В беседе участвуют: президент Академии наук УССР, директор Института электросварки имени Е. О. Патона АН УССР, дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской премии и Государственной премии СССР академик Борис Евгеньевич ПАТОН, руководитель отдела Института электросварки, лауреат Ленинской премии и Государственных премий СССР и УССР, академик АН УССР Борис Израилевич МЕДОВАР, руководитель лаборатории Института электросварки, лауреат Государственной премии УССР, кандидат технических наук Георгий Александрович БОЙКО.

Б. Патон. Нам предстоит рассказать о новой весьма перспективной металлургической технологии — электрошлаковом литье (ЭШЛ), которое окажет серьезное влияние на прогресс машиностроения. Но начать беседу целесообразно не с объяснения сущности новой технологии, внедрению которой мы придаем такое значение, а с некоторые общих рассуждений. Они помогут яснее представить себе масштаб обсуждаемых проблем.

Могущество современной техники определяется в конечном счете армией машин, приборов, механизмов, аппаратов, которыми она располагает. Тракторы, электронные вычислительные машины, ткацкие станки, атомные реакторы, двигатели, пылесосы, самолеты, стиральные машины, прокатные станы... Разве под силу перечислить все то, что создает сегодня машиностроительная индустрия для всех сфер деятельности человека — от космоса до быта? Список выпускаемых ею изделий насчитывает несколько десятков тысяч наименований! И при этом создает она не единичные образцы, а «тиражирует» их сотнями, тысячами, миллионами экземпляров. И так из года в год, пополняя и обновляя арсенал техники, увеличивая его мощь.

Естественно, возникает вопрос: а чем же определяются возможности самого машиностроения как отрасли производства? Ведь от них, от этих возможностей, зависит реальность всех замыслов техники, то есть какие идеи, проекты, конструкции могут быть сегодня воплощены в надежные, высокоэффективные машины, приборы, механизмы.

Перефразировав известное выражение, можно ответить так: «Скажи мне, какими материалами и технологиями располагает машиностроение, и я скажу тебе, каково оно сейчас». Если материалы определяют, что может сделать машиностроение, то технологии определяют, как это можно сделать.

Именно двуединство материалов и технологий (способы производства энергии, это ведь тоже технологии) определяет возможности машиностроения, а следовательно, и прогресс всей техники.

Проблемы материалов мы, естественно, здесь обсуждать не будем. Тема эта огромная и самостоятельная. Замечу лишь, что создание материалов с заданными свойствами было и остается важнейшей, я бы сказал, даже первостепенной задачей и науки и техники.

Технология - лидер

Б. Медовар. Не умаляя роли ни одного из известных материалов («материалы всякие нужны, материалы всякие важны»), отметим, что главным материалом современной техники остается (и, несомненно, еще долго будет) металл. Именно металлические сплавы, и в первую очередь сталь, служат основным конструкционным материалом для машиностроения. Из металла получают заготовки, затем, чтобы иметь детали нужной формы, требуемых размеров и качества поверхности, заготовки обрабатывают на металлорежущих станках (реже штампуют или прессуют), и, наконец, из готовых деталей (в том числе, конечно, и неметаллических) собирают машины. Именно таков производственный цикл изготовления подавляющего большинства машин.

Технологических процессов, с помощью которых можно получать металлические заготовки, существует довольно много — литье, ковка, прокатка, штамповка, прессование, порошковая металлургия, электронно-лучевая и лазерная обработка... (Здесь тоже уместно заметить, что «технологии всякие нужны, технологии всякие важны».) В машиностроении главная роль среди них принадлежит литью. За год у нас производится более 25 млн. т литых заготовок и 70 процентов этого количества, то есть около 18 млн. т,— в машиностроении. В среднем 2/3 (по массе) всех деталей машин делают из литых заготовок, а в некоторых отраслях, например, в станкостроении, заготовки почти для всех деталей отливаются.<>p/

Благодаря каким же особенностям древнейшая из всех изобретенных человеком технологий (производство литых изделий было известно за несколько тысяч лет до нашей эры!) не только не утратила своего значения, но даже и сегодня удерживает лидерство?

«...Металлам, расплавленным жаром, может дана быть фигура и форма какая угодно» — так предельно четко и ясно еще более 2 тысяч лет назад в поэме «О природе вещей» Лукреций Кар определил суть литья.

Применение литья позволяет максимально приблизить форму заготовки к конфигурации будущей детали, а значит, уменьшить расход металла, сократить затраты на механическую обработку.

Поэтому приходится скорее удивляться не лидерству литья, а тому, что оно не безраздельно господствует в машиностроении как заготовительная технология. Более того, может возникнуть вопрос: зачем вообще нужны заготовки, если литье позволяет сразу получить готовую деталь?

