Структурні зони у сталевому злитку

Найбільш складним і важливим завданням отримання якісних великих сталевих злитків є підвищення їхньої фізичної однорідності. Однак, отримання однорідного зливка утруднено внаслідок різних умов кристалізації сталі в різних зонах під впливом нерівномірного розподілу температурних полів, усадки, ліквації домішок, форми та розмірів зливка та інших факторів. Очевидною є одна обставина - всі види неоднорідності збільшуються зі збільшенням маси зливка.

На думку багатьох учених у великому злитку можна умовно виділити сім основних структурних зон (рис.3.4).

Малюнок 3.4- Структурні зони у великому сталевому злитку: 1 – кіркова зона, 2 – зона стовпчастих кристалів, 3 – перехідна зона рівноосних кристалів, 4 – зона великих рівноосних кристалів, 5 – конус осадження, 6 – зона V - подібної неоднорідності, 7 – садинна раковина

При цьому макроструктурна неоднорідність, обумовлена різною формою кристалізації сталі, спостерігається переважно в зонах 1-5, а фізична неоднорідність, що викликається процесами усадки сталі, - в зонах 6 і 7.

Вирішальний вплив на формування структурних зон та фізичної неоднорідності в злитку мають два основні параметри:

величина інтервалу кристалізації між температурами ліквідусу та солідуса (Ткр, К);
градієнт температур у твердіють обсягах сталі Т, який характеризує інтенсивність охолодження зливка.

Залежно від відношення Ткр/Т розрізняють три наступні умови формування структури зливка.

1. Якщо Ткр/ Т 1, то відбувається об'ємна кристалізація, що супроводжується зародженням кристалів по всьомузатвердіваючому об'єму і розосередженням у ньому усадкових порожнин у формі пористості.

У досить спрощеному варіанті для сталевих зливків можна обмежитися трьома характерними кристалічними зонами:

кіркова зона товщиною 5-10 мм, що складається з дрібних кристаликів близьких до рівноосних, осі першого порядку яких розташовуються переважно перпендикулярно поверхні злитка;
зона стовпчастих кристалів, осі першого порядку яких чітко спрямовані перпендикулярно до поверхні злитка (у разі заливання сильно перегрітої сталі стовпчасті кристали досягають осі злитка і таке явище називається транскристалізацією);
зона неорієнтованих кристалів, що займає всю середню частину зливка і складається з великих кристалів з безладним напрямком осей першого порядку.

Характер розташування зон стовпчастих (периферія) та рівноосних (центральна зона) кристалів представлений на фотографії травленого поздовжнього темплету зливка масою 13,6 т (рис.3.5).

Малюнок 3.5– Характерне розташування структурних зон у поздовжньому перерізі зливка масою 13,6 т

Перехід від зони стовпчастих кристалів до неорієнтованих пов'язаний із величиною температурного градієнта в рідкій частині злитка біля фронту затвердіння. Зазначений перехід відбувається при досягненні цим градієнтом певного мінімального значення. При збільшенні швидкості охолодження товщина зони стовпчастих кристалів зростає. Якщо ж заливка металу виробляється за дуже низької температури, то зона стовпчастих кристалів практично утворюється.

Загальна картина динаміки твердіння сталевого зливка схематично може бути представлена наступними характерними етапами (рис.3.6).

Формування кіркової зони та стовпчастихкристалів (рис.3.6 а) відбувається в умовах перегріву металу в рідкій серцевині зливка і наявності досить сильних конвективних потоків. Наприклад, результати температурних вимірювань показали, що перегрів металу в рідкій серцевині злитка масою 20-30 т зберігається протягом 30-40 хвилин. Після зняття перегріву відбувається інтенсивне формування двофазної зони, розвиток якої, у поєднанні з конвективними потоками, значною мірою визначає утворення конуса осадження, зональної неоднорідності зливка та кристалічну структуру центральної зони зливка (рис.3.6 б, в).

Малюнок 3.6- Етапи формування зливка а - початкове осадження кристалів; б - утворення нижньої частини конуса осадження; в – завершення формування конуса осадження та утворення зони позацентрової ліквації; г – утворення зони V-подібної неоднорідності

На завершальному етапі затвердіння (рис.3.6 г) відбувається формування хімічної неоднорідності.

У початковий період затвердіння, до відходу поверхні зливка від стінки виливниці (в результаті усадки) та утворення газового зазору між зливком і виливницею, просування фронту затвердіння відбувається швидше, ніж у наступні періоди. Після утворення зазору між внутрішньою поверхнею виливниці та поверхнею зливка, що відбувається через 4-10 хвилин, просування фронту затвердіння досить добре описується законом квадратного кореня:

де х – товщина затверділого шару, мм; t - час від початку затвердіння; до – константа затвердіння (к = 24-25 мм/хв 0,5); С – постійна, яка враховує початкові умови затвердіння.

