварного соединения между расходуемым
кристаллизатором и наплавленным метал-
лом — в сравнении со свойствами металла
расходуемого кристаллизатора и цент-
ральной части слитка показывает (табл.
397), что зона оплавления не оказывает
отрицательного влияния на механические

Таблица 397. Механические свойства стали 8А-508 С13 (20МпМо№ 5-5) (кованая заготовка
из МХКВ-слитка массой 65 т)

Номер образ- ца	Направле- ние вырез- ки )браз- цов	Т. х	Обычный металл			
			°02» кгс/мм2	°В’ кгс/мм2	6. %	4>.%
1	Танген-	20	40,8	58,6	28,8	71,9
2	циальное	20	41,8	58,6	25,0	68,0
3		350	35,8	52,0	21,9	67.5
4		350	35,8	52,0	18,8	68,3
5	Радиаль-	20	Не	определялись		
6  Требс дарта 5А-5С	ное  эвания стан- ка сталь  8 С13	350  20	35,2	56,1	18,0	38,0

Переходная зона	Электрошлаковый металл
кгХ»кХ» б'% Ф'%	кгХ’кХ‘б-%
Не определялись	40,8 57,1 27,8 74,0
	39,3 57,1 26,2 74,0
	35,2	50,5 25,0 68,8
	36,8 51,0 19.6 70,8
40,8 57,1 19,0 62,8	Не определялись
35,2 49,5 — 57,6	

Примечание. Свойства для состояния после закалин н отпуска.
Таблица 398. Механические свойства заготовок МХКВ в литом и деформированном состояниях

Литера- турный ис- точник	Сталь	Степень укова	Продольные образцы							
			$02’ КГС/МГ'*	кгс/мм2	о. %	*. %	кгс. м/см2	О02’ КГС/МЙ'		Е
[56|	34ХНЗМ	Литой металл	89,4	101,9	9,8	39,3	6,6	92,3		
		2,1	93,3	105,4	15,9	50,0	9,8	89,3		
		3,0	104,5	115,0	14,9	57,5	7,6	99,7		1
		3,7	95,2	107 3	16,5	62,0	10,5	94,0		1
		4,5	70.2	86,7	19,8	65,0	17,6	70,6		
		5,4	69,5	85,7	22,3	68,3	18,6	68,6		
		7,2	89,4	101,8	17,6	63,5	14,9	92,0		1
		9,0	105,0	113,3	15,6	60,0	8,2	100,2		1
[62|	38ХЗНЗМФ	Литой металл		Не	определялись			114,0		I
		1—1,9						120,0		1
Требования ТУ на сталь 34ХНЗН			65—86	82,0	14.0	40	6,0	65—85		

Примечание. Приведены средние значения по испытаниям 2—3 образцов. Звездочкой отмечены результаты, получен'

свойства кованой заготовки из слитка
МХКВ.

Представляют интерес исследования
свойств МХКВ-слитка в зависимости от
степени деформации [56, 62]. Результаты

Рис. 375. Зависимость ударной вязкости (об-
разцы Шарпи) от температуры испытаний
металла обечайки из МХКВ-слитка:

испытаний образцов в трех направлениях,
вырезанных из ступенчатой кованой заго-
товки, свидетельствуют о высоком качест-
ве металла [56]. Несмотря на то что тер-
мообработка обеспечивала прочность,
значительно превышающую прочность, пре-
дусмотренную требованиями технических
условий, пластические свойства и ударная
вязкость находились на высоком уровне
(табл. 398). Дополнительный отпуск сту-
пенчатой заготовки обеспечил пластиче-
ские свойства и ударную вязкость, в 1,5—
2,5 раза превышающие эти показатели,
предусмотренные требованиями техниче-
ских условий, при заданной прочности.
Обращают на себя внимание высокие
свойства литого металла ЭШП, удовлетво-
ряющие требованиям технических условий
на деформированную сталь. Это еще раз
подтверждает известные сведения о высо-
ком качестве литого металла ЭШП.

О высокой стойкости металла МХКВ-
заготовок против хрупких разрушений
свидетельствует рис. 375, на котором дано
сравнение ударной вязкости в диапазоне
температур от 60 до —40° С для обычного
металла и металла ЭШП реакторной обе-
чайки из стали 8А-508С13. Превосходство
металла ЭШП по этому показателю под-
тверждается также результатами испыта-
ния на нулевую пластичность (КПТ). Для
электрошлакового металла температура
КВТ на 10° С ниже, чем для обычного
[60].
4

Тангенциальные образцы					Радиальные образцы				
1  5  и	°в- кгс/мм2	6. %	Ф. %	ан.  кгс • м/см2	о02, кгс/мм2	°В’ кгс/мм2	б, %	ф. %	ан, кгс • м/см2
	104,5	11,5	33,5	5,3	89,3	102,7	8,6	24,7	6,0
	100,7	12,7	41,6	6,9	84,1	100,2	14,4	55,0	7,5
	110,6	12,7	41,0	5,2	97,4	109,4	11,6	41,0	5,8
	104,6	15,2	48,0	7,6		Не	определялись		
	87,6	17,4	51,3	10,9	68,7	85,6	17,0	53,0	12,4
	85,1	18,5	56,7	11,1	66,5	84,7	18,5	57,0	12,7
	103,2	15,5	54,7	9,7	88,4	102,0	15,0	53,0	8,7
г	109,5	12,7	53,0	8,1	98,3	112,0	13,0	47,0	5,9
	138,0	11,7	26,6	15,0*		Не	определялись		
	140,0	13,0	39,3	16,5*					
1	78,0	11,0	32,0	4,5	—	—	—	—	—

| ше на образцах Шарли с У-образным надрезом.

|	§ 6. Заготовки, получаемые способом

।	электрошлаковой отливки

<	Способом ЭШО, называемым также элек-

трошлаковой разливкой стали (ЭШР),
:	получают в основном кузнечные слитки

!	[6]. Структура слитков ЭШО зависит от

5	того, в какую изложницу отлиты слитки:

,	в чугунную или водоохлаждаемую.

В слитках, отлитых в чугунную излож-
ницу, обнаруживаются зоны, характерные
(	и для обычных слитков: корковая зона

мелких дезориентированных кристаллов,
плотная зона столбчатых кристаллов и
>	центральная зона грубых дезориентиро-

ванных кристаллов. Однако в случае
?	ЭШО протяженность зоны столбчатых

г	кристаллов несколько больше и граница

ее с центральной зоной сильнее размыта.
Так, для слитка стали 9Х массой 7,2 т
протяженность столбчатых кристаллов
; увеличилась с 90—100 мм в обычном
слитке до 120 мм в слитке ЭШО [6].

Наличие водоохлаждаемой изложницы
не предотвращает образования усадочных
и ликвационных дефектов в слитках ЭШО.
Однако эти дефекты концентрируются
лишь в осевой области.

В слитках сталей ШХ15 и 38ХМЮА,
отлитых на Челябинском металлургиче-
ском заводе, эти дефекты имели характер
общей пористости (38ХМЮА) и внецент-
ренной ликвации (ШХ15). Однако оба де-
фекта в слитках ЭШО выражены слабее.

чем в слитках обычной разливки, даже
при значительной большей (примерно в
6 раз) массе слитков ЭШО. Существенно
и то, что литая сталь 38ХМЮА в случае
ЭШО была лишена дефектов типа осевых
трещин и пятнистой ликвации, характер-
ных для ее слитков обычной разливки
[6].

В зависимости от шлака, используемо-
го при ЭШО, и исходного содержания се-
ры в металле степень десульфурации стали
при ЭШО составляет от 20 до 60% [6].

Исследованиями также установлено,
что при ЭШО содержание азота в метал-
ле практически не изменяется, тогда как
концентрация водорода может несколько
убывать (до 20%), а содержание кислоро-
да заметно снижается. По данным работы
[6], снижение содержания кислорода при
ЭШО в зависимости от марки стали и
исходного содержания кислорода в стали
составляет от 9 до 66%.

Практика Челябинского металлургиче-
ского завода и Электростальского завода
тяжелого машиностроения показала, что
сталь, подвергнутая ЭШО, загрязнена не-
металлическими включениями значитель-
но меньше, чем после обычной разливки
(табл. 399).

Преимущества слитков ЭШО (их чи-
стая поверхность, более плотная и одно-
родная структура, пониженное содержа-
ние серы и газов, а также меньшая за-
грязненность неметаллическими включе-
Таблица 399. Средняя загрязненность
неметаллическими включениями проката
из сталей ЭШО |6|

Марка стали	Основные виды вклю- чений	Средняя за- грязненность (в баллах по ГОСТ 1778—62)	
		Обычная разливка	ЭШО
У7А	Оксиды строчечные	2,3	1,4
ШХ15	» »  Глобули	1,92  1,29	0.98  0,95
20X13	Оксиды строчечные Г лобули  Силикаты хрупкие	2,2  2,26	1,34 0,4  1,36
12Х18Н10Т	Нитриды строчеч- ные  Нитриды точечные	2,00  1,2	1,90  1,0

ииями) определяют повышенное качество
металла в виде проката, поковок и гото-
вых изделий. По данным работы [6], пла-
стические характеристики в результате
ЭШО повышаются для стали 20X13 на
10%, а для стали 38ХМЮА — на 15—23%.

Вместе с тем способ ЭШО не обеспе-
чивает существенного повышения физиче-
ской и химической однородности слитков,
особенно при повышении массы слитков.
Дальнейшим развитием способа ЭШО
явился способ ПЭШО.

§ 7. Заготовки, получаемые способом
порционной электрошлаковой
отливки

В 1972—1975 гг. ИЭС им. Е. О. Патона
АН УССР совместно с Челябинским ме-
таллургическим заводом и Электросталь-
ским заводом тяжелого машиностроения
было проведено опытно-промышленное
опробование способа ПЭШО слитков.

На Челябинском металлургическом за-
воде отливали слитки массой 5—6 т (се-
чение 650 X 650 мм) сталей марок 2X13,
ШХ15, 5ХНМ и 18Х2Н4ВА *. На Электро-
стальском заводе тяжелого машинострое-

* В исследованиях принимали участие В. А. Ни-
колаев, Н. А. Тулин, Н. Ф. Бастраков, М. И. Кри-
чевец, Б. М. Старостин и др.

ния способ ПЭШО опробован при произ-
водстве кузнечных слитков сталей 9Х,
9ХМ. 25ХН2МФА и 5ХНМ массой 12—15 т
(диаметр слитков 1000 мм) *.

Все опытные слитки имели хорошую
поверхность, на границах между порция-
ми никаких дефектов не наблюдалось —
имелись лишь неглубокие (2—3 мм) плав-
ные пережимы, которые не препятствова-
ли дальнейшему переделу слитков и не
требовали какой-либо предварительной за-
чистки.

Исследования продольных макротемп-
летов, вырезанных из слитков, показали
отсутствие в них каких-либо дефектов.
Слитки по всему объему плотные, одно-
родные. Кристаллы в слитках вытянуты в
радиально-осевом направлении. Усадочная
раковина в головной части слитка практи-
чески отсутствует (рис. 376).

Следует отметить, что стали ШХ15, 9Х
и 9ХМ имеют широкий температурный ин-
тервал кристаллизации и в обычных слит-
ках этих сталей получают большое разви-
тие дефекты ликвационного и усадочного
характера, в частности У-образная ликва-
ция, внеосевая ликвация («усы»), осевая
пористость и т. д.

Исследование серных отпечатков, сня-
тых с продольного сечения 15-тонного
слитка стали 9Х, полученного способом
ПЭШО, показало, что в таком слитке в
отличие от обычного У-образная ликвация
и осевые дефекты полностью отсутствуют,
а внеосевая ликвация выражена весьма
незначительно (рис. 377). Можно пола-
гать, что дальнейшая отработка техноло-
гии ПЭШО стали 9Х позволит полностью
устранить и внеосевую (А-образую) лик-
вацию. В частности, это может быть до-
стигнуто путем некоторого уменьшения
высоты (массы) заливаемых порций ме-
талла, т. е. увеличения числа порций и
небольшого снижения производительности
процесса. Известно [54], что в слитках
аналогичной стали электроннолучевого пе-
реплава меньшего сечения (диаметром
800 мм) А -образная ликвация проявляет-
ся уже при скорости наплавления слитка
свыше 500 кг/ч и выражена более резко,

* В исследованиях принимали участие В. А. Ни-
колаев, А. Б. Верник, Л. А. Каменский, А. Б. Мо-
стовой, С. С. Львова, В. В. Головчеько и др.
Рис. 376. Макроструктура продольного темплета
5-тонного слитка стали 2X13.

Рис. 377. Строение 15-тонных слитков стали
9Х обычного производства (а) и ПЭШО (б).

чем в исследованном слитке ПЭШО, отли-
том с намного большей скоростью
(1465 кг/ч). В результате ПЭШО содер-
жание серы в металле снизилось пример-
но вдвое (табл. 400).

В условиях ПЭШО крупных слитков
при использовании более или менее одно-
родной шихты и единой технологии вы-
плавки представляется возможным обес-
печивать колебания химического состава
плавок в довольно узких пределах. Благо-
даря этому может быть обеспечена высо-
кая однородность химического состава
всего слитка ПЭШО. Следует также за-
метить, что в процессе ПЭШО происходит
выравнивание состава металла вследствие
смешивания каждой новой заливаемой
порции металла (плавки) с имеющимся в
изложнице остатком жидкого металла от
предыдущих порций. О существенном зна-
Таблица 400. Содержание серы при ПЭШО

Марка стали	Содержание серы, %	
	в жидком метал- ле	в слитках ПЭШО
ШХ15	0,005—0,008	0,003—0,004
2X13	0,012—0,018	0,007—0,010
18Х2Н4ВА	0,007—0,010	0,003—0,004
9Х	0,011—0,015	0,003—0,005

чении этого процесса свидетельствуют
приведенные в табл. 401 данные о составе
металла заливаемых порций стали 2X13
и о составе полученного при этом слитка
(порции металла отбирались от четырех
плавок, полученных в двух разных дуго-
вых электропечах, никаких мер для иден-
тификации состава плавок не принимали).

В крупных слитках обычного производ-
ства по содержанию ряда легирующих
элементов наблюдается резко выраженная
неоднородность из-за явлений ликвации.
Так, например, содержание углерода, во
многом определяющего механические свой-
ства стали, в различных объемах слитка
может колебаться в пределах, далеко вы-
ходящих за рамки марочного состава.

Результаты исследования распределе-
ния сильно ликвирующих примесей (угле-
рода и серы) в слитках стали 9Х ПЭШО
и стали обычной технологии приведены
в табл. 402. Данные таблицы свидетель-
ствуют о том, что, несмотря на значи-
тельные колебания в химическом составе
исходного жидкого металла, слиток ПЭШО
намного однородней, чем слиток обычного
производства. Выполненный послойный
анализ металла переходной зоны не вы-
явил различий в составе по сравнению с
основным металлом. Следует заметить,
что при ПЭШО исследованного слитка

Таблица 402. Неоднородность 15-тонных
слитков стали 9Х разных способов производства

Способ производства	Отклонение содержания эле- ментов от среднего (±), %			
	в жидком ме- талле		в слитках	
	С	8	с	8
Обычная разливка ПЭШО	0 0,05	0 0,002	0,10  0,06	0,003 0,001

Примечание. Среднее содержание серы в обычном
слитке 0,013%, в слитке ПЭШО — 0,004%; содержание
углерода и других элементов примерно одинаковое.

стали 9Х никаких мер для идентификации
состава плавок (порций), как и стали
2X13, не принималось. Принятие таких
мер обеспечит еще более высокую хими-
ческую однородность слитков ПЭШО.

По содержанию неметаллических вклю-
чений металл ПЭШО весьма чист.
В табл. 403 приведены данные металло-
графической оценки загрязненности стали
ШХ15 ПЭШО и других способов произ-
водства включениями, а в табл. 404 —
аналогичные данные для стали 2X13. По-
казателем высокой чистоты металла
ПЭШО явилось также полное отсутствие
волосовин в стали 18Х2Н4ВА при конт-
роле проката методом ступенчатой об-
точки.

Высокая чистота металла ПЭШО под-
тверждается также данными электролити-
ческого выделения включений, приведен-
ными на рис. 378. Видно, что общее со-
держание оксидных включений в стали
ПЭШО значительно ниже, чем в стали
обычного производства. Следует обратить
внимание также на исключительно равно-
мерное распределение включений по высо-
те слитка ПЭШО (табл. 405).

Таблица 401. Неоднородность металла (сталь 2X13) в процессе ПЭШО

Объект анализа	Отклонение содержания элементов от среднего							
	с	81	Мп	Сг		81	Мп	Сг
	%				ОТВ. %			
Порции заливаемого металла Слиток ПЭШО	0,015  0,005	0,05 0,03	0,03 0,02	0,22  0,16	8,6  2,0	11,2  4,7	6,3  5.5	1,6  1,3

Примечание. Средний состав стали: 0,175% С: 0,34% 51: 0,41% Мп: 12,8% Сг.
Рис. 378. Содержание оксидных включений и га-
зов в стали ШХ15 обычного производства (а)
и ПЭШО (б).

Рис. 379. Плотность металла обычного произ-
водства (с) и ПЭШО (б) (слиток массой 15 т,
сталь 9Х).

Содержание газов в металле ПЭШО
ниже, чем в металле обычного производ-
ства. В стали 9Х содержание кислорода и
азота также снижается почти в 2 раза.
Распределение газов по высоте слитка
равномерное. Содержание включений и га-
зов в металле переходной зоны примерно
такое же, как в основном металле.

Данные о плотности металла ПЭШО и
обычной разливки по сечению слитков,
определенной гидростатическим взвеши-

Таблица 403. Металлографическая оценка
загрязненности стали ШХ15 разных способов
производства

Способ производства	Средний балл		Количество образцов с бал- лом 3 и более, %	
	Окси- ды	Суль- фиды	Окси- ды	Суль- фиды
Обычный  Обработка синте- тическим шлаком	1,94	1,87	23,12	3,30
в ковше	1,73	1,80	5,45	0.96
ПЭШО	0,98	1,06	0	0

ванием, приведены на рис. 379. Как вид-
но, плотность металла в слитке ПЭШО
значительно выше, чем в слитке обычной
разливки. Имеющаяся общая тенденция
снижения плотности в обычных слитках к
центру проявляется в металле ПЭШО
очень слабо. Причем в слитке ПЭШО
значения плотности практически одинако-
вы в верхнем, среднем и донном сечениях.
Плотность металла остается одинаковой
и в местах соединения отдельных порций.
Повышенная плотность металла ПЭШО
объясняется более высокой степенью дис-
персности первичной структуры и сниже-
нием макро- и микропористости.

Механические свойства стали зависят
от многих факторов, в том числе и от со-
держания в ней вредных примесей, газов
и неметаллических включений. Повыше-
ние общей чистоты металла при ПЭШО
привело к значительному улучшению его
механических характеристик. Механиче-

Таблица 404. Металлографическая оценка
загрязненности стали 2X13 разных способов
производства (средние баллы)

Способ производ- ства	Оксиды строчеч- ные	Сульфиды	Силикаты	Глобу- ли
Обычный ПЭШО	2,35  1,83	1,15  0,28	1,70 0	0,40 0.28
Таблица 405. Содержание н состав оксидных включений в слнтке стали ШХ15 ПЭШО

Уровень отбора проб, % (от низа слитка)	Содержание оксидов, %	Состав включений, %				
		810,	ЕеО	СаО	м&о	А1,О3
91,5	0,0045	17,60			3,11	5,49	87,33
86,0	0,0050	25,94	—	нет	6,22	74,30
81,0	0,0040	12,34	-—	6,0	—	78,93
70,5	0,0049	17,66	7,97	6,22	—	68,44
47,0	0,0041	8,33	7,06	2,43	8,20	88,42
36,0	0,0048	6,05	—	2,01	—	79,81
25,0	0,0054	6,55	6,56	3,21	10,20	68,85
8,5	0,0050	8,90	—	3.93	16,08	67,76
4,0	0,0050	14.65	1.7	7,24	17,51	67,76

ские свойства металла изучались как в
литом, так и в деформированном состоя-
нии. Образцы отбирали по высоте и сече-
нию слитка. Особое внимание уделялось
механическим свойствам в зонах слияния
отдельных порций металла.

Исследованиями установлено, что для
литого металла ПЭШО значения механи-
ческих свойств как в сыром, так и термо-
обработанном состоянии значительно вы-
ше, чем для металла обычной разливки.
Поскольку металл однороден по высоте и
сечению слитка, то и механические свой-
ства остаются практически на одном уров-
не. Значения механических свойств об-
разцов, отобранных из металла переход-
ных зон (зон сплавления) такие же, как
и у основного металла.

Исследования механических свойств
металла ПЭШО в прокате показало, что
этот металл обладает весьма высокими
свойствами (особенно характеристиками
пластичности и ударной вязкости) и сла-
бовыраженной их анизотропией в продоль-
ном и поперечном направлениях.

На рис. 380 приведены данные высо-
котемпературных испытаний на кручение
и ударную вязкость стали 2X13 обычной
разливки (а) и ПЭШО (б), свидетель-
ствующие о более высоких пластических
свойствах последней.

Поскольку способ ПЭШО предназна-
чен в первую очередь для производства
крупных слитков роторных сталей, оста-
новимся подробнее на результатах иссле-
дования роторной стали 25ХН2МФА
ПЭШО в литом и деформированном со-
стоянии.

Выплавленный в дуговой печи ДСП-5
металл четырех плавок последовательно,
с интервалами в 3—3,5 ч, заливался в во-
доохлаждаемый кристаллизатор с пред-
варительно наведенной в нем шлаковой
ванной. Из слитка, подвергнутого длитель-
ному отжигу для снятия напряжений по
режиму, приведенному на рис. 381, был
вырезан продольный осевой темплет, впо-
следствии разрезанный для более деталь-
ного изучения на образцы по схеме, при-
веденной на рис. 382.

Рис. 380. Высокотемпературные испытания ста-
ли 2X13 обычного производства (а) и ПЭШО
(б).
Рис. 381. Режим отжига слитка ПЭШО (циф-
рами указаны скорости нагрева и охлаждения,
а также температура и время выдержки слитка
в печи).

Рис. 382. Схема разрезки 12-тонного слитка
ПЭШО, сталь 25ХН2МФА:

у — ударные образцы; р — разрывные образцы; х —
образцы для определения плотности и содержания
газов; о — пробы для химического анализа; м — мик-
рошлифы.

После снятия серных отпечатков с осе-
вого темплета на нем выявлялась макро-
структура путем глубокого травления в
50%-ном растворе соляной кислоты при
температуре 70—80° С в течение 30—
40 мин. Химический состав металла опре-
делялся в среднем по высоте сечений 2-й
и 4-й порций и на расстоянии 25 мм от
переходной зоны между 2—3-й и 3—4-й
порциями (вверху предыдущей и внизу
последующей порции).

Содержание газов определялось на
установке ГАС-6 вакуум-плавлением.
Плотность металла измерялась методом
гидростатического взвешивания.

Механические свойства при испытании
на растяжение определялись на пятикрат-
ных цилиндрических образцах диаметром
10 мм (ГОСТ 1497—73), а также на гага-
ринских образцах диаметром 6 мм. При
испытаниях на ударную вязкость приме-
няли образцы типа I (ГОСТ 9454—60).
Все образцы проходили термическую об-
работку в заготовках по рекомендованно-
му ЦНИИТМАШ для данной марки ста-
ли режиму: закалка с 870—890° С, охлаж-
дение на воздухе; закалка с 840—860° С,
охлаждение в масле; отпуск при 640—
650° С 10 ч, охлаждение с печью до 200° С,
затем на воздухе.

Образцы из переходных зон изготавли-
вались таким образом, чтобы линия пере-
хода попала в надрез ударного образна и
в среднее сечение разрывного образца.

Анализ неметаллических включений
осуществляли на микроскопе МИМ-7 на
продольных шлифах, полученных согласно
схеме разрезки (см. рис. 382). Качествен-
ный анализ включений проводили при
увеличении 500 в светлом и темном полях
зрения с просмотром каждого поля шли-
фа. Содержание неметаллических включе-
ний определяли металлографически по
Рис. 383. Изменение содержания углерода и
хрома в поперечном сечении 2-й порции.

Рис. 384. Содержание газов в слитке ПЭШО
(об. %-10~3), штриховые линии — зоны перехо-
да между порциями:

а — кислород- б — азот.

ГОСТ 1778—70 (метод П) при увеличении
240 с просмотром 50 полей зрения на
шлиф.

На выявленной травлением макрострук-
туре слитка различаются зоны равноос-
ного и столбчатого строения, причем по-
следние начинаются как от поверхности
слитка, так и от зоны перехода от одной
порции к другой. Протяженность столбча-
тых кристаллов в направлении от боковой
поверхности слитка к центру 50—80 мм, а
растущих непосредственно от переходной
зоны перпендикулярно к ней в порциях
2 и 3 — 20—40 мм, в порции 4 — 30—
75 мм. Возникновение столбчатой зоны
после заливки очередной порции металла
связано с быстрым переохлаждением ниж-
них объемов жидкого металла при сопри-
косновении с затвердевшим металлом пре-
дыдущей порции и появлением значитель-
ного температурного градиента у фронта
затвердевания.

Исследование микроструктуры показы-
вает, что металл слитка плотный, без уса-
дочной раковины, пористости и осевой
рыхлости. Полученные отпечатки, по Бау-
ману, свидетельствуют о равномерном рас-
пределении серы по площади темплета и
незначительном общем загрязнении метал-
ла этой вредной примесью. Полностью от-
сутствуют такие грубые ликвапионные
дефекты, как V- и А -образные неоднород-
ности, столь характерные для слитков
обычной разливки. В зонах перехода также
не наблюдается скопления сульфидных
включений.

Результаты химического анализа сви-
детельствуют об отсутствии ликвации эле-
ментов. Отмечена лишь некоторая тен-
денция к снижению содержания углерода
и хрома от поверхности к центру слитка
(рис. 383). Так, во 2-й порции в среднем
сечении по высоте содержание углерода
изменяется от 0.24% на поверхности до
0,21% в центре, хрома — соответственно
от 1.39 до 1,28%. Подобное изменение хи-
мического состава по сечению слитка
ПЭШО вызвано иными условиями кри
сталлизации по сравнению с обычным
слитком, где наблюдается заметное повы-
шение содержания углерода и хрома в
центре отливки. Содержание серы в ис-
следуемом слитке по всему сечению нахо-
Г

г

дится в пределах 0,001—0,002%, а в от-
дельных местах первой порции — 0,003%.
Такое резкое снижение концентрации серы
по сравнению с ее содержанием в исход-
ном металле (0,009—0,011%) свидетель-
ствует о значительном рафинирующем
действии шлака.

Данные газового анализа приведены
на рис. 384. Общий уровень содержания
газов в слитке невысокий. Содержание
кислорода не превышает 0,0085% при
среднем количестве 0,0030%, азота — не
более 0,022% при среднем содержании
0,012%. Максимальное содержание газов
отмечается у поверхности слитка. Вдоль
оси первой порции количество газов уве-
личивается снизу вверх, во второй порции
по оси максимальное содержание на '/г вы-
соты порции, минимальное — вверху. От-
четливо проявляется следующая законо-
мерность: над переходной зоной содержа-
ние газов несколько выше, чем под ней.

Значения плотности металла слитка
ПЭШО представлены на рис. 385. Следует
отметить отсутствие характерного для
обычного слитка понижения плотности в
осевой зоне, более того, во второй порции
наблюдается повышение плотности от
7,81 г/см3 на поверхности до 7,87 г/см3 на
середине радиуса и до 7,9 г/см3 в центре.
Металл переходных зон по плотности не
уступает металлу средних частей порций,
причем плотность металла над переходной
линией и под ней практически одинакова.

Данные механических испытаний, при-
веденные в табл. 406, свидетельствуют о
достаточно высоком уровне прочностных
свойств: предел текучести 60—72 кгс/мм2,
предел прочности 83—101 кгс/мм2. Вели-
чины относительного сужения, относитель-
ного удлинения и ударной вязкости сравни-
тельно невысоки, но надо учесть, что
исследовался недеформированный литой
металл, для которого характерны низкие
значения показателей пластичности и вяз-
кости. Наблюдается высокий уровень ме-
ханических свойств в центре слитка: зна-

Рис. 385. Плотность литого металла ПЭШО:

Я—'Л высоты 4-й порции; б— зона перехода между
3-й и 4-й порциями; в — зона перехода между 2-й и
3-й порциями; г — Чг высоты 2-й порцнн; д — '/2 вы-
соты 1-й порции (штриховые линии — переход между
порциями).
Таблица 406. Механические свойства литой роторной стали ПЭШО

Место отбора пробы	0О,2» кгс/мм2	ап,- кгс/мм2	о. %	%	ан, кгс-м/см2
2-я порция: поверхность  1/2 /?	62,0	Брак об  92,0	эазца  3,4	3,4	5,9  3,7  6,2  5,7
центр	61,0	86,0	3,2	6,1	3,6  2,1
Переходная зона между 2-й и 3-й порциями:  поверхность  1/2 Я	60,0	Брак об  83,0	разца  1,4		4,0  4,1  4,4  4,6
центр	67,0	84.0	3.0	3,0	2,5  5,7
4-я порция: поверхность	72,0	101,0	4,0	7,7	3,4  3,5
1/2 /?	62,0	86,0	3.0	3,9	3,1  4,1
центр	62,0	87.5	3,4	4,5	2,2  2,1
	60,5	83,5	3,0	3,2	4,6
Переходная зона между 3-й и 4-й порциями:  поверхность	70,0	97,0	4.8	7,7	6,0
1/2 /?	59,0	82,5	1.4	2,0	3,9  5,6
центр	63,0	87,0	3,4	4,8	4,3  2,6
	61,0	88.0	3,4	5,7	5,2

чения прочностных и пластических свойств
в центре в основном не ниже, чем на се-
редине радиуса. В переходных слоях так-
же не отмечено снижения механических
свойств по сравнению с основным метал-
лом.

Металлографические исследования шли-
фов показывают, что основными типами
включений в слитке являются корунд,
сложные алюминаты и силикаты, сульфи-
ды Ее8-Мп8 и оксисульфиды. Нитриды
титана и алюминия не обнаружены. Вклю-
чения равномерно распределены по шли-
фу, наблюдается тенденция их некоторого
укрупнения к центру слитка. Средний раз-
мер неметаллических включений составля-
ет 5 мкм, максимальный.— 28 мкм. Дан-
ные о количестве (объемном проценте) и
распределении неметаллических включе-
ний в слитке представлены на рис. 386.
Как видно, преобладающими являются

оксидные включения. Наблюдается, в от-
личие от обычного слитка, явное умень-
шение содержания неметаллических вклю-
чений от поверхности к осевой зоне. В пе-
реходных зонах не замечено увеличения
содержания включений. Над переходной
зоной, т. е. в начале следующей порции,
наблюдается несколько большее содержа-
ние всех типов неметаллических включе-
ний, чем под этой зоной (в верхней части
предыдущей порции). Характер распреде-
ления включений во многом аналогичен
распределению газов. Среднее содержание
неметаллических включений в слитке
ПЭШО составляет всего 0,0102 об.%,втом
числе сульфидов 0,0034 об.%, оксидов
0,0068 об.%, оксисульфидов 0,0032 об.%.
По высоте слитка распределение включе-
ний равномерное.

В обычных крупных слитках в районе
конуса (в донной части) наблюдается рез-
кое увеличение содержания неметалличе-
ских включений, особенно оксидных. Так,
в слитке из роторной стали содержание
оксидных включений составляет 0,0150%
•в верхней части, 0,0167% на половине
высоты и 0,0270% в донной части [49]. По-
этому для получения качественной поков-
ки из обычных крупных слитков произво-
дится обрезь как головной части с уса-
дочной раковиной, так и донной части, при
этом выход годного составляет всего 60—
70%.

В слитке ПЭШО донная обрезь прак-
тически исключается, а головная обрезь
при правильном режиме выведения уса-
дочной раковины сводится к минимуму,
что позволяет получать выход годного
90-95%.

При ПЭШО заливка металла сравни-
тельно небольшими порциями и подогрев
зеркала металлической ванны шлаком

Рис. 386. Содержание неметаллических включе-
ний в слитке ПЭШО: (условные обозначения
те же, что и на рис. 385)

способствуют постепенному нарастанию
твердой фазы в осевом и радиально-осе-
вом направлениях и определяют хорошие
условия питания жидким металлом умень-
шающихся в объеме участков затвердева-
ния. Тем самым обеспечиваются сниже-
ние макро- и микропористости, повыше-
ние плотности металла как на поверхности
слитка, так и в центральной ее части.

Осевая и внеосевая неоднородность
при ПЭШО не получают значительного
развития. Во-первых, благодаря рафини-
рующему действию высокоактивного шла-
ка снижается общее количество ликви-
рующих вредных примесей в металле (се-
ра, неметаллические включения, газы).
Во-вторых, как уже отмечалось, улучша-
ются условия питания затвердевающих
объемов. В-третьих, под влиянием высоко-
температурной шлаковой ванны верхние
слои жидкого металла перегреты выше
температуры ликвидуса, поэтому при кри-
сталлизации имеется повышенный гради-
ент температур и уменьшается ширина
двухфазной области.
Рис. 387. Схема разрезки диска ротора.

Используемый при ПЭШО шлак, вы-
полняя функцию своеобразной тепловой
надставки, кроме того, активно взаимо-
действует с жидким металлом как во вре-
мя длительной выдержки при затвердева-
нии порций, так и при заливке, когда
происходит эмульгирование частиц шлака
в металл, резко возрастают поверхность
их соприкосновения и соответственно эф-
фект рафинирования.

Наибольшему воздействию шлака под-
вергаются объемы металла, кристалли-
зующиеся в последнюю очередь, чем и
объясняется наблюдаемый характер рас-
пределения газов и неметаллических вклю-
чений: уменьшение их содержания от по-
верхности слитка к его центру и от ниж-
них объемов порций к верхним.

Проведенные исследования макрострук-
туры, химического состава, содержания га-
зов и неметаллических включений, меха-
нических свойств и плотности литого ме-
талла ПЭШО свидетельствуют о высоком
его качестве.

Для изготовления поковки способом
ПЭШО был получен слиток стали
25ХН2МФА массой 12,5 т. Этот слиток
также отливали четырьмя порциями с
интервалами между их заливкой 3, 3,
5 ч. Металл вакуумированию не подвер-
гался.

После отжига слиток подвергался ков-
ке. Суммарный уков составлял 4,2. Затем
поковка прошла противофлокенную и
окончательную термическую обработку.
Режим окончательной термической обра-
ботки, включающий двойную закалку и
последующий отпуск при температуре
630—640° С, должен был обеспечить вы-
полнение требований ОТУ 24-10-003—68

на диски роторов по механическим свой-
ствам.

Исследование качества металла прово-
дили на образцах, вырезанных из про-
дольного и поперечных темплетов. Схема
разрезки поковки показана на рис. 387.

Макроструктуру металла исследовали
путем снятия серных отпечатков и глубо-
кого травления в 50%-ном растворе НС1
при 70—80° С. Химический состав металла
исследовали по высоте и сечению поков-
ки. Исследование микроструктуры прово-
дили на продольных образцах при увели-
чении в 500 раз. Образцы подвергались
предварительному травлению в 4%-ном
растворе НИ Оз в спирте.

Качественный анализ загрязненности
металла неметаллическими включениями
проводили при увеличении в 500 раз в
светлом и темном полях зрения. Содер-
жание неметаллических включений опре-
деляли металлографически по ГОСТ
1778—70 при увеличении в 240 раз с про-
смотром 50 полей зрения на шлиф, а так-
же путем электролитического растворения
стандартных образцов.

Механические свойства при испытании
на растяжение определяли на пятикрат-
ных гагаринских образцах диаметром
6 мм. При испытаниях на ударную вяз-
кость применяли образцы типа I (ГОСТ
954—60). Испытания для определения
критической температуры хрупкости
проводили при температурах 50, 20,
0, —20, —40, —60 и —80° С. Долю вяз-
кой составляющей в изломе образ-
цов определяли согласно приложению к
ГОСТ 4543—71.

Исследования показали следующее.
Макроструктура металла поковки плотная
и однородная, без грубых дефектов, по-
ристости и усадочных раковин. Поверх-
ностная и переходная зоны состоят из де-
формированных в процессе ковки столбча-
тых кристаллов. Степень деформации
столбчатых кристаллов в переходной зоне
уменьшается от поверхности к центру по-
ковки. Металл в осевой зоне порций име-
ет равноосную структуру.

Микроструктура металла поковки
ПЭШО после окончательной термообра-
ботки представляет собой сорбит. Пере-
ходная зона, соответствующая границе
Рис. 388. Распределение химических элементов
по сечению поковки диска ротора стали
25ХН2МФА:

с —углерод; б — хром; в—молибден; г — сера.

сплавления порций, на микрошлифах не
выявлена.

Полученные отпечатки, по Бауману,
свидетельствуют о незначительном загряз-
нении металла серой. Грубые дефекты
ликвационного происхождения, какими яв-
ляются У-образная и А -образная неодно-
родности, полностью отсутствуют. Также

Рис. 389. Распределение углерода по длине по-
ковки из стали 25ХН2МФА обычного производ-
ства (1) и ПЭШО (2).

Рис. 390. Содержание неметаллических включе-
ний в поковке диска ротора:

а — металла обычной разливки [50]; б— вакуумиро-
ванного металла [50], в—металла ПЭШО.

отсутствуют скопления сульфидных вклю-
чений в переходной зоне между порциями.
Наблюдается некоторое снижение содер-
жания серы от низа к верху каждой пор-
ции.

Результаты химического анализа, при-
веденные на рис. 388 и 389, свидетель-
ствуют о достаточно высокой равномер-
ности в распределении химических эле-
ментов по сечению исследуемой поковки.
Сколько-нибудь заметная ликвация эле-
ментов, характерная для поковок из слит-
ков обычного производства, отсутствует.
Следует обратить особое внимание на рав-
номерное распределение таких сильнолик-
вирующих элементов, какими являются
углерод и сера.

Некоторое изменение в концентрации
хрома по сечению поковки связано с ко-
лебанием в содержании этого элемента в
исходном металле заливаемых порций —
плавок. Содержание серы в поковке по
сравнению с исходным металлом в 2—
3 раза ниже и составляет всего 0,001—
0,005%.

Металлографическая оценка загрязнен-
ности кованого металла показывает, что
основными типами включений являются
оксиды, сульфиды и оксисульфиды. В со-
став оксидов входят корунд, сложные си-
ликаты и алюмосиликаты. Сульфиды в
основном представлены Ре8 и Мп8.

Содержание включений в поковке ме-
талла ПЭШО находится на уровне вакуу-
мированного металла и составляет 0,0037—
0,0051%, т. е. более чем вдвое ниже, чем
в поковке из металла обычной разливки
(рис. 390). Среднее содержание включе-
ний в исследуемой поковке составляет все-
го 0,0123 об.%, сульфидов 0,0067 об.%,
оксидов 0,0051 об.% и оксисульфидов
0,0044 об.%.

Распределение включений по сечению
поковки показано на рис. 391. В пределах
Рис. 391. Распределение неметаллических вклю-
чений по высоте и сечению поковки диска ро-
тора стали 25ХН2МФА ПЭШО:

а — порция 1:6 — переходная зона между порциями
I и II; в — порция III; г — переходная зона между
порциями II и III; / — общее количество; 2 — сульфи-
ды; 3 — оксисульфиды; 4 — оксиды.

каждой порции наблюдается некоторое
снижение содержания включений от по-
верхности к центру.

Рис. 392. Влияние температуры испытания на
ударную вязкость и долю вязкой составляющей
в изломе.

В поверхностной зоне первой порции
обнаружены экзогенные включения, содер-
жание которых составляет 0,0073 об.%.
Количество включений в переходной зоне
от поверхности к центру поковки практи-
чески не изменяется.

Отсутствие в поковке дефектов ликва-
ционного и усадочного происхождения,
низкая загрязненность металла серой и
неметаллическими включениями обуслов-
лены высоким качеством исходного слит-
ка ПЭШО. Как отмечалось ранее, при
ПЭШО ограничение усадки и ликвации
достигается путем постепенного, направ-
ленного снизу вверх затвердевания слит-
ка, которое происходит при наличии высо-
кого градиента температур в осевом
направлении. Снижению химической неод-
нородности способствует как подавление
зональной ликвации, так и разбавление
остатка металла предыдущих порций ме-
таллом последующих порций.

Высокая степень чистоты по сере и не-
металлическим включениям обусловлена
рафинирующим действием шлака. Как и
при исследовании слитка, отмечается бо-
лее низкое содержание серы и неметалли-
ческих включений в верхней части пор-
Таблица 407. Механические свойства поковки диска ротора стали 25ХН2МФА

Объект анализа	°0,2» кгс/мм2	ав, кгс/мм»	с. %	Ф. %	ии, кгс-м/см»
Поковка ПЭШО	72,0—74,0	85,0—86,0	19,5—20,5	60,0—70,0	20,3—23,4
Требования ОТУ	73,0	85,5	20,0	68,0	21,5
24-10-003—62	60	75	15	40	9

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние.

ций, т. е. в объемах, затвердевающих в
последнюю очередь. Также наблюдается
снижение содержания включений от по-
верхности к центру поковки в связи с бо-
лее длительным пребыванием металла в
жидком состоянии в осевой зоне слитка
и, следовательно, более благоприятными
здесь условиями для их всплывания и по-
следующей ассимиляции шлаком.

Повышение общей чистоты и однород-
ности металла при ПЭШО обеспечивает
значительное улучшение его механических
характеристик. Уровень механических
свойств поковки достаточно высокий и
значительно превышает требования для
стали 25ХН2МФА в соответствии с ОТУ
24-10-003—60 (табл. 407). Необходимо
отметить сочетание высоких прочностных
и пластических характеристик, которое яв-
ляется одним из основных требований,
предъявляемых к таким ответственным де-
талям, какими являются диски роторов.

Важнейшей характеристикой диска ро-
тора является критическая температура
хрупкости, которая в сочетании с ударной
вязкостью характеризует способность ме-
талла противостоять динамическим на-
грузкам. Определение критической темпе-
ратуры хрупкости проводилось по доле
вязкой составляющей в изломе ударных
образцов. Результаты серийных испытаний
приведены на рис. 392. Критическая тем-
пература хрупкости металла исследуемой
поковки находится в пределах от —60 до
—80° С. В процессе испытаний не проис-
ходит резкого изменения ударной вязко-
сти и доли вязкой составляющей. Даже
при температуре —80° С сохраняется до-
вольно высокий уровень ударной вязкости
(11,5—12,5 кгс-м/см2). Необходимо отме-
тить, что для поковки из металла обычной
разливки критическая температура хруп-

кости лежит значительно выше и достига-
ет лишь —254—30° С.

Таким образом, приведенные результа-
ты исследования поковки диска ротора
также свидетельствуют о высоком качест-
ве металла ПЭШО и перспективности его
использования для изготовления крупных
стальных поковок ответственного назначе-
ния. Способ ПЭШО позволяет гаранти-
ровать высокий уровень механических
свойств металла и обеспечивать надеж-
ность и долговечность готовых изделий.

Высокое качество металла ПЭШО по-
зволяет поставить вопрос производства
штамповых кубиков этим методом. Ниже
приводятся результаты исследования ка-
чества стали 5ХНМ ПЭШО.

Для заготовок крупных литых штампо-
вых кубиков были отлиты 5-тонные слит-
ки квадратного сечения 650 X 650 мм.
Исходный металл для опытных слитков
выплавляли в 5-тонных электродуговых
печах. Каждый слиток отливали в четыре
приема с интервалом между очередными
заливками порций металла в 1,5—2,0 ч.
Слитки после 72-часового охлаждения в
подогретых колодцах нагревали до 670° С
со скоростью 50° С/ч, выдерживали 48 ч
и охлаждали со скоростью 50° С/ч до
350° С, а затем выдерживали на воздухе.

Опытные слитки были разрезаны попе-
рек на заготовки штамповых кубиков
высотой 400 мм. На двух заготовках (сере-
дина и верх слитка) проводили всесторон-
нее исследование качества металла. Образ-
цы для исследования отбирали из про-
дольной осевой зоны заготовки.

Исследование металла проводили та-
ким образом, чтобы на близлежащих го-
ризонтах проанализировать характерные
зоны сплавления слитка ПЭШО. Особое
внимание было уделено оценке качества
Таблица 408. Изменение содержания газов
в стали 5ХНМ в процессе ПЭШО

Анализируемый металл	О. %	%
Из кристаллизатора перед заливкой 3-й порции	0,0054	0,0065
Ковшовая проба 3-й порции	0,0086	0,0075
Из кристаллизатора через 1 ч после заливки 3-й порции	0,0050	0,0067
Из кристаллизатора перед заливкой 4-й порции	0,0012	0,0065
Ковшовая проба 4-й порции	0,0070	0 0073
Из кристаллизатора через 1 ч после заливки 4-й порции	0,0031	0,0070

поверхности, макроструктуры, физической
и химической однородности, механических
свойств и ультразвуковой дефектоскопии.

Поверхность всех заготовок штампо-
вых кубиков была удовлетворительной.
В местах соединения порций по перимет-
ру имелись плавные пережимы глубиной
до 5 мм.

Макроструктура литого металла харак-
теризуется наличием трех зон по сечению
слитка. Зона, прилегающая к поверхности
слитка шириной 3—5 мм, состоит из плот-
ных мелких кристаллов. За ней следует
зона столбчатых кристаллов протяжен-
ностью от 120 до 180 мм. Кристаллы этой
зоны имеют радиально-осевую направлен-
ность с отклонением кверху. Уклон накло-
на столбчатых кристаллов к горизонталь-
ной оси составляет 20—25°.

Центральная зона слитка состоит из
мелких и крупных разориентированных
кристаллов. Граница сплавления двух
последовательных порций металла имеет

ширину 2—4 мм и характеризуется плот-
ной мелкозернистой макроструктурой. Вы-
ше границы сплавления расположена зона
столбчатых слабовыражениых кристаллов,
растущих перпендикулярно к границе
сплавления, которая в дальнейшем пере-
ходит в зону разориентированных кри-
сталлов.

Слиток стали 5ХНМ ПЭШО обладал
высокой плотностью. Так, на уровне сред-
него горизонта слитка плотность металла
по оси и у поверхности составляла
7,8 г/см3, в то время как для слитка обыч-
ной выплавки той же массы и на анало-
гичном горизонте она (по данным ЧМЗ)
уменьшалась от поверхности к оси с 7,81
до 7,4 г/см3. Переходная зона сплавления
в слитке ПЭШО по плотности не отлича-
лась от предыдущей и последующей пор-
ций основного металла. При ультразвуко-
вом контроле ни в одной заготовке штам-
пового кубика дефектов обнаружено не
было.

В результате обработки металла шла-
ком в процессе ПЭШО произошло значи-
тельное снижение серы (с 0,010—0,012%
в исходном металле до 0,003—0,004% в го-
товом слитке ПЭШО). Изучение серного
отпечатка показало, что распределение
серы равномерное. На серном отпечатке
слабо виден контур переходной зоны
сплавления двух последовательных порций
металла.

Изменения содержания газов в метал-
ле ПЭШО приведены в табл. 408. Видно,
что содержание кислорода снизилось при-
мерно в полтора раза, а содержание азота
практически не изменилось. Содержание

Таблица 409. Режимы предварительной термообработки литых заготовок из стали 5ХНМ

Вари- ант	Режим!			
	Г омогенизация	Отжиг	1-я нормализация	1-й отпуск
1  2	Посадка в холодную печь, нагрев до 1100° С, выдержка 20 ч, охлаж- дение с печью до 500° С и затем на воздухе  Посадка в холодную печь, нагрев до 1100° С, выдержка 5 ч, охлажде- ние с печью до 500° С и затем на воздухе	Посадка в печь при 400° С, нагрев до 830° С, выдержка 3 ч, охлажде- ние с печью  То же	Посадка в печь при 400° С, нагрев до 850° С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе  То же	Посадка в печь при 300° С, нагрев до 680° С, выдержка Зч, охлаждение с печью  То же
Таблица 410. Механические свойства литой стали 5ХНМ ПЭШО при температуре 20' С

Вариант режима пред- варительной термообра- ботки (см. табл. 409)	Место отбора образцов	Механические свойства				
		°0,2, кгс/мм?	°в> кгс/мм2	о. %	Ф. %	°Н’  кгс • м/см2
1	Вдоль оси слитка	111,2	125,5	12,4	26,2	3,6
	Поперек	109,4	122,6	12,8	33,4	3,2
2	Вдоль оси слитка	109,7	122,0	15,3	30,4	4,1
	Поперек	114,1	124.5	11,9	29,2	2,9

Примечание. Твердость во всех случаях составила 363 НВ.

водорода в жидком металле не изменилось.

Особенности структуры литого метал-
ла, имеющего ярко выраженные зоны мел-
ких кристаллов у поверхности, длинных
столбчатых кристаллов и большого числа
мелких и крупных разориептированных
кристаллов в осевой зоне слитка, предопре-
делили режим предварительной термооб-
работки, включающий обязательно опера-
цию гомогенизации. График термической
обработки приведен в табл. 409.

Перед испытанием механических свойств
образцы из литого металла, вырезанные
из различных характерных зон слитка в
продольном и поперечном направлениях,
прошли единый режим окончательной тер-
мообработки:

I.	Закалка с температуры 860—870° С
(посадка в холодную печь; нагрев до тем-
пературы 860° С; выдержка при темпера-
туре 860°С 1 ч; охлаждение в масле).

2.	Отпуск при температуре 600° С (по-
садка в холодную печь; нагрев до темпе-
ратуры 600° С; выдержка при температуре
600°С 4 ч; охлаждение на воздухе).

обработки

2-я нормализация

при
до

Зч,
чью

Повторение режима тер-
мообработки по режиму
1-й нормализации

2-й отпуск

Повторение режима тер-
мообработки по режиму
1-го отпуска

3.	Отпуск при температуре 500° С (по-
садка в холодную печь; нагрев до темпе-
ратуры 500° С; выдержка при температуре
500° С 2 ч; охлаждение на воздухе).

Механические свойства образцов из
литой заготовки приведены в табл. 410.
Из таблицы видно, что литой металл об-
ладает высокими прочностными свойства-
ми, а также достаточным запасом пла-
стичности и ударной вязкости. Следует
отметить, что показатели механических
свойств литого металла ПЭШО соответ-
ствуют требованиям ГОСТ 5950—63,
предъявляемым к поковкам сечениями до
700 мм из металла обычной выплавки, а
в ряде случаев они выше. Это дало осно-
вание рекомендовать литой металл ПЭШО
для изготовления опытно-промышленной
партии штамповых кубиков.

На московском автомобильном заводе
им. Лихачева было изготовлено два комп-
лекта молотовых штампов (КШ 8452 для
изделия «ведомая шестерня»), которые
работали на молоте мощностью 4,0 тс.

Результаты стойкостных испытаний
(табл. 411) показали, что средний съем с
комплекта молотового штампа из литого
металла ПЭШО составил 9845 изделий с
резким переходом внешней фигуры, в то
время как средняя стойкость кованых
штампов из стали, выплавленной по обыч-
ной технологии, составляет 8294 изделия.
Проверка служебных характеристик ме-
талла в эксплуатационных условиях пока-
зала, что литой металл ПЭШО не только
не уступает кованому металлу, получен-
ному по обычной технологии, но и не-
сколько превосходит его. При этом следу-
ет отметить, что испытания проведены в
жестких условиях, т. е. на молотовых
Таблица 411. Стойкость штампов из
металла разного производства

Литер штампа	Исследование ли- тых штампов из металла ПЭШО		Средняя стой- кость кованых штампов из металла обыч- ного произ- водства, шт.
	ф 2 3 „ « ® к н я И  3 2?- ОечВ	Средняя стойкость, шт.	
100 (верхний)	12 890	15 340	11 017
101 (верхний)	17 790	—	—
100 (нижний)	4100	4350	5570
101 (нижний)	4600	—	—

штампах с резкими переходами по конту-
ру фигуры штампа. Отработанные штам-
пы из металла ПЭШО могут быть переда-
ны на возобновление и эксплуатироваться
повторно.

§ 8. Заготовки,
получаемые способом ЭШСБ

При ЭШС заготовок по бифилярной схе-
ме стенками своеобразного кристаллиза-
тора служат два торца свариваемых заго-
товок и водоохлаждаемые накладки. Во
время сварки оплавляются только торцы
заготовок, а сами заготовки могут пере-
мещаться навстречу друг другу под дей-
ствием сил, возникающих при усадке ме-
талла шва. Поэтому сопротивление усадке
кристаллизующегося металла шва при
сварке значительно меньше, чем при за-
плавлении центральной части заготовки
способом МХКВ. Это имеет особо важное
значение для трудносвариваемых сталей,
склонных к образованию трещин.

В Советском Союзе способ ЭШСБ яв-
ляется основным в производстве крупно-

Та блица 412. Распределение элементов в сварных соединениях, полученных способом
ЭШСБ и ЭШС КПМ

Номер заго- товки	6ч ц и « о СП г- Я п:  § о >.  О Ф со х!  2е н с	Марка стали	Масса заго- товки, т	Диаметр или сечеиие заго- товки, мм	Место отбора пробы	Содержание элементов. %				
						С	8	р	81	Мп
1	ЭШП	25ХНЗМФА	40	1500	Электрод  Основной металл Шов	0,25 0,23 0,24	0,017  0,007  0,009	0,015 0,012 0,012	0,28  0,25  0,22	0,44  0,50  0,50
2	»	25ХНЗМФА	40	1500	Основной металл Шов	0,22 0,20	0,006 0,006	0,011 0,010	0,21  0,18	0,36 0,36
3	»	25ХНЗМФА	40	1500	Основной металл Околошовная зона  Шов	0.20  0,20  0,20	0,005  0,005 0,007	0,010  0,010  0,011	0,24  0,24 0,25	0,47  0,48  0,46
4	»	25ХНЗМФА	60	1750	Основной металл Шов	0,23 0,23	0,006 0,007	0,016 0,016	0,25 0.22	0,43 0,43
5	эд	25ХНЗМФА	120	1500	Основной металл Околошовная зона Шов	0,197  0,191  0,182	0,010  0,009  0,006	0,011  0,011  0,011	0,11  0,10  0,026	0,38  0,37  0,32
6	»	25ХНЗМФА	80	1500	Основной металл Шов	0,21 0,17	0,008  0,006	0,013  0,013	0,10  0,04	0,34 0,35
7	»	25ХНЗМФА	120	2000	Основной металл Шов	0,195 0,191	0,010  0 007	0,011  0,010	0,18  0,14	0,39 0,34
8	»	ШХ15	1,5	220x500	Основной металл Околошовная зона Шов	0,90  0,95  0,90	Не опр.  » » » »		0,35  0,34  0,29	0,37  0,37  0,40

Примечание. Приведены средние значения по результатам анализов 6—7 проб. ЭШС КПМ — способ электро-
шлаковой сварки с подачей кусковых присадочных материалов.
Таблица 413. Содержание газов в сварном
соединении диаметром 1500 мм стали
25ХНЗМФА ЭШП, %

Место отбора пробы	[Н]	[О]	Ш)
Электрод  Основной металл Шов	0,00027  0,00010  0,00010	0,0041 0,0028 0,0015	0,0039  0,0025  0,0020

тоннажных сварных заготовок для энер-
гетического машиностроения и металлур-
гического оборудования.

Сварке могут подвергаться заготовки,
получаемые из металла как открытой вы-
плавки, так и ЭШП. При использовании
металла ЭШП для сварных заготовок до-
стигается абсолютная идентичность по хи-
мическому составу металла шва и основ-
ного металла. При применении для свари-
ваемых заготовок металла открытой вы-
плавки концентрация серы в металле шва
ниже, чем в основном металле, благодаря
рафинирующему воздействию шлака на
металл. Наблюдается также некоторый
угар кремния (табл. 412). Содержание
других элементов остается без измене-
ний. Отмечается также [44] снижение
содержания в металле шва газов
(табл. 413).

Изучение загрязненности сварных со-
единений неметаллическими включениями
по линейному методу, учитывающему
суммарную протяженность включения в
шлифе [2, 25, 26, 44], показало высокую
чистоту сварных соединений (табл. 414).

При этом независимо от того, была ли
свариваемая заготовка электрошлаковой
или открытой выплавки, суммарный индекс
загрязненности шва меньше, чем у основ-
ного металла. В случае использования
электрошлаковой заготовки это объясня-
ется более мелкой кристаллической струк-
турой металла шва.

Распределение химических элементов
по сечению сварных заготовок лучше
всего иллюстрируется распределением
углерода как одного из наиболее ликви-
рующих элементов. Исследования химиче-
ского состава металла различных зон
сварных соединений [2, 25, 26] показыва-
ют (табл. 415), что распределение эле-
ментов по всему объему заготовок до-
вольно равномерно. Вместе с тем отчет-
ливо прослеживается равномерное распре-
деление углерода по объему сварной за-
готовки в случае применения свариваемых
заготовок из электрошлакового металла.
Если разница в содержании углерода в
периферийных и центральной зоне основ-
ного металла открытой выплавки достига-
ет 0,025%, то для металла шва эта раз-
ница составляет 0,005%. Еще меньше эта
разница в металле шва (0,001%), если в
качестве свариваемых заготовок применя-
ют заготовки из металла ЭШП. В этом
случае разница между граничными зна-
чениями содержания углерода в сварном
соединении составляет всего 0,002%. Ана-
логичные результаты получены по иссле-
дованию загрязненности различных зон
сварных соединений неметаллическими
включениями (см. табл. 415).

