Неметаллические включения и дефекты в электрошлаковом слитке

Волков С.Е., Волков А.Е., Забалуев Ю.И., Буряковский Г.А.
Металлургия, 1979 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.

12. УСАДКА МЕТАЛЛА В ДЕНДРИТНЫХ ЯЧЕЙКАХ

Если экзогенные включения, размеры которых невоз­можно предсказать заранее, отсутствуют, свойства ме­талла определяются эндогенными включениями, размеры которых задаются условиями охлаждения и концентра­цией примесей.

Однако нужно учитывать, что наряду с неметалличе­скими включениями и эвтектическими фазами на послед­ней стадии затвердевания дендритных ячеек образуются микропоры. Микроусадка в глубине двухфазной зоны может возникнуть не только в замкнутых объемах жид­кого металла, но и при наличии в кристаллизующемся металле системы капилляров. При кристаллизации в бо­лее плотную фазу жидкость в закрытых микрообъемах двухфазной зоны испытывает всестороннее растяжение. По мере углубления объема жидкости в двухфазную зо­ну давление в нем падает, достигая упругости насыщаю­щих паров либо растворенных газов.’С появлением заро­дышей паровой или тазовой фазы происходит разрыв жидкости. В результате давление в объеме восстанавли­вается; а его последующая кристаллизация сопровожда­ется ростом поры.

Результаты замеров концентрации элементов по се­чению дендритов позволяют представить последователь­ность затвердевания металла в дендритной ячейке, в том числе оценить долю жидкой фазы в дендритной ячейке, которая затвердевает без поступления металла из жид­кой зоны. Изоконцентрационные кривые по сечению ден­дрита приведены в работе [59]. Анализ этих данных по­зволяет сделать заключение, что примерно 5—10% объ­ема металла в каждой дендритной ячейке затвердевает в условии, когда она оо всех сторон окружена твердой фазой. При затвердевании этой части металла его объем уменьшается на 2—3%· Следовательно, наибольший объем поры (если в дендритной ячейке образуется одна пора, а это наиболее вероятно) можно определить из вы- ражния Vn=WAAat где Vn — объем поры в дендритной ячейке; WA — объем дендритной ячейки; а — коэффи­циент объемной усадки; А — коэффициент, учитывающий долю металла в дендритной ячейке, которая затвердева­ет без поступления жидкого металла для компенсации усадки. Для ориентировочных расчетов можно принять А = 0,05; а = 0,03. Расчет показывает, что в этом случае для слитка диаметром 30 см (L = 300 мкм) объем поры в дендрит­ной ячейке составит 40,5 мкм3. Если принять, что поверх­ность поры близка к сферической, то ее диаметр соста­вит около 4,3 мкм. Для слитков большего размера с меньшей дисперсностью дендритной структуры размеры пор будут еще большими. Например, для слитка диамет­ром 100 см начальные размеры пор составят около 15 мкм. Имеется много работ, в которых качество литого металла, например его деформируемость, сопоставляет­ся с размерами слитков, и во всех работах отмечается снижение качества с увеличением размеров слитков. Ве­роятно, не последнюю роль в этом играют и процессы микроусадки в дендритных ячейках.

Образование микропор при затвердевании жидкого металла в закрытой части дендритной ячейки приводит к образованию поверхности раздела жидкий металл — газовая фаза. К этой поверхности раздела диффундируют поверхностно активные элементы — сера, алюминий, кис­лород и др. Это способствует образованию на поверх­ности раздела неметаллических включений сложного со­става, например, оксисульфидов. Полость микропор мо­жет заполняться водородом, который также является сильно ликвирующим элементом. Известно, что атмо­сфера закрытых усадочных раковин в прибыльной части слитка на 80—90% состоит из водорода.

В процессе дальнейшего охлаждения объем слитка и соответственно размеры пор уменьшаются. . Однако на­личие включений на поверхности пор и газов в их объе­ме приводит к тому, что поры полностью не исчезают. В процессе горячей деформации заполненные водородом и другими газами поры вызывают появление волосовин. Это обусловливает необходимость ограничения содержа­ния в металле водорода, особенно для крупных слитков, с меньшими дисперсностью дендритной структуры и рас­средоточением дефектов в объеме слитка.

