Структура горизонтальных слитков
» » Структура горизонтальных слитков

04.02.2017

Структура слитка отражает всю историю его происхождения. По структуре слитка в большинстве случаев можно определить основные условия, при которых металл заливался и затвердевал.
Важным условием литья слитков в горизонтальные изложницы является низкая температура по крайней мере первых порций металла, попадающих в соприкосновение с изложницей. По этой причине существуют два основных способа литья горизонтальных слитков. В одних случаях только первая порция металла заливается охлажденной, а последующие поступают в изложницу более горячими. В других случаях весь металл охлаждается до низких температур, которые обеспечили бы легкое удаление слитка из изложницы и предотвратили бы приваривание его к поддону.
В обоих случаях первые струи металла должны поступать в изложницу по возможности с малой высоты и постепенно покрывать всю поверхность поддона. Струя не должна бить в одно место. В особенности следует выполнять это требование при литье в водоохлаждаемые горизонтальные изложницы во избежание проплавления охлаждающего листа изложницы струей расплавленного металла. Во время заполнения изложницы металл, соприкасающийся с поддоном, начинает кристаллизоваться.
Первый слой кристаллов, образующихся в результате отнятия теплоты поддоном, зарождается вблизи последнего без определенного порядка в ориентации. Быстро в глубь жидкости растут те из кристаллов, которые имеют оси максимальной теплопроводности, совпадающие с направлением охлаждения. Эти кристаллы, постепенно удлиняясь и несколько увеличиваясь в ширину, будут давать структуру столбчатых кристаллов. На пути их роста попадаются принесенные струей холодного металла твердые кристаллики, которые, прекращая рост первых, начинают сами расти в том же направлении. Из этих новых кристаллов тоже в глубь жидкости будут расти быстро те, у которых ось максимальной теплопроводности совпадает с направлением охлаждения. В свою очередь, эти кристаллы могут снова встретить на пути своего роста твердые кристаллики, которые также начнут расти вместо них, и т. д. Поэтому структура этого слоя получается мелкостолбчатой и прерывистой.
В случае затвердевания сплава, обладающего большим интервалом кристаллизации, новые кристаллики могут зарождаться самопроизвольно, а не только приноситься струей. Так как при кристаллизации сплавов, образующих твердые растворы, вначале выделяется твердая фаза, состоящая из более тугоплавкого сплава, то вблизи растущих вершин дендритов и их ветвей на некоторый период времени будет оставаться значительно более легкоплавкий сплав, он еще не будет кристаллизоваться в то время, когда несколько дальше расположенный сплав среднего состава окажется охлажденным до температуры кристаллизации. В нем появится зародыш нового кристалла, который даст начало новому дендриту, также ориентированному случайно. Из этих последних внутрь жидкого сплава будут продвигаться быстро кристаллы, у которых оси максимальной теплопроводности расположены в направлении охлаждения или близко к нему. Такая прерывистая кристаллизация может отсутствовать в случае, если температура металла достаточно высока и кристаллы в струе не образуются, в случае очень быстрого охлаждения, когда градиент температур у конца растущего кристалла большой, или когда конвекция жидкого сплава настолько велика, что легкоплавкий сплав, получающийся в процессе кристаллизации, перемешивается со всем остальным сплавом.
При кристаллизации сплава, который в твердом состоянии является двух- или многофазным (вначале кристаллизуется твердый раствор, а в конце — эвтектика), основу структуры составят кристаллы твердого раствора, а в промежутках между ветвями его дендритов будет располагаться эвтектика. Фазы, составляющие эвтектику, в зависимости от количества — или обе дадут самостоятельные кристаллы, независимые от кристаллов первично выделившегося твердого раствора, или одна из фаз — одинаковая с первичным твердым раствором — присоединится к последнему, а вторая образует включения кристаллов в промежутках между ветвями дендритов. Вследствие деформации поддона под влиянием разогрева верхней поверхности средняя часть слитка отдает большее количество теплоты, поэтому первый слой столбчатых кристаллов получится более толстым в средней части слитка, а также у самых краев, где теплота отводится и в боковые стенки изложницы.