Таблица 414. Индексы загрязненности металла сварного соединения стали 25ХНЗМФА
неметаллическими включениями (средние значения по данным анализа 3 проб)

Номер заго- товки	Способ изготовле- ния заго- товок под сварку	Масса заго- товки, т	Диаметр заготовки, мм	Место отбора пробы	Индекс загрязненности, %«10 8			
					Оксиды	Оксисуль- фиды	Сульфиды	Суммар- ный индекс
I	ЭШП	40	1500	Основной металл	0,08	0,41	0,35	0,84
				Шов	0,15	0,22	0,37	0,74
2	»	60	1750	Основной металл	0,16	0,23	0,15	0,54
				Шов	0,23	0,07	0,05	0,35
3	эд	80	1500	Основной металл	0,06	0,11	0,51	0,68
				Околошовная зона	0,10	0,10	0,53	0,73
				Шов	0,39	0,04	0,11	0,54
Таблица 415. Распределение углерода и неметаллических включений в сварных соединениях стан

Способ из- готовле- ния заго- товок	Исследуемая зона	Содержание углерода, %							
		Номер образцов (см. рис. 393)							Отклоне* нне
		1	|	2		3	4	5	6	7	
эд	Основной металл	0,182	0,198	0,205	0,195	0,180	0,202	0,188	0,025
	Околошовная зона	0,181	0,190	0,205	0,187	0,180	0,204	0,190	0,025
	Шов	0,180	0,180	0,185	0,180	0,180	0,183	0,185	0,005
эшп	Основной металл	0,230	—	0,240	—	0,220	—	0,230	0,002
	Шов	0,220	—	0,220	—	0,220	—	0,230	0,001

Таким образом, крупнотоннажные свар-
ные заготовки, полученные способом
ЭШСБ, отличаются высокой химической
однородностью, чистотой и равномерным
распределением неметаллических включе-
ний в объеме металла, равномерными вы-
сокими механическими свойствами (рис.
393).

В зависимости от технологии произ-
водства заготовок и получаемых при этом
свойств крупнотоннажные сварные заго-
товки можно разделить на четыре груп-
Рис. 393. Характеристики прочности (а) и пла-
стичности (б) сварнокованого соединения стали
25НЗМФА диаметром 2000 мм в состоянии
после закалки от 830—850° С и отпуска при
620° С (сплошная линия — металл шва; штри-
ховая — околошовная зона; штрихпунктир-
ная — основной металл электропечной выплав-
ки).

пы: ковано-сварнокованые, литосварно-
кованые, ковано-сварные и литосварные.

Литосварнокованые и ковано-сварно-
кованые заготовки. В качестве заготовок
под сварку могут использоваться литые
или кованые заготовки. Окончательную
структуру металла и свойства сваренной
заготовки в этом случае определяет за-
ключительный передел — ковка.

Многочисленные исследования не вы-
явили существенной разницы свойств свар-
нокованых крупнотоннажных заготовок ро-
торов из стали 25ХНЗМФА [2, 4, 44, 48,
61] при применении в качестве основного
металла поковки или электрошлакового
слитка. Несмотря на то что при сварке
этих соединений не применялся ни пред-
варительный, ни сопутствующий нагрев
заготовок, образования холодных трещин
25ХНЗМФА диаметром 1500 мм [2, 25, 26|

	Суммарный индекс загрязненности, %*10 3				
	1	3	5	7	Отклонение
	0,68 0,72 0,55  0,49 0,34	0,71  0,75  0,62  0,59  0,36	0,50 0,72 0,50  0,49 0,34	0,66  0,70  0,50  0,49  0,36	0,21  0,05  0,12  0,10 0,02

в сварных соединениях в обоих случаях
не наблюдалось.

Микроструктура шва и основного ме-
талла состоит из продуктов распада бей-
нита. Околошовная зона также состоит из
продуктов промежуточного бейнитного
превращения. В зависимости от их дис-
персности она может быть условно разде-
лена на такие участки:

I.	Участок перегрева с характерной
крупноигольчатой структурой.

II.	Участок полной перекристаллизации
с мелкоигольчатой, постепенно измель-
чающейся структурой.

III.	Участок неполной перекристалли-
зации, образование бейнито-перлитной сме-
си в субкритическом интервале температур.

Термообработка (закалка с температу-
ры 850° С и отпуск при 670° С) приводит
к выравниванию структуры по всему
сварному соединению, которая, как и
структура основного металла, состоит из
зернистого перлита. Последующая горя-
чая деформация сварных соединений
(уже при обжатии 1,5) приводит к пол-
ному исчезновению различия в макро-
структурах сварного соединения и слитков
ЭШП; исчезает и линия сплавления. При
этом зерно в металле шва становится более
мелким (балл 7—8), чем в основном кова-
ном металле (баллы 5—6).

Уков практически не влияет на разме-
ры, форму и количество неметаллических
включений в сварных соединениях.

Результаты испытаний механических
свойств таких соединений [2] показывают,
что прочностные свойства сварного соеди-
нения металла шва, околошовной зоны и
основного металла для каждого из иссле-
дуемых участков одинаковы и незначи-

Таблица 416. Механические свойства сварнокованой заготовки стали 25ХНЗМФА ЭШП
диаметром 1500 мм в состоянии после закалки от 860—880° С и отпуска при 630—640° С

Участок сварного соединения	Продольные образцы						Радиальные образцы			
	ов.  кгс/мм2	кгс/мм2	6. %	%	ан-  кгс* м/см2	кгс/мм2	о5, кгс/мм2	Л- %	Ф. %	Пи, кгс • м/см2
Шов	73,1	62,4	23,9	74,1	23,7	72,6	62,2	23,6	74,0	21,3
Околошовная зона	75,6	64,7	19,8	74,0	24,5	75,0	69,2	20,7	70,0	—
Основной металл	77,1	65,5	23,4	73,0	23,1	77,3	65,0	22,7	70,2	—
Шов	72,8	57,8	23,8	75,1			72,7	57,2	22,1	75,6	24,5
Околошовная зона	75,2	56,0	21,7	74,2	23,1	—	—	—	—	——
Основной металл	75,6	56,5	22,8	74,1	22,4	75,8	57,3	21,3	73,8	23,7
Шов	74,2	57,4	21,8	74,5	24,4	73,6	56,2	20.0	74,0	—
Околошовная зона	74,5	57,8	22,7	73,8	21,7	—	—	—	—	—
Основной металл	76.1	59,5	22,1	73,4	24,0	75,6	59,3	22,1	74,0	24,6
Шов	73,8	61,0	21.3	71,0	—	74,5	59,5	22,3	70,2	22,0
Околошовная зона	75,0	61,0	20,3	71,2	22,9	72,1	59,5	21,4	70,1	22,2
Основной металл	74,2	61,1	21,3	72,0	20,0	75,4	62,0	20,1	71.1	23,8
Шов	75,6	60,6	22,8	71,7	22,8	75,0	61,0	22,7	74,0	25,8
Околошовная зона	76,5	61,5	23,0	74,6	26,5	75,1	62,6	25,0	74,7	22,3
Основной металл	75,2	61,1	21,0	73,2	24,2	76,0	62,0	22,4	73,2	22,1
Шов	73,0	59,5	23,2	75,0	22,7	—			—	—	—
Околошовная зона	75,1	61,1	23,3	72,8	24,3	—	—	—	—.	—
Основной металл	75.2	60,4	20,3	72,1	22,2	74,3	61,2	20,5	72,2	22,5

примечание. Приведены средние значения по результатам испытаний 3—6 образцов.
Таблица 417. Распределение переходной температуры хрупкости в сварнокованых заготовках
роторных сталей 25ХНЗМФА и 25НЗМФА

Сталь	Способ изго- товления за- готовок под сварку	Степень уко- ва до (числи- тель) и после ('ншенатель) сварки	Исследуемая зона	Переходная температура хрупкости в районе точек. ® С (см. рис. 393)							Литератур- ный источник
				1	2	3	4	5	6	7	
25НЗМФА	эд	3,5/1,5	Шов	—5 —  — 10	—	0	—	—	—	—	
			Околошовная	0	—-	+5	—	—	—	—	14
			зона Основной	0 —			5 —	—.								
			металл	+5		+ю					
	»	3,5/2,0	Шов	—30	—	0	—	—	—	—	
			Околошовная	—40	—•	0	—	—	—	—	[21
			зона Основной	—40	—.	5	-—	—	—	—	
											
			металл								
25ХНЗМФА	эшп	2,0/1,5	Шов	—50	—35	—30	—20	—50	—	—50	
			Околошовная	—20	—25	—25	—20	—45	—	—50	141
			зона  Основной	—20	—15	—20	—20	—40	—	—40	
			металл								
	эд	1,5/1,5	Шов	5	10	5	15	15	10	— 15	
			Околошовная	—45	10	10	15	—20	10	—35	|б1|
			зона  Основной	—40	5	0	5	—25	5	—45	
			металл								

тельно меняются от центральной части за-
готовки к периферии.

Уровень пластичности металла шва не-
сколько выше, чем металла околошовной
зоны и основного металла. В то же время
удлинение и сужение металла шва почти
не меняются от периферии к центральной
части заготовки, тогда как в околошовной
зоне и в основном металле они уменьша-
ются.

Вязкость металла разных зон сварного
соединения практически одинакова, нахо-
дится на высоком уровне и незначительно
растет от центральной части заготовки к
ее периферии.

При использовании под сварку кова-
ной электрошлаковой заготовки отмечает-
ся высокая изотропность механических
свойств металла всех участков сварноко-
ваного соединения (табл. 416).

Исследования переходной температуры
хрупкости, определяемой при испытании
образцов Шарли по появлению 50% кри-
сталлического излома (методика А8ТМ),

показывают, что наиболее низкая темпе-
ратура перехода в хрупкое состояние
свойственна металлу шва сварнокованых
заготовок; для основного металла и око-
лошовной зоны она несколько выше [4].
Это справедливо не только для случая
открытой выплавки заготовки под сварку,
но и для электрошлаковой заготовки со
степенью укова 2 (табл. 417). Вместе с
тем имеются данные [61] и об обратном
распределении переходной температуры:
наиболее низкая переходная температура
отмечается у основного металла, а у ме-
талла шва и околошовной зоны эта тем-
пература несколько выше. В целом же пе-
реходная температура хрупкости металла
ковано-сварнокованого ротора, изготовлен-
ного по электрошлаковой технологии, на
100—70° С ниже, чем у металла находя-
щихся в эксплуатации роторов, изготов-
ленных целиком из крупного слитка
открытой выплавки [4].

Так как роторные заготовки представ-
ляют собой массивные изделия, оценку их
Таблица 418. Требования технических
условий, предъявляемые к механическим
свойствам роторов

Частота вращения, об/мин	Механические свойства (не менее)				
	°5’  кгс/мм2	кгс/мм2	6.%	ф. %	кгс • м/см 2
1500	50	60	16	35	6
3000	72	85	15	45	6

сопротивления хрупким разрушениям це-
лесообразно осуществлять с позиции ли-
нейной механики разрушения в условиях
плоской деформации. В связи с этим ис-
следовалась вязкость разрушения основ-
ного материала, металла околошовной
зоны и сварного шва сварнокованой заго-
товки стали 25НЗМФА по критерию Кю.
При этом использовались образцы на вне-
центренное растяжение толщиной б =
= 100 мм, что позволило обеспечить усло-
вие плоской деформации в широком диа-
пазоне температур.

Исходная усталостная трещина, распо-
лагавшаяся в исследуемой зоне сварного
соединения, создавалась при комнатной
температуре; при этом выполнялись из-
вестные требования к величине макси-
мального коэффициента интенсивности ци-
клических напряжений.

Следует отметить, что разрушения всех
образцов носили хрупкий характер, без
выраженных губ среза и стабильного под-
растания трещины. Полученные результа-
ты показывают, что при температурах
ниже —20° С основной материал и металл
околошовной зоны имеют близкие значе-
ния вязкости разрушения; при более вы-
соких температурах для околошовной зоны
характерно пониженное сопротивление
хрупким разрушениям. Металл сварного
шва в исследованном диапазоне темпера-
тур обладает максимальной вязкостью
разрушения.

Исключительно высокие металлургиче-
ские и механические свойства металла
шва в сварнокованых заготовках роторов,
значительно превышающие требования тех-
нических условий на тихоходные и быст-
роходные роторы (табл. 418), делают пра-
вомерной постановку вопроса об изготов-

лении заготовок в ковано-сварном вариан-
те без последующей ковки.

Ковано-сварные заготовки. Исследова-
нию свойств ковано-сварных заготовок
роторов посвящено значительное число ра-
бот [3, 25, 26, 40, 43]. Отмечается, что
микроструктура различных участков свар-
ного соединения после термообработки
однородна и представляет собой продук-
ты распада мартенсита и бейнита, сохра-
нившие игольчатую ориентировку. Наблю-
даемый после сварки рост зерна в около-
шовной зоне устраняется высокотемпе-
ратурной термообработкой. Основное вни-
мание в работах уделяется сравнительно-
му изучению механических свойств литого
металла шва и кованых заготовок как
электрошлаковой, так и электропечной вы-
плавки.

В работе [25] изучено качество элек-
трошлаковых сварных соединений роторов
диаметром 1500 мм из стали 25ХНЗМФ
электрошлаковой и электропечной выплав-
ки. Заготовки металла ЭШП были изго-
товлены из 40-тонных слитков, прокован-
ных со степенью укова 1,5. Для сварки
этих заготовок применялись пластинчатые
электроды из мартеновского металла
той же плавки, что и расходуемые элек-
троды для слитков ЭШП.

Заготовки электропечного металла
были изготовлены из модифицированного
комплексными модификаторами вакууми-
рованного 80-тонного слитка, прокованно-
го со степенью укова 3,5. Для сварки дан-
ных заготовок применялись пластинчатые
электроды из металла ЭШП, идентичного
по химическому составу с электропечным.
Сварка всех заготовок велась на одинако-
вых режимах с использованием основного
флюса. Скорость сварки составляла около
0,4 м/ч.

Как известно, роторная хромоникеле-
молибденовая сталь типа 25ХНЗМФ весь-
ма чувствительна к температуре отпуска.
Понижение температуры отпуска ведет к
повышению прочности этой стали с одно-
временным резким снижением уровня пла-
стичности и вязкости. Это обстоятельство
не позволяет реализовать потенциальные
возможности повышения прочности, обус-
ловленные композицией указанной стали,
для металла мартеновской выплавки.
Таблица 419. Механические свойства ковано-сварных заготовок роторной стали 25ХНЗМФА

Способ из- готовле- ния заго- товки под сварку	Диаметр сварного соедине- ния, мм	Вид термообработки	Исследуе- мый уча- сток	Шов				
				о5, кгс/мм2	ов, кгс/мм2	6. %	%	ан.  КГС ’ м/см’
эшп	1200	Закалка от 880° С, отпуск при 620° С	Центр	88	99	16,1	45,3	11
	1500	Закалка от 880° С,	»	90	97	17,9	59,5	13
		отпуск при 620°С	Край	97	104	16,6	57,0	13
		Закалка от 880° С,	Центр	57	74	24,9	67,0	21
		отпуск при 670°С	Край	66	78	20,4	66,0	21
эд	1500	Закалка от 880° С, отпуск при 650°С		80	89	21,0	75,0	20
		Закалка от 880° С, отпуск при 670°С	»	63	76	29,0	75,0	26

ЭШП этой же стали приводит к созданию
значительного запаса пластичности, что
позволяет снижением температуры отпуска
стали 25ХНЗМФА при сохранении на при-
емлемом уровне показателей пластичности
и вязкости повысить прочность роторных
сварных заготовок и получить свойства,
необходимые для роторов быстроходных
турбогенераторов и турбин. Поэтому оцен-
ку механических свойств сварных соедине-
ний производили после закалки от 880° С
и отпуска при температурах 620, 650 и
670° С.

Механические испытания сварных со-
единений (табл. 419) показали, что для
каждого режима термообработки уровень

Рис. 394. Определение критической темпера-
туры хрупкости по методике А8ТМ:

1, г — закалка от 880“ С. отпуск при 650° С; В, 4 — за-
калка от 880“ С, отпуск при 670° С; сплошные линии —
литой металл шва; штриховые — основной кованый
металл ЭД.

прочности и пластичности металла шва
околошовной зоны и основного металла
практически одинаков по всему сечению
заготовки. Величины ударной вязкости
металла шва значительно превосходят
требования технических условий и ниже
величины ударной вязкости основного
электрошлакового металла. Ударная вяз-
кость сварных соединений практически не
изменяется от края к центру заготовки.
Это свидетельствует о высокой однород-
ности и хорошей прокаливаемое™ как ме-
талла шва, так и основного металла, по-
лученного ЭШП. В случае применения в
качестве заготовок под сварку металла
электропечной выплавки и использования
электродов, изготовленных из металла,
прошедшего ЭШП, достигается получение
литого недеформированного металла шва,
по показателям прочности, пластичности и
ударной вязкости равноценного основному
кованому металлу. Прй1 этом исследова-
ния металла на образцах Шарли по мето-
дике А8ТМ (рис. 394) показали, что для
шва и основного металла значения крити-
ческой температуры хрупкости Тк весьма
близки и составляют после закалки с от-
пуском при температуре 670° С соответ-
ственно —95 и —100° С; после закалки с
отпуском при температуре 650° С они со-
ставляют —70 и —80° С.

Сварные соединения были также под-
вергнуты испытаниям на внецентренное
растяжение по требованиям А8ТМ и Бри-
			Околошовная зона					Основной металл				
н*  м/см1			кгс/мм2	°В’ кгс/мм2	С. %	Ф %	ан.  кгс-м/см2	о5, кгс/мм2	°в- кгс/мм2	6. %	Ф %	ан, кгс • м/см2
11			90	101	15,3	65,4	13	86	96	16,7	50	11
13			87	95	17,0	65,4	19	89	97	18,7	66,7	17
13			99	105	17,3	63,4	17	99	106	17,3	62,4	16
21			57	75	25,2	70,4	25	58	77	23,5	71,9	24
21			61	78	23,6	72,1	25	57	79	23,8	73,3	25
20			83	91	22,0	68,0	22	84	92	22,0	72,0	25
26			63	79	26,0	72,0	30	61	75	25,0	73,0	30

Рис. 395. Зависимость показателя вязкости
разрушения К1С от температуры испытания:

/ — основной металл ЭШП; 2— металл сварного шва
ЭШП; 3—металл мартеновской плавки; 4— граница
достоверности К]с для основного металла ЭШП; 5 —
граница достоверности для металла шва ЭШП и ме-
талла мартеновской плавки; 6 — граница достовер-
ности для основного металла ЭШП; 7 — граница до-
стоверности для металла шва ЭШП и мартеновского
металла.

Рис. 396. Твердость металла сварного соедине-
ния прокатного валка из стали ШХ15:

/, 2 и 3 — соответственно твердость после закалкн в
масло, в исходном состоянии (без термообработки)
и после нормализации.

тайского стандарта для определения зави-
симости коэффициента Кю от температуры
испытаний [52].

Полученные зависимости значений Кю
от температуры, а также соответствующие
значения пределов текучести для марте-
новской стали, металла ЭШП и металла
сварного шва приведены на рис. 395.
Там же показаны границы достоверных
результатов, полученные с учетом условия
плоской деформации б 2,5 •^олее
высокие значения К1с, не удовлетворяю-
щие указанному условию, требуют осто-
рожности при их использовании в каче-
стве расчетных. Вместе с тем они сохра-
няют свое значение как сравнительные
характеристики. Следует также отметить,
что в диапазоне температур ниже —70° С
разрушение всех образцов происходило
без подрастания трещины; внешний вид
изломов носил хрупкий характер, без ви-
димых губ среза.

Полученные результаты позволяют сде-
лать следующее заключение.

Недеформированный металл сварного
шва, сваренный электродами из металла
мартеновской плавки, обладает практиче-
ски такой же вязкостью разрушения, как
и основной катаный металл мартеновской
плавки.

Металл ЭШП имеет значительно более
высокую сопротивляемость хрупкому раз-
рушению по сравнению с катаным метал-
лом мартеновской плавки. Критическая
температура металла ЭШП, соответствую-
щая резкому снижению вязкости разру-
шения, лежит примерно на 30° С ниже,
чем соответствующая температура у ме-
талла мартеновской выплавки.

На рис. 396 показано распределение
твердости металла в сварной заготовке
прокатного валка из стали ШХ15, полу-
ченного способом ЭШС КПМ [41]. После
термообработки твердость металла шва,
околошовной зоны и основного металла
одинакова. Этот показатель удовлетворя-
ет основное требование, предъявляемое к
металлу рабочей поверхности валка,
и свидетельствует об однородности ме-
ханических свойств ковано-сварной за-
готовки также из высокоуглеродистой
стали.

Из сравнения результатов исследова-
ний сварных соединений заготовок диа-
метром 1200 и 1500 мм видно (см.
табл. 419), что, несмотря на почти дву-
кратное увеличение площади свариваемых
заготовок, способ ЭШП по бифилярной
схеме обеспечивает высокие и равноцен-
ные качественные характеристики. Это
дает основание утверждать, что при сварке
по этой схеме электрошлаковых заготовок
практически неограниченных размеров бу-
дут получены высококачественные свар-
ные соединения.

Однако с увеличением размеров свар-

ных заготовок возникает проблема их тер-
мообработки. В настоящее время для ро-
торных заготовок применяется закалка с
высоким отпуском. Увеличение диаметра
заготовки приводит к двум основным
трудностям в осуществлении операции за-
калки: необходимости строительства доро-
гостоящих новых термических участков с
мощным закалочным оборудованием и сни-
жению эффективности самой операции за-
калки в связи с уменьшением скоростей
охлаждения и приближением их к скоро-
стям охлаждения, свойственным нормали-
зации.

Ориентировочные расчеты показывают,
что в интервале температур 500—200° С,
ограничивающем область бейнитного пре-
вращения роторных сталей, скорость
охлаждения осевой части заготовки диа-
метром 1500 мм при закалке в масло со-
ставляет 53° С/ч, а при охлаждении на
воздухе—24° С/ч. Центральная часть ци-
линдрической заготовки диаметром 2500 мм
в указанном температурном интервале
охлаждается при закалке в масло со ско-
ростью 19,3° С/ч, а при нормализации — со
скоростью 10,8° С/ч. Поэтому значитель-
ный интерес представляет исследование
влияния различных режимов термообра-
ботки на свойства сварных соединений
роторной стали 25ННЗМФА. Такое иссле-
дование проведено в работе [3].

Исследование проводилось на частях
диска со сварным соединением, вырезан-
ным из макета ротора, представляющего
собой две поковки (степень укова 1,5)
диаметром 1500 мм из металла ЭШП,
сваренные между собой способом ЭШСБ.
Электроды для сварки изготовлены из
проката мартеновской плавки. Макет пос-
ле сварки прошел антифлокенный отжиг
с отпуском. Диск толщиной 300 мм с не-
деформированным швом разрезался на
части массой 300—400 кг. Каждая часть
проходила термообработку по одному из
режимов, указанных на рис. 397 и в
табл. 420. Из полученных данных следует,
что характеристики прочности всех участ-
ков сварного соединения, а также одна из
характеристик пластичности — относитель-
ное удлинение — после каждого режима
термообработки находятся примерно на
одном уровне. Относительное сужение ме-
Таблица 420. Механические свойства сварного соединения роторной стали 25ХНЗМФА,
выполненного на заготовке диаметром 1500 мм электрошлаковой выплавки

д 2  □ 5		ав, кгс/мм2		а5, кгс/мм2		0,	%	ф	%	ан, кгс-м/см2	
	Участок сварного										
	соединения										
		Центр	Край	Центр	Край	Центр	Край	Центр	Край	Центр	Край
1о			диска	диска	диска	диска	диска	диска	диска	диска	диска
1	Шов	97	104	90	97	18	17	60	57	10	8
	Околошовная зона	95	105	87	99	17	17	65	63	19	17
	Основной металл	96	106	89	100	19	17	67	64	17	16
2	Шов	93	—	87	__	19			63		19	
	Околошовная зона	95	—	84				20					65		20	
	Основной металл	96	—	84	—	21	—	69	—	21	—.
3	Шов	74	78	57	67	25	21	67	66	21	21
	Околошовная зона	75	78	57	62	25	23	70	72	24	25
	Основной металл	77	79	58	58	24	24	72	73	24	25
4	Шов	94	94	83	83	18	18	53	57	11	11
	Околошовная зона	96	92	85	82	18	20	63	65	18	19
	Основной металл	92	94	82	83	19	20	69	69	17	20
5	Шов	90			74	-	18			54		12	
	Околошовная зона	90	—	74			20	—	64			18	
	Основной металл	91	—	73,6	—	19	—	68	—	18	—

Ц.Рам е 4 а н“ е- Режим 1: закалка от 880° С в масло, отпуск при 620° С; режим 2: закалка от 880° С, отпуск при
ООО Ь; режим 3: закалка от 880° С, отпуск при 670° С: режим 4: нормализация при 880° С, отпуск пои 620° С* ое-
жим 5: нормализация при 880° С. отпуск при 650° С.	и	и

талла шва и околошовной зоны несколько
ниже, чем основного металла. Показатели
ударной вязкости шва и основного метал-

ла несколько отличаются после закалки с
отпуском при 620° С, а также после нор-
мализации с отпуском.

Таблица 421. Механические свойства ступенчатой поковки из стали 25ХНЗМФА ЭШП
(после отжига)

Показатель	Место отбора пробы	Степень укова				
		0	1.5	2	2,5	3
а5, кгс/мм2	Поверхность	58,5—60,5	60,0—61,5	57,8—58,0	60,0—60,0	62,5—65,0
	1/1 /?	58,0—59,5	59,5—59,5	57,0—58,0	59,5—59,5	62,0—63,0
	Центр	57,0—58,0	58,0—58,5	56,0—56,0	58,0—59,5	62,0—63,0
ав кгс/мм2	Поверхность	75,4—75,5	76,5—77,0	73,5—74,5	77,0—77,0	79,5—81,0
	1/2 /?	74,5—75,0	76,0—76,0	73.0—73,5	76,5—77,0	79,5—80,0
	Центр	72,5—75,0	75,0—75,5	73,0—73.5	76,5—76,5	79,0—79.5
6, %	Поверхность	17,5—20,0	20,5—21,5	20,0—21,5	21,0—21,5	20,0—20,5
	1/2 /?	16,0—16,5	20,5—21,0	19,0—20,0	19,0—21,0	19,5—20,0
	Центр	15,0—15,5	18,0—21.0	19.0—20,0	18 5—20,5	18,0—19,5
ф, %	Поверхность	50,5—62,0	63,5—65,5	61,5—63,5	61,5—65,5	63,5—64,5
	1/2 /?	48,0—50,5	61,0—63,0	58,5—63.0	63,0—64,5	62.0—63,0
	Центр	40,0—46,0	58,5—60,0	58,5—63.0	58,5—62.0	58,5—63.0
Он, кгс-м/см2	Поверхность	7,9—9,2	11,0—12,1	11,4—14,2	14,0—16,8	14,6—15,9
	1/2 /?	8,2—8,5	9,1—10,2	10,4—11,0	10,6—11.9	11,3—14,4
	Центр	7,8—8,1	8,6—9,6	8,4—9,8	9,0—11,8	10,9—11,3
НВ (диаметр	Поверхность	4,0—4,0	4,0—4,0	4,0—4,0	4,0—4,0	4,0—4,0
отпечатка	1/2 /?	4,0—4,0	4,0—4,0	4,0—4,0	4,0—4,0	4,0—4,0
в мм)	Центр	4,0—4,0	4,0—4,0	4,0—4,0	4.0—4,0	4,0—4,0
Рис. 397. Опробованные режимы термообра-
ботки сварного соединения роторной стали
25ХНЗМФА ЭШП (цифры соответствуют но-
мерам режимов в табл. 420):
а — закалка; б — нормализация.

Рис. 398. Влияние степени деформации на меха-
нические свойства ступенчатой головки из слит-
ка ЭШП.

Закалка с отпуском при 650 и 670° С
приводит к некоторому выравниванию зна-
чений ударной вязкости для шва и основ-
ного металла. Полная гомогенизация
свойств может быть достигнута после ков-
ки сварного соединения с минимальным
уковом.

Сравнение полученных результатов с
требованиями технических условий на
быстроходные и тихоходные роторы ука-
зывает на то, что из всех опробованных
режимов термообработки только закалка
с отпуском при 670° С (режим 3) не обес-
печивает необходимые для быстроходных
роторов свойства металла. Наиболее удач-
ное сочетание свойств обеспечивает закал-
ка с отпуском при 650° С (режим 2). За-
мена закалки с отпуском при 650° С нор-
мализацией с отпуском при 650° С (ре-
жим 5) приводит к понижению всех меха-
нических характеристик, особенно проч-
ности, поэтому более предпочтительной
является нормализация с отпуском при
620° С (режим 4).

Таким образом, проведенное исследо-
вание свидетельствует о возможном при-
менении нормализации с отпуском при по-
ниженной температуре в качестве оконча-
тельной термообработки для конструкций
типа роторов турбогенераторов и турбин
из высококачественных заготовок, изго-
товленных по электрошлаковой техноло-
гии.

Из приведенных данных видно, что ли-
той недеформированный металл шва по
всем показателям равноценен кованому
металлу открытой выплавки или даже
превосходит его. Этот вывод, а также дан-
ные о качестве металла ЭШП, приведен-
ные в § 4 настоящей главы, служат осно-
ванием для применения электрошлакового
недеформированного металла в качестве
основного металла свариваемых крупно-
тоннажных заготовок без последующей
деформации. Иными словами, электро-
шлаковая технология позволяет при изго-
товлении роторов генераторов и турбин
атомных электростанций, а также загото-
вок других ответственных узлов приме-
нять литосварные заготовки.

Литосварные заготовки. Изучение
свойств ступенчатой поковки стали
25ХНЗМФА, изготовленной из слитка
Таблица 422. Механические свойства электрошлаковых сварных соединений (из стали
25ХНЗМФА, подвергнутой ЭШП) после деформации и различной температуры отпуска

Показатель	епень уко-	О д  2 3	Сварное соедине- ние	Основной металл	Ф га  2 а	 Сварное соедине- ние	Основной металл	Металл шва	Сварное соедине- ние	Основной металл
	О га		670—680°	С	630—640° С			620° С		
с5, кгс/мм2	0	67,0	75,4	72,5	62,0	62,7	63,7	88,0	90,5	85,2
	1,5	72,2	70,3	67,3	68,9	68,9	67,7	95,2	97,2	94,9
	2	69,5	73,0	68,0	—	—	—	97,3	96,3	96,1
ав, кгс/мм2	0	94,7	95,5	93,7	77,0	76,1	78,0	98,8	101,0	95,8
	1,5	97,6	93,8	90,2	81,3	81,3	80,6	104.6	105,8	103,8
	2	97,0	96,7	97,0	—	—	—	107,7	105,2	105,4
б, %	0	17,5	13,6	13,5	19,1	19,2	21,6	16,1	15,3	16,7
	1,5	16,5	16,3	21,2	21,0	23,5	23,3	19,1	16,5	19,2
	2	20,3	20,5	21,3	—	—	—	18,4	16,2	19,0
ф, %	0	30,6	34,6	30,6	55,6	76,0	67,0	45,3	65,4	50,0
	1,5	47,3	52,1	63,0	67,7	73,0	74,0	61,7	62,5	66,0
	2	54,4	55,6	55,6	—	—	—	62,3	65,4	65,5
	0	8,0	8,8	8,7	15,6	17,6	20,6	10,7	13,0	10,8
кгс-м/см2	1,5	9,4	9,4	9,8	22,0	24,0	23,8	12,4	14,5	16,0
	2	12,2	11,1	9,9	—	—	—	12,2	16,2	16,0

Примечание. Во всех случаях отпуску предшествовала закалка в масло от температуры 840—860° С. Приведе-
ны средние значения по результатам испытания трех образцов.

ЭШП диаметром 1100 мм, с различными
степенями укова после термообработки,
включающей закалку в масло при темпе-
ратуре 840—860° С и отпуск при темпера-
туре 670—680° С (рис. 398), показывает,
что литой металл слитков ЭШП имеет ме-
ханические свойства достаточно высокого
уровня. Некоторое повышение свойств до-
стигается при степени укова 1,5—2,5. Бо-
лее высокая степень деформации практи-
чески не оказывает влияния на уровень
механических свойств поковок из металла
ЭШП [44]. При этом и в деформирован-
ном, и в литом металле достигается высо-
кая степень однородности механических
свойств по сечению заготовки (табл. 421).
Были проведены также исследования ме-
ханических свойств сварных соединений в
литом и малодеформированном состоянии
[48]. Данные этих исследований (табл. 422)
свидетельствуют о том, что в литом со-
стоянии механические свойства сварного
соединения в области шва, по линии
сплавления и слитков ЭШП очень высоки
и практически равноценны. После закалки
и отпуска при температуре 620° С они
существенно превышают по своим показа-

телям требования технических условий на
быстроходные роторы. Полученные ре-
зультаты явились основанием для изго-
товления и исследования литосварного
макета ротора. Заготовки под сварку
изготавливались из 40-тонного слитка
ЭШП диаметром 1500 мм. Выплавка слит-
ков ЭШП и сварка производились расхо-
дуемыми электродами мартеновской вы-
плавки. Изучение макроструктуры сварно-
го соединения в различных по высоте и
сечению точках показало отсутствие де-
фектов типа непроваров, несплавлений,
пор, надрывов, шлаковых включений. Ши-
рина шва составляла НО—140 мм, струк-
тура его литая мелкодендритная; струк-
тура основного металла представляет
собой более крупные дендриты с осями пер-
вого порядка длиной до 120 мм, ориенти-
рованными в основном под углом 45° к ли-
нии сплавления.

Микроструктура всех участков сварно-
го соединения (шва, околошовной зонь!,
основного металла) однородна во всех се-
чениях и представляет собой сорбитооб-
разные продукты распада бейнита и мар-
тенсита, сохранившие игольчатую ориен-
Таблица 423. Механические свойства сварного соединения литосварного макета ротора диаметром
от 840—860° С и отпуска при 620° С)

Место отбора пробы	Направление вырезки образца	Шов					Околошовная зоне				
		гИи/зза	(Тв. кгс/мм2	6. %	Мх %	°Н’ кгс-м/см*	кгс/мм’	°в кгс/мм*	6, % 		4	
Центр	Аксиальное	69,0	80,0	17,8	61,8	13,4	Не	определялись			
	Радиальное	69,0	80,7	19,5	63,1	14,9	70,0	1 81,4	1 18,2	56,2	
1/3 /?	Аксиальное	69,4	81,1	17,5	62,6	12,3	Не	определялись			
	Радиальное	69,8	80,2	17,9	57,4	11,5	69,3	80,4	19,2	59,1	
2/3 /?	Аксиальное	68,9	80,6	19,0	67,0	11,4	Не	определялись			
	Радиальное	68,4	80.0	19,5	65,8	13,0	70,1	| 81,1	1 18,8	61,2	
Боковая	Аксиальное	71,3	81,2	17,9	68,3	13,1	Не	определялись			
поверхность	Радиальное	70,1	81,4	19,0	65,9	11,8	70,0	81,6	19,2	65,7	
Низ	Аксиальное	72,8	84,6	16,1	65,4	6,9	74,2	85,3	20,8	63,9	
Верх	»	67,4	78,8	22,1	64,7	15,3	66.9	77,8	20.4	66,6	

Примечание. Приведены средние значения по результатам испытаний 3—5 образцов.

Таблица 424. Механические свойства по длине литосварного макета ротора диаметром 1500 мм из с
840—860° С и отпуска при 620° С)

		Головная часть					Срединная часть					
Место	Направление					г						
отбора	вырез кн	2	8				8	2				
пробы	образцов	2	8	г?	8?		2	8	е?			
			ь  & гг	«О	4	® и  з	йэ и  О У	т и	с©	4		
Центр	Аксиальное	65,9	78,4	18,8	64,6	17,1	69,7	80,5	18,6	62,2		
	Радиальное	65,0	79,2	19,4	62,9	13,3	70,7	81,5	17,6	62,9		
	Тангенциальное	65.0	78,2	19,3	67,3	17,0	69,6	80,0	17,0	62,5		
1/3 /?	Аксиальное	65,9	79,1	20,6	64,8	15,1	70,0	80,6	17,0	57,5		
	Радиальное	66,3	78,9	18,7	62,1	14,1	69,6	80,1	17,2	62,7		
	Тангенциальное	67,1	79,0	18.3	62,3	14,4	70,1	81,1	15,0	62,0		
2/3 /?	Аксиальное	68,7	80,4	20,1	64,9	15,5	71,7	82,6	17,2	60,6		
	Радиальное	68,0	80,6	20,8	66,2	17,2	71,8	82,7	16,3	63,1		
	Тангенциальное	69,0	80,7	20,3	64,5	16,6	71,2	82,2	15,4	60,5		
Перифе-	Аксиальное	76,2	80,8	18,6	63,4	18,6	73,1	84,5	18,4	63,6		
рия	Радиальное	71,3	82,2	20,2	66,6	15,4	72,9	83,6	17,3	64,3		
	Тангенциальное	71,2	82,2	19.1	69,1	17,0	73,6	84,7	7,8	62,2		

Примечание. Приведены средние значения по результатам испытаний 3—5 образцов

тировку. Линия сплавления шва с основ-
ным металлом под микроскопом не
просматривается.

Механические свойства металла шва,
околошовной зоны и основного металла,
определенные в аксиальном и радиальном
направлениях, весьма близки по своим
значениям и равноценны по всему объему
сварного соединения (табл. 423). Наблю-
даются лишь незначительное повышение
Текучести и прочности при одновременном

снижении вязкости в верхней части метал-
ла шва и околошовной зоны, а также
уменьшение текучести и прочности анало-
гичных участков сварного соединения в
нижней части.

Прочностные характеристики основно-
го металла несколько возрастают при пе-
реходе от центра к периферии поперечно-
го сечения роторной заготовки.

Эти явления связаны с различной ско-
ростью охлаждения и с несколько несим-
1500 мм из стали 25ХНЗМФА (после закалки в масло

иетром

								
;ая зона				Основной металл				
			2					2 О
- ’ч®				2	2 .2			2
			«8		М и			
&			« к	О а!			э	С X
			15,0	69,7	80,5	18,6	62,2	16,0
56,2			14,0	70,7	81,5	17,6	62,9	12,8
			13,8	70,0	80,6	17,0	57,5	14,4
59,1			16,6	69,6	80,1	17,2	62,7	17,0
	1			71,7	82,6	17,2	60,6	14,3
61,2	1		18,1	71,8	82,7	16,3	63,1	—
			15,1	73,1	84,4	18,4	63,1	—
65,7			15,3	72,9	83,6	17,3	64,3	19,8
63,9			10,2	73,1	84,5	18,4	63,6	13,3
66,6			16,9	73,1	84,6	18,3	63,6	15,2
ИМ из		стали 25ХНЗМФА (после закалки в					масло о'	Г
я часть				Донная часть				
			2					2
			о	2	2			
			8	8	2			2
			X ь		- о и и			д к
•э-			о а	*	О X	ю	-э-	а х
62,2			16,0	67,4	80,1	19,0	63,0	16,5
62,9			12,8	67,7	79,7	10,7	65,6	17,7
62,5			15,2	67,8	79,8	19,6	64,8	17,6
57,5			14,4	67,2	79,1	18,9	62,5	17,0
62,7			17,0	67,6	79,4	19,9	59,8	18,4
62,0			15,0	67,8	80,0	19,6	63,2	18,2
60,6			14,3	66,5	78,5	20,0	67,1	17,9
63,1			—	67,4	78,3	16,4	64,4	18,5
60,5			12,1	67,0	78,7	20,4	67,5	17,3
63,6			13,3	67,1	77,8	20,8	68,2	21,3
64,3			19,8	67,4	78,0	20,9	68,5	22,9
62,2			13,7	67,0	78,2	20,3	66,6	17,3

метричным теплоотводом различных ча-
стей наружной поверхности сварного ма-
кета ротора при горизонтальной закалке.

Образцы для исследования механичес-
ких свойств основного металла вырезали из
головной, серединной и донной части ро-
торной заготовки. В каждой части заготов-
ки отбирали образцы из центральной зоны,
из зон, удаленных от центра на расстояние
1/3 и 2/3 радиуса заготовки, и из перифе-
рийной зоны. Образцы вырезали в каждой
зоне каждой части заготовки в трех на-
правлениях: в аксиальном, радиальном и
тангенциальном.

Направление вырезки образцов прак-
тически не повлияло на механические ха-
рактеристики шва, околошовной зоны и
основного металла литосварного макета
ротора. Это свидетельствует об изотроп-
ности физико-механических свойств метал-
ла, полученного по электрошлаковой тех-
нологии. Поэтому естественно, что и по
всей длине макета ротора механические
свойства идентичны (табл. 424).

Переходная температура хрупкости,
определенная по методике А8ТМ на об-
разцах Шарли, вырезанных в тангенци-
альном направлении, находится практи-
чески на одном уровне для центра и
периферии макета ротора. Критическая
температура хрупкости металла шва ле-
жит несколько ниже (от 20 до 25° С),
чем для основного металла (от 30
до 40° С).

Приведенные данные свидетельствуют
о реальной возможности применения лито-
сварных крупнотоннажных заготовок для
изготовления деталей ответственного на-
значения, каковыми являются роторы ге-
нераторов. При этом благодаря высокому
запасу пластичности стали, достигаемому
в результате электрошлаковой технологии,
представляется возможность в зависимо-
сти от требований, предъявляемых к кон-
кретной конструкции, регулировать проч-
ностные характеристики заготовки соот-
ветствующим изменением температуры от-
пуска.
ГЛАВА IX

ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЙ

ЧУГУН

Чугун является важным и широко приме-
няемым конструкционным материалом. Хо-
рошие литейные свойства, приемлемая
прочность и, главное, низкая стоимость по-
зволяют ему в течение многих десятиле-
тий не только выдерживать конкуренцию
с другими конструкционными материала-
ми, но и находить все новые области при-
менения.

Открытые в 40-х гг. способы получения
шаровидного графита в чугуне позволили
резко повысить прочность и пластичность
металла, расширили сферу применения чу-
гунных отливок взамен стальных поковок
и штамповок. Однако широкое освоение
нового материала многие годы сдерживае-
тся вследствие низкого качества исходного
чугуна, обусловленного главным образом
высоким содержанием серы. Это обстоя-
тельство явилось одной из основных при-
чин широкого поиска экономичных и эф-
фективных методов рафинирования чугуна.
В последние годы успешно ведутся работы
по использованию для этих целей электро-
шлакового процесса.

В настоящей главе рассмотрено влия-
ние электрошлаковой обработки на каче-
ство чугуна.

§ 1.	Виды чугунов,
области применения
и проблемы повышения качества

В настоящее время чугуны разделяют по
структуре и тесно связанным с ней свой-
ствам на четыре основных типа: серый чу-
гун, ковкий чугун, чугун с шаровидным
графитом и чугун с особыми свойствами.

Серый чугун. По своей структуре се-
рый чугун характеризуется перлитно-фер-
ритной или перлитной матрицей с плас-
тинчатыми включениями графита. При
этом имеется градация структуры по ве-
личине выделений графита, дисперсности
перлита и соотношению феррита, перлита
и цементита.

В табл. 425 представлены некоторые
стандартные марки серых чугунов и их
конструкционные свойства. Свойства чугу-
на в готовом изделии в значительной сте-
пени определяются условиями кристалли-
зации металла: для довольно широкого
диапазона составов можно получить оди-
наковые механические характеристики,
варьируя скоростью кристаллизации, ви-
дом литейной формы, толщиной отливки
и т. д.

Разнопрочность металла в неравных се-
чениях отливки, обусловленная различной
структурой матрицы и графита, является
одним из существенных недостатков серого
чугуна [11]. Поэтому получение равнопроч-
ного металла по всей отливке является
часто одной из важнейших задач, для ре-
шения которой изменяют и технологию из-
готовления формы, и состав металла и ме-
тоды его предварительной подготовки пе-
ред заливкой. При этом для получения
максимальной прочности стремятся всеми
возможными способами ускорить объем-
ную кристаллизацию металла с тем, чтобы
измельчить эвтектическое зерно, а также
ускорить выделение графита [11]. Посколь-
ку чрезмерная скорость кристаллизации
может привести к отбелу, прибегают к мо-
дифицированию металла перед заливкой.
Однако для успешного проведения этой
операции температуру перегрева металла
желательно иметь не ниже 1400—1450° С
[И]. При прочих равных условиях обраба-
тываемость определяется структурой и
механическими свойствами чугуна и харак-
теризуется стойкостью режущего инстру-
мента. Обрабатываемость улучшается с по-
вышением содержания углерода и углерод-
ного эквивалента и ухудшается с увеличе-
нием содержания оксидных, карбидных и
нитридных неметаллических включений в
структуре.

Износостойкость серого чугуна возрас-
тает с уменьшением общего количества
графита и размеров графитовых включе-
ний. Она находится в прямой зависимости
от твердости чугуна.

Герметичность чугуна определяется на-
личием микропористости и «транзитных»
связей по включениям графита. С повыше-
нием марки чугуна и уменьшением доли
феррита, а также с увеличением дисперс-
ности графита герметичность возрастает.

Основные области применения серого
чугуна следующие:

В станкостроении из серого чугуна из-
готовляют станины, рамы, столы, планшай-
бы, ползуны, цилиндры, корпуса насосов
и золотников, шкивы, маховики и др. Для

этих деталей применяют преимущественно
чугун марок СЧ 21-40 и выше.

В автотракторостроении серый чугун
применяется для изготовления блоков ци-
линдров, гильз блоков, поршневых колец,
распределительных валов, толкателей, се-
дел, клапанов, головок цилиндров, тормоз-
ных барабанов и дисков сцепления. Следу-
ет отметить, что для перечисленных изде-
лий у нас в стране и за рубежом приме-
няют преимущественно малолегированные
(Сг, ЬИ, Мо, Си) и высоколегированные
чугуны.

В химическом и нефтяном машиностро-
ении находят применение чугуны с повы-
шенной износо- и коррозионной стойко-
стью. При изготовлении компрессоров и
насосов из серого чугуна изготовляют ци-
линдры, блоки, головки, втулки, махови-
ки, фундаментные плиты, крышки.

В электромашиностроении серый чугун
является основным материалом станин и
корпусов электродвигателей, крышек,
фланцев и др.

Ковкий чугун. По сути этот тип чугуна
является разновидностью серого; от по-
следнего он отличается компактной фор-
мой графита, получаемой путем отжига
белого чугуна. По своим механическим и
служебным свойствам ковкий чугун зани-
мает промежуточное положение между чу-
гуном и сталью, являясь во многих слу-
чаях полноценным заменителем последней.
Благодаря плотной структуре детали из
ковкого чугуна с толщиной стенки 7—8 мм
способны выдерживать гидростатическое
давление до 40 атм.

Ассортимент деталей из ковкого чугуна
выбирают таким образом, чтобы получить
во всем сечении равнопрочный металл. Это
достигается при сквозном отбеле отливки.
На практике максимальные толщины со-
ставляют 40 мм. Химический состав ковко-
го чугуна не тестируется. Требуемый
ГОСТ 1215—59 диапазон механических
свойств обеспечивается соотношением угле-
рода и кремния в металле.

В табл. 426 представлены марки ковко-
го чугуна, его свойства и рекомендуемый
состав.

У высоких марок ковкого чугуна сум-
марное содержание углерода и кремния не
должно превышать 3,7—3,8%. Такой
Т аблица 425. Марки и механические свойства серого чугуна (по ГОСТ 1412—54) [21]

Свойства	Диаметр литой 3;,гото											
	30	100	200	30 |	100		200	30	Ю0	200	30	100	200
	Марки											чугуна
	СЧ 21-40			СЧ 24-44			СЧ 28-48	|			СЧ 32-52		
Предел прочности, кгс/мм2: ов  ОИ  аи, кгс-м/см2  Циклическая вязкость, %  НВ, кгс/мм2	21  95  40 0,9  18  180—  207	12  47  40 0,5  25  143—  180	35 0,4  30  143—  180	24  100  44  0,9  18  187—  217	22  95  42 0,9  25  163—  207	20  90  42  0,6  30  143—  187	28 ПО  48  1,0  18  170—  241	26  100  48 0,8  22  170—  229	25  90  48 0,6  30  170—  217	32  120  52  1,0  18  170—  241	28  115  52  0,8  20  170—  229	26  95  52 0,7  25  170—  229

металл из-за повышенной температуры
плавления не может быть выплавлен толь-
ко в вагранке, а производится обычно дуп-
лекс-процессом вагранка — дуговая печь.

Поскольку обязательной операцией при
производстве ковкого чугуна является от-
жиг отбеленной исходной отливки, цикл
которого длится до 70 ч, особое внимание
уделяется получению металла с минималь-
ным количеством примесей, тормозящих
графитизацию. С другой стороны, в ме-
талле должно содержаться оптимальное
количество элементов-графитизаторов.
В противном случае отливка не будет

иметь сплошного отбела и, следовательно,
равномерной структуры после отжига.

При производстве ковкого чугуна так-
же применяется модифицирование (А1, В),
ускоряющее графитизацию при отжиге.
Успех этой операции, как и при изготовле-
нии серого чугуна, во многом зависит от
температуры металла. Ковкий чугун по
сравнению с серым имеет худшую жидко-
текучесть, большую объемную усадку
и большую склонность к образованию
горячих трещин и газовых раковин, что
усложняет технологию изготовления фор-
мы.

Таблица 426. Марки, химический состав и основные механические свойства ковкого
чугуна [21]

Марка	Механические свойства по ГОСТ 1215—59			Содержание элементов. %					Структура
				С	81	Мп	р 1	8 | Сг	
	ав. кгс/мм2, не мевее	6. % не менее	аэи’о^ эн				н	е более	
кчзо-6	30	6	Ф е  163	)р итнь 2,4—3.1	Й К О в  0,8—1,2	СИЙ чу  0,3—0,6	г у н  0,18	0,18 0,08	Ферритная метал-
КЧЗЗ-8	33	8	149	2.5—2,9	0,8—1,2	0,3—0,6	0,18	0,18 0,08	лическая основа и
КЧ35-10	35	10	149	2,4—2,8	0,9—1,4	0,3—0,6	0,18	0,12 0,06	углерод отжига
КЧ35-12	37	12	149	2,2—2,5	1,0—1,5	0.3—0,5	0,18	0,12 0,06	различной степени
КЧ45-6	45	6	Пе[ 241	Л и т н ы  2,2—3,1	й к о в ь 0,7—1,5	и й ч у 0,3—1,0	У Н 0,18	0,2 0,2	компактности  Перлитная или
КЧ50-4	50	4	241	2,2—3,1	0,7—1,5	0,3—1,0	0,18	0,2 0,2	перлито-ферритная
КЧ56-4	56	4	269	2,2—3,1	0,7—1,5	0,3—1,0	0,18	0,2 0,2	металлическая ос-
КЧ60-3	60	3	269	2,2—3,1	0,7—1,5	0,3—1,0	0,18	0,2 0,2	нова и углерод от-
КЧ63-2	63	2	269	2,2—3,1	0,7—1,5	0,3—1,0	0,18	0,2 0,2	жига
Диаметр литой		заготовки, мм						
30 |	100 |	200	30	1 100	1 200	I 30	|	100	|	200
Марки		чугуна						
СЧ 32-52				Сг 35-56		1	Сг 38-60	
32	28	26	35	30	26	38	32	27
120	115	95	120	115	100	140	120	105
52	52	52	56	56	56	60	60	55
1,0	0,8	0,7	1.1	0,8	0,6	1,0	0,7	0,6
18	20	25	18	20	25	18	20	25
170—	170—	170-	197-	197—	197—	197—	197—	197—
241	229	229	255	255	241	255	255	255

:ЛЬНО,
1.

так-
I, В),
жиге,
‘эвле-
ит от
н по
идко-
’адку
анию
, что
фор-

Благодаря высоким физико-механиче-
ским свойствам и более низкой стоимости,
чем отливки, поковки и штамповки из ста-
ли, ковкий чугун широко применяется в
различных отраслях машиностроения.

В сельскохозяйственном и автотрактор-
ном машиностроении ковкий чугун приме-
няют для следующей номенклатуры изде-
лий, работающих в различных условиях
(статических, ударных, скручивающих и
т. д.): нагрузок шестерен, муфт, тормоз-
ных колодок и др.

В вагоно- и судостроении из ковкого чу-
гуна изготавливают детали воздушных тор-
мозов и подшипников, кронштейны, тяго-
вые сцепления. Большое количество ковко-
го чугуна идет на изготовление парогазо-
вой и водяной арматуры [21].

Чугун с шаровидным графитом (ЧШГ).
Этот чугун отличается от рассмотренных
выше плотной, почти шаровидной формой
графита. Такие выделения графита в ми-
нимальной степени ослабляют сечение от-
ливки, благодаря чему ЧШГ по сравнению

тал-
аа и
:ига
ени

ия
ос-
от-

Таблица 427. Марки ЧШГ и его механи-
ческие свойства (по ГОСТ 7293—54)

Марка	Механические свойства				
		$0,2' кгс/мм’	г?	ан, КГС' м/см’	НВ, кгс/мм’
КЧ45-0	45	36			—	184—255
КЧ50-1.5	50	38	1,5	1,5	187—255
КЧ60-2	60	42	2	1.5	197—269
КЧ45-5	45	33	5	2	170—207
КЧ40-10	40	30	10	3	156—197

с серым чугуном имеет значительно боль-
шую прочность в сочетании с высокой
пластичностью.

Чугун с шаровидным графитом при со-
ответствующем легировании может быть
получен с различной структурой матри-
цы: от ферритной до аустенитной. Высо-
кие прочность и эксплуатационные свой-
ства ЧШГ сочетаются с удовлетворитель-
ными (лучшими, чем у стали) литейными
свойствами: жидкотекучестью, малой ли-
нейной усадкой, малой склонностью к го-
рячим трещинам [6, 11, 21]. Кроме того,
ЧШГ хорошо поддается механической об-
работке, может подвергаться сварке и ог-
невой резке.

В табл. 427 представлены отечествен-
ные марки ЧШГ и их механические свой-
ства. Прочность чугуна при соответствую-
щей термообработке может быть повышена
до 150 кг/мм2 [27]. Сочетание высоких ме-
ханических свойств с перечисленными вы-
ше технологическими и служебными позво-
ляет широко применять ЧШГ для изготов-
ления ответственных деталей с целью по-
вышения качества машин и механизмов и
снижения их массы.

Чугун с шаровидным графитом являе-
тся сравнительно новым конструкционным
материалом, однако перечень деталей, из-
готавливаемых из него, особенно за рубе-
жом, достаточно велик [6]. Кроме машин-
ного литья взамен серого и ковкого чугуна
из ЧШГ изготавливают: валки прокат-
ных станов, шаботы ковочных молотов, из-
ложницы, детали турбин, трубы центро-
бежного литья.

Прокатные валки из ЧШГ служат в
2-—2,5 раза дольше, чем из отбеленного
серого чугуна, и в 3 раза дольше, чем
стальные. Во многих случаях замена се-
рого чугуна ЧШГ в машиностроении обес-
печивает повышение стойкости детали и
снижение ее массы. Так, замена стальных
штампованных коленчатых валов автомо-
бильных и других двигателей валами из
ЧШГ позволила не только значительно
снизить их массу, но и повысить ре-
сурс [21].

Водопроводные трубы из ЧШГ могут
свариваться и в сваренном виде изгибать-
ся в горячем состоянии на угол до 45°.
Коррозионная стойкость их в пресной и
морской водах такая же, как у серых чу-
гунов, и намного выше, чем у стальных
труб.

Таким образом, из рассмотренных чу-
гунов ЧШГ является наиболее прогрессив-
ным материалом, возможности которого
далеко не исчерпаны.

Чугуны со специальными свойствами.
К ним относятся износостойкие, жаростой-
кие, жаропрочные и антифрикционные чу-
гуны. Первые три вида являются, как пра-
вило, высоколегированными (Ы1, Сг, А1,
Мо) сплавами, последний — малолегиро-
ванным серым, ковким чугуном или ЧШГ.

Все эти чугуны, как правило, выплав-
ляют в дуговых или индукционных печах.
Чугуны со специальными свойствами, кро-
ме антифрикционных, практически не под-
лежат механической обработке [20].

Влияние вредных примесей, неметалли-
ческих включений и газов на свойства чу-
гунов различных типов не так однозначно,
как, например, в сталях или других ме-
таллах. Так, сера в ковком чугуне при
содержаниях до 0,20% способствует перли-
тизации структуры и улучшает форму гра-
фита [11]. В тех же количествах в сером
чугуне она снижает прочность и пластич-
ность, выделяясь в виде эвтектики по гра-
ницам зерен [5,6].

Фосфор в серых чугунах в концентра-
циях до 0,3% полезен, так как повышает
жидкотекучесть металла и его твердость.
Однако при этом повышается порог хлад-
ноломкости, уменьшается пластичность и
вязкость чугуна [11]. Неметаллические
включения в ряде случаев могут способ-
ствовать улучшению механических свойств
за счет измельчения перлита и выделений
графита, так как служат дополнительны-
ми центрами кристаллизации.

Следует заметить, что в целом и в се-
ром и в ковком чугуне влияние примесей
и газов на свойства в значительной степе-
ни сглаживается выделениями графита.
Однако в ЧШГ влияние всех упомянутых
примесей, как правило, отрицательное.
Вредное влияние серы в ЧШГ проявляется
в том, что, вступая во взаимодействие со
всеми глобуляризующими модификатора-
ми — магнием, церием, лантаном, кальци-
ем, она препятствует образованию пра-
вильных сфероидов графита, а образовав-

шиеся сульфиды совместно с сульфидами
железа и окислами образуют скопления
неметаллических включений, именуемые
черными пятнами.

