Какая зона слитка имеет самые высокие механические свойства
04.02.2017
Кристаллические зоны слитков отличаются друг от друга не только по структуре, но также и по своим физическим и механическим свойствам.
Определение плотности отдельных слоев медных слитков, отлитых в горизонтальную изложницу, показывает, что наибольшей плотностью обладает зона мелких столбчатых кристаллов, росших снизу вверх, и наименьшей — зона кристаллов, росших сверху вниз. Понижение плотности вызывается, с одной стороны, наличием усадочных пор, с другой, — газовых пузырен. И те и другие обычно присутствуют вместе, так что в некоторых случаях нет возможности их отделить.
Если вначале в процессе кристаллизации образуются усадочные поры вследствие недостатка металла для заполнения всего объема, который занимал расплавленный металл, то в них имеет место вакуум. Если оставшийся жидкий металл содержит в (растворе газ, то он будет под влиянием вакуума выделяться внутрь усадочных пор; в несколько меньшей степени это может произойти и вследствие выделения газа из твердого раствора в затвердевшем металле. Наоборот, если полости порождаются вследствие выделения газа из раствора в жидком металле, то образуется пузырь, в котором вначале давление положительное, вследствие чего он приобретает округлую форму, так как газ раздвигает еще не вполне закристаллизовавшийся металл. При дальнейшем охлаждении слитка давление внутри пузыря понижается, так как газ при понижении температуры уменьшается в объеме в большей степени, чем твердый металл. При еще большем охлаждении давление внутри пузыря становится равным атмосферному, и дальше начинает создаваться вакуум. При охлаждении до комнатной температуры, внутри газовых пузырей, как правило, образуется довольно значительный вакуум. Таким образом, в конечном счете и усадочные поры представляют полости, имеющие вакуум, и, как правило, содержащие некоторое количество газа, и газовые пузыри при комнатной температуре представляют включения газа, находящегося под пониженным давлением. По форме усадочные поры представляются более остроугольными, а газовые пузыри более округлыми.
Несмотря на то, что между усадочными и газовыми порами имеется различие только по форме, а также отличие в количестве газа и в степени вакуума, все же по методическим соображениям правильнее разделять усадочные поры и газовые пузыри.
Если усадочные поры совершенно не содержат газа или каких-либо иных посторонних включений — шлака, окислов и т. п., то при пластической обработке в нагретом состоянии или чередующихся холодной деформации и отжиге поры завариваются. Газовые же пузыри под влиянием давления при деформации в нагретом состоянии сжимаются; газ из них частично переходит в твердый раствор, но при доведении в результате нагрева металла до пластичного состояния, под влиянием упругости газа стенки пузыря вновь раздвигаются и пузырь остается. Если поры представляют собой усадочные полости, в то же время содержащие газ, то при пластической деформации усадочная часть заварится, а газовая — восстановится вновь в уменьшенном объеме. По этой причине можно говорить о совместном присутствии усадочных и газовых пор и выражать их даже количественно, несмотря на то, что они могут занимать один и тот же объем; применительно к слиткам можно считать, что при достаточной пластической деформации усадочная пористость заварится, а газовая может несколько уменьшиться, но все же полностью не устранится. Если в слитке усадочные поры содержат газ, то под влиянием пластической деформации та их часть, которая соответствует собственно усадочной пористости, ликвидируется, а газовая часть останется, но уменьшится в объеме.
Путем определения плотности металла в литом состоянии, в наклепанном, в рекристаллизованном при самых низких температурах и отожженном при достаточно высоких температурах, можно отдельно получить с достаточной степенью точности количественные характеристики усадочной и газовой пористости слитка.
