Неметаллические включения и дефекты в электрошлаковом слитке

Волков С.Е., Волков А.Е., Забалуев Ю.И., Буряковский Г.А.

Металлургия, 1979 г.

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 V_n=W_AAa_t где V_n — объем поры в дендритной ячейке; W_A — 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.