HomeОбработка сталиМеханическая обработка › Ликвация в стальном слитке

Ликвация в стальном слитке

Ликвация в стальном слиткеЛиквацию мы определяли  как неоднородность состава, наблюдаемую в затвердевшем сплаве и получаемую при затвердевании сплава вследствие возникающей разности состава между твердой фазой и жидкой (остаточным раствором).

 

В зависимости от масштаба и расположения ликвационных (обогащенных примесями) участков различают следующие виды ликвации.

1. Микроскопическая ликвация, наблюдаемая в пределах каждого зерна или дендрита, она, в свою очередь, может быть разделена на два вида:

 

Рассматривая дефекты литья на примере стали, будем иметь в виду, что и в других сплавах они имеют подобный же вид и происхождение.

а) меж кристаллическая ликвация, когда ликвидирующая жидкость затвердевает в эвтектику, располагающуюся между дендритами или зернами;

б) внутрикристаллическая ликвация, когда лик-иирующая жидкость образует твердый раствор, обогащенный примесью и располагающийся в наружных слоях зерен твердого раствора.

 

2. Макроскопическая, или ликвация в стальном слитке, которая проявляется в том, что по сечению всего слитка или части его невооруженным глазом различают области или зоны, обогащенные примесями. Этот вид ликвации также может быть раздолен на два вида:

а) ликвация по удельному весу (слоистая), где ликвационная область располагается в виде слоя верхнего или нижнего по слитку;

б) ликвация зональная, когда ликвационная область располагается соответственно зонам кристаллизации, чаще всего занимая центральную область слитка.

 

Последняя форма ликвации, как уже отмечалось, образуется благодаря несвободному росту кристаллов, возникающих первоначально на корке затвердевающего слитка. Как известно, немедленно при отливке в холодную изложницу (например, чугунную) образуется сперва тонкая зона — корка мелкозернистого металла, которая является основой для дальнейшего формирования слитка.

 

На этой корке растут далее длинные шестоватые (столбчатые) кристаллы, образуя зону транскристаллизации, и, наконец, получается центральная область слитка со свободно возникающими и растущими равноосными кристаллами. Жидкость (маточный раствор), остающаяся по мере образования и роста кристаллов, обогащается примесями и, естественно, наибольшее обогащение примесями должно получаться там, где она затвердевает в последнюю очередь, т. е. в центральной области слитка.

 

При этом, очевидно, что расположение этой центральной ликвационной области должно быть в соответствии с внешними очертаниями слитка (формой изложницы) и зоной растущих от стенок корки шестоватых кристаллов. Последние, быстро смыкаясь между собой и разрастаясь в виде сплошной стенки, будут отгонять остающуюся жидкость в центральную часть слитка.

 

Сегрегация  примесей в стали. Если обратиться теперь к конкретному примеру какой-либо стали, то легко представить, как должна происходить в ней ликвация. Здесь ликвировать должны как главный компонент С, так и все нормальные примеси (Si, Mn, Р и S). Но степень ликвации у них должна быть различная, о чем можно судить, в первую очередь, по соответствующим диаграммам состояний, а также по скоростям диффузии в железе каждого элемента.

 

(Термин «сегрегация» происходит от латинского слова отделять (segregare) и относится к примесям в сплаве, которые как бы отделяются от основной части сплава, когда в последнем имеет место явление ликвации. Таким образом, можно сказать, что ликвация сплава представляет не что иное, как сегрегацию примесей в нем. Отсюда следует, что термины ликвация и сегрегация должны иметь одно и то же значение, т. е. являются синонимами. Стремление некоторые авторов придать этим терминам различное значение неправильно.)

 

Из всех указанных примесей наибольшую степень ликвации должны давать S и Р, а наименьшую — Si и Мп, об этом уже было сказано (§ 56) и в этом нетрудно убедиться, рассматривая начальные области диаграмм плавкости указанных элементов с Fe.