Как видно на примере медных слитков, изменение плотности по высоте слитка происходит в полном соответствии со структурой (рис. 199). Чем крупнее кристаллы, тем больше они содержат усадочных пор, так как полости, образующиеся вследствие уменьшения объема при переходе из жидкого состояния в твердое в промежутках между ветвями дендритов, менее доступны для заполнения жидким металлом. Газовые пузырьки распределяются довольно равномерно, но и в этом случае можно отметить некоторую закономерность, а именно; все кристаллы, росшие сверху вниз, оказываются менее плотными, так как при кристаллизации в них запутывается газ, выделяющийся и из металла, находящегося здесь же, и из металла, расположенного ниже. Слой равноосной мелкокристаллической структуры также содержит значительное количество газа, потому что при отстаивании в процессе затвердевания кристалликов, взвешенных в расплавленном металле, через вязкий металл, имеющий кашеобразную консистенцию, пузырьки газа не в состоянии пробраться и уйти в атмосферу. Уже на нетравленом макрошлифе ясно обнаруживаются поры,представляющие преимущественно газовые включения (рис. 200, а), причем тот же шлиф после травления (рис. 200, б) подтверждает совпадение расположения пузырьков со слоем равноосной мелкокристаллической структуры.
Так как мелкие кристаллики этого слоя беспорядочно падают друг на друга, то в промежутках между ними оказывается также большое количество усадочных пор, распределенных по слою более или менее равномерно.
Газовые пузырьки малых размеров могут запутываться также и между ветвями дендритов, растущих снизу вверх, но в значительно меньшем количестве, причем, чем мельче эти кристаллы, тем меньше газа в них может остаться. Количество усадочных пустот, как уже сказано, тоже уменьшается с уменьшением размера кристалла.
Суммарная пористость — газовая и усадочная — и обусловливает уменьшение плотности образцов. Нижний слой мелких столбчатых кристаллов имеет плотность наивысшую, следующий слой мелкокристаллической структуры оказывается менее плотным. Плотность следующего слоя крупнокристаллической структуры, состоящей из кристаллов, росших снизу вверх, снова возрастает, хотя вследствие наличия большого количества усадочных пустот и не достигает плотности первого слоя. Последние слои кристаллов и крупных и мелких, которые росли в направлении сверху вниз, обладают наименьшей плотностью, что отчетливо видно из кривой (см. рис. 199, б).
Механические свойства отдельных зон трехтонного горизонтального медного слитка, определенные на пятикратных образцах диаметром 6 мм, вырезанных в вертикальном направлении, оказались тоже неодинаковыми (рис. 201). В образцах, вырезанных из слоя крупностолбчатой структуры, оказывались всего два-три кристалла по сечению. Усадочные поры выходили на поверхность, поэтому механические свойства образцов, вырезанных из слоя крупностолбчатых кристаллов, получились пониженными.
Предел прочности оказался наибольшим для слоя равноосной мелкокристаллическая структуры, несмотря на наличие газовых пузырьков, потому что пористость в этом слое распределена достаточно равномерно. Следующими по величине предела прочности идут нижний и второй снизу слои мелких столбчатых кристаллов, росших снизу вверх, затем — крупных столбчатых кристаллов, также росших снизу вверх. Наименьшим пределом прочности обладают образцы, вырезанные из слоев крупных столбчатых кристаллов, росших сверху вниз. Последний из рассмотренных слоев показал также и наименьшее удлинение. Следующими в порядке возрастания величины удлинения при растяжении идут: слой мелких равноосных кристаллов, мелких столбчатых кристаллов нижнего слоя, крупных столбчатых кристаллов, росших снизу вверх, и, наконец, слой столбчатых кристаллов средней крупности, росших тоже снизу вверх,
Плотность вертикального слитка алюминиевой бронзы А5, отлитой в виде плиты размерами 800х180х30 мм в разъемную чугунную изложницу при отношении массы изложницы к массе слитка, равном 4, дает представление о распределении пористости (рис. 202). Наиболее высокая плотность получена в средней части слитка, в верхней половине и у боковых кромок слитка. Наименьшая плотность обнаружена в зоне несколько выше нижней кромки слитка и на расстоянии 0,2—0,3 ширины от боковых кромок в нижней половине слитка. Кроме того, сравнительно невысокая плотность получена вблизи верхней поверхности слитка, где, по-видимому, не была в достаточной мере восполнена усадка металла при кристаллизации. Наиболее пористые участки слитка располагаются в форме подковы в нижней половине слитка и в форме половины эллипсоида в верхней части слитка.
