» » Дендритная ликвация в сталях и сплавах
30.01.2015

Природа дендритной ликвации в сталях и сплавах наиболее полно исследована И.Н. Голиковым. В результате было установлено, что химическая неоднородность, образующаяся при кристаллизации, носит различные формы. Ее морфология и степень развития связаны с составом сплава и условиями кристаллизации. Химическую неоднородность, обусловленную дендритной формой кристаллизации, называют дендритной ликвацией. Следует отметить прежде всего следующие особенности кристаллизации сталей и сплавов, обусловливающие химическую неоднородность. Во-первых, при данной температуре существует различная предельная концентрация компонентов, наобходимая для начала фазовых превращений кристалл → жидкость (точка а) и жидкость → кристалл (точка b), как это показано на рис. 56. Во-вторых, скорости диффузии каждого из компонентов стали или сплава в твердой и жидкой фазах при одной и той же температуре конечны и значительно отличаются по своим значениям.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

При этом следует учитывать, что в некоторых случаях химическое взаимодействие может проявляться уже в жидком состоянии. Иными словами, при изучении развития кристаллизационной неоднородности необходимо учитывать особенности жидкого состояния металлических сплавов, начальных процессов кристаллизации, диффузионного выравнивания составов жидкости и кристалла и конечных стадий затвердевания. Структура металлических расплавов оказывает значительное влияние на их физические свойства, на особенности взаимодействия между разноименными атомами, на характер тонкой структуры растущих кристаллов и природу перераспределения атомов между твердой и жидкой фазами. Я.И. Френкель показал, что к металлическим расплавам могут быть применены критерии металлического состояния, в основе которых лежат представления о коллективе положительных ионов, находящихся в облаке электронного газа.
Полученный к настоящему времени экспериментальный материал по структуре металлических расплавов на основе железа свидетельствует о том, что им свойственна тенденция образовывать различного рода комплексные соединения.
При этом примесные атомы (кислород, сера) в жидком железе, вероятнее всего, находятся в виде группировок FexO и FeхS с гетерополярным характером межатомного взаимодействия. Углерод, кремний, фосфор и азот также образуют микрогруппировки, близкие по составу Fe3C, FeSi, Fe2P, FeN. Измерение динамической вязкости чистого железа, расплавов Fe-C в интервале концентраций углерода от 0,1 до 43 % и расплавов Fe-Ni, содержащих от 2 до 35 %Ni, в интервале температур от температуры ликвидуса до 1700 °С показало, что в системе Fe-C имеется максимум вязкости, соответствующий 1,9 % С. Вблизи этой концентрации находится и максимум энергии активации вязкого течения. В системе Fe-Ni максимумы вязкости и энергии активации вязкого течения наблюдаются при 6 % Ni. Это может быть связано с переходом структуры жидкого железа от δ-модификации с координационным числом 8 к γ с координационным числом 12 при отмеченных выше концентрациях углерода и никеля. Д. Косма пришел к выводу, что в жидкой сложнолегированной стали вблизи атомов азота концентрируются хром и марганец, а углерод и никель в этих микроскопических участках имеют пониженную концентрацию.
Впервые Д.К. Чернов установил, что при затвердевании жидкой стали образуются кристаллы сложной формы — дендриты. В результате многолетних последующих исследований, выполненных с привлечением прецизионных устройств, было установлено следующее. Дендрит является монокристаллом, растущим из одного центра — он растет в направлении теплоотвода осью первого порядка и выбрасывает оси второго и третьего порядков в моменты затруднения роста. При этом скелет растущего дендрита имеет состав, отличный от состава расплава. Возникновению дендритной кристаллизации способствует загрязнение расплава примесями. Опыты показали, что дендритный рост кристаллов происходит в строго определенных кристаллографических направлениях, а ветвление дендрита происходит через определенные промежутки, определяемые составом сплава и условиями кристаллизации.
