книги / Металлургия черных и цветных металлов

Реальная температура расплава т"х сложится нэ температуры ликвидуса

7*1 на расстоянии х и постоянного градиента температуры А Т / А х в жидкой фазе от оси слитка к фронту кристаллизации, вызванного охлаждением слитка. Разность ординат кривой равновесной температуры ликвидуса и реальной

температуры расплава T t x —Т ХА Т будет величиной переохлаждения в дан­

ном случае концентрационного. Область этого переохлаждения представляет заштрихованный участок, где реальная температура Т х ниже равновесной тем­ пературы ликвидуса. Рис. IX.15 представляет рассмотренные соотношения.

§ 3. Формирование структурных зон

Первой зоной кристаллической структуры слитка или отливки является корочка слитка (рис. IX. 16).. За корочкой формиру­ ются параллельно ориентированные столбчатые кристаллы в на­ правлении теплоотвода с боковыми ветвями, образующими дендриты с осями второго и даже третьего порядка. Пока в слитке сохраняется направленный теплоотвод при необходимом уровне температурного градиента, кристаллизация протекает в направ­

в условиях меньшего переохлажде­ ния развиваются слабее, теснят друг друга, образуется дендритная структура из вытянутых кристал­ лов, создается зона столбчатых кристаллов.

В глубинных объемах уменьша­ ется температурный градиент, раз­ вивается концентрационное переох­ лаждение. Рост главных осей теряет направленность, появляется

к головной части. Возрастает ско­ рость роста осей второго порядка, развиваются дендриты с хорошо выраженными боковыми ветвями. Между дендритами все с большей

концентрацией ликвирующих примесей сосредотачивается ма­ точный раствор. Циркуляция раствора все более определяется капиллярными явлениями, получающими развитие в двухфаз­ ной области, какой является переходная зона. В середине слитка степень переохлаждения наименьшая. Изобилие под­ ложек из обломков дендритов переходной зоны и включений создает большое число центров кристаллизации. Все это и уменьшение скорости кристаллизации обеспечивают успешное зарождение и рост кристаллов по оставшемуся объему. Обра­ зуются равноосные укрупненные кристаллиты, создающие зону равноосных кристаллов.

Зона столбчатых кристаллов имеет высокую плотность и прочность, но в стыках кристаллов — малую пластичность. В связи с этим для малопластичных сплавов (стали) необхо­ димо ограничивать эту зону, для пластичных материалов (медь, алюминий и т. д.) развитие транскристаллизаЦии желательно.

§ 4. Ликвация и усадка при затвердевании слитка

Неравномерность распределения элементов и примесей в слитке называют сегрегацией. Процесс, в результате которого созда­ ется сегрегация, называют ликвацией. Так как процессы рас­ пределения и самораспределения неотделимы, эти два термина применяют без строгого разделения.

Явление ликвации было обнаружено выдающимся русским металлургом А. С. Лавровым и уже 150 лет является предметом исследований и дискуссий. Трудности эксперимента, множественность факторов, и среди них ряд не­ познанных, определяющих ликвацию, до оих пор не позволили создать теорию, иа основе которой можно было бы управлять явлейием. Между тем, важность проблемы очевидна. Все более высокие требования предъявляют к слиткам стали конструкционных марок, применяемых в самолетостроении, судострое­ нии, энергетике, автопромышленности, химическом 'машиностроении. В связи с этим металлурги вынуждены отрезать головную час/ь слитка, так как в ней сосредоточены усадочные Пороки и повышенная ликвация, теряя 25 % массы слитка и до 30. % и более с учетом донной части слитка. Причиной ликвации является различная растворимость большинства элементов — примесей в жид­ кой и твердой фазах, вследствие чего при затвердевании сплава развивается перераспределение элементов. Растворимость элементов в жидкой и твердой фазах характеризуется величиной равновесного коэффициента распределения Ао^Ств/ож как отношения концентрации элемента в твердой фазе в данное мгновение кристаллизации и концентрации этого же элемента в объеме кри­ сталлизующегося жидкого расплава. Чем меньше значение равновесного ко­ эффициента, тем больше может быть неоднородность (сегрегация) в слитке:

Наиболее склонны к ликвации сера, кислород, фосфор и углерод.

В затвердевающем слитке различают три меняющиеся зоны (рис. IX.17): зону твердой фазы I, двухфазную зону И, зону жидкой фазы III. От горизонта сплошной твердой фазы (пунк­ тир между I к II зонами) в расплаве растут в глубь дендриты.