Таким образом, увеличение массы слитков и связан­ное с этим снижение скорости охлаждения металла при­водит к уменьшению дисперсности дендритной структу­ры. Количество дендритных ячеек в объеме металла уменьшается, а их размеры возрастают. При этом вслед­ствие ликвационных процессов при затвердевании ден­дритных ячеек в каждой из них появляются дефекты — неметаллические включения, поры.

Размеры этих дефектов возрастают при увеличении дендритных ячеек. Особенно резко на свойствах металла сказывается увеличение массы слитков с большой про­тяженностью двухфазной твердо-жидкой зоны, т. е. ме­талла с высоким содержанием углерода.

Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР разработан единственный на сегодняшний день ради­кальный способ решения проблемы большого слитка, за­ключающийся в электрошлаковой сварке нескольких слитков меньшего размера. Таким путем можно полу­чать слитки практически любой величины и требуемого качества, причем, изменяя размеры свариваемых слит­ков, можно в значительной степени воздействовать на качественные характеристики получаемого крупного слитка.

Таким образом, электрошлаковый переплав позволя­ет очистить металл от экзогенных неметаллических вклю­чений, состав и размеры которых трудно предсказать за­ранее. Имеющиеся в слитке неметаллические включения образовались при кристаллизации металлов вследствие понижения температуры у фронта кристаллизации и лик­вации элементов в двухфазной твердо-жидкой зоне. Раз­меры этих включений, а также распределение их по раз­мерам зависят от величины дендиртных ячеек и концент­рации соответствующих элементов, а состав включений определяется только составом стали.

Чтобы оценить количество и состав образовавшихся включений, необходимо, кроме уравнений термодинами­ки, использовать теорию квазиравновесной кристаллиза­ции. Полученная система уравнений позволяет опреде­лить начало образования включений того или иного ти­па. Естественно, что чем раньше начинается образование включений, тем больше вероятность появления более крупных включений и тем больше их общее содержание.

Когда рукопись этой книги уже была сдана в редак­цию, докт. физ.-мат. наук В. Т. Борисовым, канд. физ.- мат. наук В. А. Петровским совместно с одним из авто­ров была составлена программа для расчета образова­ния неметаллических (включений при кристаллизации на ЭВМ. В программу (введены уравнения, учитывающие баланс участвующих в реакции веществ; переход ве­ществ в твердую фазу и в образующуюся неметалличе­скую фазу. Это позволило определить не только момент начала образования включений того или иного состава, но и темп наращивания общего количества включений по мере кристаллизации слитка и изменение их состава. Сопоставление результатов расчета, проведенного по этой программе для образования включений‘нитридов ти­тана и алюминия в среднеуглеродистой стали, с резуль­татами металлографического анализа образцов этой стали подтвердило возможность использования этого метода для предсказания общего количества, состава и момента начала образования неметаллических включе­ний, для которых определены термодинамические харак­теристики в соответствующем интервале температур.

Ранее В. Т. Борисовым была предложена теория рос­та, неметаллических включений в двухфазной зоне. В тео­рии учтено изменение количества включений в объеме жидкой фазы двухфазной зоны за счет их перехода в твердую фазу (захват включений растущим кристаллом) и их коагуляции, а также изменение размеров включений в результате их диффузионного роста и коагуляции. Ко­эффициент захвата включений кристаллом учитывает поверхностные свойства кристалла и неметаллической фазы. Равенство этого коэффициента нулю означает, что растущая твердая фаза отталкивает включения, равенст­во его единице означает, что частицы неметаллической фазы обладают особым сродством к поверхности кри­сталла и «прилипают» к ней. Для включения определен­ного типа величину этого коэффициента можно считать постоянной. Поскольку для образования зародышей но­вой фазы требуется известное пересыщние, появление новых зародышей при наличии сформировавшихся вклю­чений маловероятно и в данной теории не учитывается.

Совместное использование теории образования неме­таллических включений при кристаллизации и теории их роста позволит прогнозировать количество, состав и раз­меры включений. Однако точное определение необходи­мых расчетных параметров (коэффициенты захвата, ко­агуляции, термодинамические характеристики) может быть сделано только при постановке специальных экспе­риментальных исследований.