Кристаллизация металлических расплавов

Литейные свойства стали

Качество стальных слитков и внедрение новых режимов их отливки в значительной степени зависят от начального состояния сплава, т.е. от его свойств в жидком состоянии.

Литейными являются технологические свойства стали, непосредственно влияющие на получение отливок и слитков с заданными технологическими показателями.

Литейные свойства зависят от комплекса физических и химических свойств сплавов, проявляющихся в области жидкого состояния, при затвердевании, в жидко-твердой, твердо-жидкой областях и в твердом состоянии сплавов.

Главными литейными свойствами стали и сплавов считают следующие:

• жидкотекучесть и заполняемость формы.
• усадка (уменьшение объема металла при затвердевании и охлаждении).

Последние определяются физико-химическими свойствами сплавов, к которым относятся:

• критические температуры (ликвидуса, перитектических превращений, солидуса и эвтектики, фазовых превращений при охлаждении);
• плотность и удельный объем сплавов в жидком состоянии;
• коэффициент объемного и линейного расширения (сжатия) в области жидкого и твердого состояний;
• вязкость (динамическая и кинематическая) в жидком состоянии;
• поверхностное и межфазное натяжение (в жидком и жидко-твердом состоянии на поверхности раздела с маточным раствором, металлическими и неметаллическими стенками формы, неметаллическими и газовыми включениями);
• скрытая теплота кристаллизации, а также фазовых превращений в твердом состоянии;
• теплоемкость в жидком состоянии и при затвердевании;
• коэффициент теплопроводности (для сплавов в жидком состоянии в условиях покоя и различной степени развития конвективых потоков, а также при затвердевании и охлаждении).

Рассмотрим некоторые из этих свойств.

Вязкость. Во всех реальных жидкостях при перемещении одних слоев относительно других возникают силы трения. Силы трения f между соседними слоями жидкости, отнесенные к единице площади, пропорциональны градиенту скорости:

Коэффициент пропорциональности в этом случае называется динамической вязкостью и является индивидуальной характеристикой данной жидкости.

На основе квазикристаллической гипотезы строения жидкостей Я.И. Френкель получил теоретическим путем температурную зависимость вязкости:

По данным экспериментальных исследований для расплава промышленных марок стали значения динамической вязкости в интервале температур 1480-1650^оС находятся в пределах 4,5 – 6,0 мПа·с (вязкость чистого железа при перегреве 50 К выше точки плавления составляет 5,4мПа·с).

Влияние содержания легирующих элементов и раскислителей на вязкость стали изучалось многими исследователями. Например, увеличение содержания алюминия приводит к возникновению большого количества тугоплавких включений в виде глинозема и возрастанию вязкости. При этом отмечено двоякое влияние алюминия: алюминий, растворенный в стали, снижает вязкость, а глинозем, находящийся в расплаве металла в виде твердых неметаллических включений, резко ее увеличивает. Увеличение содержания никеля способствует снижению кинематической вязкости стали, а увеличение содержания хрома - ее повышению.

Изучение вязкости стали важно не столько с точки зрения изменений в жидком состоянии, сколько для определения, как эти изменения влияют на кристаллическую структуру слитка и его свойства.

Опытные данные показывают, что энергия активации вязкого течения возрастает при переходе от железа к его сплавам с углеродом. Для расплавов железо-углерод в области содержания до 0,5-0,7% С кинематическая вязкость уменьшается, затем увеличивается до содержания 2,5% С, после чего снова снижается. На вязкость расплавов железа значительно влияет содержание кислорода. Увеличение содержания кислорода с 0,003 до 0,009% приводит к резкому возрастанию вязкости. Это влияние кислорода отрицательно сказывается на формировании кристаллической структуры слитка.