Плотность цилиндрических слитков, отлитых полунепрерывным методом, из дуралюмина Д1 (рис. 203), меняется от периферии к центру. Для слитка диаметром 195 мм при скорости литья 1,16 мм/сек наибольшая плотность получена в центре слитка, тогда как при скорости литья 3,1 мм/сек в центре слитка плотность оказалась наименьшей. Наиболее высокой была плотность вблизи наружной поверхности.
Слитки диаметром 280 мм, отлитые при скоростях 1,5 и 2,1 мм/сек, показали одинаковую закономерность изменения плотности по сечению. Наибольшая плотность оказалась на некотором расстоянии от поверхности слитка, а к периферии и к центру она снижалась. Плотность слитка, отлитого при малой скорости, оказалась выше плотности слитка, отлитого при большой скорости.
Слитки еще большего диаметра (370 мм) показали различную закономерность в случае большей и меньшей скорости литья; при скорости литья 1,0 мм/сек наибольшая плотность слитка оказалась примерно на половине радиуса, а к центру слитка и к периферии она понижалась. В слитке, отлитом со скоростью около 1,5 мм/сек, наименьшая плотность была обнаружена в центре, а к периферии она постепенно повышалась.
В приведенном исследовании Добаткина, невидимому, на точность кривых плотности слитков дуралюмина Д1 влияли какие-то не учтенные автором факторы, так как трудно ожидать изменения характера кривых в зависимости от не слишком больших изменений исследованных параметров.
Во всяком случае плотность цилиндрических слитков, как видно из кривых, может быть наибольшей и в центральной зоне слитка и в периферической, и располагаться в промежутке между центром и периферией.
В большинстве случаев плотность слитков у наружной поверхности при непрерывном литье с непосредственным охлаждением водой меньше, чем в зонах, расположенных несколько дальше от поверхности. Причиной этого является менее благоприятная кристаллизация при охлаждении наружных слоев в изложнице, тогда как последующие слои кристаллизуются под влиянием охлаждения уже закристаллизовавшихся поверхностных слоев водой, а от них и следующих за ними частей слитка.
Плотность слитков непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой при применении малой высоты изложницы получается наибольшей. Чем больше высота изложницы, тем больше превалирует охлаждение слитка через стенку изложницы, тем меньшей получается плотность слитков. Еще меньшая плотность слитков получается при непрерывном литье, когда применяется охлаждение только посредством стенки изложницы и когда непосредственного охлаждения водой не применяется. Дальнейшее уменьшение плотности наблюдается в слитках, отлитых в охлаждаемую водой изложницу, и наименее плотные слитки получаются при литье в чугунные изложницы обычным методом (рис. 204).
Несмотря на то, что наибольшая плотность наблюдается в слитках, затвердевавших с наибольшей скоростью, все же плотность слитка не имеет прямой связи со скоростью затвердевания. В значительно большей степени на плотность оказывает влияние направленность затвердевания; при интенсивном охлаждении снизу и при сохранении металла, расположенного выше, в расплавленном состоянии, плотность наибольшая.
Механические свойства отдельных геометрических зон слитков, полученных методом непрерывного литья, в большой степени зависят от скорости затвердевания в том случае, если в сплаве при конце кристаллизации выделяется хрупкая фаза. В этом случае чем выше скорость затвердевания, тем выше механические свойства такого сплава.
При одинаковой скорости литья повышение скорости охлаждения вызывает ускорение затвердевания, что способствует измельчению хрупкой фазы в эвтектике и повышению механических свойств. Для дуралюмина, например, наблюдается значительное повышение и предела прочности, и удлинения в зависимости от повышения скорости охлаждения.