 

Наибольший интервал затвердевания дает S> которая притом почти совсем не диффундирует в твердое Fe и полностью остается в жидкости, затвердевая в виде легкоплавкой эвтектики; последняя, в свою очередь (как уже отмечалось), может давать благодаря коа-лесценции оболочки или включения FeS.

 

Как сказано выше, при наличии Мп и малом содержании серы имеются включения не FeS, a MnS, которые менее вредны. Но все же и они как неметаллические включения являются дефектными выделениями в металле и сосредоточиваются так же, как FeS в ликва-ционных местах слитка.

 

Наибольший интервал затвердевания после S дает Р с Fe, входящий уже в твердый раствор и, следовательно, диффундирующий в твердое железо. Но эта диффузия происходит чрезвычайно медленно, почему Р и является весьма сильно ликвирующим элементом.

 

Если сравнить с Р главный компонент стали С, то ликвация последнего должна быть меньше, так как интервал затвердевания раствора Fe — С меньше, чем Fe •- Р, и диффузия С в железо протекает гораздо быстрее, чем Р. Наконец, такие примеси, как Si и Мп, дают твердые растворы с минимальным интервалом затвердевания, и практически они считаются неликвирующими примесями. На самом деле они тоже ликвируют, но весьма незначительно.

 

Все означенные выше примеси в стали сегрегируют совместно, и поэтому ликвационные места получаются обычно наиболее опасными и вместе с тем становятся легко различимыми. Зональную (равно как и всякую другую) ликвацию без труда обнаруживают при обычных методах травления на макроструктуру, так как в загрязненных примесями участках металла протравимость получается обычно иная, чем в зонах чистого (здорового) металла.

 

Например, в железных сплавах (стали) при травлении распространенными реактивами ликвационные части обычно разъедаются сильнее, поэтому они кажутся более темными. Точно так же более темный цвет в ликвационных областях получается и при известной пробе на серу, применяемой при макроисследовании. Эта проба заключается в том, что на макрошлиф плотно накладывают смоченную обычно слабой кислотой бромосеребряную бумагу) (какую применяют в фотографии для печатания снимков).

 

Этот способ известен также под названием проба по Бауману.

При этом сернистые включения (сульфиды MnS и FeS), взаимодействуя с кислотой и бромистым серебром бумаги, дают черные крапинки сернистогЬ серебра (Ag2S) как раз в тех местах шлифа, где они залегают. Ясно, что ликвационные места, где сульфидов количественно больше, будут легко выявляться сгущением черных точек (подробнее см. практические руководства по металлографии).

 

Показан пример зональной ликвации в стальном слитке, выявленной одним из методов макроскопического анализа, где ясно отличаем внутреннюю более темную ликвационную область от наружной светлой зоны вдоль всего слитка. Такую же ликвационную область можно наблюдать и на поперечных макрошлифах.

 

Если в стали имеет место дендритная (микроскопическая) ликвация, то при травлении ликвационные места будут располагаться между сердцевиной зерен, имеющей форму дендритов, и мы получим характерную дендритную, (сердцевинную) структуру.

Связь между различными видами ликвации. Все виды ликвации, поскольку они обусловлены одним и тем же процессом избирательного затвердевания, должны иметь между собой некоторую связь в случае обнаружения их в одном и том же слитке.

 

Действительно замечено, что если в слитке наблюдается хорошо выраженная зональная ликвация или ликвация по удельному весу, то дендритная ликвация в этих зонах бывает выражена менее ясно, и наоборот, при резко выраженной дендритной ликвации в пределах отдельных кристаллов, образующих слиток, зональная ликвация в нем менее заметна.

 

Объяснить это нетрудно после приведенного выше объяснения процесса ликвации в каждом случае: дендритная ликвация должна получиться в наибольшей степени тогда, когда вся остаточная жидкость сосредоточится вокруг первичных дендритов; при этом, конечно, никакой зональной ликвации не получится.