Плотность. Массу единицы объема жидкости при определенной температуре называют плотностью:

Удельный объем жидкости – величина, обратная плотности:

Плотность жидкости в сотни раз больше плотности газа, поскольку средние расстояния между молекулами жидкости гораздо меньше, чем в газах. Плотность жидкости с повышением температуры, как правило, уменьшается, так как непосредственно связана со структурой вещества. При этом зависимость плотности жидкости от температуры является линейной.

В интервале температур от точки плавления до 1700^оС плотность чистого железа описывается формулой:

Из последней формулы получим следующие значения плотности жидкого железа:

Плотность расплава зависит не только от температуры, но и от его состава, и в простейшем случае определяется по правилу аддитивности.

Поверхностное натяжение. В расплавах железа наибольшей поверхностной активностью обладают кислород, сера, сурьма, селен и азот. При одновременном присутствии в железе кислорода и серы поверхностное натяжение оказывается меньшим, чем в присутствии одного из них при одной и той же концентрации. При увеличении температуры поверхностное натяжение железа и стали уменьшается. Концентрационная зависимость поверхностного натяжения четко фиксирует минимум при 0,15% С и максимум при содержании углерода около 0,35%. Значения поверхностного натяжения для разных марок стали находятся в пределах 1600-1800 МДж/м².

Перечисленные выше физико-химические свойства наряду с теплофизическими свойствами определяют такое важное литейное свойство стали как жидкотекучесть.

Жидкотекучестью, по определению А.А. Бочвара называется технологическая способность металлов и сплавов заполнять форму и точно воспроизводить форму отливки.

Для оценки жидкотекучести металл заливают в специальную пробницу, представляющую собой спиральный, прямолинейный или иной канал, соединенный с приемной воронкой.

В процессе заполнения формы металл проходит через все стадии от жидкого состояния до твердого. Жидкотекучесть уменьшается и исчезает вследствие наступающей кристаллизации.

Жидкотекучесть сплавов определяется видом их диаграммы состояния. Зависимость состав – жидкотекучесть показывает, что чистые металлы, сплавы эвтектической концентрации и химические соединения, кристаллизующиеся при постоянной температуре, обладают наибольшей жидкотекучестью. Сплавы, затвердевающие при наличии интервала кристаллизации, обладают относительно малой жидкотекучестью. Понижение жидкотекучести таких сплавов связано с характером кристаллизации и относительным изменением количества выделяющейся теплоты кристаллизации, а также с изменением теплопроводности.

С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть уменьшается, а с понижением интенсивности движения металла - увеличивается. При турбулентном движении она значительно меньше, чем при ламинарном. Так как жидкотекучесть связана с характером движения металла, наблюдается ее связь с интенсивностью теплоотвода стали в канале.

Установлено, что при температуре заливки стали 1575-1580^оС жидкотекучесть с повышением содержания углерода до 0,46% понижается, а затем существенно увеличивается вследствие большого перегрева. Повышение жидкотекучести наблюдается при увеличении содержания кремния и марганца до 1-1,2%, после чего ее значение снижается.

В процессе охлаждения и затвердевания металла, а также при фазовых превращениях в твердом состоянии, когда происходит изменение типа и параметров кристаллической решетки, наблюдаются скачкообразные изменения размеров тела, проявляющиеся либо в сжатии, либо в расширении определенных объемов. Численную характеристику изменения размера тела при охлаждении называют коэффициентом усадки. Коэффициент усадки может выражаться в объемной или линейной величинах, а также в долях единицы или в процентах.

Различают следующие коэффициенты усадки: в жидком состоянии, при затвердевании и в твердом состоянии. Часто определяют также коэффициент линейной усадки, выражающий в процентах изменение размеров слитка в интервале от исходной температуры до температуры окружающей среды:

где l₀ — размер полости изложницы при заливке;

l — размер слитка при температуре цеха.

В целом объемная усадка в жидком состоянии зависит от состава стали и температуры ее перегрева выше температуры ликвидус. Величина объемной усадки стали при затвердевании обусловливается величиной интервала кристаллизации, который, в частности, определяется содержанием углерода и других элементов.