Формирование слитка

Самойлович Ю.А.

Металлургия, 1977 г.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ЗАТВЕРДЕВАНИЕ — ДВА УРОВНЯ ФОРМИРОВАНИЯ СЛИТКА

При изучении формирования слитка в ходе остывания расплава целесообразно разделение процесса в целом на два яруса (уровня) — кристаллизацию и затвердевание, различающихся перечнем характерных параметров, кругом задач, подлежащих исследованию, свойствами готового продукта процесса (слитка), определяемыми каждым из упомянутых ярусов. Под кристаллизацией в теории литейных процессов понимается процесс формирования структуры слитков при переходе металла (сплава) из жидкого состояния в твердое. Процесс кристаллизации металлов представляет собой сложнейшее явление. По многообразию явлений, сопровождающих  образование кристаллов, оно может быть сопоставлено, пожалуй, только с жизнью организмов.

Важность проблемы кристаллизации металлов определяется тем, что процесс роста кристаллов и получающаяся в его результате структура оказывают значительное влияние на свойства литого металла и качество слитков. К процессу кристаллизации непосредственно примыкают процессы развития дендритной и зональной ликвации (химической неоднородности), возникновения усадочных и газовых пустот, участков неметаллических включений, горячих трещин, в значительной мере определяющие качество слитка.

Основной задачей технологии литья является разработка методов разливки, при которых выполняются определенные требования к качеству структуры слитка. Эти требования можно сформулировать следующим образом.

1. Дендритное строение слитков должно быть однородным, ветви дендритов — по возможности малого диаметра, а межосные промежутки — минимальными.
2. Химический состав в объеме всего слитка должен быть по возможности одинаковым как по легирующим элементам, так и по примесям (междендритная и зональная ликвация должна быть минимальной).
3. Слитки не должны содержать посторонних металлических и неметаллических включений, в частности окисленных кусков шихты, нерасплавленных частиц тугоплавких легирующих компонентов.
4. Неизбежные неметаллические включения (возникающие в процессе кристаллизации) должны быть по возможности тонкодисперсными и разномерно распределенными по объему слитка.
5. Слитки не должны иметь неслитин и других поверхностных дефектов, которые могут стать причиной разрушения металла при обработке давлением. Периферийная зона слитка, пораженная подкорковой пористостью и другими дефектами, должна быть минимальной.
6. Литое зерно желательно в большинстве случаев иметь достаточно мелким и равноосным, во всяком случае показатели литого зерна не должны служить причиной разрушения металла при последующей деформации.

Одни из этих требований обязательны для всех слитков, другие могут изменяться в зависимости от назначения изделий, вида сплава, размера слитков, способа литья и в определенной мере зависят от реальных возможностей производства. Например, при получении сверхкрупных слитков (200—300 т и более) трудно добиться полной однородности состава из-за развития зональной ликвации, и речь может идти о разработке технологических мер по ограничению дефектных объемов слитка. Познание закономерностей кристаллизации слитка должно стать научной основой для разработки практических рекомендаций по улучшению качества литого металла.

Под затвердеванием слитков мы будем понимать макроскопический процесс отвердевания расплава, характеризуемый в терминах современных феноменологических теорий переноса — теории теплопроводности и диффузии, гидродинамики и термопластичности. В частности, затвердевание слитка включает явления переноса тепла из центральных, более горячих зон слитка (где более длительное время металл сохраняется в жидком состоянии) через отвердевшую часть слитка (корку) к внешней охлаждающей среде. Эти явления могут быть описаны с помощью таких понятий, как температура, энтропия, отвердевшая масса металла (в частности, толщина твердой корки), теплофизические свойства металла. Затвердевание слитка в более широком понимании включает описание гидродинамических явлений в незатвердевшей части слитка и выражается в терминах современной гидродинамики, а также описание термических деформаций и напряжений в твердой корке слитка, непосредственно зависящих от температурного поля в корке и термомеханических свойств металла в области повышенных температур.

Включение явлений гидродинамики и термопластичности в обобщенное понятие процесса затвердевания слитка оправдывается тесной взаимосвязью, объединяющей эти явления с температурным полем слитка и динамикой нарастания твердой корки, а также методологическим единством теоретического описания указанных явлений на базе термодинамики, теории теплопроводности, гидродинамики и теории пластичности — единством, Находящим свое выражение в современной термодинамике необратимых процессов.

Подводя итоги краткого рассмотрения вопроса о зарождении и росте кристаллов в двухфазной зоне слитков, выделим следующие особенности этого процесса.

1. При затвердевании металлических сплавов значительная часть жидкой фазы кристаллизуется в дендритной форме. Поскольку дендриты в расплаве растут тогда, и только тогда, когда расплав переохлажден, то из широкого распространения дендритных форм роста следует вывод, что определенная часть двухфазной зоны в процессе отвердевания находится в переохлажденном состоянии.
2. Формирование дендритного остова включает две стадии — выпадение дендритного скелета и утолщение дендритных ветвей. Первая стадия протекает с большой скоростью в условиях заметного переохлаждения жидкой фазы, причем скорость продольного роста дендритных ветвей может быть описана линейной зависимостью. Утолщение дендритных ветвей происходит намного медленнее.
3. В условиях достаточно интенсивного охлаждения двухфазной зоны (со стороны отвердевшей части слитка) и замедленного утолщения дендритных ветвей становится возможным выпадение твердой фазы в междендритном пространстве. Конкретные формы образования твердой фазы, выпадающей в междендритном пространстве, могут быть достаточно разнообразными и дендритные формы роста (ветви второго-третьего порядков), и мелкодисперсные глобулярные кристаллиты основного сплава, и элементы эвтектического происхождения, и выпадающие из раствора неметаллические включения.