Общие сведения о росте кристаллов и образовании кристаллических зон в слитке
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Кристаллизация металлических расплавов

Общие сведения о росте кристаллов и образовании кристаллических зон в слитке

В чистых металлах и эвтектических сплавах, а также в сплавах, имеющих состав, соответствующий химическому соединению, при медленном охлаждении кристаллизация происходит при определенной постоянной температуре. Остальные сплавы, как было показано выше, кристаллизуются в некотором интервале температур, определяемом диаграммой состояния (рис. 2.2).

Формы роста кристаллов

Рисунок 2.3 — Формы роста кристаллов: а — ступенчатая, б — ячеистая, в — дендритная форма роста кристаллов

Основной единицей структуры первичной кристаллизации металла является зерно, характеризуемое единой системой ориентации атомов кристаллической решетки и определенными границами, отделяющими его от соседних зерен.

Форма растущих в расплаве кристаллов зависит от переохлаждения жидкости, направления теплоотвода, содержания примесей в стали и других параметров.

При малых скоростях охлаждения поверхность границы затвердевания получается гладкой с небольшими ступенями при средних развивается ячеистая структура и при больших - дендритная (рис. 2.3). На условия перехода от одной структуры к другой влияют температурный градиент в расплаве и твердой фазе. Чем больше скорость кристаллизации и меньше температурный градиент в расплаве, тем больше вероятность образования дендритной структуры.

В стальных слитках образуется дендритная и ячеистая структура.

Дендритное строение кристаллов в слитке было обнаружено еще Д.К. Черновым в 1868 г. В сравнении с плоским фронтом затвердевания дендритная кристаллизация представляет собой чрезвычайно сложный процесс, связанный с геометрической формой дендритов, диффузией примесей, возможностью движения жидкой фазы в междендритном пространстве, образованием новых неметаллических фаз (неметаллических включений) и ряда других явлений. Дендритная структура влияет на размер зерна и механические свойства литой и деформированной стали. На рис.2.4 приведены фотографии дендритов в крупном стальном слитке, выявленные после глубокого травления металла. Видно, что в строении дендрита выделяется главная ось первого порядка и перекрещивающиеся с ней оси второго, а иногда и третьего порядка.

Фото дендритов в стальном слитке

Рисунок 2.4 — Фото дендритов в стальном слитке

Рост дендрита, образующегося на холодной поверхности и выступающего в расплав характеризуется различной скоростью роста отдельных плоскостей кристаллов. Быстро растущие поверхности образуют шип, выступающий в оставшийся расплав. Выделяющаяся в переохлажденный расплав теплота кристаллизации растущего кристалла ухудшает условия роста других близлежащих кристаллов.

Первоначально дендриты очень малы, даже если затвердевание идет сравнительно медленно. Затем, когда процесс затвердевания замедляется, рост продолжают лишь отдельные ветви, оси которых совпадают с направлением теплового потока (рис.2.5). Другие ветви при этом частично растворяются таким образом, что протяженность дендритов значительно увеличивается по мере затвердевания. Окончательная длина дендритов определяется процессом их укрупнения и может составлять величину от нескольких миллиметров до десятков сантиметров.

Схематическое представление этапов укрупнения ветвей дендритов в процессе их роста

Рисунок 2.5 — Схематическое представление этапов укрупнения ветвей дендритов в процессе их роста

Современные теории опираются на дислокационный рост кристаллов. На поверхности кристалла в месте пересечения винтовой дислокации возникает ступенька, на которой, в сравнении с заполненной плоскостью, имеются более благоприятные условия для образования двухмерного зародыша, что подтверждается наличием на поверхности кристалла спирали роста. Закругление дислокационной линии вызывается постоянной скоростью роста в месте дислокационной линии и снижением скорости роста по мере удаления от нее.

