Лекция 10. Модифицирующие элементы. Основные определения и понятия. Классификация модифицирующих элементов

Терминология. Общее определение. Модифицирование и микролегирование чер­ных и цветных металлов является наиболее простым, дешевым и высокоэффективным методом улучшения их структуры, механических, технологических и служебных свойств.

Как правило, в отличие от производства чистых или высокочистых сталей и сплавов суть обоих процессов заключается не в рафинировании металлов, в регулируемом их «за­грязнении» отдельными элементами или их соединениями. Эти соединения могут форми­роваться непосредственно в жидком металле, при кристаллизации, в послекристаллизационном периоде и, наконец, в твердой фазе в процессе фазовых превращений они могут вноситься в готовом виде во время разливки. Для каждого из рассматриваемых процес­сов характерна своя область воздействия, свои особенности.

Большинством работ установлено, что микролегирование оказывает комплексное воздействие. На сталь и цветные сплавы - рафинирующее, модифицирующее и легирующее. Все эти виды влияния неразрывно связаны между собой и вытекают каждый из пре­дыдущего, оказывая тем самым влияние на структуру и свойства в целом.

Рафинирование - технологическая операция, предусматривающая уменьшение растворенного кислорода в стали и сплавах и максимальное удаление образующихся неметаллических включений. Я.Е. Гольдштейн внес следующие определения модифици­рования и микролегирования.

Модифицирование - процесс активного активного регулирования первичной кристаллизации и изменение степени дисперсности кристаллизующихся фаз путем введения, в рас­плав малых добавок отдельных элементов или их соединений.

Эффективность действия модификаторов может быть оценена по изменению ими поверхностного натяжения на границе жидкой и твердой фаз, а также по устойчивости такого изменения во времени (термовременного эффекта).

Микролегирование - введение чаще всего совмещаемого с раскислением и дегазацией сплава, отдельных элементов или их соединений, остаточное содержание которых, не превышая 0,1 % по массе, оказало, бы значительное и наследуемое влияние на процессы, протекающие в твердой фазе (фазовый состав сплавов, размер вторичного аустенитного зерна, строение и чистоту границ и приграничных зон).

Такое определение микролегирования, приведенное Я.Е. Гольдштейном более 25 лет назад и удержавшееся в литературе и поныне, является, конечно, условным поскольку, как справедливо отмечает Б. А. Мовчан, не дает четкой физической грани между понятием микролегирования и обычным легированием.

По В.И. Архарову микродобавки примеси имеют два принципиально различных толкования. К первой категории относят примеси, обладающие малой растворимостью в основном компоненте сплава и потому придающее ему гетерофазность во всем объеме, а ко 2-ой примеси, оказывающее существенное влияние на свойства сплавов, несмотря на то. что их концентрация не всю массу сплава намного ниже их растворимости при темпе­ратурах обработки и эксплуатации сплава. Примеси этой категории В.И. Архаров относит к микропримесям или микролегирующим компонентам.

Однако такое определение по существу исключает из числа микролегирующих доба­вок такие элементы, как титан, ванадий, всю группу редкоземельных металлов и ряд дру­гих, и потому является спорным.

Нередко вредное влияние отдельных примесей удается нейтрализовать введением в сплав малых добавок других элементов, не менее опасных в отсутствии первых. В этом случае специально вводимая добавка их вредной примеси превращается в микролеги­рующий элемент.

Приведем несколько примеров. Кислород является крайне вредной примесью меди. Однако введение кислорода в сплав позволяет в значительной мере устранить отрица­тельное влияние висмута в результате его окисления и внедрения в виде прерывистых глобулей окиси висмута.

Сурьма, введенная в расплав чугуна, предназначаемого для отжига на ковкий чугун, парализует вредное влияние содержащегося в ней хрома (до 0,2 %). Малые добавки (0,02-0,05 %) церия в магниевый чугун парализуют деглобулиризующее влияние малых коли­честв Bi и РЬ.

М.В. Мальцевым показана возможность восстановления механических свойств мед­ных сплавов и нейтрализации вредного влияния ряда примесей в результате определенно­го соотношения между ними и специально сводимыми добавками.

Модифицирование и микролегирование чугуна, стали и цветных сплавов является наиболее экономичным и высокоэффективным методом воздействия на формирование литой структуры слитков и отливок и придания металлу повышенных технологических и служебных свойств.

