Строение слитка.

Ранее было отмечено, что реальный процесс кристаллизации осложняется влиянием побочных факторов. Сочетание влияния этих привнесенных факторов (часто не поддающихся точному учету) с общими законами кристаллизации и определяет особенности строения стального слитка.

Описание строения стального слитка впервые дано в 1878 г. Д.К. Черновым. Остальные характерные черты в строении литого металла были отмечены тогда Д.К. Черновым, хотя многочисленные последующие исследования вскрыли много новых деталей.

Структура литого слитка состоит из трех основных зон (рис.7).

Первая зона – наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов – дентритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.

Вторая зона слитка – зона столбчатых кристаллов 2. После образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки (т.е. в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы.

Третья зона слитка – зона равноосных кристаллов 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. «Температура застывающего металла успевает почти совершенно уравниваться в различных точках и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние, вследствие образования в различных ее точках зачатков кристаллов. Далее зачатки разрастаются осями – ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом» (Д.К. Чернов). В результате этого процесса образуется равноосная структура. Зародышами кристалла здесь являются обычно различные мельчайшие включения, присутствующие в жидкой стали, или случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в жидком металле.

В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей. Однако места стыка столбчатых кристаллов обладают малой прочностью.

Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации.

Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами; усадочные раковины могут быть сконцентрированы в одном месте, либо рассеяны по всему объему слитка или по его части. Они могут быть заполнены газами, растворимыми в жидком металле, но выделяющимися при кристаллизации. В хорошо раскисленной так называемой спокойной стали, отлитой в изложницу с утепленной надставкой, усадочная раковина образуется в верхней части слитка, и в объеме всего слитка содержится малое количество газовых пузырей и раковин (рис.8, а). недостаточно раскисленная, так называемая кипящая сталь, содержит раковины и пузыри во всем объеме (рис.8, б). Спокойный металл поэтому более плотный, чем кипящий.

Форма первичных кристаллов (дентритов) после горячей механической обработки давлением (ковка, прессовка, прокатка и т.д.) видоизменяется. Дентриты вытягиваются вдоль направления течения металла и превращаются в волокна. В результате возникает различие в свойствах вдоль проката (вдоль волокна) и поперек (анизотропия свойств деформированных изделий в сильной степени зависит от наличия неметаллических включений, располагающихся при деформации в строчки, идущие вдоль волокон).

На рис.9 приведена макроструктура штампованного клапана, на котором видно распределение волокон является наилучшим и: следует стремиться ковкой добиться именно такого распределения, избегая перерезанных волокон (точнее, следует стремиться к тому, чтобы расположение волокон совпадало с направлением главных усилий в деталях при работе).