Зростання продуктів розкислення

Формування та подальша поведінка неметалевих включень - продуктів розкислення стали також вивчалося поряд дослідників. Укрупнення утворених зародків включень від ультрамікроскопічних розмірів (10 -8 10 -9 м) до типових для ендогенних неметалевих включень (10 -6 10 -5 м), що зазвичай спостерігаються, відбувається за рахунок:

a) продовження в об'ємі металу, що контактує з включенням, що зародилося, реакції розкислення і гетерогенного відкладення продуктів цієї реакції на поверхні вже утворених зародків включень;

b) взаємного зіткнення утворених включення, їх об'єднання між собою за рахунок зменшення при цьому поверхні контакту включень та металу і, отже, зменшення запасу міжфазної енергії, що припадає на одиницю маси металу.

Як показала робота [143], процес розкислення відбувається не миттєво внаслідок "фізичних" та "кінетичних" перешкод. На різних послідовних етапах цього процесу утворюються його проекти, що володіють різною природою, хімічним складом та фізичними властивостями (температурою плавлення, змочуваністю рідким металом тощо). Отже, навіть у процесі розкислення тільки одним розкислювачем відповідно до фазових діаграм з'являються різні як тверді, так і рідкі включення. "Зростання" цих включень по другому з перерахованих шляхів визначається в основному поверхневими явищами на межі фаз включення-метал [144]. Можливі такі механізми укрупнення включень за рахунок їхньої зустрічі та об'єднання:

1) злиття двох чи кількох крапель із заснуванням однієї великої, тобто. їхня коалесценція. Коалесценція протікає тим легше, інтенсивніше, що більше значення sм-в та зміна поверхневої енергії Dg=–DFsм-в (де-DF–зміна міжфазної поверхні (метал-включення);

2) коагуляція, тобто. зустріч та прилипання один до одного твердих включень (їх спікання чи агломерація). Цей процес можливий насамперед тоді, коли включення погано змочується металом, тобто. кут змочування q90° і при зустрічі двох включень знаходиться між ними металевий прошарок легко видаляється, допускаючи безпосередній контакт твердих включень. При цьому зміна енергії складає:

де sв-в - питома міжфазна енергія на контактній поверхні дотичних включень,

Fв-в - величина цієї поверхні.

3) укрупнення включень шляхом зустрічі рідких і твердих включень, причина якого полягає в тому, що поверхнева енергія на межі рідкого та твердого включення значно менша, ніж сума енергії зосередженої на контактній поверхні твердого включення та металу та, відповідно, рідкого включення та металу.

Всі перелічені види укрупнення включень зазвичай називають їх коагуляцією. При цьому розрізняють перикінетичну коагуляцію, що відбувається за законами випадкового блукання, і ортокінетичну коагуляцію, що відбувається під впливом того чи іншого спрямованого силового поля (наприклад, гравітаційного). Швидкість коагуляції, тобто. швидкість зменшення числа включень "z", що припадають на одиницю об'єму металу (зазвичай на 1 см 3 ), у загальному вигляді можна описати рівнянням:

, (122)

D1 іD2 - коефіцієнти масопереносу частинок 1 і 2 типів (при розмірах включень менше 10 -8 м їх можна вважати коефіцієнтами дифузії);

R1 таR2 – радіуси частинок 1-го та 2-го типів;

n1 і n2 - число частинок 1-го і 2-го типу 1 см 3 розплавленого металу;

sм-в – міжфазна питома енергія на кордонахвключень та металу;

К– постійна, що характеризує природу коагулюючих включень (зокрема, для рідких включень вона значно більше, ніж твердих);

Р- постійна, що характеризує силове поле, що визначає тип коагуляції, гідродинаміки, металу і т.п.

Швидкість перикинетичної коагуляції мало залежить від розмірів частинок, що коагулюють. У роботі [144] докладно досліджено природу злиття рідких включень і знайдено, що утворення неметалевого перешийка, що передує їх повному злиттю, залежить як від міжфазної енергії sм-в, так і від в'язкості рідини, що коагулює (включення).

З рівняння (122) видно, що швидкість ортокінетичної коагуляції залежить від інтенсивності силового поля, що викликає її. Дані про швидкість коагуляції включень вважатимуться цілком надійними, т.к. вони засновані на "холодних" моделях і дуже нечисленні. Очевидно, що для великих ендогенних включень (R>10 -5 м) швидкість ортокінетичної коагуляції істотно більша, ніж швидкість перикинетичної. Співвідношення цих швидкостей теоретично визначається рівнянням:

, (123)

де h - в'язкість середовища;

Wо - швидкість ортокінетичної коагуляції;

Wn – швидкість перикинетичної коагуляції;

– градієнт швидкості руху частинок у напрямку "х";

R1,2–сума радіусів двох зустрічаються між собою, різних за величиною, частинок;

до –константа Больцмана.

Вважають, що незалежно від типу коагуляції дрібні (-6 м) включення коагулюють приблизно з однаковою швидкістю. Загалом коагуляція дрібних включень протікає повільно. Наприклад, у роботі [141, 147] наведено такі результати розрахунків:

Час від початкукоагуляції, t	48,5 сек	5 хв	10 хв	15 хв
Число включень «z», 1/см 3	3×10 9	1,5×10 9	0,42×10 9	0,23×10 9	0,15×10 9

Звідси випливає, що для зменшення кількості включень у 20 разів потрібно 15 хвилин.

У роботі [142] досліджувалося розкислення кремнієм заліза, що містить кисень, забезпечуючи при цьому різний час витримки металу після введення розкислювача та сталість всіх інших умов, включаючи швидкість загартовування зразків. Були отримані такі результати:

t, сік
z	10 8	2,2×10 7	4,6×10 6	2,2×10 6	1,4×10 6	4,2×10 5

Ще менші швидкості спостерігаються при укрупненні твердих продуктів розкислення стали алюмінієм (Аl2O3); Особливого значення тут набуває формування великих гіллястих кластерів, які утворилися з допомогою «спікання» дрібних частинок глинозему, і досягають іноді розмірів порядку 1-2×10 –3 м.

У роботі [155] докладно розглянуто утворення таких кластерів, обумовлене тим, що наближення один до одного двох твердих тіл, що погано змочуються металом супроводжується витіканням мікрооб'єму металу, що виявився замкнутим між ними. За цим слідує прямий контакт твердих частинок між собою та їх спікання (коагуляція).

Метал, що залишився замкнутим між окремими гілками глиноземистого кластера, підвищує середню (здається) щільність кластера і ускладнює його спливання. Отже, у разі коагуляція грає негативну роль [146].

Діяльність [144] відзначалася вирішальна роль освіти кластерів умов змочування металом включень (величини кута q). Кластери частоспостерігаються при розкисленні алюмінієм (q>90° для змочування металом глинозему) і не спостерігаються при розкисленні іншими, навіть дуже сильними розкислювачами, для яких q 21 2223242526272829Наступна

---