Наиболее подробно схема дендритной кристаллизации рассмотрена в монографии А.А. Рыжикова. Грань кристалла растет в результате отложения на ее поверхности атомов или молекул из расплава. При перемещении граней кристалла на некоторое расстояние они оттесняют определенное количество неусвоенной ими примеси в жидкость. При достижении критической концентрации примеси рост грани прекращается и возобновляется лишь тогда, когда концентрация примеси сталей ниже критической. Данная схема вполне объясняет рост главной оси дендрита. Появление вторичных осей и частоту ветвления дендрита можно объяснить неустойчивостью отдельных точек боковых граней, некоторым стеканием оттесненной примеси и уменьшением степени переохлаждения. С увеличением переохлаждения увеличивается расстояние между ветвями дендритов, поскольку при большом переохлаждении интенсивно выделяется скрытая теплота плавления, в том числе и в результате процессов на боковых гранях. Расстояние между осями дендритов (S) связано со скоростью охлаждения (R) следующим соотношением: S = А exp (В ln R + CD), где С — концентрация компонента; А, В, D — постоянные.
Химическое взаимодействие разноименных атомов, проявляющееся уже в жидком состоянии, особенно в предкрист^ллизационный период, имеет большое значение для анализа дендритной ликвации в стали. К сожалению, до сих пор структура и свойства металлических расплавов не нашли должного применения в теории кристаллизации сталей и сплавов.
Известно, что если при кристаллизации сплава добавляемый компонент понижает температуру плавления, то в соответствии с диаграммой состояния из жидкости выпадают кристаллы, обедненные вторым компонентом. Вся жидкость по мере выпадения твердой фазы все в большей степени обогащается элементом В (рис. 57). Графический анализ процесса развития ликвации основан на положении о последовательной кристаллизации слоев переменного химического состава во всем интервале кристаллизации. Температура в процессе кристаллизации изменяется при этом так, как показано на рис. 57. Относительное количество жидкости и твердой фазы определяется при каждой данной температуре по правилу рычага. В процессе последовательного наращивания слоев вследствие замедленной диффузии в твердой фазе состав кристалла не успевает выравниваться во всем-объеме и отстает по средней концентрации от равновесного значения. Вместе с тем диффузия в жидкости протекает достаточно быстро, и вся жидкость изменяет свой состав в соответствии с равновесным ликвидусом. В связи с этим средний состав кристаллов описывается неравновесным солидусом а1аn, а состав жидкости и поверхностных слоев кристалла описывается соответственно точками с1, с2, c3 и b1, b2, b3, лежащими на равновесных линиях ликвидуса и солидуса (рис. 57). Чем выше скорость кристаллизации, тем больше средний состав кристалла отличается от равновесного.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Загрязненность промышленного металла примесями и неравновесные условия кристаллизации приводят к развитию значительной дендритной ликвации. При неравновесной кристаллизации состав жидкой фазы может обогатиться примесями до эвтектической концентрации. Таким образом происходит образование эвтектик в процессе дендритной кристаллизации.
К настоящему времени установлены основные закономерности дендритной ликвации легирующих элементов и примесей в стали, которые заключаются в следующем. Слиток каждой марки и плавки углеродистых и легированных сталей во всем его объеме химически неоднороден. Дендритное строение слитка прежде всего характеризует его химическую неоднородность. Дендритная ликвация развивается в результате неполного завершения диффузионных процессов в жидкой и твердой фазах в процессе кристаллизации, вследствие чего линия солидуса отклоняется от равновесного положения. Увеличение скорости затвердевания сопровождается нарушением равновесного процесса кристаллизации стали в связи с подавлением полноты диффузии и в жидкой, и. в твердой фазах. От осей к междуосным участкам дендрита ликвируют примеси, снижающие температуру кристаллизации стали. Степень дендритной неоднородности распределения примеси определяется разностью равновесных концентраций сосуществующих при кристаллизации жидкой и твердой фаз и соответствиями коэффициентов диффузии примесей в жидкой и твердой фазах. Если диффузия в твердой фазе в процессе кристаллизации полностью подавлена, то вне зависимости от полноты диффузии в жидкой фазе степень дендритной ликвации примеси будет всегда максимальной.
