1.2.2 Формування зливків при електронно-променевому переплаві

ЕПП дозволяє отримувати зливки з досить однорідною структурою. Характерною для зливків є наявність зони дрібних рівновісних кристалів на бічній поверхні зливка, зони великих стовбчастих кристалів, що займають майже всі перетини зливка і зони, розташованої у верхній частині зливка, відповідній кристалізації рідкої ванни металу після відключення променя [10].

Величина зони рівновісних кристалів зливка, що формується в мідному охолоджувальному кристалізаторі, насамперед, залежить від швидкості плавки. При малих швидкостях переплаву вона майже відсутня, формуються переважно майже вертикальні стовбчасті кристали. Велику роль, при цьому, грає температуропроводність металу. Зі збільшенням швидкості плавки зона рівновісних кристалів збільшується, стовбчасті кристали орієнтуються похило до осі зливка. Збільшення діаметра зливка впливає на макроструктуру аналогічно зміні швидкості переплаву.

Суттєвою перевагою ЕПП є те, що в зливках практично відсутня плямиста неоднорідність. Можливість її появи визначається тільки утворенням на стінках кристалізатора корони, збагаченої домішками, і її обвалом в рідкий метал. Це легко усувається рівномірним обігрівом ванни і регулюванням рівня рідкої ванни по відношенню до поверхні кристалізатора [10].

При будь-якому виді переплаву*якість зливків в значній мірі визначає їх хімічна неоднорідність. При цьому кажуть про макро- або зональній ліквації , якщо відрізняється хімічний склад центральної і периферійної зон зливка. Відмінність в хімічному складі характеризує так звану дендритну, або мікроліквацію. Остання визначається переважно дифузією компонентів в твердому і рідкому станах металу. Вона мінімальна при великій швидкості металізації і охолоджуванні зливка. Зі збільшенням діаметра зливка і глибини ванни вона виявляється сильніше. Необхідність підвищення економічності ЕПП і необхідність задовольнити запити ряду галузей техніки вимагають саме збільшення діаметра зливків. Таким чином при класичній схемі ЕПП існує дилема: потрібні зливки великого діаметра, але при цьому зростає дендритна ліквація, збільшуються розміри неметалічних включень. Розв^!язання цієї проблеми полягає у використанні проміжної місткості, що можливо тільки при ЕПП. Наявність проміжної місткості дозволяє відділити процес рафінування від процесу кристалізації. Нагрів рідкої ванни в кристалізаторі може бути тільки таким, щоб забезпечити сприятливі умови кристалізації, що гарантують високу хімічну і структурну однорідність зливка [ 12 ].

Зональна ліквація визначається, в основному, конвективним перемішуванням, особливо при краплинній подачі металу у ванну. Крім того, вона істотно залежить від типу діаграми твердіння і умов кристалізації. Міра цієї ліквації, як правило, тим вище, чим ширше температурний інтервал кристалізації, чим більше глибина і діаметр ванни і чим інтенсивніше рух розплаву у ванні.

Одній з причин нерівномірності хімічного складу зливка при ЕПП є конденсація летючих компонентів сплаву (чи летючих домішок) на внутрішній поверхні кристалізатора. Звичайно цю неоднорідність за хімічним складом видаляють обдиранням поверхні зливка перед його гарячою деформацією або, наприклад, плющенням і т.д. У ряді робіт вивчена зональна ліквація кисню в зливках при ЕПП [13].

Зокрема, було встановлено, що периферійний шар зливка, товщиною 5-8 мм, з нержавіючої сталі ОХ16Н11МЗ приблизно в два рази більше збагачений киснем, ніж внутрішність. Аналогічно верх зливка більше збагачений киснем, ніж середина і низ. Це свідчить про витіснення кисню фронтом кристалізації по всьому перетину зливка. Периферійні шари зливка, які кристалізуються з більшою швидкістю, фіксують значну частину кисню. Слід відмітити, що при формуванні стовбчастих кристалів потрібно чекати суттєвої відмінності в самих кристалітів і кордонів, що їх розділяють [ 14 ]. Ця відмінність тим сильніша, чим нижче швидкість кристалізації і чим більше діаметр зливка. Вищевикладене показує, що жоден з відомих процесів не володіє такими можливостями як ЕПП.

Металургійні особливості електронно-променевого переплаву, що включає значний (регульований) нагрів рідкого металу, високий вакуум, регульований час перебування в рідкому стані, великий міжфазний кордон розділу метал-вакуум дозволяють в достатній мірі змінити хімічний і фазовий склад металів.

Особливу роль при цьому грає високий вакуум, в більшості випадків що інтенсифікує виділення з розплаву газів і елементів з пружністю пат більшої, ніж пружність пари металу - основи. Крім того, у вакуумі при значному перегріві поверхні металу реалізовуються реакції, які термодинамічно не вигідні при високому тиску парогазової фази над розплавленою поверхнею. Ступінь виділення шкідливих і корисних компонентів сплавів визначається величиною перегріву поверхні рідкої ванни, її питомою величиною, а також конвекційними і дифузійними процесами в розплаві [ 13 ].

