МОДИФИЦИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ОТЛИВОК

Сущность процесса, виды модифицирования

Модифицирование это процесс направленного изменения структуры литого металла или сплава под воздействием малых количеств (~до 0, 1 %) специально вводимых добавок или физических методов об работки жидкого и кристаллизующегося расплава.

В соответствии с термодинамической теорией кристаллизации металлических сплавов при каждой конкретной температуре предпочтительность образования и устойчивость фаз определяются изменением энергии Гиббса системы (Δ G). Чем меньше величина Δ G, тем устойчивее фаза. Чтобы начался процесс кристаллизации, необходимо охладить расплав несколько ниже равновесной температуры кристаллизации (см. рис. 3.6). Величина критического переохлаждения Δ t будет определяться разностью между t_кр и фактической температурой кристаллизации и для каждого модификатора будет разной. Метастабильное состояние фаз и скорость зарождения центров кристаллизации можно регулировать, изменяя величины поверхностного натяжения на границе жидкость — твердая фаза σ _ж-тв и Δ t за счет введения в расплав стали инородных твердых частиц и растворимsх поверхностно-активных примесей модификаторов.

Различают две группы модификаторов.

К первой группе относят вещества, которые образуют в расплаве высокодисперсную взвесь. Частицы этой взвеси служат зародышами кристаллизации, вокруг которых образуются и растут кристаллы. Такими модификаторами могут быть тугоплавкие металлы или их соединения, частицы которых находятся во взвешенном состоянии в предкристаллизационный период. К этим модификаторам предъявляются следующие требования:

- температура плавления модификаторов должна быть выше температуры заливки стали;

- кристаллографическая решетка основного элемента модификатора или его соединения с элементами, входящими в состав стали, должна обладать структурным соответствием к решетке железа;

- плотность модификатора должна быть близкой к плотности расплава, чтобы предотвратить его всплывание;

- модификаторы должны хорошо смачиваться расплавом.

Ко второй группе относят поверхностно-активные вещества, способные адсорбироваться на поверхности растущих кристаллов и тормозить их рост. Адсорбция происходит на гранях неравномерно. В результате задерживается развитие отдельных граней кристалла, что приводит к изменению его формы. Кроме того, замедление скорости роста кристаллов сопровождается увеличением количества центров кристаллизации, что также способствует измельчению структуры.

К этим модификаторам предъявляются следующие требования:

— неограниченная растворимость в расплавах железа;

— нерастворимость (или чрезвычайно малая растворимость) в твердой фазе, коэффициент растворимости близок к нулю;

— высокая вязкостная активность;

— способность образовывать тугоплавкие соединения с элементами и примесями, входящими в состав стали, которые отвечали бы принципу структурного соответствия;

— способность повышать поверхностную энергию жидкой фазы и снижать ее на границе твердой и жидкой фаз:

σ _ж-тв = σ _т - σ _ж (3.4)

В этом случае снижается величина работы на образование трехмерного зародыша и уменьшается величина его критического радиуса.

По механизму воздействия на структуру стали модифицирование можно разделить на три вида.

1. Измельчение структуры достигается за счет образования в жидкой стали дополнительных центров кристаллизации путем введения в расплав готовых тугоплавких зародышей или путем их образования в самом расплаве, например TiN, ZrN, TiCN и др.

2. Измельчение структуры за счет ограничения роста кристаллов при введении в жидкую сталь поверхностно-активных элементов. для сталей такими широко применяющимися элементами являются: В, Мg, Са, Ва, Y, La, Се. Как правило, их вводят в виде ферросплавов и лигатур, например: ферробор, ферроцерий, силикокальций, алюмосиликобарий, соединений железо — кремний — магний кальций редкоземельные элементы и др. После заливки металла в результате переохлаждения об разуются твердые частицы — зародыши, вокруг которых начинают расти кристаллы. Отсутствие или незначительная растворимость модификатора в твердой фазе приводит к тому, что вокруг нее формируется оболочка жидкости, обогащенная элементами модификатора. При этом вязкость расплава оболочки существенно возрастает, что снижает скорость диффузии атомов железа к зародышу:

D = kT / (4π η r_э),

где D - коэффициент диффузии железа; постоянная Больцмана;

Т — температура расплава; и коэффициент динамической вязкости;

r_э — радиус атома модификатора.

Увеличение коэффициента динамической вязкости снижает коэффициент диффузии атомов железа.

Одновременно t_л расплава оболочки снижается из-за повышения концентрации элемента модификатора. Рост кристаллов приостанавливается, и необходимо дополнительное переохлаждение для продолжения кристаллизации. В жидкой фазе возникают новые зародыши.

В жидкой фазе возникают новые зародыши. В результате такого поэтапного процесса структура металла в отливке измельчается.

3. Модифицирование неметаллических включений. Введение в жидкую сталь таких модификаторов позволяет одновременно воздействовать на природу оксидов, сульфидов, нитридов и более сложных включений. В углеродистых, легированных литых сталях и отливках из них наблюдается корреляция изменения пластических и прочностных свойств под влиянием модификаторов на состав, форму, размеры, количество и распределение сульфидных, оксидных, оксисульфидных, нитридных, фосфидных и других неметаллических включений. Устранение пленочных включений, их глобуляризация и устранение локальных скоплений приводит к повышению пластичности, ударной вязкости и ряда других свойств отливок. Наиболее широко для этого применяются Са, Мg, Ва, Се, Тi, Lа, Y.

Наилучшие результаты по благоприятному изменению структуры достигаются при сочетании всех видов модифицирования, что возможно при обработке стального расплава модифицирующими комплексами, например: Тi – В - Са, Тi – Се - B, Мg—Zr—Се, Тi - V - Са и др. При этом влияние модификаторов проявляется одновременно в уменьшении величины зерна, измельчении ветвей и самих дендритов и фазовых составляющих сплава, модифицировании неметаллических включений.

Модификаторы вводят в расплав стали перед ее выпуском из плавильного агрегата, во время выпуска под струю металла или в ковш при заливке стали в форму. В зависимости от вида модификатора можно использовать любой из способов. Однако следует иметь в виду, что модификаторы обладают высоким сродством к кислороду. Поэтому их нужно вводить в хорошо раскисленную сталь. Часто процессы раскисления и модифицирования совмещают. При этом учитывают расход модификатора на раскисление стали.

Термодинамически активные модификаторы (Са, В, Тi, Се, Lа, Y, Zr, Мg, Ва и др.) и их комплексы вводят перед выпуском стали из печи или при сливе ее в ковш. Выбор способа ввода зависит от условий производства.

К физическим методам модифицирования относится обработка кристаллизующегося расплава ультразвуком, вибрацией, электромагнитным полем.

• Ультразвук (диапазон колебаний от 5*10³ до 10⁶ Гц) уменьшает среднюю величину зерна, устраняет дендритную структуру, снижает ликвацию, повышает однородность структуры, измельчает и перераспределяет неметаллические включения. Однако сложность аппаратурного оформления затрудняет использование этого метода в промышленных условиях.

• Вибрация (частота от 1 колебания в секунду и выше с переменной амплитудой) способствует удалению газов из расплава и получению однородной структуры, разрушает крупные дендриты в процессе затвердевания отливки, снижает ликвацию. Для разработки стабильной технологии этот метод нуждается в дальнейших исследованиях, так же как и другие методы физического воздействия на кристаллизующийся металл.

⇐ Предыдущая 12 13 14 15 161718 19 20 21 Следующая ⇒