Из практики известно, что при содер-
жании серы в чугуне более 0,03% очень
трудно получить высококачественный ЧШГ
со стабильными свойствами. Водород и
кислород также снижают свойства ЧШГ,
в частности плотность и коррозионную
стойкость [16].

Кроме перечисленных элементов для
ЧШГ вредны и малые количества таких
элементов деглобуляризаторов, как вис-
мут, мышьяк, свинец, сурьма, теллур, ти-
тан [6].

Доказано также, что при отсутствии
марганца в чугуне можно получать дета-
ли с толщиной стенки 2 мм без отбела,
т. е. без обязательной термообработки от-
ливок [21].

В чугуне для производства коленчатых
валов из ЧШГ содержание серы ограни-
чено 0,016—0,018%, а содержание фосфора
0,08% [26].

На Волжском автомобильном заводе,
где производится ЧШГ, применяют в ка-
честве исходной шихты литейный чугун,
обессеренный на заводе-изготовителе пу-
тем продувки магнием до содержаний се-
ры 0,001%.

На зарубежных заводах, в частности в
США, обязательной операцией является
обессеривание чугуна перед модифициро-
ванием независимо от того, выплавлен ли
он в вагранке или электропечи [20, 37].

Другим важнейшим аспектом пробле-
мы получения качественного ЧШГ кроме
чистоты исходного металла является его
температура. Практикой установлено, что
для машинного литья средней и малой
массы температура чугуна перед модифи-
цированием должна быть 1450—1500° С.
Таким образом, для получения ЧШГ необ-
ходим чистый по сере и перегретый чугун.

Из приведенного краткого обзора типов
чугуна можно заключить, что только для
ЧШГ предварительная обработка исходно-
го металла (рафинирование, нагрев) дает
существенный выигрыш в качестве. Для
остальных типов чугуна такая обработ-
ка (кроме нагрева) в целом малоэффек-
тивна.
§ 2.	Методы рафинирования
и нагрева чугуна для получения
шаровидного графита

Необходимость рафинирования и нагрева
чугуна определяется видом исходной ших-
ты и способом плавки металла. При вы-
плавке чугуна из чистых по сере (обессе-
ренных) литейных чугунов в дуговой или
индукционной печи необходимость в обес-
серивании, естественно, отпадает. Снима-
ются также ограничения по температуре
металла. Кардинально решен вопрос на
Волжском и Камском автозаводах, где в
качестве шихты применяют обессеренный
доменный чугун и плавят его в дуговых
печах. Однако исторически сложилось так,
что у нас в стране более 90% чугуна для
литья выплавляют в вагранках. Суще-
ственных сдвигов в этом соотношении в
ближайшее время не намечается. Дело в
том, что ваграночный металл остается
по-прежнему самым дешевым. Индукцион-
ная и дуговая плавка эффективнее вагран-
ки только в случае переплава легковесного
лома и стружки. Поскольку в стране по-
стоянно ощущается острый дефицит в
стальном и чугунном ломе, ваграночная
плавка как менее требовательная к шихте
продолжает оставаться доминирующей [6].

Однако при ваграночной плавке проис-
ходит насыщение металла серой из кокса.
Таким образом, наиболее остро стоит про-
блема рафинирования ваграночного метал-
ла. Поскольку получение из вагранки ме-
талла с температурой 1400° С и выше свя-

зано с существенными трудностями, необ-
ходим дополнительный нагрев этого ме-
талла вне вагранки. Для резкого повыше-
ния производства ЧШГ в ближайшее время
дополнительный нагрев нужно осущест-
влять в действующих литейных цехах. На-
иболее приемлемой у нас в стране надо
считать ваграночную плавку в сочетании с
электрокопильниками [27].

Методы обессеривания ваграночного
металла и более широко применяемые ме-
тоды внедоменного обессеривания пере-
дельного и литейного чугунов имеют общие
принципы.

В жидкий металл вводят обессериваю-
щие реагенты и для повышения степени и
скорости обессеривания стремятся к мак-
симальному их взаимному перемешиванию.
Сера в виде различных сульфидов перехо-
дит в шлак и затем удаляется из емкости.

По обессеривающим' реагентам и по
способу их смешения с металлом способы
рафинирования отличаются большим мно-
гообразием. В табл. 428 представлены не-
которые способы обессеривания чугуна,
нашедшие промышленное применение, и их
основные технические характеристики. Для
сравнения там же приведены данные по
обессериванию чугуна в дуговой печи с ос-
новной футеровкой.

Внепечные способы имеют существен-
ное преимущество в скорости процесса,
что и объясняет их широкое применение.
Однако при всех внепечных способах обес-
серивания происходит снижение темпера-
туры металла, и они могут быть применены

Таблица 428. Технические характеристики различных способов обессеривания чугуна
[8, 26, 38, 39)

Способ обессеривания	Расход десульфу- ратора. кг/т	Степень обессери- вания. %	Снижение темпе- ратуры металла, *С	Время обработ- ки. мни
Содой на желобе или в ковше	6—10	46—60	Нет	
Известью в реакторе с мешалкой	8	50	20—30	5—20
В реакторе карбидом кальция	5—14	70—90	30—40	5—20
Вдуванием извести в ковше	6—19	40—90	20—30	5—25
Вдуванием карбида кальция в ковше	2—8	45—70	20—30	5—15
Карбидом кальция во встряхивающем ковше	3—10	40—90	40—50	5—10
Магнококсом в ковше	1,0	80	10—15	8—10
Вдуванием магния в ковше	1,5—1,6	90	30—40	10—15
В дуговой печи с основной футеровкой под ос-			Повышение «а	
новным шлаком	—	70—80	100—150° С	40—60
только тогда, когда имеется необходимый
ее запас, т. е. в условиях электроплавки
металла.

На металлургических заводах применя-
ют в широких масштабах обессеривание
вдуванием извести, магния. Обессеривание
вдуванием реагентов в условиях литейных
цехов связано с большими трудностями и
не нашло промышленного применения.
У нас в стране в литейных цехах практи-
чески применяется только малоэффектив-
ное обессеривание содой.

В последние годы изыскиваются такие
способы обработки ваграночного чугуна,
которые бы обеспечивали одновременный
нагрев и рафинирование металла. Из них
сразу же выделились как наиболее пер-
спективные, связанные с электрическим на-
гревом рафинирующего и греющего шла-
ка, способы электрошлаковой обработки.
В отличие от обработки в дуговой печи
с основной футеровкой эти процессы ха-
рактеризуются применением больших ко-
личеств высокоактивных шлаков, что дало
им преимущество в скорости обессерива-
ния. Однако кроме интенсивного обессери-
вания и нагрева металла методы электро-
шлаковой обработки позволяют оказывать
и непосредственное влияние на структуру
металла вследствие его легирования и мо-
дифицирования.

§ 3.	Влияние электрошлаковой
обработки чугуна [ЭШОч]
на его качество

Первые исследования по применению
электрошлакового процесса для улучше-
ния качества чугуна были проведены по
схеме классического переплава расходуе-
мого электрода в ИЭС им. Е. О. Патона
АН УССР. С. А. Островской и другими
установлено, что в результате электрошла-
ковой обработки металл чугунного слитка
(табл. 429) имеет по сравнению с исход-
ным большую прочность при сохранении
пластичности, более равномерную макро-
структуру по сечению и значительно мень-
шие размеры графитовых включений. Кро-
ме того, увеличивается дисперсность пер
лита.

В работе [32] отмечено двадцатпкра'--
ное снижение содержания серы в чугуне
после ЭШП (с 0,087 до 0,004%), сильное

Таблица 429. Влияние ЭШП на свойства
чугуна (данные С. А. Островской и др.)

Вид чугуна	Свойства			
	2 2  е> «	НВ, кгс/мм’	аИ'  кгс-м/см2	р, г/см’
Кокильная от- ливка Слиток ЭШП	68,9  96,3	199  202	0,280 0,385	6,964 7.232

измельчение включений графита и повы-
шение дисперсности перлита, а также сни-
жение содержания кислорода с 0,0037 до
0,0014% и азота с 0,0142 до 0,0029%.

Интересные результаты получены при
ЭШП чугуна в графитовом тигле с легиро-
ванием металла за счет разложения ком-
понентов шлака [12].

При переплаве на переменном токе чу-
гуна с 3,52% С; 1,9—2% 81; 0,39% Мп;
0,076% 8; 0,18% Р, с введением в шлак
соответствующих добавок получили чугун
следующего состава; 3,28% С; 1,59% 81;
0,39% Мп; 0,044 % 8; 0,18% Р; 0,42% Мо;
0,53% XV; 0,57% М; 0,30% V; 0,50% Си;
0,40% Сг. Распределение легирующих по
сечению отливки было равномерным.

В табл. 430 приведены состав и свой-
ства чугуна после ЭШП и разливки [12].
Ведение плавки на постоянном токе обрат-
ной полярности существенно повысило сте-
пень восстановления легирующих компо-
нентов, а в случае введения в состав шла-
ка окислов магния позволило получить
в чугуне графит шаровидной формы. Об-
ращает на себя внимание повышение проч-
ности и пластичности. Испытания этого
металла, предназначенного для поршневых
колец на герметичность, показали, что чу-
гун ЭШП, как легированный, так и моди-
фицированный, имеет показатель гермети-
чности более 1600 кгЕГ/см3 против
1000 кгЕГ/см? у лучшего серого чугуна.
Фактически при максимальных испыта-
тельных давлениях гидротечи в чугуне
ЭШП не было обнаружено [12]. В. Л. Шев-
цов. Г, С. Маринский и другие, детально
исследовали свойства чугуна, полученного
методом ЭШП в водоохлаждаемый крис-
таллизатор Слитки имели прямоугольную
форму имитировали стенку толстостен-
Таблица 430. Изменение химического состава и механических свойств чугуна после ЭШП [12]

Род и полярность тока	Добавка к шлаку	Химический состав чугуна, %								ов, кгс/мм2	б. %
		С	81	Мп	8	р	мц	V	Т1		
Переменный Постоянный, минус на	мео	3 51	2,34	0,81	0,026	0,14	0,013	—	—	24,8	1,0
ванне	—.	3,43	2,25	0,73	0,018	0,15	0,102	—-	.—	50	4—5
Переменный Постоянный, минус на	УА	3,98	2,62	0,83	0,036	0,14	—	0,54	—	20,0	1,0
ванне	-—	3,81	2,20	0,91	0,033	0,14	—	0.77	—	21,3	
Переменный Постоянный, минус на	Т102	3,41	2,43	0,82	0,040	0,14	—	—-	0,40	16,0	1,0
ванне	—	3,48	2,24	0,87	0,041	0,15	—	—	0,41	18,0	
Исходный чугун		3,40	2,80	1.00	0,060	0,14	—	—	—	14,6	—

Таблица 431. Изменение химического состава чугуна в результате ЭШП
(данные В. Л. Шевцова и др.), %

Марка флюса	С	81	Мп	8	р	[О]	[Ы]	[Н], см8 на 100 г
-	3,32	1.60	До 0,59	ЭШП 0,106	I 0,074	0,0080	| 0,0010	I 2,0
АНФ-29	3,30	1,55	Поел 0,53	е ЭШП  0,007	0,074	0,0025	0,0011	0,5
АНФ-29 + 10% СаС2	3,40	1,60	0,53	0,003	0,077	0,0020	0,0010	0,5

ного сосуда. Исследования показали
(табл. 431), что качество электрошлаково-
го металла, несомненно, улучшилось по
сравнению с исходным: снизилось содер-
жание серы и газов, повысились проч-
ность, твердость и плотность. Замечено,
однако, что эффект повышения прочност-
ных свойств снижается от периферии к
центру слитка, т. е. с увеличением толщи-
ны отливки.

С повышением подводимой при ЭШП
мощности возрастает глубина металличе-
ской ванны и в центральной части слитка
направленные кристаллы сменяются рав-
ноосными. При этом несколько снижаются
как прочность, так и плотность металла
(табл. 432).

В работе [4] показана возможность по-
лучения чугуна с шаровидным графитом
путем ЭШП на переменном токе под шла-
ком системы СаРг—СаО—МрО—АЬОз—
810г с присадкой в металл через шлак
дробленого ферроцерия. Было установлено
(табл. 433), что прочность металла после

переплава без модифицирования возраста-
ет вдвое, а с модифицированием более чем
в 3,5 раза по сравнению с прочностью ис-
ходного металла. В слитках, полученных
с введением церия, включения графита
имели компактную и шаровидную форму.
Однако улучшение качества чугуна путем

Таблица 432. Изменение механических
свойств чугуна в результате ЭШП
(данные В. Л. Шевцова)

Кристаллы в центре отливки	О	•яо	ан.  кгс. м/см!	НВ, кгс/ммг
До ЭШП				
Равноосные  После  ЭШП	7,0868	16,6	0,3	179
Направлен-		28,8	0,6	220
ные	7,2511			
Равноосные	7,2328	24,7	0,4	203
Таблица 433. Изменение химического состава и прочности чугуна после ЭШП

Способ выплавки	Химический состав, %								<УВ, кгс/мм2
	с	81	Мп	Сг	8	р	Си	Се	
Обычный ваграночный	3,43	1,60	1,30	0,35	0,067	0,09	о,1	—	14,5
ЭШП  ЭШП с добавкой 8 кг/т фер-	3,50	1,70	0,95	0,32	0,012	0.10	0.1	—	32,0
роцерия	3.54	1,70	1,10	0,29	0,008	0,10	0.1	0,18	52,6

переплава расходуемого электрода, не-
смотря на положительные результаты, мо-
жет иметь весьма узкую область примене-
ния, главным образом из-за высокой стои-
мости передела и низкой производительно-
сти. Поэтому параллельно с ЭШП велись
исследования электрошлаковой обработки
жидкого металла. Сущность такой обра-
ботки заключается в воздействии на ме-
талл активным шлаком, непрерывно нагре-
ваемым электрическим током. При этом
жидкий металл для обработки может быть
получен из другого плавильного агрегата

Рис. 399. Схема электрошлаковой обработки
чугуна, выплавленного в электрошлаковой печи
из разногабаритной шихты (а) и в другом агре-
гате (б):

/ — футерованный реактор; 2 — металлическая ванна;

3 — шлаковая ванна: 4 — загрузочное нли заливочное
устройство; 5 — токоподводящие электроды; 6 — вы-
пускное отверстие: 7 — разливочный ювш.

(вагранки), а также путем плавки разно-
родной и разногабаритной шихты непо-
средственно в электрошлаковой печи. Схе-
мы этих процессов показаны на рис. 399.

Процесс с плавкой шихты получил наи-
менование электрошлаковая выплавка
(ЭШВ), а с обработкой жидкого ме-
талла — электрошлаковое рафинирование
(ЭШР).

Жидкий металл периодически или не-
прерывно подают в печь, в которой име-
ется разогретый шлак требуемого состава.
Отрафинированный и нагретый металл так-
же периодически или непрерывно выдают
из печи на разливку. Непрерывная схема
наиболее приемлема для плавильных отде-
лений чугунолитейных цехов с конвейерной
заливкой.

Ток к шлаковой ванне подводят, как
правило, графитированными электродами.

В работах [27, 30, 31] исследовались
вопросы рафинирования жидкого чугуна и
его модифицирования при электрошлако-
вой обработке шлаками различного соста-
ва. Установлено, что применение синтети-
ческих шлаков системы СаО—А12Оз—М^О,
используемых для внепечной десульфура-
ции сталей, обеспечивает степень обессе-
ривания от 57 до 96%. С повышением тем-
пературы от 1525 до 1730° С степень обес-
серивания возрастает.

При использовании галогенидно-окис-
ных шлаков степень обессеривания и его
скорость были выше: при исходных содер-
жаниях 0,084—0,202% в обработанном ме-
талле содержание серы снизилось до сле-
дов. При шлаках системы СаР—СаО—
—М§О был достигнут эффект глобуляри-
зации графита.

Особого внимания заслуживают дан-
ные, приведенные в работе [30]. В электро-
шлаковой опытно-промышленной печи про-
Таблица 434. Влияние электрошлакового
нагрева чугуна на его механические
свойства [25]

Температу- ра перегрева, °С	Ваграночный чугун			Ваграночный чу- гун с электро- шлаковым нагре- вом		
	ио	1	*, ММ	1 НВ, кгс/ммг	°и' кгс/мм1	р°», мм	НВ, кгс/мм1
1350  1370  1390  1410  1430  1470  1500	31,4  32,6  34,2	1111	191  191  191	39,4  39,6  45,5  50,9  55,7  53,7  41,3	3,0  3,5  4,0  5,0  6,0  6,0  4,0	217  217  229  247  241  241  217

•Стрела прогиба образца базой 300 мм при испытании
прочности иа изгиб

водили обработку чугуна синтетическим
шлаком с добавлением к нему до 23%
ЕегОз. При этом с очень большой ско-
ростью (за несколько секунд) достигали од-
новременной десульфурации и дефосфора-
ции на 97,5 и 88,5% соответственно. Все
описанные выше опыты проводились в аг-
регатах периодического действия.

Были проведены исследования процесса
непрерывной электрошлаковой обработки
чугуна на желобе вагранки [25], имевшего
основной целью нагрев металла. Причем
опробовали различные синтетические шла-
ки, во многом аналогичные примененным
в исследованиях, описанных в работах
[27, 30, 31]. Кроме того, было исследовано
влияние времени на степень обессерива-
ния и температуры перегрева металла на
его механические свойства. Установлено
(табл. 434), что перегрев серого чугуна до
1450° С и последующая заливка при
1350° С приводят к значительному повыше-
нию его прочностных и пластических
свойств.

Однако степень обессеривания чугуна
в целом при непрерывном режиме не пре-
вышала 30%, что связано, во-первых, с не-
достаточным удельным временем контакта
металла со шлаком и, во-вторых, с исполь-
зованием малоактивных силикатных шла-
ков по соображениям стойкости футеровки
желоба.

Показательны опыты по электрошлако-
вой обработке жидкого чугуна в индук-
ционной печи, выполненные в Институте
проблем литья АН УССР [14]. При всем
совершенстве индукционной плавки суще-
ственным ее недостатком является отсут-
ствие реальной возможности рафинирова-
ния металла шлаками.

Авторами работы [14] активные синте-
тические шлаки галогенидно-окисных си-
стем на поверхности металла в индукци-
онной печи нагревались электрическим то-
ком в режиме сопротивления. За 20—
30 мин обработки достигалась 70%-ная де-
сульфурация чугуна. Однако агрессивные
шлаки активно взаимодействовали с маг-
незитовой футеровкой печи, которая за
30 мин срабатывалась на 20—30 мм. При
этом, естественно, менялся состав шлака
и снижалась его рафинирующая способ-
ность. Применительно к стали таким же
способом с использованием окислительного
шлака системы СаГ?—СаО—ГегОз при пе-
риодическом его обновлении была достиг-
нута 50%-ная дефосфорация металла.

Разносторонние исследования по приме-
нению электрошлакового процесса для по-
лучения качественного чугуна проведены
на пензенском компрессорном заводе голов-
ной лабораторией Миннефтемаша [13, 33].
Был создан ряд конструкций газовых ваг-
ранок, в которых полностью отсутствует
коксовая колоша. Газовые вагранки ра-
ботают на ряде заводов, и применение их
имеет большие перспективы, поскольку на-
ряду с экономией дефицитного кокса про-
цесс плавки не сопровождается насыще-
нием металла серой. Однако существенны-
ми недостатками газовой вагранки яв-
ляется невозможность науглероживания
металла и трудность его перегрева. В связи
с этим в опытно-промышленных масштабах
опробованы различные варианты электро-
шлаковой обработки чугуна в специальном
копильнике [13]. Путем добавления углеро-
дистых материалов в шлак достигнута тре-
буемая степень науглероживания чугуна в
сочетании с его дополнительным нагревом.

В опытах по выплавке чугуна из твер-
дой шихты в электрошлаковой печи была
установлена возможность легирования ме-
талла кремнием и марганцем вследствие
восстановления соответствующих окислов
Таблица 435. Химический состав и механические свойства чугуна ЭШВ [33]

1 ип шлака	Химический состав, %					Углерод- ный экви- валент	Механические свойства			
	С	81	Мп	8	р		«в- кгс/мм’	0И. кгс/мм'2	г	НВ, КГС/ММ*  1
СаР, — СаО	3,25	1,96	0,77	0,11	0,12	3,90	21,2	40,8	3,0	207
	3,30	1,82	0,73	0,03	0,11	3,91	24,4	48.1	3,2	207
СаР2 — М§О	3,20	1,92	0,75	0,11	0,135	3,84	21,0	41,4	2,8	217
	3,18	1,76	0,68	0,02	0,125	3,77	26,2	52,1	4,0	241
СаО — 8Ю2 — А1-2О3	3,24	1,91	0,76	0,12	0,12	3,88	22,1	42,3	3,0	217
	3,32	2,08	0,72	0,10	0.11	4,01	21,9	41,8	3,0	207
СаР, — СаО — А12О3	3,26	1,92	0,71	0,11	0,11	3,90	20,8	40,1	3,0	207
	3.30	1,83	0,74	0,007	0,09	3,91	26.1	50,9	3.1	217

Примечание. В числителе дав исходный металл, в знаменателе — электрошлаковый металл.

из шлака [33]. В табл. 435 приведены хи-
мический состав и механические свойства
чугуна, полученного ЭШВ по сравнению
с чугуном того же состава ваграночной
плавки.

По сравнению с исходным металл ЭШП
в зависимости от примененного шлака со-
держал значительно меньше серы, а его
прочностные характеристики были суще-
ственно выше.

Таблица 436. Механические свойства
и характер микроструктуры серого чугуна,
полученного ЭШВ (данные И. Ю. Лютого)

Механические свойства		Характеристика микрострук- туры и формы графита (ГОСТ 3443—46)
(У в» кгс/мм2	НВ, кгс/мм’	
21,6	194,0	Графит Г08, Гд5, Гр2, Гф2, перлит П85, Пд0,5, цементит Ц1
25,4	229,0	Графит Г06, Гд5, Гр2, Гф2, перлит П85, Пд0,2—0,5, цементит Ц1
23,6	207,0	Графит Г06. Гд5, Гр2, Гф2, перлит П95, Пд0,2—0,5, цементит Ц1
25,1	197,0	Графит Г06, Гдб, Гр2, Гф2, перлит П95, Пд0,2, цементит Ц1
24,6	193,0	Графит Г07, Гдб, Гр2, Гф2, перлит П97, Пд0,5—0,7, цементит Ц1

В ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР
планомерные исследования по электрошла-
ковой обработке чугуна были начаты в
1969 г. Исследования были направлены на
создание промышленных технологических
процессов, позволяющих комплексно обра-
батывать ваграночный чугун: рафиниро-
вать, нагревать, легировать и модифици-
ровать его.

Первые исследования на лабораторном
и опытно-промышленном оборудовании [18]
показали, что обычный серый чугун, вы-
плавленный в электрошлаковой печи из
твердой шихты, имеет более высокие ме-
ханические свойства, чем металл того же
состава, но выплавленный в вагранке. При
использовании в шихте до 30% легковес-
ного стального лома и стр.ужки стабильно
получали чугун маркиСЧ-24-44 (табл. 436).

Данные В. А. Грачева по свойствам
синтетического чугуна ЭШВ из чугунной
и стальной стружки представлены в
табл. 437. Эти данные также свидетель-
ствуют о том, что металл ЭШВ значитель-
но превосходит ваграночный и близок
по свойствам к металлу индукционной
плавки.

Однако большой интерес представляло
получение ЧШГ из металла, прошедшего
ЭШО. При ЭШВ, конечно, содержание се-
ры за время плавления и нагрева метал-
ла (20—30 мин) снижалось до 0,01% и
ниже, а достижение температуры 1400—
1450° С не составляло никаких трудно-
стей.
Таблица 437. Механические свойства синтетического чугуна, полученного ЭШВ из стружки
(данные В. А. Грачева)

Шихта	Углеродный эквивалент	°в» кгс/мм2	0И, кгс/мм*	/800. мм	НВ, КГС/М1С5
Стальная стружка	4,15	25,9	46,2	3,1	229
Чугунная стружка	3,61	31,2	51,4	3,2	241
Чугун из коксовой вагранки	4.15	16,6	36,7	2,8	179
Чугун из индукционной печи	3,5—3,75	24,5—27,5	58,4—53,4	3,5	207—217

Таблица 438. Состав и механические свойства ЧШГ, полученного методами ЭШОч
(данные И. Ю. Лютого и Н. П. Волкотруба)

Химический состав. %							Модификатор	Количе- стве мо- дифика- тора в шихте. %	Механические свойства		
с	81	Мп	Си		р	ч			°в- кгс/мм*	о$.  кгс/мм*	6. %
3,22	2,20	0,66				0,074	0,007	Се	0,15	48,4			1,5
3,73	2,20	0,82	0,46	1,45	—	0,007	М|—Мр—Се	0,30	84,8—97,3	61,8—66,3	1,0
4,69	1,60	0,97	0,80	0,35	—	0,002	М1—МрСс	0,15	83,4—89,6	64,3—65,3	2,5
3,33	3,13	0,39	—	0,05	—	0.009	КМ-2	2,0	72,0—75,0 *  52,9—54,8			69,9—9,9 * 13.9—17,3
2,90	3,09	0,57	—	0,02	—	0,009	КМ-2	1,5	46,0—47,4 *  42.5—44,2	—	3,3—5,0 *  6.6—7 1

* Испытания металла в литом состоянии (без термообработки).

Таблица 439. Изменение содержания газов в чугуне при ЭШВ (данные И. Ю. Лютого
и Н. А. Никифоровой)

Момент взятия пробы	Общее количе- ство га- зов, см8/|00 г	О		н			
		см»/100 г		СМ»/100 ।		см “/100 1- 		
После расплавления  После выдержки в расплавленном состоянии в течение 30 мин  Удалено, %	33,33— 42,13 10,92— 18.07  ~60	13,66— 24,39 5,23— 5,97  ~75	0,019— 0,034  0,007— 0.008	12,93— 12,07  4,68—  10,69  -40	0,0012— 0,0011  0,0004— 0.0010	6,74—  5,67  1,01 —  1.41  -80	0,008— 0,007  0,001 — 0,002

В табл. 438 представлены данные по
составу и механическим свойствам ЧШГ,
полученного путем модифицирования раз-
личными модификаторами чугуна после
ЭШОч. В нее включены результаты, полу-
ченные при модифицировании металла, вы-
плавленного из твердой шихты и получен-
ного путем ЭШО жидкого чугуна, выплав-
ленного в другом агрегате. Кроме того,
исследовано в промышленных масштабах

воздействие электрошлакового процесса на
свойства ковкого чугуна.

Обработку ваграночного чугуна вели в
электрошлаковой копильнике в непрерыв-
ном режиме. При этом содержание серы
снижалось на 60—70%, а температура ме-
талла повышалась на 70—100° С.

Статистическая обработка данных ме-
ханических испытаний показала, что проч-
ность и пластичность ковкого чугуна.
Таблица 440. Изменение содержания газов
и неметаллических включений в чугуне
в результате ЭШОч (данные А. А. Грачева)

Содержа- ние не- меттал- лнческих включе- ний. %	Удалено неметал- лических включе- ний, %	Содержание газов, см«/100 г			Удале- но га- зов все- го. %
		О2	Н2		
0,0182	41,2	5,08	4,61	13,57	26,0
0,0107		2,95	3.17	11,09	
0,0179	56,9	4,18	3,02	11,52	23,5
0,0077		2,75	2,14	9,42	

Примечание. В числителе дан исходный металл,
в знаменателе — электрошлаковый чугун.

0,012! г

прошедшего электрошлаковую обработку, в
среднем на 20% выше, чем у металла ваг-
раночной плавки.

Повышение механических свойств обу-
словлено, по-видимому, не только сниже-
нием содержания серы и повышением тем-
пературы металла, но и существенным
снижением содержания неметаллических
включений и общего газосодержания. По-
ведение газов при ЭШОч иллюстрируют
данные табл. 439, 440 и рис. 400. Из этих
данных следует, что содержание кислорода
снижается в 2—5 раз, а содержание азота
в 4—7 раз. Данные по изменению содер-
жания водорода разноречивы. Отмечены
как снижение, так и повышение его содер-
жания. Во всех опытах отмечено снижение
содержания неметаллических включений в
1,5—2,0 раза.

Выше уже приводились данные о леги-
ровании и модифицировании чугуна при
ЭШП за счет разложения компонентов
шлака. В ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР
были проведены аналогичные исследова-
ния применительно к чугуну [19]. Установ-
лено, что при ведении процесса на посто-
янном токе или на переменном с наложе-
нием постоянного посредством дополни-
тельных электродов можно, как и при
ЭШП, легировать металл из шлака. Так,
в частности, при токе обратной полярности
(плюс на электроде) и использовании шла-
ков, содержащих окислы магния и каль-
ция, достигнуто повышение концентрации
этих элементов-модификаторов в количе-
ствах, обеспечивающих образование шаро-
видного графита.

Рис. 400. Изменение содержания газов и неме-
таллических включений в чугуне при ЭШОч в
зависимости от времени выдержки и темпера-
туры шлака:

7 — 7 = 1550° С; II—У—Т - 1630° С.

В табл. 441 представлены данные, сви-
детельствующие о том, что содержание
кальция и магния повышается при обрат-
ной полярности на 1—2 порядка.

На рис. 401 представлены фотографии
нетравлены.х шлифов чугуна после ЭШОч
на постоянном токе, подтверждающие мо-
Таблица 441. Влияние ЭШОч на постоянном токе на химический состав чугуна и форму
графита (шлак системы СаГ2—СаС12—СаО—М§0) (данные И. Ю. Лютого)

Схема подвода тока	Химический состав чугуна, %						Форма графита
	8	Са	ме	О,		Н,	
Плюс на элек- троде  Плюс на ванне  Плюс на элек- троде  Плюс на ванне	0,018	0,004 0,070  0,004 0,007	0,0008 0,0500  0,0008 0,0080	0,0152	0,0040	0,00154	Шаровидный графит (пре- имущественно) + вермику- лярный графит Вермикулярный графит + + пластинчатый  Шаровидный графит -ф- ком- пактный  Пластинчатый графит -ф вер- микулярный
	Следы  0,018						
	Следы 0.044 0,002 0,043 0.020						
		0,040	0.028	0,0121  0,1088	0,0048  0,0093	0,00069  0,00175	
		0,0190	0,0042	0,0182	0,0036	0,00162	

Примечание. В числителе приведены данные до ЭШОч, в знаменателе — после ЭШОч.

дифицирующее действие кальция и магния,
попавших в металл из шлака.

Постоянный ток влияет не только на
легирование, но и на поведение газов в чу-
гуне. Если удаление кислорода происходит
при токе как прямой, так и обратной по-
лярности, то существенное удаление водо-
рода наблюдается только при прямой по-
лярности. При работе на токе прямой по-
лярности тормозится процесс обессерива-
ния.

На рис. 401, в представлена характерная
форма графита, получившего наименова-
ние вермикулярного (червеобразного), по-
лученного в электрошлаковом чугуне. Чу-
гун с вермикулярным графитом (ЧВГ)
является сравнительно новым конструкци-

Рис. 401. Форма графита в исходном чугуне и
после ЭШОч на постоянном токе, X100:

а — исходный чугун; б. г — плюс на электроде; в —
плюс на ванне.

онным материалом [43]. Он сочетает в се-
бе положительные свойства ЧШГ (высо-
кую прочность и пластичность) и серого
чугуна (низкую линейную усадку, высокую
жидкотекучесть и малую склонность к от-
белу).

В литом состоянии механические свой-
ства ЧВГ имеют следующие значения:
Ств = 32 4- 50 кгс/мм2, о8 = 27 4- 42 кгс/мм2,
6 = 24-8%, ав = 24-3 кгс-м/см2, Е —
= (1,4—1,7) : 10" кгс/мм2. Важным пре-
имуществом ЧВГ является сохранение рав-
номерных механических свойств в отлив-
ках толщиной до 200 мм [1]. Получают
ЧВГ путем модифицирования низкосернис-
того и низкофосфористого чугуна редкозе-
мельными элементами Се, V, Ьа. За рубе-
жом ЧВГ уже производится в промышлен-
ных масштабах.

Установленная возможность получения
ЧВГ и без введения модификаторов путем
ЭШОч серого чугуна открывает новые пути
производства этого перспективного кон-
струкционного материала.

Таким образом, в лабораторных и про-
мышленных условиях установлено, что пу-
тем ЭШОч могут быть существенно повы-
шены свойства чугуна за счет снижения
содержания вредных примесей, газов и не-
металлических включений, а также за счет
повышения температуры металла. При
этом обеспечиваются оптимальные условия
для получения наиболее перспективного
материала — чугуна с шаровидным графи-
том.

Кроме того, за счет специфического
воздействия электрического тока возмож-
но осуществить легирование металла и мо-
дифицирование его структуры в результа-
те перехода в чугун ряда элементов из
шлака.

В отличие от всех известных способов
обессеривания и нагрева чугуна только
ЭШОч обеспечивает одновременно рафини-
рование и нагрев металла с высокими
скоростями.

Практика эксплуатации первой про-
мышленной установки для непрерывной
ЭШОч чугуна на Харьковском механиче-
ском заводе показала, что новый процесс
вполне осуществим в действующих литей-
ных цехах. Это может позволить в бли-
жайшие годы на его основе резко увели-
чить выпуск высококачественного чугуна,
в частности ЧШГ.

§ 4.	Первородный
электрошлаковый чугун

В настоящее время в СССР и США более
90% чугуна в литейном производстве вы-
плавляется в вагранках [15]. Среди досто-
инств вагранок следует отметить прежде
всего непрерывность процесса плавки, что
позволяет производить заливку форм чугу-
ном на конвейере. Иными словами, вагран-
ка вписывается в цикл работы механи-
зированного и даже автоматизированно-
го конвейерного литейного производства.
Шахтные печи, к которым принадлежит
вагранка, имеют довольно высокий тепло-
вой КПД, достигающий 45—50%. К недо-
статкам вагранки следует отнести необхо-
димость применения дефицитного кокса,
загрязнение металла серой, продуктами

разрушения футеровки, низкую температу-
ру выпускаемого металла, т. е. трудность
перегрева чугуна, чрезмерно сильный вы-
брос в атмосферу газов и пыли.

При выплавке чугуна в вагранке тем-
пература металла, как правило, лишь не-
много превышает линию ликвидуса. Вслед-
ствие этого проявляется наследственное
влияние прежнего кристаллического строе-
ния металла на структуру и свойства чу-
гунных отливок, являющихся продуктом
вторичного переплава. Учитывая, что в со-
став чугунов, как правило, не входят лег-
коиспаряюшиеся легирующие элементы,
представляется весьма целесообразным по-
вышать температуру выплавляемого метал-
ла для разрушения наследственных струк-
турных связей. О целесообразности пере-
грева металла свидетельствуют и другие
соображения — резкое увеличение выпуска
литья из высококачественных чугунов (вы-
сокопрочных с шаровидным и вермикуляр-
ным графитом, ковкого, легированного со
специальными свойствами и др.). Полу-
чение таких чугунов связано с широким
применением процессов легирования и мо-
дифицирования и требует наличия в метал-
ле определенного запаса тепла.

Эффективным средством подъема чугу-
нолитейного производства на качественно
новую ступень является широкое внедре-
ние выплавки синтетических чугунов. Син-
тетические чугуны весьма существенно от-
личаются от ваграночных чугунов не толь-
ко прочностными свойствами, но и приро-
дой.

Для выплавки синтетических чугунов
применяют индукционные (реже электро-
дуговые) печи. Эти плавильные агрегаты
позволяют легко перегревать металл до не-
обходимой для практики температуры и,
следовательно, позволяют решить вопросы
перегрева чугуна, улучшения его строения,
легирования и модифицирования жидкого
металла.

Сущность технологического процесса
выпЛавки синтетических чугунов состоит
в обогащении жидкого железа углеродом и
кремнием в нужном соотношении, а так-
же в применении высокотемпературной об-
работки.

Исходным сырьем при выплавке син-
тетических чугунов служит стальной лом,
скрап, стружка и другие низкосортные и
сравнительно недорогие материалы. Тради-
ционные для чугунолитейного производ-
ства доменные литейные и передельные
чугуны совершенно исключаются из по-
требления. Имеются сведения, что исполь-
зование для выплавки синтетического чу-
гуна легковесных металлических отходов
позволяет снизить его себестоимость на
25—30% по сравнению с себестоимостью
чугунов обычного производства [35].

Благоприятные возможности плавиль-
ных агрегатов, используемых при произ-
водстве синтетических чугунов, а также
относительно чистая по сере и другим вред-
ным примесям (за счет стальной составля-
ющей) шихта предопределяют целесооб-
разность и экономическую эффективность
применения синтетических расплавов для
получения высококачественных чугунов,
особенно с шаровидным графитом [28].

Подавляющая часть синтетических чу-
гунов выплавляется в индукционных печах
с кислой футеровкой. Наряду с рядом пре-
имуществ, которые были отмечены выше,
индукционные печи вместе с тем обладают
и некоторыми недостатками. Основной из
них с металлургической точки зрения —
низкая активность шлака. Это является
следствием того, что шлак в индукционных
печах греется только от металла. Поэтому
он имеет более низкую температуру, чем
металл, и возможности проведения актив-
ного воздействия на металл шлаком при
индукционной плавке весьма ограничены.
В связи с этим при выплавке в индукци-
онных кислых печах синтетического чугуна
состав и свойства шлаков, самопроизволь-
но образующихся из окислов шихты, при-
месей в ней пустой породы и из продук-
тов разрушения футеровки, обычно не кон-
тролируют. При выплавке синтетических
чугунов не получают развития процессы
десульфурации, а относительно низкое со-
держание серы в металле (0,02—0,04%)
обусловлено чистотой стальных шихтовых
материалов и наличием низкосернистого
карбюризатора [29]. Вместе с тем имеются
многочисленные данные, свидетельствую-
щие о том, что достигаемая степень чисто-
ты металла по содержанию серы и кисло-
рода не является предельной. При произ-
водстве прежде всего чугуна с шаровид-

ным графитом желательно иметь чугун с
еще меньшим содержанием серы и кисло-
рода.

В последние годы все возрастающее
внимание металлургов привлекают процес-
сы прямого получения железа из руд [3].
Основным содержанием этих процессов яв-
ляется отказ от получения чугуна как про-
межуточного продукта в технологической
цепочке руда—сталь. На современном
уровне развития процессов прямого полу-
чения железа еще не удается получить
сталь из руды за один передел. В настоя-
щее время этот процесс является двуста-
дийным. На первом этапе обычно получают
предварительно восстановленный матери-
ал в виде металлизованных окатышей,
неокатанного губчатого железа или бри-
кетов, а на второй стадии этот матери-
ал используется в качестве сырья в ста-
леплавильном агрегате как заменитель ча-
сти стального лома в шихте.

Металлизованные окатыши, губчатое
железо или брикеты являются первород-
ной шихтой. Достоинство этих материалов
состоит в высокой чистоте по сере, газам,
неметаллическим включениям и другим
вредным примесям, в том числе по приме-
сям цветных металлов. В зависимости от
метода производства металлизованные ма-
териалы могут содержать 80—95% общего
железа, 75—85% металлического железа;
0,1-—6,0% углерода; 2—10% кремнезема;
0,5—5,0% окиси кальция; 0,005—0,020%
серы, столько же фосфора. Следует отме-
тить, что колебания состава, например ме-
таллизованных окатышей, изготовлен-
ных из руды одного месторождения по
неизменной технологии, весьма незначи-
тельны. При промышленном производстве
стоимость металлизованных окатышей
составляет около 30—35 руб/т, что значи-
тельно ниже сегодняшних цен на стальной
лом [34]. К недостаткам металлизованных
материалов можно отнести низкую плот-
ность и в ряде случаев прочность. Из-за
развитой удельной поверхности эти мате-
риалы склонны к интенсивному окислению
и длительное хранение их связано с соблю-
дением определенных предосторожностей.

Учитывая все усиливающуюся тенден-
цию дефицита стального лома, снижения
его качества и удорожания, к металлизо-
ванным материалам проявляют все боль-
ший и больший интерес, совершенствуется
технология производства этого перспектив-
ного сырьевого продукта.

В СССР и за рубежом ведутся работы
по получению качественных сталей на ос-
нове процессов прямого получения железа.
Наиболее распространенными в промыш-
ленности агрегатами для получения метал-
лизованных окатышей и губчатого же-
леза являются шахтные печи, а для вы-
плавки стали с использованием в составе
шихты металлизоваиного сырья — дуговые
электропечи.

Достоинства металлизованных матери-
алов привлекают внимание к ним и ли-
тейщиков. Изучается возможность и целе-
сообразность замены части стального
скрапа металлизованным сырьем при
выплавке высококачественных чугунов в
индукционных печах и даже в вагранках.
Доказана целесообразность ввода метал-
лизованного сырья в состав шихты при вы-
плавке синтетического высокопрочного чу-
гуна с шаровидным графитом. Получены
положительные результаты и при исполь-
зовании в составе металлической части
шихты до 40% металлизова иного сырья
в вагранке. При этом в качестве отрица-
тельных явлений наблюдается снижение
производительности вагранки на 7—10%
и температуры чугуна на желобе на 20—
40° С. Отмечено также повышение давле-
ния дутья на 8—10% при неизменном рас-
ходе воздуха [34].

Одним из весьма удачных и экономич-
ных процессов для наилучшего использо-
вания металлизованного сырья является
электрошлаковая плавка. Применение ме-
таллизованных материалов при электро-
шлаковой плавке впервые началось для
изыскания эффективных способов произ-
водства стали.

Основным агрегатом для переработки
металлизованного сырья в настоящее
время является дуговая электропечь. Од-
нако при современном уровне технологии
переплав металлизованного сырья в ду-
говой электропечи не является оптималь-
ным решением. Этому процессу присущ
ряд недостатков: повышенное разрушение
футеровки, сильное вспенивание шлака.
Доля металлизованного сырья в составе

шихты составляет всего 50—60%. Кроме то-
го, возникают трудности обеспечения бла-
гоприятных с точки зрения окружающей
среды условий работы.

Одновременно два коллектива исследо-
вателей (западногерманские) провели опы-
ты по электрошлаковой плавке шихты, со-
стоящей на 100% из металлизованного
сырья. В обеих сериях опытов в качестве
плавильного агрегата использовали обыч-
ные закрытые рудно-термические низко-
шахтные печи (электродомны), десятиле-
тиями применяемые во всем мире для вы-
плавки ферросплавов.

В первой серии исследований [15] по-
лупромышленные плавки велись в рудно-
термической печи внутренним диаметром
около 1300 мм и мощностью 1,2 мВ-А.
Процесс вели непрерывно в течение не-
скольких недель при постоянной подаче
сверху шихты из 80% металлизованных
окатышей и 20% кускового губчатого же-
леза.

Шлак образуется в основном из содер-
жащейся в металлизованных окатышах
пустой породы, технологических присадок
извести и других окислов. Процесс идет
в бездуговом режиме. Тепло, необходимое
для ведения плавки, выделяется в шлаке
вследствие его омического сопротивления
протеканию электрического тока. Иными
словами, имеет место типичный электро-
шлаковый процесс. Вполне удовлетвори-
тельную стойкость показала хромомагне-
зитовая набивная футеровка печи, работав-
шей в непрерывном режиме в течение
нескольких недель. Состав шлаков характе-
ризовался содержанием кремнезема 15—
30%, окиси кальция 27—40%, окиси маг-
ния 5—10%, глинозема 6—16%, закиси же-
леза 7—34% при отношении содержания
окиси кальция к кремнезему от 1,2 до
2,0%. Не вызывает сомнения возможность
применения и более дешевой доломитовой
футеровки.

Указанным способом были получены
стали с содержанием углерода от 0,02 до
0,28%. Содержание кремния и марганца
составило около 0,01% (возможно сниже-
ние содержания кремния до 0,005%), со-
держание фосфора находилось в пределах
0,015—0,003%, а серы —0,004—0,009%. Та-
кой металл может рассматриваться в ка-
честве полупродукта, подлежащего после-
дующему легированию в ковше. В рабо-
те [15] указывается, что нагрев металла
до температуры 1700° С не представляет
трудностей. Примечательным для процес-
са является довольно низкий расход
электроэнергии, составивший в среднем
550 кВт-ч/т стали. Столь высокую тепло-
вую экономичность процесса можно объяс-
нить его непрерывностью, наличием тепло-
изоляционной футеровки, а также образо-
ванием вспененного шлака, уменьшающего
теплоизлучение на свод и верхнюю часть
стен печи.

Во второй серии исследований [22] опы-
ты по электрошлаковой плавке шихты,
также на 100% состоящей из металлизо-
ванного сырья, проводили в реконструиро-
ванной рудно-термической трехфазной фу-
терованной бокситовым кирпичом печи
мощностью 4 мВ-А. Диаметр кожуха печи
составлял 4 м, а диаметр графитиро-
ванных самоспекающихся электродов —
400 мм. Плавку также вели в электрошла-
ковом режиме непрерывно в течение
18 суток. Этот процесс переработки метал-
лизованной шихты, названный авторами
методом Круппа, также предусматривает
двустадийность. В рудно-термической печи
происходят плавка металлизованного
сырья (губчатого железа) и разделение ме-
талла и шлака. Содержащий 0,02—1,0%
углерода, 0,01% серы и 0,03% фосфора
жидкий металл, выплавленный в печи,
можно рассматривать лишь как полупро-
дукт, предназначенный для последующего
легирования в ковше. Примечательно, что
в этих опытах не были использованы ка-
кие-либо шлакообразующие добавки —
плавни. Шлак в печи образовывался за счет
пустой породы и других окислов губчатого
железа. Одним из достоинств процесса ав-
торы работы [22] считают возможность пе-
реработки низкокачественного металлизо-
ванного сырья с повышенным содержа-
нием пустой породы. Среди других преиму-
ществ процесса перед традиционной плав-
кой шихты в дуговых электропечах они
указывают на возможность непрерывного
ведения плавки при максимальной мощ-
ности; лучшее использование электроэнер-
гии при непрерывном режиме работы; ра-
боту с естественными плавнями и эконо-

мию шлакообразующих присадок; увеличе-
ние стойкости футеровки; упрощение кон-
струкции печи (отпадает необходимость в
механизме поворота свода и в механизме
наклона печи, появляется возможность
лучшего решения короткой сети, уменьшает-
ся вредное воздействие на окружающую
среду благодаря уменьшению выделения
пыли и шума).

Оба рассмотренных способа плавки
предполагают получение непосредственно
из металлизованного сырья жидкого по-
лупродукта, но не решают вопросов леги-
рования, рафинирования и кристаллизации
металла. Ряд исследователей проводят ра-
боты в направлении комплексного реше-
ния проблемы переработки металлизован-
ного сырья в сталь.

Отметим работы, проводящиеся в Ме-
таллургическом исследовательском центре
в Олбани (Орегон, США). В одной из этих
работ [41] методом изостатического прес-
сования (при давлении 5590-105 Па) из
металлизованных окатышей изготавливали
штабы сечением 50 X 50 мм, длиной
250 мм. Путем сварки встык из штабов
набирали расходуемые электроды, которые
затем переплавляли электрошлаковым ме-
тодом в водоохлаждаемом кристаллизато-
ре диаметром 100 мм. Флюс содержал 70%
фтористого кальция и по 15% окиси каль-
ция и глинозема. В результате переплава
получали слитки стали с содержанием
0,1—0,9% углерода; 0,02—5,74% кремния и
0,2—1,8% марганца в зависимости от при-
меняемых раскислителей (алюминий, фер-
росилиций, ферромарганец, силикомарга-
нец или металлический марганец). В опы-
тах ЭШП прессованных из окатышей элек-
тродов с раскислением ванны карбидами
кальция, кремния или титана удавалось
получить слитки стали с содержанием
0,01—1,0% углерода и 0,5—0,7% кремния.
При этом в большинстве случаев не было
достигнуто равномерного снизу вверх рас-
пределения углерода в слитке. Это связа-
но, по-видимому, с тем, что углеродсодер-
жащие раскислители были введены во
флюс до плавки металла.

Двустадийный процесс производства
кондиционных стальных слитков из метал-
лизованного сырья, разрабатываемый в
том же американском исследовательском
Табл ица 442. Химический состав слитков, % (40]

Марка стали	С	Мп	31	Сг	р	8	Место ввода си- ликомарганца
1095	1,09±0,15	0.42 ±0,05	0.012 ±0.009	—	0,016± 0,003	0.011 ±0,009	Первичная печь Электрошлако-
1060	0,64 ±0,129	0,63 ±0,38	0,15±0,014	—	0,16 ±0,003	0,011 ±0,009	вая печь Первичная и электрошлако-
1059	0,56 ±0,05	0,49 ±0,06	0,025+0,018	—	0,006±0,001	0,005 ±0,002	вая печи
5060	0,60 ±0,07	0,75 ±0.09	0,28 ±0,07	0,56+0,12	0,009 ±0,001	0,006 ± 0,0003	То же

центре [40] представляет собой попытку со-
вместить в одном процессе раздельное
плавление и последующее рафинирование

Рис. 402. Схема двустадийного процесса полу-
чения стали из металлизованпых окатышей [41]:

1 — первичная электродуговая печь; 2 — канал для
выхода полупродукта; 3—полый графитовый нерас-
ходуемый электрод; 4 — водоохлаждаемый кристалли-
затор; 5 — шлаковая ванна; 6 — слиток; 7 — механизм
вытягивания слитка.

и кристаллизацию металла. Остановимся
на этом исследовании. Металлизоваиные
окатыши непрерывно загружаются в элек-
тродуговую печь, где расплавленный ме-
талл отделяется от пустой породы. Эта
стадия процесса напоминает процесс полу-
чения полупродукта западногерманскими
исследователями [15, 22]. Однако предпо-
чтение электродугового процесса электро-
шлаковому, отданное в рассматриваемой
американской работе, не является, на наш
взгляд, достаточно обоснованным, так как
приводит к дополнительному угару железа
и окислению полупродукта. Полученный в
электродуговой печи полупродукт непре-
рывно, по мере подачи окатышей, вытекает
через наклонный шлакоотделяющий канал
и попадает вовнутрь полого нерасходуемо-
го графитового электрода, который погру-
жен в расплавленный флюс электрошлако-
вой печи (рис. 402). Отделение в первич-
ной печи преимущественно кислой пустой
породы, естественно, облегчает задачу ра-
финирования и легирования полупродукта
при последующей электрошлаковой обра-
ботке. По мере кристаллизации в охлажда-
емом кристаллизаторе слиток вытягивает-
ся вниз. Процесс благодаря присушим
ЭШП эффективному рафинированию и
бездефектной последовательной кристалли-
зации слитка обладает широкими возмож-
ностями получать высококачественные от-
лично сформированные слитки первородной
электрошлаковой стали. Химический со-
став полученных сталей приведен в
табл. 442, а на рис. 403 содержатся дан-
ные, подтверждающие энергетическую эф-
фективность двустадийного метода плавки
металлизованных окатышей.

Естественным является стремление по-
лучить наибольшие преимущества от ис-
Рис. 403. Различные методы переплава метал-
лизованных окатышей:

1 — двустадийиый процесс; 2 — обычный процесс
(электродуговая печь —ЭШП); 3 —обычный ЭШП;
4 —ЭШП с нерасходуемым электродом.

пользования в качестве сырья для плавки
такой высокочистой первородной шихты,
какой являются металлизованные матери-
алы. Для достижения этой цели необходи-
мо избежать загрязнения металлизованной
шихты материалами футеровки плавильно-
го агрегата. Весьма желательно при этом
дополнительное эффективное рафинирова-
ние металла и связывание пустой породы.

Весьма заманчивой с этой точки зрения
представлялась бы прямая электрошлако-
вая плавка металлизованного сырья на
сталь. Сущность всех предпринятых в этом
направлении работ заключается в ЭШП
металлизированных материалов в водо-
охлаждаемом кристаллизаторе с использо-
ванием нерасходуемых графитовых или во-
доохлаждаемых металлических электродов
с подачей шихты сверху, либо с использо-
ванием полого графитового электрода и с
подачей шихты через полость последнего,
или же с использованием расходуемого
трубчатого, начиненного металлизова иным
сырьем и необходимыми добавками, элек-
трода. Однако едва ли можно ориентиро-
ваться на одностадийную электрошлако-
вую плавку метализованного сырья на
конечный продукт — высококачественную
сталь заданного состава.

Общепринято считать, что продуктом
передела металлизованного сырья должна
быть сталь. Такая точка зрения обуслов-

лена самой логикой развития процессов
прямого получения железа. Однако метал-
лизованное сырье может найти широкое
применение и для производства высокока-
чественного первородного синтетического
чугуна, о чем выше упоминалось. С перво-
го взгляда здесь можно усмотреть проти-
воречие. Суть его в том, что процессы пря-
мого получения железа, полупродуктом ко-
торых являются металлизованные матери-
алы, призваны создавать технологию,
исключающую получение чугуна, в то время
как здесь речь идет о получении из метал-
лизованных материалов именно чугуна.
Однако это противоречие кажущееся, так
как доменный чугун является вынужден-
ным промежуточным продуктом, а путем
плавления металлизованного сырья можно
получить высококачественный синтетиче-
ский чугун для нужд литейного производ-
ства.

Подводя итог всему изложенному вы-
ше, можно отметить, что для получения
высококачественных чугунов, таких, как
чугуны с шаровидным или вермикулярным
графитом, ковкие чугуны и специальные
легированные чугуны, необходимо решение
следующих задач: обеспечение достаточно
высокого перегрева металла; эффективное
рафинирование металла для обеспечения
высокой его чистоты по сере, кислороду,
крупным неметаллическим включениям и
другим демодификаторам. Естественно,
должны учитываться и экономические со-
ображения.

При разработке процесса производства
высококачественного первородного электро-
шлакового чугуна * исходили из следую-
щих соображений. Общеизвестны недо-
статки канонического чугунолитейного цик-
ла, который можно представить в виде
следующей укрупненной схемы:

Чугун отливки является продуктом
двойной плавки. Загрязненность его мате-
риалами кокса, футеровок, желобов, форм,
серой и другими вредными примесями, низ-
кая температура перед заливкой и другие
недостатки широко известны и были рас-
смотрены выше. Именно эти недостатки и
явились причиной того, что уже длитель-
ное время ведется непрерывная разработка
методов улучшения качества чугуна. Неко-
торые из них, основанные на применении
электрошлакового процесса, были рассмот-
рены в § 3.

При выплавке синтетических чугунов в
кислых индукционных печах не удается
провести достаточного рафинирования ме-
талла. Эта задача может быть успешно
решена методами «лектрошлаковой техно-
логии, о чем свидетельствуют данные, при-
веденные в § 3, а также опыт ФЭЛ [23].
Метод ФЭЛ в отличие от обычного ЭШП
предполагает наличие раздельных пла-
вильной и формообразующей емкостей. Та-
кое разделение позволяет соединить все
преимущества электрошлакового плавле-
ния и рафинирования металла с получени-
ем отливки сколь угодно сложной формы.
Способом ФЭЛ в настоящее время полу-
чают как стальные, так и чугунные отлив-
ки [23, 24]. Технологический цикл ФЭЛ чу-
гуна можно представить следующим обра-
зом:

* Работу выполнили в ИЭС им. Е. О. Патона
АН УССР Л. М. Ступак, В. М. Литвинчук и
Г. А. Высоцкий.

Если для ЭШП, как и для других пе-
реплавных процессов металлургии, смири-
лись с необходимостью применения расхо-
дуемых электродов, то использование чу-
гунных расходуемых электродов приводит,
как видно на схеме, к тройной плавке чу-
гуна. Это для массового производства не-
целесообразно по экономическим сообра-
жениям.

Схема процесса производства первород-
ного электрошлакового чугуна следующая:

Шихта________

{металлипИтт
сырье)

ЗлтцишомМя
птСтнт емкость

ОтлиИко

Рис. 404. Заливка первородного электрошлако-
вого чугуна во вращающуюся форму.

Рис. 405. Поперечные темплеты гильз из перво-
родного электрошлакового чугуна.
Таблица 443. Химический состав металлизованных окатышей и первородного
электрошлакового чугуна, %

Объект анализа	Железо общее	Железо металли- ческое	Углерод	Крем- ний	Мар- ганец	Сера	Крем- незем	Окись кальция
Металлизованные окаты- ши  Первородный электро- шлаковый чугун	89	79	1,94  3,13	1,48	0,68	0,017  0,004	3,4	0.95

Как видно из схемы, да и из самого
названия процесса, он предусматривает ис-
пользование в качестве шихты металлизо-
ванного сырья плавление сырья с по-
мощью электрошлакового процесса, науг-
лероживание расплава, раскисление и ра-
финирование его, а также перегрев до
необходимой степени. Процесс, следова-
тельно, позволяет соединить преимущества
использования первородной шихты с досто-
инствами электрошлаковой технологии.
При изготовлении синтетического чугуна
по этому методу происходит перворазовое
однократное расплавление металла, поэто-
му чугун получил название первород-
ного.

При разработке нового способа учиты-
вались также следующие соображения. Ис-
пользование легковесного стального лома
позволяет снизить стоимость синтетическо-
го чугуна, выплавляемого в индукционной
печи, на 25—30% по сравнению со стои-
мостью классического чугуна [35]. Следова-
тельно, применение шихты, на 100% состо-
ящей из металлизованных окатышей,
стоимость которых ниже стоимости сталь-
Рис. 406. Характер выделений графита в чугуне
СЧ24-44 (Х100):

а~~ отлнвка в земляную форму (обычное литье); б —
центробежная отливка в кокиль (толщина стенки
20 мм), полученная методом ФЭЛ; в — центробежная
отливка из первородного электрошлакового чугуна в
кокиль.