И на литье есть «пятна»

Г. Бойко. Конечно, существуют литые детали, которые без дополнительной обработки используются в машинах. Но это происходит лишь тогда, когда литая деталь удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству металла, точности размеров, состоянию поверхности. А такое бывает не часто.

Во многих случаях, главным образом когда надо изготовить крупные и ответственные детали, приходится вообще отказываться от литых заготовок, отдавая предпочтение поковкам — заготовкам, полученным ковкой слитка, или проката. И уже из таких деформированных заготовок на металлорежущих станках изготавливать детали. Поступают так потому, что деформированный металл по качеству, главным образом по прочности, значительно превосходит литой.

За «отступничество» от литья приходится расплачиваться: ведь нужны довольно мощные ковочные машины и к тому же при обработке поковок в стружку уходит до 60—70 процентов металла заготовки. Таким образом, народное хозяйство дважды несет убыток: на создание «лишнего» металла, а затем на его ликвидацию. Ежегодно в стружку у нас превращается более 8 млн. т металла (его хватило бы на выпуск примерно 7 млн. автомобилей) и не менее половины этого количества — результат обработки поковок.

Какие же «пятна» на литейной технологии служат причиной ухудшения свойств металла, заставляют прибегать к ковке?

При остывании залитого в форму металла он, как известно, кристаллизуется. В жидком металле все его составляющие, в том числе и примеси, распределены по объему относительно равномерно. И если бы такое распределение удалось зафиксировать в затвердевшем металле, то свойства его оказались бы гораздо выше, чем получаются в действительности. Но затвердевание сплавов, и в частности стали, происходит не при одной какой-то температуре (как у чистых металлов), а в интервале температур. Первыми кристаллизуются наиболее тугоплавкие составляющие, затем менее тугоплавкие и т. д. Кристаллы тоже образуются не сразу во всем объеме, а начинают расти от стенок формы к центру отливки. В результате развиваются процессы ликвации (в переводе с латинского ликвация — разделение), что приводит к неоднородности металла по химическому составу, структуре, а значит, и свойствам. Кроме того, при затвердевании металла происходит усадка — уменьшение его объема, и в тех местах отливки, где металл кристаллизуется в последнюю очередь, образуются поры, усадочные раковины. В момент перехода металла из жидкого состояния в твердое начинают выделяться находившиеся в нем газы, а это тоже может стать причиной появления пор, газовых пузырей.

Создано немало способов литья, которые в большей или меньшей степени свободны от описанных недостатков. Особенно эффективны эти способы, когда отливки относительно малы, так как в этом случае легче управлять процессом кристаллизации.

При отливке заготовок, масса которых достигает нескольких десятков тонн (а потребность в таких заготовках непрерывно растет у многих ведущих отраслей народного хозяйства, и в первую очередь у тяжелого машиностроения, станкостроения энергетического машиностроения), справиться с «болезнями» литья очень сложно. Приходится создавать громоздкие литниковые и прибыльные системы — целые коммуникации для подачи жидкого металла в форму и для питания заготовки в процессе ее кристаллизации. Это приводит к повышенному расходу металла: масса литников и прибылей иногда достигает 40 процентов массы отливки. Нельзя сбрасывать со счетов и то, что на обрубку всех этих коммуникаций, зачистку и отделку отливок расходуется много труда, и в основном ручного. Но даже эти жертвы зачастую не приносят успеха.

И тогда, чтобы обеспечить эксплуатационную надежность, долговечность будущей детали, а значит, и машины, взамен литой заготовки применяют поковку или прокат.

Рождение электрошлаковой технологии

Б. Медовар. Отливка со свойствами поковки... Достигнуть этого — значило бы вообще отказаться от поковок и полностью перейти на литые заготовки, что при масштабах нашего машиностроения дало бы грандиозный экономический эффект.

Еще совсем недавно об этом можно было лишь мечтать. А сегодня новая технология литья, созданная в Институте электросварки имени Е. О. Патона (ИЭС) и получившая название «электрошлаковое литье» (ЭШЛ), уже доказала на практике, что вполне реальной стала задача отвоевать у ковки позиции, которые вынуждено было уступить ей литье.

Рождение новой технологии связано с событием, которое произошло 30 лет назад. Инженеры-патоновцы участвовали в монтаже кожуха разрушенной во время войны домны завода «Запорожсталь». Однажды при автоматической дуговой сварке под флюсом вертикальных швов горение дуги вдруг прервалось. Но, к удивлению всех присутствовавших, приборы продолжали показывать: в сварочной цепи идет ток. Значит, сварка не прекратилась?! Но тогда оставалось предположить, что электрический ток, проходя через жидкий флюс-шлак, нагревает его настолько, что выделяемого джоулевого тепла достаточно для плавления металла.

