Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

к образованию здесь плотной структуры — «моста», в то время как нижележащие зоны слитка характеризуются наличием большого числа'пор.

Всвязи с меньшей плотностью жидкого металла по сравнению

ствердым и продолжительным пребыванием металла в жидком состоянии в прибыльной части, откуда жидкий металл «подпиты­ вает» затвердевающий слиток, именно в этом месте развивается уса­ дочная раковина.

СТРОЕНИЕ СЛИТКА

При затвердевании жидкого металла в металлической изложнице стальной слиток приобретает кристаллическую неоднородность и в нем обычно выявляются структурные зоны, изображенные на рис. 111. В зависимости от условий кристаллизации и химического состава стали отдельные структурные зоны могут быть либо развитыми либо вовсе отсутствовать.

На сталях и сплавах ряда марок, например, на низко- и средне­ углеродистых и особенно на нержавеющих и жаропрочных сталях и сплавах, выявление первоначальных структурных зон связано с большими трудностями из-за отсутствия надежных методик иссле­ дования. При обычном травлении таких сталей проявляется ложная макроструктура, характеризующая зернистое строение слитка (вторичную структуру), а не истинная первичная дендритная структура, образующаяся во время кристаллизации. Ложная структура появляется не только в сталях и сплавах, претерпеваю­ щих фазовые превращения в твердом состоянии, но и в результате обычного процесса рекристаллизации при охлаждении и повторном нагреве металла. Для выявления первичной структуры можно реко­ мендовать, например, применение реактива Обергоффера.

Решающее влияние на развитие структурной неоднородности слитка оказывает его масса. С увеличением массы слитка, как пра­ вило, возрастает его поперечное сечение, что способствует увеличе­ нию ширины зоны столбчатых кристаллов:

Повышение энтальпии (теплосодержания) стали вследствие ее первоначального перегрева или более высокой скорости разливки, обусловливающее увеличение температурного градиента между из­ ложницей и металлом, вызывает увеличение толщины столбчатых кристаллов. Присутствие примесей, уменьшающих теплопроводность стали (хрома, вольфрама и др.), способствует развитию крупнокри­ сталлической структуры в слитке. При отливке стальных слитков в вакууме они характеризуются более равномерной мелкокристалли­ ческой структурой в связи с большей скоростью кристаллизации, чем обычных слитков. Это можно объяснить повышением теплопровод­ ности и снижением температуры кристаллизации при снижении со­ держания водорода в стали. Однако при вакуумно-дуговом переплаве,

297

мах состояния и исходит из факта разной растворимости примесей в жидком и твердом металле. Если при этом допустить, что выравни­ вание состава твердой фазы протекает со значительно меньшей ско­ ростью, чем сам процесс кристаллизации, то интервал между ли­ ниями солндуса и ликвидуса на диаграммах состояния может ха­ рактеризовать степень развития химической неоднородности в сплаве.

На использовании диаграмм состояния с указанным допущением предприняты попытки количественной оценки ликвации примесей.

значения коэффициента распределения К и увеличением коэффициента ликвации (1 — К) склонность к ликвации возрастает. В табл. 13 при­ ведены значения коэффициента распределения К и ликвации (1.— К) для некоторых элементов в твердой фазе б- и у-железа, определенные по соответствующим диаграммам равновесия. Из приведенных дан-

Таблица 13

З Н А Ч Е Н И Я КОЭ Ф ФИ ЦИ Е НТ А Р А С П Р Е Д Е Л Е Н И Я К

И ЛИК ВА ЦИИ I —а; Н Е К О Т О Р Ы Х ЭЛЕМЕНТОВ

299

ных следует, что наибольшую склонность к ликвации из обычных примесей в стали имеют сера, кислород, фосфор, углерод и в зна­ чительно меньшей степени марганец и кремний.

Однако распределение примесей между жидкой и твердой фазами при затвердевании реальных сплавов будет отличаться от вышепри­ веденного в связи с неравновесными условиями кристаллизации ме­ талла и влиянием на этот процесс конвективного движения его, по­ верхностных свойств примесей, взаимодействия и влияния примесей на распределение и других факторов.

Остановимся несколько подробнее на некоторых из перечислен­ ных выше факторов. Теоретически возможны два крайних случая соотношения скорости массопередачи примесей ипр, обусловленные

ции металла по мере роста кристалла примеси как бы выталкиваются

вжидкую фазу, постепенно обогащая ее в областях, прилегающих

ккристаллу. Примесь не разносится по объему слитков, и каждый

кристалл по мере своего роста питается все более загрязненным ме­ таллом. Следовательно, при среднем равномерном распределении примесей по объему затвердевшего слитка будет наблюдаться раз­ витая химическая неоднородность по сечению каждого кристалла, т. е. при развитой микронеоднородности зональной химической не­ однородности (макронеоднородиости) не будет.

При соотношении скорости кристаллизации и массопереноса при­ меси упр > vK вытесненная в жидкую фазу примесь при образова­ нии кристалла сразу разносится по объему жидкой части слитка. Вследствие несоизмеримо малого объема кристалла по сравнению с объемом жидкой части слитка кристалл растет из жидкой фазы практически постоянного состава. Однако по мере затвердевания слитка жидкая часть все более обогащается примесью и последние кристаллы образовываются из загрязненного примесью металла, т. е. в отсутствие микронеоднородности наблюдается развитая макро­ неоднородность.

При кристаллизации реальных слитков наблюдается промежуточ­ ные соотношения скорости кристаллизации и массопередачи приме­ сей, причем затвердевание слитка спокойной стали протекает ближе к соотношению vK> vnp.

Примеси, присутствующие в жидкой стали, оказывают при кри­ сталлизации взаимное влияние на перераспределение их в жидком и твердом металле. Так, в присутствии никеля и хрома ликвация примесей заметно снижается. Однако количественно оценить взаим­ ное влияние примесей на развитие химической неоднородности в стальном слитке пока не представляется возможным.

300