роче двухфазная зона, тем меньшее развитие получают ликвационные явления и, чем она длиннее, тем полнее развивается ликвация. Это предположение подтверждает рис. IX. 17. Схема показывает, что чем больше интервал кристаллизации (Ti—Ts), т. е. разность температур ликвидуса и солидуса, и меньше перепад температур или градиент температур в слитке dT/dx, тем протяженнее двухфазная зона и полнее развивается ликвация, а значит больше степень сегрегации элементов при­ месей в слитке. Из этого ясно, что сегрегация больше развита в крупных слитках или отливках, так как в них затвердевание медленнее с малым градиентом температуры.

Определяющее значение двухфазной зоны в развитии ликвационных явлений видно на образовании дендритной ликвации. Этот вид ликвации создается в твердо-жидком участке двухфаз­ ной зоны, там, где срастаются дендриты и образуется замкну­ тый объем. Жидкая фаза не имеет выхода в расплав, не обнов­ ляется из него и оказывается маточным раствором, обогащен­ ным ликватами. Таким образом, ликвационные явления в замкнутых объемах твердо-жидких участков двухфазной зоны создает микросегрегацию, замкнутую сегрегацию в дендритах. При прокате этот порок дает полосчатость структуры.

С участием двухфазной зоны развивается и зональная лик­ вация. В жидко-твердом участке двухфазной зоны создаются зародыши, плавают обложки дендритов, начинают расти кри­ сталлы— твердая фаза в виде взвеси в расплаве. Под дей­ ствием гравитации зародыши, а тем более кристаллы, опуска­ ются в нижние слои, rto пути частично пристраиваясь к высту­ пающим ветвям дендритов. Конвективный поток сверху вниз вдоль горизонта образовавшихся кристаллов усиливает перенос этих частиц до дна слитка, где направление потока расплава со взвесью меняется вверх, отклоняясь к оси слитка в головную часть. С достаточным основанием можно предполагать, что именно эти потоки создают макроликвацию в объеме слитка

ток* и сделать его непригодным, а если и пригодным, то только для изделий типа трубы. В изложнице, расширяющейся книзу, можно получить раковину, уходящую глубоко в слиток, или может сформироваться дополнительная раковина в глубине. Если расширяющуюся книзу изложницу сделать с большим поперечным сечением и меньшей высоты, она позволит полу­ чать нормальные слитки.

Глав а 4. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛИ ПО ТЕХНОЛОГИИ РАСКИСЛЕНИЯ

Различают сталь спокойную, кипящую и полуспокойную. Спо­ койную сталь раскисляют в печи марганцем, кремнием и алюминием. Часто продолжают и усиливают раскисление при выпуске, в струе, на желобе, в ковше силикомарганцем, силикокальцием и алюминием. Разливка в изложницы и кристаллиза­ ция происходят при спокойном состоянии зеркала металла без заметного газовыделения.

Кипящая сталь в печи раскисляется слабым раскислителем — ферромарганцем, в основном осуществляется самораскис- ление в изложнице за счет углерода. При низком содержании углерода в кипящих сталях (0,25—0,30 %) и соответственно вы­ соком содержании кислорода сталь раскисляется за счет реак­ ции) [С]+[0]->-С0.

Нарушение равновесия и снижение температуры становятся особенно заметны по заполнении изложницы на 7з высоты. С этого момента все более усиливаются и развиваются, окисле­ ние углерода и выделение пузырьков монооксида углерода. Раз­ витие окисления углерода связано с тем, что эта реакция экзотермична и при понижении температуры должна усиливаться. Выделение пузырьков монооксида СО с поверхности жидкого металла создает впечатление кипения расплава, поэтому сталь, раскисленную таким образом, называют кипящей.

Успеху окисления углерода за счет растворенного в металле кислорода способствует то, что в жидкой стали к началу кипе­ ния образуется множество кристаллов, плавающих в виде взвеси в расплаве. Образуется корочка слитка, а от нее растут столбчатые кристаллы. На границе раздела кристаллы — рас­ плав интенсивно зарождаются и растут пузырьки.

Полуспокойная сталь раскисляется раскислителями сильнее, чем кипящая, и в меньшей степени, чем спокойная, самораскисляется в меньшей степени, чем кипящая. В связи с этим полу­ спокойная сталь по качеству занимает среднее между сйокойной и кипящей сталями место.

Слиток спокойной стали. Строение слитка спокойной стали было показано на рис. IX. 16. Наружная зона образуется кри­