Так был открыт бездуговой сварочный процесс, получивший вскоре название электрошлаковой сварки (ЭШС).

Но самое интересное ожидало патоновцев впереди, когда были проведены всесторонние исследования различных свойств сварного шва. Оказалось, что электрошлаковый металл буквально по всем показателям уникален. Никогда раньше не наблюдали такого замечательного сочетания прочности и пластичности, чистоты и плотности макро- и микроструктуры литого металла, химической однородности, изотропности практически всех его свойств.

Вполне естественно возник вопрос: а не сохранятся ли все эти высокие характеристики, если отделить электрошлаковый сварной шов от соединяемых им кромок, если вместо шва получить слиточек, то есть совершать уже не электрошлаковую сварку, а электрошлаковый переплав (ЭШП). В 1952 году такие опыты были проведены, и они полностью подтвердили это предположение.

Прошло несколько лет, и в мае 1958 года в том же городе Запорожье, где родилась электрошлаковая сварка, Ha электрометаллургическом заводе «Днепроспецсталь» имени А. Н. Кузьмина построили и ввели в промышленную эксплуатацию первую в мире печь ЭШП.

Как же осуществляется процесс электрошлакОвого переплава? Расходуемый металлический электрод, подключенный к источнику тока, своим торцом погружают в расплавленный электропроводный шлак, обладающий сильной рафинирующей способностью. Под действием тепла, выделяющегося при прохождении через него тока, электрод плавится. Капли металла проходят сквозь толщу шлаковой ванны, очищаются от примесей и опускаются на ее дно, образуя металлическую ванну. Все это происходит в водоохлаждаемой форме — кристаллизаторе, где металл постепенно, направленно— снизу вверх — кристаллизуется. По мере оплавления электрод подается в шлаковую ванну, .поэтому объем металлической ванны непрерывно восполняется. В результате образуется слиток металла сверхвысокого качества.

Достоинства новой металлургической технологии были столь убедительны и неоспоримы, что дальнейшее наращивание мощностей ЭШП >носило лавинообразный характер. Не прошло и 4—5 лет, как практически все отечественные заводы качественной металлургии, ряд предприятий цветной металлургии и многие заводы машиностроения оснастились электрошлаковыми печами.

За короткий срок в нашей стране была создана принципиально новая отрасль производства — специальная электрометаллургия. Показателен и тот факт, что советское изобретение запатентовано во многих странах, причем только ИЭС — обладатель более 600 зарубежных патентов в этой области. Технология ЭШП и оборудование для ее осуществления, разработанные в ИЭС, нашли применение сперва во Франции, а затем в Японии, Швеции, США, Польше, Румынии, Болгарии и многих других странах.

Б. Патон. Здесь справедливо говорилось, что всякие технологии и нужны и важны. Но при этом все-таки технология технологии рознь. Я имею в виду место, которое они занимают в общей системе техники. Возьмем, к примеру, технологию изготовления пакетов для молока. Нужна она? Бесспорно. Важна? Несомненно. Но даже если таковой и не существовало бы или была бы она не столь удачной, как сейчас, очень серьезного влияния на нашу жизнь это не оказывало бы. Другое дело, например, технология полимеризации, которая лежит в основе получения практически всех современных синтетических материалов. Уровень ее совершенства во многом определяет научно-технический прогресс практически всех отраслей народного хозяйства. Подобные технологии благодаря тому, что в них заложена идея, отличающаяся и глубиной и широтой, рождают новые технологии, оказывающие, в свою очередь, важное влияние на целые отрасли производства.

Именно к глобальным технологиям относится и электрошлаковая технология, ставшая суммой технологий, внедрение которых знаменует подлинную научно-техническую революцию в таких важнейших производствах, как металлургия, машиностроение, открывает перед ними новые, далеко еще не исчерпанные возможности.

Б. Медовар. Достижения электрошлакового переплава создали предпосылки для рождения и других технологических процессов, в частности электрошлакового литья. Это явилось логическим развитием идей, заложенных в технологии-родоначальнице.

Действительно, ведь сам ЭШП, по существу, литейная технология. Но продукция ее — заготовки простой конфигурации: слитки прямоугольного и круглого сечения. Значит, надо было внести такие технологические и конструктивные изменения в процесс электрошлакового переплава, которые бы сделали его универсальным с точки зрения литейного производства, то есть дали возможность получать отливки практически любом формы.

Работы в этом направлении, проводившиеся в ИЭС, и привели в 1967—1968 годах к созданию ЭШЛ. Новая технология сделала реальной мечту машиностроения: объединить в заготовке оптимальную форму отливки и высокие качества поковки.

Благодаря каким же особенностям электрошлаковой технологии удается получать металл сверхвысокого качества, добиваться того, что не достижимо ни одним из традиционных способов литья?

