2.3 Кристаллизация и строение металлического слитка

Описание строения металлического слитка впервые дано в 1878 г. Д. К. Черновым, последующие исследователи дополнили и расширили наше представление об этом важном для металлургии процессе.

Структура литого слитка состоит из трех основных зон, рисунок 6.

Первая зона  наружная мелкозернистая корка или зона мелких рав­ноосных дезориентированных кристаллов. Кристаллизация жидкого ме­талла начинается у поверхности более холодной формы (изложницы). При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление пе­реохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кри­сталлизации. Мелкие кристаллиты здесь получаются благодаря большой степени переохлаждения; дезорганизация в результате того, что первичные кристаллы (оси первого порядка) растут перпендикулярно неровностям внутренней поверхности стенки изложницы. Растущие кристаллы сталки­ваются между собой и образуют зону мелких дезорганизованных кристал­лов.

Вторая зона слитка  зона столбчатых кристаллов. После образования самой корки условия теплоотвода меняются из-за теплового сопротивле­ния, повышения температуры стенки изложницы, появления воздушного зазора и других причин. Данные обстоятельства приводят к тому, что гра­диент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начи­нают расти только те, которые нормально ориентированы к поверхности корки, т.е. в направлении, обратном отводу тепла в глубь слитка. Зона столбчатых кристаллов обладает высокой плотностью, так как она имеет мало газовых пузырей и раковин. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, будет варьироваться главным образом в зависимости от химического состава металла, степени перегрева, от раз­меров слитка, скорости разливки, формы изложницы и толщины, а также температуры ее стенок. Все эти факторы влияют на скорость теплоотвода. Повышение степени перегрева, увеличение скорости охлаждения, умень­шение диаметра изложницы способствуют увеличению доли столбчатых кристаллов и могут привести к транскристаллизации. К транскристаллиза­ции также более склонны стали, имеющие узкий интервал между линиями ликвидус и солидус.

Рисунок 6 – Схема кристаллического строения стального слитка

Наличие транскристаллизации не всегда хорошо мо­жет сказаться на качестве металла, так в участках стыка столбчатых кри­сталлов, особенно растущих от разных поверхностей, металл имеет пони­женную прочность, и при последующей обработке давлением (ковка, про­катка и т.д.) в этих участках могут возникнуть трещины. Поэтому для ма­лопластичных металлов, в том числе и для стали, развитие столбчатых кристаллов нежелательно. Также при фасонном литье часто желательно иметь мелкозернистую равноосную структуру, которая и составляет третью зону слитка.

Третья зона  зона равноосных произвольно ориентированных кри­сталлитов, размер которых зависит от степени переохлаждения, наличия примесей и т.д. Равноосные, произвольно направленные кристаллиты здесь получаются потому, что отвод тепла в этой части слитка идет во всех на­правлениях с одинаковой скоростью и поэтому оси первого порядка распо­лагаются без определенной ориентировки. Особенно это ярко выражено при низкой температуре литья, очень медленном охлаждении, например, крупных отливок, когда создаются условия для возникновения зародышей кристаллов в средней части слитка. Кроме того, кристаллизуясь в зоне столбчатых кристаллов, металл вытесняет инородные включения в цен­тральную часть, которые также являются дополнительными центрами кри­сталлизации. Все это приводит к образованию во внутренней части отливки структурной зоны, состоящей из равноосных различно ориентированных дендритных кристаллов, размеры которых зависят от степени перегрева, скорости охлаждения, наличия примесей и т.п. Наличие тугоплавких не­растворимых частиц в жидком металле способствует развитию зоны мел­ких равноосных кристаллитов, иногда данный эффект достигают за счет дачи модификаторов. Данное описание характеризует строение слитка в поперечном направлении, в продольном направлении слиток также неод­нороден и его можно разделить на три структурных образования: усадоч­ная раковина, тело слитка, конус осаждения.

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. В хорошо раскисленной спокойной стали (т.е. стали, где при за­твердевании не идет реакция между кислородом и углеродом) усадочная раковина располагается в верхней части слитка, и в объеме всего слитка содержится малое количество газовых пузырей и раковин. В кипящих ста­лях усадочные раковины, газовые пузыри располагаются равномерно по всему телу слитка. В нижней части слитка образуется так называемый ко­нус осаждения. Механизм его образования заключается в том, что наличие конвективных потоков в центральной части слитка приводит к обламыва­нию осей растущих дендритов, обломки которых, опускаясь в нижний го­ризонт слитка, образуют конус осаждения. Также конус осаждения обра­зуют такие включения, которые имеют большую плотность.