По склонности к дендритной ликвации элементы, имеющиеся в стали, могут быть расположены в следующий убывающий ряд: S, Р, В, С, W, As, V, Ti, Mo, Сu, Al, Si, Cr, Mn, Co и Ni. Применительно к типовому слитку углеродистых и легированных сталей массой 2—3 т для середины расстояния от поверхности до оси и середины высоты слитка степень дендритной ликвации (Сд) легирующих элементов и примесей оценивается следующими значениями:
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Большое влияние на развитие дендритной ликвации оказывают растворенные в жидкой стали газы, поэтому необходимо принимать меры, обеспечивающие снижение их концентрации. Уменьшение дендритной химической неоднородности достигается в процессе механической деформации металла и разрушения кристаллов, а также в течение диффузионного отжига, компенсирующего в той или в иной мере неполноценность диффузии в твердой фазе в процессе кристаллизации. Однако при излишне высоких температурах нагрева стали вместо гомогенизации объема стали могут развиваться процессы адсорбции примесей по границам зерен или, наоборот, миграции других примесей от периферии зерна в глубинные слои. Это явление носит название внутренней адсорбции в металлах и сплавах.
При слитковой разливке сталей на микроанализаторах установлено, что распределение химических элементов в осях и межосных участках дендритов неоднородно — во всех образцах имеется заметная ликвация. Обогащение межосных участков хромом, марганцем и кремнием увеличивается от поверхности к оси слитка вначале резко, а затем в зоне равноосных кристаллов начиная с глубины 140 мм незначительно (рис. 58, а). Сопоставление ликвации в разных, горизонтах стального слитка показало, что почти никакой разницы в степени дендритной ликвации хрома и марганца по высоте слитка нет. Микроанализ позволяет оценить также и характер распределения элементов в пределах отдельного дендрита. Для образцов, вырезанных из осевой части слитка, на концентрационных кривых имеются площадки с минимальным содержанием элемента, затем следует резкий подъем к максимуму концентрации в центре межосного участка. В образцах, вырезанных из корковой зоны слитка, кривые, характеризующие распределение элементов, имеют более плавный характер. Площадки с минимальной концентрацией в этих образцах меньше, чем в образцах из осевой зоны слитка. Это связано с разными условиями формирования дендритов в разных зонах слитка.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Закономерности формирования химической неоднородности здесь такие же, как и в стали 35ХГСА (рис. 58, а). Характер распределения элементов по сечению дендритов на образцах стали 37Х12Н8Г8МФБ, вырезанных из корковой и осевой зон слитка, представлен на рис. 58, б. Для исследованных элементов наблюдается наличие площадок с минимальной концентрацией элементов, затем их концентрация резко возрастает в центре межосного участка. Для никеля повышение концентрации незначительно, скачок концентраций наблюдается на относительно малом отрезке.
Полученные данные по составу осей и межосных участков и характеру распределения элементов в пределах дендритов, выросших в условиях нерегулируемой кристаллизации обычных слитков, показывает следующее. Содержание легирующих элементов в осях дендритов близко к среднему содержанию их в стали, состав осей дендритов почти постоянен по сечению слитка, наблюдается некоторое объединение осей легирующими элементами, обогащающими межосные участки дендритов в центре слитка; эти участки имеют более высокую концентрацию легирующих элементов, чем оси дендритов у поверхности слитка, и эта концентрация повышается вплоть до конца столбчатой зоны; в зоне равноосных кристаллов концентрация легирующих элементов в межосных участках остается почти неизменной. Увеличение степени ликвации по мере роста столбчатых кристаллов происходит в основном в результате обогащения межосных участков.