В том случае, если последующие порции металла имеют более высокую температуру, вследствие чего в струе твердые кристаллы не образуются, оставшиеся в изложнице твердые кристаллики, занесенные сюда более холодным металлом, частично расплавятся вновь. Следовательно, этот слой металла, по причине резкого одностороннего охлаждения снизу, при сохранении жидкого металла более горячим будет состоять из более длинных непрерывных столбчатых кристаллов. Когда струя металла ударяет в уже закристаллизовавшийся слой, то она оплавляет вершины растущих снизу вверх столбчатых кристаллов. Несмотря на это, оплавленные кристаллы продолжают расти по тому же направлению без изменения кристаллической ориентации. Каждый из кристаллов, проходящих через весь слой, оказывается ориентированным по всей высоте одинаковым образом. От промежуточных оплавлений остаются на кристаллах лишь едва заметные полоски вследствие небольших колебаний в составе металла, заливаемого вначале и впоследствии. За все время литья на свободной поверхности металла в изложнице образуются твердые кристаллы вследствие охлаждения. Частично они образуются также и в тонких слоях струи во время литья. Все они перемешиваются струей и сохраняются в металле во взвешенном состоянии. Как только закончится процесс заливки, эти твердые кристаллы, как обладающие большей плотностью по сравнению с плотностью жидкого металла, будут осаждаться вниз и прекратят рост кристаллов предыдущего слоя. Процесс отстаивания будет происходить до тех пор, пока сверху не образуется сплошная твердая корка. К этому времени из жидкого металла все твердые кристаллики отделятся и образуют новый слой кристаллической структуры, мелкозернистый, с беспорядочной ориентацией отдельных кристаллов. Между слоем мелкокристаллической структуры и верхней твердой коркой останется металл, освобожденный от твердых кристаллов. Расположенные с поверхности мелкокристаллического слоя отстоявшиеся кристаллы дают начало длинным столбчатым кристаллам, растущих снизу вверх в оставшемся объеме жидкого металла. От поверхностной корки им навстречу растут такие же крупные столбчатые кристаллы сверху вниз. Последним металл закристаллизуется там, где произойдет встреча крупных столбчатых кристаллов, росших друг другу навстречу. Все слои структуры, росшие снизу вверх, по причине деформации поддона и потому более плотного соприкосновения его со слитком в центральной области, окажутся в средней части выпуклыми (рис. 185, а).
В тех случаях, когда первые порции заливаемого холодного металла кристаллизуются во время протекания по поверхности поддона; кроме перечисленных слоев, получается еще дополнительный слой мелкокристаллической структуры в самом низу. Чем ниже температура литья, тем более развитым оказывается этот первый слой. При литье достаточно горячего металла этот слой может вовсе отсутствовать.
Структура горизонтальных слитков
Структура горизонтальных слитков

В том случае, если литье производится в один прием из одного ковша, при достаточно высокой температуре заливаемого металла, может отсутствовать не только указанный нижний слой мелкокристаллической структуры, состоящий из кристаллов, образовавшихся во время движения затвердевающего металла по поддону, но также и мелкокристаллический слой прерывистых столбчатых кристаллов. Наоборот, в случае литья в один прием сильно охлажденного металла, будет отсутствовать второй (или третий) слой столбчатых кристаллов средней крупности, а будет развит слой мелкостолбчатых прерывистых кристаллов. В зависимости от изменения скорости литья будет меняться количественное соотношение металла в отдельных слоях кристаллической структуры.
В случае понижения температуры литья значительно большее развитие приобретает слой мелкокристаллической структуры (рис. 185, б), который в пределе может заполнить собой весь объем слитка.