ного лома [34], создает хорошие экономи-
ческие перспективы для производства пер-
вородного электрошлакового чугуна.

Осуществление процесса возможно по
нескольким технологическим схемам. Все
эти схемы могут быть классифицированы
по конечному продукту, виду электрошла-
кового процесса, типу электродов и схеме
их подключения, по типу плавильного аг-
регата и способу подачи металлизован-
ного сырья в него, по температуре подава-
емого в печь сырья по технологическим опе-
рациям во время плавки, а также по мес-
ту кристаллизации металла и способу
литья.

Для опытного опробования в ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР была принята
схема электрошлаковой плавки с использо-
ванием сплошного нерасходуемого графи-
тового электрода и свободной подачей
металлизованного сырья сверху. В каче-
стве способа литья было принято центро-
бежное литье, способствующее сохранению
преимуществ плавки в охлаждаемом нефу-
терованном тигле (рис. 404).

Подача карбюризатора, а также ле-
гирующераскисляющих присадок позво-
лила получать чугун нужного состава.
В табл. 443 приведены составы металли-
зованного сырья и первородного элек-
трошлакового чугуна, а на рис. 405 — фо-
тографии поперечных макротемплетов не-
которых из отлитых гильз. Из таблицы сле-
дует, что в первородном электрошлаковом
чугуне содержание серы в 30—40 раз ниже,
чем в чугунах общего применения. Метал-
лографические исследования показали, что
первородный электрошлаковый чугун име-
ет мелкодисперсные выделения графита
(рис. 406).

Электрошлаковая плавка первородного
чугуна в водоохлаждаемом металлическом
тигле потребовала ввода в ванну большой
электрической мощности, что является не-
экономичным при необходимости накопле-
ния большого количества металла. В охла-
ждаемой емкости можно плавить лишь
небольшие порции металла, предназначен-
ные для разовой заливки в единичную
форму.

Для накопления большого количества
жидкого металла, предназначенного для
многократной заливки, или при ведении
непрерывной плавки следует применять
футерованную емкость. При применении
низкоуглеродистых окатышей емкость мо-
жет быть футерована графитовыми блока-
ми или графитовой набивной массой. Если
для сталеплавильного процесса такое ре-
шение неприемлемо из-за сильного наугле-
роживающего действия футеровки, то для
выплавки первородного электрошлакового
чугуна из низкоуглеродистых окатышей
оно оказывается весьма рациональным.

Обоснованность такого решения под-
тверждена серией плавок. В случае ис-
пользования среднеуглеродистых окатышей
может иметь место комбинированная фу-
теровка: стены из кислых огнеупоров, а
подина — графитовая. Применение высоко-
углеродистых окатышей (с 5—6% С) по-
зволяет полностью отказаться от карбюри-
заторов и иметь цельную кислую динасо-
вую футеровку. Плавка в этом случае мо-
жет вестись на кислых железомарганцови-
стокремнистых шлаках, и представляется
возможность провести кремневосстанови-
тельный процесс (810г + 2С = 81 + 2СО).
При этом в случае низкотемпературного
режима раскислителем является кремний и

вносимые с шихтой окислы железа восста-
навливаются преимущественно им. Термо-
динамические расчеты показывают, что го-
рячее ведение процесса, напротив, приведет
к тому, что основным восстановителем бу-
дет углерод [42]. При этом имеется возмож-
ность полного отказа от дорогостоящих
кремниесодержащих лигатур. Благопри-
ятное воздействие оказывают также про-
цессы восстановления из шлака и перехо-
да в чугун марганца. Следует учесть, что
применение окатышей создает предпосыл-
ки для реализации принципиально ново-
го направления в коренном улучшении
свойств серых чугунов, связанного с ис-
ключением из состава чугуна подавляю-
щей части кремния. Так, в работе [34] ука-
зывается на возможность снижения содер-
жания кремния до 1% при использовании
микродобавок на основе РЗМ и ЩЗМ. При
этом, если содержание серы достаточно
низкое, значения прочности серого чугуна
находятся на уровне высоких марок без
ущерба для его литейных свойств.

Футеровка плавильного агрегата может
быть комбинированной: стены снизу кис-
лые, а та часть стен, где находится
шлак,— графитовые. В этом случае воз-
можно применение основных шлаков, как
и при графитовой футеровке.

Отметим еще одну положительную сто-
рону технологии выплавки первородного
электрошлакового чугуна. Для получения
шаровидного графита представляется воз-
можность модифицировать металл восста-
новлением модификаторов из шлака, на-
пример из окиси магния.

В качестве перспективы следует отме-
тить возможность получения первородного
электрошлакового чугуна с шаровидным
графитом без применения модификаторов.
В этом случае требуется особо глубокое
рафинирование металла от серы и кисло-
рода [2].

Проведенная в ИЭС им. Е. О. Патона
АН УССР работа показала высокое каче-
ство первородного электрошлакового чугу-
на и большую перспективность нового ма-
териала.
ГЛАВА X

ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЕ
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ
И СПЛАВЫ

Методы рафинирования металлов, основан-
ные на электрошлаковой процессе, возник-
нув и развившись применительно к стали,
были впоследствии опробованы для повы-
шения качества различных цветных метал-
лов: титана, алюминия, меди и ее сплавов,
хрома, урана, циркония и др. В ряде слу-
чаев такие попытки увенчались успехом и
были созданы новые эффективные техноло-
гические процессы рафинирования или вы-
плавки металлов. В других случаях опыты
дали обнадеживающие результаты, под-
тверждающие необходимость продолжения
исследований.

В настоящей главе рассмотрены дан-
ные по улучшению качества некоторых
цветных металлов методами электрошла-
ковой технологии.

§ 1.	Титан и титановые сплавы

Первые исследования по ЭШП были про-
ведены в ИЭС нм. Е. О. Патона [5, 6].
Впоследствии аналогичные работы прово-
дились и за рубежом [3, 21,30, 31]. Интерес
к ЭШП титана обусловлен следующим.
В настоящее время стандартным промыш-
ленным методом производства слитков ти-
тана и его сплавов является двойной ВДП.
При первом переплаве в качестве расходу-
емого электрода используют прессовку из
титановой губки. Для производства спла-
вов губка перед прессованием смешивает-
ся с легирующими добавками.

Вторым переплавом, как правило, сли-
ток укрупняется вследствие одновременной
плавки нескольких слитков первого пере-
плава. При этом повышается равномер-
ность распределения легирующих по сече-
нию слитков. Недостатками ВДП являют-
ся высокая стоимость источников постоян-
ного тока; невозможность легирования
сплавов металлами с высокой упругостью
пара, например марганцем; сложность
управления процессом, особенно при пере-
плаве электродов большого сечения; низ-
кое качество поверхности слитков, требую-
щее обязательной обработки последней пе-
ред деформацией, а также невозможность
получения плоских слитков с соотношени-
ем сторон более чем 3:1. Перечисленных
недостатков лишен электрошлаковый про-
цесс.
Таблица 444. Зависимость механических
свойств литого титана от способа плавки
и сорта губки [3)

Марка тита- новой губки	Механические свойства				
	’в кгс/мм’	6, %	-э-	НВ, кгс/ми»	аи, кгс-м/см2
	Двойной ВДП				
тгоо	61,2	11,5	25,0	217	9,20
тго	68,6	9,2	25,9	229	7,10
тго	76,3	9,5	19,9	269	2,55
	Однократный			ЭШП	
тгоо	41,4	24,9	65,2	131,0	17,0
тго	49,1	23,2	52,3	152,0	13,5
ТГ1	49.6	19,7	47,8	167.0	10,0
ТГ2	54.1	24,8	43.9	190.0	9,4

Уже в первых опытах [3] было установ-
лено, что получаемая при кристаллизации
в шлаковом гарнисаже поверхность слит-
ков не требует какой-либо дополнительной
обработки. В отечественных и зарубежных
работах по ЭШП титана и его сплавов ис-
следовалась возможность получения каче-
ственных слитков титана за один переплав
непосредственно из прессованных электро-
дов.

В табл. 444 по результатам работы [31
представлены сравнительные характеристи-
ки механических свойств литого техниче-
ского титана, полученного двойным ВДП
и однократным ЭШП. Из этих данных сле-
дует, что прочностные и пластичные свой-
ства при обоих способах переплава опреде-
ляются в первую очередь чистотой исход-
ной губки.

В США [21] также опробовали одно-
кратный ЭШП прессованного электрода.
Были выполнены обширные исследования
для выбора состава шлака, обеспечиваю-
щего минимальное загрязнение металла,
установления влияния качества исходной
шихты, защитной атмосферы, рода и по-
лярности тока на чистоту переплавленного
металла.

Наилучшие результаты были получены
при использовании в качестве шлака пред-
варительно сплавленного обычного и хими-
чески чистого фтористого кальция, что под-
твердило результаты более ранней отече-
ственной работы [6]. В табл. 445—447 пред-
ставлены результаты этих исследований.

Чистота фтористого кальция не оказы-
вает значительного влияния, за исключени-
ем кремния, на содержание примесей в
слитке. Авторы работы [61 считают вполне
приемлемым использование при ЭШП бо-

Т а б л и ц а 445. Содержание примесей в электрошлаковом титане в зависимости
от чистоты СаР2, %-10~4 [21]

Объект анализа, условия плавки	А1	Си	Ге	Мй	51	8п	С	ы	О	Н	Е
Губка, очищенная в вакууме	10	15	10	154	103	154	91	47	685	47	.	.
Слиток ВДП	50	82	525	19	125	340	64	113	713	17	—
Слиток ЭШИ (шлак СаГ2 химически чистый, давление гелия 1/3 атм, прямая полярность)	43	500	243	60	158	278	108	115	955	22	140
То же, СаР2 неочищенный	63	63	325	48	250	295	89	63	811	20	50

Таблица 446. Влияние рода тока и полярности на количество примесей в электрошлаковой
титане, %-10~4 [21]

Ток	А1	Си	Ре	Ме	81	8п	С		О	н	Е
Постоянный, прямой полярности	43	500	243	60	158	278	108	115	955	22	75
Постоянный, обратной полярности	50	50	500	50	125	250	101	96	720	26	120
Переменный	50	50	475	28	100	265	96	53	1036	25	90

Примечание. Все слитки выплавлены в атмосфере гелия при давлении 1/3 атм; шлак СаР2; электрод из
очищенной в вакууме губки.
Таблица 447. Влияние атмосферы печи на количество примесей в электрошлаковом
титане, %-1(Г"4 [21]

Атмосфера	А]	Си	Ре	М8	51	8п	С		О	н	р
Воздух	50	937	300	45	175	210	134	1730	2244	22	105
Застойная атмосфера гелия при давлении х/3 атм	63	63	325	48	250	295	89	63	811	20	75
Проточная атмосфера гелия	20	650	290	25	240	400	100	123	1506	27	90
Вакуум	25	10	300	300	5	250	150	35	1616	25	95

Примечание. Все слитки выплавлены на постоянном токе прямой полярности; шлак СаР2; электрод из очи-
щенной в вакууме губки.

лее дешевого неочищенного фтористого
кальция.

В целом при ЭШП содержание практи-
чески всех примесей, за исключением
и Н, возрастает по сравнению с исходным
металлом и металлом ВДП.

Атмосфера переплава сказывается на
содержании примесей следующим образом.
Переплав на воздухе приводит к сильному
насыщению металла кислородом и азотом.
Минимальное содержание кислорода полу-
чено в застойной атмосфере гелия, мини-
мальное содержание азота — в вакууме.

Полярность тока мало сказывается на
чистоте металла, за исключением кислоро-
да, минимальное содержание которого до-
стигнуто на токе обратной полярности.
Минимальное содержание азота получено
на переменном токе. Как и в работах [6,
21], американские исследователи приходят
к выводу, что основным фактором, опреде-

ляющим чистоту металла слитка ЭШП, яв-
ляется чистота электрода.

Из механических свойств в работе [21]
приведены только данные по твердости
слитков, которая находилась в пределах
144—179 кгс/мм2.

Поверхность слитков ЭШП, выплавлен-
ных в оптимальных условиях, была глад-
кой и блестящей. Шлаковая корочка хо-
рошо отделялась от слитка. Анализ микро-
структуры металла показал, что количе-
ство включений уменьшается с увеличением
чистоты исходной губки.

Сравнительные исследования качества
деформированного титана ЭШП и двойно-
го ВДП описаны в работе [30]. Основные
результаты этих исследований представле-
ны в табл. 448—451. Из этих данных сле-
дует, что как в литом, так и в деформиро-
ванном состоянии титан ЭШП и ВДП
имеет достаточно близкие механические

Таблица 448. Средние значения прочностных свойств пластин, листов и кованых прутков
из титана ЭШП и ВДП [30]

Объем анализа	Ориентация образца	ов, кгс/мм^	°0,2- кгс/мм2	с *- %	Ф. %
Пруток из слитков диаметром 100 мм:					
ВДП	Продольная	39,9	26,1	40	65
ЭШП	»	42,0	31,5	34	60
Пластина из слитков диаметром 100 мм:					
ВДП	»	39,9	28,8	35	68
	Поперечная	40,2	33,1	33	63
ЭШП	Продольная	38,6	28,4	37	66
	Поперечная	38,2	30,3	37	67
Лист из небольших плоских слитков ЭШП	Продольная	40,3	31,6	35	73
из губки после вакуумной очистки	Поперечная	38,7	31,6	31	72
ЭШП из восстановленной магнием выще-	Продольная	56,8	50,7	22	50
лоченной и высушенной губки	Поперечная	56,7	50,0	21	52

* На длине 50.8 мм
Таблица 449. Влияние качества губки
на ударную вязкость литого металла
титановых слитков-слябов сечением 180 X 500 мм

Номер образце	Вид губ- ки	Работа УДара, кге-м	Номер образца	Вид губ- ки	Работа УДара, кгс • м
1	1	1,94	5	1	1,38
	2	7,32		2	12,58
	3	3,04		3	3,73
	4	0,41		4	0,41
2	1	1,93	6	1	1,38
	2	13,96		2	10,37
	3	3,18		3	4,14
	4	0,41		4	0,41
3	1	9,12	7	1	1,24
	2	14,93		2	4,28
	3	3,04		3	2,62
	4	3,04	8	1	1,79
4	1	1,10		2	18,11
	2	9,95		3	2,62
	3  4	3,59  0,41	9	1 2	0,82 8,85
				3	2,21

Примечания: 1. Для вида губки приняты следую-
щие обозначения: 1—восстановленная магнием, выще-
лоченная и высушенная; 2—тоже, очищенная в ва-
кууме; 3 — то же, газоочищенная или выщелоченная;
4 — восстановленная натрием, выщелоченная и высу-
шенная. 2. Образцы № 1, 2 и 3 вырезаны поперек слит-
ка. остальные — вдоль слитка.

Таблица 450. Минимальный радиус изгиба
для образцов листа толщиной 1,6 мм
из титана ЭШП и ВДП, испытанных при
комнатной температуре (30|

Способ выплавки	Условия	Ориентация	Мини- мальный радиус изгиба
вдп	Горячая про-	Продольная	1
	катка	I Топеречная	2
	Холодная	Продольная	4
	прокатка, обжатие 50%	Поперечная	5
эшп	Горячая про-	Продольная	3
	катка	Поперечная	3
	Холодная	1 фодольная	5
	прокатка, обжатие 50%	Поперечная	4

Примечание. Минимальный радиус изгиба равен
радиусу оправки, измеренному в толщинах листа, при
изгибе вокруг которой на 90е на образце при увеличении
в 10 раз не наблюдается трещин.

свойства, зависящие в первую очередь от
чистоты исходного металла. По ударной
вязкости при наилучшем способе обработ-
ки исходной губки — вакуумной очистке —
металл ЭШП уступает металлу ВДП: этот
показатель при прочих равных условиях
у последнего в 2—4 раза выше.

Таким образом, экспериментально до-
казана возможность получения весьма ка-
чественного технического титана и его
сплавов с Мп путем однократного электро-
шлакового переплава электродов из губки
при условии высокой чистоты последней.

Однако получение чистой губки посто-
янного состава связано с определенными
трудностями. Кроме того, ЭШП практиче-
ски исключает возможность удаления га-
зов из титана. Поэтому появились идеи со-
четания ВДП и ЭШП при выплавке ти-
тана [6, 30].

Первичный ВДП электрода из губки
должен был обеспечить удаление газов и
других летучих примесей [М§], а на ЭШП
металла ВДП возлагалась задача дальней-
шего усреднения состава и обеспечения ка-
чественной поверхности слитка любой кон-
фигурации, в том числе и плоского. Такой
вариант получения слитков титана и его
сплавов описан в работе [30].

При ЭШП были испытаны шлаки на ос-
нове чистого фтористого кальция и флю-
оритового концентрата ФК-95.

В табл. 452 представлены сравнитель-
ные данные механических свойств дефор-
мированного металла двойного ВДП и
ВДП + ЭШП. Из этих данных следует,
что при использовании в качестве шлака
чистого фтористого кальция механические
свойства металла ЭШП и двойного ВДП
практически идентичны, за исключением
ударной вязкости, которая у металла ВДП
несколько выше. В ю же время свойства
сплава Т1 + 8% Мп после ЭШП значитель-
но выше, чем у металла ВДП.

Сплавы титана, выплавленные под шла-
ком из флюоритового концентрата ФК-95,
характеризовались либо большой прочно-
стью, либо малой ударной вязкостью, что
авторы работы [30] объясняют влиянием
неконтролируемых примесей, содержащих-
ся в концентрате.

Исследования в этом направлении были
продолжены в ИЭС им. Е. О. Патона
Таблица 451. Ударная вязкость пластин из титановых слитков ЭШП и ВДП [30|

Характеристика образца	Номер плавки	Способ выплавки	Работа удара, кгс-м	Характ еристика образца	Номер плавки	Метод плавле- ния	Работа удара, кгс-м
Продольные образ-	1	ЭШП	9,12	Продольные образ-	1	ЭШП	10,373
цы, начало листа	2	»	7,32	цы, начало листа	2	»	8,71
	3	ВДП	20,74		3	ВДП	21,02
Продольные образ-	1	ЭШП	6,77	Поперечные образ-	1	ЭШП	7,88
цы, конец листа	2	»	4,01	цы, начало листа,	2	»	8,57
	3	ВДП	25,85	край	3	ВДП	28,35
Поперечные образ-	1	ЭШП	6,63	Поперечные образ-	1	ЭШП	6,22
цы конец листа,	2	»	5,67	цы, начало листа,	2	»	10,92
край	3	ВДП	25,85	другой край	3	ВДП	21,43
Поперечные образ-	1	ЭШП	64	Середина листа,	1	ЭШП	81
цы, конец листа,	2	»	79	под углом 45° к	2	»	58
другой край	3	ВДП	194	оси прокатки	3	ВДП	229
Продольные образ-	1	ЭШП	64	То же	1	ЭШП	83
цы, конец листа	2	»	48		2	»	59
	3	ВДП	219		3	ВДП	143

Примечание. Номера плавок 1 и 3 означают слиток диаметром 100 мм. выплавленный из губки после вакуум-
ной очистки; номер 2 означает плоский слиток из такой же губки

Таблица 452. Механические свойства титановых сплавов в прутках в зависимости
от способа выплавки [6]

Сплав	Способ выплавки	Ор. кгс/мм2	о. %	Ф. %	ан. кгс-м/см2		НВ, кгс/мм2
ВТ-1	ВДП	51,5	24,6	57,3		7,1	163
	ЭШП	54,5	20,9	55,5		5,2	170
ВТЗ-1	ВДП	111,0	13,9	42,4		4,2	341
	ЭШП	120,3	13,6	42,8		—	363
	»	116,8	12,1	42,7		3,6	360
0Т4	ВДП	84,8	16,5	44,9		6,2	269
	ЭШП	92,1	16,3	50,1		4,0	285
	»	94,8	17,2	46,7		2,9	285
ВТ5-1	ВДП	78,3	15,5	42,3		5,8	255
	ЭШП	84,2	14,1	41,4		4,2	255
	»	90,5	12,2	43,1		3,0	269
Т1 + 8% Мп	ВДП	117,8	8,5	31,3		2,65	321
	ЭШП	113,4	14,5	46,8		4,7	321
	»	113,1	11,1	37,4		2,6	341

Примечание. Материал шлака — Ф-95.

АН УССР. Оказалось, что механические
свойства листов из титанового сплава
ВТ-14, полученного двойным ВДП и
ВДП + ЭШП, практически идентичны
(табл. 453).

В ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР
были проведены также исследования по
получению титановых сплавов путем двой-

ного ЭШП электрода из губки, легирован-
ной порошковыми добавками.

Готовые слитки первого и второго пе-
реплавов имели гладкую блестящую по-
верхность серебристого цвета. Пор, усадоч-
ных раковин, трещин и других дефектов не
обнаружено. Результаты этих опытов, ка-
сающиеся коррозионностойкого сплава
Таблица 453. Механические свойства листового проката сплава ВТ-14 ЭШП и ВДП
(данные ИЭС им. Е. О. Патоиа АН УССР)

Способ выплавки	ов. кгс/мм4	Оч, КГС/ММ4	6. %	4). %	ан, кгс • м/см2
ВДП + эшп Двойной ВДП	70,0—71,0 62—72	61,0—62,0 60—65	12,7—15,5  12,5—15,0	28,0—30,0 20—34	8,3—9,4  8,0—9.0

Таблица 454. Изменение содержания легирующих элементов и примесей в сплаве Т1 + 2%
полученном методом двойного ЭШП (данные С. М. Гуревича и др.)

Состояние металла	Содержание, %					
		Ее	С	[Ы]	[О]	ГН)
Слиток (1-й переплав) Слиток (2-й переплав)	1,99  1.89	0,35 0,39	0,032 0,020	0,039 0,029	0,093 0,087	0,0023  0,0037

Таблица 455. Механические свойства сплава Т1 2% М, полученного методом двойного ЭШП
из губки (данные С. М. Гуревича и др.)

Состояние металла	Направление вырезки образца	Механические свойства				
		кгс/мм4	°в* кгс/мм®	о. %	4>, %	ан- кгс. м/см2
Слиток (2-й	Поперек оси	47,7	56,6	7,7	11,2	1,1
переплав)	Вдоль оси	52,2	57,7	10,5	7,8	1,3
	Вдоль проката	61,7	56,8	16,4	30,8	3,9
Прокат	Поперек проката	61,5	58,3	25,1	33,1	2,4
	Под углом 45°	66,6	58,1	16.9	38,1	3,4

Т1 + 2% 5И, представлены в табл. 454,
455.

По содержанию примесей и газов, а
также по показателям прочности сплав
Т1 + 2% ГД, полученный двойным ЭШП,
близок к серийным низколегированным ти-
тановым сплавам, например ОТ4-1. Лист
толщиной 6 мм, прокатанный при опти-
мальных температурах из электрошлаково-
го металла, имел после термообработки
весьма высокие показатели прочности и
пластичности и достаточные для коррози-
онностойкого сплава значения ударной
вязкости.

Все описанные выше отечественные и
зарубежные исследования проводились в
камерных печах в защитной атмосфере
или в вакууме. Такие печи, естественно, до-
роги, сложны по конструкции и в эксплуа-
тации.

В ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР
были проведены опыты по ЭШП титано-
вого электрода ВДП в открытом кристал-
лизаторе с относительным перемещением
слитка и кристаллизатора. В качестве
шлака применяли плавленый фтористый
кальций. Выплавленные слитки имели
гладкую боковую поверхность, не требую-
щую механической обработки перед про-
каткой.

Авторы работы [22] установили, что при
ЭШП в открытом кристаллизаторе не про-
исходит увеличения содержания кислорода,
азота, водорода и углерода в металле
слитка.

В табл. 456 представлены данные о
механических свойствах проката из ис-
ходного и переплавленного металлов. Они
свидетельствуют о том, что качество ме-
талла после ЭШП в целом не ухудшалось.
Таблица 456. Механические свойства проката из металла ВДП (электрод) и ЭШП [22]

Объект анализа	Направления вырез- ки образца	св, кгс/мм2	о5, кгс/мм2	ан* кгс • м/см2	б. %	V. %	НВ, КГС/ мм2
Электрод	Вдоль проката	35,7	24,0	32,2	45,0	75,0	113—120
(ВТ1-00)	Поперек проката	24,2	23,1	23,0	46,5	78,5	—
Металл ЭШП	Вдоль проката	34,4	23,8	28,8	50,4	76,1	111—116
	Поперек проката	33,7	23,0	25,3	49,0	78,5	—

Таблица 457. Данные механических испытаний титана и его сплавов, полученных методом
ЭШП в бескамерной печи (данные ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР и авторов работы [20])

Сплав	Способ выплавки, состояние металла	Направление вырез- ки образца	Механические свойства				
			ов.  кгс/мм2	о8.  кгс/мм2	0. %	%	ан.  кгс - м/см2
ВТ-00	ЭЛП (исходный металл):						
	ЛИТОЙ	Вдоль оси	40,7	32,2	23,2	54,4	20,7
	катаный	Вдоль проката	43,4	35,0	39,9	67,2	23,9
	ЭШП:						
	литой	Вдоль оси	45,9	37,0	23,4	47,0	13,4
	катаный	Поперек проката	51,2	43,2	26.2	56,3	14,0
	ВДП (требования ТУ к деформированному ме- таллу)		30—45	25—38	25—30	>60	—
							
		Поперек проката					
ВТ1-0	ЭШП, деформированный ВДП (требования ТУ к деформированному ме-	» »	53,0	39,0	26,6	66.0	9,5
	таллу)	» »	35—55	30—42	25—30	>60	—
0Т4	ЭШП, деформированный	Вдоль проката	83,9	82,1	13,7	48,6	6,7
		Поперек проката	79,9	75,8	14,6	31,9	6,7
	ВДП (требования ТУ к деформированному ме-						
	таллу)	» »	70—90	—	12—20	25—55	—
	ЭШП, литой	Вдоль осн слитка Поперек оси слит-	103,0	—	6,3	30,3	3,9
		ка	102,0	—	6,1	16,5	5,5
	ВДП (требования ТУ к деформированному ме-						
	таллу)	Поперек проката	110—130	—	>6	>14	3,0

Таблица 458. Содержание газов в титане и его сплавах до и после ЭШП в бескамерной печи.
% (данные ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР и авторов работы [20])

Сплав	Способ выплавки	Ю1	[М]	ГН]
ВТ-00	ВДП (исходный)  ЭШП  ВДП (требования ТУ)	0,108  0,114  <0,1	0,027 0,045 <0.04	0,0033 0,0048 <0.008
0Т-4	ВДП (исходный)  ЭШП  ВДП (требования ТУ)	0.06 0,0647—0,0870 <0,15	0,018 0.025 <0,05	0,003 0,0025—0,0049  0,015
ВТ-22	ВДП (исходный) ЭШП  ВДП (требования ТУ)	0,09 0,10—0,12 <0,20	0,01 0,012—0,018  <0,05	0,015 0,002—0,004  <0,015
На этом основании признано перспектив-
ным продолжение исследований по ЭШП
металла в открытом кристаллизаторе.

В развитие этих работ в ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР были проведены
опыты по ЭШП плоских слитков титана
ВТ-00, ВТ1-0, сплавов ОТ4 и ВТ-22 в бес-
камерной печи [22]. В качестве расходуе-
мых электродов использовали металл
ВДП. Выплавленные в оптимальных усло-
виях слитки имели гладкую блестящую по-
верхность серебристого цвета. Твердость
титановых слитков после ЭШП была
практически такая же (150—160 кгс/мм2),
как у исходного металла. В табл. 457, 458
представлены данные по газосодержанию
исходного и переплавленного металлов, а
также механические свойства литого и де-
формированного металлов. Эти данные
свидетельствуют о том, что методом ЭШП
в бескамерной печи можно получить плос-
кие слитки титана и его сплавов. Наблю-
дающееся повышение содержания кислоро-
да, водорода и азота приводит к некоторо-
му ухудшению свойств, в частности плас-
тичности, однако полученные показатели
не опускаются ниже существующих техни-
ческих требований.

Таким образом, ЭШП титана имеет
определенные преимущества перед ВДП
в части технологичности, меньшей слож-
ности и стоимости оборудования и обеспе-
чивает в оптимальных условиях получение
равноценного по качеству металла. Однако
невозможность удаления газов при пере-
плаве и необходимость тщательной подго-
товки к плавке исходной шихты (губки)
затрудняют промышленное применение это-
го метода.

§ 2.	Алюминий

Повышение чистоты слитков алюминия и
его сплавов по неметаллическим включе-
ниям и водороду является основным сред-
ством повышения качества алюминиевого
проката. Наряду с различными методами
рафинирования (фильтрация, отстаивание,
продувка газами, вакуумирование) для по-
вышения чистоты алюминия успешно при-
меняют и ЭШО [9, 10, 24]. Первые работы
по применению электрошлакового процес-
са для повышения качества алюминия и
его сплавов были проведены в ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР Установлено,
что путем ЭШП расходуемого электрода
можно полностью избавиться от оксидных
пленок и снизить содержание водорода [8,
18]. Аналогичные результаты были получе-
ны впоследствии за рубежом при ЭШП
сплава А1 + 2,5	[4]. Однако промыш-

ленного применения такая технология не
нашла.

Практическое применение нашел метод
ЭШО жидкого металла в промежуточной
емкости, установленной непосредственно
на кристаллизаторе машины полунепре-
рывного литья. Схема такого процесса ана-
логична представленной в § 3 (см.
стр. 574). Метод некоторыми автора-
ми именуется также электрофлюсовым
или электрошлаковым рафинированием
(ЭШР).

В табл. 459 представлены данные о ра-
финирующем воздействии ЭШО на сплавы
АЛ7-Ч и АМгб. Дальнейшие исследования
по ЭШР алюминиевых сплавов были скон-
центрированы во Всесоюзном институте
легких сплавов.

Таблица 459. Показатели чистоты алюминиевых сплавов до и после ЭШР [18]

Сплав	Загрязненность металла обычной плавки		Загрязненность металла после ЭШР	
	водородом, см3/100 г	оксидными пленами, ММ2/СМ*	водородом, см«/100 г	оксидными пленами, мм2/см2
АЛ7-Ч	—	0,12—8,92 1,550	0,39—0,43	0—0,17 0,018
АМгб	0.62—0,86	0,06—0,65 0,294	0.40—0,48	0—0,01 0,003

Примечание. В числителе даны предельные значения, ь знаменателе — средине.
Таблица 460. Влияние способа рафинирования на загрязненность и механические свойства
алюминиевых сплавов |15]

Сплав	Способ рафини- рования	Загрязнед- ность вклю- чениями. мм2/см2	Среднее со- держание водорода, см3/100 г	Количество дефектов, об- наруженных прн УЗК. шт.	Механические свойства штамповки	
					ов, кгс/мм2	б. %
АК8	ЭШР	0,000	0,280	6	38,4	8,1
	Стеклосетка	0,260	0,325	148	37,7	7,0
В96	ЭШР	0,0040	0,46	3	47,9	1,6
	Стеклосетка	0,0298	0,61	26	47.6	2,0

Таблица 461. Загрязненность, содержание газов и механические свойства сплава АМгб после
рафинирования [21]

Способ рафинирования	Загрязнен- ность неме- таллическими включениями, мм2/см2	Газонасыщен- ность, смз/100 г	Плот- ность, г/СГ’8	ов, кгс/мм2	0. %	ан.  кгс • м/см2
ЭШР в кристаллизаторе ЭШР в емкости Литье через стеклоткань	0,0086  0,0064  0,1470	0,38 0,46  0 53	2,6655  2,6507	25,9  24,0  22.7	10,08 7,65 7,8	1,15  0,66 0,63

В работе [10] описано влияние ЭШР на
загрязненность неметаллическими включе-
ниями сплавов АК8 и В96, а также на со-
держание водорода и на механические
свойства. Результаты этих исследований
(табл. 460) свидетельствуют о том, что
ЭШР позволило значительно повысить ка-
чество металла, в частности механические
свойства в деформированном и особенно в
литом состоянии, вследствие снижения на
два порядка содержания неметаллических
включений. Дальнейшими исследованиями
установлено [21], что обработка сплава
В95 жидким шлаком по сравнению с ра-
финированием через стеклосетку и с по-
мощью кусковых флюсов позволяет полу-
чить металл с минимальным содержанием
водорода и минимальной микропори-
стостью.

В работе [21] описано влияние ЭШР
на качество слитков сплава АМгб. Прн
этом сравнивалось воздействие ЭШР при
обработке шлаком непосредственно в кри-
сталлизаторе и в промежуточной емкости.
Установлено, что ЭШР так же как и ра-
финирование через стеклоткань, не приво-
дит к уменьшению в металле содержания
легирующих: магния, кремния и железа.
Образцы всех способов рафинирования не

имели очагов флюсовой коррозии. Данные
по содержанию неметаллических включе-
ний, газов, по плотности и механическим
свойствам приведены в табл. 461.

Наилучшие результаты по всем показа-
телям получены при ЭШР непосредственно
в кристаллизаторе. Таким образом, ЭШР
дает возможность существенно улучшить
качество алюминиевых сплавов. В отноше-
нии удаления неметаллических включений
(оксидных плен) ЭШР признано лучшим
из всех известных способов.

§ 3.	Медь и сплавы на ее основе

Применение электрошлакового процесса в
производстве слитков меди и медных спла-
вов, а также в получении жидкого метал-
ла для фасонных отливок вызвано различ-
ными соображениями. Так, в производстве
слитков жаропрочных медных сплавов
ЭШП вследствие снижения содержания
неметаллических включений позволил су-
щественно повысить служебные свойства
сплава.

Электрошлаковая выплавка медных
сплавов из легковесной шихты оказалась
выгодной из-за очень низких безвозврат-
ных потерь металла. Кроме того, в неко-
Таблица 462. Химический состав бескислородной меди ЭШР и ЭШВ (данные И. Ю. Лютого)

	Содержание меди. %, полу-		Содержание примесей,			%-2	
Металл	чей  электролизом	ное  по разности химического анализа	Ее	№	РЬ		
Жидкая медь	99,90—99,98	99,93—99,97	1,0—2,0	0,7—1,3	0,2—0,4		1
После ЭШР  Катодная медь после окислитель-	99,95—99.98	99,98—99.99	Следы — 2,0	0,7—1,5	Следы — 0,1		1
ного отжига до ЭШВ	99,85—99,97	—	Следы — 1,0	Следы — 0,7	Следы — 0,3		Сл
После ЭШВ Бескислородная медь М00 по	99,95—99,98	99,98—99.99	Следы — 1,5	Следы — 0,7	Следы — 0,1		Сл
ГОСТ 859—66	—	99.97	4,0	2,0	4,0		

торых случаях она обеспечила повышение
механических и служебных свойств за счет
снижения содержания газов и вредных
примесей.

Бескислородная медь. Для отливки
медных слитков, идущих на производство

Рис. 407. Схема ЭШР меди:

/ — раздаточная камера миксера; 2 — электрошлако-
вая рафинирующая емкость; 3 — крышка кристалли-
затора; 4 — кристаллизатор; 5 —- машина полунепре-
рывного литья; 6 — стопор; 7 — токоподводящнй
электрод; 8 — шлаковая ванна; 9 — металлическая
ванна.

Рис. 408. Схема ЭШВ меди:

/ — механизм перемещения электрода; 2 — электрод;
3 — кожух; 4 — катодная медь, 5 — стопор; 6 — шлако-
вая ванна; 7 — плавильная емкость; 8 — крышка кри-
сталлизатора; 9 — кристаллизатор; 10 — слнток.

проводников тока, используют электроли-
тически рафинированную медь — катоды.
Катодный металл весьма чист по приме-
сям — их содержание в зависимости от
марки находится в пределах 0,1—0,5%. Од-
нако чистота выплавленного из катодов
металла, как правило, ниже. Основной
примесью, загрязняющей металл при плав-
ке, является кислород. В зависимости от
вида плавильного агрегата и технологии
плавки его содержание повышается до
0,01—0,05% [1]. Такое содержание кислоро-
да отрицательно сказывается на техноло-
гических свойствах металла и его электро-
проводности. При этом затрудняется или
становится невозможным получение плот-
ных и равнопрочных с основным металлом
%'2-							Содержание газов, % • 10 6	
гп	8п	8Ь	Аз	В1	р	8		
							О	н
1,0-5,0  1,0-2,0  Следы —1,0  Следы  3,0	Следы  »  »  »  2,0	Следы »  »  »  2,0	Следы »  » »  2,0	0,7—0,0 Следы — 1,0  Следы »  2,0	0,8—2,0  0,2—0,8  0,3—0,5  0,2—0,6  4,0	3,0—10,0  2,0—5,0  1,5—2,7  1,4—3,0	15,0—60,0 0,8—1,3  70,0—100,0 0,5—1,7  Не нормирова	0,1  0,1—0,2  1,3—1,4  0,1—0,3  но

сварных соединений из-за так называемой
водородной болезни, приводящей к образо-
ванию пористости.

Электропроводность кислородсодержа-
щего металла по сравнению с бескислород-
ным на 1,5—2,0% ниже. Раскисление меди
активными металлами (фосфором, крем-
нием, марганцем) приводит к значитель-
ному (до 30%) снижению электропро-
водности.

У нас в стране освоено получение бес-
кислородной меди путем раскисления ее в
защитной атмосфере или в вакууме угле-
родом. Конечное содержание кислорода
при этом не превышает 0,001% [1]. Одна-
ко производительность, габариты и масса
слитков, получаемых указанным способом,
ни в коей мере не удовлетворяют потреб-
ностей промышленности.

Рис. 409. Микроструктура меди до ЭШР (а)
и после ЭШР (б), х200 (без травления).

Исследования по применению электро-
шлакового процесса для получения бескис-
лородной меди, выполненные в ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР, велись в двух
направлениях: путем ЭШР жидкого метал-
ла, выплавленного в индукционной печи,
и путем плавки катодного металла непо-
средственно в электрошлаковой печи
(ЭШВ). Схемы обоих процессов показаны
на рис. 407, 408.

В результате лабораторных и опытно-
промышленных исследований путем рас-
кисления металла углеродом и через шлак
была получена бескислородная медь по
обеим технологическим схемам. На рис. 409
показана микроструктура исходного кисло-
родсодержащего и бескислородного метал-
ла после ЭШР. В табл. 462 представлен
химический состав исходного и рафиниро-
ванного металла, а также состав, нормиро-
ванный ГОСТ 859—66 для бескислородной
меди. Главным следствием ЭШО (ЭШР и
Рис. 410. Механические свойства бескислород-
ной меди ЭШР и сварных соединений из бес-
кислородной меди и меди М1:

а — бескислородная медь (I — деформированный ме-
талл; 2— литой металл); б — сварные соединения из
бескислородной медн (3) и меди М1 (4)-, треугольни-
ки — предел текучести; кружки — удлинение.

ЭШВ) явилось снижение на 1—2 порядка
содержания кислорода до уровня 0,0005—
0,0017%. Эти значения достигнуты на зна-
чительно более простом оборудовании, чем
вакуумные печи и печи с защитной атмо-
сферой.

В результате повышения чистоты сни-
зилось удельное электросопротивление ме-
ди. Для меди ЭШР оно составило 1,690—
1,720 мкОм-см, а для меди ЭШВ — 1,710—
1,720 мкОм-см, что на 0,25—2,0% ниже
международного стандарта на электросо-
противление меди, равного 1,724 мкОм-см.
Повысилась и плотность металла: с
8,885 г/см3 до 8,920 г/см3 в литом состоя-
нии и до 8,937—8,940 г/см3 в деформиро-
ванном состоянии. Снижение содержания
кислорода положительно сказалось на ме-
ханических свойствах меди. На рис. 410
представлены механические свойства бес-
кислородной меди ЭШР в литом и дефор-
мированном состоянии в интервале темпе-
ратур 20—800° С. В отличие от кислород-
содержащей меди пластичность бескисло-
родного деформированного металла не
имеет характерного резкого провала в диа-
пазоне 300—500° С. Сварное соединение
из бескислородной меди имеет более вы-
сокую прочность и пластичность, чем
из кислородсодержащей меди М1 (см.
рис. 410).

Технологическими испытаниями было
установлено, что бескислородная медь
примерно вдвое более устойчива против

образования трещин и менее склонна к
порообразованию при сварке, чем медь
М1.

Повышенная пластичность бескислород-
ной меди ЭШР отмечена и при волочении
проволоки микронных диаметров, для ко-
торых обычно применяют медь, выплавлен-
ную в вакууме из катодов двойного элек-
тролитического рафинирования.

Исследованиями установлена также
возможность повышения микроплотности
бескислородной меди путем ее ЭШО. Ха-
рактерным дефектом литой и деформиро-
ванной бескислородной меди всех способов
производства, в том числе вакуумной (ин-
дукционной, электроннолучевой) плавки,
является рассеянная пористость. Большин-
ство исследователей этот дефект связыва-
ют с наличием в металле остаточного во-
дорода. Для устранения микропористости
была применена выдержка под шлаком с
наложением переменного или постоянного
тока разной полярности. Было установле-
но, что переменный ток не оказывает су-
щественного влияния на микропористость
бескислородной меди. В то же время вы-
держка жидкой меди в течение 30 мин под
шлаком с наложением тока обратной по-
лярности (плюс на электроде) привела к
существенному уменьшению пористости, а
при токе прямой полярности — к ее увели-
чению. В качестве эталона служили об-
разцы металла, выдержанного под шлаком
без тока. На рис. 411 представлены элек-
трополированные микрошлифы образцов
меди, выдержанных с наложением посто-
янного тока прямой и обратной полярно-
сти. Оценка пористости по соотношению
площади пор и площади шлифа показала,
что при прочих равных условиях ток об-
Рис. 411. Микроструктура бескислородной меди,
выдержанной под шлаком с наложением по-
стоянного тока, Х200 (после электрополиров-
ки):

а — ток прямой полярности; б — ток обратной поляр-
ности.

ратной полярности уменьшает пористость
примерно в 25 раз, а ток прямой поляр-
ности увеличивает ее вдвое.

В работах [11, 17] исследовано влияние
ЭШП на содержание газов в меди. Уста-
новлено [17], что переплав электродов, из-
готовленных из катодной меди или из мед-
ного проката, сопровождается снижением
общего газосодержания Добавление в

шлак графитовой стружки (восстановите-
ля) позволило увеличить степень удаления
кислорода из металла (табл. 463).

В работе [11] показано, что переплав-
ленная электрошлаковый методом медь
без применения защитной атмосферы (ар-
гона) или без добавления в шлак раскис-
лителей содержит примерно вдвое больше
кислорода, чем исходная. В то же время
добавление углерода и особенно карбида
кальция в шлак позволило снизить содер-
жание кислорода примерно в 2—3 раза
(табл. 464).

При низких исходных содержаниях
кислорода (на уровне 0,001%) ЭШП даже

Таблица 463. Изменение газосодержания меди при ЭШП [17]

Вид электрода	Металл	Ток плавки, А	Общее газосодер- жание. см®/100 г	Ю], %	|Н]. %
Катоды	Исходный	—	24,20	0,01900	0,00102
	После ЭШП	1500—1660	3,70	0,00150	0,00021
		1800—1900	4,00	0,00096	0,00037
		2100—2200	3,98	0,00180	0,00024
		2400—2500 ,	2,92	0,00110	0,00018
Прокат	Исходный	—	20,18	0,01460	0,00062
	После ЭШП (с до-	1000—1100	5,70	0,00290	0,00025
	бавлением углеро-	1200—1300	3,85	0,00110	0,00017
	да)	1500—1600	3,44	0,00083	0.00026

19 2426
Таблица 464. Изменение газосодержания
меди при ЭШП с раскислением [11)

Металл	Добавки раскис- лителей в шлак	Содержание в ме- талле	
		(<ад. %	[Н2], см3/100 г
Исходный			0,0170	0,64
После ЭШП	Без добавок	0,0323	0,51
» »	С добавками графита	0,0109	0,38
» »	С добавками карбида кальция	0,0046	0,69
Исходный	—	0,0014	—
После ЭШП	Без добавок	0,0123	—
Исходный	—	0,0011	—
После ЭШП	С добавками карбида кальция	0,0039	—
» »	С добавками кар- бида кальция и		
	защитой аргоном	0,0005	—

с раскислителями повышает в 2—3 раза
содержание кислорода в металле слитка,
а его снижение было достигнуто только
при условии защиты нижней части расхо-
дуемого электрода аргоном.

Исследования по ЭШП меди в защит-
ной атмосфере гелия, проведенные в США,
в целом подтвердили описанные выше ре-
зультаты. Сами по себе фторидно-хлорид-
ные флюсы на основе СаР2, Мдр2, ИаР и
ПаС1 не приводят к снижению содержания
кислорода в слитке. Последнее возможно
только при введении в шлак раскислите-
лей, например карбида кальция.

В работе [7] описано влияние ЭШП на
состав и свойства меди и большой гаммы
ее сплавов. В табл. 465, 466 приведены
результаты этих исследований. Они свиде-
тельствуют о том, что после ЭШП в ре-
зультате улучшения макро- и микрострук-
туры слитков, снижения содержания газов
и неметаллических включений при сохра-

Таблица 465.

Изменение химического состава

меди и ее сплавов при ЭШП, %

Марка сплава	Хп	8п	Мп	РЬ	А|	М	В	Ре	ч	[О]	[Н], см3/100 р
М1  Л90  Л62  ЛС59-1  ЛМц58-2  БрОЦС 5-5-5  БрОЦ 8-4  БрОЩО-2  БрАМц 9-2  МНМц-20-20	10,67 10.08  39,9  39,6  38,3  38,1  40,06 40,50  6,66 6,50  4,0  4,09  2,23  2,33	0,016 0,017  4,55 4,57  8,37  8,30  9,82  9,84	1,23  1,21  2,11  2,05  20,0  20,0	1,10  1.20  4,96  4,87  0,22 0,24	8,79  8,70	0,78 0.70  21,6 22,0	Не обнаруж. » »  Не обнаруж.  Не обнаруж. 0,014  Не обнаруж.  0,022	0,02  0,02  0,08  0,03  0,25  0,26  0,10  0,12  0,18  0,03  0,20 0,20  0,02  0,03  0,02  0,02  0,11  0,07	0,004 0,002  0,002 0,002  0,002 Следы  0,003 0,002  0,005 0,002 0,003 0,003  0,018 0,005	0,07 0,0067 0,0057 0,0029  0,0047 0,0015  0,0044 0,0157 0,0028  0,0030 0,0055 0,0047	1,8  1,1  2,4  1,3  3,9  2,8  ад  1,9  1,3  Тз"  3,6  3.0

Примечание. В числителе д-2Н состав металла электрода, в знаменателе — слитка
Таблица 466. Влияние ЭШП на механические свойства меди и ее сплавов

Марка сплава	Отливка в кокиль					Слиток ЭШП				
	ов, кгс /м м2	о5, кгс/мм2	6. %	ан- кгс • м/см2	НВ, кгс/мм2	°В’ кгс/мм2	о$, кгс/мм2	6. %	«Н’ кгс • м/см2	НВ, кгс/мм2
М1	17,0	7,0	18,0	6,0	40	17,4	8,8	46,0	14,7	42—44
Л 90	20,0	8,0	30,0	15,0	56	21,5	9,9	44,0	18,0	50
Л62	32,0	12,0	35,0	—	—	38,0	21,8	25,2	3.7	80
ЛС59-1	34,0	15,0	27,0	2,3	81	39,5	16,3	40,0	2,6	80—84
ЛМц58-2	35,0	15,0	20,0	12,0	90	43,0	20,3	43,0	12,7	90—94
БрОЦС25-5-5	18,0	—	4,0	—	60	31,1	17,9	35,0	3,5	74—79
БрОЦ28-4	20,0	12,0	4—10	2,0	80	33,0	16.8	38,0	5,0	85—89
БрОЦЮ-2	23,0	18,0	5,0	1,5	75	30,0	16,6	30,0	3,8	90
БрОФЮ-1	25,0	—	3,0	0,9	90	30,0	18,0	25,0	2,3	90—93
БрАМу9-2	40,0	20,0	20,0	7,0	80	44,8	17,3	51,1	14,2	80—84

нении исходной концентрации легирующих
возросла пластичность всех испытанных
сплавов без снижения прочности.

О. Д. Молдавский, И. А. Саркисян и
Т. А. Стомахина * исследовали возможно-
сти ЭШП в измельчении микроструктуры
низколегированных и высоколегированных
медных сплавов. Объектом исследования
служили хроми?Гая бронза и сплав каме-
лон, содержащий около 20% ГД, по 4,5% А1
и М& и около 3% Сг. Авторы пришли к
выводу, что в обоих случаях при соответ-
ствующей технологии ЭШП возможно зна-
чительное измельчение микростроения
сплавов. Так, например, для хромистой
бронзы диаметр ячейки электрошлакового
металла составил 50 мкм, в то время как
при обычном, наполнительном, литье он
составляет НО мкм. В листах, изготовлен-
ных из электрошлакового металла, размер
зерен сотавил 0,003—0,004 мм2, тогда как
для листового металла, прокатанного из
заготовки, полученной методом наполни-
тельного литья, он составляет 0,043 мм2.

Жаропрочные бронзы. К жаропрочным
бронзам относятся малолегированные де-
формируемые сплавы меди, обладающие
уникальным сочетанием свойств: высокой
электро- и теплопроводностью и достаточ-
ной прочностью и пластичностью в широ-
ком диапазоне температур. Свойства спла-
вов в значительной степени определяются

• О. Д. Молдавский, И. А. Саркисян, Т. А. Сто-
махина. О фактах, определяющих дисперсность
структуры при электрошлаковом переплаве мед-
ных сплавов,— Изв. АН СССР, Металлы, 1980,
№ 2, с. 9—14.

равномерностью распределения легирую-
щих элементов и содержанием неметалли-
ческих включений.

Жаропрочность сплавов в сочетании с
высокими тепло- и электропроводностью
достигается за счет введения небольших
количеств таких элементов, как хром, ти-
тан, цирконий, никель, кобальт, кремний.
Сплавы могут быть легированы одним
элементом из перечисленных или одновре-
менно несколькими (Сг + 2г, Сг + Т1, Т1 +
2г, ГД + Со и др.).

Применяются жаропрочные бронзы для
электродов при контактной сварке, а также
в различного рода теплообменниках в ви-
де труб и листового проката.

В связи с возрастанием требований к
качеству сплавов технология их выплавки
непрерывно прогрессировала — от откры-
той плазменной плавки до ВДП и ВИП.
Однако даже такие специальные методы
плавки не всегда обеспечивали требуемые
чистоту сплавов и свойства полуфабрика-
тов.

Первые опыты по ЭШП бронзы БрХ
в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР пока-
зали, что полученные слитки не имеют
усадочных и газовых рыхлот. Прокат
также не имел обычных для других мето-
дов плавки дефектов — расслоений, рыхлот,
нерастворившихся легирующих и неметал-
лических включений. После ЭШП произо-
шли существенные изменения в микро-
структуре бронзы. Если в исходном ме-
талле хром образовывал замкнутые цепоч-
ки, после переплава появились изолиро-
ванные его включения. Такая структура
Таблица 467. Влияние ЭШП на содержание примесей в бронзе БрХ, % (данные В. М. Можаева
и др.)

Металл	Ре	РЬ	гп	мр	8	р	Всего
Исходный  После ЭШП	0,07 0,02	0,005 Следы	—	0,001 Следы	0,002 Следы	0,003 0,002	0,081 0,022

вызвана более равномерным распределени-
ем хрома в металлической матрице и обес-
печивает повышение механических свойств
проката.

Равномерность распределения хрома
отмечена и на продольных и на попереч-
ных макротемплетах слитков ЭШП: откло-
нения от среднего содержания (0,43%) со-
ставили ± 0,02%.

В слитках ЭШП выявлено минимальное
по сравнению с другими способами плавки
содержание неметаллических включений.
По сравнению с исходным в металле ЭШП
снизилось содержание кислорода и водо-
рода, оно составило соответственно 0,001—
0,002% и 0,0001—0,0002%. Ниже приведе-
но содержание неметаллических включе-

Рис. 412. Прочность и пластичность листов хро-
мовой бронзы различных методов выплавки
после термообработки:

а — отжиг; б — нормализация; в — закалка 4- старе-
ние; 1 — металл ЭШП; 2 — металл вакуумной плавки;
5 — металл индукционной открытой плавки; светлые
значки — предел прочности, темные — относительное
удлинение.

ний в бронзе БрХ при различных способах
выплавки.

Способ выплавки

В отражательной печи
Индукционная открытая
Индукционная открытая +
+ ВДП

ВИП + ВДП

Индукционная открытая -|-
+ЭШП

Содержание
неметаллических
включений, %

0,038—1,010
0,013—0,035

0,011—0,023

0,004—0,006
0,003—0,005

Важным следствием ЭШП явилось по-
вышение общей чистоты металла: так, сум-
марное содержание контролируемых при-
месей снизилось с 0,081 до 0,022% (табл.
467).

Электрошлаковый переплав улучшает
свойства металла открьГТЪй выплавки до
уровня свойств металла двойной вакуум-
ной выплавки — вакуумная индукционная
плавка (ВИП) + ВДП.

В табл. 468 представлен химический со-
став металла ЭШП и двойной вакуумной
плавки, а в табл. 469 — данные механиче-
ских испытаний листов из этого металла.
Таблица 468. Содержание примесей в хромовой бронзе открытой выплавки после ЭШП, %
(данные В. М. Можаева и др.)

Способ выплав- ки	Сг	Ее	Р	Ы1	81	РЬ	Мц	2п
эшп  ВИП + вдп	0,60 0,62	0,008 0,010	0,001 Не опр.	0,01 0,001	0,002 0,003	0,001 Следы	Следы 0,001	Следы 0,001

Таблица 469. Механические свойства бронзы БрХ в зависимости от способа выплавки
(данные В. М. Можаева и др.)

Способ выплав- ки	Состояние поставки		После нормализации			
	°В’ кгс/мм2	С. %	20° С		600° с	
			кгс/мм2	& %	°В’  кгс/мм2	6. %
эшп  ВИП + вдп	25,1—25,4  29,0—29,5	54,3—57,2  37,2—39,5	24,4—25,6  24,2—24,5	48,5—51,0  56,2—59,7	12,7—13,9  11,3—13,0	14,6—18,4  18,3—23,4

Таблица 470. Механические свойства никелецнркониевой бронзы различных методов выплавки
(данные В. М. Можаева и др.)

Способ выплавки	ав, кгс/мм2	6. %	ов, кгс/мм2	б. %
	20» С		600° С	
ЭШП  ВИП + вдп  ОИП	26,3—28,4 27,3  27,7—28,0 27,8  24,8—28,3  27,0	46,8—47,6  47,2  45,0—46,5  45,8  40,0—50,0  44,8	12,4—13,5 12,9  14,1—15,0  14.7  14,0—15,1  14,6	42,7—43,4 43,0  39,2—44,5  41,1  26,5—38,1  33,0

Примечание. В числителе даны предельные значения, в знаменателе — средние. ОИП —открытая индук-
ционная плавка

Следствием повышения чистоты метал-
ла и его однородности явилось повышение
пластичности хромовой бронзы при темпе-
ратурах 200—800° С. Как явствует из дан-
ных рис. 412, листы хромовой бронзы ЭШП
при равной прочности имели не только
большую пластичность по сравнению с
бронзой открытой индукционной и вакуум-
ной плавки, но и меньший провал пластич-
ности в интервале температур 400—600° С.
Теплопроводность металла ЭШП в состоя-
нии поставки была на 2—6%, а после тер-
мообработки на 7—13% выше, чем у ме-
талла вакуумной плавки.

Промышленное освоение ЭШП хромо-
вой бронзы позволило практически полно-

стью ликвидировать брак проката, выявля-
емый УЗК. Исследовали влияние ЭШП на
свойства других жаропрочных медных
сплавов, в частности циркониевых бронз.
Слитки выплавлялись из шихтованных
электродов. Были определены оптимальные
составы шлаков и энергетические парамет-
ры, обеспечивающие практически полное
усвоение циркония и равномерное распре-
деление его в металле слитка. Таким же
методом были получены и слитки ннкеле-
циркониевой бронзы массой до 100 кг.

В. М. Можаевым было установлено, что
усвоение циркония в шихтованном элек-
троде (катодные медь и никель, прутковый
цирконий) практически составляет 100%,
в то время как при переплаве металла от-
крытой и вакуумной плавки угар циркония
превышал 50%. Такое поведение циркония
объясняется тем, что в переплавляемом
металле цирконий в значительной мере на-
ходится в виде окислов.

В табл. 470 представлены механические
свойства листов из никелециркониевой
бронзы различных методов выплавки. Из
этих данных следует, что металл ЭШП не
уступает в целом по механическим свой-
ствам металлу двойной вакуумной выплав-
ки и хотя имеет несколько меньшую проч-
ность, но это компенсируется более высо-
кой пластичностью.

Таким образом, ЭШП оказался дей-
ственным способом повышения качества и
улучшения свойств жаропрочных медных
сплавов.

Влияние ЭШП на свойства бериллие-
вой бронзы исследовали Ж. П. Пастухова,
А. Г. Рахштадт, Ю. И. Зарембо и др. *
В их работе показано, что слитки металла
марок БрБНТ1,9 и БрБНТ1, 9Мг, получен-
ные способом ЭШП свободны от обратной
ликвации, в то время как этот дефект
характерен для металла ВИП, разлитого
на машинах МНЛЗ. Благодаря ЭШП уда-
ется снизить содержание кислорода в ме-
талле, что в свою очередь повышает эф-
фективность влияния бериллия как упроч-
няющей добавки.