Повышение скорости литья дуралюмина при непрерывном способе с непосредственным охлаждением водой вызывает и повышение скорости затвердевания, но механические свойства при этом растут до некоторого предела. При дальнейшем повышении скорости литья несмотря на некоторое дальнейшее повышение скорости затвердевания, механические свойства начинают снижаться из-за появления пористости вследствие уменьшения направленности затвердевания. Последнее происходит потому, что при дальнейшем повышении скорости литья: лунка значительно углубляется, кристаллы растут с малым наклоном от горизонтального положения, что затрудняет питание растущих дендритов, а также затрудняет выход газов, пузырьки которых могут запутываться между ветвями дендритов и оставаться в слитке. Усадочная и газовая пористость и вызывает некоторое снижение механических свойств дуралюмина, несмотря на повышение скорости затвердевания слитка.
Распределение механических свойств по сечению цилиндрических слитков дуралюмина Д1 приводится Добаткиным. Для слитка диаметром 195 мм, отлитого при малой скорости литья около 1,2 мм/сек, низкие свойства получены у периферии слитка, тогда как дальше к центру свойства литого материала несколько повышаются, хотя отклонения от средних значений достигают значительных величин. Сравнительно низкие свойства сплава у поверхности слитка объясняются, во-первых, более низкой скоростью затвердевания при охлаждении сплава через стенку изложницы, а во-вторых, тем, что в вертикальных образцах у периферии столбчатые кристаллы расположены поперек направления деформации при растяжении. Межкристаллическое расположение усадочных пор и ликвата способствует понижению механических свойств образцов этой зоны слитка.
При большей скорости литья (3,2 мм/сек) наиболее высокие свойства получаются у образцов, взятых на некотором расстоянии от поверхности слитка (рис. 205). Близкие к периферии и центру слитка образцы показывают снижение предела прочности и удлинения.
- На ремонтную программу Череповецкой металлургической компании направили около семнадцати миллиардов рублей
- Структура слитков непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой
- Структура слитков промежуточной формы и вертикальных
- Структура горизонтальных слитков
- Процессы кристаллизации слитков в реальных условиях
- Теоретические представления по вопросам кристаллизации слитков
- Влияние скорости и направления охлаждения на качества вертикальных слитков
- Влияние скорости и направления охлаждения на качество горизонтальных слитков
- Значение скорости и направления охлаждения слитка
- Температура изложницы
Источник
В зависимости от степени раскисления (кипящая, спокойная) структура стального слитка может иметь различное строение (рисунок 1.5).
В общем случае в структуре стального слитка можно выделить три зоны.
Рисунок 1.5 – Схема строения стальных слитков спокойной (а) и кипящей (б) стали:
1 – зона мелкозернистых кристаллов; 2 – зона столбчатых кристаллов;
3 – зона крупнозернистых кристаллов; 4 – усадочная раковина;
5 – газовые пузыри
Первая зона слитка состоит из мелких равноосных зерен. Металл в начальный момент затвердевания, соприкасаясь с холодными стенками формы, охлаждается в тонком слое с большой скоростью. После образования внешней мелкозернистой зоны условия затвердевания металла меняются: скорость охлаждения уменьшается, отвод тепла становится направленным (перпендикулярно к стенкам формы), зерна приобретают столбчатый вид. Вторая зона – зона столбчатых кристаллов.
Внутренняя часть слитка – зона крупных равноосных зерен. Третья зона формируется в условиях равномерного охлаждения жидкого металла. Здесь зерна зарождаются и растут без определенного направления.
В процессе затвердевания объем жидкого металла уменьшается, поэтому в слитке образуется усадочная раковина. Усадочная раковина располагается в верхней части слитка, где затвердевают последние порции металла, а под ней на некоторую глубину протягивается усадочная рыхлота.
Структура, показанная на рисунке 1.5 а, образуется при кристаллизации спокойной стали, которую получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь затвердевает без выделения газов, поэтому слиток имеет плотное строение, а усадочная раковина концентрируется в верхней части. В целях уменьшения усадочной раковины в слитках изложницы изготовляют с утепленной надставкой.
