Теория и практика использования внешних воздействий для обработки расплавов

Согласно заключению, сделанному Я.И. Френкелем и впоследствии многократно экспериментально подтвержденному, расплавы по своим свойствам и строению гораздо ближе стоят к твердым телам, чем к газам, особенно при температурах, близких к температуре кристаллизации [1].

Однако в отличие от кристаллических тел, обладающих дальним порядком, основной характеристикой структуры жидкости является ближний порядок, т. е. наличие микроскопических объемов (кластеров), в пределах которых частицы располагаются упорядоченно. Теория кластеров рассматривает расплав как сочетание двух структурных составляющих: кластеров и разделяющей кластеры бесструктурной «разупорядоченной» зоны с хаотическим расположением частиц, как правило, более «рыхлой».

Кластеры и бесструктурная зона термодинамически неустойчивы и в результате флуктуации энергии они непрерывно локально «перерождаются» друг в друга. Но соотношение объемов, занимаемых кластерами и разупорядоченной зоной, для каждой температуры постоянно.

Продолжительность жизни кластеров велика по сравнению с продолжительностью цикла колебаний частиц в жидких металлах (10–14–10–13 с), а их размеры на несколько порядков превышают размеры атомов [1]. При снижении температуры расплава до кристаллизационной, кластеры участвуют в процессе кристаллизации, играя роль готовых зародышевых центров.

Таким образом, физико-механическими свойствами сплава, которые формируются в предкри-сталлизационный и кристаллизационный периоды, определяются эксплуатационные характеристики литых заготовок. А значит, воздействием на структуру и свойства расплава возможно получение металла с заданными свойствами.

На сегодняшний день существует большое количество способов внешнего воздействия на расплавы, с помощью которых можно управлять литой структурой [2]. Все их можно разделить на две группы: химические методы и физические методы.

Химические методы объединяют совокуп- ность методов управления, связанных с изменением состава сплава, т. е. дополнительным вводом компонентов (легирование и модифицирование), либо удалением вредных примесей (рафинирование). В особую вспомогательную группу отнесены защитные методы, которые непосредственно не влияют на литую структуру, а лишь способствуют стабилизации качества путем сохранения результатов воздействия.

Физические методы включают воздействия, осуществляемые за счет энергетического взаимодействия системы (сплавов) с окружающей средой без изменения химического состава сплава. Физические методы воздействия в зависимости от вида энергоносителя можно разделить на следующие группы: тепловые; барометрические; гравитационные; механические; электромагнитные; высокоэнергетические (корпускулярные).

При выборе модифицирующих добавок мы остановились на барийсодержащих. И тому есть основания.

Если обратиться к существующим механизмам воздействия модификаторов, то можно отметить три из них:

• 1.    Увеличение в расплаве неметаллических включений, которые могут служить центрами кристаллизации. Если эти включения находятся в физическом, химическом и структурном соответствии с основным металлом, то они оказывают инокулирующее действие.

• 2.    Адсорбция элемента-модификатора на поверхности раздела фаз кристалл– расплав (вследствие чего происходит замедление скорости роста кристалла).

• 3.    Связан с низкой предельной растворимостью модификатора в железе (при этом, чем меньше растворимость элемента, тем при меньшей его концентрации проявляется модифицирующий эффект).

Эффективность бария высока с точки зрения двух из указанных механизмов. Во-первых, он из всех ЩЗМ металлов имеет наименьшую растворимость в железе, а во-вторых, обладает сильным воздействием на электронное состояние жидкой стали [1].

В ра боте ис с л е дов а л а с ь стру к т ура м одиф ик атора БСК- 2 и н и зко у г л ерод и стой с та ли посл е м одифицирования БСК-2.

О б раз цы м одиф икатора д л я ис с л едо ваний ш л и фов а ли сь на на жда чно й б ум аге и пол иров ал ис ь на м окром сук не бе з ис пол ьз ов ан ия суспе нзи й, в о избе ж ание попа дан ия по л ир у ющ их ча с т и ц на н е ров нос ти пов е р х нос ти и з ат ру дн ени я хим ич еского анализа структуры.

Ми кро с тр у к ту ра иссл едовала с ь на о п т ичес ко м мет а лл о гра ф и че ском ми кроско пе Axi o Ob se r v e r D1 фирмы Carl Zeiss и рас тров ом эл е ктронном м икроскопе JEOL JSM-6460LV.

Рис. 1. Дендритное строение БСК-2, х 30

С тр у кту ра обра з ца м одифи ка тора БС К-2 имеет явно в ыра ж е н ное дендр и тное с трое н ие и с ос т оит из двух фаз (рис. 1).

Каждая из указанных фаз имеет однофазные и двухфазные участки.

Темные одно- и двухфазные области не содержат бария и стронция, основные элементы O, Si, K, Al, Fe. В двухфазных областях темной структурной составляющей, в отличие от однофазной, снижается количество Si и О, увеличивается содержание Ca и Fe. Полностью исчезает Al и K, но присутствуют Na и Mg. Химический состав участков темной структурной составляющей представлен в табл. 1.

В оставшихся элементах структуры (однофазной светлой области, темных включениях в светлой фазе) присутствуют Ba, Sr, Ca, O, C.

Химический состав указанных областей приведен в табл. 2–3.

