2.3. Строение металлического слитка

Температура стали перед разливкой 1600 °С. Кристаллизация жидкого металла, в первую очередь, начинается на холодных стенках формы – изложницы (рис. 2.9,а), где в условиях сильного переохлаждения образуется корковая зона 2 , состоящая из мелких кристаллов.

П о мере охлаждения между стенками изложницы и застывшим металлом образуется воздушная прослойка. Скорость охлаждения кристаллизующегося металла снижается. Рост вновь образующихся кристаллов происходит в направлении, обратном теплоотводу – перпендикулярно стенкам изложницы 1. Максимальная скорость роста наблюдается по направлениям и плоскостям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. Вырастают длинные ветви – оси I порядка, на них формируются поперечные оси II порядка, от которых ответвляются оси III порядка (рис. 2.9,б) и т. д. Кристалл разветвляется, его ветви становится длиннее и толще. Постепенно его ветви занимают все промежутки между осями. В результате формируются древовидные кристаллы – дендриты (от греч. dendron – дерево), образующие зону 3 столбчатых кристаллов. В центре дендрита больше тугоплавких компонентов, на периферии – легкоплавких. Химическая неоднородность в объеме столбчатых кристаллов называется внутрикристаллической (дендритной) ликвацией, в объеме всего слитка – зональной.

Теплоотвод от жидкого металла в центре слитка происходит медленно и равномерно, степень переохлаждения минимальна. В результате образуются крупные произвольно ориентированные кристаллы. Жидкий металл стекает вниз и заполняет пустоты между кристаллами.

При охлаждении сплав уменьшается в объеме и в верхней части слитка (там, где металл застывает в последнюю очередь) образуется усадочная раковина 5. Под затвердевшей коркой сплав имеет рыхлую структуру – пористость 6. Верхняя часть слитка (15–20 % от длины) отрезается и переплавляется.

2.4. Аморфные металлические сплавы

А морфные металлические сплавы (АМС) или металлические стекла являются новым перспективным материалом. Состояние АМС характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов и достигается сверхбыстрым (10⁵–10¹⁰ °С/с) охлаждением из газообразного, жидкого или ионизированного состояния.

Для изучения структуры АМС применяются методы дифракции рентгеновских лучей, электронов или нейтронов. В кристаллах дифракционная картина рассеяния представляет совокупность узких максимумов различной интенсивности, в аморфных телах – широкие дифракционные максимумы. Структуру представляют в виде непрерывного распределения сферических частиц, в котором отсутствует дальний порядок в расположении атомов, однако оно отличается от случайного распределения атомов в газах.

Характеристикой структуры является радиальная функция распределения атомов W(R), которая определяет плотность вероятности нахождения какого-либо атома на расстоянии R от исходного (рис. 2.10). Положение максимума на кривой W(R) отождествляется с радиусом соответствующей координационной сферы. Площадь под пиком дает координационное число структуры.

А морфный металл в виде ленты получают путем охлаждения жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов, или путем прокатки расплава между охлаждаемыми валками из материалов высокой теплопроводности (рис. 2.11). Выдавливание металла из сопла происходит под давлением газа. Изготовляют ленты шириной 1–200 мм и толщиной 20–60 мкм. Толщина зависит от скорости вращения диска, давления газа и диаметра сопла, свойств расплава (теплопроводности, вязкости и т. д.), коэффициента теплопередачи.

А морфный сплав в виде проволоки получают протягиванием расплава в трубке круглого сечения (рис. 2.12,а) через водный раствор солей (экструзия расплава). Струя металла падает в жидкость, удерживаемую центробежной силой на поверхности вращающегося барабана: затвердевшая нить сматывается из вращающейся жидкости (рис. 2.12,б). В методе Тейлора (рис. 2.12,в) проволоку получают быстрым вытягивания расплава в стеклянном капилляре.

Порошки с аморфной структурой получают теми же методами, что и обычные металлические порошки. Например, распылением расплава азотом или инертным газом (рис. 2.13,а). В кавитационном методе (рис. 2.13,б) расплав выдавливается в зазор (0,2–0,5 мм) между валками и попадает на охлажденную плиту. Кавитация возникает в зазоре между валками, вследствие чего исчезают пузырьки газа, имеющиеся в металле. В методе распыления вращающимся диском (рис. 2.13,в) расплав попадает в жидкость и разбрызгивается за счет ее турбулентного движения. Состав порошков (диаметр до 100 мкм) задается профилем диска или валков и скоростью их вращения.

В на­стоящее время получено более 200 сплавов и полупроводниковых материалов с аморфной структурой. По химическому составу АМС состоят из легкоплавких, редкоземельных и переходных металлов (Fe, Co, Mn, Cr, Ni и др.) с добавкой аморфизаторов (B, C, Si, N, S и др.). Состав должен отвечать формуле Ме₈₀Х₂₀, где Ме – один или несколько металлов, Х – элементы, добавляемые для образования и стабилизации аморфной структуры. Например, Ni₈₀S₂₀, Fe₇₀Cr₁₀P₁₅B₅ и др. У сплавов системы металл-металл зависимость не соблюдается. В зависимости от состава АМС делятся на группы:

1) переходной металл (Fe, Ni, Co) – металлоид (B, Si, P, C). Эти сплавы наиболее важны в практическом отношении;

2) переходной металл – редкоземельный металл (Dy, Nd, Gd);

3) бинарные и многокомпонентные сплавы, состоящие из щелочноземельных и некоторых других металлов.

У АМС нет зональной ликвации, они более однородны по структуре и химическому составу, чем кристаллические аналоги. В то же время АМС сохраняют геоме­трические и химические неоднородности ближнего порядка. Они проявляются, например, в форме неоднородностей плотности по толщине и длине лент. Как следствие, в лентах возникают остаточные напряжения и изменение свойств.

Аморфное состояние сплава является метастабильным. Для повышения стабильности свойств применяют отжиг. При нагреве АМС переходит в стабильное состояние стеклофазы, при больших температурах (Т > 0,5 Т_пл) – кристаллизуется. Особенность АМС – сочетание высокой твердости (1000 HV), прочности (_в = 3000 МПа) и низкой пластичности ( = 0,03–0,3 %). Сплавы можно штамповать, резать и прокатывать.

АМС – перспективный материал для изготовления упругих элементов. Пружины из сплава Ti₄₀Be₄₀Zr₁₀ на порядок превосходят пружины из обычных металлов. Отсутствие границ зерен, высокая твердость, износостойкость, высокая коррозионная стойкость АМС позволяют получать высококачественный тонколезвийный инструмент. Аморфизация поверхностных слоев изделий лазерной обработкой с целью повышения их твердости может составить конкуренцию традиционным методам поверхностного упрочнения.