2. Процесс зарождения и роста кристаллов.

Итак, кристаллизация – это процесс образования кристаллов. Различают первичную и вторичную кристаллизацию. Первичная – образование кристаллов из жидкости в процессе затвердевания металла, вторичная – изменение кристаллического строения в твердом состоянии.

Кристаллизация, как впервые установил Д. К. Чернов, происходит не мгновенно по всему объему, а развивается постепенно. Она объединяет 2 элементарных процесса: возникновение центров кристаллизации (зародышей) и рост кристаллов из центров кристаллизации.

Центрами кристаллизации являются либо затвердевшие мельчайшие частицы металла, либо посторонние твердые примеси, находящиеся в жидком металле. По мере протекания процесса кристаллизации происходит как зарождение новых центров кристаллизации, так и рост кристаллов.

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно и окружены жидкостью, они имеют правильную форму. Однако при столкновении и сростании кристаллов их форма нарушается.

После затвердевания металла получаются кристаллы неправильной формы, границы которых чаще всего принимают округлые очертания. Такие кристаллы называют зернами или кристаллитами. Внутри каждого зерна наблюдается определенная ориентация кристаллической решетки, отличная от ориентации соседних зерен.

3. Строение слитков.

В зависимости от условий роста, главным образом от скорости направления отвода теплоты, температуры жидкого металла, форма зерен может быть самой разнообразной.

При кристаллизации металлов и их сплавов рост зерен осуществляется по дендритной (древовидной) схеме. Рост дендрита происходит путем образования осей 1 порядка (стволов), перпендикулярно к которыым вырастают ветвиП порядка, перпендикулярно к ним ветви 3-го порядка и т.д. Большая скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направ­лениям решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов, в результате чего и вырастают оси 1 порядка. Одновремено с ростом ветвей П и т.д.порядков идет кристаллизация между осями дендритов.

После соприкосновения дендритов и окончательного заполнения межосного пространства, дендриты превращаются в полновесные кристаллиты.

Кристаллизация слитка идет в три стадии. Схема:

Как видно, условия отвода тепла при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Сначала на поверхности слитка образуется зона 1 – мелкозернистая корка, состоящая из разнообразно ориентированных мелких дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температуры и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации.

2-я зона – зона столбчатых кристаллов. С образованием корки условия теплоотвода меняются, градиент температуры резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения металла. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентирванные к поверхности корки (т.е. в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы.

3-я внутренняя зона состоит из крупных, различно ориентированных дендритов. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. Температура застывающего металла успевает почти совершенно уравниваться в различных точках. В результате образуется равноосная структура. Зародышами кристалла здесь являются обычно различные мельчайшие включения в жидкой стали, например, тугоплавкие составляющие.

В случае сильного перегрева и резкого охлаждения зона столбчатых кристаллов заполняет весь слиток. Структура такого слитка называется транскристаллической, она менее прочна.

Свойства металла зависят от относительного распределения зон столбчатых и равноосных кристаллов. В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей. Однако места стыка столбчатых кристаллов обладают малой пластичностью. Ввиду скопления большого количества неметаллических включений и при последующей горячей обработке (ковка, штамповка) в этих местах могут получаться трещины. Поэтому для малопластичных металлов (в том числе и для стали) нежелательно развитие транскристаллизации. Для пластичных сплавов и металлов (Cu, Al и др.) развитие транскристаллизации желательно.

Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся. Залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, поэтому образуются пустоты, называемые усадочными раковинами. Раковины могут быть либо сконцентрированы в одном месте, либо рассеяны по всему объему слитка.

В хорошо раскисленной [раскисление – процесс удаления из сваренной стали О₂, которая присутствует в виде FeO] отлитой в изложницу стали, усадочная раковина образуется в верхней части слитка и в объеме всего слитка содержится малое количество газовых пузырей и раковин. Сталь, недостаточно раскисленная, так называемая кипящая, содержит раковины и пузыри во всем объеме.

Спокойная сталь, т.е. раскисленная Mn, Si, Al с концентрированной усадочной раковиной, лучше стали кипящей, раскисленной только Mn. Однако и кипящие стали имеют применение, т.к. они дешевые и их производство дает меньше отходов.

В спокойном металле в отходы идет верхняя и нижняя части слитка, а раковины и пустоты, равномерно распределенные по объему слитка кипящего металла, при прокатке завариваются.