Бронзы ЭШП характеризуются также
улучшенной технологической пластично-
стью. Это позволяет повысить выход годно-
го и применять холодную деформацию со
степенью около 90%. После соответствую-
щей термообработки (закалки со старени-
ем) или термомеханической обработки бе-
риллиевая бронза БрБНТ1,9Мг ЭШП об-
ладает более высоким пределом упругости
и релаксационной стойкостью в условиях
циклического и статического нагружений,
повышенными сопротивлением ползучести
и усталостной прочностью, большей вяз-
костью разрушения по сравнению с брон-
зой, полученной ВИП. Меньшее содержа-
ние кислорода в электрошлаковом метал-
ле приводит к снижению удельного элек-
тросопротивления бронзы, микролегиро-

* Металловедение и термическая обработка ме-
таллов, 1979, № 12, с. 16—19.

ванной магнием практически до уровня
электросопротивления бронзы без магния,
в то время как бронза обычной выплавки
(ВИП), легированная магнием, отлича-
ется повышенным электросопротивлением.
Это позволяет назначать электрошлаковые
бериллиевые бронзы для изготовления
тяжелонагруженных упругих элементов
конструкций, в том числе и токоведу-
щих.

Электрошлаковый переплав был приме-
нен и для улучшения качества сложно-
легированных (Сг, Мп, А1, Г\Н) медных
сплавов, являющихся заменителями берил-
лиевой бронзы. Первоначальная техноло-
гия плавки в вакуумно-индукционной печи
из-за высокой усадки сплава обеспечивала
выход годного всего 20—25%.

В результате специальных исследова-
ний, проведенных в ИЭС им. Е. О. Патона
АН УССР, была разработана и внедрена
технология ЭШП этих сплавов, позволив-
шая повысить выход годного и улучшить
качество металла. В табл. 471 представ-
лены механические свойства ^вух сплавов
ЭШП на разных стадиях передела.

Электрошлаковый переплав позволил
резко снизить брак прутков из никеле-
медного сплава НМЖМц-28-2,5-1,5 (мо-
нель-металла) [12]. Выход годных прутков
по обычной технологии не превышал 10—
12%. Основным дефектом являлись воло-
совины — несплошности металла, вызван-
ные неметаллическими включениями. Пос-
ле ЭШП в партии из 145 прутков только в
одном были обнаружены упомянутые де-
фекты.

Процесс электрошлаковой плавки при-
меняется также для получения разнооб-
разных бронз и латуней из разногабарит-
ной шихты, в том числе и стружки. Так,
на заводе «Победа труда» (г. Артемовск)
в течение ряда лет эксплуатируется элек-
трошлаковая печь для выплавки жаро-
прочных бронз БрХ и БрКН1-3 из отходов.
В условиях завода эти бронзы использу-
ют для изготовления прижимов контактов
стыковых цепесварочных машин. Металл
поступает на завод в виде прессованных
полуфабрикатов, из которых методом сво-
бодной ковки изготавливают заготовки
контактов. После механической обработки
контакты термообрабатывают. Износ, при
Таблица 471. Свойства сложнолегированных медных сплавов после ЭШП (данные О. А. Шелю-
ха и др.)

Номер сплавов	Состояние металла	ов, кгс/мм2	6. %	НВ, кгс/мм2	НУ. кгс/мм2
1	Прессованный Нагартованный Закаленный Облагороженный	76,5—77,0  49,0—56,0 109.5—113,0	6,0 30,0—41,0 4,0—5,0	255—278	242  121 — 134  355—377
Требования ТУ	Нагартованный Закаленный Облагороженный	>70,0  >45,0  >110,0	>1,0  >30,0  >0,5	1 1 1	200—250  120—150  300—340
2	Прессованный Нагартованный Закаленный Облагороженный	91,0—96,5  61,0—64,0  134,0—135,0	6,0—8,0 36,0—40,0 1.6—2,0	321—378	262 157—168 379—391
Требования ТУ	Нагартованный Закаленный Облагораженный	>80  >55  >120	>1,0  >30,0  >0,5	1 1 1	220—280  130—160  370—380

Таблица 472. Химический состав жаропрочных бронз (%), выплавленных из отходов
в электрошлаковой печи (данные И. Ю. Лютого)

Марка бпоизы	Металл	Си (электроли- зом)	Сг	51	№	Сумма при- месей
БрХ	Исходный  После ЭШВ	98,56—98,80  98,63—98,90	0,58—0,76 0,42—0,58	—	—	0,44—0,86 0,68—0,79
БрКН-1-3	Исходный После ЭШВ	95,84—96,27  95.77—96,13	—	0,67—0,80 0.78—0,83	2,74—2,86  2,69—2,84	0,75—0,17 0,37—0,56
Требования ГОСТ 493—54		—	—	0,60—1,10	2,40—3,40	«с 0,80

котором контакт подлежит замене, не пре-
вышает 1—2% его массы.

Для повторного использования из изно-
шенных контактов в электрошлаковой пе-
чи выплавляли металл, который затем от-
ливали в водоохлаждаемые кристаллиза-
торы. Из полученных слитков вновь отко-
вывали требуемые заготовки.

Технология ЭШВ позволила сохранить
практически без изменения состав металла
(табл. 472). Как следствие, свойства ме-
талла и стойкость контактов из металла

ЭШВ и из покупного металла были иден-
тичны.

Методом ЭШВ производили выплавку
литейных бронз ОСЦ-5-5-5, ОФ 10-1,
АЖ-9-4 и некоторых латуней. При этом
были опробованы различные сочетания
шихтовых материалов — от 100% марочной
стружки до 100% чистых материалов.

Преимущество электрошлаковой плавки
проявилось в чрезвычайно низких безвоз-
вратных потерях металла. Так, при исполь-
зовании кусковой шихты суммарные поте-
ри составляли 0,3—0,5%, а при использо-
вании стружки —0,8—1,3%. При выплавке
бронз и особенно латуней в индукционных
и дуговых печах безвозвратные потери со-
ставляют 3—5%, а при плавке стружки
доходят до 10—12%. Таким образом, при-
менение электрошлаковой плавки для по-
лучения литейных медных сплавов целесо-
образно и из соображений экономии доро-
гих и дефицитных металлов.

Следует заметить, что еще недостаточно
исследованы вопросы воздействия электро-
шлаковой плавки на качество литейных
медных сплавов. Однако имеются реаль-
ные предпосылки к тому, что путем элек-
трошлаковой плавки можно будет снизить
газонасышенность сплавов, а следователь-
но, пористость и рыхлость отливок. По
аналогии с другими металлами и медными
сплавами можно также ожидать повыше-
ния служебных и механических свойств
металла за счет уменьшения содержания
неметаллических включений и в ряде слу-
чаев вредных примесей.

Видимо, немалые возможности даль-
нейшего повышения качества отливок из
электрошлакового металла откроются при
использовании способов ФЭЛ и ЦЭШЛ.

§ 4.	Тугоплавкие металлы
и специальные сплавы

Молибден. Основная цель ЭШП молибде-
на — получение молибденовых слитков с
повышенным выходом годного, без ухуд-
шения его химических или механических
свойств.

В США были проведены исследова-
ния [31] на модифицированной установке
ВДП. Электродный материал состоял из
чистого молибдена (99,95%). Основными
примесями, подлежащими удалению, были
кислород и углерод.

Самым подходящим шлаком оказался
шлак из У2О3 (окись иттрия). Плавку про-
водили с сухим стартом в атмосфере гелия
под давлением 1/3 атм.

Слитки ЭШП имели гладкую блестя-
щую поверхность, что свидетельствовало
об отсутствии разбрызгивания и других
возбуждений ванны расплавленного метал-
ла, характерных для процесса ВДП. Мини-
мум подповерхностных дефектов, удаление

нерасплавленных частиц шлака и устране-
ние поверхностных дефектов способство-
вали повышению качества проката. Для
слитка ВДП двойного переплава характер-
ны значительные подповерхностные дефек-
ты наряду с усадочными раковинами в
верхней части слитка.

По данным работы [25], макроструктура
слитка ЭШП характеризуется зернами с
вертикально ориентированной столбчатой
структурой, некоторые из них распростра-
няются почти на всю высоту слитка, чего
не отмечается в слитке ВДП.

Электрошлаковые слитки молибдена
поддаются ковке даже при температуре
600° С. Оптимальные результаты получают-
ся при температуре 700—750° С.

Так как влияние оксидных загрязнений
на пластичность изделия еще не выяснено,
следует до минимума снижать их содержа-
ние. Для этого меняли состав шлака и па-
раметры переплава: в шлак вводили рас-
кислители (углерод или пттрий), изменяли
защитную атмосферу, применяли вакуум,
меняли полярность электрода. Эффектив-
ность этих переменных оценивали по сни-
жению содержания кислорода и обрабаты-
ваемости готового изделия. При введении
раскислителей в шлак в сочетании с обрат-
ной полярностью и динамическим ваку-
умом или применением защитной атмосфе-
ры гелия достигли снижения содержания
кислорода до 0,0045—0,0090%. На рис. 413
представлена типичная микроструктура
слитков молибдена, выплавленных с введе-
нием в шлак иттрпя и углерода. В слитке,
раскисленном углеродом, обнаруживает-
ся всего 0,0016% О и около 0,07% V.
В слитке, раскисленном иттрием, содержит-
ся менее 0,03% V, 0,0049% О, 0,0013% С.
При этом изменений в структуре в связи
с введением раскислителей не было обна-
ружено.

Содержание углерода и иттрпя в слит-
ках возрастает при использовании их в ка-
честве раскислителей. Форма их существо-
вания в металле не установлена.

Сравнение механических свойств мо-
либденовых листов ЭШП и ВДП показа-
ло [25], что их рекристаллизационная твер-
дость почти одинакова. Во всех листах мо-
либдена твердость при комнатной темпе-
ратуре линейно возрастает с увеличением
Рис. 413. Типичная микроструктура слитков
молибдена, полученных ЭШП с введением ит-
цщя (а) и углерода (б), хЮО.

содержания углерода и иттрия. Молибден,
как и другие металлы, имеющие структуру
объемно-центрированного куба, при сниже-
нии температуры охрупчивается.

При сопоставлении температуры пере-
хода из вязкого состояния в хрупкое об-
наруживается [25], что после снятия напря-
жений листы, полученные из молибдено-
вых слитков ЭШП, лучше поддаются изги-
бу, чем из слитков ВДП. Они поддаются
обработке при комнатной температуре.

Прочность на разрыв в. диапазоне от
комнатной температуры до 600° С с изме-
нением содержания кислорода, углерода и
иттрия несколько изменяется: электрошла-
ковый лист молибдена имеет более высо-
кий предел прочности на разрыв (12,65—
14,0 кгс/мм2), чем лист из слитка ВДП.

Авторы работы [25] приходят к выводу,
что для слитка молибдена ЭШП практиче-

ски отпадает необходимость в обработке
боковой поверхности. Кроме того, отсут-
ствие усадочных раковин и выступов в
слитке исключает обрезь головной части
слитка.

Благодаря возможности ковки слитков
ЭШП при низких температурах (ниже тем-
пературы окисления молибдена) мини-
мальны потери металла из-за окисления.
Технология точного контроля уровня за-
грязненности еще не разработана. Счита-
ют, однако, что несколько большая загряз-
ненность включениями, получаемая при
ЭШП, благодаря равномерному их распре-
делению не оказывает существенного вли-
яния на качество, поскольку механические
свойства листа ЭШП выше, чем ВДП.

Цирконий. Опыты по ЭШП циркония
проводились в США [34] так же, как и
молибдена, на модифицированной вакуум-
нодуговой печи. В качестве шлаков исполь-
зовали чистый предварительно переплав-
ленный фтористый кальций или фтористый
Таблица 473. Типичное содержание примесей при оценке металла слябового электрода
и электрошлаковых слитков циркония» %  10~4 [34]

Объект анализа	А1	С	Сг	Си	р	Ее	н	ме	Мп	Мо	М	О	РЬ	81	8п
Переплавляемый сляб- электрод *	30	Нет	25	26	Нет	400	Нет	10	15	12	50	1,122	30	37	28
Слитки ЭШП **		свед.			свед.		свед.								
высокая скорость плавления (около 2,5 кг/мин)	20	43	150	13	85	420	9	10	30	13	30	1,014	50	20	23
низкая скорость плавления (около 1,9 кг/мин)	30	41	125	60	35	465	19	5	40	10	47	1,191	70	НО	23

* Средняя величина, полученная при переплаве трех промышленных слитков.

** Плавки проводились иа шлаке СаР2 в защитной атмосфере гелия при общем давлении х/3 атм и постоянном
токе обратной полярности.

Таблица 474. Типичное содержание примесей в материалах электрода из высокожелезистой
губки и в слитках циркония, полученных ЭШП, % • 10~4 [34]

Объект анализа	А1	С	Сг	Си	р	Ре	н	ме	Мп	Мо		О	РЬ	84	Т1
Электрод из высоко- железистой губки	20	53	150	10	Нет свед.	750	14	1000	100	10	22	1,288	150	120	20
Слиток ВДП	200	149	250	10	То же	720	8	60	75	20	137	2,180	100	300	45
Слиток ЭШП: шлак № 1	30	61	150	350	80	685	13	200	70	35	130	2,010	200	200	20
шлак № 2	80	221	250	290	80	720	17	225	150	110	90	1,360	300	225	20

Примечание. Оба электрошлаковых слитка плавили в атмосфере гелия на постоянном токе прямой поляр-
ности (отрицательный полюс на расходуемом электроде).

Таблица 475. Типичный уровень примесей в реакторной губке и получаемых из нее слитков

Объект анализа	А1	С	Сг	Си	р	Ре	н	Мд	Мп
Электрод из реакторной губки	Нет	23	Нет	Нет	20	590	16	Нет	Нет
Слитки ВДП: 8А 26800	свед.  50	65	свед.  250	свед.  28	20	645	12	свед.  30	свед.  90
8А 26804	20	68	150	15	20	695	23	18	30
Слитки вакуумнодуговой плавки: 8А 26874	30	143	135	30		735	9	5	15
8А 26875	20	82	135	15		665	4	5	15
Слитки ЭШП: 8А 26805	20	75	80	10	105	750	36	45	35
8А 26806	20	77	160	25	80	740	34	65	45

Примечания: 1. Слитки 8 А 26800 и 8 А 26875 выплавлены на токе прямой полярности. 2. Слитки 8 А 26804, ЗА 26874,
3. В качестве электрода прн выплавке слитка 8А 26874 служил слиток 8А 26804. 4. В качестве электрода при выплавке
п 26806 выплавлены на шлаке из СаР2- 6. Слиток 8А 26805 плавили в застойной атмосфере гелия при давлении х/3 атм.
давлении х/3 атм.

7
586

О 20

0 45

0 20

5 20

поляр-

Рис. 414. Серия слитков циркония из реактор-
ной губки, полученных ВДП и ЭШП на шлаке
СаР2:

а — слиток ВДП ток прямой полярности; бив —
слитки ЭШП, ток прямой полярности, застойная и
проточная атмосфера гелия; г — слиток ВДП, обрат-
ная полярность; д, е — слитки ЭШП, выплавленные
при токе обратной полярности в застойной и проточ-
ной атмосфере гелия.

лантан чистотой 99.9%. Переплавляли
прессованные электроды из высокожеле-
зистой и реакторной губки, а также литые
слябы из промышленных слитков ВДП.

Результаты исследований поведения
примесей при ЭШП и условия проведе-

гее слитков

	Мп	
ет	Нет	1
>ед.	свед.	
30	90	
18	30	
5	15	
5	15	
45	35	
65	45	1.

>6804, ЗА 26874,
при выплавке
гении х/а атм.

циркония, %-10 4 (341

1“	Мо	К	м	О	РЬ	51	Т1
	Нет	14	Нет	999	Нет	Нет	Нет
	свед.		свел.		свел.	свел.	свел.
	60	24	10	904	40	20	20
	15	31	5	903	60	20	20
	30	29	13	1,190	20	60	100
	30	24	15	1,160	15	90	20
	155	39	5	935	90	НО	50
и	365	27	7	957	80	160	ПО

8А 26805 и 8А 26806 выплавлены на токе обратной полярности,
слитка 8А 26875 служил слиток 8А 26800. 5. Слитки 8А 26805
7. Слиток 8А 26806 плавили в проточной атмосфере гелия при

ния опытных плавок представлены в
табл. 473—475; данные по ударной вязко-
сти приведены в табл. 476. На рис. 414
показан внешний вид слитков, полученных
методом ВДП и ЭШП.

Исследование микроструктуры слитков
циркония показало, что при использовании
в качестве шлака ЬаРз границы зерен ото-
рочены мелкими частицами сложного со-
става, а при использовании фтористого
кальция в структуре наблюдаются отдель-
ные частицы СаРг.

Аторы работы [34] на основании иссле-
дований считают, что при ЭШП состав и
чистота металла слитка определяются со-
ставом исходного металла и что условия
плавки почти не влияют на чистоту конеч-
ного металла. В то же время в слитках
ЭШП отмечено повышение содержания га-
зов: кислорода, азота и водорода.

По мнению авторов, условия ЭШП не
оказывают существенного влияния и на
механические свойства металла. Ударная
вязкость металла первичного ЭШП в це-
лом несколько ниже, чем у первичного
ВДП, и существенно ниже (в 1,5 раза), чем
у металла двойного ВДП. Сравнительные
испытания показали, что металл ЭШП и
ВДП имеет примерно равную коррозион-
ную стойкость.

В работе [34] предполагается, что при
подготовке исходного металла, например
Таблица 476. Ударная вязкость (футофунты) пластин из электрошлакового и вакуумнодугового
циркония [34|

	Номер пластины									
Номер слитка	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	5	5	11	11	11	11	11	11	10	II
2	18	17	20	21	17	18,5	11	17	17	18
3	6	7	6,5	6	6,5	6,5	6	6	6	6
4	—	10,5	10,5	—	9	9	7	6	8	8
5	7	5,5	—	—	6	6,5	6	6	7,5	6
6	7	6,5	7	6,5	7	7	7,5	8	8	7,5
7	8	8	11,5	11	8	8.5	10	10	9,5	9

Примечание. Номера слитков означают следующее: 1 — ЭШП электродов из металла вакуумной выплавки,
флюс СаР2, гелий, прямая полярность; 2 — ВДП электродов из металла вакуумной выплавки, прямая поляр-
ность; 3 — ЭШП, высокожелезистая губка, флюс СаР2 гелий под давлением 1/3 атм, прямая полярность; 4 —
ЭШП, флюс СаР®, гелий, прямая полярность; 5 — ЭШП, флюс СаР2» гелий под давлением ‘/3 атм, обратная по-
лярность; 6 — ЭШП, флюс ЕаР3, гелий, прямая полярность; 7 — ЭШП, высокожелезистая губка, флюс ЬаЕ3, ге-
лий под давлением >/3 атм, обратная полярность. Номера пластин означают следующее: 1, 2, 5, 6 — ударная
вязкость вдоль слитка; 3, 4, 7, 8 — поперек слитка; 9, 10 — под углом к оси слитка.

путем ВДП, ЭШП может быть применен,
как и для титана, с целью получения слит-
ков циркония с хорошей поверхностью.

Уран. ЭШП уранового сплава мелберри,
содержащего 90% II, 7,5% МЬ и 2,5% 2г,
осуществляли в США на заводе фирмы
«Юнион карбайд корпорейшн» [13]. При
этом преследовалась цель переработки на-
копившихся отходов сплава мелберри
ВДП, которые из-за большого содержания
окислов другими способами использовать
не удавалось. Переплавом с сухим стар-
том на постоянном токе получали слитки
диаметром 203 мм. При разработке тех-
нологии возникли большие трудности с вы-
бором состава шлака. Были опробованы
чистый фтористый кальций и его эвтекти-
ческая смесь с фтористым магнием (52 и
48% соответственно). Слитки, выплавлен-
ные под шлаком из СаРз, были свободны
от крупных включений окислов. Однако
колебания содержания элементов по высо-
те слитка были очень большими. Кроме
того, вследствие сегрегации окислов в
центральной части слитка затруднительно
было установить снижение содержания
кислорода в переплавленном металле по
сравнению с исходным.

В среднем слитки ЭШП содержали
180-10-4%02, в то время как слитки ВДП,
изготовленные из сырых материалов, со-
держали 70-10_4%02. Шлаки системы
СаРг—М{тр также не дали ожидаемого

снижения содержания кислорода. Все же
опыты вскрыли определенное положитель-
ное влияние ЭШП на качество: уменьше-
ние головной обрези, снижение по сравне-
нию с ВДП обратной сегрегации ниобия
и его полосчатой сегрегации. Положитель-
ные результаты при ЭШП сплава мелбер-
ри были получены с добавлением в шлак
на основе СаРг металлического каль-
ция.

Содержание кислорода при этом было
не более 70-10_4%. В то же время даже
при содержании в шлаке 50% Са не было
обнаружено повышения его концентрации
в слитке. Во всех случаях она находилась
на уровне 0,001%. Такой шлак легко отде-
лялся от слитка, и содержание в нем ура-
на не превышало 0,2%. Поверхность слит-
ков получена гладкой, блестящей, но не-
сколько волнистой.

Некоторое повышение содержания
кремния в донной части слитка, связанное
с применением фтористого кальция, содер-
жащего 2% 81Ог, было устранено при ис-
пользовании чистого СаРг с содержанием
81Ог не более 0,4%.

На основании проведенных исследова-
ний авторы работы [14] делают вывод о
том, что путем ЭШП из сплавов урана мо-
гут быть удалены включения окислов, а со-
держание кислорода снижено до уровня
металла ВДП при использовании шлака
системы СаРг—Са.
Таблица 477. Химический состав алюмотермического хрома, прошедшего ЭШР, % [25]

Объект анализа	А1 (сумм)	81	С	8	О	м	Окислы
Исходный мате- риал	0,16	0,08	0,03	0,017	0,08	0,07	0,20 (обогащенные
Верх слитка	От 0,06	>1Т № 2. Ш 0,10	лак СаР2 0,013	— 40А12О3 0,011	— 30 СаО 0,13	0,13	А12О3)  0,36
Центр	0,07	0,11	0,006	0,010	0,11	0,10	(обогащенные
Низ	0,08	0,08	0,005	0,006	0,10	0,07	Сг 2О3)
Верх слитка	0,13	Опыт .№ 0,09	3. Шлак С 0,007	аР2 — 65 0,021	А12О3 0,07	0,08	0,33
Центр	0,16	0,13	0,006	0,021	0,085	0,09	(обогащенные
Низ	0,36	0,15	0,005	0,021	0,075	0.007	А120з)

Таблица 478. Химический состав углеродистого феррохрома после ЭШП, % (25]

Шлак	Сг	С	81	О	
75 СаР2 — 20 А12О3 — 5 СаО  То же, плюс 10% хромовой руды То же	60,96	6,0  5,7  5,4	0,70 0,45 0,73	0,0080  0,0033  0,0160	0,14  0,16  0,14

Хром, сплавы на его основе и ферро-
хром. Опыты по ЭШР алюмотермического
хрома п феррохрома были проведены в
ФРГ [25]. В первом случае преследовалась
цель снижения содержания в металле про-
дуктов алюмотермпческой реакции (АЬОз)
и недовосстановленного СггОз, а также
азота.

Переплаву под шлаком системи СаРг—
АЬОз, подвергались прессованные из алю-
мотермического хрома электроды сечением
500 X 100 X 80 мм. В первой серии опытов
переплав вели в открытом кристаллизато-
ре, во второй — использовали в качестве
защиты горящий природный газ. При от-
крытой плавке содержание кислорода воз-
росло в 5, а азота в 40 раз. Применение
защитной атмосферы (табл. 477) не ис-
ключило некоторого окисления металла,
хотя в целом было достигнуто уменьшение
содержания алюминия примерно в 2 раза.

При ЭШП феррохрома в качестве рас-
ходуемого электрода использовали литые
заготовки диаметром 50 и длиной 1000 мм
с низким (раскисленные кремнием) и вы-
соким содержанием углерода.

В первом случае было установлено
[25], что шлаковые включения почти пол-
ностью могут быть удалены. Существенно
снижено содержание кислорода, кремния,
марганца и нельзя удалить азот. В опы-
тах с углеродистым феррохромом (62% Сг;
6,3% С; 1,8% 81; 0,009% О и 0,16% М)
использовали различные шлаки, в том
числе и с добавлением хромовой руды. Их
результаты представлены в табл. 478.

В опытах установлено, что путем ЭШП
феррохрома можно существенно снизить
содержание кремния (примерно вдвое),
несколько снизить содержание углерода,
кислорода и азота и что в целом ЭШП
оказывает положительное влияние на ка-
чество этого ферросплава. Исследования
по ЭШР силикотермического феррохрома
показали, что таким способом можно сни-
зить содержание в металле углерода, крем-
ния, серы, марганца, алюминия, а также
газов — кислорода, водорода и азота. При
этом повышается плотность переплавлен-
ного металла и уменьшается его загряз-
ненность неметаллическими включениями,
что улучшает более полное его усвоение
Таблица 479. Содержание примесей в силикотермическом феррохроме после ЭШП, % (по
данным Б. М. Никитина и др.)

Феррохром	Сг	С	81	Мп	А1	р	8	о	м	н.  см3/100 г
Силикотермиче- ский	70,81	0,067	0,54	0,25	0,065	0,028	0,010	0,116	0,055—0,062	12—16
После ЭШ11	69,9	0,048	0,17	0,12	0,040	0.026	0,003	0,032	0,027—0,035	5—7

при использовании в качестве легирующей
добавки.

В табл. 479 представлены некоторые
данные по качеству силикотермического
феррохрома, подвергнутого ЭШП. Приме-
нение такого ферросплава для легирова-
ния позволило снизить содержание неме-
таллических включений в стали.

Электрошлаковый переплав был при-
менен и для улучшения качества хромо-
никелевого сплава ВХ4. Переплавляли
металл индукционной плавки. Сравни-
тельные исследования содержания газов
в указанном сплаве, полученном различ-
ными способами, показали (табл. 480),
что при ЭШП происходит удаление кисло-
рода. Степень удаления кислорода выше,
чем при ВДП, а содержание азота в отли-
чие от ВДП не снижается.

Слитки сплава имели гладкую поверх-
ность и плотную макроструктуру без де-
фектов усадочного и кристаллизационного
происхождения. Однородность структуры
подтвердили и замеры твердости: разница
диаметров отпечатков не превышала 2%.

Сравнительные исследования механи-

Таблица 480. Содержание кислорода и азота
в сплаве ВХ4 после ВДП и ЭШП (данные
А. Г. Фридмана и др.)

Марка хрома в шнхте	Способ выплавки	Содержание, %		Удаление, %	
		(О]	[Ы]	О	
ЭРХ	ВИП	0.03	0,020			
	вдп	0,03	0,013	0	35
	эшп	0,01	0,018	67	0
хо	ВИП	0,070	0,100	—	—
	вдп	0,040	0,065	43	35
	эшп	0,025	0,110	64	0

ческих свойств прутков, полученных
слитков ЭШП и 'ВДП, показали
(табл. 481), что металл • ЭШП равноце-
нен металлу ВДП по прочности и не-
сколько превосходит последний по пла-
стичности. Вместе с тем отмечено, что у
металла ЭШП механические свойства ко-
леблются в значительно меньших преде-
лах, чем у металла ВДП, как в отдельных
образцах, так и в плавках.

Ферромагнитные материалы. Ферромаг-
нитными называют материалы, значение
магнитной проницаемости которых во мно-
го раз больше единицы. Эти материалы
широко применяются для изготовления
деталей электро- и радиоизделий: сердеч-
ников трансформаторов, дросселей, кон-
турных катушек, постоянных магнитов,
экранов и тому подобных деталей.

М а г нитно-мя гк ие матери-
алы характеризуются высокой магнит-
ной проницаемостью, небольшой коэрци-
тивной силой и малыми потерями на
гистерезис. В радио- и электротехнике на-
шли применение магнитно-мягкие матери-
алы трех типов: электротехническая сталь
(или армко-железо), железоникелевые

Таблица 481. Влияние способа выплавки на
механические свойства сплава ВХ4 (данные
А. Г. Фридмана и др.)

Способ выплавки	Ов. кгс/мм2	о5, кгс/мм2	о, %
ВИП + + вдп  ВИП + + ЭШП	128—117  120,8  116—113,5 115,1	108.0—88,1 94,8  95,2—91,2 93,3	20,4—8,0  11,6  24,0—20,0  22,2

Примечание, В числителе даны предельные зна-
чения, в знаменателе — средние.
Рис. 415. Магнитная проницаемость некоторых
магнитно-мягких материалов:

1 — 45%-ный пермаллой, (коэрцитивная сила
#,.= 0,1 Э); 2 —БОН (Нс — 0,08 Э, толщина 0,35 мм);

3 —гиперник (Нс = 0,05 Э); 4 — 50НЭШП	№ с=

— 0.04 Э, толщина 0,35 мм).

сплавы, а также высокочастотные ферро-
магнитные материалы. Высокочастотные
ферромагнитные материалы в свою оче-
редь делятся на две группы: порошковые
металлические (магнитодиэлектрики) и не-
металлические оксидные (ферриты, окси-
феры).

Электрошлаковый переплав как способ
рафинирования представляется полезным
для магнитно-мягких материалов первых
двух типов. Порошковые магнитодиэлект-

рики и оксидные магнитно-мягкие мате-
риалы затруднительно рассматривать в
качестве объекта для переплава.

Положительное влияние ЭШП на маг-
нитные характеристики электротехниче-
ской низкоуглеродистой стали было рас-
смотрено в гл. V.

Среди сплавов на основе железа и ни-
келя или кобальта наиболее широкое при-
менение нашли пермаллои различных ма-
рок, сплавы типа гиперник, мегаперм, му-
металл, рометалл, перменорм, пермендюр
и некоторые другие, а также соответ-
ствующие им отечественные сплавы типа
45Н, 50Н, 50НП, 65НП, 38НС, 42НС;
50НХС, 79НМ, 80НХС, 79НМА и кобаль-
товый сплав К50Ф2.

Благотворное влияние ЭШП на маг-
нитные свойства ферромагнитных железо-
никелевых сплавов на примере сплава
50Н (по данным завода «Электросталь»)
показано на рис. 415. Там же для сравне-
ния приведены магнитные свойства близ-
ких по типу американских материалов.

Магнитно-мягкий сплав Ре — 42% Со —
2% V получают в основном в виде поло-
сы. Сплав характеризуется высокими ин-
дукцией насыщения и магнитной прони-
цаемостью, что достигается путем соответ-
ствующей деформации в сочетании с тер-
мообработкой.

Существующая технология получения
сплава в открытой индукционной печи
или в вакуумной печи не соответствует
предъявляемым требованиям из-за высо-
кого содержания неметаллических вклю-
чений, в особенности серы, углерода и
кислорода.

Процесс ЭШП для получения данного
магнитно-мягкого сплава применен в Ин-

Таблица 482. Химический состав сплава РеСоУ до и после электрошлакового переплава, % [32]

Номер плавки	Металл	Со	V	С	81	О
1	Исходный	48,66	2,00	0,036	0,01400	0,0081
	После ЭШП	48,66	2,00	0,014	0,00065	0,0027
2	Исходный	49,30	1,80	0,025	0,01100	0,0227
	После ЭШП	48,30	1,80	0,015	0,00450	0,0028
3	Исходный	48,10	1,98	0,022	0,01000	0,0161
	После ЭШП	48,10	1,98	0,012	0,00500	0,0037
Таблица 483. Влияние ЭШП на содержание
газов в сплаве магнико (данные В. А. Королева
и Л. М. Ступака)

Род тока	Металл	Содержание газов, %	
		О	м
Переменный	Исходный	0,016	0,002
	Переплав- ленный	0,009	0,001
Постоянный пря-	Исходный	0,028	0,011
мой полярности	Переплав- ленный	0,018	0,014
Постоянный пря-	Исходный	0,006	0,002
мой полярности с подогревающим не- расходуемым элек- тродом	Переплав- ленный	0,002	0,002

статуте цветных металлов в Гливице
(Польша) [32]. Переплав осуществлялся
в лабораторной установке при напряже-
нии на электроде 36 В, токе 2300 А, ско-
рости плавления около 2,5 см/мин. Шлак
типа АНФ-6 содержал 23—31% АкОз, не
более 8% СаО, 0,5% 810г, 0,5% ЕеО,
остальное СаРг. Установлено, что ЭШП
позволяет снизить содержание кислорода
и серы соответственно на 80 и 50%
(табл. 482). Такое значительное снижение
содержания кислорода и серы, а также
общего количества неметаллических вклю-
чений значительно улучшило магнитные
свойства рафинированного материала по
сравнению с исходным. Максимальная
магнитная проницаемость возросла на
240%, а коэртицивная сила снизилась на
65%.

Рафинирование повысило пластичность
металла, в связи с чем выход годного
возрос с 15 до 40%.

Магнитно-твердые матери-
алы отличаются высокой коэрцитивной
силой. Они находят применение для изго-
товления постоянных магнитов. Качество
магнита характеризуют энергией магнит-
ного поля, создаваемого 1 см3 магнитного
материала во внешнем пространстве. Маг-
нитная энергия определяется как макси-
мальная величина произведения достигну-
той коэрцитивной силы в эрстедах и оста-
точной индукции в гауссах.

В качестве материалов для изготовле-
ния постоянных магнитов находят приме-
нение хромовольфрамомолибденокобаль-
товые стали, алюминиевоникелекобальто-
вые сплавы с различными присадками, а
также оксидные материалы, состоящие из
смеси бария и трехвалентного железа.
Последняя группа материалов, по сегод-
няшним представлениям, непригодна в ка-
честве объекта для ЭШП. Первые же две
группы материалов представляют опреде-
ленный интерес.

Повышение магнитной энергии магни-
тов является весьма важной задачей,
так как позволяет либо снижать массу
магнитных систем, либо при той же массе
получать более высокие значения магнит-
ных характеристик. Многочисленными ис-
следованиями установлено, что магнитная
энергия на образцах с направленной

Рис. 416. Характерная кривая размагничивания
образца сплава магнико электрошлакового пе-
реплава (ВНтах = 8,0 х Ю6 Э; слитки диа-
метром 100 мм).
Таблица 484. Химический состав некоторых
сплавов Си—Ре. полученных ЭШП, % [26]

Сплав Ре Мп 81 С 8	Р

СР-50 49,7

СЕ-60 39.8

СЕ-70 30,3

СЕ-80 19,8

0,11

0,10

0,08

0,07

0,024

0,020

0,018

0,016

0,005
0,004
0,003

0,003

0,014
0,012
0,008
0,006

0,007
0,006
0,006
0,006

Примечание. Остальную часть составляет медь.

структурой примерно в полтора раза
выше, чем на таких же образцах с рав-
ноосной структурой. Известно также,
что удаление оксидных неметаллических
включений и кислорода оказывает поло-
жительное влияние на магнитные свой-
ства металла. Данные о влиянии ЭШП на
содержание газов в железокобальтонике-
левом сплаве типа магнико приведены
в табл. 483, а магнитная характеристика
образцов, изготовленных из металла
ЭШП,— на рис. 416. Приведенные данные
свидетельствуют о том, что ЭШП следует
считать эффективным средством улучше-
ния качества магнитных материалов.

Сплав медь—железо. Сплавы Си—Ре
с высоким содержанием железа обладают
рядом специфических свойств, обусловли-
вающих большие потенциальные возмож-
ности их применения.

При температурах выше 1440° С такие

сплавы представляют собой гомогенный
расплав, однако при температуре ликви-
дуса из них выпадает богатая железом
фаза, а оставшийся богатый медью рас-
плав кристаллизуется при температуре
1094° С. Поэтому обычным способом труд-
но получить слитки сплава Си—Ре с одно-
родной структурой. В работе [26] для
этих целей применяли ЭШП составных из
железа и меди электродов. Переплав вели
под шлаком СаРг—10% М^Рг — 10%
АЬОз на переменном и постоянном токах.
Выплавляли слитки диаметром 60, НО,
165 и 250 мм, длиной до 1 м.

Слитки ЭШП имели однородную, мел-
кую микроструктуру без признаков сегре-
гации. Металл обычной выплавки имеет
более грубую кристаллическую структуру
и значительную неоднородность. Такие же
результаты были получены и для сплава
Си —20% Ре.

С увеличением диаметра микрострук-
тура слитков ЭШП становится несколько
грубее. В опытах было установлено вред-
ное влияние таких примесей, как углерод
(выше 0,04%), хром (более 5%), кремний
(более 2%), вызывающих сильную сегре-
гацию сплава. Алюминий и марганец при
содержаниях до 5% влияния на микро-
структуру не оказали. Химический состав
ряда сплавов, полученных методом ЭШП,
приведен в табл. 484.

Электрошлаковый переплав благотвор-
но сказался на пластичности сплава. Если

Таблица 485. Физические и механические свойства некоторых сплавов Си—Ре, полученных
методом ЭШП

Сплав	Режим обработки	р. г/см1	Удельное электриче- ское сопро- тивление, МОм - см	ов, кгс/мм2	б. %	НУ. кгс/см2
50% Си —50% Ре	А	8,35	5,3	54	16	160
	Б	8,35	6,9	80	1	226
60% Си — 40% Ре	А	8,47	4,3	49	18	147
	Б	8,47	5,4	72	1	208
70% Си — 30% Ре	А	8,58	3,7	45	21	122
	Б	8,58	4.5	66	2	190	1
80% Си — 20% Ре	А	8,70	3,3	42	25	103	!
	Б	8,70	4,0	61	3	175	|

Примечание. А — отжиг при 800° С в течение 1 ч, старение при 500° С г. течение 1 ч; Б — гомогенизирующий
отжиг при 950° С в течение 1 ч. закалка в воде: 50%-ная холодная вытяжка, старение при 500° С в течение I ч.
сплавы обычной выплавки при содержа-
нии железа от 7 до 80% трудно поддают-
ся ковке, то сплавы ЭШП, содержащие
от 40 до 90% меди, поддавались ковке и
горячей прокатке, после чего в холодном
состоянии переделывались в стержни, про-
волоку и тонкий лист. Однородная струк-
тура слитка предопределила такую же
однородность деформированного металла.

Сплав Си—Ре поддается дисперсион-
ному упрочнению, благодаря чему конеч-
ный материал может быть получен с ши-
роким диапазоном свойств. В табл. 485
представлены некоторые физические и ме-
ханические свойства сплавов.

Таким образом, ЭШП оказался прак-
тически единственным способом, позво-
ляющим получить медно-железный сплав
с уникальными свойствами.

Сплавы серебра ЭШП. Серебро и его
сплавы весьма широко используются для
технических и бытовых целей. Открытая
плавка в индукционных печах в графито-
вых тиглях под покровным флюсом со-
провождается значительным окислением
металла, а отлитые в изложницы слитки
имеют рыхлость как газового, так и кри-
сталлизационного происхождения. При от-
крытой плавке и разливке металл загряз-
няется включениями экзогенного характе-
ра. Наличие в слитках металлургических
дефектов приводит к расслоению металла

при деформации, в результате чего выход
годного слитка не превышает 50—60%.
Для улучшения качества слитков и про-
ката из серебра и его сплавов с медью
(СрМ916 и СрМ875) был применен ЭШП
литых заготовок [19].

Выплавленные с применением специ-
альных шлаков слитки имели удовлетво-
рительную поверхность, не требующую
какой-либо обработки перед деформацией.
В слитках отсутствовали усадочная и га-
зовая рыхлость, микро- и макропори-
стость. Не наблюдалась ликвация леги-
рующих по высоте и сечению слитка.
В результате повышения качества слитков
выход годного возрос до 90—95%.

Рассмотренные в настоящей главе дан-
ные свидетельствуют о несомненно поло-
жительном воздействии различных моди-
фикаций электрошлаковой технологии на
качество цветных металлов. В одних слу-
чаях достигается существенное улучше-
ние свойств металлов и сплавов, в дру-
гих — существенно упрощается технология
при сохранении качества или уменьшают-
ся потери металла при переделе.

Не вызывает сомнений то, что методы
рафинирования цветных металлов, осно-
ванные на электрошлаковом процессе,
будут развиваться, совершенствоваться и
находить все более широкое промышлен-
ное применение.
ГЛАВА XI

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ЭШП И ЭШЛ

Электрошлаковая технология характери-
зуется высокой экономичностью и широ-
ким диапазоном технических возможно-
стей. Возникнув первоначально как спо-
соб получения слитков металла круглого,
квадратного, а затем и прямоугольного
сечения, электрошлаковая технология по-
лучила свое дальнейшее развитие в виде
ЭШЛ и ФЭЛ, которые оказывают рево-
люционизирующее воздействие на произ-
водство машиностроительных заготовок и
изделий благодаря большой экономии ме-
талла и резкому снижению затрат на ме-
ханическую обработку.

В современном производстве можно
назвать следующие основные области при-
менения электрошлакового металла: заме-
на металла, полученного с применением
иных методов выплавки; использование
во вновь разрабатываемых областях новой
техники (производства); применение в
принципиально новых изделиях, которые
не могут быть созданы на иной основе.

Успешное использование электрошла-
кового металла в указанных областях за-
висит от эффективности его производства.
Поэтому в постоянном процессе развития
и совершенствования электрошлаковой
технологии особое значение приобретает
выбор таких вариантов технических реше-
ний, которые, позволяя выполнять опреде-
ленные производственные задачи, в то же
время обеспечивали бы достижение мак-
симальных экономических результатов
при минимуме затрат.

В настоящее время электрошлаковая
технология нашла применение во многих
отраслях промышленности и машиностро-
ения, что характеризует ее межотраслевой
(общеотраслевой) характер. Экономиче-
ская эффективность электрошлаковой тех-
нологии, ее совершенствование во многом
зависят от особенностей, условий и темпов
развития тех отраслей промышленности,
в которых она находит применение.
Вместе с тем преимущества электрошла-
ковой технологии в свою очередь оказы-
вают и еще в большей мере будут оказы-
вать заметное влияние на темпы техниче-
ского прогресса в этих отраслях. В таких
условиях особенно важен выбор наиболее
экономически целесообразных решений по
созданию и внедрению в производство
новой электрошлаковой техники. В свою
очередь оценка того или иного решения тре-
бует постоянного совершенствования ме-
тодов обоснования, учета и анализа эко-
номической эффективности новой электро-
шлаковой техники. При этом они должны
базироваться на общих для всего народ-
ного хозяйства методических положениях,
учитывать специфику электрошлаковой
технологии и в то же время соответство-
вать указаниям отраслевых методик. Еди-
ный методический подход позволит избе-
жать принятия ошибочных решений по
тому или иному варианту новой техники.

В этой главе рассмотрены некоторые
общие методические положения, приведе-
ны технико-экономические показатели, по-
казана народнохозяйственная эффектив-
ность производства и потребления элек-
трошлакового металла, намечены пути по-
вышения экономической эффективности
электрошлаковой технологии, дана оценка
экономичности производства электрошла-
кового металла за рубежом.

§	1. Общие методические положения

Круг задач по определению экономически
наиболее эффективных направлений и оче-
редности осуществления капитальных
вложений в развитие электрошлаковой
технологии достаточно многообразен. Он
включает такие задачи, как механизация
и автоматизация процесса производства
металла; создание новых видов, усовер-
шенствование и модернизация основного
и вспомогательного оборудования; созда-
ние новых видов и улучшение качества
производимых металлов и материалов, ис-
пользуемых в процессе производства; раз-
работка новых и усовершенствование дей-
ствующих технологических процессов про-
изводства металлов и изделий из них;
создание рациональных новых и усовер-
шенствование существующих видов изде-
лий.

С развитием отдельных направлений и
объемов применения электрошлаковой тех-
нологии, по мере того как она выходит за
рамки узкого специального назначения,
становясь мощным фактором техническо-
го прогресса в ведущих отраслях промыш-
ленности, большое значение приобретает

решение задач по определению экономи-
ческой эффективности организационных
мероприятий в производстве электрошла-
кового металла.

Внедрение электрошлаковой техноло-
гии, как и осуществление большинства ме-
роприятий по повышению качества метал-
ла, связано с дополнительными капиталь-
ными и эксплуатационными затратами.
В процессе дальнейшего передела элек-
трошлакового металла и создания готовой
продукции эти затраты возрастают, одна-
ко, как правило, в неодинаковой степени
по сравнению с показателями производ-
ства металлов обычного качества. Значи-
тельно различаются и эксплуатационные
характеристики машин, приборов и меха-
низмов, изготовленных с применением
этих металлов.

Поэтому при определении экономиче-
ской эффективности внедрения электро-
шлакового металла обязательным услови-
ем является соблюдение народнохозяй-
ственного подхода. Другими словами,
необходимо, чтобы разработанный и приня-
тый вариант новой техники не только был
наиболее эффективным в отдельной от-
расли производства, черной и цветной ме-
таллургии, машиностроении, но и способ-
ствовал повышению эффективности всего
народного хозяйства. Поэтому эффектив-
ность капитальных вложений должна
определяться как в том производстве, где
они осуществляются, так и в смежных и
сопряженных производствах, а также у
потребителей, если эти вложения вызы-
вают там изменения затрат.

В случаях, когда осуществление како-
го-либо проекта вызывает необходимость
затрат для развития смежных производств,
следует исчислять полные капитальные
вложения с учетом сопряженных затрат.
Сопряженные капитальные вложения рас-
считываются только по тем элементам
основных и оборотных фондов, по которым
имеет место значительное увеличение за-
трат в смежных отраслях. В этом случае
и получаемый экономический эффект
определяется по сопоставимому кругу про-
изводств.

Экономическую эффективность вариан-
тов капитальных вложений, имеющих рай-
онные различия, следует определять с
учетом капитальных вложений в транспорт
и транспортных расходов по доставке
сырья, материалов и готовой продукции в
районы потребления. Такого рода задачи
возникают, например, при выборе места
строительства новых цехов или заводов
по производству электрошлаковых слит-
ков или машиностроительных заготовок.
При оценке эффективности капитальных
вложений в зависимости от рассматривае-
мых вариантов размещения создаваемых
мощностей следует принимать во внима-
ние задачи комплексного развития хозяй-
ства республик и экономических районов.

Таким образом, во все расчеты должны
включаться сопряженные затраты на раз-
витие смежных объектов производствен-
ного назначения, на изменение мощностей
строительной фазы, на дорожное строи-
тельство и создание других коммуникаций
для строящегося объекта, на развитие
энергетической базы района строительства,
на связанную со строительством ликвида-
цию имеющихся основных фондов и т. п.

В зависимости от специфики объекта
капитальных вложений должны учиты-
ваться также близость к местам сосре-
доточения потребителей продукции буду-
щего предприятия, близость и экономич-
ность источников сырья, а также обеспе-
ченность трудовыми ресурсами.

Если в результате создания и внедре-
ния новой техники изменяются качество и
эксплуатационные свойства выпускаемой
продукции, то изменение затрат и эконо-
мический эффект должны быть учтены
как в сфере производства, так и в сфере
применения продукции.

В процессе производства и потребле-
ния электрошлакового металла можно вы-
делить три этапа, связанные с его полу-
чением, переделом и эксплуатацией. В за-
висимости от достигаемых результатов
эти этапы характеризуются: обеспечением
заданных качественных характеристик ме-
талла; приданием ему требуемых кон-
структивных форм; увеличением долговеч-
ности и улучшением эксплуатационных
показателей готовой продукции.

К первому этапу следует отнести ме-
таллургические переделы по получению
расходуемых электродов и непосредствен-
но электрошлаковый процесс.

Второй этап включает ряд металлур-
гических и металлообрабатывающих пере-
делов, таких, как прокатка, ковка, резка,
сборка, сварка с сопутствующими им опе-
рациями.

Третий этап включает сферу эксплуа-
тации конструкций, машин, механизмов и
приборов, изготовленных с использовани-
ем электрошлакового металла, в различ-
ных отраслях народного хозяйства.

Таким образом, реализация эффекта
при производстве и переработке электро-
шлакового металла достигается в метал-
лургии и металлообрабатывающих отрас-
лях (машиностроении, металлообработке,
строительстве и др.), а при эксплуата-
ции — в отраслях, где используются изде-
лия из металла улучшенного качества.

Если электрошлаковый металл исполь-
зуется взамен металла, полученного тра-
диционным способом, как правило, раз-
личные затраты имеют место на всех эта-
пах его получения, переработки и эксплуа-
тации. Поэтому в таких случаях при опре-
делении народнохозяйственной эффектив-
ности необходимо рассматривать все три
этапа.

При равноценном качестве изделий из
электрошлакового и обычного металлов
эффект в сфере эксплуатации не достига-
ется и сравнение ведется по первым двум
этапам производства.

Наконец, оценка эффективности элек-
трошлакового металла по сравнению с ме-
таллами других переплавных процессов,
например ВДП, при условии обеспечения
одинакового качества может ограничи-
ваться рассмотрением только первого эта-
па производства. Экономическая эффек-
тивность сравниваемых вариантов оцени-
вается по сумме приведенных затрат. Наи-
более эффективным является вариант, при
котором сумма приведенных затрат мини-
мальна. Величина годового экономическо-
го эффекта определяется по разности при-
веденных затрат.

Предпосылкой правильного определе-
ния сравнительной экономической эффек-
тивности внедрения электрошлакового ме-
талла является обеспечение сопоставимо-
сти затрат и их экономии в сравниваемых
вариантах по следующим показателям:
объему продукции и ее составу; качествен-
ным параметрам; фактору времени; соци-
альным факторам производства и исполь-
зования продукции, включая влияние на
окружающую среду; кругу предприятий и
отраслей производства; ценам, принятым
для расчета величины затрат и их эконо-
мии; характеру затрат и их экономии с
позиций простого и расширенного воспро-
изводства; кругу затрат, входящих в объ-
ем капитальных вложений: методам ис-
числения стоимостных показателей, ис-
пользуемых для расчетов эффективности,
и по другим факторам.

Общим правилом является то, что во
всех сравниваемых вариантах должна
обеспечиваться полная сопоставимость по
всем факторам и признакам, кроме тех,
эффективность которых определяется [44].

Источниками экономического эффекта
более высокого по качеству электрошла-
кового металла являются снижение капи-
талоемкости и текущих затрат на всех
этапах его получения, переработки и экс-
плуатации.

На первом этапе достижение этого
эффекта осуществляется за счет снижения
расходных коэффициентов или уменьше-
ния потерь от брака. На втором — за счет
снижения расходных коэффициентов при
металлургических переделах; уменьшения
потерь металла с отходами в процессе ме-
таллообработки; сокращения объемов ме-
таллургических и металлообрабатываю-
щих переделов, в том числе, например,
сварочных операций; снижения удельного
расхода металла при производстве гото-
вой продукции. На третьем — за счет по-
вышения надежности и долговечности
изделий, комплектующих деталей и узлов
машин, аппаратов и сооружений; улучше-
ния эксплуатационных характеристик ма-
шин, аппаратов и других орудий труда.

Величина экономического эффекта, по-
лучаемая на данных этапах производства
и потребления электрошлакового металла,
различна. Как уже упоминалось, на пер-
вом этапе, при сопоставлении его с тради-
ционными способами производства метал-
лов, как правило, имеет место удорожа-
ние металла за счет дополнительных еди-
новременных и текущих затрат. Однако
именно здесь создаются те огромные по-
тенциальные возможности электрошлако-

вого металла, которые позволяют на по-
следующих стадиях его передела и экс-
плуатации получить экономический эф-
фект, значительно превышающий произ-
веденные расходы.

Так, создание прогрессивной формы
листовых слитков позволяет после прокат-
ки значительно уменьшить обрезь и рас-
ходные коэффициенты металла. Производ-
ство слитков-слябов наряду с уменьшением
расходных коэффициентов дает возмож-
ность значительно сократить количе-
ство передельных операций, что снижает
себестоимость листа и резко повышает
производительность прокатных станов без
дополнтельных капитальных вложений.
Приближение конфигурации отливок элек-
трошлакового металла к конечному изде-
лию не только дает большую экономию
металла, но и высвобождает парк кузнеч-
ного и металлорежущего оборудования,
рабочую силу и производственные площа-
ди. Повышение надежности и долговеч-
ности изделий и улучшение их эксплуата-
ционных характеристик практически со-
кращают потребность в их количестве и
ведут к экономии материальных ресурсов
в сопряженных отраслях народного хо-
зяйства.

Таким образом, электрошлаковая тех-
нология позволяет добиться сокращения
затрат на всех стадиях переработки ме-
таллов, а также в сфере эксплуатации.
В то же время она содержит большие по-
тенциальные возможности получения эко-
номического эффекта и непосредственно
при выплавке металла. Электрошлаковая
технология является основой создания
экономического эффекта на этапе получе-
ния металла, его переработки и эксплуа-
тации, поэтому необходимо дальнейшее
всестороннее изучение ее эффективности.

§	2. Экономическая эффективность
производства и потребления
металла ЭШП

Экономическая эффективность производ-
ства и потребления электрошлакового ме-
талла, обладающего более высокими каче-
ственными характеристиками, рассмотрена
на примере ЭШП и традиционных техно-
логий (рис. 417). При этом сравнение
Рис. 417. Схема производства металлопродук-
ции из металла открытой выплавки и ЭШП:
а —слитки; б —крупный сорт; в — средний сорт.

Рис. 418. Схема изготовления расходуемых
электродов.

производится на всех трех этапах получе-
ния, переработки и эксплуатации электро-
шлакового металла.

Технико-экономические показатели по-
лучения металла ЭШП. Осуществление
ЭШП, как уже отмечалось, связано с до-
полнительными единовременными и теку-
щими затратами. Величина этих затрат
определяется организационно-техническим
уровнем производства. Удорожание полу-
чения электрошлакового металла по срав-
нению с обычным, определенное по неко-
торым маркам сталей-представителей, ха-
рактеризуется данными, приведенными в
табл. 486. Как видно из таблицы, увеличе-
ние приведенных затрат на металл с вне-
дрением ЭШП находится по исследован-
ным маркам в следующих пределах: для
слитка 48—120%, для крупного сорта 41 —
90% и для среднего сорта 40—71%. При
этом абсолютное удорожание составляет
140—196 руб/т для слитков и 155—
230 руб/т для сортового проката.

Процесс получения электрошлакового
металла состоит из двух основных звеньев
производства — изготовления расходуемых
электродов и последующего их переплава.
Ниже приведен анализ технико-экономи-
ческих показателей получения металла
способом ЭШП.

Затраты на электроды. Себе-
стоимость электрошлакового металла опре-
деляется главным образом стоимостью за-
данного, т. е. расходуемых электродов.
Доля стоимости заданного в себестоимо-
сти металла ЭШП колеблется в пределах
64—85% (табл. 487) [15, 38].

Затраты на расходуемые электроды
для переплава во многом определяются
способом их изготовления. В настоящее
время на металлургических заводах при-
меняют четыре способа изготовления рас-
ходуемых электродов (табл. 488): прокат-
ка на блюмингах, слябингах или крупно-
сортных прокатных станах, ковка на мо-
лотах, литье в специальные изложницы
и литье на машинах полунепрерывного и
непрерывного литья заготовки (МПНЛЗ
и МНЛЗ).

Следует отметить, что все указанные
способы изготовления электродов характе-
ризуются различным уровнем технико-эко-
номических показателей. Вместе с тем на
предприятиях выбор способа часто произ-
водится без должного экономического обо-
снования, в результате чего порой исполь-
зуется не самый эффективный из них.