Выделение газов в слитке кипящей стали (рисунок 1.5 б) происходит при затвердевании слитка, поэтому в слитке образуется не концентрированная усадочная раковина, а большое количество рассредоточенных газовых пузырей. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений и обладает высокой пластичностью. Листовой прокат, получаемый из низкоуглеродистой кипящей стали, широко применяется при изготовлении деталей холодной обработкой давлением.
Стальные слитки неоднородны по химическому составу. Химическая неоднородность, возникающая в процессе кристаллизации, называется ликвацией. Ликвация бывает двух видов – дендритная и зональная.
Дендритной ликвацией называется неоднородность по химическому составу в пределах одного кристалла (дендрита) – по направлениям его центральной оси, ветвей и в приграничных зонах. Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах зерен по сравнению с содержанием ее в их центре увеличивается в 2 раза, фосфора – в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти наполовину.
Зональная ликвация – неоднородность состава стали в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, в нижней части – уменьшается. Зональная ликвация приводит к браку металла вследствие отклонения его свойств от заданных. Верхнюю прибыльную часть слитка при прокатке отрезают.
Источник
Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обратном отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота образующегося кристалла отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой скоростью, формируются равноосные кристаллы.
Структура слитка зависит от количества и свойств примесей, температуры разливки, скорости охлаждения при кристаллизации, а также от конфигурации, температуры, теплопроводности, состояния внутренней поверхности литейной формы. Структура слитка сплавов состоит из трех зон (рис. 1.14, а).
Жидкий металл прежде всего переохлаждается в местах соприкосновения с холодными стенками формы. Большая степень переохлаждения способствует образованию на поверхности слитка зоны 1 мелких равноосных кристаллов. Эта зона очень тонка и не всегда различима невооруженным глазом. Затем происходит преимущественный рост кристаллов, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к теплоотводу. Так образуется зона 2 столбчатых кристаллов, расположенных нормально к стенкам формы. В середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущается направ-
Рис. 1.14. Схемы макроструктур слитков ленного отвода теплоты, образуются равноосные кристаллы больших размеров (зона 3).
Используя различные технологические приемы, можно изменить количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще. Например, перегрев сплавов перед разливкой и быстрое охлаждение при кристаллизации приводит к формированию структуры, состоящей практически из одних столбчатых кристаллов (рис. 1.14, б). Такая структура называется транскристаллической. Подобную структуру имеют слитки очень чистых металлов. Зона столбчатых кристаллов характеризуется наибольшей плотностью, но в месте стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси, и слитки с транскристаллической структурой часто растрескиваются при обработке давлением. Транскристаллическая структура, образовываясь в сварных швах тепловых котлов, уменьшает их прочность.
Низкая температура разливки сплавов, продувка жидкого металла инертными газами, вибрация, модифицирование приводят к уменьшению и даже исчезновению зоны столбчатых кристаллов и получению слитков со структурой, состоящей из равноосных кристаллов (рис. 1.14, в).
В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Под усадочной раковиной металл получается рыхлым, в нем содержится много усадочных пор. Часть слитка с усадочной раковиной и рыхлым металлом отрезают.
Слитки металлов характеризуются неоднородным составом. Например, в слитках стали по направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей — серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства.
Одним из факторов, которые сильно влияют на форму кристаллов, является направление отвода тепла при кристаллизации. Особенно большое значение имеет скорость и направление теплоотвода при кристаллизации крупных промышленных слитков.
Реальный слиток состоит, как правило, из трех зон: мелкокристаллической — корковой зоны, зоны столбчатых кристаллов и внутренней зоны крупных равноосных кристаллов. Кристаллизация поверхностной (корковой) зоны протекает в условиях максимального переохлаждения, когда имеется большое число зародышей. Структура, естественно, получается в этом случае мелкокристаллической.
