Строение металлического слитка

Впервые схема строения стального слитка была дана Д. К. Черновым. Описывая процесс кристаллизации, он привел схему роста первичных кристаллов (рис. 50). Форма таких кристаллов напоминает форму дерева, и поэтому они называются дендритами. Такая форма кристаллов объясняется тем, что возникшие в жидком металле зародыши растут главным образом в направлении с минимальным расстоянием между атомами. Так образуются оси первого порядка (ось к). Одновременно с главной осью под определенными углами к ней начинают расти оси второго порядка (оси т), от которых уже растут оси третьего порядка (оси п) и т. д. Последние порции жидкого металла заполняют межосные пространства. Правильная форма дендритов искажается в результате их соприкосновения в процессе роста. Дендриты можно видеть на поверхности литого металла, они образуют характерный рельеф. Обычно их размеры невелики (до 2-3 см). Но Д. К. Чернов обнаружил в усадочной раковине 100-т слитка дендрит размером в 39 см.

На рис. 51 приведена схема строения стального слитка. При соприкосновении с холодной стенкой изложницы образуется зона мелких равноосных кристаллов 1. Объем твердого металла меньше жидкого, поэтому между стенкой изложницы и застывшим металлом возникает воздушная прослойка, кроме того, и сама стенка нагревается от соприкосновения с металлом. В результате скорость охлаждения металла уменьшается. Рост кристаллов приобретает направленный характер — они растут от стенки изложницы к центру по направлению отвода тепла. Так образуется зона столбчатых кристаллов 2. Это явление как бы прорастания длинными кристаллами толщи слитка носит название транскристаллизации. Образующаяся зона еще более замедляет отдачу тепла наружу, скорость охлаждения все более и более уменьшается, образуется зона крупных неориентированных кристаллов 3.

В жидком металле всегда содержится какое-то количество растворенных газов, поэтому в объеме слитка при его охлаждении будут образовываться газовые пузыри и раковины. Если сталь недостаточно раскислена (так называемая кипящая сталь), то газовые пузыри будут образовываться по всему объему слитка. Если же сталь хорошо раскислена (так называемая спокойная сталь), то ее отливают в изложницы с утепленной прибыльной надставкой. В этом месте будут кристаллизоваться последние порции жидкого металла. Здесь будут собираться газы. При этом возникает большая пустота (рис. 51, 4), называемая усадочной раковиной. Около усадочной раковины металл будет менее плотным, рыхлым. Поэтому после прокатки слитков спокойной стали верхнюю (прибыльную) часть слитка (около 15-20% от длины слитка) отрезают. При прокатке форма первичных кристаллов литого металла изменяется. Дендриты деформируются, вытягиваются вдоль направления течения металла, превращаются в так называемые волокна. Места стыков кристаллов имеют меньшую прочность, поэтому вдоль волокон деформированная сталь обладает большей прочностью и вязкостью, чем поперек.

Для слитков характерна неоднородность химического состава вследствие зональной и внутрикристаллической ликвации и ликвации по плотности.

Зональная ликвация наблюдается в объеме слитка. Она связана с разностью температуры затвердевания нижней, средней и верхней частей слитка. По мере кристаллизации металл слитка будет все более обогащаться разными примесями, поэтому химический состав зон 1 — 3 будет различным (рис.1). В стальных слитках наибольшую зональную ликвацию вызывает сера, несколько меньшую – фосфор и углерод.

Ликвация по плотности (удельному весу) наблюдается при сплавлении металлов, сильно различающихся по плотности. Так, в сплавах системы свинец—сурьма верхняя часть слитка будет обогащена сурьмой, а нижняя — свинцом, тем самым отличаясь от среднего состава сплава.

Внутрикристаллическая (дендритная) ликвация наблюдается в объеме одного зерна. Чем больше температурный интервал между началом и концом кристаллизации, тем больше будут отличаться по со­ставу отдельные участки внутри зерен. При медленном охлаждении в каждый момент кристаллизации состав кристаллов выравнивается вследствие диффузии. Если же охлаждение производить быстро, состав внутри кристаллов не успевает выровняться и внутренние части каждого кристалла содержат больше тугоплавкого компонента, чем внешние.

В большинстве случаев любые виды ликвации являются нежелательным явлением, так как в результате неоднородности химического состава сплава по сечению изделия получаются различия в свойствах.

Внутрикристаллическая ликвация может быть ликвидирована отжигом и тогда сплав - твердый раствор будет иметь однородные по составу зерна.

В результате ликвации по плотности получаются слитки, неоднородные по составу, структуре и свойствам в различных частях и поэтому непригодны для изделий. Для предотвращения ликвации по плотности сплавы следует охлаждать быстрее, чтобы выпадающие кристаллы не успевали всплывать или тонуть.

Дата добавления: 2014-01-06