Постоянное содержание легирующих элементов в центре осей дендритов по сечению слитка объясняется тем, что оси дендритов зарождаются в жидком металле слабо изменяющегося состава при почти постоянной температуре, и перемещение ликвата в радиальном направлении затруднено. После начала кристаллизации в двухфазном состоянии оси дендритов пронизывают сплав, образуя ячейки, в которые заключена жидкость, обогащенная примесями. Сетка осей дендритов высших порядков препятствует оттеснению больших объемов ликвата к центру слитка.
При непрерывной разливке стали межосные участки, так же как и в обычном слитке, обогащены легирующими элементами, причем степень обогащения увеличивается с удалением от края слитка. Сравнение данных по ликвации в сталях 40Х и 40 XHMA, разлитых в обычный слиток и в сляб непрерывной разливки, показало, что на одном и том же расстоянии от поверхности слитка ликвация при слитковой кристаллизации значительно интенсивнее, чем при разливке стали на установках непрерывной разливки, где скорость кристаллизации значительно выше.
В табл. 11 приведена химическая неоднородность слитков одной и той же марки, полученных обычным методом (числитель) и на машинах непрерывной разливки (знаменатель).
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

А.И. Манохин, экспериментально изучая закономерности развития дендритной химической микронеоднородности непрерывного слитка, установил, что для среднеуглеродистых сталей степень дендритной ликвации изменяется в следующих пределах: 1,8—2,4 для серы; 1,45—1,72 для углерода; 1,25—1,75 для хрома; 1,20—1,45 для марганца; 1,20—1,35 для никеля. Повышение содержания углерода в сталях сопровождалось увеличением дендритной ликвации хрома, марганца и серы. При непрерывной разливке уменьшение сечения слитка приводило к снижению степени дендритной ликвации по всему сечению слитка, включая центральную зону. Закономерности роста степени дендритной ликвации были те же, что и для обычного слитка: она постепенно увеличивалась от поверхности к центру, достигая в последнем максимального значения. Однако сравнение дендритной ликвации непрерывного слитка и слитка сравнимых размеров, отлитого в изложницу, показало, что дендритная неоднородность непрерывного слитка на 20—30 % меньше, чем слитка, отлитого в изложницу.
Особые условия кристаллизации слитков в электропереплавных процессах приводят к значительному изменению дендритной структуры. Она существенно измельчается, расстояния между дендритами сокращаются в 3—4 раза. Для обычного слитка характерно, что ликвация элементов нарастает в основном в зоне столбчатых кристаллов и, достигнув максимума, в равноосной зоне уже не изменяется. В слитках электрошлакового переплава, где тип растущих кристаллов по сечению слитка остается неизменным, степень ликвации также увеличивается по мере роста линейных размеров дендритных ячеек (рис. 59). Итак, при разных методах кристаллизации равноосной макроструктуре соответствует максимальная степень ликвации. Характер изменения коэффициента ликваций К по сечению слитка, полученного разливкой в изложницу, аналогичен К для электрошлакового слитка (рис. 60).
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Известно, что химическая микронеоднородность, развивающаяся, как правило, в процессе кристаллизации, существенно влияет на свойства металла. В первую очередь это обнаруживается при горячей пластической деформации. Металл с высокой химической микронеоднородностью следует нагревать осторожно, учитывая опасность оплавления межосных участков. Кроме того, наличие нерастворенных фаз эвтектического характера в межосных участках способствует понижению горячей пластичности.
Метод выплавки стали оказывает большое влияние на степень ее микронеоднородности и анизотропию механических свойств (рис. 61). Рафинирование металла открытой индукционной плавки (ОИ) посредством вакуумно-дугового переплава (ВД), особенно двойного, сопровождается понижением химической микронеоднородности стали и повышением анизотропии ее механических свойств. При рафинирующих переплавах снижается содержание газов, неметаллических включений.