При предохранении верхней поверхности слитка от охлаждения литейной корки на медном слитке («рожи») не образуется. Верхний слой кристаллов, растущих сверху вниз, тоже будет отсутствовать. Крупные столбчатые кристаллы, росшие снизу, заполнят собой весь объем отстоявшегося металла, и кристаллизация закончится у поверхности слитка (рис. 185, в). В случае предохранения от охлаждения верхней и нижней поверхностей и интенсивного отвода теплоты в боковые стенки изложницы структура получится несколько своеобразной. Мелкие кристаллы, отстаивающиеся в процессе охлаждения слитка, распределятся в нижней части в виде пирамиды, а частично окажутся и в верхней половине слитка застигнутыми по пути кристаллизующимся металлом. От боковых стенок изложницы прорастают в горизонтальном направлении длинные столбчатые кристаллы, которые доходят до самой средины слитка (рис. 185, г). При отливке слитков с замедленным охлаждением кристаллизация идет более или менее равномерно со всех сторон. В этом случае, несмотря на замедленное охлаждение, слитки получаются обычно более пористыми, так как с поверхности образуется тонкая корка затвердевшего металла, которая препятствует удалению газа как выделившегося из раствора, так и механически увлеченного струей во время литья. В случае приварки слитка к поддону теплота через место приварки весьма быстро уходит в поддон. Вследствие большой скорости охлаждения на этом участке влияние факторов, препятствующих росту длинных кристаллов, уменьшается, поэтому в местах приварки образуются пучки длинных расположенных веером столбчатых кристаллов (рис. 185, д).
Если поддон имеет крупные трещины, в которые заливается металл, то через образующиеся заливы теплота интенсивно передается поддону. Действие заливов в данном случае аналогично действию пластинок на радиаторных трубах. Так как заливы представляют одно целое со слитком, то они являются энергичным передатчиком теплоты от слитка поддону. В этих местах, так же как и в случае приварки слитка к поддону, теплота с большой скоростью уходит из слитка, быстро растут длинные столбчатые кристаллы в виде веера (рис. 185, е). Настыли, являющиеся поверхностью раздела между твердым и жидким металлом, имеют в этом случае извилистую форму, с узлами в тех местах, где образуются заливы. Мелкие кристаллы, оседающие на дно, не успевают образовать отстоявшегося резко отграниченного слоя, а захватываются на пути. По этой причине слой мелкокристаллической структуры получается шире, а кристаллы его составляющие — крупнее. Область последних остатков затвердевающего металла сильно сдвигается к верхней поверхности, так как общее количество теплоты, передаваемое в поддон из-за быстрого охлаждения металла заливами, сильно увеличивается. Вследствие деформации поддона, усиливающейся благодаря наличию трещин в нем, поверхность раздела твердого металла от расплавленного оказывается сильно выпуклой в средней части. Последний жидкий металл остается поэтому в виде кольца, имеющего значительную высоту. В этом оставшемся металле, не содержащем твердых кристалликов, растут крупные кристаллы (рис. 185, е).
Структура горизонтальных слитков

В случае кристаллизации сплавов в горизонтальных изложницах структура слитков в значительной мере зависит от величины интервала кристаллизации сплава. Сплавы, обладающие малым интервалом кристаллизации, в большей степени склонны к образованию столбчатой структуры (рис. 186) при условии, разумеется, что отсутствуют препятствия росту кристаллов в длину. Сплавы, имеющие большой интервал кристаллизации, чаще образуют равноосную структуру по сравнению со сплавами, обладающими малым интервалом кристаллизации при прочих равных условиях. Только при очень резком одностороннем охлаждении сплавы, имеющие большой интервал кристаллизации, дают развитую зону столбчатых кристаллов или, как иногда называют, зону транскристаллизации.
Под интервалом кристаллизации в данном случае следует понимать температурную область кристаллизации большей части сплава. Если в сплаве есть такие компоненты, которые образуют кристаллизующиеся при высокой температуре фазы в ничтожных количествах, то эти компоненты могут отразиться на кристаллизации в малой степени. Точно так же и в том случае, если в сплаве присутствуют компоненты, дающие незначительные количества легкоплавких фаз, не отражаются в заметной степени на структуре слитка, хотя интервал кристаллизации может при этом увеличиться весьма значительно. Количества компонентов, способствующих увеличению действенного интервала кристаллизации, зависят от их свойств и не остаются постоянными во всех случаях. В отличие от введенного А.А. Бочваром понятия эффективного интервала кристаллизации для интервала от температуры образования кристаллического скелета до температуры полного затвердевания сплава, в данном случае под действенным интервалом кристаллизации понимается температурная область кристаллизации большей части сплава, как указано выше.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: