Строение металлического слитка (на примере стального слитка)

Слитки металла можно различить три зоны с различной структурой (рис. 1). Кристаллизация жидкого металла начинается у поверхности более холодной формы и происходит в тонком сильно переохлажденном слое, примыкающем к поверхности. Вследствие большой скорости охлаждения произойдет образование на поверхности слитка очень узкой зоны 1 сравнительно мелких равноосных кристаллов.

За зоной 1 в глубь слитка расположена зона 2 удлиненных дендритных кристаллов (зона транскристаллизации). Рост этих кристалликов происходит в направлении противоположном отводу теплоты (то есть нормально к стенкам изложницы).

В случае сильного перегрева металла, быстрого охлаждения, высокой температуры литья и спокойного заполнения формы зона удлиненных дендритных кристаллов может полностью заполнить весь объем слитка (рис. 1) (транскристаллизация).

При низкой температуре литья, очень медленном охлаждении, например, крупных отливок создаются условия для возникновения зародышей в средней части слитка. Это приводит к образованию во внутренней части отливки структурной зоны 3, состоящей из равноосных различно ориентированных дендритных кристаллов (рис. 1), размеры которых зависят от степени перегрева жидкого металла, скорости охлаждения, наличия примесей и др.

Примеси, находящиеся в жидком металле, способствуют развитию зоны мелких равноосных кристаллов.

Зона столбчатых кристаллов обладает высокой плотностью, так как она имеет мало газовых пузырей и раковин. Однако в участках стыка столбчатых кристаллов, растущих от разных поверхностей, металл имеет пониженную прочность, и при последующей обработке давлением в этих участках могут возникнуть трещины. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации.

Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый; поэтому металл, залитый в форму сокращается в объеме при кристаллизации, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами (изображены темным цветом на рис. 1).

Усадочные раковины могут быть сконцентрированы в одном месте, либо рассеяны по всему объему слитка. Усадочная раковина обычно окружена наиболее загрязненной частью металла, в котором после затвердевания образуются микро- и макропоры, пузыри.

Наиболее часто усадочная раковина концентрируется в верхней части слитка, затвердевающей в последнюю очередь.

Часть слитка с усадочной раковиной рыхлым металлом отрезают. Слиток имеет неоднородный по сечению состав. Например, в стали по направлении от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей – серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства.

3.Ликвация

(La liquation, Saigerung) — представляет собой свойство сплавов распадаться при переходе из жидкого в твердое состояние на составные части или отдельные соединения, которые имеют различные точки плавления. Металлы вообще сплавляются, т. е. растворяются одни в других. Одни из них, например золото и медь, сплавляются в различных пропорциях и на вид представляют однородное тело; другие же, например свинец и цинк, разделяются при медленном охлаждении. В случае Л. при застывании жидкого металла выделяются и затвердевают сперва самые тугоплавкие тела, затем менее тугоплавкие и, наконец, самые легкоплавкие. Однако выделяемые при этом тела представляют чаще всего не вполне чистые металлы, например сплавы свинца с цинком содержат внизу слитка свинец с 1,6% цинка, а вверху цинк с 1,2% свинца. Иногда еще до начала остывания происходит распадение легко ликвирующих сплавов на части различного состава, которые размещаются соответственно их удельному весу. Если такая неоднородность существует уже в жидком состоянии, то она сохраняется как при быстром, так и при медленном затвердевании. При появлении же неоднородности во время застывания быстрота охлаждения имеет большое значение. Вообще быстрое охлаждение препятствует такому распадению. Если металлы различаются по цвету, то после Л. неоднородность замечается простым глазом в виде отдельных пятен, называемых ликвационными пятнами. Так, наприм., при сплаве меди с оловом видны беловатого цвета крапинки и пятна на красноватой поверхности излома, состав которых богат оловом. К более сильно ликвирующим сплавам принадлежит сплав свинца с медью, так что из них едва возможно получать однородное литье; затем идут сплавы цинка с оловом, серебра с медью и свинца с оловом. К слабо ликвирующим принадлежат сплавы меди с цинком (латунь), золота с серебром и т. п. Чугун, представляя собой смесь различных соединений железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и т. п., при переходе из жидкого состояния в твердое также подвергается Л. Вследствие различных точек плавления одни из этих соединений выделяются из смеси и застывают раньше, другие позже, и часто поэтому получается неоднородный химический состав в различных частях чугуна. Эта неоднородность замечается даже на глаз в виде выделившихся листочков графита или же в виде более или менее светлых пятен, которых состав разнится от окружающей массы. При застывающих медленно отливках в центральных частях содержание графита и кремния повышается, между тем общее содержание углерода понижается. Очень часто на верхней поверхности отливки встречаются отдельные шарики в виде застывших капель, которые достигают иногда величины горошины. Эти капли, которые состоят из легкоплавкого сплава, остаются долго жидкими и вытесняются сжатием затвердевающей массы на поверхность металла. Иногда эти выделения состоят из мельчайших шариков, покрывающих всю поверхность отливки, и тогда их наз. нагаром.

1. Рассмотренные два типа диаграмм состояния сплавов являются основными. В зависимости от природы компонентов могут получаться системы, которые приводят к более сложным видам диаграмм состояния, однако эти диаграммы представляют сочетания двух приведенных типов диаграмм той или иной сложности.

Диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой. Такую диаграмму дает система сплавов медь — серебро (Си — Ag). Линия А ВС является линией ликвидуса, линия ADBEC — линией солидуса. Верхняя часть диаграммы показывает, что оба компонента взаимно растворимы, но в ограниченном количестве: предельная концентрация раствора а (серебра в меди) — 7%, а раствора 3 (меди в серебре) — 8%. При большей концентрации по линии DE образуется эвтектика растворов а|- р. Кривые DFnEG показывают, что при охлаждении, нижелинии эвтектики (DE), происходит постепенный распад твердых растворов а и р, и при температуре 0° раствор а не существует, а раствор [3 имеет концентрацию 1% во всех сплавах, содержащих более 1% меди.

Диаграмма с химическим соединением компонентов. Некоторые металлы образуют между собою химические соединения.

Химическое соединение Mg4Ca3 представляет собою новый, третий компонент и делит диаграмму состояния Mg — Са на две диаграммы I типа: Mg — Mg4Ca3 и Mg4Ca3—Са. Рассмотрим систему Mg — MgiCa3. О ней мы можем сказать все то, что уже говорили о системе свинец — сурьма. Линия ABC является линией ликвидуса, линия FG—линией солидуса. По линии АВ начинается выпадение кристаллов магния, по линии ВС — кристаллов соединения Mg4Ca3. В точке В одновременно кристаллизуются Mg и Mg4Ca3 и образуется эвтектика. Доэвтектические сплавы этой системы представляют смесь кристаллов магния и эвтектики, а заэвтектические — смесь кристаллов соединения Mg4Ca3 и эвтектики.