Анализ технико-экономических показа-
телей изготовления расходуемых электро-
дов для ЭШП различными способами по
наиболее представительным маркам ста-
лей и сплавов показал, что наименьший
расход металла имеет место при произ-
водстве литых электродов, особенно на
МПНЛЗ (табл. 489). Кроме того, если
литье в специальные изложницы и на
МПНЛЗ позволяет получить почти гото-
Таблица 486. Удорожание электрошлакового металла

Вид про- дукции	Показатель	ШХ15				40ХНМА					
		Обыч- ный ме- талл	ЭШП	Удорожание		Обыч- ный ме- талл	ЭШП	Удорожание			Об ный та
				руб/т	ДОЛИ единиц			руб/т	ДОЛИ единиц		
Слитки	Себестоимость	98,26	196,81	98,55	2,00	128,10	229,12	101,02	1,79		19с
	Удельные капитальные затраты	182,26	528,36	346,10	2,90	182,26	528,36	346,10	2,90		182
	Приведенные затраты	120,13	260,21	140,08	2,20	149,97	292,52	142,55	1,95		2И
Круп-	Себестоимость	132,38	247,48	115,10	1,87	190,67	283,26	92,59	1,49		23с
ный сорт	Удельные капитальные затраты	390,07	794,99	404,92	2,04	399,07	794,99	404,92	2,04		39?
	Приведенные затраты	179.19	342.88	163,69	1,90	237,48	378,66	141,18	1,59		279
Средний	Себестоимость	149,12	253,13	104,01	1,70	210,24	303,39	98,15	1,47		252
сорт	Удельные капитальные затраты	574,07	1003,29	429,22	1,75	574,07	1003,29	429,22	1,75		574
	Приведенные затраты	218,01	373,92	155.51	1,71	279,13	428,78	149,65	1,54		321

Таблица 487. Структура себестоимости слитков ЭШП, %

Статья затрат	Марка стали				
	ШХ15	1X13, 2X13	40ХНМА	12Х2Н4А	ЭИ 961
Задано за вычетом отходов	63,6	72,3	71,7	79,5	85,3
Добавочные материалы (флюсы) Расходы по переделу и общезавод-	6,1	4,5	4,4	3,6	2,1
ские расходы	30,3	23,2	23,9	16,9	12,6
Производственная себестоимость	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0

Таблица 488. Удельный вес различных способов изготовления расходуемых электродов для
ЭШП, %

Способ изготовления электродов	Заводы						Всего по отрасли
	А	Б	В	г	д	Е	
Прокатка	66,0	77,2	94,7			100,0	100,0	65,7
Литье на МПНЛЗ	28,9	14,7	—	65,8	—			25,8
Ковка	5,1	7,9	5,3	30,0	—.	—	7,9
Литье в специальные из- ложницы	—	0,2	—	4,2	—	—	0,6
Итого	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0

вый электрод (необходимо лишь удалить
дефектную часть или разрезать заготовку
с МПНЛЗ на две части), то два других
способа требуют дополнительных трудоем-
ких переделов в прокатных или кузнечных
цехах (рис. 418). В результате литые

электроды имеют наименьшую себестои-
мость (табл. 490). Причем для относитель-
но дешевых марок (с себестоимостью
исходной жидкой стали до 100 руб/т) наи-
меньшие текущие затраты, несмотря на
больший, чем при отливке на МПНЛЗ,
12Х2Н4А

1Х17Н2

ЭИ961

Удорожание

Удорожание

Удорожание

Обыч-
шй ме-
нял

ЭШП

193,32

182,26
215,19

233,18

390,07
279,99

252,60

574,07

32149

302,01

528,36

365,41

359,62

794,99

455,02

386,63

1003,29

507,02

руб/т

108,69

346,10

150,22

126,44

404,92
175,03

134,03

429,22

185,53

доли
единиц

Обыч-
ный ме-
талл

эшп

Электроды

1,56

2,90
1,70

1,54

2,04
1,63

1,53

1,75

1,58

348,00

182,26

369,87

425,96

402,23

474,23

455,93

600,34

527,97

491,13

541,63

556,13

583,51

823,30

682,31

622,93

1046,68

748,45

руб/т

143,13

359,37

186,26

157,55

421,07

208,08

167,00

446,34

220,48

доли
единиц

Обыч-
ный ме-
талл

ЭШП

Катаные

Кованые

Литые в специальные
изложницы

Литые на МПНЛЗ

1,41

2,97

1,50

1,37

2,05
1,44

1,37

1,74

1,42

388.32

182,26
410,19

475,72

402,23
523,99

508,18

600,34

580,22

541,23

541,63

606,23

642,60

823,30

741,40

685,08

1046,68

810,68

руб/т

152,91

359,37

196,04

166,88

421,07

217,41

176,90

446,34

230,46

доли
единив

1,39

2,97

1,48

1,35

2,05

1,41

1,35

1,74

1.40

Таблица 489. Расходные коэффициенты металла (от жидкой стали) при производстве
расходуемых электродов для ЭШП

Марка стали					
ШХ15	38ХМЮА	40ХНМА	12Х2Н4А	Х18НЮТ	ЭИ961

1,229

1,023

1,252

1,223

1,083

1,023

Таблица 490. Себестоимость расходуемых электродов*

Марка стали

Электроды

ШХ15 38ХМЮА 40ХНМА 12Х2Н4А	ЭИ961

Х18Н10Т

1,241

1,220

1,079

2 **

Катаные

Литые на МПНЛЗ

Литые в специальные
изложницы

Кованые

116,73
100,00
96,90
83,01
96.17
82,39
133,79
114,61

169,11
100,00

140,05
82,82

142,36
84,18

185,35
109,60

191,75
100,00

161,76
84,36

162.88
84,94

207,45
108,18

273,40

100,00

238,80

87,84

239,83

87,89

288 71

105.60

413,11

100,00

364,32
88,19

368,12
89,11

432,70

104,74

610,23
100,00
555,34
91,00

561.53
92,02

631,25
103,44

1122,33

100,00

1031,93

91,94

1045,84

93,18

1141.77

101,73

2205,50

100,00

2036,54

92.34

2069,58

93,83

2221,75

100,74

*	В числителе — руб/т; в знаменателе — %.

*	* Гипотетические стали с себестоимостью жидкого металла 1000 и 2000 руб/т соответственно
Таблица 491. Полные* удельные капитальные затраты на производство электродов, руб/т

Электроды	Марка стали					
	ШХ15	38ХМЮА	40ХНМА	12Х2Н4А	ЭИ961	Х18Н10Т
Катаные  Кованые  Литье на МПНЛЗ  Литые в специальные изложницы	348,96  477,33  297,02  261,33	346,51 474,92 297,02  259,20	347,12  475,52  297,02  259,71	345,28 473,70 297,02  258,12	348,44 472,90 297,02  257.38	349,59  473,99  297,02  258,07

* С учетом сопряженных переделов и общезаводского хозяйства.

Таблица 492. Приведенные затраты в изготовлении расходуемых электродов *

Марка стали

Электроды

ШХ15 38ХМЮА 40ХНМА

12Х2Н4А	ЭИ961

Х18Н10Т

А **

Катаные

Литые в специальные
изложницы

Литые на МПНЛЗ

Кованые

158,61

100,00

127,53

80,40

132,54

83,56

191,07

120,40

210,69
100,00

173,46
К2.33
175,69
83,39
242,34
115,02

233,40
100,00
194,05
83,14

197,40
84,57

264,51
113,33

314,83

100,00

270,80

85,85

274,44

87,18

345,55

109,96

454,92
100,00

399,01
87,71

399,96
87,92

489,45
107 81

652,18
100,00

592,48
90,84

590,98
90,62

688,13
105,51

1164,35
100,00
1075,99

92,41

1067,00
91,64

1198,80
102,95

2205,50

100,00

2099,73

93,67

2072,24

92,45

2278,40

101,66

* В числителе руб/т, в знаменателе — %

*	* Гипотетические стали

расход металла, обеспечивает разливка
электродов в специальные изложницы.
Это связано с более низкими, чем на
МПНЛЗ, расходами по переделу
(13,10 руб/т против 18,70 руб/т). Однако
для более дорогих сталей преимущество
МПНЛЗ в выходе годного сказывается в
значительно большей степени, чем разни-
ца в расходах по переделу, и себестои-
мость электродов, получаемых этим мето-
дом, оказывается самой низкой.

Наибольшую себестоимость имеют ко-
ваные электроды, что объясняется самыми
высокими по сравнению с другими спосо-
бами расходами по переделу в кузнечных
цехах (см. табл. 490, 491). Однако опре-
деление экономической эффективности
того или иного способа изготовления элек-
тродов не ограничивается сравнением их
себестоимости.

Все рассматриваемые способы изготов-
ления расходуемых электродов для ЭШП

требуют тех или иных капитальных за-
трат. Для катаных и кованых электро-
дов — это капиталовложения в прокатный
и кузнечный цехи, для литых на
МПНЛЗ — затраты в машину полунепре-
рывного литья заготовки.

Наименьших удельных капитальных
затрат требует отливка электродов в спе-
циальные изложницы (на 33,5% ниже,
чем для катаных), далее идет разливка
на МПНЛЗ, затем прокатка и ковка
(табл. 491).

В табл. 492 представлены приведенные
затраты на производство расходуемых
электродов разными методами, а на
рис. 419* показана зависимость соотноше-
ния приведенных затрат на производство

• П вС + 0.12К, где П — приведенные затра-
ты: С — себестоимость электродов; 0,12 — коэф-
фициент эффективности капитальных вложе-
ний; К — удельные капитальные затраты в про-
изводстве электродов.
Себестоимость жидкой стали,руб/т

Рис. 419. Зависимость соотношения приведен-
ных затрат на производство электродов различ-
ными способами от стоимости исходного метал-
ла:

1 — катаные электроды; 2 — литые электроды на
МПНЛЗ; 3 — литые электроды в специальные излож-
ницы; 4 — кованые электроды.

электродов различными способами от
стоимости исходного металла. Из рисунка
видно, что для марок стали с себестои-
мостью жидкого металла до 450 руб/т
наименьшие общие затраты имеют место
при отливке электродов в специальные
изложницы, для более дорогих сталей
предпочтение должно отдаваться разлив-
ке на МПНЛЗ.

Следует, однако, отметить, что в ре-
альных производственных условиях техни-
ко-экономические показатели отливки элек-
тродов на МПНЛЗ несколько хуже рас-
считанных выше. Это связано с тем, что
машины полунепрерывного литья установ-
лены главным образом в цехах с относи-
тельно малыми электродуговыми печами
(5—20 т) и в связи с этим с более высо-
кой (за счет расходов по переделу) себе-
стоимостью стали.

Электроды больших сечений (500 мм и
больше) практически невозможно изго-
товлять способом прокатки. Поэтому
основным способом изготовления расхо-
дуемых электродов больших размеров мо-
жет быть лишь разливка на МПНЛЗ и в
специальные изложницы.

Технико-эконрмические показатели из-
готовления литых электродов больших
размеров должны быть лучше рассчитан-
ных выше для электродов относительно
малого сечения как в результате сниже-
ния расходных коэффициентов металла»
так и в результате роста производи-

тельности МПНЛЗ и разливочных про-
летов.

Расходы по ЭШП. Уровень рас-
ходов по переделу при ЭШП на различ-
ных заводах определяется размерами и
мощностью печей, степенью освоенности
их мощности, сортаментом переплавляемо-
го металла и уровнем организации про-
цесса. На величину расходов оказыва-
ет влияние и методика отнесения обще-
цеховых затрат на тот или иной про-
цесс в случае наличия в цехе других
производственных участков (например,
участка ВДП, открытых дуговых пе-
чей, вакуумно-индукционных печей и
т. п.).

Доля расходов по переделу при ЭШП
в себестоимости различных марок стали
различна. При этом чем дороже сталь,
тем ниже доля расходов по переделу в ее
себестоимости. Так, для стали марки
ШХ15 она колеблется на заводах в преде-
лах 22—33%, для марок 1-2X13, 40ХНМА
и 12Х2Н4А — в пределах 13—27%, для
стали ЭИ961 — в пределах 7—19%. Абсо-
лютная величина расходов колеблется
при этом в широких пределах: 42—
ПО руб/т.

Абсолютный размер расходов по пере-
делу на заводах исчисляется без учета
трудоемкости переплава различных марок
стали, в результате чего эти расходы для
всех марок на каждом заводе практически
одинаковы. Между тем производительность
каждой печи ЭШП зависит как от марки
стали, так и от размера кристаллизатора,
которые определяют электрический и шла-
ковый режимы переплава.

Наибольший удельный вес в расходах
по переделу при ЭШП занимают затраты
на электроэнергию для плавки — 17—47%.
Колебания затрат на электроэнергию для
плавки по заводам объясняются главным
образом различными ценами на электро-
энергию.

Из других статей затрат в расходах по
переделу необходимо выделить основную
зарплату (9—20%), текущий ремонт и со-
держание основных средств (9—21%),
амортизацию основных средств (7—17%).
Колебания величин затрат по этим стать-
ям объясняются неодинаковым уровнем
организации ЭШП и различными методами
учета на отдельных заводах. В результате
и общие затраты по переделу имеют боль-
шие колебания. Самые низкие расхо-
ды по переделу при ЭШП в настоящее
время составляют около 40 руб/т, самые
высокие — около 100 руб/т.

Большое влияние на уровень затрат
при ЭШП оказывает состав флюса и рас-
ход флюсов, который колеблется на заво-
дах в пределах 40—60 кг/т металла ЭШП.
Затраты на них составляют по различным
маркам 2—8% себестоимости электрошла-
ковой стали. Основным видом рабочего
флюса, применяемого в настоящее время
при ЭШП, является флюс типа АНФ-6 на
фторидной основе, стоимость которого
равна 280—300 руб/т. В последнее вре-
мя на смену широко распространенному
флюсу АНФ-6 приходит более дешевый
флюс АНФ-32.

Иногда вместо готового флюса приме-
няют смеси его компонентов. Стоимость
указанной смеси равна 160 руб/т, т. е.
экономия на 1 т флюса равна 140 руб., а
экономия на 1 т годных слитков ЭШП со-
ставляет 6,58 руб.

На величину себестоимости переплав-
ленного металла кроме пены заданного
оказывает влияние и расходный коэффи-
циент металлошихты.

Фактические расходные коэффициенты
металла при ЭШП зависят от способа
крепления электродов в электрододержате-
ле установки ЭШП и от соотношения масс
слитков открытой выплавки и ЭШП. При
приварке электрода к инвентарной голов-
ке необходима, в частности, более полная
обрезь дефектных концов заготовки, чем
при креплении электрода за дефектную
часть заготовки. Применение того или
иного способа крепления определяется
количеством электродов, изготавливаемых
из одного слитка открытой выплавки.
Крепление без приварки штанги имеет
смысл лишь для того электрода, который
делается из верхней части слитка, имею-
щей дефектную часть.

Технико-экономическая эффективность
разных способов крепления электродов
теоретически должна быть равнозначна,
так как увеличение расхода металла при
переплаве без приварки компенсируется
более низким расходным коэффициентом

металла при изготовлении электродов
(сокращение обрези).

Количество изготавливаемых из одно-
го слитка электродов определяется соот-
ношением масс слитка открытой выплавки
и слитка ЭШП.

При оптимальном соотношении массы
слитков открытой выплавки и ЭШП и при
соответствующем раскрое электродов сквоз-
ные расходные коэффициенты металла (от
обычного до электрошлакового слитка)
при обоих способах крепления должны
находиться на одном уровне. На практи-
ке, однако, далеко не на всех заводах и
не для всех кристаллизаторов и марок
стали эти соотношения оптимальны, и по-
этому величина сквозных расходных ко-
эффициентов металла имеет широкий раз-
брос по заводам. При этом, как показал
анализ фактических данных, сквозной рас-
ходный коэффициент металла иногда вы-
ше при креплении электрода без привар-
ки. Это связано не с самим способом
крепления, а с тем, что на некоторых за-
водах несоответствие массы слитка от-
крытой выплавки массе слитка ЭШП
очень велико. Так, например, на заводах,
где к электродам привариваются инвен-
тарные головки, минимальные сквозные
расходные коэффициенты равны 1,260 и
1,320. На заводе, где электроды крепятся
в электрододержателе без приварки,
сквозной расходный коэффициент состав-
ляет 1,421.

Для того чтобы избежать излишних
потерь металла, необходимо либо умень-
шить массу слитков открытой плавки,
либо увеличить массу слитков ЭШП. По-
следнее можно обеспечить увеличением
сечения кристаллизатора или его высоты.
Если при этом делать обрезь согласно
технологической инструкции на прокатку
электродов, сквозные коэффициенты ме-
талла можно снизить до 1,250 и более
[3, 47].

Потери металла при самом ЭШП скла-
дываются из огарка (при креплении с
приваркой он составляет около 20—
30 кг/т) и угара (2—5 кг/т).

Сравнительный анализ капитальных
вложений в ЭШП на различных заводах
затрудняется значительными колебаниями
в стоимости даже однотипных электро-
шлаковых установок. Это связано как с
различием цен на печи, изготавливаемые
различными заводами, так и с тем, что в
процессе её монтажа в конструкции уста-
новок часто вносится ряд изменений, кото-
рые меняют первоначальную стоимость
печей. Так, например, на одном и том же
заводе печи ОКБ-1065 имеют балансовую
стоимость от 79 до 227 тыс. руб., на дру-
гом заводе балансовая стоимость печей
ОКБ-905 колеблется в пределах 75—
123 тыс. руб. Столь резкие колебания объ-
ясняются также тем, что на печи, постро-
енные в первую очередь, как правило, отно-
сятся средства по проектированию, а также
по пусконаладочным работам.

Величина удельных капитальных за-
трат на заводах имеет большой разброс:
от 59,4 до 176,7 руб/т. Однако величи-
на удельных капиталовложений, равная
59,42 руб/т, является заниженной, так как
производственные площади под электро-
шлаковым оборудованием на данном за-
воде явно недостаточны. Удельные капи-
тальные вложения, равные 176,67 руб/т,
наоборот, завышены вследствие непра-
вильной методики отнесения на этом за-
воде основных средств на процесс ЭШП
[37].

Большую долю в стоимости основных
средств ЭШП занимают стоимость здания
(35—51%) и стоимость рабочих машин и
оборудования (25—55%).

Расчетные удельные капиталовложе-
ния в процессе ЭШП при условии работы
печей, например на кристаллизаторах
диаметром 420 мм, и простоях печей, при-
нятых в размере 4% календарного време-
ни, составляют 123,05 руб/т слитков. Нуж-
но иметь в виду, что при изменении раз-
меров кристаллизаторов величина удель-
ных капитальных затрат будет меняться
обратно пропорционально производитель-
ности электрошлаковых установок. Это
объясняется тем, что сумма капиталовло-
жений в цех практически остается посто-
янной независимо от размеров приме-
няемых кристаллизаторов.

Рассмотренные выше технико-экономи-
ческие показатели характеризуют опреде-
ленный уровень развития и организации
получения электрошлакового металла.
Дальнейшее повышение эффективности и

расширения сфер применения металла
ЭШП требует снижения уровня затрат на
его производство.

Пути повышения эффективности полу-
чения металла ЭШП. Одним из важнейших
направлений снижения уровня произ-
водственных затрат и повышения эффек-
тивности металла ЭШП является опти-
мально высокая производительность пере-
плавного процесса. Действительно, за
исключением затрат по материалам, сум-
ма расходов по остальным составляющим
себестоимости при прочих равных услови-
ях находится в прямо пропорциональной
зависимости от временного фактора. Чем
меньше затраты времени на производство
единицы продукции, тем ниже расходы по
упомянутым статьям себестоимости. Ины-
ми словами, величина этих статей регули-
руется производительностью процесса, ко-
торый ограничивается мощностью приме-
няемого в каждом конкретном случае
оборудования.

Годовая производительность электро-
шлаковой печи (П) определяется отноше-
нием количества полученной за год про-
дукции в тоннах (Р) к годовому факти-
ческому времени работы оборудования в
часах (Тф):

Р Р

п==	(Х1.1)

Аф *ПЛ I *ПЗ

где /пл — длительность плавления электро-
да, ч; /пз — продолжительность подготови-
тельно-заключительных операций, ч.

Увеличение или уменьшение количест-
ва полученного металла ЭШП за факти-
ческое время работы оборудования в году
характеризует интенсивность его исполь-
зования.

Максимальная годовая производитель-
ность оборудования при заданных услови-
ях обеспечивается при совпадении Тф
с годовым плановым фондом времени ра-
боты оборудования Тп. Однако в процессе
производства это достигается далеко не
всегда. Соотношение этих величин пока-
зывает степень экстенсивного использова-
ния оборудования.

Достижение наивысшей эффективности
новой электрошлаковой техники возможно
в том случае, когда максимальная интен-
сивность использования оборудования про-
является в максимально возможный пе-
риод времени.

Интенсивность использования электро-
шлакового оборудования зависит от элек-
трических параметров процесса и продол-
жите л ьности по дготов ите л ьно-за к л юч ите л ь-
ных операций. Электрические параметры
процесса определяются исходя из свойств
переплавляемого металла; состава и коли-
чества шлака; соотношения сечений кри-
сталлизатора и электродов; схемы пере-
плава; рода тока; стадии процесса; требо-
ваний качественных характеристик полу-
чаемого продукта.

Поскольку электрическое сопротивле-
ние шлаковой ванны является одним из
важнейших параметров электрошлакового
процесса, состав и количество расплавлен-
ного шлака (флюса) оказывают большое
влияние на уровень производительности
ЭШП. Высокое омическое сопротивление
электрошлаковой ванны, определяемое ее
составом, уменьшает электропроводимость,
повышает температуру жидкого шлака,
способствует высоким скоростям перепла-
ва и, следовательно, повышает производи-
тельность.

Скорость плавления металла, а следо-
вательно, и производительность процесса
находятся в прямой зависимости от сече-
ния расходуемого электрода и кристалли-
затора. Чем больше сечение расходуемого
электрода и кристаллизатора, тем выше
электрические параметры и производи-
тельность процесса.

Характер влияния на электрические
параметры электрошлакового процесса
применяемых схем переплава аналогичен
воздействию предыдущего фактора. При-
менение многоручьевых схем переплава
по отношению к одноручьевой предпола-
гает применение кристаллизатора, в кото-
ром происходит процесс плавления расхо-
дуемого электрода, с большим сечением в
верхней (общей) части.

Применение одно-, двух- и четырех-
ручьевой схем переплава на печи Р-951 МР
с кристаллизаторами соответственно диа-
метром 390 мм, сечениями 220 X 220 и
120 X 120 мм обеспечивает производитель-
ность установки в соотношении 1 : 1,4 : 1,6.

Известно, что скорость плавления и

кристаллизации металла в зависимости от
габаритов слитка (заготовки, изделия)
решающим образом влияет на качество
получаемой продукции. Поэтому произво-
дительность непосредственного процесса
ЭШП устанавливается в жестких преде-
лах, обеспечивающих получение искомых
качественных характеристик металла. Эти
пределы колебания не должны превышать
10—20% количества наплавленного в еди-
ницу времени металла. Такой особен-
ностью электрошлаковой технологии дик-
туется избирательный характер скорости
плавления, а следовательно, и производи-
тельности процесса.

Таким образом, производительность
ЭШП зависит от многочисленных факто-
ров, направленность влияния которых не
всегда совпадает. Следовательно, необхо-
димо найти такой оптимальный компро-
мисс, который обеспечил бы наивысшую
производительность оборудования при до-
стижении главной цели ЭШП — заданного
качества металла.

Важнейшим фактором, влияющим на
интенсивность использования оборудова-
ния, является уровень использования его
мощности. Поскольку с увеличением мас-
сы слитков (заготовок, изделий) растет
производительность электрошлаковых пе-
чей, использование последних по верхнему
уровню мощности обеспечивает наиболее
широкий диапазон повышения эффектив-
ности производства. Наоборот, использо-
вание мощного оборудования для выпуска
мелких изделий увеличивает затраты по
всем статьям себестоимости, зависящим
от временного фактора, а также удельно-
го капиталовложения.

На повышение производительности
электрошлакового оборудования большое
влияние оказывают уровень и организа-
ция производства. Дальнейшая механиза-
ция и автоматизация отдельных процес-
сов, совершенствование организации труда
ведут к сокращению длительности подго-
товительно-заключительных операций. Это-
му способствует также специализация
оборудования в производстве однородной
продукции. Индивидуальное и мелкосе-
рийное производство требует частых его
переналадок, что вызывает простои и сни-
жение производительности.
Уровень экстенсивного использования
электрошлакового оборудования зависит
от степени насыщенности производствен-
ной программы предприятия. В тех слу-
чаях, когда производственная программа
разработана с учетом максимального
использования наличных мощностей элек-
трошлакового оборудования на протяже-
нии года, показатели производительности
и эффективности будут наиболее высоки-
ми. В случае недозагрузки оборудования
эти показатели снижаются. В таких си-
туациях необходима организация произ-
водства на базе углубления специализа-
ции и кооперирования. Это достигается
посредством создания специализирован-
ных участков, цехов, заводов по произ-
водству электрошлаковой продукции с по-
следующей поставкой заинтересованным
предприятиям.

На экономичность производства метал-
ла ЭШП влияют также количество потреб-
ляемых основных и вспомогательных ма-
териалов, энергетических ресурсов и уро-
вень цен на них; стоимость основного и
вспомогательного оборудования, производ-
ственных площадей; затраты на амортиза-
цию, обслуживание и эксплуатацию обо-
рудования, зданий и сооружений; количе-
ство и квалификационный уровень обслу-
живающего персонала.

Наибольшая доля в текущих затратах
на производство металла ЭШП приходит-
ся, как отмечалось выше, на стоимость
расходуемых электродов. Изготовление
электродов из наиболее экономичных ма-
териалов с использованием прогрессив-
ных процессов производства является
основным направлением повышения эф-
фективности металла ЭШП.

Совершенствование электрошлакового
оборудования на основе унификации
отдельных его узлов, применения прогрес-
сивных конструктивных решений, обеспе-
чивающих простоту и надежность его
в эксплуатации, позволяет значительно
уменьшить его стоимость и затраты на
амортизацию, содержание и ремонт основ-
ных средств.

В затратах по переделу большой удель-
ный вес приходится на стоимость энерге-
тических ресурсов, в первую очередь — на
электроэнергию для плавления электрод-

ного металла. Известно, что на расплав-
ление расходуемых электродов тратится
только около 33% подводимой активной
мощности [29]. Увеличение этого показа-
теля позволит сократить удельный расход
электроэнергии и, при неизменном уровне
цен, затраты по данной статье.

Основная и дополнительная заработ-
ная плата рабочих зависит от их количе-
ственного и квалификационного состава.

Затраты на флюс определяются его
ценой и нормой расхода на 1 т металла
ЭШП. Цена флюса зависит в первую оче-
редь от сырых материалов, идущих на его
производство. Разработка флюсов в на-
правлении преобладания в их составе бо-
лее дешевых компонентов позволит умень-
шить величину расходов по статье затрат
«вспомогательные материалы».

Таким образом, постоянное развитие и
совершенствование электрошлаковой тех-
нологии и организации производства явля-
ются важнейшей предпосылкой дальней-
шего повышения экономической эффектив-
ности металлов, полученных на ее основе.

Экономическая эффективность совер-
шенствования электрошлаковой техноло-
гии получения металла. С начала создания
и промышленного освоения электрошлако-
вой технологии процесс совершенствова-
ния и развития электрошлаковой техноло-
гии осуществляется непрерывно. В рамках
этой работы мы не сможем остановиться
на всех разработках в этом направлении,
однако рассмотрение даже некоторых
позволит судить об их влиянии на повы-
шение общего уровня эффективности про-
изводства электрошлакового металла.

В первую очередь следует упомянуть
успешное внедрение в производство по-
движных относительно слитка кристалли-
заторов, послуживших основой для созда-
ния электрошлаковых печей второго по-
коления. Подвижные кристаллизаторы
применяются для получения крупных слит-
ков различного сечения, а также слитков-
слябов с использованием одно- и много-
ручьевых схем переплавов.

По сравнению с неподвижным кристал-
лизатором подвижный отличается просто-
той изготовления, более низкой стои-
мостью. Он не подвержен деформации, что
обеспечивает правильную геометрическую
Вариант I

Электростали
плавильный цех

Вариант II

Электростоле'
плавильный цех

вариант Ш

Электросталей
плавильный цех

Вариант I

Электростоле-
плабильный

______

Вариант II

Прокатка
электродов
на. слябинге

Прокатка
электродов
но слябинге

Прокатка
электродов
на слябинге

Прокотко
электродов
на слябинге

ЗШП б стацио-
нарном кристал-
лизаторе

ЭШП б подвиж-
ном кристал-
лизаторе

ЗШП в дВух-
ручьевом ’
кристаллизаторе I

ЭШП В стацио-
нарном кристал-
лизаторе

Слябинг

ТолстолистеВой
стон

Толстолистовой
стон

Уолстолистобой
стон

Тонколистовой
стан

Вариант Ш

Злектростале-
плаВильный
цех

:  Т "I
бШП В дВух -
ручьебом
кристаллизаторе

Тонколистовой
стан

Рис. 420. Технологические схемы производства
толстого листа.

Рис. 421. Технологические схемы производства
тонкого листа.

форму слитка. «Раздевание слитков» отли-
чается сравнительно небольшими затрата-
ми времени благодаря тому, что в них не
происходит зависания ни слитков, ни шла-
ковых «шапок», что свойственно непо-
движным кристаллизаторам. Экономия те-
кущих затрат в результате реализации
только перечисленных преимуществ по-
движного кристаллизатора составляет
около 12 руб/т произведенного металла.
Однако основной экономический эффект
достигается за счет повышения выхода
годного в подвижном кристаллизаторе,
более рациональной формы слитка, что
снижает затраты при последующих пере-
делах.

Ниже рассмотрены технико-экономиче-
ские показатели производства листового
и сортового металла с применением по-
движных кристаллизаторов по различным
технологическим схемам (одно-, двух- и
четырехручьевым) *. Следует отметить, что
многоручьевые схемы производства также
являются крупным этапом в развитии
электрошлаковой технологии производ-
ства металлов и их осуществление основа-
но на использовании подвижного кристал-
лизатора.

На рис. 420, 421 представлены вариан-
ты технологических схем производства
как тонкого, так и толстого стального
листа из металла, рафинированного мето-
дом ЭШП.

Исследования проводились на марках
стали А и Б, наиболее широко применяе-

* По материалам, разработанным совместно с
В. А. Роменцом, Б. Д. Тарасовым, И. П. Ильи-
чевым, В. С. Ларионовым,

мых при производстве тонкого и толстого
листа методом ЭШП. Размеры выплав-
ляемых на установке листовых слитков и
слитков-слябов представлены в табл. 493.

Переплав слитков для тонкого листа
осуществляется на печи У-436, толстого
ЭШП — на печи 20ВГ-М1. Расчеты показа-
ли, что приведенные затраты на 1 т листа,
получаемого методом ЭШП, снизились на
20,8%.

Осуществление ЭШП в подвижных кри-
сталлизаторах позволяет увеличить уро-
вень годовой производительности устано-
вок в среднем на 19%. В свою очередь
осуществление ЭШП в подвижных двух-
ручьевых кристаллизаторах увеличивает
уровень годовой производительности по
сравнению с обычной схемой ЭШП в сред-
нем на 63%, а со схемой в подвижных
кристаллизаторах — на 48%. В соответ-
ствии с этим на 10—16% снижаются
удельные капитальные затраты при ЭШП
для подвижного кристаллизатора и на
37—39% для двухручьевого (здесь и даль-
ше нижний уровень характеризует произ-
водство толстого листа, верхний — тонкого
листа). На 2—4% снижается себестои-
мость 1 т металла ЭШП. Уменьшение се-
бестоимости происходит в основном вслед-
ствие снижения расходов по переделу.
Расчеты показывают, что для ЭШП в по-
движных кристаллизаторах расходы по
переделу на 7—10%, а для двухручьевого
варианта на 18—26% ниже, чем при обыч-
ной схеме ЭШП.

Величина расходного коэффициента
при прокатке слитков ЭШП зависит от
отношения их длины Ь к толщине Р [26].
Суповой дизель 6ДКРН 74/1*50 мочьдеып

Таблица 493. Параметры слитков

Схема выплавки	Слитки для производства			
	тонкого листа		толстого листа	
	Масса, т	Сечение, мм	Масса, т	Сечеиие, мм
Стационарный кристаллизатор	9,0	1100 x 625	17,0	1550x650
Подвижный кристаллизатор	9,0	1150x520	17,0	1550x650
Двухручьевой кристаллизатор	4,5	1000x120	8,5	1900x300

Очевидно, что при выплавке слитков-сля-
бов вместо обычных листовых слитков
величина отношения ЬЮ значительно из-
меняется. В соответствии с этим вслед-
ствие неодинаковых затрат на заданное
будут меняться затраты на производство
листа. Кроме этого, осуществление вы-
плавки непосредственно слитков-слябов
позволит исключить из технологической
схемы производства стального листа пере-
дел на обжимных станах. Удельные при-
веденные затраты по сравниваемым вари-
антам представлены в табл. 494, 495.

Таким образом, наиболее эффектив-
ным способом получения стального листа
является прокатка из слитков-слябов, вы-
плавляемых по двухручьевой схеме. Такой
вариант получения стального листа по
сравнению с обычным вариантом, а также
с вариантом, в котором предусматривает-
ся применение ЭШП в подвижном кри-
сталлизаторе, позволяет снизить уровень

приведенных затрат соответственно на
2—4 и 7—19%.

Следовательно, реализация резервов
производства листового металла ЭШП по-
зволяет существенно снизить уровень те-
кущих и единовременных затрат.

Производство сортовых слитков неболь-
шого сечения способом многоручьевого
ЭШП также имеет ряд преимуществ по
сравнению с производством крупных сор-
товых слитков в стационарных (одно-
ручьевых) кристаллизаторах [26]. Основ-
ные преимущества этого процесса:

а)	повышение качества металла за счет
уменьшения сегрегации структурных фаз
(феррита, карбидов, боридов и др.) и ле-
гирующих элементов;

Рис. 422. Схемы производства сортового про-
ката из металла ЭШП при выплавке исходного
металла в электродуговой сталеплавильной
печи (ДСП).

204 '/, 2426
Таблица 494. Экономические показатели производства толстого листа из сталей Б, рафинированных

Передел	ЭШП в стационарном кристаллизаторе			ЭШП в подвижном кри	
	Расходный коэффициент, т/т	Себестои- мость, руб/т	Капитальные затраты, руб/т	Расходный коэффициент, руб/т	Себестои- мость, руб/т
Выплавка стали в дуговой стале-					
плавильной печи и разливка	1,065	337,04	182,64	1,065	337,04
Прокатка электродов на слябинге	1,106	368,93	206,14	1,106	368,93
ЭШП	1,021	430,89	432,96	1,021	424,18
Прокатка на толстолистовом стане	1,201	583.57	785,29	1,201	575.51

Примечание. Приведенные затраты на ЭШП в стационарном, подвижном и двухручьевом кристаллизаторах состав

Таблица 495. Экономические показатели производства тонкого листа из стали марки А,

Передел	ЭШП б стационарном кристаллизаторе			ЭШП в подвижном кри	
	Расходный коэффициент, т/т	Себестои- мость, руб/т	Капитальные затраты, руб/т	Расходный коэффициент, т/т	Себестои- мость, руб/т
Выплавка стали в дуговой электро-					
печи и разливка	1,0455	260,88	176,70	1,0455	260,88
Прокатка электродов на слябинге	1,106	284,30	199,57	1,106	284,30
ЭШП	1,021	337,76	361,96	1,021	330,35
Прокатка слябов	1,261	404,64	442,07	1,261	395,29 '
Прокатка на тонколистовом стане	1,068	445,35	552,01	1,068	432,20

Примечание. Приведенные затраты иа ЭШП в стационарном, подвижном и в двухручьевом кристаллизаторах

б)	повышение производительности пе-
чей ЭШП вследствие более полного ис-
пользования их мощности;

в)	уменьшение расходных коэффициен-
тов металла благодаря уменьшению отхо-
дов и брака;

г)	исключение операций обжима слит-
ков ЭШП или их ковки и отказ от исполь-
зования обжимных станов и оборудования
для ковки.

Экономическая эффективность приме-
нения многоручьевого ЭШП взамен обыч-
ного процесса в стационарном кристалли-
заторе при производстве сортового про-
ката из труднодеформируемых сталей
была определена на примере нескольких
схем производства сортового проката из
металла ЭШП, отличающихся способами
производства расходуемых электродов для
ЭШП и способами переплава (рис. 422).
Исходной была принята схема производ-
ства (вариант I), включающая изготовле-
ние кованых расходуемых электродов из
труднодеформируемых сталей типа ЭИ835,

ЭИ703 и ЭИ481, их последующий пере-
плав в кристаллизаторе диаметром 390 мм
на печи Р-951 (масса слитка 1,2 т), ковку
слитков ЭШП и прокатку кованых заго-
товок в готовый сорт. Варианты II и III
схемы производства включали изготовле-
ние электродов для ЭШП способом литья
в специзложницы и способом непрерывно-
го литья, а вариант IV — способом непре-
рывного литья и электрошлаковым пере-
плавом в слитки сечением 220 X 220 мм,
массой по 600 кг в двухручьевом кристал-
лизаторе и в слитки сечением 120 X 120 мм,
массой по 300 кг в четырехручьевом кри-
сталлизаторе на печи Р-951. При этом ва-
риант IV предусматривал исключение ков-
ки электрошлаковых слитков перед про-
каткой.

Расчетная годовая производительность
печей ЭШП с учетом массы слитков каж-
дой плавки, равной 1,2 т, приведена в
табл. 496.

При расчете капитальных затрат в ка-
честве базового варианта был принят
методом ЭШП

сталлизаторе		ЭШП в двухручьевом кристаллизаторе		
	Капитальные затраты, руб/т	Расходный коэффициент, т/т	Себестои- мость. руб/т	Капитальные затраты, руб/т
	182,64  206,14  406,57  753,60	1,065  1,106  1,021  1,164	337,04  368,93  416,85  551,89	182,64  206,14  351,33  693,23

ляют соответственно 677,80: 665,94 и 635,08 руб/т.

рафинированной методом ЭШП

сталлизаторе		ЭШП в двухручьевом кристаллизаторе		
	Капитальные затраты, руб/т	Расходный коэффициент, т/т	Себестои- мость. руб/т	Капитальные затраты, руб/т
	176,70  199,57  335,39  408,60  516,26	1,0455 1,106  1,021  1,089	260,88  284,30  326,18  365,82	176,70  199,57  305,60  409,93

составляют соответственно 511,59: 494,15 и 415,01 руб/т.

Расходный коэффициент металла при
переделе слитков зависит от количества
передельных операций. С увеличением се-
чения слитков возрастает количество пе-
редельных операций и соответственно уве-
личиваются потери металла, особенно при
изготовлении изделий из труднодеформи-
руемых сталей.

Расходные коэффициенты при произ-
водстве сортового проката из стали ЭИ835
приведены в табл. 498, а для сталей
ЭИ703 и ЭИ481 —в табл. 499.

При расчете расходных коэффициентов
по варианту IV (четырехручьевой пере-
плав) учтены особенности этой схемы
производства при прокатке. В результате
того, что при многоручьевом переплаве
образуется большее количество заготовок
для проката, чем при одноручьевой схеме
ЭШП, возрастает количество концевой
обрези при раскрое на мерные длины после
проката, что увеличивает расходный ко-
эффициент при прокатке на 11%.

В табл. 500 приведена себестоимость
заданных марок сталей при разных схе-
мах производства. Данные таблицы пока-
зывают, что применение многоручьевого
переплава различных марок сталей в

вариант I (см. рис. 422). Для определе-
ния этих затрат был условно спроектиро-
ван участок ЭШП, в котором установлено
12 печей ЭШП типа Р-951. Данные о ка-
питальных затратах приведены ниже:

Способ переплава

Одноручьевой
Двухручьевой
Четырехручье-
вой

Удельные капитальные
затраты, руб/т

228,10

176,95

165,04

Удельные капитальные затраты снижа-
ются за счет увеличения производитель-
ности процесса.

Расходы по переделу при переплаве
различного сортамента на одной и той же
установке различны. В первую очередь
это зависит от скорости переплава
(табл. 497). При работе по схеме двух- и
четырехручьевого переплавов удается сни-
зить расходы по переделу соответственно
на 21,1 и 24,9% по сравнению со схемой
одноручьевого переплава.

Таблица 496. Производительность установок
ЭШП при различных способах переплава

Способ переплава	Продол- житель- ность плавки, ч-мии	Прои з води тель- но сть	
		суточная, т/сут	годовая, т/год
Одноручьевой	5—25	5,38	1882
Дву.хручьевой	3—50	7,51	2630
Четырех ручьевой	3—35	8,05	2820

Таблица 497. Расходы по переделу при
различных вариантах переплава, руб/т

Марка стали	Способ переплава		
	Одноручье- вой	Двухручье- вой	Четырех- ручьевой
ЭИ835	64,26	50,57	48,28
ЭИ703	62,42	49,24	47,04
ЭИ481	65,82	51,61	49,32

20+%
Таблица 498. Расходный коэффициент при производстве стали ЭИ835, т/т

Передел	Вариант схемы производства				
	I	II	111	IV	
				Двухручь- евой	Четырехручь- евой
Выплавка в открытой дуговой элек- тропечи и разливка	1,165	1,165	1,150	1,150	1,150
Обдирка слитков	1,123	1,123	1,123	1,121	1,121
Ковка электродов	1,276	—	—	—	—
Чистка электродов	1,003	- “	—	—	—
ЭШП электродов	1,090	1,090	1,090	1,090	1,090
Ковка слитков ЭШП на заготовку	1,302	1,302	1,302	—	—
Прокатка заготовки	1,076	1,076	1,076	1,194	1,151
Сквозной расходный коэффициент	2,557	1,998	1,971	1,678	1,617

Таблица 499. Сквозной расходный
коэффициент для сталей ЭИ703 и ЭИ481, т/т

Марка стали	Вариант схемы производства				
	I	II	III	IV	
				Двух- ручьевой	Четырех- ручьевой
ЭИ703	2,511	2,043	2,042	1,657	1,598
ЭИ481	2,821	2,265	2,283	1,908	1.839

рассматриваемых схемах производства по-
воляет снизить себестоимость готового сор-
та по сравнению с одноручьевым перепла-
вом на 10,0—47,0%.

Снижение себестоимости происходит за
счет уменьшения расходного коэффициен-
та, т. е. за счет статьи «заданное» и уве-
личения производительности. Значитель-
ное снижение себестоимости металла про-
исходит в варианте IV вследствие исклю-
чения из схемы производства ковки после
ЭШП.

Расчет приведенных затрат (табл. 501)
показал уменьшение их при многоручье-
вом переплаве по сравнению с одноручье-

Таблица 500. Себестоимость 1 т готового сорта, руб.

Марка стали	Вариант схемы производства				
	1	II	III	IV	
				Двухручьевой	Четыре хр учьевой
ЭИ835	1806,49	1417,29	1306,28	1138,80	1095,75
ЭИ703	5770,38	4113,98	3534,83	3175.30	3058,97
ЭИ481	2054,98	1406.17	1349,31	1214,31	1168,51

Таблица 501. Приведенные затраты на производство I т готового сорта

Марка стали	Одноручьевой переплав, руб.	Двухручьевой переплав		Четырехручьевой переплав	
		Затраты, руб.	Снижение по сравне- нию с одноручьевым, %	Затраты, руб.	Снижение по сравне- нию с одноручьевым, %
ЭИ835	1333,65	1160,03	13,0	1115,55	16,4
ЭИ703	3562,20	3196,53	10,3	3078,77	13,6
ЭИ481	1376,68	1235,54	10,2	1188,31	13,6
Таблица 502. Себестоимость труб переменного сечения, изготовленных из стали 40ХНМА
обычной выплавки и ЭШП

Статья затрат	Металл обычной выплавки			Металл ЭШП		
	Количест- во, т/т	Цена, руб/т	Сумма, руб.	Количест- во. т/т	Цена, руб/т	Сумма, руб.
Задано:  Полуфабрикаты собственного про- изводства (заготовка со стана го- рячей прокатки)	1,925	378,96	729,50	1,540	631.60	972,66
Отходы:						
концы и обрезь	0,322	37,00	11,91	0,258	37,00	9,54
стружка	0,288	23,00	6,62	0,230	23,00	5,30
угар	0,029	—	—	0.023	—	—
окалина	—	—	0,03	—	—	0,02
Итого отходов	0.639	—	18,56	0,511	—	14,86
Брак:						
по прокату	0,036	37,00	1,33	0,029	37,00	1,08
по металлу	0,250	37,00	9,25	—	37,00	.—_
Итого брака	0,286	—	10,58	0,029	—	1,08
Итого задано за вычетом отходов от брака	1,000			700,36	1,000			956.72
Расходы по переделу и общеза- водские расходы		-—	6162,86						5328,88
Производственная себестоимость	—	—	6863,22	—	—-	6286,60
			(100,0%)			(91,6%)

вым (вариант III) в среднем на 10,2—
16,4%.

Усредненный (по маркам сталей) го-
довой экономический эффект на одну
установку Р-951 при замене одноручьевой
схемы ЭШП (вариант III) двухручьевой
и четырехручьевой определяется в разме-
ре соответственно 596,50 и 836,5 тыс. руб.

Важным этапом на пути совершенство-
вания и повышения эффективности элек-
трошлаковой технологии была разработка
способа сифонной заливки жидкого флю-
са в кристаллизатор электрошлаковой
печи (так называемый жидкий старт).
В настоящее время практически все элек-
трошлаковые печи в нашей стране разра-
батываются и изготавливаются с учетом
ведения процесса на жидком старте. Этот
способ нашел также широкое признание
за рубежом [19].

Экономический эффект при жидком
старте достигается за счет сокращения
донной обрези в среднем на 7,5%, так как
при этом обеспечивается высокое качество
нижней части слитка; увеличение произ-

водительности электрошлаковых печей в
виду того, что флюс плавится в автоном-
ном флюсоплавильном ковше и время за-
ливки значительно меньше времени, за-
трачиваемого на расплавление флюса не-
посредственно в кристаллизаторе; умень-
шение массы дорогостоящей затравки и
расхода электроэнергии. По данным одно-
го из заводов экономия текущих затрат
при сифонной заливке исходного флюса
взамен твердого старта составляет около
30 руб. на 1 т металла. Этот показатель на-
ходится в прямой зависимости от стоимости
выплавляемого металла.

Повышение производительности элек-
трошлаковых печей достигнуто также бла-
годаря разработке системы слива жидко-
го шлака из кристаллизатора. Это исклю-
чило необходимость затрат времени на
остывание шлака непосредственно в кри-
сталлизаторе и позволило сократить меж-
плавочные простои в среднем на 1,5 ч.
При этом экономический эффект в расче-
те на 1 т металла ЭШП при себестоимо-
сти 600 руб. составляет 4 руб.
Таблица 503. Расчет экономической эффективности переработки стали ЭШП марки 40ХНМА при

Металл	Трубопрокатный завод				Машинострои	т,				
	Брак, % к годному	Заводская себестоимость 1 т труб, руб.	Удельные ка- питальные затраты, руб/т	Приведенные затраты, руб/т	Брак, % к годному	Стоимость металла 1 де- тали, руб.	Расходы по обработке 1 детали, руб.		
Обычный ЭШП	25	6863,22  6286,60	6299,78  5039,83	7807,05  7042,57	20	3744,39  2815,89	1260,00  1050 00		

На повышение выхода годного в про-

цессе прокатки листового металла направ-
лена работа по приданию оптимальной
конфигурации листовым слиткам. Эконо-
мия средств в прокатном производстве
(в связи с уменьшением боковой обрези
толстого листа ориентировочно на 15 кг/т)
составляет 20—40 руб. на 1 т.

Здесь были рассмотрены только неко-
торые мероприятия по разработке и со-
вершенствованию электрошлаковой техно-
логии, реализация которых дает значи-
тельный народнохозяйственный эффект.

Экономическая эффективность перера-
ботки металла ЭШП. Эффективность пе-
реработки металла ЭШП рассмотрена на
примере производства ряда изделий из

Таблица

конструкционных, жаропрочных и нержа-

веющих сталей.

Конструкционные стали. Как
показала практика заводов, в катаных за-
готовках из конструкционной стали марки
40ХНМА обычной выплавки имелось мно-
го дефектов металлургического характера
в виде волосовин и строчечных скоплений,
неметаллических включений. Брак холод-
нокатаных труб переменного сечения до-
стигал, например, на одном из трубных
заводов 20—25%. После перехода на сталь
ЭШП брак был практически сведен к
нулю. В результате, несмотря на более
высокую цену металла ЭШП, себестои-
мость труб из него оказалась на 8,4%
ниже, чем при использовании обычной

504. Расчет экономической эффективности переработки стали ЭШП марок 40ХНМА и 12Х2Н4А

Деталь	Производство поковок						
	Марка стали	Металл	Брак по- ковок, % к годно- му	Стоимость металла поковки, руб.	Расходы по обработке с учетом бра- ка, руб.	Заводская се- бестоимость 1 поковки (с учетом брака), руб.	Приведенные затраты, (руб.) на 1 деталь
		Меткомбинат					
Вал наружный	40ХНМА	Обычный	16,00	54,16	24,53	78,69	83,39
	40ХНМА	ЭШП	0,00	79,87	21,15	101,02	105,07
Кронштейн № 1	40ХНМА	Обычный	14,00	1,90	1,14	3,04	3,20
	40ХНМА	ЭШП	0,00	2,83	1,00	3,83	3,97
Кронштейн № 2	40ХНМА	Обычный	18,00	1,95	1,24	3,19	3,36
	40ХНМА	ЭШП	0,00	2,83	1,05	3,88	4,02
Валик привода	12Х2Н4А	Обычный									—
	12Х2Н4А	ЭШП	.—	—	—	—	—
Шестерня двойная	12Х2Н4А	Обычный	—	—	—	—	—
	12Х2Н4А	ЭШП	.—	—	—-	—	—
Шестерня	12Х2Н4А	Обычный	—	 	—	—	—
	12Х2Н4А	ЭШП	—	—	—	—	—
ь
г
I

производстве труб переменного сечения

Урмьный завод					По обоим заводам			
й  й Заводски» Я себестои- у кость 1 5? детали, 6. руб.  р	Удельные капиталь- ные затра- ты на 1 деталь, руб.	Приведен- ные затра- ты на 1 де- таль, руб.	Ресурсы работы детали, доли еди- ницы	Приведенные затраты, от- несенные к ресурсу де- тали из стали ЭШП, руб.	Годовая экономия на 1 де- таль, руб.	Г одовая экономия на 1 т ме- талла ЭШТ1, руб.	Годовой экономический эффект в расчете, руь.	
							на 1 деталь, руб.	иа 1 т метал- ла ЭШП. руг*
\ 5004,39  3865,89  4-		2524,15  2103,46	5383,01  4181,46	1,о  1,5	8074,52  4181,46	3893,06	6229	1201,55	1922.48

стали той же марки (табл. 502). Сниже-
ние себестоимости труб при этом обуслов-
лено главным образом резким сокращени-
ем расходов на передел в связи с увеличе-
нием производительности трубопрокатных
станов. Кроме того, при применении стали
обычной выплавки даже при столь высо-
кой отбраковке, какая имела место на
трубопрокатном заводе, в законченную
продукцию просачивалось большое коли-
чество труб с дефектами, в результате
чего на заводе-изготовителе конечной про-
дукции браковалось по вине металла до
20% изделий. С внедрением электрошла-
кового металла брак металлургического
происхождения на этом предприятии пол-
ностью исчез.

В табл. 503 приведен сквозной расчет
эффективности применения стали ЭШП
марки 40ХНМА на трубопрокатном и ма-
шиностроительном заводах.

Данные табл. 503 свидетельствуют о
том, что уже на стадии металлургических
и металлообрабатывающих переделов ста-
ли ЭШП марки 40ХНМА при производ-
стве труб переменного сечения годовой
экономический эффект в расчете на 1 т
металла превышает 1,9 тыс. руб.

Существенным был брак деталей (ше-
стерен, валов, поршней и др.) из стали
марок 40ХНМА и 12Х2Н4А на моторо-
строительных заводах при использовании
металла обычной выплавки. Так, на од-
ном из заводов он составлял 5—10%, на

X  А г	Изготовление готовых деталей						
	Брак дета- лей, % к годному	Стоимость металла 1 де- тали, руб.	Расходы по обработке 1 детали, руб.	Заводская себестои- мость 1 детали руб-	Приведенные затраты на 1 деталь, руб.	Годовой экономический эффект в расчете	
						на 1 деталь, руб.	на 1 т металла ЭШП, руб.
	10,00	87,60	Моторостр  65,92	оительньп  153,52	завод № 1 153,54		
	0,00	101,27	59,93	161,20	161,22	Не опр.	Не опр.
	14,00	3,53	15,39	18,92	18,92	—	—
	0,00	3,87	13,50	17,37	17,37	1,55	271,25
Л	12,00	3,53	15,29	18,82	18.82	—	—
г	0,00	3,87	13,65	17,52	17,52	1,30	227,50
1	25,00	1,08	М о т о р о с 30,25	троитель н 31,33	ы й завод  31,34	» 2	
	0,00	1,67	24,20	25,87	25,88	5,46	1728,10
||	17,00 0,00	0,89 1.47	26,36  22,53	27.25  24,00	27,26  24,01	3,25	1157,00
	37,00	1,89	66,21	68,10	68,11	—	—
1	0,00	2,67	48,33	51,00	51,01	17,10	3392,64

Ч
другом — 10—40%. При этом от 5 до 20%
штамповок и поковок для этих деталей
браковалось на металлургическом комби-
нате, осуществляющем промежуточную
обработку металла. С переходом на сталь
ЭШП брак на всех трех заводах был
практически ликвидирован.

В табл. 504 приводится расчет эффек-
тивности применения в моторостроении
стали ЭШП марок 40ХНМА и 12Х2Н4А
при изготовлении отдельных наиболее ха-
рактерных деталей. Как видно из табли-
цы, приведенные затраты на изготовление
поковок валов и кронштейнов на метал-
лургическом комбинате из стали 40ХНМА
ЭШП оказываются, несмотря на ликвида-
цию брака, выше, чем при изготовлении
их из обычного металла. Однако дальней-
шее сокращение брака на моторострои-
тельном заводе приводит к тому, что при-
веденные затраты при использовании ме-
талла ЭШП оказываются по всем рас-
сматриваемым деталям (за исключением
наружного вала) ниже, чем при примене-
нии обычной стали. Аналогичная картина
наблюдается и для изделий из стали мар-
ки 12Х2Н4А, которую моторостроитель-
ные предприятия получают непосредствен-
но с металлургических заводов. В резуль-
тате годовой экономический эффект от
замены обычного конструкционного метал-
ла марок 40ХНМА и 12Х2Н4А металлом
ЭШП на моторостроительных заводах для
различных исследованных деталей состав-
ляет 271—3393 руб/т.

Следует отметить, что снижение затрат
при переходе на сталь ЭШП происходит
в основном за счет снижения расходов по
обработке деталей, резко сокращающихся
в расчете на единицу годной продукции
при уменьшении брака. Это положение
наиболее характерно для относительно
мелких деталей (гильзы, шестерни, вали-
ки), расходы по обработке которых во
много раз превышают затраты на ме-
талл.

Жаропрочные и нержавею-
щие стали и сплавы. В реактив-
ных двигателях и газотурбинных стацио-
нарных установках весьма ответственны-
ми деталями являются диски ротора и
устанавливаемые на них лопатки, изго-
тавливаемые из жаропрочных сталей и

сплавов. Внедрение ЭШП позволило рез-
ко улучшить качество соответствующего
металла и сократить брак в процессе из-
готовления дисков и лопаток. Так, на
одном металлургическом комбинате, осу-
ществляющем промежуточную обработку
дисков и наиболее габаритных лопаток,
брак по металлу при изготовлении, на-
пример, штамповок рабочих лопаток
1-й ступени компрессора двигателя серии
31Б составлял для жаропрочной стали
ЭИ961 обычной выплавки 22,1% к годно-
му, а для стали ЭШП — 0,26%, те же по-
казатели для заготовок дисков 5-й ступе-
ни компрессора того же двигателя соста-
вили соответственно 37,9 и 0,15%.

Следует отметить, что из оставшихся
внешне удовлетворительных заготовок из
металла открытой выплавки не всегда
удавалось получить годные диск или ло-
патку. После соответствующей механиче-
ской обработки таких заготовок уже на
моторостроительном заводе при УЗК бра-
ковалось свыше 15% лопаток 1-й ступени
и около 17% дисков 5-й ступени, изготов-
ленных из обычной стали, в то время как
брак деталей из металла ЭШП составлял
менее 1%.

Количество брака по металлу возра-
стает с увеличением массы заготовок, из
которых изготовляются штамповки и гото-
вые детали. Это объясняется тем, что ме-
талл, поставляемый в крупных профилях,
имеет более развитые пороки, тогда как
у мелких профилей, подвергнувшихся
большему обжатию, более плотная струк-
тура, неметаллические включения мельче
и более рассредоточены. Широко приме-
няется в моторостроении и нержавеющая
сталь ЭШП.

Внедрение металла ЭШП позволило
резко улучшить качество заготовки и со-
кратить брак по металлургическим де-
фектам на предприятиях как в процессе
штамповки, так и в процессе механиче-
ской обработки лопаток из стали марок
1Х17Н2.

До внедрения в производство стали
1Х17Н2 ЭШП отбраковка заготовок по
металлургическим дефектам при изготов-
лении лопаток достигла 16—20%. После
перехода на сталь ЭШП она почти пол-
ностью ликвидирована. Сокращение ме-
Таблица 505. Расчет эффективности переработки стали 1Х17Н2 ЭШП при изготовлении
отдельных деталей турбин судовых двигателей

Деталь	Металл	Брак, % к годно- му	Стои- мость металла на 1 де- таль, руб	Расходы по обра- ботке 1 детали, РУб.	Заводская себестои- мость 1 детали, руб.	Удельные капиталь- ные за- траты иа I деталь, руб.	Приведен- ные за- траты на 1 деталь, РУб-	Годовой экономи- ческий эффект в расчете	
								на I де- таль, руб.	на 1 т металла ЭШП, РУб-
Лопатка	Обыч-								
1-й ступени	НЫЙ	18,0	0,29	4,73	5,02	9,88	6,21	—	—
Лопатка	эшп Обыч-	0.0	0,51	4,01	4,52	8.37	5,52	0,69	1131
6-й ступени	НЫЙ	18,0	0,20	4,50	4,70	9,43	5,83	—	—
Лопатка	эшп Обыч-	0,0	0,33	3,81	4,14	7,99	5,Ю	0,73	1825
5-й ступени	НЫЙ	18,0	0,23	4,48	4,70	9,28	5,81	—	—
Лопатка	эшп Обыч-	0,0	0,41	3,80	4,20	7,86	5,14	0,67	1375
3-й ступени	НЫЙ	18,0	0,98	9 77	10,82	21,32	13,38	—	—
Лопатка	эшп  Обыч-	0.0	1.71	8,28	10,05	18,07	12,22	1,16	563
5-й ступени	НЫЙ	18,0	0,73	8,56	9,34	18,33	11,54	—	—
Лопатка	эшп Обыч-	0.0	1.10	7,25	8,57	15,53	10,43	1,09	707
4-й ступени	НЫЙ 1	18,0	0,80	8,45	9,31	18,10	11,48	—	—
Лопатка	эшп  Обыч-	0,0	1,40	7,16	8,61	15,34	10,45	1,03	610
7-й ступени	НЫЙ	18,0	0,18	5,90	6,07	12,41	7,54	—	—
Лопатка	эшп Обыч-	0.0	0,27	5,00	5,28	10,52	6,54	1,00	3125
8-й ступени	НЫЙ	18,0	0,19	5,90	6,10	12,41	4,59	—	—
Лопатка	эшп  Обыч-	0.0	0.32	5.00	5,33	10,52	6.59	1,00	2632
9-й ступени	НЫЙ •	18,0	0,19	4,91	5,11	9,43	6,24	—	—
Лопатка	эшп  Обыч-	0,0	0.33	4,16	4,50	7.99	5,46	0,78	2000
входная	НЫЙ	18,0	0,32	6,22	6,57	13,02	8,13	—	—
	эшп	0.0	0,56	5,27	5,85	11,03	7,17	0,96	1412

таллоотходов, естественно, привело к со-
кращению удельного расхода металла, а
также к снижению удельных расходов по
обработке заготовок, которые занимают
основной удельный вес в себестоимости
лопаток (80—90%).