Исходя из изложенного выше, следует отметить, что регулирование ликвации в сталях и сплавах надо начинать еще при выборе их рационального химического состава, учитывая, что элементы, образующие стойкие химические соединения, ликвируют сильнее остальных компонентов. С целью уменьшения степени развития ликвационных процессов при производстве данной стали независимо от метода кристаллизации необходимо вводить минимальное количество элементов, образующих стойкие соединения. Снижение ликвации достигается получением однородной структуры, состоящей из дисперсных дендритов или только столбчатых кристаллов. При реализации регулируемой кристаллизации в слитке создается сплошная структура из столбчатых кристаллов без неблагоприятных стыков.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

При электрошлаковом, вакуумном дуговом и других переплавных процессах удается продлить в ряде сталей и сплавов столбчатую зону до центра слитка. При этом дендритная ликвация разрывается значительно меньше, чем в слитках с центральной зоной равноосных кристаллов.
Оценивая эффективность влияния переплавных процессов на свойства сталей и сплавов, И.Л. Голиков и С.Б. Масленков отмечают, что в результате рафинирования получают SO % прироста свойств вследствие повышения плотности слитка на 30 % и уменьшения ликвации и повышения однородности металла на 20%. Исходя из условий рафинирования металла и особенностей роста дендритов при направленной кристаллизации, способ выплавки и кристаллизации стали в зависимости от характера взаимодействия входящих в ее состав компонентов может быть представлен на рис. 62. Для сплавов, состоящих из компонентов, образующих непрерывный ряд твердых растворов или обладающих очень большой растворимостью, способ кристаллизации может быть обычным, если металл имеет достаточную чистоту по неметаллическим включениям. Сплавы же, содержащие элементы, образующие конгруэнтный интерметаллид, нужно плавить методом, позволяющим осуществлять регулируемую кристаллизацию.
Для измельчения дендритной структуры сталей и сплавов в металлургической практике в настоящее время осуществляют воздействие на пограничной слой кристалл—жидкость. Это достигается применением ультразвуковых колебаний на жидкий металл, введением многочисленных и разнообразных по составу модификаторов, специальных инокуляторов, наложением магнитных и электрических полей.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Влияние ультразвуковой обработки на распределение легирующих элементов по сечению дендритных ячеек в литом и деформированном металле показано на рис. 63, построенном по данным И.Н. Голикова и С.Б. Масленкова. Несмотря на положительные результаты, достигнутые при использовании названных выше методов, относительно снижения дендритной ликвации следует отметить, что основным средством регулирования дендритной ликвации является скорость кристаллизации.
Как уже отмечалось, скорость кристаллизации сталей и сплавов существенно влияет на дисперсность их дендритного строения и микронеоднородность слитка. Из данных, приведенных на рис. 64, видно, что увеличение скорости кристаллизации с 0,367*10в-3 до 0,735*10в-3 м/с сопровождается уменьшением расстояния между осями дендритое с 0,23 до 0,12 мм и снижением степени дендритной ликвации по хрому, марганцу и никелю в непрерывном слитке стали 40ХН. Таким образом, дисперсность дендритного строения, возрастающая с увеличением скорости кристаллизации, определяет развитие дендритной ликвации в слитке. С ростом дисперсности дендритного строения увеличивается общая поверхность кристаллизации и значительная часть жидкого металла затвердевает при более высокой температуре. В связи с этим последние порции жидкого металла меньше обогащаются примесями, и металл характеризуется более равномерным распределением растворенных в нем компонентов.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Важную роль играет тот факт, что при большой скорости кристаллизации разделительная диффузия в жидкости не успевает обеспечить равновесный состав на поверхности кристалла. Разделительная диффузия осуществляется менее полно, а в незатвердевших зонах слитка остается меньшее количество примесей и создаются менее благоприятные условия для образования и развития дендритной неоднородности.
