Процессы ликвации в стали: описание, виды, способы устранения

Что такое ликвация

Металлургический вариант ликвации - это процесс, применяемый в ограниченных ситуациях и только для некоторых видов сплавов, например, предназначенных для пайки. С этой целью обработку ведут при недостатке воздуха, чтобы не получить ядовитое вещество – глёт (оксид свинца PbO). Чаще всего металлургическую ликвацию проводят с медно-серебряными сплавами, которые считаются промежуточными материалами для получения серебра. Последовательность процесса:

• подготовка рудной смеси;
• расплавление;
• очистка (иногда её называют купелированием);
• слив металла по слоям.

Металлургическая ликвация продолжительна и требует особого режима эксплуатации печи. Она далеко не всегда приводит к благоприятствующим результатам, а также сопровождается значительными потерями металла. По этим причинам металлургическую ликвацию заменяют на более эффективные технологии.

В металловедении распространено понятие ликвации дендритов. Это явление считается нежелательным, ухудшающим качество готового слитка. Причём настолько, что металл нельзя использовать для последующей механической обработки. Появление крупных зёрен свидетельствует о недостаточной скорости кристаллизации металла в период остывания слитка. Грубозернистая структура ограничивает последующую обработку металла. Из-за интенсивности данного процесса производство слитков увеличенных габаритных размеров с применением традиционных технологических решений невозможно.

При затвердевании сплавов растворённое вещество распределяется между твердым телом и жидкостью для обогащения или истощения междендритных областей. Это, естественно, приводит к микросегрегации - явлению, которое относится к химическим изменениям в масштабе длины. Они приближаются к размерам отливки, которые для больших слитков могут быть порядка сантиметров или метров. Микросегрегацию можно удалить путем гомогенизационной термообработки, но это практически невозможно из-за расстояний, на которые дендриты должны перемещаться. Практически вся макросегрегация для производителей отливок нежелательна, поскольку химические изменения могут привести к изменению микроструктурных и механических свойств.

Это правда, что подавляющее большинство стали в мире в настоящее время разливается непрерывно, но отливка слитков по-прежнему требуется для производства компонентов тяжелой промышленности, которые включают большие дорогостоящие единичные секции, такие как сосуды высокого давления, необходимые для производства ядерной энергии. Эффекты макросегрегации критически важны в таких приложениях, и возможность прогнозирования степени и местоположения сегрегации очень востребована. В этой статье рассматривается развитие методов прогнозирования макросегрегации, оценивается жизнеспособность их использования сегодня в промышленных условиях и далее выделяются ключевые факторы, ограничивающие их эффективность. Также будут кратко обсуждены методы, которые могут быть использованы для измерения сегрегации и структуры на макроуровне в слитках.

Виды ликвации

Динамика ликвации дендритов определяется скоростью затвердевания, Последняя, в свою очередь, зависит от изменения показателей давления, а также от параметров удельного веса металла, участвующего в ликвационном процессе. В момент начала зарождения зёрен металла, граница раздела в ходе затвердевания слитка постоянно перемещается. Поскольку энергетический баланс при этом может сдвинуться в направлении преобладания энтальпии твердого вещества над соответствующим показателем для жидкости, дендритная ликвация всегда будет проходить с выделением избыточного тепла.

Учитывая различную растворимость отвердевающего металла, которая по понятным причинам будет более низкой, чем в жидкости, растворённое вещество будет более равномерно перераспределяться по объёму жидкости, Динамику данного явления хорошо описывают технологии компьютерного моделирования, с помощью которых можно прогнозировать рост дендритов и формирование их разветвлений.

При избытке вещества, которое подлежит растворению, тепловые зоны также изменяются поэтому на границе раздела неизбежно происходит переохлаждение жидкости.

Это обстоятельство уменьшает структурную стабильность слитка. Происходит это за счёт склонности дендритов к образованию ветвистых структур. Увеличение размеров такого «дендритного дерева» происходит без ограничений по направлению, поскольку соприкосновение с чем-либо иным, кроме жидкости, не наблюдается. Например, для металлов с кубической решёткой возможно двукратное увеличение размеров зерна. Интенсивный рост зерен наблюдается также для некоторых алюминиево-медных сплавов, сплавов системы «железо-хром-ниобий» и т.д.

Ликвация дендритов подразделяется на:

• технологическую;
• механическую.

В первом случае вначале происходит отверждение карбидов тугоплавких металлов, например, ниобия. Поскольку энергия, выделяющаяся между отдельными фазами, непостоянна, варьируясь от ориентации дендритов, то, форма поверхности с минимальной энергией практически совпадает с гранями соответствующей кристаллической решётки м.

Механическая ликвация проявляется преимущественно в сплавах на основе стеллитах – инструментальных сплавах, основой которых является кобальт. Она происходит реже, зато сопровождается увеличением твёрдости, что объясняется более развитой и тонкой микроструктурой охлаждающегося слитка.

Как устраняют ликвацию?

Одним из путей подавления дендритной ликвации является поэтапное наплавление (формирование) слитка с помощью сварочных технологий. Однако применяют и металлургические методы, которые основаны на управлении скоростью охлаждения дендритов. В результате образуется так называемая «полосчатая» микроструктура. Когда материал с такой структурой впоследствии обрабатывается прокаткой или другими методами механические свойства металла ухудшаются.

Современной технологией борьбы с описываемым явлением является диффузионное связывание. Оно представляет собой процесс соединения материалов, в частности, сплавов на основе алюминия, а также других композитов. Сложность и ограниченность метода связана с возможным окислением поверхности слитка, что существенно изменяет его физико-механические свойства Кроме того, нарушается принцип непрерывности непрерывности уже имеющихся в структуре металлических связей.

Особое значение способы борьбы с ликвацией приобретают при получении припоев – присадочных металлов, которые плавятся во время пайки.