В табл. 505 приводится расчет эффек-
тивности применения стали 1Х17Н2 ЭШП
при изготовлении дисковых лопаток тур-
бин судовых двигателей, выполненный с
учетом сокращения брака по металлурги-
ческим дефектам при изготовлении дета-
лей из металла ЭШП.

Применение металла ЭШП для изго-
товления лопаток всех ступеней турбины
судового двигателя даст значительный
экономический эффект. В расчете на 1 т

металла ЭШП при изготовлении лопаток
(массой 90—500 г) он составит 563—
3125 руб.

Нашли применение и другие марки не-
ржавеющей стали ЭШП. В частности, на
машиностроительном заводе направляю-
щие лопатки компрессоров газовых тур-
бин ГТ-700-5 (мощностью 5 тыс. кВт), ис-
пользуемых в качестве приводов нагнета-
телей газов для газопроводов, изготавли-
ваются из нержавеющей стали 1-2X13.
Как было установлено, при применении
для этих целей обычной стали на заводе
имело место большое количество брака по
дефектам металла (волосовины и т. д.).
Брак для различных ступеней компрессо-
ра составлял от 18 до 50%. После замены
обычного металла металлом ЭШП той же
марки брак практически исчез.

Для определения влияния сокращения
брака на текущие затраты при изготовле-
нии деталей были проведены специальные
расчеты по всем типам лопаток, входя-
щих в комплект компрессора турбины
ГТ-700-5 (одна — входная и одинна-
дцать— на ступенях). Себестоимость от-
дельных лопаток определялась на основа-
нии соответствующих нормативных каль-
куляций машиностроительного завода.

Расчеты показали, что, несмотря на
более высокую цену металла ЭШП
(в 1,5 раза выше, чем обычного металла),
себестоимость почти всех исследуемых де-
талей (кроме входной лопатки), изготов-
ленных из стали ЭШП, оказывается за
счет сокращения брака на 2—18% ниже
себестоимости этих же деталей из метал-
ла открытой плавки, а экономия на 1 т
стали 1-2X13 ЭШП вследствие снижения
себестоимости лопаток составляет от 25—
209 руб.

Исходя из размеров изменения себе-
стоимости по каждой отдельной лопатке
и соотношения количества направляющих
лопаток в комплекте компрессора было
установлено, что применение 1 т стали
ЭШП вместо обычной экономит на теку-
щих затратах около 90 руб. Экономия на
1 компрессоре составляет около 130 руб.

Как было установлено, увеличение се-
бестоимости происходит лишь по входной
лопатке, несмотря на сокращение брака
с 20,5 до 0,3%. Однако увеличение это не-
значительно (0,9%), а перерасход на 1 т
стали ЭШП составляет лишь 9,63 руб.
В то же время, учитывая возможный рост
рабочего ресурса лопаток и турбины в це-
лом (вследствие большей надежности ме-
талла ЭШП), можно предположить, что
применение стали 1-2X13 ЭШП для изго-
товления входных лопаток компрессора
газовой турбины ГТ-700-5 окажется (как
и для других деталей компрессора) в ко-
нечном счете эффективным.

Таким образом, рассмотренные приме-
ры производства деталей из конструкци-
онных, жаропрочных и нержавеющих ста-
лей электрошлаковой выплавки взамен
обычной свидетельствуют о том, что уже
на этапе переработки, в процессе метал-

лургических и металлообрабатывающих
переделов, достигаемое снижение себе-
стоимости не только перекрывает более
высокие затраты на получение металла
ЭШП, но и дает значительный экономиче-
ский эффект. Это происходит вследствие
практически полной ликвидации брака по
металлу, увеличения выхода годного, по-
вышения производительности используе-
мого оборудования, уменьшения объемов
передельных операций, снижения капита-
лоемкости продукции.

Эффективность в сфере эксплуатации
и народнохозяйственная эффективность
металла ЭШП. Применение металла ЭШП
вместо обычного приводит, как правило,
к резкому увеличению долговечности из-
готовленных из него изделий. В связи с
этим использование такого металла осо-
бенно эффективно в тех областях, где
достижение высокой долговечности дикту-
ется условиями эксплуатации. Эффектив-
ность эксплуатации металла ЭШП анали-
зируется на примерах изделий, рассмот-
ренных в предыдущем разделе, а также
продукции, изготовленной из подшипнико-
вых сталей.

Подшипниковые стали. При-
менение металла ЭШП вместо обычного
приводит к резкому увеличению долго-
вечности изготовленных из него подшип-
ников [39, 43, 45]. Об этом свидетельству-
ют результаты многочисленных стендовых
испытаний. Так, например, испытания,
проведенные на Третьем государственном
подшипниковом заводе, показали, что
средняя долговечность подшипников типа
П206, изготовленных из стали ШХ15 ЭШП,
в 2,05 раза выше долговечности аналогич-
ных подшипников, изготовленных из ста-
ли открытой выплавки, а минимальная
долговечность подшипников из металла
ЭШП оказалась выше в 3,35 раза
(табл. 506). Аналогичные результаты по-
лучены на этом же заводе и по подшип-
никам типа В176130 (табл. 507).

Во ВНИИППе проводились сравни-
тельные испытания подшипников типа
206Ю и 4В214Ю1 из стали 9X18. В ре-
зультате средняя долговечность подшип-
ников, изготовленных из обычной стали,
составила 75 ч, а из стали ЭШП — 144 ч
(что на 92% больше).
Таблица 506. Результаты сравнительных стендовых испытаний подшипников типа П206 из
стали ШХ15 открытой выплавки и ЭШП

Металл	Количество подшип- ников, прошедших испытания	Минимальная долговеч- ность, ч	Средняя долговеч- ность, ч	Увеличение долговечности, %	
				минимальной	средней
Открытой выплавки эшп	6 1  14	251  842	1364  2795	335	205

Таблица 507. Результаты сравнительных
стендовых испытаний подшипников типа
В176130, изготовленных нз стали ШХ15
открытой выплавки и ЭШП

Металл	Мини- мальная долговеч- ность, ч	Средняя долговеч- ность, ч	Увеличение дол- говечности, %	
			минималь- ной	сред- ней
Откры- той выплав- ки ЭШП	84  269	649  1741	320	270

Примечание. Испытания прошли 8 подшипников.

Средняя долговечность подшипников
типа 2 ЮБ, изготовленных из стали
ШХ15СГ открытой выплавки, составила
по результатам совместных испытаний
ВНИИПП и Первого государственного
подшипникового завода 888 ч, а из стали
ЭШП— 1420 ч (что на 60% больше).

В настоящее время по рекомендации
ВНИИПП на всех подшипниковых заво-
дах страны в конструкторских расчетах
для подшипников, изготовленных из ме-
талла ЭШП, закладывается гарантирован-
ный ресурс, который в 1,5 раза выше, чем
ресурс подшипников из стали открытой
выплавки.

Проведенные расчеты показали, что,
несмотря на значительно более высокую
(на 71—120%) стоимость металла ЭШП,
себестоимость готовых подшипников по-
вышается лишь на 2—19%. Это связано
с тем, что основной удельный вес (70—
90%) в их себестоимости занимают рас-
ходы по обработке.

При условии увеличения ресурса рабо-

ты подшипников в 1,5 раза применение
1 т металла ЭШП имеет в конечном счете
значительный экономический эффект, при-
чем наибольшая величина его имеет ме-
сто при производстве подшипников высо-
кого класса точности, стоимость обработ-
ки которых особенно велика. При изготов-
лении, например, подшипников типа
В207Б, В180506Е8С1 (оба на Первом го-
сударственном подшипниковом заводе) и
А1176720Б1Т1 (на Четвертом государ-
ственном подшипниковом заводе) приме-
нение 1 т стали ШХ15 ЭШП дает эконо-
мию более 2000 руб. по каждому из них
[42].

Эффективно применение металла ЭШП
и при производстве железнодорожных
подшипников. Во Всесоюзном научно-ис-
следовательском институте железнодорож-
ного транспорта (ВНИИЖТ) МПС СССР
были проведены исследования, результа-
ты которых показали большое преимуще-
ство стали, изготовленной методом ЭШП.

Более высокие свойства стали ЭШП
обусловливают, по данным ВНИИЖТ,
следующие технические возможности:
либо изготовление роликовых подшипни-
ков из стали ЭШП таких же габаритов,
как подшипники из стали открытой вы-
плавки, но с более высокой (в 2 раза)
долговечностью, либо уменьшение габари-
тов роликовых подшипников из стали
ЭШП в размерах по сечению на 25%,
т. е. их долговечность будет такой же, как
долговечность подшипников из обычной
стали. При последнем варианте уменьша-
ется масса подшипника. Проведенные на
основе этих данных расчеты показали
эффективность обоих вариантов даже без
учета экономии капиталовложений в про-
изводство подшипников и сокращения
Таблица 508. Расчет эффективности применения стали ШХ15СГ для изготовления железнодорожных под

Вариант	Металл	Расход металла на 1 под- шипник, кг	Чиста я масса подшнп - ннка, кг	Себестоимость 1 подшипника			Ре сурс работы  П ОДШИП- ннка, до- ли едини- цы	Себестои- мость 1 под- шипника, от- несенная к наибольшему ресурсу, руб.	
				Всего, РУб-	Стоимость металла, руб.	Стоимость обработ- ки, руб.			
Базовый	Обычный	41,3	16,5	16,00	5,45	10,55	1.0	32,00	
С увеличением ре- сурса	ЭШП	41.3	16,5	20,36	9,81	10,55	2,0	20,36	
С уменьшением массы	»	26.4	11,6	13.53	6.23	7,30	1,0	27.06	

ам

НО1

эксплуатационных затрат при их исполь-
зовании (вследствие сокращения количе-
ства ремонтов, уменьшения расходов топ-
лива и т. д.). Наибольший эффект имеет
место при варианте с увеличением долго-

Т а б л и ц а 509. Расчетная величина
экономического эффекта и предельно допустимых
приведенных затрат

Повышение
долговечно-
сти. %

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Экономический
эффект, руб.

Предельно допу-
стимые приведен-
ные затраты,
РУб.

—203,6
150,9

—147,5
352,2

—91,3
867,9

—35,1
1371,0

21,0

1874,2

79,0

2377,0

145,7
2880,0

191,3

3396,0

247,5
4025,0

286,1

4402,0

234,1

186,8

290,2
789.9

346,5
1305,6

402,6
1080,7

458,7
2311,9

516,7
2814,7

583,4
3317,7

629.0
3833,7

685,2
4462,7

723,8

4839,7

Примечание. В числителе приведены данные для
подшипника В217. в знаменателе — для подшипника
В207Б

вечности, который составляет 268 руб. на
1 т стали ЭШП (табл. 508). Разница в
ежегодной отбраковке подшипников по
базовому варианту и варианту с увеличе-
нием долговечности в расчете не учиты-
валось, так как брак сам по себе и в том
и в другом случае невелик (2 и 0,7% со-
ответственно).

Наибольшая величина эффекта, а сле-
довательно, и предельно допустимых при-
веденных затрат на I т металла ЭШП до-
стигается у подшипников с наименьшей
долей стоимости металла в общей себе-
стоимости подшипника. Из рис. 423 (дан-
ные М. А. Ковалевского) видно, что при
увеличении доли стоимости металла более
чем на 30% применение металла ЭШП
может оказаться экономически неэффек-
тивным.

При проведении дальнейшего анализа
для определения влияния изменения дол-
говечности подшипников на величину
эффекта и предельно допустимых приве-

Рис. 423. Зависимость приведенных затрат от
доли стоимости металла в себестоимости под-
шипника:

/ — предельно допустимые затраты; 2 — фактические
затраты (сталь ЭШП); 3 — фактические затраты
подшипников типа 2Н42726Л (ЦКБ 1521)

Стоимость
амортизован-
ного лома (по
цене отхо-
дов), руб

Экономия на
себестои-
мости 1 под-
шипника, руб.

Количество
подшипников,
изготавливае-
мых из I т
металла, шт

0,92
в

0,46

0.65

Экономия на
1 т стали
ШХ15СГ
ЭШП, руб.

268

177

11,18

4,67

24

24

38

денных затрат в металлургии, а также
для установления зависимости между
двумя факторами было рассмотрено два
типа подшипников с крайними значениями
доли стоимости металла в общей себе-
стоимости подшипника. Значения эффекта
и предельно допустимых приведенных за-
трат для других типов подшипников на-
ходятся в интервале полученных резуль-
татов для выбранных подшипников:
В207Б (2,9%) и В217 (29,0%). В табл. 509
приведены результаты расчетов величины
экономического эффекта и предельно до-
пустимых приведенных затрат на 1 т ме-
талла ЭШП для этих двух типов подшип-
ников при различных уровнях повышения
долговечности.

Фактические приведенные затраты на
производство 1 т проката из стали ШХ15
ЭШП в настоящее время составляют
374 руб. [42].

Из рис. 424 отчетливо видно, что ха-
рактер изменения предельно допустимых
приведенных затрат для подшипников
В217 и В207Б различный. Применение ме-
талла ЭШП для подшипников, в которых
стоимость металла в общей себестоимости
имеет незначительный удельный вес, эф-
фективно уже при увеличении долговеч-
ности на 15—20%. Для подшипников с вы-
сокой долей стоимости металла экономи-
чески эффективно использовать металл
ЭШП при повышении долговечности на
45—50% *, т. е. прямая, выражающая из-

* Это положение справедливо для подшипни-
ков, у которых доля стоимости металла в об-
щей себестоимости не превышает 29%• Исполь-
зование стали ЭШП для подшипников с более
высокой долей стоимости металла становится
эффективным при большем повышении долго-
вечности.

менение предельно допустимых затрат при
увеличении долговечности подшипников, в
первом случае будет значительно круче.
Заштрихованная на рисунке часть являет-
ся областью эффективного использования
металла ЭШП для изготовления подшип-
ников [42].

Конструкционные стали. Важ-
ным результатом применения конструкци-
онных сталей ЭШП явилось повышение
долговечности готовых изделий благодаря
более высоким механическим свойствам
металла ЭШП [12]. Испытания показали,
что предел прочности, например, стали
40ХНМА ЭШП повысился на 30%, причем
механические свойства вдоль волокон
были близки к значению механических
свойств поперек волокон. В результате
срок службы изделий вырос по заводским
данным минимум в 1,5 раза. Получаемый
народнохозяйственный эффект показан в
табл. 510. Как видно из таблицы, для
обеспечения одного и того же ресурса ра-
боты изделий при применении обычного
металла требуется почти вдвое больше
затрат, чем в случае использования^ ме-
талла ЭШП.

Годовой экономический эффект в рас-
чете на 1 т ЭШП возрос с 1,9 тыс. руб. на

Рис. 424. Зависимость приведенных затрат от
долговечности подшипника:

/ — предельно допустимые затраты; 2 — фактические
затраты (сталь ЭШП); 3 — фактические затраты
(сталь открытой выплавки).
Таблица 510. Народнохозяйственный экономический эффект производства и потребления труб
переменного сечения стали марки 4 ОХ НМД ЭШП

Металл	Приведенные затраты на 1 де- таль, руб.	1  Ресурсы работы детали, доли единицы	Приведенные за- траты, отнесен- ные к ресурсу детали из стали ЭШП, руб.	।  Годовой экономический эффект (руб.) в расчете на	
				1 деталь	1 т металла ЭШП
Обычный	5383,01	1.0	8074,52		
ЭШП	4181,46	1,5	4181,46	3893,06	6229

Таблица 511. Экономический эффект производства и потребления деталей из сталей 40ХНМА и

12Х2Н4Д ЭШП

Деталь

Металл

Приведенные
затраты на
1 деталь,
руб.

Ресурс рабо-
ты деталей,
доли единицы

Приведенные
затраты, от-
несенные к
ресурсу дета-
лей из стали
ЭШП, руб.

Экономия на
1 деталь,
руб.

Экономия на
1 т металла
ЭШП, руб.

Сталь 40ХНМА

Вал наружный

Кронштейн № 1

Кронштейн №2

Обыч-
ный
ЭШП
Обыч-
ный
ЭШП
Обыч-
ный
ЭШП

153,54

161,22

18,92

17,37

18,82

17,52

1,0

1,5

1,0

1.5

1,0

1,5

230,31

161,22

28,38

17,37

28,23

17,52

69,09

11,01

10,71

429,74

1928,18

1875,64

Сталь 12Х2Н4А

Валик привода

Двойная шестерня

Шестерня

Обыч-
ный
ЭШП
Обычная
ЭШП
Обыч-
ный
ЭШП

31,34
25,88
27,26

24,01

68,11
51,01

1,0

1,5

1,0

1,5

1,0

1,5

47,01

25 88
40,89
24,01

102,17

51,01

21,13

16,88

51,16

6686,80

6007,09

10 150,66

этапе переработки до 6,2 тыс. руб. с уче-
том эксплуатации изделий, т. е. более чем
в 3 раза [34]. При этом наибольшая сум-
ма эффекта (4,3 тыс. руб.) получена при
эксплуатации изделий. Определить влия-
ние применения металла ЭШП на долго-
вечность изготавливаемых из него дета-
лей (шестерен, валов, поршней и др.) не-
посредственно на моторостроительных за-
водах в настоящее время затруднительно.
Для этого следует изучать опыт эксплуа-
тации изделий или деталей, изготовлен-
ных из металла ЭШП. Установлено, что
ресурс работы изделий, в которых стал

применяться металл ЭШП сталей 40ХНМА
и 12Х2Н4А, возрос за это время в 2,7 ра-
за. По экспертной оценке переход на
сталь ЭШП обеспечивает увеличение сро-
ка службы изготавливаемых из нее де-
талей и изделия в целом примерно в
1,5 раза.

В табл. 511 рассчитан народнохозяй-
ственный эффект производства и потреб-
ления моторостроительных деталей из ста-
ли ЭШП. По всем рассматриваемым де-
талям он достигает 430—10150 руб. на I т
металла ЭШП [34]. Сопоставив эти пока-
затели с данными табл. 512, можно еде-
I*

лать вывод, что и в данном случае основ-
ная сумма эффекта создается в сфере

та из стали 20ХНЗА ЭШП эффект состав-
ляет 1638 руб.

I

г

I

эксплуатации готовых изделии.

Одной из наиболее эффективных
стей применения конструкционной
ЭШП является нефтедобывающая
мышленность [13, 17]. Многолетний

обла-
стали
про-
опыт

эксплуатации буровых шарошечных долот
показал, что работоспособность их в боль-
шинстве случаев определяется стойкостью
опор, на которых закрепляется и враща-
ется шарошка, несущая вооружение для

разрушения породы.

Исследованиями
долот установлено,
износа их рабочих

опор отработанных
что основным видом
элементов является

усталостное выкрашивание, возникающее
вследствие больших контактных напряже-
ний в местах нагружения тел качения и
беговых дорожек. Изучение причин, вызы-
вающих усталостное выкрашивание, пока-
зало, что контактная выносливость ра-
бочих поверхностей существенно зависит
от загрязненности стали неметалличе-
скими включениями, которые являются
источниками возникновения микротре-
щин.

Украинским научно-исследовательским
институтом Укргипрониинефть были про-
ведены сравнительные промысловые
испытания долот, изготовленных из
обычной стали и стали ЭШП (марки

17ХНЗД и 20ХНЗА). В

результате

установлено, что при использовании
стали ЭШП средняя проходка на до-
лото увеличилась на 27,6%, а механи-
ческая скорость бурения — на 13%. При-
чем эти показатели были весьма стабиль-
ны как при бурении методом чередования
опытных и серийных долот, так и при
сплошном разбуривании теми и другими
долотами.

Испытаниями установлено, что сталь
ЭШП практически обеспечивает равно-
стойкость опор долот и их вооружения.

Расчеты, выполненные

цниичм

им. И. П. Бардина совместно с Укргипро-
ниинефтью, показали, что замена
обычной стали сталью ЭШП при изготов-
лении буровых долот дает экономический
эффект в размере 15,0 руб. на 1 м про-
ходки, или 86,0 руб. на 1 долото из ме-
талла ЭШП. При производстве 1 т прока-

щ и е стали. Соображения повышения
надежности и ресурса работы авиацион-
ных двигателей являлись определяющими
при переходе на изготовление соответ-
ствующих деталей из жаропрочных ста-
лей и сплавов электрошлакового произ-
водства.

Существующие методы контроля обыч-
ного металла (как предварительного, так

и в процессе изготовления деталей)

не

могли предотвратить просачивания в го-
товые изделия деталей с внутренними
дефектами. На практике это приводило
иногда к выходу из строя отдельных ди-
сков и лопаток как во время испытаний,
так и во время эксплуатации.

С момента внедрения металла ЭШП
гарантийный ресурс двигателей на ряде
заводов был поднят: на одном заводе, на-
пример, в 1,7 раза, на другом — в 2 раза.
Как было установлено, среди прочих ме-
роприятий необходимым условием этого
роста было соответствующее увеличение

ресурса работы деталей
которое и было обеспечено
металла ЭШП.

Расчеты, проведенные по

компрессоров,
применением

шести наибо-

лее представительным деталям компрес-
соров двигателей на двух моторных заво-
дах, показали, что замена стали ЭИ961
открытой выплавки сталью ЭШП дает
значительный экономический эффект. Эко-
номия на 1 т металла ЭШП только по се-
бестоимости при изготовлении отдельных
дисков и лопаток составляет от 890 до
2180 руб. [34].

Высокий народнохозяйственный эффект
достигается при использовании нержавею-
щей стали ЭШП марки 1Х17Н2 для изго-
товления и эксплуатации деталей турбин
судовых двигателей (табл. 512). Повыше-
ние надежности и ресурса работы деталей
за счет высоких механических свойств ме-
талла ЭШП обеспечивает согласно завод-
ским данным увеличение срока службы
турбины примерно в 1,4 раза. Как и в рас-
смотренных выше примерах, основная ве-
личина экономического эффекта (60—
70%) создается в сфере эксплуатации.
В расчете на 1 т металла ЭШП народно-

I
Таблица 512. Экономический эффект от увеличения срока службы турбины в результате
использования лопаток из стали 1Х17Н2 ЭШП

Деталь	Металл	Приведен- ные за- траты на 1 деталь, руб.	Ресурс работы де- тали. доли единицы	Приведенные затраты с учетом повы- шения ресур- са работы де- талей из ме- талла ЭШП, руб.	Годовая эко- номия на 1 деталь, руб.	Годовая эко- номия на 1 т металла  ЭШП, руб.
Лопатка 1-й ступени  Лопатка 6-й ступени  Лопатка 5-й ступени  Лопатка 3-й ступени  Лопатка 5-й ступени  Лопатка 4-й ступени  Лопатка 7-й ступени  Лопатка 8-й ступени  Лопатка 9-й ступени  Лопатка входная	Обыч- ный ЭШП Обыч- ный ЭШП Обыч- ный ЭШП Обыч- ный ЭШП Обыч- ный ЭШП Обыч- ный ЭШП Обыч- ный ЭШП Обыч- ный ЭШП Обыч- ный ЭШП Обыч- ный ЭШП	6,21  5,52  5,83  5,10  5,81  5,14  13,38  12,22  11,54  10,43  11,48  10,45  7,54  6.54  7,59  6.59  6,24  5,46  8,13  7,17	1,0  1,4  1,0  1,4  1,0  1.4  1,0  1.4  1,0  1,4  1,0  1.4  1,0  1,4  1,0  1,4  1,0  1,4  1.0  1.4	8,69  5,52  8,16  5,10  8,13  5,14  18,73  12,22  16,16  10,43  -	16,07  10,45  10,58  6,54  10,63  6,59  8,74  5,46  11,38  7.14	3,17  3,06  2,99  6,51  5,73  5,62  4,04  4,04  3,28  4,24	5196  7650  6103  3157  3719  3327  12 625  10 633  8410  6237

хозяйственный эффект в зависимости от
видов деталей составляет от 3157 до
12 625 руб. [34].

Высокоэффективны также производ-
ство из металла ЭШП и эксплуатация ло-
паток компрессоров авиационных двига-
телей. До внедрения в производство стали
1Х17Н2 ЭШП брак из-за дефектов метал-
ла при изготовлении лопаток компрессо-
ров достигал на одном авиамоторострои-
тельном заводе 10—15%. Применение ме-
талла ЭШП снизило брак в среднем до I %.

Кроме того, по заводским расчетам
применение металла ЭШП обеспечивает
увеличение срока службы лопаток комп-
рессоров и двигателя в 1,3 раза. Расчет
народнохозяйственной эффективности при-

менения стали 1Х17Н2 ЭШП в авиацион-
ном моторостроении был проведен анало-
гично расчету эффективности применения
той же стали при изготовлении деталей
для судовых двигателей. Согласно расче-
там экономия по приведенным затратам на
1 т металла ЭШП составляет 1490—
11 840 руб. [34].

♦ ♦ ♦

Рассмотрев на конкретных примерах по-
следовательные этапы получения, перера-
ботки и эксплуатации металла ЭШП и
изделий из него вместо обычного мег ал ла,
можно сделать следующий общий вывод.
Имеющее место удорожание металла


ЭШП на первом этапе производства, как
правило, полностью исчезает при его пе-
реработке. Более того, высокое качество
металла ЭШП, практически полное устра-
нение брака, увеличение выхода годного,
снижение объемов переработки способ-
ствуют получению экономического эффек-
та уже на второй стадии производства,
при металлургических и металлообраба-
тывающих переделах. Наибольший эконо-
мический эффект, составляющий 60—70%
народнохозяйственного, достигается при
эксплуатации продукции более высокого
качества вследствие увеличения сроков'
службы и ресурсов изделий.

В целом же замена обычного металла
металлом ЭШП при производстве шари-
коподшипниковых, инструментальных, жа-
ростойких, нержавеющих и других легиро-
ванных и высоколегированных сталей и
сплавов с народнохозяйственных позиций
всегда экономически целесообразна.

§ 3. Сравнительный анализ
технико-экономических
показателей ЭШП и других
переплавных процессов

Рост потребностей народного хозяйства в
высококачественном металле способство-
вал возникновению различных способов его
переплава. К настоящему времени наибо-
лее широкое развитие и освоение получи-
ли ЭШП, ВИП и ВДП. Этими способами
производится более 200 марок сталей и
сплавов. Успешно развиваются также

ЭЛП и ПДП, однако их промышленное
применение пока ограничено.

Поскольку в большинстве случаев пе-
реплавные процессы используются для
получения одних и тех же видов металлов,
несомненный интерес представляет выяв-
ление наиболее экономичного из них.

По данным В. А. Роменца [55], иссле-
дование сопоставимых вариантов произ-
водства стали ШХ15 различными пере-
плавными способами свидетельствует, что
наиболее производительным является
ЭШП: по отношению к ВДП его произ-
водительность выше в 2—2,5 раза, к
ВИП — в 5—6 раз, к ЭЛП — в 3,5—
4,5 раза, к ПДП — в 3—4 раза. В то же
время ЭШП наименее капиталоемок: по
сравнению с ВДП его стоимость ниже в
4 раза, по сравнению с ВИП — в 12 раз,
по сравнению с ЭЛП — в 5 раз, по сравне-
нию с ПДП —в 3,5 раза.

Разумеется, эти соотношения примени-
тельно как к переменным, так и к приве-
денным ниже показателям могут меняться
с увеличением емкости установок ВИП и
расширением промышленной эксплуата-
ции ЭЛП и ПДП, однако общий порядок
сохранится.

На уровень текущих затрат при произ-
водстве продукции различными переплав-
ными способами большое влияние оказы-
вает величина сквозного расходного коэф-
фициента (табл. 513).

Наименьшая величина сквозного рас-
ходного коэффициента при ЭШП обуслов-
лена как отсутствием необходимости в об-
дирке слитка, имеющего хорошую поверх-

Таблица 513. Расходные коэффициенты по видам технологических операций и способам
переплава металлов

Операция	Способ переплава				
	ЭШП	вдп	ВИП	ЭЛП	ПДП
Прокатка электрода, начиная с отлитого в изложницы слитка из стали открытой вы- плавки	1,260	1,260		1,260	1,260
Зачистка электрода	1,050	1,050	—	1,050	1,050
Переплав (или плавление)	1.040	1,057	1,017	1,023	1,023
Зачистка слитка	—	1,070	1,070	1,070	1,070
Прокатка слитка до конечного продукта	1,150	—	—	-—	—
Ковка слитка до конечного продукта	—-	1,400	2,000	1,400	1,400
Сквозной расходный коэффициент	1,590	2,100	2,180	2.030	2,030

1/221 2426
Таблица 514. Текущие и приведенные затраты по способам переплава металлов, руб/т

Затраты	Способ* переплава				
	ЭШП	вдп	ВИП	ЭЛП	ПДП
Себестоимость переплавного передела	56	88	250	90	145
Себестоимость конечного продукта	265	420	761	448	463
Приведенные затраты на производство ко- нечного продукта	275	459	875	504	580

ность, так и в первую очередь несовпаде-
нием вида переделов (прокатки при ЭШП
и ковки в остальных случаях). Более вы-
сокая производительность и выход годно-
го при минимальной капиталоемкости
обеспечивают наиболее высокие экономи-
ческие показатели ЭШП по сравнению
с другими рассматриваемыми способами
как непосредственно по переплавному пе-
ределу, так и по конечному продукту
(табл. 514).

Таким образом, ЭШП является наибо-
лее экономически эффективным способом
получения высококачественных металлов,
а более высокая гибкость процесса явля-
ется основой тех больших потенциальных
возможностей, реализация которых позво-
лит ему и в целом электрошлаковой тех-
нологии в обозримом будущем сохранить
свое лидирующее положение.

Остановимся более подробно на анали-
зе технико-экономических показателей
двух наиболее освоенных и широко при-
меняемых переплавных процессов — ВДП
и ЭШП. Сравнительный анализ осуществ-
лен по производству стали 12Х2Н4А на
печах ДСВ-6,3 и ОКБ-1065 на базе фак-
тических данных одного из заводов.

Годовая производительность переплав-
ных печей определяется массой слитков,
продолжительностью плавки и простоями
установок. Приведенные ниже расчеты
выполнены при условии работы печей в
наиболее интенсивном режиме плавки:

Сечение кристаллизатора, мм
Масса слитка, т

Календарное время работы,
сутки

Простои:

в сутках

вдп	эшп

ДСВ-	ОКБ-

6.3Г/6	1065

630	565

6,3	4,0

365	365

18,3	14.6

в % к календарному

времени	5,0	4,0
Фактическое время работы:		
в сутках	346,7	350,4
в часах	8320,8	8409,6
Продолжительность плавки.		
ч-мин	16—05	10—00
В том числе:		
подготовка печи к плавке	0—35	0—15
крепление и центровка		
ачектрода и затравки	0—30	0—20
засыпка флюса	—	0—10
откачка печи и проверка		
натекания	0—20	—
расплавление флюса	—	0—15
плавление	14—00	7—50
выдержка слитка	0—30	1—00
выгрузка слитка	0—10	0—10
Часовая производитель		
ность, т	0,391	0,400
Годовая производительность		
слитков, т		
черновых	3253	3364
чистовых	3012	3364

Производительность электрошлаковой
печи ОКБ-1065 в черновых слитках не-
сколько выше (на 3,4%), чем произво-
дительность вакуумнодуговой печи
ДСВ-6.3Г/6. Это связано главным образом
с тем, что переплав в печи ЭШП ведется с
большей интенсивностью, чем в печи ВДП
(скорость плавления электрода 510 и
450 кг/ч соответственно). Кроме того,
печи ВДП имеют несколько большую ве-
личину простоев на ремонтах, что связа-
но со сложностью и относительно недоста-
точной надежностью вакуумного оборудо-
вания.

Следует, однако, заметить, что сравне-
ние производительности печей ВДП и
ЭШП по черновым слиткам не показа-
тельно [16]. Если качество поверхности
электрошлаковых слитков хорошее и они
могут сразу же после переплава подвер-
гаться горячей деформации, то для ва-
куумных слитков вследствие неудовлетво-
ригельного качества их поверхности тре-
буется предварительная обдирка. Потери
металла при этом составляют 80 кг на 1т
чистовых слитков ВДП. В результате про-
изводительность электрошлаковой печи
ОКБ-1065 по чистовым слиткам на 11,7%
выше производительности печи ВДП
ДСВ-6.3Г/6.

Преимущества ЭШП проявляются и в
затратах на производство чистовых слит-
ков. Прежде всего это относится к расхо-
ду металла, который характеризуется сле-
дующими данными, т/т:

	ВДП	ЭШП
Прокатка электродов	1,240	1,240
Зачистка электродов	1,080	-—
Переплав электродов	1,015	1,030
Обдирка слитков	1,080	•—
Сквозной расходный коэффи-		
циент	1,468	1,277

Расход металла непосредственно при
переплавах принят при условии крепления
электрода с приваркой инвентарной го-
ловки. Более высокий при этом расход-
ный коэффициент для ЭШП (1,030 против
1,015) объясняется в нашем примере
меньшей длиной электрошлакового слитка
(1,7 м против 2,7 м при ВДП), в результате
чего при близком по размеру сечении элек-
тродов и одинаковой высоте огарка коли-
чество последнего в расчете на единицу
длины (а следовательно, и массы) слитка
в случае ЭШП получается больше (25 кг/т
против 13 кг/т). В данном случае несколь-
ко больше при ЭШП и угар металла
(5 кг/т против 2 кг/т слитка). Однако
сквозной расходный коэффициент метал-
ла от слитков открытой выплавки до пе-
реплавных слитков при ВДП в 1,15 раза
выше, чем при ЭШП. Это связано с до-
полнительными по сравнению с ЭШП по-
терями металла при зачистке электродов
и обдирке слитков.

Как показали расчеты, при ВДП бо-
лее высокие расходы по переделу, которые

характеризуются	следующими	данными,
руб/т:		
	вдп	эшп
Зачистка электродов	9,56	—
Переплав электродов	49,78	42,14
Обдирка слитков	17,61	—
Итого	76,95	42,14

Таким образом, расходы по переделу
на производство вакуумных слитков в на-
стоящее время почти вдвое выше анало-
гичных расходов при ЭШП.

В табл. 515 показана структура расхо-
дов по переделу непосредственно при пе-
реплавах. Как видно из таблицы, расходы
при ВДП на 7,64 руб/т (или на 18,1%)
выше, чем при электрошлаковом.

Расчет себестоимости чистовых слит-
ков стали 12Х2Н4А приведен в табл. 516.
Себестоимость чистовых слитков стали
12Х2Н4А после ВДП на 21,2% выше, чем
после ЭШП.

Оба рассматриваемых переплава, яв-
ляясь дополнительными звеньями в цепи
металлургического производства, требуют
дополнительных капитальных затрат, ко-
торые составляют в условиях данного за-
вода следующую величину, руб/т:

вдп эшп

Прокатка электродов	40,15	40,15

Зачистка электродов	38,08	—

Переплав электродов	207,96	60,48

Обдирка слитков	84,57	—

Итого	38.76	100,63

Из приведенных данных видно, что ве-
личина дополнительных капитальных за-
трат на комплекс ВДП в 3,8 раза выше,
чем на комплекс ЭШП, причем в сам пе-
реплав капиталовложения при ВДП в
3,4 раза выше, чем при ЭШП. Более вы-
сокие при ВДП капитальные затраты на
переплав электродов объясняются боль-
шей стоимостью установок и здания цеха
в расчете на единицу производительности.
Стоимость печи ДСВ-6,3 Г/6, например, в
2,5 раза выше, чем печи ОКБ-1065.

Структура основных фондов по пере-

плавам следующая, %:

вдп эшп

Здания	36,4	37,3

Рабочие машины и оборудова-
ние	63,1	62,3

Прочие затраты	0,5	0,4

Итого	100,0	100,0

Основная доля капитальных затрат
как при ВДП, так и при ЭШП приходит-
ся на рабочие машины и оборудование
(63,1 и 62,3%); значительный удельный
вес занимает и стоимость здания (36,4 и
37,3% соответственно).
Таблица 515. Расходы по переделу при ВДП и ЭШП

Затраты	ВДП		ЭШП	
	руб.—коп.	о/ /о	руб.—коп.	%
Технологическое топливо	0—35	0,7	0—08	0,2
Электроэнергия для плавки	7—32	14,6	19—15	45,4
Энергетические затраты	7—07	14,8	0—94	2,2
Основная зарплата производственных рабочих	7—77	15,5	4—62	11,0
Дополнительная зарплата производственных рабочих	2—24	4—5	0—86	2,1
Сменное оборудование, инструмент, инвентарь	0—03	0—1	0—06	0,1
Текущий ремонт и содержание основных средств	5—45	10,8	8—68	20,0
Вспомогательные материалы	—	—	0—26	0,6
Амортизация основных средств	9—87	19,7	.3—43	8,1
Работа транспортных цехов	1—50	3,0	0—78	1,9
Прочие расходы цеха	5—92	11,8	1—47	3,5
Итого расходов по переделу	47—52	95,5	40,08	95,1
Общезаводские расходы	2—26	4,5	2—06	4,9
Всего расходов	49—78	100,0	42—14	100,0

Таблица 516. Себестоимость 1 т чистовых слитков из стали 12Х2Н4А

Затраты	вдп		ЭШП	
	Количест- во, т/т	Сумма, руб.	Количест- во, т/т	Сумма, руб.
Задано в переплав	1,015	309,37	1,030	276,27
Отходы (—)	0,015	1,73	0,030	3,38
Итого задано за вычетом отходов	1,000	307,64	1,000	272.39
Флюсы	—	-—	—	14,24
Расходы по переделу и общезаводские расходы	—	49,78	—	42,14
Производственная себестоимость черновых слитков	—	357,42	—	328,77
Задано в обдирку	1,080	386,01	—	—
Отходы (—)	0,080	5,12	—	—
Задано за вычетом отходов	1,000	380,89	—	—
Расходы по обдирке	—	17,61	—	—
Производственная себестоимость чистовых слитков	—	398,50	-—	328,77
То же, %	—	121,2	—	100.0

Примечание. Учтены только прямые капиталовложения.

Полные капитальные затраты на про-
изводство 1 т чистовых вакуумнодуговых
и электрошлаковых слитков в условиях
данного завода составляют соответствен-
но 740 и 445 руб/т.

Приведенные затраты на производство
переплавных слитков стали 12Х2Н4А при
ВДП составляют 487,3 руб/т, а при
ЭШП — 382,2 руб/т. Эти данные показы-
вают, что производство ВДП примерно в
1,3 раза дороже, чем производство слит-
ков ЭШП.

Кроме того, необходимо отметить, что
разрыв в затратах на производство пере-

плавного металла двумя методами при
последующих переделах еще более возра-
стает. Это связано с тем, что обработка
вакуумных слитков осуществляется мето-
дом ковки (процессом ВДП получают
только круглые слитки), в то время как
слитки ЭШП прокатываются в основном
на блюмингах или крупносортных прокат-
ных станах (ЭШП производится не толь-
ко в круглые, но и в квадратные кристал-
лизаторы). Расходы же по переделу при
ковке в несколько раз выше, чем при про-
катке (около 50 и 12 руб/т соответствен-
но); значительно выше и удельные капи-
тальные вложения в кузнечное производ-
ство.

Освоение ВДП в квадратные кристал-
лизаторы позволило бы сохранить соотно-
шение технико-экономических показателей
ВДП и ЭШП на уровне, определенном
для чистовых слитков. В целом использо-
вание ВДП оправдано лишь в тех ред-
ких случаях, когда ЭШП не может обес-
I	печнть требуемое потребителями качество

♦	металла.

I

§ 4. ЭШЛ — важное направление
повышения эффективности
заготовительного производства

Структура производства в машинострое-
нии СССР имеет замкнутый цикл и состо-
ит из трех основных звеньев: заготовка —
механическая обработка — сборка. Эффек-
тивность машиностроительного производ-
ства в целом зависит от экономичности
каждого из звеньев общего цикла. Однако
основным является производство загото-
вок, так как от качественных решений и
исполнения их зависят затраты по меха-
нической обработке и сборке.

Максимальное приближение заготовок
по форме и размерам к конечному про-
дукту резко снижает приведенные затра-
ты по механической обработке. Насколь-
ко они значительны в настоящее время,
можно судить по структуре трудозатрат в
некоторых отраслях машиностроения
(табл. 517) [18]. Данные таблицы свиде-
{ тельствуют, в частности, о наибольшем
удельном весе трудозатрат на механиче-
скую обработку в обшей структуре трудо-
емкости. Такое положение вызвано опре-

деленной консервативностью в производ-
стве некоторых видов заготовок, при ко-
тором допускается наличие значительных
припусков металла по отношению к конеч-
ным изделиям. В первую очередь это отно-
сится к изготовлению поковок. Так, при
механической обработке поковок отходы в
стружку составляют более 40% их массы
[18]. При этом нельзя рассчитывать на
получение высокого экономического эф-
фекта от совершенствования процесса ре-
зания металла в связи с достаточно жест-
кими границами его технических возмож-
ностей и необходимостью значительных
капитальных затрат.

Таким образом, при производстве за-
готовок, значительно превышающих по
массе изделия, народное хозяйство стра-
ны дважды несет убыток: вначале на
создание излишнего количества металла,
а впоследствии на его ликвидацию.

Следовательно, пути резкого повыше-
ния экономической эффективности в ма-
шиностроении нужно искать в качествен-
ном совершенствовании заготовительного
производства, в применении прогрессив-
ных технологических процессов, направ-
ленных на новые способы формообразова-
ния заготовок деталей с минимальными
припусками на механическую обработку
и на получение непосредственно готовых
изделий.

Следует отметить, что в настоящее
время в производстве литых заготовок уже
применяются такие прогрессивные техно-
логические процессы, как точное литье
и др. Однако до последнего времени не
было технологии, способной рационально
заменить производство Машиностроитель-

Таблица 517. Структура трудоемкости производства заготовок по обычному и угольному
машиностроению, % [1]

Технологический процесс	Машиностроение	Угольное машиностроение		
		Угольные ком- байны	Подъемные машины	Рудничные электрозозы
Литье	19,6	4,1	20,6	10,0
Обработка давлением	4,9	4,7	8,4	6.5
Механическая обработка	36,7	59,2	42,0	35,6
Слесарно-сварочные работы	7,2	3,9	6,2	7,4
Сборка	24 2	25,8	20,7	31,8
Другие работы	7,4	2,3	2,1	8,7
ных заготовок в виде поковок. Основная
причина состояла в том, что традицион-
ные методы производства не позволяли
иным способом получить металл с таки-
ми же высокими рабочими характеристи-
ками. В то же время производство поко-
вок отличается наиболее высокими при-
веденными затратами среди других видов
заготовок, так как связано с дорогостоя-
щим переделом — ковкой, требующей уни-
кального оборудования и отличающейся
большими потерями металла.

Решение вопроса резкого повышения
эффективности производства поковок было
получено благодаря созданию в ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР нового техно-
логического процесса — ЭШЛ. Суть этого
процесса заключается в получении литых
изделий путем ЭШП расходуемых электро-
дов в кристаллизатор сложной формы,
максимально приближенной по своей кон-
фигурации и размерам к готовой детали
(в ряде случаев уже сейчас совпадающей
с ней). При этом расходуемые электроды
могут применяться в виде катаных, литых
или кованых заготовок. Качество отли-
вок, получаемых методом ЭШЛ, по своим
свойствам не уступает качеству деформи-
рованного металла, полученного путем
горячей прокатки или ковки литого метал-
ла, а по ряду показателей превосходит
его.

Технология ЭШЛ уже нашла примене-
ние при производстве ответственных изде-
лий, таких, как сосуды высокого давления,
коленчатые валы и шатуны судовых двига-
телей, корпуса запорной арматуры тепло-
вых и атомных электростанций и др. [27—
29].

Дальнейшему развитию технологии
ЭШЛ в нашей стране придается большое
значение, о чем свидетельствует постанов-
ление Совета Министров СССР «О внедре-
нии электрошлакового литья в машино-
строении в 1976—1980 гг.» (См. «Изве-
стия» от 17 июля 1976 г.). В постановле-
нии намечены объемы производства и ввод
мощностей по ЭШЛ на период до 1980 г.,
конкретизированы обязанности ряда мини-
стерств по обеспечению соответствующей
материально-технической базы ЭШЛ. Ко-
ординация работ, связанных с дальнейшим
внедрением способа ЭШЛ в машинострое-

нии, возложена на ИЭС им. Е. О. Патона
АН УССР.

В соответствии с заданием указанного
постановления институтом был разработан,
согласован с заинтересованными машино-
строительными министерствами и пред-
ставлен на утверждение в Государствен-
ный комитет Совета Министров СССР по
науке и технике координационный план
научно-исследовательских работ на деся-
тую пятилетку по усовершенствованию и
развитию способа ЭШЛ.

Таким образом, в настоящее время
осуществлен переход от отдельных работ
в области технологии ЭШЛ к созданию
государственной программы с координа-
цией между ведущими организациями и
предприятиями страны различных направ-
лений научно-исследовательских разрабо-
ток и промышленного освоения их резуль-
татов.

В соответствии с этой программой уже
в текущем пятилетии с применением техно-
логии ЭШЛ будут производиться заготов-
ки деталей энергетической арматуры с
приплавлением готовых элементов для
атомных электростанций; химической ар-
матуры; валков холодной прокатки; бан-
дажей цементных печей; деталей промыш-
ленных тракторов; патрубков для энерге-
тического машиностроения; коленчатых ва-
лов для гомогенизаторов молока; деталей
для тяжелых кузнечно-прессовых машин и
станков и др.

Переход на производство заготовок
ЭШЛ взамен поковок дает следующие пре-
имущества народному хозяйству страны:

—	экономится значительное количество
металла;

—	появляется возможность новых, бо-
лее экономичных конструктивных решений;

—	ликвидируется дорогостоящий пере-
дел — ковка, что ведет к снижению приве-
денных затрат;

•	— значительно сокращается объем ра-
бот по механической обработке, что также
ведет к снижению приведенных затрат;

—	резко снижается потребность в куз-
нечно-прессовом, металлорежущем и кра-
новом оборудовании;

—	высвобождаются рабочие дефицит-
ных специальностей для выполнения дру-
гих работ;
Таблица 518. Расходные коэффициенты
металла на механическую обработку при замене
поковок заготовками ЭШЛ (на 1т заданных
изделий) по машиностроительным министерствам

Министерства	-п	^р-з	С « а Си
Минэнергомаш	2,5	1,5	1,7
МинсельХозмаш	3,8	1,2	3,2
Мпнхиммаш	1,6	1,2	1,35
Минтяжмаш	2,25	1,5	1,5
Мпнлегпищенром	3,2	1,2	2.7
Минстанкопром	2,0	1,2	1,7
Мипстройдормаш	2,0	1,2	1,7
Среднее значение коэф-			
фициентов	2,5	1,3	2,0

Примечание. Кр.пи^р.з — расходные коэффи-
циенты при производстве соответственно поковок и за-
готовок ЭШЛ.

— высвобождаются производственные
площади;

— повышаются культура производства,
техника безопасности и гигиена труда.

Уровень экономии металла при замене
поковок заготовками ЭШЛ можно просле-
дить на примере изделий, намеченных к
производству на предприятиях машино-
строительных министерств. В табл. 518
приведены значения расходных коэффици-
ентов металла на 1 т заданных изделий.

Резкое уменьшение расходных коэффи-
циентов при замене поковок заготовками
ЭШЛ ведет к значительной экономии ме-
талла. В среднем его расход снижается
в 2 раза благодаря уменьшению припусков
на механическую обработку. Помимо этого,
достигается экономия металла в процессе

технологических переделов получения заго-
товок, в среднем на 1 т поковок (с учетом
затрат металла на получение отливок)
расходуется 1,5 т металла, в то время как
на изготовление такого же количества за-
готовок ЭШЛ расходуется 1,06—1,12 т с
учетом затрат металла на расходуемые
литые электроды, полученные на машинах
полу- и непрерывной разливки стали и в
специзложницы, а также 1,27—1,29 — при
использовании кованых и катаных электро-
дов. При этом расход металла непосред-
ственно при электрошлаковом переделе со-
ставляет в среднем 1,03 т/т.

Таким образом, можно установить
удельный расход металла на 1 т поковок
и заготовок ЭШЛ по заданным изделиям
(табл. 519).

Следовательно, при переходе от поко-
вок (из слитков) на ЭШЛ использование
металла по заданным видам изделий по-
вышается с 27% до 60—72%, или в 2,2—
2,7 раза, что соответствует его экономии
на 1 т годных изделий 2,07—2,37 т. Имен-
но экономия по статье затрат на основные
материалы занимает наибольший удельный
вес в создаваемом экономическом эффек-
те. Так, при переходе от поковок к заго-
товкам ЭШЛ при производстве патрубков
диаметром 600 мм для энергетического
машиностроения из стали 15Х1М1Ф ожи-
даемая экономия основных материалов
составляет 99,4%, а при производстве де-
талей тяжелых кузнечно-прессовых машин
и станков — 80% общей экономии текущих
затрат. При этом, чем выше стоимость ис-
ходной стали, тем больше сумма экономи-
ческого эффекта.

Таблица 519. Расходные коэффициенты металла по технологическим переделам при
производстве заданных деталей иа машиностроительных предприятиях

Способ получения загото вки	Расходные коэффициенты металла				
	Ковка	ЭШЛ	Резание	Общий по переделам	Использова- ние металла. %
Свободная ковка из слитков  ЭШЛ с использованием электродов:	1,5	—	2,5	3,75	27
литых на машинах полу- и непре- рывной разливки		1,06	1,3	1,38	72
литых в специзложницы		1,12	1,3	1,46	68
кованых		1,27	1,3	1,65	61
катаных		1,29	1.3	1,68	60
Замена ковки переделом ЭШЛ позво-
лит по-новому оценить пути развития пар-
ка кузнечно-прессового оборудования и по-
требности в рабочей силе на этом виде
технологического передела.

Значительный резерв повышения эф-
фективности заготовительного производ-
ства заключается в возможности новых
конструктивных решений. Примером может
служить технология ЭШЛ заготовок бан-
дажей цементных печей. Изготовленные
этим способом бандажи позволяют упро-
стить конструкцию опорного узла цемент-
ной печи, улучшить его качество и повы-
сить эксплуатационную надежность печи в
целом.

По сравнению с серийно изготовляемы-
ми опорными узлами печей диаметром
5Х 185 м, в которых бандажи имеют сво-
бодную посадку (с тепловым зазором и
регулирующими прокладками), новые кон-
структивные решения позволили снизить
чистовую массу изделия на 22 т, а массу
заготовки — на 37 т. Ожидаемый экономи-
ческий эффект в сфере производства со-
ставит 8801 руб. в расчете на 1 бандаж.
Помимо указанных факторов экономиче-
ский эффект достигается за счет сокраще-
ния затрат по механической обработке.

Новая конструкция бандажей, изготов-
ленных методом ЭШЛ, позволит также со-
кратить простои цементных печей на те-
кущем ремонте с 6 до 3%. Это даст
дополнительный экономический эффект
16 000 руб. в расчете на 1 бандаж, в том
числе за счет экономии условно-постоян-
ной части накладных расходов — 6,5 тыс.
руб., сокращения затрат на ремонт футе-
ровки — 9,5 тыс. руб.

Свободная ковка из слитков и проката
является весьма дорогостоящей операцией
в первую очередь из-за значительных от-
ходов металла: в среднем на 1 т поковок,
как уже упоминалось, расходуется 1,5 т
металла [31]. При этом в структуре себе-
стоимости производства поковок из углеро-
дистых сталей основные материалы (за
вычетом отходов) составляют 35 -45%, а
легированные— 50—65%. Следовательно,
основной резерв повышения экономичности
данного вида передела также заключается
в снижении затрат на материалы путем
сокращения отходов. Это достигается при

замене ковки переделом ЭШЛ. Расход ме-
талла при ЭШЛ составляет до 1,1 т на 1т
заготовок. Таким образом, экономия ме-
талла в расчете на 1 т поковок составляет
0,4 т.

Если принять себестоимость передела
ЭШЛ в расчете на 1 т электрошлакового
металла равной 75 руб., то уже при цене
исходной отливки под ковку 187,5 руб. за
1 т за счет экономии металла полностью
покрываются затраты по электрошл а ново-
му переделу.

Вторая по величине группа затрат в
структуре себестоимости производства по-
ковок связана с использованием основных
фондов и составляет для углеродистых
сталей 19—25%, для легированных — 16—
23% [32]. Высокая стоимость оборудова-
ния и низкий в ряде случаев уровень его
загрузки (на предприятиях с индивиду-
альным и мелкосерийным характером про-
изводства) также ведут к удорожанию
процесса ковки.

Влияние указанных факторов способст-
вует в первую очередь тому, что стоимость
1 т поковок зачастую превышает аналогич-
ный показатель по заготовкам ЭШЛ. Так,
если стоимость производства 1 т поковок
для патрубков диаметром 600 мм из стали
15Х1М1Ф для энергетического машино-
строения равна 1150 руб., то стоимость 1 т
ЭШЛ — 828 руб.; по ряду заготовок дета-
лей запорной арматуры в системе Минхим-
маша эти стоимости соответственно состав-
ляют 270—1600 и 100—958 руб.

Данные табл. 518 свидетельствуют об
уменьшении удельного расхода металла на
1 т изделия при переходе с поковок на
заготовки ЭШЛ в среднем на 1,2 т. Дру-
гими словами, при изготовлении 1 т изде-
лий происходит сокращение объема работ
по механической обработке заготовок на
1,2 т, что дает значительный экономиче-
ский эффект. Согласно расчетам на снятие
1000 т стружки резцами и фрезами затра-
чивается труд более 160 рабочих, исполь-
зуется 100 металлорежущих станков,
4 тыс. м2 площади, свыше 800 тыс. кВт • ч
электроэнергии [18].

Таким образом, резкое уменьшение
объема механической обработки позволит
высвободить значительное количество ме-
таллорежущего оборудования и рабочей
силы для использования на других опера-
циях. В условиях определенного дефицита
в указанных элементах производительных
сил значение данной возможности очень
велико.

Соответственным образом улучшаются
условия работы трудящихся, так как про-
цесс ЭШЛ отличается высоким уровнем
гигиены труда, технцки безопасности, куль-
туры производства.

Рассмотренные преимущества производ-
ства заготовок взамен поковок по задан-
ным видам изделий предприятий машино-
строительных министерств, оцененные в
денежном выражении, выразились в сле-
дующих результатах:

Министерство

Минэнергомаш
Минсельхозмаш
Минхиммаш
Минлегпищемаш
Минстанкопром
Минстройдормаш

Экономический эффект
иа I т ЭШЛ. руб.

1553,5

293,4

510,0

469,1

140,0

325,0

Столь высокий уровень экономической
активности нового технологического про-
цесса производства заготовок взамен поко-
вок ставит задачу ускорения внедрения
ЭШЛ в производство. Несмотря на наме-
ченные перспективы расширения объемов
его внедрения в период до 1985 г., номен-
клатура заготовок остается сравнительно
узкой. Поэтому уже сейчас необходимо ин-
тенсифицировать проведение комплекса ра-
бот по определению экономически целесо-
образной номенклатуры заготовок для пе-
ревода их на изготовление методом ЭШЛ.
При этом наряду с поковками необходимо
учитывать также штамповки и стальное
литье. В последнем случае экономический
эффект будет создаваться как в сфере про-
изводства (за счет повышения выхода год-
ного в результате отсутствия литниковой
системы, выпаров, прибыли, значительного
уменьшения или полного устранения при-
пусков на механическую обработку, ликви-
дации брака по литью, снижения затрат
на механическую обработку), так и в сфе-
ре потребления (за счет более высоких
эксплуатационных характеристик и увели-
чения срока службы изделий).

Широкое внедрение метода ЭШЛ в ма-
шиностроение и его межотраслевой харак-

тер требуют в перспективе решения во-
просов организационного характера, опре-
деления наиболее экономически целесооб-
разных форм производства.

§ 5.	Экономическая оценка состояния
производства электрошлакового
металла за рубежом

Еще 15—20 лет назад за рубежом в обла-
сти переплавных процессов предпочтение
отдавалось ВДП и ЭЛП. При этом если
печи для ЭЛП использовались для пере-
плава в весьма ограниченном масштабе,
то печи для ВДП в промышленно разви-
тых странах получили достаточно широ-
кое применение. Казалось, ничто не пред-
вещало быстрого развития производства
электрошлакового металла за рубежом в
ближайшее время [7]. Однако интенсивные
и целенаправленные исследования в обла-
сти электрошлаковой технологии, а также
ее успешное внедрение в широких масшта-
бах в промышленности СССР побудили
иностранные фирмы пересмотреть свои по-
зиции [58, 59].

Уже в первых публикациях зарубежных
специалистов отмечаются преимущества
электрошлаковой технологии: высокое ка-
чество металла, удовлетворяющее требова-
ниям широкой номенклатуры специальных
изделий в различных областях народного
хозяйства: относительная простота и на-
дежность производства по сравнению с
получением равноценного по качеству ме-
талла другими переплавными процесса-
ми; большие потенциальные возможности
получения металла различной массы и
конфигурации; более высокая экономич-
ность.