 

Если же образуется резко выраженная ликвационная зона, то значит наиболее обогащенный примесями маточный раствор отогнан внутрь слитка, и кристаллы наружной зоны являются относительно чистыми, т. е. более бедными примесями; таким образом, внутрикристаллическая ликвация в наружной зоне может совершенно отсутствовать или наблюдаться в незначительной степени.

 

Зональная ликвация или, точнее, наличие ликвационного места в слитке, обогащенного опасными примесями (S, Р, О), представляет дефект сплава, так как при этом слиток получается неоднородным и в отдельных его местах может быть такая концентрация примесей, что металл окажется совершенно негодным по качеству, вызывающим брак полученного слитка или изделия.

 

Особенно опасна ликвация в тех случаях, когда ликвационное место попадает на ответственную часть изделия. Поэтому изучению явления ликвации в сплавах уделяется много внимания. Напомним, что честь открытия этого важного явления принадлежит нашим соотечественникам — инженерам Лаврову и Калакуцкому, впервые указавшим в 1866 г. на различие в составе внутренних и наружных участков в стальных слитках.

 

Обратная ликвация. Рассмотренный выше вид зональной ликвации, когда примесями обогащена внутренняя область слитка, носит название нормальной или прямой зональной ликвации в отличие от обратной, которая иногда наблюдается в сплавах и заключается в том, что наиболее богатый примесями остаточный раствор направляется не внутрь слитка, а в наружную его зону (к поверхности).

 

Это явление бывает не всегда и не во всех сплавах; оно имеет место преимущественно в сплавах, обладающих большим температурным интервалом затвердевания (т. е. склонных к сильной ликвации) и обязательно получается при быстром охлаждении.

 

Обратную ликвацию наблюдают и в стали, и в чугуне, но особенно часто в цветных сплавах — бронзе (оловянной), алюминиевомедных сплавах и т. п., где анализы обнаруживают преобладание примеси (второго компонента) в наружных слоях слитка, по сравнению с внутренними, иногда даже на целые проценты.

 

Здесь, очевидно, обогащенный примесями маточный раствор отгоняется какими-то факторами наружу слитка. Чтобы объяснить, каким образом может получиться это явление, нужно представить себе подробнее, что происходит со сплавом в период образования и роста кристаллов. До сих пор полагали, что растущие от краев кристаллы образуют сплошную транскристаллизационную стенку, отгоняющую всю жидкую фазу внутрь слитка.

 

На самом деле между растущими дендритами всегда остаются некоторые пространства, в которых застревает маточный раствор. Часть этих межкристаллических жидких ликвационных участков при обычном медленном охлаждении отгоняется внутрь слитка, часть остается на том же месте до полного затвердевания слитка, и тогда их часто обнаруживают под микроскопом в виде ряда неметаллических включений или пленок между кристаллами.

 

Но в условиях быстрого охлаждения, когда в кристаллизующемся слитке могут возникать резкие объемные изменения, образующиеся внутри слитка полости, заполненные ликватом, могут испытывать давление со стороны быстро растущих кристаллов; вследствие общего сжатия всего объема затвердевающего слитка жидкий маточный раствор может выдавливаться наружу через микроскопические просветы Споры), существующие в затвердевшем сплаве благодаря неплотному прилеганию друг к другу образовавшихся кристаллов (дендритов).

 

Факт существования тончайших просветов и пор между кристаллами литого металла не подлежит сомнению, и происхождение обратной ликвации можно объяснить, лишь основываясь на этом факте.

 

Остается только не вполне ясным самый процесс просачивания маточного раствора при обратной ликвации, т. е. происхождение того давления, которое заставляет жидкость выталкиваться наружу при кристаллизации.

 

Полагают, что, кроме непосредственного давления растущих кристаллов на жидкость в замкнутых объемах и общего сжатия наружных зон слитка при охлаждении (при не вполне затвердевшей внутренней области), выталкивание может производиться также давлением газов, выделяющихся из жидкого металла при затвердевании.