Підвищення температури рідкої ванни супроводжується також збільшенням випаровування металу-основи (випару), що в значній мірі зумовлює економічну доцільність процесу рафінування. Найбільш вигідними при цьому є квазістаціонарні умови нагріву.

Найбільш простий процес рафінування електронно-променевий нагрів деякого об'єму металу, вміщеного в певну судину. Рафінуючою фазою в цьому випадку є вакуум. По мірі витримки металу в рідкому стані його хімічний склад буде змінюватися. При цьому, вміст високолетких домішок в металі на кінцевій стадії знижується і, навпаки, підвищується концентрація домішок, парціальний тиск пари яких при даній температурі рідкого металу значно нижче, ніж тиск пари металу-основи. Наявність в металі деяких домішок, наприклад, кисню може змінити механізм їх випаровування. Зокрема, можуть утворитися високолетучі субокисли і при цьому, замість збагачення домішками, що погано випаровуються, може спостерігатися зниження їх концентрації в кінцевому стані в порівнянні з вихідним. У процесі рафінування велику роль грають конвекція і дифузія домішок до поверхні рідкого металу. Часто такий процес називають кінетичним [13 ].

Якщо ж процес рафінування здійснюється в умовах безперервного надходження в розплавлений метал нерафінованого ідентичного металу в твердому (у вигляді порошку, гранул, скрапу) або в рідкому станах (у вигляді струменя рідкого металу або краплин ), то умови рафінування при цьому будуть загалом гірше. Такий процес називають квазірівноважним [ 7 ]. При рафінуванні з використанням квазірівноважного процесу необхідно підбирати швидкість плавлення і, відповідно, швидкість кристалізації так, щоб в сталому режимі плавки отримати необхідний хімічний склад. По мірі рафінування квазірівновісний процес може наблизитися до рівноважного тільки в тому випадку, якщо процес багатосхідчастий і число рівнів дуже велике.

Великий вплив на ступінь рафінування має глибина вакууму. Однак, якщо процес переплаву високопродуктивний (тобто супроводжується інтенсивним випаровуванням як домішок, так і метал-основи), то роль вакууму і герметичність вакуумної камери сильно нівелюються [13]. Це зумовлене тим, що паровий потік надає велику екрануючу дію на рідку ванну, а процеси видалення домішок визначаються, в основному, пружністю пари елементів і їх з'єднань, а також величиною поверхні випаровування.

Промислове освоєння електронно-променевої плавки пов'язане з виробництвом особливо чистих тугоплавких металів. При ЕПП ніобію і танталу сплавів на їх основі досягається досить повне видалення домішок з більш низькою температурою плавлення, добре видаляється кисень, азот, вуглець, водень. Рафінування ніобію та танталу при ЕПП супроводжується зміною багатьох фізичних і механічних властивостей. Зокрема, підвищується пластичність і оброблюваність, поліпшується зварюваність. Поріг крихкості ніобію після ЕПП знаходиться біля 150 °С, в той час як для ніобію вакуумного електродугового переплаву він знаходиться поблизу кімнатної температури [13]. Аналогічно дуже хороші результати отримані при ЕПП ванадію.

Електронно-променевий переплав вольфраму і молібдену також істотно знижує вміст багатьох домішок, в тому числі і домішок впровадження. Однак, зниження останніх виявляється недостатнім при охолоджуванні зливка, тому по межах кристалів виділяються у великій кількості карбіди, нітриди та оксиди, які сприяють розвитку крихкого міжкристалічного руйнування. Цей недолік можна в значній мірі усунути , якщо в метали, що переплавляються, вводити спеціальні мікродомішки, що виконують роль комплексних розкисників [ 14 ].

Електронно-променева плавка впливає позитивним чином на властивості титану , цирконію і гафнію та сплавів на їх основі. Однак якщо в цирконії і гафнії після ЕПП істотно знижується твердість, збільшується пластичність, зростає корозійна стійкість, то переплав титана не дає так помітних результатів. При плавці титана сильно знижується зміст водню, а скільки-або істотного зниження вмісту кисню і азоту не спостерігається. ЕПП дозволяє досить добре рафінувати і поліпшує властивості багатьох металів.

Мідь при електронно-променевому переплаві рафінується істотно поганіше; особливо погано видаляється кисень. Тому доводиться застосовувати додаткові заходи по розкисленню міді вуглецем. Крім того, в зливках міді спостерігається мікропористість, що є слідством коагуляції вакансій. Досвід показує, що гаряче пресування такої міді приводить до практично повного зникнення мікропор. Мідь електронно-променевого переплаву не схильна до водневої хвороби. Вона володіє досить високою щільністю, особливо в деформованому стані, її електропровідність декілька вище стандартного значення. При тому, що електронно-променевий переплав міді дає кращі показники, ніж інші методи плавки, всі його можливості до цього часу не розкриті. Немає надійної кореляції фізико-механічних і інших властивостей з умовами і режимами електронно-променевого рафінування.