содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

Физическая и химическая неоднородность слитков и отливок


Наиболее сложной и важной задачей проблемы получения качественных стальных изделий является повышение физической и химической однородности слитков и отливок. Получение однородного металла затруднено вследствие различия физических и физико-химических свойств уже затвердевшей и кристаллизующейся стали, уменьшения растворимости элементов в твердой стали, развития процессов ликвации примесей, неравномерного распределения температуры и усадки металла. На границе кристаллизации стали протекают сложные процессы: в соответствии с диаграммой Fe—С изменяется химический состав фазовых составляющих стали, происходит формирование будущих кристаллов, и все это сопровождается интенсивным движением жидкой стали в центральной части. От соприкосновения с формой (изложницей) образование тонкой корочки слитка происходит практически мгновенно, на этой корочке растут дендриты, по которым осуществляется теплоотвод от жидкой стали к наружной корочке. На границе кристаллизации образуется двухфазная зона, ширина которой будет определяться интервалом температур между линиями ликвидус и солидус по диаграмме состояния Fe—С и скоростью кристаллизации. В зависимости от этого в слитке спокойной стали развивается химическая неоднородность, проявляющаяся в образовании зон, показанных на рис. 17.

Рис. 17. Химическая неоднородность в слитках

Указанные зоны подразделяются на две группы: макроструктурной неоднородности, обусловленной различной формой кристаллизации стали (зоны 1—3)\ физической неоднородности, вызванной процессами усадки стали (зона 4 и все вызываемые ею дефекты: рыхлость, пористость, внутренние напряжения и трещины).

Решающее влияние на формирование физической неоднородности в слитке оказывают два следующих основных параметра: величина интервала кристаллизации или разность температур ликвидус и солидус () и перепад температур в затвердевающих объемах стали (), который характеризует интенсивность охлаждения слитка или отливки.

В зависимости от величины соотношения Т1/Т2 различаются три основных условия формирования зон слитка:

При переходе стали из жидкого состояния в твердое снижается растворимость элементов в железе, наиболее существенно для серы, кислорода, фосфора, углерода, меньше для легирующих элементов, кремния и еще меньше для марганца, хрома, никеля и других металлов. При протравливании эти участки в слитке разрушаются сильнее и позволяют определить физическое и химическое несовершенство затвердевшего слитка или отливки.

Различают следующие виды химической неоднородности в крупных стальных отливках и слитках:

1. Зональную ликвацию, названную так по расположению между зонами столбчатых и равноосных кристаллов. Эта ликвация проявляется в виде ликвационных Л-образных полос 1 (см. рис. 17). Ликвационные полосы могут быть значительной длины и иметь уклон к вертикальной оси слитка (содержание в зоне углерода, серы, фосфора и газов иногда может быть в 3—4 раза больше, чем в исходном жидком металле).

2. V-образная ликвация располагается в осевых объемах слитка. Она представляет собой ряд изогнутых полос 2, напоминающих воронку (см. рис. 17). По расположению этот вид неоднородности совпадает с местом образования осевой рыхлости. Полосы состоят из смеси грубых равноосных кристаллов, межкристаллитные участки которых заполнены обогащенным примесями металлом.

В слитке выявляются также зоны положительной 3 и отрицательной 4 ликвации стали. Наиболее выраженная зона положительной ликвации находится вблизи усадочной раковины и прилегающих к ней участков. Содержание ликвирующих примесей в этой зоне в 1,5—2,5, а в прибыльной части слитка в 3—4 раза выше, чем в ковшевой пробе.

Зона отрицательной ликвации располагается в нижней части слитка и характеризуется пониженным содержанием примесей и относительно мелкодисперсной структурой металла.

Развитие двух последних видов неоднородности связано с условиями конвективного перемешивания металла в затвердевающем слитке, химическим составом стали, формой и способом обогрева прибыльной части слитка. Вследствие различной растворимости примесей в твердом и жидком металле и развития диффузионных процессов возникает дендритная неоднородность.

При этом наблюдается преимущественная диффузия примесей в межосное пространство, вследствие чего оси дендритов имеют состав, отличающийся от междендритных участков.
 

Из всех технологических факторов степень ликвации прежде всего зависит от скорости затвердевания. Между скоростью затвердевания и процессом ликвации существует обратная зависимость. Чем больше скорость отвода тепла и быстрее слиток затвердевает, тем меньше его химическая неоднородность.
 

Выделившиеся из растворов ликваты могут образовать новую фазу, т. е. в расплаве металла появляется инородное тело или жидкость. Неоднородность усиливается в результате процесса сегрегации.

Сегрегация — это процесс отделения одной фазы от другой. Сегрегационные процессы являются следствием укрупнения примесей, их всплывания и осаждения, избирательной кристаллизации и других факторов, способствующих разделению фаз.

Химическая неоднородность слитка зависит от массы слитка: чем крупнее слиток, чем больше его поперечное сечение, тем выше степень сегрегации в нем. На рис. 18 показано влияние массы слитка на степень сегрегации элементов, присутствующих в стали.
 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..