 

Есть и обратное предположение: жидкий металл засасывается изнутри к полостям, расположенным близ поверхности, в которых может образоваться некоторый вакуум вследствие усадки или уменьшения объема газов при охлаждении, причем продвижению жидкости способствуют и капиллярные силы между кристаллами. Отсюда следует, что причина и ход процесса образования обратной ликвации требуют еще дальнейших исследований.

 

Обратная ликвация проявляется тем яснее, чем крупнее размеры отливки и чем выше перегрев металла перед литьем.

Неметаллические твердые включения в слитке. Ликвирующие примеси можно разделить на два класса:

I — растворимые примеси, дающие твердый раствор повышенной концентрации в ликвационных местах (как Р в стали);

II — нерастворимые примеси, дающие твердые включения; они были рассмотрены выше (сульфиды, окислы).

 

Если эти включения высокоплавки (как MnS, А1203, Si02 и т. п.), значительная часть их выделяется из стали еще до затвердевания последней; особенно при крупных размерах они часто всплывают на поверхность и удаляются из металла.

 

Другая часть может служить центрами кристаллизации и остается в металле или в центре зерен, или запутавшись между кристаллами вместе с иизкоплавкими включениями, выделяющимися в последнюю очередь в ликвационных местах. Особенно много сосредоточивается включений в местах встречи и пересечения растущих кристаллов.

 

Такие места легко образуются между столбчатыми кристаллами (дендритами), когда они растут навстречу друг другу или под прямым углом. Дальше мы увидим, что в этих же местах сосредоточиваются и другие дефекты металла, так что здесь вообще металл сильно ослаблен, поэтому такие места называются местами слабины. Образования мест слабины можно до известной степени избежать если не давать кристаллам расти перпендикулярно друг к другу.

 

Для этого рекомендуют делать закругления в углах. Включения, особенно сернистые, присутствуя в ликвационных местах, позволяют легко определять эти места, так как общая их группировка и расположение определяются макроструктурно с помощью обычных методов травления макрошлифа и в особенности методом пробы на серу.

Пример подобного вида отпечатков на серу на макрошлифе стали показан, где ликвационные участки кажутся более темными из-за множества мелких темных пятнышек от сернистых включений, густо рассеянных в данных участках. Различные формы ликвации и оценка качества слитка.

 

Расположение неметаллических включений в слитке, полученное особенно путем пробы на серу, наиболее ) бедительно подтверждает тот факт, что в крупных слитках ликвационные участки в центральной части расположены не вполне равномерно и существуют места, где особенно густо концентрируются включения.

 

Такими местами являются чаще всего промежуточные слои между столбчатыми кристаллами и внутренней областью равноосных кристаллов. При этом часто ликвационные области в сечении слитка сближаются к вершине и расходятся к основанию слитка, образуя как бы усеченный конус, поэтому такой форме и дано название конической сегрегации (на заводах часто подобные расходящиеся сегрегационные полосы на макрошлифе слитков называют усами).

 

В промышленности стремятся вводить количественную оценку металла (слитка) по присутствующим в нем дефектам. Например, рекомендуется оценивать качество слитка по пятибальной системе, представляя схематически для каждого балла характерный вид структуры слитка. Так, в отношении ликвации показан схематически вид поперечных сечений слитка, соответствующих оценке по пятибалльной шкале; наихудшие слитки, отвечающие баллам 4 и 5, не рекомендуется пускать на ответственные изделия. Подобная же оценка существует по отношению к неметаллическим включениям в стали и прочим дефектам в слитке.

 

Посторонние включения. Кроме включений указанного типа, образующихся в самом металле (входящих в его состав), в стальном слитке иногда наблюдаются в виде включений совершенно инородные тела, случайно попадающие в металл извне: футеровка, песок, глина, шамот и т. п. Такие, в полном смысле, посторонние включения залегают в металле неопределенно (случайно) и отличаются обычно более крупными размерами, по которым их легко отличить от прочих включений.

 

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.