Помимо темных Ca-Sr-Ba включений в светлой фазе встречаются выделения светло-серой фазы с повышенным содержанием стронция (≈ 30 %). Эти выделения имеют различные форму и размеры и равномерно распределены в светлой фазе (рис. 2).

Очевидно, что светлая фаза преимущественно содержит элементы, имеющие низкие температуры плавления и кристаллизуется по более сложному механизму. Ввиду этого представляло интерес рассмотреть распределение основных элементов в этом участке структуры детально. Для этого на растровом электронном микроскопе с микроанализатором JSM-6460 LV было проведено сканирование по линии. Результаты представлены на рис. 3.

Химический состав темной фазы модификатора БСК-35, мас. %

Таблица 1

О

Al

K

Si

Ca

Fe

Уча с ток с тр у кт уры од нофа з ный

47,55

46,38

Среднее, мас. %

6,59      15,63     25,12     0,52      4,58

6,80      16,88     26,15       –       3,79

46,97

6,70      16,25     25,64     0,26      4,19

Окончание табл. 1

Участок структуры двухфазный				С	О	Na	Mg	Si	Ca	Fe
		jL*rjflM
				11,64	44,00	3,09	2,05	13,13	13,97	12,11
	у Г 1
	20ки      Х38 500мт		09 55 BES В
if	^	ИШ&А . в®! [V	ДР -’	9,21	40,73	3,51	2,83	17,73	10,44	15,56
	20к	и      X50 500Mm	10 55 BES В
Среднее, мас. %				10,43	42,37	3,3	2,44	15,43	12,21	13,84

Таблица 2

Химический состав светлых однофазных участков, мас. %

			Ca	Sr	Ba	C	O
		1	15,93	8,11	32,11	13,79	30,05
		2	16,73	8,61	33,41	12,47	28,78
1 '^L/ "	6	3	13,92	5,81	41,87	12,42	25,99
В 20kU      Х30 500Wm	09 55 BES 1
Среднее содержание элементов в однофазной области, мас. %			15,53	7,51	35,80	12,89	28,27

Таблица 3

Химический состав темных включений в светлой фазе, мас. %

		Ca	Sr	Ba	C	O
	1	36,54	6,55	3,23	12,35	41,33
	2	37,75	5,88	2,81	12,61	40,96
	3	31,35	5,11	2,05	15,08	46,41
1 20kU     Х500 50мм      09 55 BES В
Среднее содержание элементов в однофазной области, мас. %		35,21	5,85	2,70	13,34	42,9

Рис. 2. Выделения темно-серой и светло-серой фаз

Кальций

Барий

Рис. 3. Линии спектров основных компонентов светлой фазы

Т а ким обра з ом , м ож но п ре дпол ожить, ч то темная, кремнийсод ерж ащая фа з а им е е т бол е е в ысок ую те мпе ра т ур у п л а вл е н ия и крис тал лизу е тс я в пе рв у ю оче ре дь. С в етл ая ж е с тр у кт у рная с ос та вл яюща я, с оде рж а ща я 3 ра зл ич ные фа з ы, крис талл изу ется по эв тект иче с кому м е х аниз му с обра з ованием тройной эвтектики.

Исследованный модификатор БСК-2 использовался при проведении опытной плавки 10 кг стали 20. Измельченный модификатор в количестве 10 г вводили в расплав перед разливкой, перемешивали и отбирали стержневые пробы через 3 и 12 минут. Пробы диаметром 5 мм охлаждались в во- де. Неметаллические включения исследовались на нетравленых шлифах.

Общий вид наиболее типичных участков структуры образцов представлен на рис. 4.

Следует отметить наличие в первом образце грубых, немодифицированных включений корунда, содержащих Mn и Si , во втором образце преобладают модифицированные включения этого типа.

Размер включений, содержащий Ba, в обоих образцах не превышает 2 мкм. В обоих случаях барий присутствует во включениях одного типа, содержащих помимо бария O, Al, Mn, Mg (рис. 5).

а)

б)

Рис. 4. Неметаллические включения в образцах стали 20: а – через 3 мин; б – через 12 мин после ввода модификатора

а)                                                                    б)

Рис. 5. Формы барийсодержащих включений в образцах: а – через 3 мин; б – через 12 мин после ввода модификатора

Рис. 6. Внешний вид сложных включений

В обра з це , отобра нном че р е з 12 м ин ут пос л е ввода модификатора, отмечено нал и ч и е н о во г о т и па вк лю ч ени й , вн ешн ий вид к о т о р ы х п р е д ст авлен на р и с. 6. Ц ен т р аль н ая ч асть в к лю ч ен и я ( свет лая )

представляет оксосульфид, содержащий Mn, S, Si, Al, O, P. Оболочка включения – практически чистый оксид Al 2 O 3 .

Таким образом, можно отметить следующее:

• 1.    Модификатор изначально имеет грубое дендритное строение, следовательно, для достижения наилучшего модифицирующего эффекта целесообразно его максимальное измельчение.

• 2.    Сравнительный анализ образцов свидетельствует об уменьшении количества и размеров неметаллических включений при увеличении продолжительности выдержки после модифицирования.

• 3.    Включения с барием обнаруживаются во

всех исследуемых образцах; включений, содержащих стронций, не обнаружено.