Строение металлических слитков: структурные зоны

Первая зона – наружная мелкозернистая корка

В процессе остывания стали последней отверждается та часть слитка, которая размещается по его оси над усадочной раковиной. В этой зоне сильнее всего выражена зональная ликвация – местное обогащение отдельных участков примесями, которые образуются вследствие непрерывно протекающего процесса избирательной кристаллизации.

В наружной части слитка содержание ликвирующих элементов минимально, поэтому поверхностная корка состоит преимущественно из застывших шлаков, имеющих более низкую температуру плавления, чем металл. В корке фиксируются также фосфор, углерод, сера и прочие металлургические примеси, обычно в виде сульфидов и оксидов.

При последующей обработке корку удаляют, используя ряд последовательных нажатий молота или ковочного гидропресса. Из-за разности в химсоставе и, следовательно, в условиях сцепления с основным металлом слитка такая корка быстро отваливается от поверхности.

Вторая зона – столбчатые кристаллы

В этой зоне представлены равноосные кристаллиты, которые ориентированы в разных направлениях. Значительную часть зоны занимает также усадочная раковина, а также поры и пустоты, являющиеся её продолжением. Непосредственно под усадочной раковиной располагается ликвационная зона, обогащённая углеродом, фосфором и серой.

Зона мелких неориентированных кристаллитов при нагреве под ковку или механическую обработку удаляется поверхностной зачисткой. Хрупкость этой зоны повышена, но сила сцепления меньше вследствие малой глубины слоя. Структура слитка, полученного полунепрерывным или непрерывным литьём, практически исключает наличие этой зоны.

Третья зона – равноосные кристаллы

По мере увеличения расстояния от поверхности слитка внутренний градиент температур уменьшается, что создаёт более благоприятные условия для охлаждения металла. Следствием этого процесса является транскристаллизация, в ходе которой оси кристаллов вытягиваются в одном направлении. Именно из этой зоны в дальнейшем формируется наружная часть поковок, а затем – и готовых деталей. В зоне равноосно расположенных кристаллов содержится наименьшее количество примесей. Лишь в некоторых специальных марках стали (содержащих значительный процент никеля), а также у сталей аустенитного класса зона равноосных кристаллов оказывается очень большой. Это создаёт дополнительные трудности при горячей обработке давлением.

Размеры зоны зависят от:

• Размеров слитка;
• Веса слитка;
• Температуры разливки;
• Химического состава стали;
• Толщины стенок изложницы.

Протяжённость зоны равноосно расположенных кристаллов растёт с увеличением процентного содержания хрома, никеля и вольфрама. У некоторых видов сталей, например, у аустенитных нержавеющих, равноосные кристаллы занимают практически всё поперечное сечение слитка. Более того: столбчатые кристаллы, растущие от противоположных граней, даже встречаются своими вершинами в центре слитка.

Транскристаллическая структура слитка

Кристаллизация и строение слитка определяются формой изложницы. В круглых слитках дендриты направлены нормально к поверхности, создавая места с возможными пустотами или прострелами у стыков зёрен, расположенных в центральной части слитка. В слитках квадратного сечения дендриты растут нормально к сторонам квадрата и встречаются своими вершинами примерно по направлению диагонали. Вследствие этого те места слитка, которые расположены по диагонали, насыщаются ликвирующими примесями, что ослабляет их прочность и приводит к росту структурной неравномерности.

Всё вышеуказанное следует принимать во внимание при ковке слитков, особенно когда зона транскристаллизации сильно развита.

Если в процессе ковки направление деформирубщего усилия совпадает с направлением роста дендрита, то усилие будет направлено вдоль вытянутых плоскостей спайности дендритов. Это вызывает трещинообразование, поскольку такие плоскости ослаблены наличием большого количества вредных примесей.

Строение слитков сплавов

• Скопление сегрегаций (ликваций нерастворимых примесей), в которых столбчатые кристаллы заменяются более равновесными структурами.
• Наличие трещин между столбчатыми кристаллами, где образуется металл с более высокими концентрациями растворённых веществ (часто встречается в металлургии алюминия).
• Повышенное влияние скорости разливки, когда возникающее разбрызгивание приводит к образованию серьёзных дефектов структуры (наблюдается при разливке высоколегированных нержавеющих сплавов на основе никеля и хрома).
• При вакуумной разливке некоторых сплавов на основе меди обнаруживаются дендритные субструктуры. Механизм размножения (фрагментации) зёрен вызван турбулентностью расплава во время разливки.

Наличие преддендритных субструктур показывает, что значительное количество специальных сплавов (особенно на основе алюминия) обладают повышенной чувствительностью к теплопередаче, даже, если механизм размножения зёрен за счёт фрагментации активен. Преддендритные зёрна характеризуются повышенной шероховатостью, увеличенным количеством столбчатых зёрен и их размерами.