Количественной характеристикой дендритной структуры является дисперсность или плотность дендритного строения, определяемая количеством дендритных осей на единицу длины. На рис. 65 показан характер изменения дисперсности структуры слитков нержавеющей стали, разлитой в изложницу и кристаллизатор. В слитках этих типов дисперсность дендритной структуры уменьшается от поверхности к центру. Особенно заметно различие в плотности дендритной структуры исследованных слитков проявляется для осей первого порядка, дисперсность осей второго порядка в непрерывном слитке в два раза больше, чем в слитке, отлитом в изложницу.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Результаты сравнительных исследований дендритной ликвации непрерывного и обычного слитков, выполненных А.И. Манохиным, представлены в табл. 12 и 13. Степень дендритной ликвации определялась как отношение содержания элемента в межосных участках к его концентрации в оси дендрита. Для начального периода затвердевания непрерывного и обычного слитков характерны большие значения теплоотвода, что обусловливает повышение скорости кристаллизации и получение дендритной структуры высокой дисперсности. В слитке, отлитом в изложницу, степень химической неоднородности выше, чем в непрерывном слитке, вследствие большого развития зоны двухфазного состояния.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Проведенное А.И. Манохиным исследование микронеоднородности непрерывных слитков из различных сталей позволило получить результаты, которые представлены в табл. 14. Опыты показали, что концентрация хрома, марганца и никеля в осях дендритов меньше их среднего содержания. Степень обеднения осей дендритов хромом, марганцем и никелем практически одинакова для всех исследованных сталей. Межосные участки обогащены легирующими элементами. Причем обогащение межосных участков хромом значительно больше, чем марганцем и никелем. С ростом в стали содержания углерода степень дендритной ликвации хрома и марганца увеличивается, а степень дендритной ликвации никеля в сталях не зависит от концентрации углерода. Действие углерода на дендритную ликвацию хрома и марганца в железе объясняется тем обстоятельством, что он, расширяя температурный интервал кристаллизации сталей и сплавов, увеличивает константу распределения легирующих элементов между жидкой и твердой фазами. Вместе с тем известно, что при расширении интервала кристаллизации более полно протекает разделительная диффузия в жидкой фазе, а скорость выравнивающей диффузии ограничена из-за более низкой температуры в конце периода затвердевания слитка.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Более высокая скорость затвердевания стали при непрерывной разливке по сравнению с обычной разливкой обеспечивает меньшую микронеоднородность металла и повышенную дисперсность его дендритного строения. На рис. 66 показана степень дендритной ликвации хрома в обычном и непрерывном слитках стали 95ВФ. С удалением от поверхности слитка различие дендритной ликвации достигает 30 %. Вместе с тем среднее содержание легирующих элементов в непрерывном и обычном слитках одинаково, что объясняется различным соотношением объемов металла, занимаемых осями дендритов и межосными участками в сопоставляемых слитках. Различные условия кристаллизации стали при обычной и непрерывной разливке отражаются и на характере распределения неметаллических включений (рис. 67). Он более равномерный с меньшим общим количеством неметаллической фазы при непрерывной разливке.
Опыты показали, что в процессе нагрева под прокатку и горячей пластической деформации происходит уменьшение химической микронеоднородности литого металла всего на 10—20 %. Основная роль при этом принадлежит выравниванию химического состава металла в течение его нагрева под прокатку. Химическая микронеоднородность литой стали является причиной появления волокнистой полосчатой структуры в прокате. Волокнистая полосчатость в свою очередь обусловливает анизотропность механических свойств стали, определяя штампуемость последней и образование в ней слоистого или шиферного излома.
В итоге следует отметить, что, несмотря на значительное снижение химической микронеоднородности непрерывнолитого металла вследствие повышения скорости его кристаллизации, получить из такого слитка полностью изотропный прокат не представляется возможным. В этом отношении более прогрессивной и перспективной является технология направленной кристаллизации, при которой скорость затвердевания металлических гранул по сравнению со слитком увеличивается на несколько порядков. Темпы развития объема производства порошковой металлургии составляют в последние годы 15-20 % в год.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Наибольшими преимуществами обладает метод производства порошков посредством распыления металлических расплавов. При этом обеспечивается высокая однородность порошков по химическому составу, отсутствие ликвационных явлений по сравнению с литым металлом, высокая чистота порошка по вредным примесям.