По мере увеличения скорости охлаждения формы различных кристаллов постоянно усложняются. Для малых скоростей охлаждения характерны глобулярные или округлые формы. С увеличением скорости охлаждения формы кристаллов становятся неправильными, а процесс их роста неустойчивым. При дальнейшем ускорении охлаждения возникают и становятся все более четкими дендритные формы, а оси дендритов становятся все более тонкими и расстояния между ними уменьшаются. Наконец, при самых больших скоростях охлаждения оси второго и третьего порядка перестают образовываться и возникают игольчатые формы. Наблюдения за скоростью роста дендритов показывают, что оси их растут с преобладающей продольной скоростью. Причем скорость роста осей первого порядка больше, чем второго, а второго - больше чем третьего.

Общая схема областей и зон в затвердевающем слитке приведена на рис.2.6. Эта схема предполагает последовательную кристаллизацию металла в условиях направленного теплоотвода.

Общая схема областей и зон в затвердевающем слитке

Рисунок 2.6 — Общая схема областей и зон в затвердевающем слитке

В первый момент при заливке стали, когда жидкий металл непосредственно контактирует с холодной стенкой изложницы, тонкий слой металла, соприкасающийся со стенкой изложницы, быстро переохлаждается до температуры ниже точки ликвидуса. Это приводит к возникновению и быстрому росту большого числа зародышей кристаллов, которые образуются на различных твердых частицах, в достаточном количестве имеющихся в жидкой стали и служащих атализаторами зарождения. Ширина корковой зоны определяется протяженностью области термического переохлаждения и может составлять величину порядка 5-10 мм.

Возникшее вначале термическое переохлаждение снижается с ростом кристаллов корковой зоны. Когда переохлаждение становится меньше того, при котором действие катализаторов уже не проявляется, возможен рост только существующих кристаллов. В этом случае наиболее благоприятные условия роста создаются лишь для отдельных кристаллов, у которых главные направления роста совпадают с направлением теплоотвода, что приводит к возникновению столбчатой зоны, формирующейся в условиях последовательной кристаллизации.

При этом фронт затвердевания представляет собой двухфазную твердо-жидкую область (выступающие дендриты с заключенной между их осями жидкостью), а ширина двухфазной зоны определяется интервалом температур кристаллизации (распределение в ней твердой фазы зависит от темпа кристаллизации сплава). Если гетерогенное зародышеобразование происходит слабо, а обламывание дендритов минимальное, что имеет место при слабой конвекции и высоком температурном градиенте, то получается направленный рост столбчатых дендритов.

Рост кристаллов столбчатой зоны сопровождается также снятием термического переохлаждения выделяющейся теплотой кристаллизации и повышением концентрации легкоплавких растворимых примесей перед фронтом кристаллизации, что приводит к возникновению концентрационного переохлаждения. Последнее обеспечивает дальнейший рост столбчатых кристаллов, вытянутая форма которых свидетельствует об отсутствии на этом этапе условий для образования новых центров зародышеобразования. По мере развития процесса температурный градиент у фронта кристаллизации уменьшается, а степень концентрационного переохлаждения увеличивается. В результате создаются благоприятные условия для гетерогенного зарождения новых зародышей в объеме расплава с последующим ростом “жизнеспособных” кристаллов (имеющих размер, несколько больший критического) за счет отдачи скрытой теплоты кристаллизации переохлажденному расплаву. С этого момента перед фронтом кристаллизации начинается объемная кристаллизация, образующая вторую двухфазную жидко-твердую область (кристаллы, взвешенные в расплаве).

Кроме того, на этом этапе может наблюдаться механическое обламывание ветвей дендритов, обусловленное движением конвективных потоков жидкой стали и подплавлением некоторых ветвей дендритного каркаса. При этом отделившиеся частицы дендритов образуют жидко-твердую область и служат самостоятельными зародышами кристаллизации.

Таким образом, затвердевание слитка является сложным комплексом физико-химических и теплофизических процессов, изучение которых – необходимая предпосылка для разработки оптимальных технологических режимов производства слитков, обеспечивающих высокий выход годного металла и качество, удовлетворяющее требованиям современным стандартов.