2.3. Сущность процесса модифицирования.

Отметим, что размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Чем мельче зерно, тем выше прочность металла, его твердость, вязкость, пластичность, предел выносливости (наибольшее напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при заданном числе циклических воздействий). Измельчение зерна понижает порог хладноломкости.

На размер зерна влияет температура нагрева и разливки жидкого металла, его химический состав и особенно присутствие примесей.

Самопроизвольное образование зародышей на основе фазовых флуктуаций может происходить только в высокочистом жидком металле при больших степенях переохлаждения – гомогенная кристаллизация.

В технических металлах всегда присутствует большое количество различных примесей (окислов, неметаллических включений и т.д.), которые облегчают образование зародышей. Это происходит когда:

• примесь имеет более высокую температуру плавления, чем основной металл,

• кристаллические решетки примеси и основного металла одинаковы и примерно одинаковы параметры решеток.

Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно. Такое образование зародышей называется гетерогенным.

Для получения мелкого зерна создают искусственные центры кристаллизации. Для этого в жидкий металл вводят специальные примеси, называемые модификаторами, а сам процесс – модифицированием. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств.

При литье слитков модифицирование чаще проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, оксиды), кристаллизующиеся в первую очередь. Выделяясь в виде мельчайших частиц, эти соединения служат зародышами (модификаторы I рода). В качестве модификаторов при модифицировании стали применяют Al, V, Ti.

Иногда используют растворимые в жидком металле добавки (модификаторы II рода), избирательно адсорбирующиеся на кристаллическом зародыше, которые снижают межфазовое поверхностное натяжение и затрудняют рост кристаллитов. Для стали это редкоземельные элементы (иттрий, лантаноиды).

2.4. Строение металлического слитка

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, получившие название дендритов.

Рост осей I-ого порядка идет в основном в направлении, перпендикулярном к плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. Одновременно на этих осях зарождаются и растут перпендикулярно к ним такие же ветви II порядка, в свою очередь на них – оси третьего порядка. Следует иметь в виду, что дендриты в стали состоят их многих тысяч и миллионов зерен.

Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Кристаллизация начинается от поверхности более холодной формы и происходит вначале преимущественно в примыкающем к поверхности тонком слое сильно переохлажденной жидкости. Вследствие большой скорости охлаждения это приводит к образованию на поверхности слитка очень узкой зоны сравнительно мелких разориентированных кристаллов. Вторая зона – удлиненных (столбчатых) дендритных кристаллитов (зона транскристаллизации). Рост этих кристаллитов происходит в направлении отвода теплоты, т.е. нормально к стенкам изложницы. Последовательный рост дендритов происходит в результате продвижения в глубь расплава ветвей первого порядка и их разветвления. В случае сильного перегрева металла и быстрого охлаждения зона 2 может полностью заполнить весь объем слитка. Третья зона – равноосных кристаллитов. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. Температура застывающего металла уравнивается в различных точках, и «жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние» (Д.К. Чернов), вследствие образования в различных ее точках зародышей. Тугоплавкие частицы, находящиеся в жидком металле, способствуют развитию зоны мелких равноосных кристаллитов.

Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами. Они могут быть заполнены газами, растворимыми в жидком металле, но выделяющимися при кристаллизации. В спокойной стали, отлитой в изложницу с утепленной надставкой, усадочная раковина образуется в верхней части слитка. Кипящая сталь содержит раковины и пузыри во всем объеме.

Обычно усадочная раковина окружена наиболее загрязненной частью металла, в котором после затвердевания образуется микро- и макропузыри.

При кристаллизации сплавов может иметь место ликвация. Ликвацией называется неравномерность по химическому составу компонентов и примесей, входящих в сплав, образующаяся в процессе кристаллизации. Различают следующие виды ликваций:

• дендритная ликвация представляет собой неравномерность по химическому составу компонентов или примесей в пределах одного дендрита;

• зональная ликвация представляет собой неравномерность по химическому составу компонентов и примесей в объеме слитка. Вначале кристаллизуются кристаллы относительно чистые от примесей, они отгоняют в глубь слитка богатую примесями жидкость. Таким образом, центральная часть слитка имеет повышенное количество примесей. В железоуглеродистых сплавах сильно ликвирует сера и фосфор. Скопление сернистых соединений в определенных участках является крайне вредным, поскольку они приводят к опасной концентрации напряжений при силовом воздействии на деталь, что вызывает мгновенное усталостное разрушение. Вследствие ликвации фосфора отдельные слои слитка, обогащенные им, имеют резко пониженную вязкость;

• ликвация по плотности наблюдается в том случае, когда компоненты, составляющие сплав, имеют большую разницу в удельных весах, например сплав свинец – сурьма. В результате различной плотности в медленно охлажденном Pb–Sb сплаве в результате ликвации верхняя часть слитка обогащена сурьмой. Чтобы предупредить ликвацию по плотности, сплав быстро охлаждают, а иногда добавляют третий компонент, кристаллизующийся первым в виде разветвленных дендритов, препятствующих расслоению сплава.