Одним из авторов данной книги экспериментально изучена внутрикристаллитная неоднородность сварных швов, влияющая на склонность последних к горячим трещинам. При этом для сопоставления исследована также химическая неоднородность стальных слитков. Химический состав слитков и сварных швов приведен в табл. 15.
Радиографический анализ слитков и наплавок на железе Армко показал наличие химической неоднородности по сере. В сварных швах внутрикристаллитная (дендритная) неоднородность проявлялась значительно слабее, чем в слитках. Это объясняется существенно различающимися скоростями охлаждения.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

На дендритную неоднородность серы сварных швов оказывает влияние и химический состав свариваемых сталей. На рис. 68 показано влияние никеля на внутрикристаллитную ликвацию серы в сварных швах стали 10Х18Н9 и влияние углерода на ликвацию серы в углеродистых сталях. Из этого графика видно, что с ростом содержания никеля в сварном шве увеличивается ликвация серы. Микронеоднородность по сере резко возрастает с увеличением концентрации углерода в стали. Опыты показали, что сера в сварных швах малоуглеродистой стали находится не в виде сульфидов, а в виде пересыщенного твердого раствора. При исследовании сварных швов среднеуглеродистой стали, содержащей от 0,25 до 0,50 % С, было установлено, что сера выделяется в периферийных участках кристаллитов частично в виде сульфидов.
Дендритная ликвация в сталях и сплавах

Для повышения химической однородности и улучшения качества крупных стальных слитков весьма эффективным и экономичным оказалось применение комплексных сплавов в качестве модификаторов стали. Ю.А. Скок, В.Е. Ключарев и Ю.Б. Соболев испытали большое количество составов комплексных сплавов типа силикомишметалла с различным содержанием редкоземельных и других активных элементов на развитие химической неоднородности в слитках массой от 20 до 160 т. При этом исходили из следующих положений. Известно, что развитие ликвации связано с перераспределением примеси при переходе стали из жидкого состояния в твердое, скоплением примеси и ликватов на поверхности растущего кристалла и перемещением их на границу затвердевания, где при соответствующих условиях образуются ликвационные шнуры.
Для предотвращения перемещения жидких ликватов на границу затвердевания необходимо связать их в более тугоплавкие соединения еще на ранней стадии кристаллизации стали, в идеальном случае необходимо повысить температуру затвердевания соединений до температуры ликвидуса стали. Это приводит к захвату соединений ликватов растущим кристаллом, сравнительно равномерному распределению включений в микрообъеме кристалла, что в конечном итоге вызывает равномерное их распределение по объему слитка. Таким образом, задача сводится к повышению температуры затвердевания ликвирующих соединений и равномерному захвату их растущими кристаллами.
Температуру затвердевания сульфидов значительно повышают добавки редкоземельных металлов, в результате чего образуются тугоплавкие соединения с примесями кислорода и серы сразу же после их введения.
Проведенные авторами данной книги исследования образцов разных марок сталей в жидком и твердом состояниях показали, что модифицирование оказывает существенное влияние прежде всего на величину и характер температурных зависимостей структурно-чувствительных свойств расплава. Это приводит к изменению механизма и кинетики кристаллизации жидкого металла, повышает химическую и физическую однородность стали по сечению слитка и улучшает механические характеристики стали.
Весьма перспективным направлением в улучшении структуры и качества стали является применение дисперсных инокуляторов, содержащих легирующие добавки (лигаторы). Эффективность их влияния объясняется теплофизическим и нокулирующим воздействием, а также поздним легированием почти в момент кристаллизации.
Легированная стальная дробь (лигатор) способствует повышению дисперсности структуры, исчезновению зоны столбчатых дендритов по всему сечению отливок или слитков.