Велику роль у формуванні структури зливка відіграють первинні дендритні утворення, що формуються в переохолоджених шарах рідини абоявляють собою підплавлені гілки дендритів. Захоплені фронтом кристалізації дендрити фіксуються під певним кутом до конвективного потоку, що омиває їх. Зі збільшенням швидкості конвективного потоку та зниженням швидкості затвердіння кут відхилення головної осі дендриту збільшується.

При досить інтенсивних конвективних потоках відбувається підплавлення осей та механічне обламування гілок дендритів. Частки дендритів, що відокремилися, утворюють рідко-тверду область, служать самостійними зародками кристалізації або розплавляються.

Утворення дендритної структури металу у процесі кристалізації зливка пов'язане з особливістю її формування при затвердінні металу у зоні двофазного стану. Наявність переохолодженого розплаву перед фронтом твердіння призводить до того, що спочатку в переохолодженому шарі швидко зростає “скелет” дендриту, тобто порівняно тонка вісь дендриту першого порядку. Потім відбувається потовщення дендритних гілок. Обидві стадії формування дендритного кістяка протікають у різних умовах і з різною швидкістю.

У міру зростання товщини затверділого шару зливка, температурний градієнт у фронті затвердіння зменшується, що призводить до розширення зони двофазного стану. Експериментальні дослідження динаміки розвитку двофазної зони та теоретичний аналіз зростання дендритів у двофазній ділянці показують, що в її межах можна виділити дві зони: твердо-рідку (з переважанням твердої фази) та рідко-тверду (з переважанням рідкої фази). Положення рідко-твердої зони визначається "кордоном виливності", тобто контуром оболонки, яка залишається після виливання рідкої серцевини зливка.

Дослідженнями із застосуванням радіоактивних ізотопів показано, що на певному етапі кристалізаціїВелику роль формуванні структури зливка грає перенесення ізольованих кристалів, які переміщуються конвективними потоками вздовж фронту кристалізації і накопичуються в донної частини злитка. У зв'язку з цим донна частина зливка кристалізується швидше, ніж йде кристалізація від бічних стінок.

У великих сталевих зливках фронт вертикального твердіння формується значною мірою за рахунок процесу перенесення в донну частину кристалів з розплаву. Тому процес вертикальної кристалізації задовільно описується законом квадратного кореня лише з початковому етапі затвердіння, а подальшому процес формування осьової зони помітно прискорюється.

Значення коефіцієнта затвердіння для початкового етапу вертикальної кристалізації приблизно вдвічі більше, ніж горизонтальної кристалізації. Причиною цього може бути відсутність зазору між зливком і дном виливниці, а також особлива форма донної частини зливка, що забезпечує інтенсивне відведення тепла від металу, що затвердіває, вплив масивного піддону.

Накопичення кристалів у донній частині зливка призводить до утворення великої двофазної зони та витіснення переохолодженої рідини вгору. Це супроводжується додатковим охолодженням нижньої частини, оскільки основна маса тепла виділяється при кристалізації рідкої сталі. Останнє призводить до прискорення затвердіння у вертикальному напрямку. Початок прискореного твердіння залежить від маси зливка. Наприклад, для злитків 20т і 27т воно становить 120 і 140 хвилин відповідно.

В кінцевому рахунку, в затверділому злитку область осаджених кристалів набуває форми конуса і являє собою зону рівноосних розорієнтованих кристалів, що структурно відрізняються від зовнішньої зони транскристалізації. Кордон конуса осадженняутворюється на стику вертикального та горизонтального фронтів затвердіння, уздовж цього кордону розташовуються шнури A-подібної неоднорідності. Зростання конуса осадження у вертикальному напрямі відбувається в результаті нашарування на його верхню межу нових порцій осіли кристалів.

Таким чином, після зняття перегріву в рідкій серцевині зливка та зменшення температурного градієнта має місце достатнє переохолодження на фронті затвердіння. У цей час знижується швидкість затвердіння у зв'язку із зростанням теплового опору твердої оболонки, що утворилася, зливка. Між твердою та рідкою фазою розвивається проміжна двофазна область, що включає твердо-рідку та рідко-тверду її частину на кордоні з рідким металом. Конвективні потоки переносять окремі кристали з периферійної частини рідко-твердої зони вздовж бічного фронту затвердіння в донну частину злитка, де, як правило, формується конус осадження.