В современном литейном производстве заранее приготавливают жидкий металл, а затем его заливают в полость литейной формы. Средств для приготовления расплавленного металла самого высокого качества металлургам известно достаточно. Но что с того, если, скажем, в ковше будет получена относительно чистая сталь, когда при транспортировке к литейной форме и в процессе разливки она загрязнится от взаимодействия с газами окружающей атмосферы, огнеупорными материалами ковша, с самой формой? Даже если и удастся в какой-то мере предохранить металл от такого загрязнения (а это очень осложняет и удорожает технологию), то полностью устранить все дефекты, связанные с условиями кристаллизации больших масс металла, практически невозможно.

Итак, для традиционной литейной технологии характерно, что операция расплавления металла и операция его затвердевания разобщены операцией заливки. Это принципиальный недостаток. Он-то и служит в конечном счете источником бед, которые, как правило, приводят к ухудшению свойств металла литого изделия.

При ЭШЛ получение с помощью электрошлаковой переплавки жидкого металла самого высокого качества, заполнение им формы и затвердевание отливки происходят непрерывно, одновременно и в одном месте: в едином с литейной формой агрегате. Литейная форма при этом выполняет две функции — служит местом для приготовления жидкого металла и используется, собственно, по прямому назначению — формирует отливки. Для характеристики ЭШЛ вполне подходит одно из правил классической драмы — единство места.Именно в единстве места основных операций литейного процесса и заключается суть ЭШЛ, которая определяет все другие особенности этой технологии.

Пять ролей шлака

Г. Бойко. Принципиальная схема процесса электрошлакового литья ничем не отличается от ЭШП. Как там, так и здесь главное действующее «лицо» — шлак. Играет он сразу пять ролей: служит нагревательным элементом — источником тепла, под действием которого плавится металл расходуемого электрода, «чистилищем» для расплавленного металла, надежной защитой его от контактов с окружающей атмосферой, тепловой надставкой над кристаллизующимся металлом, что способствует получению отливки, свободной от усадочной раковины, и, наконец, образует на боковой поверхности отливки гарнисаж, тонкую шлаковую корочку, которая препятствует взаимодействию металла с материалом формы и, уменьшая отвод тепла в горизонтальном направлении, также способствует формированию отливки без осевой рыхлости и усадочной раковины. Кроме того, благодаря гарнисажу отливка получается с такой чистой поверхностью, что последующая механическая обработка практически не требуется.

Свою рафинирующую функцию шлак выполняет на всех стадиях контакта с металлом: соприкасаясь с оплавляющимся электродом, во время прохождения капель металла через шлаковую ванну и на границе ее раздела с металлической ванной. Благодаря такой активной обработке металла из него удаляются неметаллические включения, вредные примеси и газы. Например, в конструкционных сталях общее количество включений снижается более чем в 2 — 3 раза. Главный эффект в улучшении свойств металла приносит очистка от серы — наиболее опасной и крайне нежелательной примеси для большинства сталей и сплавов, ведь она делает их красноломкими, резко снижает пластичность, свариваемость.

Очень важно, что рафинирующим действием шлака можно управлять. Меняя его состав, удается избирательно рафинировать от тех или иных примесей.

Б. Медовар. Одно лишь рафинирование не могло бы обеспечить тех исключительно высоких свойств, которыми отличаются заготовки, получаемые методом ЭШЛ. Не менее важную роль играют благоприятные условия кристаллизации металла.

Самая опасная и трудно поддающаяся лечению болезнь в условиях традиционного литейного процесса — ликвация. Электрошлаковые отливки практически ей не подвержены. Это — следствие одной из главных отличительных особенностей ЭШЛ: количество жидкого металла все время остается минимальным и во много раз меньше массы получаемой отливки. Словом, трагическим ликвационным событиям просто негде разыграться.

К верхней части отливки непрерывно подводится тепло от расплавленного металла, а отводится тепло водоохлаждаемыми стенками формы с разной интенсивностью: в донную часть, то есть в осевом направлении, больше, чем в горизонтальном направлении. Таким образом, потоки тепла движутся сверху вниз в осевом и радиально-осевых направлениях. Соответственно столбчатые кристаллы растут снизу вверх, тоже в осевом и радиально-осевом направлениях.

Так как сверху непрерывно поступают свежие порции расплава («дождь» из металлических капель), то по мере кристаллизации снизу металлическая ванна постепенно продвигается вверх, оставляя за собой затвердевшую заготовку.

Отливка получается плотной, свободной от ликвационных дефектов, без мест слабины (осевой рыхлости) и связанных с ними трещин. Механические свойства литого электрошлакового металла отличаются изотропностью, то есть практически одинаковы в любом направлении. Вот почему металл ЭШЛ не нуждается в ковке.

С. Кипнис.