Химическую микронеоднородность непрерывнолитого стального слитка исследовал также Д.А. Дюдкин. Скорость затвердевания непрерывнолитого плоского стального слитка, как правило, превышает уровень 0,7-1,0 см/мин, характерный для бездиффузионной кристаллизации, при которой ликвационные прослойки на границе затвердевания не имеют развития. При этом, согласно данным И.Н. Голикова и А.И. Манохина, дендритная ликвация на 20-30 % меньше, чем в обычном слитке, и эффективный коэффициент распределения элементов между, жидкой и твердой фазами более высокий. Все это определяет повышенную химическую микронеоднородность непрерывнолитой стали и ее более высокие механические свойства.
Вместе с тем установлено, что при интенсивном осуществлении процесса в непрерывнолитом слитке проявляется также ликвация элементов, больше всего это относится к сере. Как справедливо указывает Д.А. Дюдкин, избирательный характер кристаллизации не следует считать единственной и превалирующей причиной химической неоднородности непрерывнолитого слитка. Важным фактором является перераспределение ликваторов, концентрация их в локальных зонах вследствие процессов массопереноса, вынужденного и естественного движения металла. Интенсивность развития гидродинамических и конвективных потоков, сил капиллярного массопереноса, движения металла, вызванного механическим воздействием на оболочку слитка, определяют степень развития ликвации.
Весьма сильное воздействие, определяющее затвердевание и химическую неоднородность слитка в кристаллизаторе, оказывают интенсивные струйно-циркуляционные потоки, вызванные гидродинамическим воздействием струи металла из промежуточного ковша. Мощные потоки жидкого металла со скоростью 30—40 см/с омывают фронт затвердевания, препятствуя образованию жидко-твердой составляющей двухфазной зоны, тормозя рост твердой оболочки и смывая обогащенный примесями расплав из междендритного пространства. При этом чем больше скорость и концентрация потоков, тем больше неравномерность фронта затвердевания и эффективность вымывания примесей. Следствием влияния вынужденных потоков является формирование зоны отрицательной ликвации в поверхностном слое заготовки на глубину 15-25 мм.
Естественно, что развитие этой зоны зависит от способа подачи металла в кристаллизатор, от скорости разливки и толщины отливаемой заготовки. Максимальная ликвация наблюдается на расстоянии 6-8 мм от поверхности при отливке сечения 150х1200 мм со скоростью 1,05 м/мин. Область воздействия струйно-циркуляционных потоков на оболочку не превышает 900—1200 мм по высоте. Далее, в процессе движения нарастание твердой фазы происходит при затухании гидродинамических потоков и формировании еще слабых конвективных потоков в условиях повышенной концентрации примесей в жидком расплаве перед фронтом затвердевания, обусловленной вымыванием примесей в зоне кристаллизатора. Область двухфазного состояния полностью формируется и расширяется. Толщина пограничного диффузного слоя при непрерывной разливке составляет 10в-5 см, согласно расчетам. Однако повышенная скорость кристаллизации, обогащенный примесями расплав при минимальном воздействии потоков приводят к повышению эффективного коэффициента распределения, что проявляется в формировании зоны положительной ликвации глубиной 15-20 мм при максимальном показателе ликвации 1,35.
Интенсивность проявления осевой ликвации при непрерывной разливке усиливается с увеличением глубины жидкой лунки (скорости разливки и толщины заготовки), характеризующей развитие и продолжительность действия конвективных потоков. Содержание примесей в узкой осевой зоне может в 4—5 раз превышать их содержание в исходном металле. Применение металлических лент, заполненных металлическим порошком, присаживаемых в кристаллизатор при непрерывной разливке стали, позволило резко снизить ликвацию элементов по сечению заготовки. Таким образом, при одном и том же содержании примесей в жидкой стали на отдельных непрерывноразлитых заготовках, наблюдается их повышенная ликвация, а в других заготовках она отсутствует.