§2. Кристаллизация и строение стальных слитков 1. Кристаллизация стали

Сталь в изложницах кристаллизуется или затвердевает в виде кристаллов древовидной формы – дендритов (рис. 151). Процесс кристаллизации складывается из. двух стадий – зарождения кристаллов и последующего их роста. Различают гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов. Под гомогенным подразумевают образование зародышей кристалла в объеме жидкой фазы, под гетерогенным – на уже имеющейся межфазной поверхности (на поверхности находящихся в расплаве твердых частиц – например, неметаллических включений, стенок изложниц и кристаллизаторов).

Гомогенное зарождение происходит следующим образом. В жидком металле вблизи точки кристаллизации вследствие флуктуации энергии, состава и плотности непрерывно образуются группировки атомов с упорядоченной структурой – комплексы или зародыши твердой фазы. Одновременно и непрерывно происходит разрушение большей части из них. С тем, чтобы зародыш стал термодинамически устойчивым, т.е. способным к дальнейшему росту, необходимы определенные условия.

Условия гомогенного зарождения. Из термодинамики известно, что переход жидкости в твердое состояние и наоборот возможны, если свободная энергия (энергия Гиббса, G) системы при этом уменьшается. Затвердевание или расплавление в процессе изменения температуры объясняются тем, что при температурах, превышающих точку кристаллизации, меньшей удельной свободной энергией обладает жидкая фаза, а при более низких температурах – твердая.

В процессе образования зародыша свободная энергия системы, с одной стороны, возрастает в результате затраты энергии на образование поверхности раздела расплав – зародыш и, с другой стороны, уменьшается в результате перехода части жидкости в твердую фазу, у которой уровень свободной энергии ниже. При температуре кристаллизации свободная энергия жидкой и твердой фаз равны и образование зародыша невозможно, так как нет источника для компенсации затрат энергии на образование поверхности раздела фаз. Поэтому для образования зародыша необходимо неко-

501

торое переохлаждение расплава; чем больше переохлаждение, тем больше будет выигрыш свободной энергии при переходе из жидкого состояния в твердое.

Из теории кристаллизации известно, что при данной величине переохлаждения термодинамически устойчивыми, т.е. способными к дальнейшему росту, оказываются те зародыши, размер которых превысит так называемый "критический". Критический размер это такой, начиная с которого дальнейший рост сопровождается снижением суммарной свободной энергии образования зародыша. Величину критического радиуса зародыша определяют из соотношения:

^гкр = (2<г_ж__твГ_кр)/£>_крДГ,

где с_ж__тв – межфазное натяжение на границе жидкой и твердой фаз; Т_кр – температура начала кристаллизации; ДТ – величина переохлаждения; Q_KP – скрытая теплота кристаллизации.

Из приведенного выражения следует, что при увеличении степени переохлаждения критический радиус зародыша уменьшается, т.е. термодинамически устойчивыми становятся более мелкие зародыши. Это значит, что становятся устойчивыми и начинают расти многие из тех мелких частиц новой фазы, которые при более высоких температурах разрушались сразу после образования. Иначе говоря, чем выше степень переохлаждения, тем выше будет интенсивность образования устойчивых зародышей.

Необходимо подчеркнуть, что при гетерогенном зарождении кристаллов (на имеющейся поверхности раздела) затраты энергии и требуемая степень переохлаждения будут заметно меньше, чем при гомогенном. Так, экспериментально установлено, что кристаллизация чистого, не содержащего взвешенных примесей железа начинается при переохлаждении около 300 °С, а в реальных условиях сталь начинает кристаллизоваться при переохлаждении в несколько градусов. Следовательно, в реальных условиях происходит преимущественно гетерогенно зарождение кристаллов.

Рост кристаллов. Зарождающийся кристалл имеет правильно ограненную или близкую к ней форму, определяемую типом кристаллической решетки твердого металла, причем гранями кристалла являются плоскости с наибольшей плотностью упаковки атомов (для сплавов на основе железа с гране- или

502

объемноцентрированной кубической решеткой такой формой кристалла будет октаэдр). Однако вскоре после зарождения правильный рост возшикшего кристалла прекращается и начинается преимущественный рост его вершин, т.е. ветвей дендрита. Объясняется это следующим: количество тепла и примесей сплава, выделяющихся при кристаллизации, будет минимальным у вершин и максимальным у центра граней кристалла, что препятствует дальнейшей кристаллизации у граней. От вершин кристалла (в нашем случае октаэдра, см. рис. 151, а) вырастают оси А первого порядка (стволы дендрита), на них перпендикулярно направленные оси т второго порядка (ветви), на которых аналогичным образом развиваются оси п третьего порядка и т.д. Появление все новых осей и их постепенное утолщение приводят к формированию сплошного кристалла (дендрита). Установлено, что в сплавах на основе железа ветви дендритов растут в трех взаимно перпендикулярных направлениях, каждое из которых является осью пирамиды с гранями, представляющими собой наиболее плотноупакованные плоскости в кристаллической решетке.

При отсутствии направленного теплоотвода оси во всех направлениях развиваются примерно одинаково и кристалл получается равноосным (см. рис. 151, а). При направленном теплоотводе кристаллы имеют вытянутую форму. На рис. 151, б показана схема дендрита, растущего от плоской поверхности охлаждения. Вначале вдоль направления теплоотвода возрастает основная ось А, затем оси или ветви т второго порядка, на них оси п третьего порядка и т.д.

Рис. 151. Схема (плоская) роста равноосного дендрита (а) и схема дендрита, выросшего в условиях направленного теплоотвода (б)

503

Скорость роста кристаллов определяется в первую очередь интенсивностью теплоотвода; чем больше скорость теп-лоотвода и чем больше переохлаждение жидкого металла, тем больше будет скорость роста.

Следует отметить, что рост кристаллов протекает одинаково как в случае гомогенного, так и в случае гетерогенного их зарождения.

Интервал кристаллизации. Следует подчеркнуть следующую важную особенность кристаллизации стали. Если чистые металлы кристаллизуются при постоянной температуре, то сталь как многокомпонентный раствор – в определенном интервале температур путем так называемой "избирательной кристаллизации". При температуре, соответствующей началу интервала кристаллизации, образуются и начинают расти оси кристаллов, обедненные углеродом и другими составляющими стали, а в остающемся жидком металле их содержание возрастает. Поэтому понижается температура затвердевания жидкой фазы и последующие оси кристалла формируются при все более низкой температуре, а содержание примесей в них возрастает.

Величина интервала кристаллизации определяется составом стали и условиями затвердевания слитка, возрастая при увеличении содержания в стали углерода и легирующих элементов. В высокоуглеродистой стали У13А величина интервала кристаллизации достигает 325 °С. При увеличении интервала кристаллизации возрастает степень химической неоднородности затвердевшего слитка, что нежелательно.

Скорость затвердевания слитка. При затвердевании стали в изложнице тепло отводится через ее стенки, поэтому зарождение и рост кристаллов начинаются у стенок изложницы, а толщина затвердевшего слоя непрерывно возрастает в направлении к центру слитка.

Толщину затвердевшего слоя металла в изложнице приближенно можно определить по формуле

D = kV t₃ ,

где D – толщина закристаллизовавшегося металла, см; t₃ – продолжительность затвердевания, мин; к – коэффициент затвердевания, который для спокойной стали в зависимости от ее состава и условий затвердевания изменяется в пределах 2,2-2,9 см/мин^1/2.

504

Для определеня времени затвердевания слитка в чугунной изложнице пользуются формулой t_n3 = 0,112R², где £_Пз~ продолжительность полного затвердевания, мин; R – радиус окружности, вписанной в поперечное сечение слитка, см.