Нейтрализация вредных примесей и их соединений, находящихся в расплавах чугуна и стали, специально вводимыми и строго дозируемыми малыми добавками также состав­ляет одну из важнейших задач микролегирования. Основным отличием микролегирования от модифицирования является большая устойчивость его влияния при переплавах. Однако современные модифицирующие лигатуры и смеси нередко содержат элементы, обуслав­ливающие эффекты микролегирования и наоборот.

Классификация модифицирующих элементов. Условия процесса затвердевания имеют решающее значение в формировании микро- и макроструктуры слитков и отливок, определяют их качество в отношении распределения примесей, дендритной ликвации элементов сплава и возможных дефектов, часто наблюдаемых в практике производства металлов и сплавов.

Подробные сведения о различных взглядах на процесс кристаллизации металлов и сплавов приведена в работах М.В.Мальцева. Н.С.Крещановского и М.С.Сидоренко. М.Флемингса, Е.М.Савицкого. Я.Е.Гольдштейна и др.

Принято рассматривать процесс кристатлизации как совокупность процессов самопроизвольного (флуктуационная кристаллизация) и вынужденного «кристаллизация на примесях).

Теория кристаллизации Таммана не оправдывается в практических случаях, когда кристаллизация определяется прежде всего внешними условиями. Поэтому сплошь и ря­дом в производственных условиях получается даже для одного и того же металла при уве­личении скорости охлаждения иногда укрупнение зерна или его измельчение. Это указы­вает на то. что основным фактором, влияющим на размер зерна, являются внешние усло­вия, а не количество центров и скорость кристаллизации.

Повышение качества деформированных полуфабрикатов из сплавов цветных метал­лов существенно зависит от уровня технологии приготовления расплава и литья слитков. Судной из главных характеристик уровня технологии является качество слитков, вклю­чающее степень чистоты по газовым и твердым неметаллическим примесям, структуру металла и обусловленную ими технологическую пластичность при горячей обработке давлением. В решении проблемы качества металла, над которой в течение многих лет работают коллективы заводов и институтов, достигнуты значительные успехи. Разработаны эффективные методы рафинирования и очистки расплава и проведены организационные и технические мероприятия по повышению качества металлов. Однако непрерывный росл требовании к качеству металла и разработке более точных методов оценки качества деформируемых полуфабрикатов называют необходимость дальнейшего развития систем обеспечения высокого уровня чистоты металла, позволяющие получить структуру с за­данными характеристиками.

Важнейшее значение приобрела экономическая сторона технологических процес­сов. Наличие разнообразных по эффективности и различных по стоимости методов ли­тья ставит задачу оптимального выбора средств очистки расплава для получения требуе­мого качества металла по техническим условиям на полуфабрикаты. Что может быть дос­тигнуто менее дорогостоящими средствами.

В связи с этим необходимо установление конкретных требований к качеству слитка в зависимости от марки сплава, размеров слитков, вида полуфабриката, технических усло­вий и т.д. На основе требований к слитку, выраженных в цифровых показателях, назнача­ется оптимальная технология обработки расплава, обеспечивающая выполнение техниче­ских условий на полуфабрикаты по физико-механическим свойствам при максимальной производительности труда. Разработка конкретных параметров качества слитка необхо­дима и для осуществления контроля слитков в литейном цехе с тем, чтобы увеличить вы­ход годного в обрабатывающих цехах.

Основными факторами, порождающими различия в структурах отдельных литых сплавов, являются химический состав и скорость затвердевания слитка. Чтобы быть более точным, в понятие состава следует включить газы, которые могут выделяться в процессе кристаллизации, и примеси, которые наряду с элементами, номинально входящими в сплав, могут способствовать зародышеобразованию. Скорость кристаллизации также должна пониматься широко, с учетом того факта, что отдельные участки металла затвер­девают с разными скоростями и что, расплав может и не быть неподвижным при затвер­девании.

Таким образом, из всего сказанного следует, что свойство конечного слитка или от­ливки определяются структурой, получившейся при затвердевании. Так, пористость, лик­вация, величина зерна или избирательная ориентация должны контролироваться при затвердевании, в противном случае они являются в конечной структуре. В слитках и за­готовках, образующихся при затвердевании, структура изменяется последующими деформацией и термической обработкой, что приводит к созданию совершенно новой структуры. Однако она не избавляет полностью от пористости или ликвации, которые могут серьезно повлиять на свойства металла, даже после такой сильной деформации, как при прокатке листов.

Решение использовать тот или иной процесс часто является компромиссным между требованиями экономики и технической целесообразностью.