Электрошлаковое литье - технология высокой эффективности

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.