В следующей (подкорковой) зоне переохлаждение металла существенно меньшее, следовательно, меньше скорость образования зародышей. Растут они в направлении, противоположном направлению отвода тепла, т. е. перпендикулярно стенке изложницы. В этой зоне происходит рост так называемых столбчатых кристаллов. В третьей — центральной — области слитка направление преимущественного теплоотвода становится менее выраженным и, кроме того, здесь больше примесей, поэтому в центре слитка растут преимущественно равноосные кристаллы.
Следует отметить, что и после затвердевания слитка кристаллы продолжают расти. Скорость роста кристаллов резко уменьшается с понижением температуры, но общее время, затраченное на охлаждение до 600 °С, примерно на 2—3 порядка больше времени собственной кристаллизации слитка. Скорость роста при охлаждении стали до 600 °С по сравнению со скоростью роста при 1500 °С, уменьшается примерно на 3 порядка. Следовательно за время охлаждения кристаллы могут вырасти примерно в 2 раза. Вследствие различия удельных объемов жидкого и твердого металла в верхней части слитка образуется усадочная раковина.
Объем, занимаемый различными зонами в слитке, зависит от состава разливаемого металла и степени его перегрева, размера и формы слитка.
В случае большого перегрева и при сравнительно небольших размерах слитка зона столбчатых кристаллов может заполнить почти весь объем слитка. В зоне столбчатых кристаллов, как правило, нет пузырей, раковин, поэтому для получения плотных слитков выгодно подбирать условия кристаллизации такими, чтобы эта зона была больше. Но увеличивать зону столбчатых кристаллов в слитке выгодно только для пластичных металлов. В случае же малопластичных металлов, например многих сталей, получать столбчатые кристаллы невыгодно, поскольку при последующей обработке металлов давлением (ковке, прокатке, штамповке) в местах стыка столбчатых кристаллов появляются трещины.
Образование зародышей основного металла при температуре его кристаллизации, в реальном слитке является не столь быстрым процессом, и поэтому величина зерна получается большей, чем это требуется для обеспечения хороших свойств металла. В реальных условиях величину зерна регулируют не только подбором толщины стенок изложницы, но и путем небольших изменений состава расплава (добавлением модификаторов). При этом очень сильно изменяются термодинамические условия образования различных фаз. Например, если в чугун добавляют алюминий, бор, висмут и другие элементы, то образуются нитриды, сульфиды и другие тугоплавкие соединения, на которых может происходить выделение основных фаз. Вещества, применяемые для измельчения зерна, называются модификаторами.
Достаточно строгой теории модифицирования пока еще нет, поэтому состав и количество модификаторов подбирают эмпирически. Использование модификаторов позволяет сократить время отжига отливок и повысить эксплуатационные свойства материалов.
Кроме веществ, образующих в расплавах тугоплавкие соединения, в качестве модификаторов используют также и так называемые поверхностно-активные примеси, изменяющие скорость зарождения кристаллов. Зерно в этом случае получается более мелким.
Описанное выше строение кристаллического слитка характерно для случаев охлаждения в изложницах с нерегулируемым отводом тепла. Но как уже отмечалось, наличие зоны столбчатых кристаллов, вытянувшихся в направлении, перпендикулярном оси слитка, не всегда благоприятно влияет на механические свойства.
Поэтому в настоящее время разработаны специальные технологии получения слитков со столбчатыми кристаллами, ориентированными вдоль оси слитка. Такие технологии получили название методов направленной кристаллизации. В этих методах отвод тепла осуществляется вдоль оси слитка из жидкой фазы в твердую, соприкасающуюся с охлаждаемым кристаллизатором. Для предотвращения зарождения большого числа кристаллов в жидкой ванне температуру расплава сохраняют выше температуры ликвидуса, вдоль зоны жидкого расплава поддерживают градиент температур. При направленной кристаллизации вдоль оси слитка можно получать кристаллы длиной в десятки сантиметров.
Если создать условия, при которых кристаллизация начинается лишь в одной точке (из одного зародыша), то во всем объеме слитка формируется один кристалл, называемый монокристаллом.
Источник