Сознавая свое отставание от СССР в
данной области как минимум на 10 лет,
зарубежные фирмы обращаются к опыту
нашей страны [56, 57]. США, Франция,
Швеция, Япония и другие страны приоб-
рели в СССР ряд лицензий и различные
виды электрошлакового оборудования. На-
ряду с этим в ряде стран (США, Англия,
Франция, ФРГ, Австрия, Япония и др.)
создаются исследовательские центры в об-
ласти электрошлаковой технологии и фир-
мы по разработке и производству оборудо-
вания [21].
В настоящее время мнения зарубежных
специалистов едины в предпочтении элект-
рошлаковой технологии другим переплав-
ным процессам, в том числе наиболее ши-
роко распространенному ВДП [22]. При
этом отмечается, что оборудование и тех-
нология ВДП достигли такой степени зре-
лости, когда никаких существенных изме-
нений не ожидается. Состояние развития
этого процесса может рассматриваться
практически законченным, в результате
нельзя предвидеть в данный период новых
областей применения ВДП [50]. В то же
время электрошлаковая технология нахо-
дится в стадии бурного развития, а боль-
шие потенциальные возможности предпо-
лагают ее внедрение во все новые обла-
сти производства.

Важным преимуществом электрошла-
ковой технологии является то, что она на-
ходится вне связи с основным технологиче-
ским процессом производства. Это, как и в
СССР, предопределило ее широкое внедре-
ние за рубежом не только в металлургиче-
ских, но и в машиностроительных фирмах.
Однако в связи с преимуществами социали-
стической формы хозяйствования, в нашей
стране создание производства электрошла-
кового металла шло централизованно, по
пути создания крупных цехов, оснащенных
специализированным оборудованием. Дан-
ные об оснащенности зарубежных фирм
электрошлаковыми установками [51, 52]
свидетельствуют о том, что производство
имеет индивидуальный и мелкосерийный
характер, ориентировано на небольшие
участки с малыми объемами производства
и использованием универсального оборудо-
вания. Количество установок на одном
предприятии, как правило, не превышает
1—3 единиц.

Несмотря на столь различные формы
организации производства, виды применя-
емого оборудования, структуру производст-
венных затрат и цены, мнения зарубежных
специалистов созвучны с выводами совет-
ских экономистов о том, что электрошлако-
вая технология производства качественных
металлов превышает по экономическим
показателям другие переплавные способы,
а также традиционные, являясь наиболее
эффективным из них.

Остановимся на некоторых показателях

развития электрошлаковой технологии за
рубежом.

Общее количество печей для ЭШП воз-
росло с 5 в 1964 г. до 65 в 1972 г. [30] и
превысило 130 в 1974—1975 гг. [51, 52].
По неполным данным количество печей в
1979 г. составляло: в Австрии — 4, в Анг-
лии — 30, в Бельгии — 2, в Бразилии — 3,
в Италии — 7, в США — 50, во Франции —
8, в ФРГ — 23, в Швеции — 11, в Японии —
34, в Люксембурге— 1, в Индии— 11.

Помимо этого, электрошлаковые печи
за последние годы введены в эксплуата-
цию в ЮАР, Канаде, Австралии, Южной
Корее, Индии и других странах [53, 54].

Основным поставщиком печей ЭШП в
западные страны являются австрийская
фирма «Гебр. Бёлер унд Ко А. Г.»
(с 1975 г. преобразована в фирму «Ферай-
нигте эдельштальверке АГ» (ФЭВ) (совет-
ский лицензиат); «Бпрлек» и «Робери
оуэн» (Англия); «Лейбольд — Гереус»
(ФРГ); «Консарк» (США); японские фир-
мы «Улвак» (советский лицензиат) и «Дай-
до» (лицензиат фирмы «Лейбольд—Гере-
ус») [51, 52].

Необходимо отметить, что помимо ука-
занных печей для ЭШП зарубежного про-
изводства в ряде капиталистических стран
(Франция, Швеция, Япония) эксплуатиру-
ются советские установки. Советские уста-
новки работают также в социалистических
странах — Болгарии, Польше, Румынии,
Югославии, Чехословакии [45, 52]. В ГДР
используют электрошлаковое оборудова-
ние собственного изготовления.

Объем производства электрошлакового
металла в 1971 г. составил в развитых ка-
питалистических странах около 180 тыс. т
[49] и, судя по увеличению количества
оборудования, к 1975 г. удвоился и нахо-
дился на уровне 350—400 тыс. т, а к
1980 г. он достиг 600—700 тыс. т. Совет-
ский Союз, по оценке зарубежных спе-
циалистов [49] как раньше, так и теперь
занимает ведущее положение в этом виде
продукции.

Наиболее крупными производителями
электрошлакового металла являются США,
Англия, Япония, Швеция, ФРГ, Франция
и Австрия [49]. Электрошлаковая техно-
логия используется для производства ши-
рокой гаммы специальных жаропрочных,
нержавеющих, инструментальных, сверх-
прочных сталей и сплавов. Разумеется, до-
ля производства электрошлакового метал-
ла в общем объеме качественных сталей
еще невысока, однако она быстро прогрес-
сирует.

По оценке зарубежных специалистов
[36], производственные возможности элек-
трошлаковой технологии следующие:

Электрошлаковый
металл

Инструменталь-
ные стали

Шарикоподшип-
никовые стали
Нержавеющие
стали

Сверхвысоко-
прочные стали

Жаропрочные
сплавы

Медноникелевые
сплавы

Изделия из электрошлакового
металла

Валки, резальные ножи, боль-
шие сверла, фрезы, штампы,
прошивки, оправки, пробойни-
ки

Обоймы подшипников, стопор-
ные кольца

Детали ядерных реакторов,
инструмент для экструзии
Сосуды высокого давления,
трубы перископов, орудийные
стволы, корпуса ракетных
двигателей, большие кольца,
колпаки

Выхлопные трубы реактивных
двигателей, сопла ракет, коль-
ца для авиационных двигате-
лей, детали крыльев самоле-
тов, лента, проволока, прессо-
ванный профиль

Детали глубоководных аппа-
ратов (трубы, кольца, валы)

Широкий диапазон производственных
возможностей и заинтересованность потре-
бителей в электрошлаковой продукции
способствовали появлению в зарубежной
печати ряда работ по анализу экономиче-
ской эффективности электрошлаковой тех-
нологии. К сожалению, в большинстве
случаев опубликованные материалы огра-
ничиваются анализом экономичности соб-
ственно электрошлакового передела, не
затрагивая последующих переделов и сфе-
ры эксплуатации, либо содержат отрывоч-
ные данные. Также нет систематизирован-
ной оценки по видам металлов и изделий.
Неодинаков и методический подход к
оценке эффективности в разных странах.
Тем не менее общая направленность вы-
водов позволяет сделать заключение об
экономической целесообразности производ-
ства электрошлаковой продукции по срав-
нению с другими переплавными, а также
традиционными способами.

Целесообразность развития электро-
шлаковой технологии как в СССР, так и
за рубежом оценивалась в начальный пе-
риод с позиций ее конкурентоспособности
по отношению к ВДП. Поэтому в работах
западных экономистов этому вопросу уде-
лено значительное внимание.

В табл. 520, 521 приведены данные
фирмы «Бёлер» при выплавке слитков
ВДП и ЭШП диаметром 635 мм и массой
7,5 т [54].

Данные табл. 520, 521 свидетельствуют
о значительных технико-экономических
преимуществах электрошлакового способа
производства металлов, который был бы
еще значительнее при сравнении с двухпо-
зиционной печью ЭШП, что методически
было бы правильным. Отмечая преимуще-
ства ЭШП по сравнению с ВДП, к его до-
стоинствам относят высокий выход годно-
го, возможность получения более крупных
слитков различной конфигурации, высо-
кое качество поверхности, малую голов-
ную обрезь, хорошую обрабатываемость, а
также благодаря отличной гомогенности и
равномерности структуры промышленных
слитков возможность снижения частоты
контроля качества и расширения областей
применения [49].

Американская кампания «Латроуб стил
компани» способ ЭШП применяет при
производстве следующих групп высоколе-

Таблица 520. Приблизительные капитальные
затраты (американские доллары) на двухпози-
ционную установку ВДП и однопозиционную
установку ЭШП на переменном токе фирмы «Бё-
лер» при выплавке слитков диаметром 635 мм
и массой 7,5 т

Затраты	вдп	эшп	
		Холодный старт	Горячий старт
Оборудование	350 000	280 000	310 000
Установка	150 000	110 000	115 000
Затраты на здание Общие капиталь-	25 000	18 750	25 000
ные затраты  Годовая стоимость капиталовложений	525 000	408 750	450 000
на 10 лет Амортизационные затраты на 1 т	85 250	66 400	73 200
слитка	32,60	19,40	20,50
Таблица 521. Приблизительная
производительность и общие затраты на
двухпозиционную установку ВДП и
однопозиционную установку ЭШП на переменном
токе фирмы «Бёлер» при выплавке слитков
диаметром 635 мм и массой 7,5 т

Объект анализа	вдп	эшп	
		Холод- ный старт	Горячий старт
Производительность, т/год	2620	3390	3580
Эксплуатационные расходы, дол/т	57,30	56,60	57,70
Амортизационные рас- ходы на 10 лет, дол/т	32,60	19,50	20,50
Общие затраты, дол/т	89,90	75,90	78,20

тированных инструментальных сталей: бы-
строрежущих (легированных вольфрамом,
молибденом, кобальтом); для горячей
штамповки (легированных хромом, воль-
фрамом, молибденом); для холодной обра-
ботки (среднелегированных, высокоуглеро-
дистых и высокохромистых). Углеродистые
и низколегированные стали способом
ЭШП не производятся, так как это эконо-
мически не оправдано [49].

Р. Шлатер, анализируя некоторые эко-
номические стороны производства инстру-
ментальных сталей указанной фирмой
[49], отмечает, что при производстве быст-
рорежущих сталей одним из важных пре-
имуществ ЭШП является возможность уве-
личения в 2—3 раза массы слитка без
нарушения структурной однородности и де-
формируемости. Высокая степень однород-
ности структуры от края к центру и от го-
ловной к донной части слитка позволяет
использовать для любых целей целиком
весь слиток. При этом инструмент, изготов-
ленный из металла центра и края слитка,
имеет практически одинаковую долговеч-
ность.

Результаты исследований, проведенных
в Англии со сверлами из стали М-2, пока-
зали, что после ЭШП срок их службы по-
вышается на 23%, при этом улучшается их
работа.

Производство электрошлаковых сталей
для горячей штамповки имеет преиму-

щества перед ВДП благодаря более вы-
сокому выходу годного и меньшей стои-
мости изготовления переплавных элект-
родов.

По сравнению с обычными слитками
металл ЭШП вследствие лучшей горячей
пластичности требует гораздо меньшей сте-
пени укова: соответственно пятикратной
и дву-, трехкратной. Это обеспечивает
получение более крупных заготовок при
ЭШП из слитков одного и того же раз-
мера.

Стали для горячего штампового инстру-
мента, прошедшие вторичное рафинирова-
ние, применяются в литом виде для изго-
товления штампов, прошивней, оправок и
пробойников. Срок службы литых штампов
для алюминиевых сплавов, изготовленных
из переплавленной стали НИ, в 3—4 раза
больше, чем штампов из обычного метал-
ла. Изготовители штампов особенно ценят
отличную полируемость электрошлаковой
стали.

Стали для холодной обработки, изго-
товленные методом ЭШП, отличаются бо-
лее высоким качеством по сравнению со
сталями ВДП. Дополнительные расходы
на переплав этих сталей по сравнению с
обычными полностью окупаются повыше-
нием выхода годного и отличной однород-
ностью продукции.

В целом же на основании металлурги-
ческого и экономического анализа Р. Шла-
тер приходит к выводу, что ЭШП имеет
наибольшие преимущества при выплавке
специальных инструментальных сталей, ко-
торые должны обладать особыми свойства-
ми и которые сложно выплавлять другими
способами.

С. А. Арвидсон, рассматривая работу
двух печей ЭШП конструкции фирмы «Бё-
лер» на предприятии фирмы «Буфорш»,
анализирует расходы на переплав инстру-
ментальных сталей в зависимости от раз-
меров слитка. Для инструментальных ста-
лей минимальная стоимость (71 руб/т)
достигается при производстве слитков диа-
метром 600 мм. Однако слитки ЭШП диа-
метром 500 мм и меньше оказываются эф-
фективными по сравнению с обычными
благодаря более высокому выходу годного
вследствие меньшей степени укова. Более
высокий выход годного прн ковке обеспе-
чивает во многих случаях экономическую
целесообразность замены ВДП электро-
шлаковым.

Большие преимущества имеет электро-
шлаковая технология по сравнению с
ВДП при производстве жаропрочных спла-
вов [9, 10].

Американская фирма «Стеллит дивижн,
Кэбот корп.» в г. Кокомо, широко приме-
няющая оба вида переплавов для произ-
водства жаропрочных сплавов, используе-
мых для изготовления реактивных двига-
телей, провела анализ данных более чем
300 плавок сплава Хастеллой X. Получен-
ные результаты свидетельствуют как об
экономических преимуществах электрошла-
ковой технологии, так и о равноценном или
более высоком качестве металла ЭШП. В
1973 г. основной объем производства жаро-
прочных сплавов осуществлялся фирмой
на основе ЭШП. Мощности ЭШП на фирме
возросли до 14 тыс. т. в год, в то время
как для ВДП сократились до 1,3 тыс. т.

Жаропрочные сплавы с использованием
электрошлаковой технологии производятся
также другими крупными американскими
фирмами: «Оллвэк А. Телидайн Ко»
(сплав типа тимкен, сплав № 155) и «Юни-
он карбайд» (Хастеллой X), австрийской
«Бёлер» (сплавы А286, 605, Хастеллой X)
[30]. Располагая печами ВДП и ЭШП, эти
фирмы пришли к выводу о преимуществе
электрошлаковой технологии.

Исходя из того что в течение бли-
жайшего десятилетия основой различных
систем генерирования энергии станут газо-
турбинные двигатели, в которых жаропроч-
ные сплавы будут по-прежнему преобла-
дать среди используемых при их изготов-
лении материалов, Г. К. Бат предсказыва-
ет резкое увеличение производства для
этих целей электрошлакового металла [2].
Отмечая, что если в 1970 г. удельный вес
жаропрочных сплавов, полученных метода-
ми ВДП и ЭШП в авиационных газовых
турбинах, составлял соответственно 45 и
5%, то к 1980 г. он сравняется, а в 1985 г.
будет характеризоваться соотношением 15
и 25%.

Еще более оптимистические прогнозы
высказывают специалисты фирмы «Стел-
лит», которые утверждают, что в буду-

щем все высококачественные стали и
снпявы будут изготавливать способом
ЭШП [10].

Наряду с сопоставлением производства
металлов ЭШП и ВДП значительное вни-
мание уделяется вопросам эффективности
применения электрошлаковой технологии
взамен традиционных способов. С этой
точки зрения большой интерес представля-
ет анализ экономичности производства по-
ковок в ФРГ обычным способом и спосо-
бом ЭШП [6].

Рассмотрим зависимости стоимости по-
ковок от их массы, мощности применяемо-
го оборудования, степени его загрузки и
средней скорости плавления. Масса поко-
вок определяется мощностью применяемо-
го оборудования.

В ФРГ капитальные затраты при ЭШП
определяются стоимостью печи, а также
зданий, средств доставки материалов, ли-
ний высокого напряжения и т. д., которые
на 50% превышают стоимость электрошла-
ковой установки. При мощности установок
менее 10 т капиталовложения определяют-
ся в сумме менее 1 млн. марок ФРГ
(290 600 руб.); до 50 т — около 5 млн. ма-
рок ФРГ (1 450 000 руб.); 300 т— 14 млн.
марок ФРГ (4 075 000 руб.).

Отмечая высокие затраты на крупно-
тоннажные установки для получения слит-
ков 300 т, достижение высокой степени за-
грузки которых весьма сомнительно, умест-
но сравнить отечественную технологию по-
лучения таких и больших по массе слитков
на основе укрупнения способом ЭШС. При
этом размер капиталовложений и текущие
затраты значительно ниже.

Представляют интерес данные об абсо-
лютных затратах на передел ЭШП
(табл. 522). При этом скорость плавления
составляет 250—300 кг/ч, а для крупно-
тоннажных 2500—3000 кг/ч.

Общая стоимость переплава в зависи-
мости от массы слитков и степени загрузки
оборудования приведена в табл. 523.

Таким образом, уменьшение загрузки
оборудования с 80 до 50% от планового
фонда его работы повышает стоимость пе-
реплава в 1,3—1,4 раза. Что же касается
удорожания ЭШП по мере возрастания
массы слитков, это в первую очередь за-
висит от выхода годного. Если этот показа-
Таблица 522. Влияние массы слитков на их стоимость

Масса слитка, т	Диаметр слитка, мм	Капиталовложения		Количество об- служивающего персонала, чел.	Рабочая сила, тыс. марок ФРГ (руб.) в год	Стоимость уста- новки, тыс ма- рок ФРГ (руб.)	
		Установка ЭШП, тыс. марок ФРГ (руб)-	Установка ЭШП + 50%, тыс. марок ФРГ (РУб).				
1	350	284 (82,4)	450 (131)	8	325 (97,3)	65 (18,9)	
2	450	397 (114)	580 (168,5)	8	325 (97,3)	83 (24,2)	
5	550	610 (177)	915 (265)	8	325 (97,3)	103 (30)	
10	750	735 (213)	1100 (319)	12	490 (142,5)	163 (47,3)	
50	1300	3250 (945)	4870 (1415)	12	490 (142,5)	725 (210,5)	
100	1800	7200 (2090)	10 800 (3140)	12	490 (142,5)	1564 (454)	
150	2200	7950 (2310)	11 900 (3451)	16	650 (189)	1720 (500)	
200	2500	8800 (2560)	13 200 (3830)	16	650 (189)	1900 (552)	
300	3000	9200 (2670)	13 800 (4002)	16	650 (189)	2000 (582)	

Таблица 523. Стоимость ЭШП 1 т
кузнечных слитков

Масса слитка, т	Диаметр сечения слитка, мм	Общая стоимость перепла- ва марки ФРГ (руб) за 1 т при степени загрузки оборудования	
		80% (при- элизительно)	50%
До 2	До 500	300 (87,3)	400 (116)
5—40	600—1200	275 (80)	340 (98,5)
30—100	1300—1800	350 (101)	470 (136,5)
200—300	2000—3000	400 (116)	570 (165,8)

ход годного; стоимость нерафинированной
стали и скрапа; стоимость ковки; стои-
мость механической обработки и термооб-
работки; расходы, связанные с браком.
В табл. 524 приведены данные соотноше-
ния стоимостей производства некоторых
видов поковок с применением ЭШП и
обычным способом.

Экономичность производства слитков
ЭШП возрастает при увеличении стоимо-
сти применяемой для переплава нерафи-
нированной стали или разности стоимостей
этой стали и скрапа; увеличении выхода
годного стали ЭШП; уменьшении выхода

тель при производстве слитков ЭШП мас-
сой до 30 т, диаметром до 1200 мм состав-
ляет около 95%, то с увеличением массы
до 300 т (диаметром 3000 мм) он уменьша-
ется до 80—90%. Однако при этом следует
отметить, что выход годного слитков ЭШП
во всех случаях превышает показатели для
обычных слитков соответственно на 10—
20%.

Помимо уменьшения выхода годного на
относительное удорожание крупных слит-
ков оказывает влияние рост затрат на за-
работную плату рабочих (в 1,5—2,0 раза),
эксплуатацию и обслуживание оборудова-
ния (до 15 раз), электроэнергию (до
3 раз).

При рассмотрении всей технологической
цепочки производства кузнечных слитков
ЭШП и обычными способами на общую
стоимость производства влияют следующие
факторы: стоимость переплава; общий вы-

Таблица 524. Относительная стоимость производ

Поковка	Материал	Г
Штанга диаметром 400 мм Кольцо  »  Валок холодной прокатки  Валы каландров  Ротор  »  »  »  »  »  »	Х20Сг13 ЮОСгб  Х5Сг—№18,9 800Сг7  65Сг6  Х20Сг—Мо—У121 25№—Сг—Мо—14,5 28№—Сг—Мо7,4 25№—Сг—Мо14,5 28№— Сг—Мо7,4 28№— Сг—Мо7,4 28№—Сг—Мо7,4	
Постоянная стои- мость, тыс. марок  ФРГ (руб.)	Потребление		
	электроэнергии, кВт - ч/т	воды, м*/т	шлака, кг/т
419 (122)	600	60	30
450 (131)	750	60	30
480 (138,5)	900	62	15
735 (214)	1100	65	15
1580 (459)	1456	70	15
2830 (822)	1600	85	20
3230 (938)	1680	90	25
3500 (1015)	1720	95	30
3650 (1060)	1800	100	35

годного стали, полученной обычным спо-
собом, и уменьшении стоимости пере-
плава.

Анализ эффективности производства
кузнечных слитков рассмотренными спосо-
бами позволяет авторам [6] сделать выво-
ды об экономической целесообразности
производства сталей ЭШП при следующих
условиях: при высокой степени использо-
вания оборудования и снижении текущих
затрат; при переплаве только высоколеги-
рованных сталей для получения слитков
небольшой массы, когда выход годного
возрастает в малой степени (в случае слит-

ом поковок ЭШП по сравнению с обычными способами

ков большой массы благодаря высокому
выходу годного можно переплавлять также-
низколегированные стали); когда получен-
ные обычные поковки при обработке дают
большой брак, который может быть намно-
го снижен с применением стали ЭШП„
особенно в случае значительного объема
последующей обработки (т. е. когда раз-
ница между стоимостью готового изделия
и поковки значительна); если получение
поковок связано с высокой стоимостью
ковки, например, когда слитки обычной вы-
плавки должны подвергаться многократ-
ной осадке для получения требуемой сте-
пени укова.

В целом же мнения зарубежных специ-
алистов сводятся к тому, что технические-
преимущества электрошлаковой техноло-
гии производства качественных металлов
по сравнению с традиционными способами
и ВДП очевидны и основным условием
дальнейшего ее развития является повы-
шение экономической эффективности. Ра-
боты по совершенствованию существующих
процессов должны вестись как путем при-
менения для переплава менее дорогостоя-
щих материалов (металла, флюса), сниже-
ния энергетических затрат, удешевления
стоимости оборудования, улучшения орга-
низации труда (сокращения продолжитель-
ности операций при смене электродов, чи-
стке и замене кристаллизаторов, уменьше-

1	Окончательная поковка в усло- виях отгрузки		Стоимость производства стали ЭШП по сравнению со стоимостью обычной стали, % обычной стали						
	Масса,	Приблизительная стоимость, марки ФРГ (руб.) за 1 шт.	В соответствии с этапами производства при стои- мости производства 450 марок ФРГ (130.8 руб) за 1 т				Общая стоимость при стоимости переплава, марки ФРГ (руб.) за 1 т		
			Материал	Ковка	Механическая обработка	Брак	250 (72,4)	350 (101)	450 (130,8)
	1-5	1650 (479)	162	98	100	66	112	119	126
	6,7	3750 (1090)	177	99	100	57	108	113	118
	20,2	10 450 (3040)	106	96	100	65	90	93	96
	4,6	5400 (1570)	163	46	100	68	97	100	103
	7,7	7500 (2180)	172	48	98	50	98	100	102
	1	7150 (2080)	142	84	96	57	98	101	104
	8	5700 (1655)	140	71	100	57	97	101	105
	11	7050 (2050)	120	30	100	41	84	90	96
	15	5400 (1570)	136	69	100	57	96	100	104
	44	5950 (1730)	119	60	100	53	87	91	95
	68	5400 (1570)	136	57	100	55	90	94	99
	117	6600 (1915)	125	81	100	54	89	93	97
ния численности обслуживающего персо-
нала), полной автоматизации процесса,
так и путем разработки новых технологи-
ческих процессов [6, 8, 20, 23]. В этом
направлении представляют интерес такие
процессы, как прямая электрошлаковая
плавка (ПЭШП) сталей и непрерывный
электрошлаковый переплав порошка
(НЭШПП) [11,25].

Следует указать, что ПЭШП освоена
фирмой «Сосьете Аноним де Минерэ»
(Бельгия) в лабораторных и полупромыш-
ленных условиях [47]. Основным ее пре-
имуществом является возможность исполь-
зования в качестве исходных материалов
.железной губки или стальных заготовок,
скрапа, окислов ферросплавов и лигатуры.
При этом происходит прямой передел же-
лезной губки в мягкую сталь, легирован-
ную сталь и ферросплавы. Этот способ мо-
жет быть использован и для получения ту-
гоплавких металлов.

Способ отличают низкие капитальные и
текущие затраты. Выход годного из ис-
ходных материалов к слитку составляет
более 95% по сравнению с 80—85% при
обычных методах производства стали.

Расходы на дуговую выплавку в мощ-
ных печах составляют 93,85 марок ФР Г/т,
в сверхмощных — 86,46 марок ФРГ/т, а
при ПЭШП — 89,70 марок ФРГ/т.

Если ПЭШП находится в стадии раз-
работки, то НЭШПП уже используется
фирмой «Кокериль» (Бельгия) при по-
лучении чистых и специальных сталей
[53].

Процесс ПЭШП обладает следующими
преимуществами по сравнению с ЭШП ли-
тых электродов: более высокой производи-
тельностью; снижением расхода электро-
энергии с 1500 кВт • ч/т (характерно для
ЭШП) до 1100 кВт-ч/т; отсутствием по-
требности в литых электродах; уменьшени-
ем капиталовложений на 40%.

Американскими фирмами проведены
опыты по использованию НЭШПП для
производства толстостенных сосудов давле-
ния [24], которые также отмечают высо-
кую экономичность этого процесса.

Как и в СССР, за рубежом проводятся
работы по использованию электрошлако-
вой технологии для изготовления фасон-
ных заготовок, близких по конфигурации

к конечному продукту, и отмечается высо-
кая эффективность этого вида производ-
ства [2].

Таким образом, электрошлаковая тех-
нология во всем мире развивается высоки-
ми темпами. Прогнозы зарубежных спе-
циалистов сводятся к тому, что большие
потенциальные возможности, заключенные
в этой технологии, позволят уже в бли-
жайшем будущем значительно расширить
области применения и объемы производ-
ства электрошлакового металла [4, 5, 10,
32, 41, 48].

§ 6.	Перспективы дальнейшего
повышения экономической
эффективности производства
электрошлакового металла

В предшествующих разделах этой главы
приведены цифры, достаточно убедительно
свидетельствующие об экономической эф-
фективности широкого использования элек-
трошлакового металла в различных отра-
слях новой техники. На самом деле, эко-
номический эффект, достигаемый у потре-
бителя этого металла, зачастую намного
превосходит не только фактические допол-
нительные расходы на его производство, но
и отпускную его стоимость с учетом на-
кладных расходов.

Потребитель электрошлакового метал-
ла, как известно, выигрывает прежде всего
от практически полного устранения брака.
Однако он выигрывает и благодаря суще-
ственному повышению эксплуатационных
показателей изделий из этого металла. На-
помним, что многократное увеличение
ресурса авиационных двигателей, достигну-
тое вследствие широкого применения ра-
финированного металла, обернулось гро-
мадной экономией средств в государствен-
ном масштабе. Возросла долговечность
двигателя, меньше стали расходы на со-
здание ремонтной базы, да и самих дви-
гателей требуется теперь на протяжении
жизни данного летательного аппарата
меньше, чем требовалось 15—20 лет тому
назад.

Едва ли следует доказывать, что даль-
нейшее повышение качества электрошлако-
вого металла даст еще больший эффект в
сфере его использования. Рассмотрим
ближайшие перспективы повышения эконо-
мической эффективности производства
электрошлакового металла даже при усло-
вии сохранения его качества на современ-
ном уровне. Поэтому остановимся на том,
как сделать этот металл еще более деше-
вым, чем сегодня.

Естественно, огромные резервы сниже-
ния удельных расходов на производство
электрошлакового металла таятся в улуч-
шении организации самого' этого производ-
ства, в достижении наиболее четкой и рит-
мичной работы оборудования, ликвидации
простоев и т. д. Однако электрошлаковая
технология с этой точки зрения, т. е. с
точки зрения оптимизации организации
производства, не представляет никаких ис-
ключений по сравнению с иными техноло-
гиями вообще и технологией металлообра-
ботки в частности. По этой причине рас-
смотрим лишь специфические для электро-
шлаковой технологии источники удешевле-
ния продукции, снижения стоимости элект-
рошлакового металла.

Остановимся сперва на ЭШП. Извест-
но, и это было показано выше, что основ-
ную долю стоимости переплавленного ме-
талла составляет стоимость расходуемого
электрода.

Исторически получилось так, что пере-
плаву теперь подвергают металл конечного
химического состава, усматривая в ЭШП
лишь его способность рафинировать ме-
талл от серы, кислорода, неметаллических
включений, способность улучшать структу-
ру, повышать качество и т. д.

Между тем следует вспомнить, что со-
зданию процесса ЭШП в его каноническом
виде и у нас, и в США в свое время пред-
шествовали технологические варианты пе-
реплава, 'предусматривавшие легирование
металла непосредственно в кристаллизато-
ре. В США для этой цели использовали
железный трубчатый электрод, внутрь ко-
торого подавали легирующие примеси в
виде крупки или порошков. В Советском
Союзе применяли электроды из железной
или никелевой проволоки с подачей леги-
рующих материалов непосредственно в зо-
ну плавки. Вследствие присущих этим обо-
им процессам недостатков они не нашли
практического применения ни в США, ни
в СССР. Однако теперь, спустя десятиле-

тия, ясно видно, что в основе обоих вари-
антов переплава лежала весьма продуктив-
ная идея использования в качестве расхо-
дуемого электрода дешевого полупродукта
и предотвращения потерь и угара дорогих
легирующих компонентов, неизбежных при
обычных методах выплавки металла. Дей-
ствительно, в процессе ЭШП усвоение ле-
гирующих элементов всегда выше, чем при
выплавке стали в любом известном пла-
вильном агрегате, в том числе и в индук-
ционной печи. Более того, такой металл
чище, менее загрязнен продуктами раскис-
ления и другими неметаллическими части-
цами. Неслучайно поэтому пробивает себе
дорогу на Западе так называемый
НЭШПП.

В наших условиях соотношение цен на
ферросплавы кусковые и порошковые пока
не позволяет достаточно экономично ис-
пользовать идею НЭШПП. Возможно, од-
нако, в не столь отдаленном будущем по-
добные схемы ЭШП найдут применение в-
производстве отдельных видов сталей и
сплавов и у нас. Тем не менее сама по се-
бе идея переплава электрода-полупродукта
может быть реализована и уже реализует-
ся в нашей промышленности, но на прин-
ципиально иной, новой основе. Расходу-
емый электрод изготавливают из дешевой
нелегированной стали, а требуемая систе-
ма и уровень легирования будущего слит-
ка реализуются с помощью так называ-
емых электродов-спутников соответствую-
щего химического состава. Вполне понят-
но, что содержание легирующих элементов-
в электроде-спутнике назначается таким
образом, чтобы по расплавлении основного
расходуемого электрода и электрода-спут-
ника слиток имел заданный химический
состав.

Опыт использования в нашей стране
такой схемы ЭШП, разработанной ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР, Донецким
политехническим институтом совместно с
рядом заводов черной металлургии и тя-
желого машиностроения, показал, что пе-
реплавленный металл получается чище и
лучше, чем полученный после обычного
ЭШП, а стоимость его существенно ниже.
Так, например, экономический эффект при
производстве хромоникелемолибденовой
стали по данной технологии составляет
45—50 руб. на 1 т выплавленного ме-
талла.

Естественно, экономичность процесса
получения слитка из расходуемого элект-
рода-полупродукта во многом зависит от
стоимости этого полупродукта. Уже сегод-
ня накоплены данные, свидетельствующие
о большой перспективности использования
кислородно-конвертерной стали, получа-
емой из обессеренного чугуна. Можно с
уверенностью заявить, что именно такая
схема производства металла ЭШП сулит
наибольшие выгоды и производителям, и
потребителям этого металла.

Существуют два подхода к вопросу о
целесообразности использования ЭШП
применительно к данному классу или дан-
ной марке металла. Чаще всего, назначая
тот или иной металл на переплав, руковод-
ствуются прежде всего соображениями
повышения качества этого металла, улуч-
шения его технологичности, снижения по-
терь на различных переделах и т. д. Одна-
ко еще нередко смотрят на ЭШП, как на
средство исправления брака, например, по
механическим свойствам или иным сдаточ-
ным показателям (характеру излома, сте-
пени загрязненности, наличию волосовин и
т. д.). В этом случае уже готовый металл
направляют на ЭШП, особенно в тех слу-
чаях, когда такой дополнительный передел
выгоднее для данного предприятия, чем
переназначение металла, т. е. сдача его
заказчику в качестве рядовой, а значит, и
более дешевой продукции. Едва ли следует
в таких случаях возражать против исполь-
зования ЭШП в качестве средства испра-
вления брака, но еще меньше возражений
должно встречать стремление производст-
венников исправлять с помощью ЭШП
брак по химическому составу. Дело в том,
что по мере развития новой техники к
химическому составу металла предъявляют
все более жесткие требования, касающиеся
сужения поля допусков по содержанию то-
го или иного элемента. Задача эта доста-
точно сложная. В реальных условиях ста-
леплавильного производства пока затруд-
нительно иметь шихтовые материалы ста-
бильно высокого качества. На многих на-
ших заводах и сама технология, и налич-
ное оборудование далеко не всегда обеспе-
чивают возможность производства металла

с суженными допусками по химическому
составу. Поэтому так неохотно идут заво-
ды навстречу обоснованным требованиям
потребителей.

Между тем при наличии многоэлект-
родных электрошлаковых печей существен-
но облегчается решение этой важной зада-
чи. На самом деле, селективный подбор
расходуемых электродов для таких печей,
т. е. подбор электродов из металла разных
плавок, отличающихся одна от другой, на-
пример, слишком низким и слишком высо-
ким содержанием одного или нескольких
элементов, т. е. представляющих собой, по
сути, брак, позволяет получить в конечном
итоге вследствие надежного перемешива-
ния металла электродов в общей металли-
ческой ванне слиток требуемого состава.
Необходимо подчеркнуть, что такой метод,
получивший название метода парной ком-
плектации (МПК) расходуемых электро-
дов, весьма перспективен и не только с
точки зрения «спасения» брака. Более
важным является тот факт, что при надле-
жащем подборе электродов для МПК
можно стабильно и надежно выпускать
металл с суженными пределами допусков
по химическому составу, т. е. металл более
высокого качества при относительно более
низких затратах на его производство.

Значительный резерв снижения стоимо-
сти электрошлакового металла кроется при
прочих равных условиях в повышении вы-
хода годного, прежде всего в результате
снижения донной и головной обрези, до-
стигающей, к сожалению, еще нередко 15
и даже 20%. Между тем обрезь может
быть уменьшена втрое и даже вчетверо.
Хорошо известны, однако еще недостаточ-
но широко применяются технологические
приемы, направленные на уменьшение об-
рези. Одно из генепальных направлений —
увеличение соотношений длины и сечения
слитка. Едва ли нужно объяснять, что с
увеличением длины слитка относительные
потери металла в виде обрези существен-
ным образом снижаются. Чтобы произво-
дить длинные слитки ЭШП, необходимо
ускорить переход от стационарных кри-
сталлизаторов к подвижным. Чем длиннее
слиток, тем меньше обрезь. Единственное
усложнение технологии сводится к необ-
ходимости иметь разделительную резку
длинных слитков на мелкие заготовки.
Другой весьма эффективный путь умень-
шения обрези — переход на многоручьевую
плавку с уменьшением сечения слитка.

При любых конструктивных и техноло-
гических схемах электрошлаковых печей
необходимо повсеместно переходить к си-
фонной заливке шлака в кристаллизатор,
т. е. переходить к так называемому жид-
кому старту. Это — верное средство умень-
шения донной обрези при существенном
повышении качества металла не только в
донной части слитка.

Необходимо повсеместно узаконить
обязательную подпитку головной части
слнтка ЭШП, являющуюся надежным
средством существенного уменьшения го-
ловной обрези.

Повышение сквозного выхода годного
связано с наиболее полным сплавлением
длины расходуемого электрода. Здесь, как
известно, имеются немалые резервы. Так,
использование инвентарных головок сулит
заметную экономию исходного металла.
Следует вместе с тем напомнить, что за-
траты на приварку инвентарных головок
бывают достаточно высоки, особенно если
операция эта слабомеханизирована и тру-
доемка. В ряде случаев, например при пе-
реплаве электродов относительно неболь-
шого сечения (круг или квадрат 100—
150 мм), представляется целесообразным
сваривать их с инвентарными частями на
высокопроизводительных автоматизирован-
ных контактных сварочных машинах. Пер-
вый опыт, полученный при обслуживании
печей для выплавки полых слитков, сви-
детельствует о высокой экономической эф-
фективности новой технологии и о замет-
ном увеличении выхода годного от заго-
товки электрода к слитку ЭШП.

В этой главе уже говорилось о различ-
ных способах получения расходуемых
электродов. Не вызывает сомнений, что в
условиях крупномасштабного производства
электрошлакового металла заслуживает
предпочтения непрерывное или полунепре-
рывное литье. Это — самый эффективный,
самый дешевый способ получения расходу-
емых электродов для ЭШП. Однако в ряде
случаев, особенно при обслуживании уни-
версальных печей ЭШП, могут оказаться
достаточно дешевыми и электроды, полу-

чаемые заливкой жидкого металла в спе-
циальную изложницу, в том числе и залив-
кой под избыточным давлением. Поэтому
к вопросу о выборе той или иной техноло-
гии производства расходуемых электродов
надлежит подходить с учетом конкретных
условий данного предприятия или данного
цеха.

В отечественных печах ЭШП возобла-
дала схема непрерывного плавления отно-
сительно длинных расходуемых электро-
дов. Это не случайно. Дело в том, что в
нашей стране с самого начала ориентиро-
вались на крупномасштабное производство
электрошлакового металла, на строитель-
ство крупных цехов, оснащенных специа-
лизированными печами. Современный цех
ЭШП имеет обычно десятки печей и произ-
водит десятки тысяч тонн электрошлаково-
го металла в год. За рубежом пока при-
держиваются иного курса — количество
установленных в одном цехе электрошла-
ковых печей обычно не превышает несколь-
ко штук. Производство электрошлакового
металла носит чаще всего мелкосерийный
характер. На Западе используют, как пра-
вило, электроды, отливаемые в специаль-
ные изложницы. Таким способом не удает-
ся получить длинные электроды. Это об-
стоятельство вызвало к жизни появление
печей ЭШП, работающих с переменной по-
дачей относительно коротких электродов.
Такие печи более сложны, чем печп, при-
меняемые у нас. Не исключено, конечно,
что в определенных условиях такого рода
печи могут оказаться выгодными и на на-
ших заводах. Так или иначе, но мы пока
не располагаем достоверными данными от-
носительно экономической эффективности
печей ЭШП с попеременной подачей рас-
ходуемых электродов по сравнению с печа-
ми, используемыми в нашей промышлен-
ности.

Уже говорилось о том, что оптимиза-
ция любой технологии металлообработки,
в том числе технологии ЭШП, предусмат-
ривает улучшение использования рабочего
времени, снижение простоев оборудования.
Известно, что печи ЭШП представляют
собой агрегаты периодического действия.
Процесс получения слитка протекает не
так быстро, как, например, при других ме-
таллургических технологиях. Следователь-
но, машинное время электрошлаковой
плавки относительно велико, во всяком
случае оно обычно на порядок дольше, чем
время межплавочного простоя. Поэтому
нет оснований строить печь ЭШП непре-
рывного действия, если речь идет о вы-
плавке слитков большого сечения. Это, ко-
нечно, не означает, что нет необходимости
добиваться существенного сокращения
межплавочных простоев электрошлаковых
печей. Сущность процесса ЭШП такова,
что в момент отключения источника пита-
ния печи еще невозможно приступить к
подготовке следующей плавки: необходимо
выждать определенное время, прежде чем
шлаковая ванна затвердеет и можно бу-
дет приступить к раздеванию слитка. Чем
больше сечение слитка, чем больше объем
шлаковой ванны, тем дольше она затвер-
девает, это время может исчисляться даже
часами. Вынужденное ожидание оборачи-
вается не только снижением производи-
тельности печи и удорожанием электро-
шлакового металла. Долгое выдерживание
слитка в кристаллизаторе может повлечь
за собой чрезмерное его захолаживание и
опасность появления таких недопустимых
дефектов, как трещины закалочного проис-
хождения. Чтобы до минимума сократить
паузу между моментом отключения печи
от источника электрического тока и момен-
том раздевания слитка ЭШП, нужно слить
шлак из кристаллизатора, не ожидая его
затвердевания. Операция слива шлака дли-
тся всего несколько минут, а экономит ча-
сы. Необходимо шире применять эту про-
грессивную технологию, добиваясь при
этом решения сразу двух задач — повыше-
ния экономической эффективности произ-
водства электрошлакового металла и по-
вышения его качества.

Немалую роль в повышении экономиче-
ской эффективности производства электро-
шлакового металла могут и должны сы-
грать все мероприятия, направленные на
уменьшение удельных расходов электро-
энергии, воды и флюса.

Использование бифилярной и трехфаз-
ной схем питания печей ЭШП позволяет,
как известно, на 20—50% снизить расход
электроэнергии. Возможности дальнейшего
снижения удельного расхода электроэнер-
гии при ЭШП еще далеко не исчерпаны

Здесь многое может быть и будет сделано
в ближайшие годы. Имеется в виду созда-
ние более рациональных конструкций ко-
ротких сетей, систем подвода тока к элект-
родам, использование в отдельных случаях
источников переменного тока пониженной
частоты и др. Коренное усовершенствова-
ние систем принудительного охлаждения
кристаллизаторов, изыскание новых кон-
структивных решений самих кристаллиза-
торов, применение иных, более эффектив-
ных, чем вода, теплоносителей — все эти и
многие другие мероприятия направлены на
уменьшение тепловых потерь при ЭШП, а
также на лучшее использование этих по-
терь. Имеется в виду и подогрев электро-
дов, и подогрев слитков (во избежание
захолаживания донной части), и подогрев
газов, порошков, газопорошковых смесей,
применяемых при ЭШП, за счет тепла,
отводимого от зоны плавки.

Шлаки, используемые при ЭШП, отно-
сительно дороги, хотя с каждым годом
стоимость их снижается благодаря все
большему ограничению содержания в них
дорогих или дефицитных компонентов, та-
ких, например, как плавиковый шпат или
флюоритовый концентрат. Известно, что
удельный расход шлака достигает обычно
4—5% массы выплавляемого слитка. Это
значит, что на каждую тонну электрошла-
кового металла расходуется не менее 40—
50 кг флюса по цене, например, 300—
400 руб/т, т. е. теряется не менее 15—
20 руб. Между тем эти расходы могут
быть сокращены в несколько раз, если ис-
пользовать флюс-шлак повторно или в об-
щем случае многократно. С технической
точки зрения здесь нет никаких нерешен-
ных вопросов. Повторное или многократ-
ное использование шлака — резерв сущест-
венного удешевления металла ЭШП.

Есть еще одна существенная составля-
ющая расходов на ЭШП, не зависящая от
марки стали, но весьма заметно зависящая
от уровня организации производства элект-
рошлакового металла — затраты рабочей
силы на 1 слиток ЭШП. К сожалению,
картина, наблюдаемая на наших заводах,
довольно пестра. На однотипных агрега-
тах работают люди различной квалифика-
ции, да и количество обслуживающего
персонала, приходящегося на одну электро-
шлаковую печь, на разных заводах очень
отличается. Между тем современные разра-
ботки как в области технологии ЭШП, так
и в области управления агрегатами позво-
ляют, во-первых, избавиться от упомянуто-
го разнобоя и, во-вторых, существенно сни-
зить расходы на обслуживание печей.
У нас в стране созданы все предпосылки
для широкого и быстрого освоения авто-
матизированных систем управления техно-
логическим процессом ЭШП (АСУ ТП
ЭШП). Имеются не только теоретические
разработки, но и все необходимые инже-
нерные решения для реализации- АСУ ТП
ЭШП. Более того, уже есть первые промыш-
ленные агрегаты, управляемые ЭВМ. Сле-
дующим этапом является создание и осво-
ение всей иерархии АСУ ТП ЭШП от од-
ной печи и группы однотипных печей к
цеху ЭШП. Освоение АСУ ТП ЭШП су-
лит, конечно, не только повышение эконо-
мической эффективности производства
электрошлакового металла вследствие со-
кращения удельных расходов на зарплату
обслуживающего персонала. Не менее, а
может быть, и более важно другое обстоя-
тельство. Автоматическая система управ-
ления технологией ЭШП позволит гаранти-
ровать полное воспроизведение условий
процесса переплава от слитка к слитку, от
плавки к плавке, т. е. позволит гарантиро-
вать стабильно высокое качество электро-
шлакового металла и полностью устранить
брак металла ЭШП по таким показателям,
как макроструктура и т. п. Таким образом,
будущее за АСУ ТП ЭШП. Причем с пе-
реходом на новую систему выгоду получит
не только производитель, но и потребитель
электрошлакового металла. Имеется в ви-

ду возможность в будущем существенно
сократить объемы как сдаточного, так и
входного контроля металла ЭШП.

Многое из указанного выше относи-
тельно ЭШП может быть отнесено и к
электрошлаковому литью (ЭШЛ). На са-
мом деле, снижение стоимости расходуемо-
го электрода, использование электрода-по-
лупродукта и легирование металла в са-
мом процессе получения электрошлаковой
отливки, сужение допусков по химическому
составу электрошлакового металла за счет
использования метода парной комплекта-
ции расходуемых электродов, широкое ис-
пользование жидкого старта и подпитки
для уменьшения донной и головной обрези,
применение привариваемых инвентарных
головок, слив шлака по окончании плавки
расходуемого электрода, снижение удель-
ного расхода электроэнергии, повторное ис-
пользование шлака, внедрение АСУ ТП —
все эти мероприятия, несомненно, будут
способствовать повышению экономической
эффективности производства электрошла-
ковых отливок.

Однако есть мероприятия, специфиче-
ские для ЭШЛ. Речь идет о проблемах,
связанных с живучестью формы, с припу-
сками на последующую обработку и др.
Наиболее перспективным нам представля-
ется переход от ЭШП к ФЭЛ, т. е. пере-
ход от плавления расходуемых электродов
к использованию жидкого электрошлако-
вого металла, но это отдельная проблема,
выходящая за рамки данной книги. Мож-
но сказать лишь, что использование жид-
кого исходного металла вместо твердых
расходуемых электродов сулит огромный
технико-экономический эффект.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы живем в эпоху научно-технической ре-
волюции, характеризуемую постоянным,
стремительным увеличением объема инфор-
мации. К сожалению, современные методы
сбора и обработки информации не поспева-
ют за темпом жизни. По этой причине пока
не удается охватить и обобщить все, что
публикуется по тому или иному вопросу
развития техники и технологии как в нашей
стране, так и за рубежом. Это полностью
относится к проблеме производства и по-
требления металла вообще и электрошла-
кового металла в частности.

XXVI съезд КПСС нацелил нашу эко-
номику на интенсивный путь развития.
«Экономика должна быть экономной» —
так говорилось на съезде. Безудержному
наращиванию мощностей в металлургичес-
ком производстве положен конец. В годы
одиннадцатой пятилетки и в предстоящий
период, вплоть до начала будущего столе-
тия, предстоит наращивать объемы выпус-
ка машиностроительной продукции и ме-
таллообработки существенно быстрее, чем
будет увеличиваться производство металла
в стране. Так, к 1985 г. в машиностроении
и металлообработке предстоит увеличить
производство на 40% по сравнению с
1980 г., но за этот же период времени вы-
пуск стального проката предстоит увели-
чить только на 14—17%. Это значит, что
важнейшим направлением развития маши-
ностроения и металлообработки становится
экономное потребление металлопродукции,
увеличение коэффициента использования
металла, широкое применение малоотход-
ных и безотходных технологий, к которым
относится и электрошлаковая технология.

В этих условиях особое значение при-
обретают все вопросы, связанные с разум-
ным использованием электрошлакового ме-
талла. В наши дни ни у кого не вызывает
сомнений то, что применение электрошла-
кового металла в машиностроении, строи-
тельстве дает весьма значительный народ-
нохозяйственный эффект. Об этом свиде-
тельствуют данные, приведенные в заклю-
чительной главе этой книги. Об этом сви-
детельствуют все новые и новые публи-
кации как наши отечественные, так и зару-
бежные. Весьма примечательно, что и в
условиях кризиса капиталистической эко-
номики, спада производства в металлургии
и машиностроении, непрекращающейся ин-
фляции во многих развитых странах капи-
тализма наблюдается неуклонный рост
производства и потребления электрошлако-
вого металла.

Основными направлениями экономичес-
кого и социального развития СССР на
1981—1985 гг. и на период до 1990 г. пре-
дусматривается расширить производство
стали методами специальных переплавов.
Строятся и будут строиться новые цехи
ЭШП, создаются и будут создаваться все
более совершенные электрошлаковые тех-
нологии и электрошлаковое оборудование.
Но все это вовсе не исключает, а, наоборот,
предусматривает рачительное отношение к
электрошлаковому металлу, разумное его
использование. Мы имеем в виду и повтор-
ное использование электрошлакового ме-
талла. Это относится прежде всего к таким
изделиям, как металлургический инстру-

мент— оправки, дорны, штампы, контей-
неры, пуансоны, бойки, прокатные валки,
и, конечно, к металлорежущему инструмен-
ту. Созданные уже в годы написания и
издания нашей книги технологии электро-
шлаковой плавки в гарнисажных и керами-
ческих тиглях, а также электрошлакового
кокильного литья могут и должны быть
широко применены с целью многократного,
а значит, экономного использования элек-
трошлакового металла.

Наша книга не претендует на полноту
освещения абсолютно всех вопросов, свя-
занных с проблемой производства и по-
требления электрошлакового металла. Мы
пытались решить более узкую и утилитар-
ную задачу — помочь потребителям этого
металла в рациональном использовании его
потенциальных механических, физических
и служебных свойств. Если это удалось
хоть в какой-то мере, то авторы будут счи-
тать свою нелегкую миссию выполненной.
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие............................. 5

Глава I.

Что такое ЭШП и ЭШЛ..................... 9

§ 1.	История создания ЭШП на основе
электрошлакового сварочного про-
цесса .................................. 9

§ 2.	Сортамент электрошлакового	ме-
талла ...	13

§ 3.	Виды электрошлаковых отливок	. .	19

§ 4.	Перспективы развития ЭШП и ЭШЛ	25

Глава II

Химический состав, структура и механи-
ческие свойства электрошлакового ме-
талла	................ 30

§ 1.	Химический состав ......	30

§ 2.	Структура . .	. .	...	40

§ 3.	Механические свойства............. 49

§ 4.	Выносливость	  53

§ 5.	Коррозионно-механическая	прочность	63

Глава III

Технологические свойства электрошлако-
вого металла.........................  73

§ 1.	Деформируемость.................. 73

§ 2.	Свариваемость.................... 99

§ 3.	Обрабатываемость.................130

§ 4.	Прокаливаемость................. 131

Глава IV

Электрошлаковая шарикоподшипниковая
сталь.................................134

§ 1.	Неметаллические включения и слу-
жебные свойства стали	134

§ 2.	Влияние ЭШП на загрязненность не-
металлическими включениями и слу-
жебные свойства стали ............... 141

§ 3.	Масса слитка ЭШП и качество стали 151

§ 4.	Сталь для приборных и теплостой-
ких подшипников...................... 153

§ 5.	Сталь для валков холодной прокатки 158

Глава V

Электрошлаковый сортовой металл, по-

ковки, штамповки и трубы............165

§ 1.	Инструментальные стали ....	165

§ 2.	Штамповые стали .......	177

§ 3.	Углеродистые и низколегированные

конструкционные стали . .	487

§ 4.	Конструкционные среднелегироваи-

ные стали	394-

§ 5.	Теплоустойчивые стали............208

§ 6.	Долотные стали...................211

§ 7.	Электротехнические стали . .	215

§ 8.	Нержавеющие и жаропрочные стали	216

§ 9.	Жаропрочные сплавы ...	253

§ 10.	Трубы и полые деформированные
заготовки.............................287
Глава VI

Глава IX

Электрошлаковая листовая сталь . . . 308

§ 1.	Современное состояние производ-
ства листовой стали................... 308

§ 2.	Особенности производства электро-
шлаковой листовой стали ....	313

§ 3.	Низколегированные голстолистовые
стали................................. 322

§ 4.	Среднелегированные толстолистовые
стали	. .	...............362

§ 5.	Среднелегированные тонколистовые
стали................................. 382

§ 6.	Высоколегированные листовые стали
и сплавы................ . .	388

§ 7.	Малодеформированные и недефор-
мированные листовые стали . .	393

§ 8.	Листовые стали за рубежом . . .	401

Глава VII

Электрошлаковщр отливки................416

§ 1.	Механические свойства и характери-
стики отливок из различных сталей 416

§ 2.	Электрошлаковые отливки за рубе-
жом ....	.	466

Глава VIII

Крупнотоннажные заготовки из электро-
шлаковой стали.........................477

§ I.	Области применения................477

§ 2.	Материалы, применяемые при произ-
водстве заготовок......................478

§ 3.	Современные способы производства
заготовок	.............. 480

§ 4.	Моноблочные заготовки из электро-
шлаковой стали ...	....	494

§ 5.	Заготовки, получаемые способом
электрошлакового заплавления осе-
вого отверстия	.	.	506

§ 6.	Заготовки, получаемые способом
электрошлаковой отливки . . . .	511

§ 7.	Заготовки, получаемые способом
порционной электрошлаковой от-
ливки .................................512

§ 8.	Заготовки, получаемые способом
ЭШСБ...................................528

Электрошлаковый чугун.................542

§ 1.	Виды чугунов, области применения и
проблемы повышения качества .	542

§ 2.	Методы рафинирования и нагрева
чугуна для получения шаровидного
графита ..............................547

§ 3.	Влияние электрошлаковой обработки
чугуна (ЭШОч) на его качество . .	548

§ 4.	Первородный электрошлаковый чу-
гун ..................................556

Глава X

Электрошлаковые цветные металлы и
сплавы .	.........................565

§ 1.	Титан и титановые сплавы . . . 565

§ 2.	Алюминий.........................572

§ 3.	Медь и сплавы на ее основе . . . 573

§ 4.	Тугоплавкие металлы и специальные
сплавы................................584

Глава XI

Экономическая эффективность ЭШП и

ЭШЛ...................................595

§ 1.	Общие методические положения . .	596

§ 2.	Экономическая эффективность про-
изводства и потребления металла
ЭШП...................................598

§ 3.	Сравнительный анализ технико-эко-
номических показателей ЭШП и
других переплавных процессов . .	625

§ 4.	ЭШЛ — важное направление повы-
шения эффективности заготовитель-
ного производства ................... 629

§ 5.	Экономическая оценка состояния
производства электрошлакового ме-
талла за рубежом....................  633

§ 6.	Перспективы дальнейшего повыше-
ния экономической эффективности
производства электрошлакового ме-
талла ................................640

Заключение............................646

Список литературы.....................648
БОРИС ИЗРАИЛЕВИЧ МЕДОВАР,
ЛЕОНИД МИХАИЛОВИЧ СТУПАК.
ГЕОРГИИ АЛЕКСАНДРОВИЧ БОЙКО,
АНАТОЛИИ КОНСТАНТИНОВИЧ ЦЫКУЛЕНКО.
АВГУСТ БОРИСОВИЧ КУСЛИЦКИИ.
ЛЕОНТИИ ВАСИЛЬЕВИЧ ЧЕКОТИЛО,
ВЛАДИМИР ЯКОВЛЕВИЧ САЕНКО.

[СЕМЕН АБРАМОВИЧ ЛЕИБЕНЗОн|,
ЮЛИИ ГЕОРГИЕВИЧ ЕМЕЛЬЯНЕНКО.
ЮРИИ ВАДИМОВИЧ ЛАТАШ.
ВЛАДИМИР ПРОХОРОВИЧ АНДРЕЕВ.
|ИЛЬЯ ИОСИФОВИЧ КУМЫш|.

АЛЕКСЕИ ГЕОРГИЕВИЧ БОГАЧЕНКО,
АЛЕКСЕИ ЕФИМОВИЧ ВОРОНИН,
ИГОРЬ ЮРЬЕВИЧ ЛЮТЫЙ,
НИНА ИВАНОВНА ПИНЧУК.
ВИКТОР ЛЕОНИДОВИЧ АРТАМОНОВ,
АНАТОЛИИ МАКСИМОВИЧ БРЕЧАК,
ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ ИВАНОВ,
ГАЛИНА ВЛАДИМИРОВНА БЕРГАУЗ.
ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА НОВИКОВА

ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЙ МЕТАЛЛ

Утверждено к печати

ученым советом Института электросварки
им. Е. О. Патона

АН УССР

Редактор

Н. 3. ЛАПТЕВА
Редактор-библиограф
Л. П. ШЕВЧЕНКО
Оформление художника
В. Г. САМСОНОВА
Художественный редактор
и. в. КОЗИН

Технический редактор

Б. М. КРИЧЕВСКАЯ

Корректоры:

Е. Н. МЕЖЕРИЦКАЯ

Э. Я. БЕЛОКОПЫТОВА

В книге использованы цветные фотографии,
выполненные И. А. Гильбо.

Информ, бланк № 2777

Сдано в набор 28.10.80. Подписано в печ. 31.07.81.
БФ 00585. Формат 70Х100Лв. Бумага тнпогр. № 1.
Лит. тарн. Выс. печ. Усл.-печ. л. 56,87. Усл. кр.-отт.
63,21. Уч.-изд. л. 64,56. Тираж 2000 экз. Заказ 2426.
Цена 7 руб. 50 коп.

Издательство «Паукова думка», 252601, Киев,
ГСП, ул. Репина, 3.

Головное предприятие республиканского производ-
ственного объединения <Пол1графкнига». 252057,
Киев, ул. Довженко, 3.