Страница 9 из 10
За последние годы появился ряд предпосылок для решения проблемы ответственных литых деталей для сверхнизких температур. Основными из них являются, во-первых, насущное требование производства в снижении затрат, где эффект достигается за счет снижения времени и трудозатрат на производственный цикл, во-вторых, широкое вхождение в практику специальных видов литья (литье по выплавляемым моделям, литье под давлением, оболочковое литье и др.), и, наконец, развитие более ясных представлений о причинах низкой пластичности и хладноломкости литых сталей. Сюда относится теоретический анализ явлений, сопровождающих кристаллизацию сталей и формирующих литую структуру, выяснение факторов низкой хладостойкости, а практически – получение сталей, сравнимых по низкотемпературной вязкости с деформированными.
Главным препятствием в расширении температурного диапазона применения литья является попытка унифицировать использование одних и тех же сталей при совершенно разных целях. Например, использование литых коррозионностойких хромоникелевых сталей для условий арматуры с вакуумной изоляцией нецелесообразно, а применение деформированных дорого. Использование известных способов борьбы с литейными дефектами при помощи технологических ухищрений также неприемлемо удорожает сталь. Стремление же повысить пластичность за счет подбора компонентов, переводящих химический состав в наиболее пластичную область аустенита, имеет мало смысла, т. к. при этом не устраняется вредное воздействие литой структуры (включая эвтектики, поры, зернограничные включения).
Общим недостатком большинства исследований является стремление повысить какие-либо одни свойства (служебные или технологические), не считаясь с потерями. Например, предлагается только устранить окисные плены литейными приемами, или только повысить прочность различными вариантами термообработки.
На фоне этих исследований более выделяются результаты работ, где стремятся одновременно повысить весь комплекс свойств. Сделать это можно за счет либо совершенствования литейной технологии, либо переходом к более прогрессивному способу легирования стали. Использование металловедческих приемов выправления структурных несовершенств литья менее перспективно из-за меньшей динамичности и управляемости процессов в твердой структуре.
Простота же получения высокого комплекса свойств одним лишь изменением параметров литейного процесса относительна, поскольку приводит к недопустимому разрушению «обслуживающих подсистем». Так, повышение скорости кристаллизации, измельчающей зерно, требует перехода от простых земляных форм к металлическим или водоохлаждаемым кокилям, вакуумирование – сложного комплекса машин, плохо совместимых с реальными производственными условиями литейного производства. При ощутимых затратах на развитие литейного комплекса серьезного выигрыша в эксплуатационных свойствах добиться не удается.
В качестве основной тенденции прослеживается модифицирование и раскисление стали, влияющих главным образом на размер зерна и форму неметаллических включений. Сильным аргументом в пользу такого способа борьбы с хрупкостью является более простая технология, минимальное количество вводимых добавок, при практически неизменном марочном составе выплавляемой стали. Тем не менее, модифицирование и раскисление не способны решить главную задачу – добиться уровня хладостойкости литья, сравнимого с деформированными сталями и расширить температурный интервал применения в область более низких температур.
Сложность управления и контроля мельчайших добавок модификаторов в расплаве и структуре, их неравномерное распределение, угар и др. приводят к сильному разбросу свойств сталей. В случае модификаторов ингибиционного действия, они сами способствуют зернограничной хрупкости сталей. Модификаторы слабо влияют на один из самых отрицательных факторов сталей – окисные и сульфидные плены. Часто встречающееся в литературе описание попыток легирования несколькими модификаторами наталкиваются на чрезмерную специализацию сталей и малый диапазон их применения. По мере углубления специализации сужается область применения сталей. Возникает уже высказанная выше тенденция к поиску различных составов за счет различной комбинации модификаторов, не считаясь с потерями в других свойствах.
Более сильной и плодотворной идеей является не использование одного лишь воздействия на размер зерна и форму включений, но и легирование твердого раствора. В этом случае открываются возможности использования для упрочнения более тонких структурных эффектов, а лучшая совместимость легирующих элементов с железной основой сплава способствуют органичному и легкоуправляемому изменению свойств при варьировании легирования.
Однако легирование только в том случае даст положительный эффект, если оно направлено на повышение комплекса механических и литейных свойств. Оно само по себе является связующей нитью между служебными структурами и расплавами сталей, поскольку присутствуют и в том и в другом случае. Управление легирующим комплексом значительно проще на этапе выплавки и кристаллизации, чем управление состоянием неметаллических включений. Легирование не приводит к необратимому образованию эвтектик в закристаллизовавшейся структуре.
По мере усиления легирования и перехода от микролегирования к средне и высоколегированным сталям, легирование способно устранять все более тонкие и трудноуправляемые дефекты, образующиеся на атомарном уровне, и создает возможности их перевода из отрицательных в положительные. Интересным примером этого может служить подавление выделения газов за счет их более высокой растворимости в специально легированной основе и использование их для упрочнения по типу растворов внедрения.
Главной трудностью при таком подходе является выбор легирования, способного заменить используемые легирующие элементы, вводимые только для повышения служебных свойств на добавки, обеспечивающие комплексный рост эксплуатационных и технологических показателей. Решение задачи может быть найдено на пути отказа от чрезмерной унификации сталей, даже если они хорошо освоены промышленностью.
Возможности развития известных литых хромоникелевых сталей, очевидно, уже исчерпаны в применении к низкотемпературному использованию. Для них хорошо известны дефекты, меры их устранения, комплексы раскислителей и модификаторов. Однако повышение раскисляющей способности Cr-Ni расплава постоянно натыкается на необходимость в изменении марочного состава сталей и перехода к новой системе легирования.
Лучшим доказательством исчерпанности их возможностей является применение конструкторами штампосварных или штампопаяных вариантов изделий, где использование литья более технологично и целесообразно. Литейщикам же для обеспечения надежной эксплуатации приходится давать технологический напуск в 2–2,5 раза превышающий расчетную толщину стенки отливки.
Магистральным направлением в разработке идеи легирования литейных хладостойких сталей для сверхнизких температур является анализ и оценка легирования с позиций их комплексного влияния на свойства в жидком и твердом растворе. Химический состав сталей должен обеспечивать хорошее раскисление расплава, как один из важнейших способов устранения влияния литой структуры и сочетаться с высокой хладостойкостью. Следует отметить, что новая основа стали открывает хорошие перспективы повышения свойств за счет разработки новых комплексов модификаторов, использования более совершенных технологий и т. д.
Инжиниринг литых сталей должен реализовать цели отыскания легирующего комплекса сталей, способных одновременно повысить химические и литейные свойства. При этом должна реализоваться возможность достижения высокой хладостойкости при введении легирующих элементов, обладающих сильной раскислительной способностью.
Сейчас это стали с высоким содержанием марганца. Они входят в жизнь, заменяя хорошо известные хромоникелевые стали типа 12Х18Н10Т и имеют доказанные характеристики выше хромоникелевых литейных сталей. Но их уже поджимают и новые виды сталей, способные дать еще более высокие технико-экономические показатели при более низкой стоимости.