Формирование и дальнейшее поведение неметаллических включений - продуктов раскисления стали также изучалось рядом исследователей. Укрупнение образовавшихся зародышей включений от ультрамикроскопических размеров (10–8¸10–9 м) до типичных для обычно наблюдаемых эндогенных неметаллических включений (10–6¸10–5 м) происходит за счет:
a) продолжения в объеме металла, контактирующем с зародившимся включением, реакции раскисления и гетерогенного отложения продуктов этой реакции на поверхности уже образовавшихся зародышей включений;
b) взаимного столкновения образовавшихся включения, их объединения между собой за счет уменьшения при этом поверхности контакта включений и металла и, следовательно, уменьшения запаса межфазной энергии, приходящейся на единицу массы металла.
Как показала работа [143], процесс раскисления происходит не мгновенно вследствие "физических" и "кинетических" препятствий. На различных последовательных этапах этого процесса образуются его проекты, обладающие различной природой, химическим составом и физическими свойствами (температурой плавления, смачиваемостью жидким металлом и т.д.). Следовательно, даже в процессе раскисления только одним раскислителем в соответствии с фазовыми диаграммами появляются различные как твердые, так и жидкие включения. "Рост" этих включений по второму из перечисленных путей определяется в основном поверхностными явлениями на границе фаз включение-металл [144]. Возможны следующие механизмы укрупнения включений за счет их встречи и объединения:
1) слияние двух или нескольких капель с образованием одной крупной, т.е. их коалесценция. Коалесценция протекает тем легче, интенсивнее, чем больше значение sм-в и изменение поверхностной энергии D g =–D F sм-в (где - D F – изменение межфазной поверхности металл-включение);
2) коагуляция, т.е. встреча и прилипание друг к другу твердых включений (их спекание или агломерация). Этот процесс возможен прежде всего тогда, когда включение плохо смачивается металлом, т.е. угол смачивания q > 90° и при встрече двух включений находящаяся между ними металлическая прослойка легко удаляется, допуская непосредственный контакт твердых включений. При этом изменение энергии составляет:
D G =–(sм-в–sв-в) F в-в, (121)
где sв-в – удельная межфазная энергия на контактной поверхности соприкасающихся включений,
F в-в – величина этой поверхности.
3) укрупнение включений путем встречи жидких и твердых включений, причина которого состоит в том, что поверхностная энергия на границе жидкого и твердого включения значительно меньше, чем сумма энергии сосредоточенной на контактной поверхности твердого включения и металла и, соответственно, жидкого включения и металла.
Все перечисленные виды укрупнения включений обычно называются их коагуляцией. При этом различают перикинетическую коагуляцию, происходящую по законам случайного блуждания, и ортокинетическую коагуляцию, совершающуюся под влиянием того или иного направленного силового поля (например, гравитационного). Скорость коагуляции, т.е. скорость уменьшения числа включений " z ", приходящихся на единицу объема металла (обычно на 1 см3), в общем виде можно описать уравнением:
, (122)
где t – время;
D 1 и D 2 – коэффициенты массопереноса частиц 1 и 2 типов (при размерах включений менее 10–8 м их можно считать коэффициентами диффузии);
R 1 и R 2 – радиусы частиц 1-го и 2-го типов;
n1 и n2 - число частиц 1-го и 2-го типа в 1 см3 расплавленного металла;
sм-в – межфазная удельная энергия на границах включений и металла;
hм – вязкость металла;
К – постоянная, характеризующая природу коагулирующих включений (в частности, для жидких включений она существенно больше, чем для твердых);
Р – постоянная, характеризующая силовое поле, определяющее тип коагуляции, гидродинамику, металла и т.п.
Скорость перикинетической коагуляции мало зависит от размеров коагулирующих частиц. В работе [144] подробно исследована природа слияния жидких включений и найдено, что образование неметаллического перешейка, предшествующее их полному слиянию, зависит как от межфазной энергии sм-в, так и от вязкости коагулирующей жидкости (включения).
Из уравнения (122) видно, что скорость ортокинетической коагуляции зависит от интенсивности вызывающего ее силового поля. Данные о скорости коагуляции включений нельзя считать вполне надежными, т.к. они основаны на "холодных" моделях и весьма немногочисленны. Очевидно, что для относительно крупных эндогенных включений (R>10–5 м) скорость ортокинетической коагуляции существенно больше, чем скорость перикинетической. Соотношение этих скоростей теоретически определяется уравнением:
, (123)
где h – вязкость среды;
W о – скорость ортокинетической коагуляции;
W n – скорость перикинетической коагуляции;
– градиент скорости движения частиц в направлении " х ";
R 1,2 – сумма радиусов двух встречающихся между собой, различных по величине, частиц;
к – константа Больцмана.
Полагают, что независимо от типа коагуляции мелкие (<10–6 м) включения коагулируют с примерно одинаковой скоростью. В общем, коагуляция мелких включений протекает медленно. Например, в работе [141, 147] приведены следующие результаты расчетов:
| Время от начала коагуляции, t | 48,5 сек | 5 мин | 10 мин | 15 мин | |
| Число включений «z», 1/см3 | 3×109 | 1,5×109 | 0,42×109 | 0,23×109 | 0,15×109 |
Отсюда следует, что для уменьшения количества включений в 20 раз требуется 15 минут.
В работе [142] исследовалось раскисление кремнием железа, содержащего кислород, обеспечивая при этом различное время выдержки металла после введения раскислителя и постоянство всех прочих условий, включая и скорость закалки образцов. Были получены следующие результаты:
| t, сек | ||||||
| z | 108 | 2,2×107 | 4,6×106 | 2,2×106 | 1,4×106 | 4,2×105 |
Еще меньшие скорости наблюдаются при укрупнении твердых продуктов раскисления стали алюминием (Аl 2 O 3); особое значение здесь приобретает формирование крупных ветвистых кластеров, образовавшихся за счет «спекания» мельчайших частиц глинозема, и достигающих иногда размеров порядка 1-2×10–3 м.
В работе [155] подробно рассмотрено образование таких кластеров, обусловленное тем, что приближение друг к другу двух твердых, плохо смачиваемых металлом тел сопровождается вытеканием микрообъема металла, оказавшегося замкнутым между ними. За этим следует прямой контакт твердых частичек между собой и их спекание (коагуляция).
Металл, оставшийся замкнутым между отдельными ветвями глиноземистого кластера, повышает среднюю (кажущуюся) плотность кластера и сильно затрудняет его всплывание. Таким образом, в этом случае коагуляция играет отрицательную роль [146].
В работе [144] отмечалась решающая роль для образования кластеров условий смачивания металлом включений (величины угла q). Кластеры часто наблюдаются при раскислении алюминием (q>90° для смачивания металлом глинозема) и не наблюдаются при раскислении другими, даже очень сильными раскислителями, для которых q<90° (например, для смачивания металлом оксидов титана: Ti 3 O 5, Ti 2 O 3 и TiO 2).
