Термическая обработка стальных отливок
Для получения механических и служебных свойств отливок важнейшим фактором является первичная структура металла, которая должна иметь минимальную химическую неоднородность, особенно в крупных кристалло – дендритах.
Не менее важным является дисперсность дендритной структуры (размерность). Для уменьшении химической неоднородности в стальных отливках важен учет фактора К=Ст /Сж (коэффициент распределения элементов в твердой (Ст) и жидкой (Сж) фазе).
Коэффициент ликвации (неоднородности) [1-К]=С* − Сж / Сж .
Рис. 8. Влияние К на развитие ликвации
Обобщения:
1. В общем случае химическая неоднородность объясняется изменением растворимости компонентов (элементов) сплава в процессе кристаллизации.
2. Чем меньше коэффициент распределения стали, тем выше неоднородность и больше скопления элементов его на границе дендритов.
3. Чем меньше растворимость элемента, тем выше неоднородность.
Введем понятие монокристалла – это твердое тело, кристаллическое строение которого имеет строго ориентированную направленность (в одном направлении) и состоит из субзерен и фрагментов (субзерно – скопление правильно расположенных элементарных ячеек).
Дендрит, по Чернову, представляет собой монокристалл, который растет из одного центра, в направлении теплоотвода осью I порядка.
Оси II и III порядка появляются при замедление роста кристалла. Скелет дендрита имеет химический состав отличный от среднего.
Главным фактором появления дендритов является влияние примесей с малой растворимостью (< 0,2%): S, P, N, H, O, Pb, As, Cu и высокий градиент переохлаждения у стенки отливки. В общем случае рост дендритов может быть и под углом от стенки отливки (ветвление дендритного пространства). Причина: изменение теплоотвода, перемешивания металла и конвективные потоки металла.
Помимо дендритов структура состоит из мелкозернистой (у стенки отливки) и в средней части крупных равновесных полиэдрических зерен. Фактором появления последних являются:
1) Концентрационное переохлаждение расплава на фронте «твердая фаза – остаток жидкости».
Концентрационное переохлаждение заключается:
а) «в отложении» примесей на гранях растущих зерен;
б) наличии твердой фазы, которая способствует выделению скрытой теплоты кристаллообразования, повышающей температуру жидкой стали.
Смысл направленной кристаллизации заготовок в реальных отливках базируется на понятии анизотропии механических свойств (свойства в продольном направлении кристалла и поперечном отличаются).
Поэтому необходимо исключить с структуре поперечные границы.
Рис. 9. Кристаллизация стали:
1 – мелкозернистая структура;
2 – дендрит; 3 – крупнозернистая
структура полиэдров.