Файл: Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали.pdf

ляем ы х

постепенно путем переплава р асхо д у ем ы х

эл е к ­

тродов,

более благоприятны ,

то

это связан о

преж д е

всего с

изменением протяж енности д в ухф азн ой

(пере­

ходной) области . Значение ее для

ф орм ирования

ст р у к ­

туры слитка подчеркивается

у ж е тем ф актом , что

им ен ­

но в ней и только в пей осущ ествляется

процесс

н а п р а в ­

ленного затвердевания.

зоны

м ож но

считать

П ередней границей двухф азн ой

изотерм у ликвидус сп л ав а , вслед

за которой п р о д ви га ­

твердого м еталла

эта

зона

ограничена

изотермой

конца

затвердевания, часто

не совпадаю щ ей

с

равновесной

тем пературой соли дус. В

целом

д в у хф а зн а я

область

представляет

собой

совокупность

осей

дендритов (п ер ­

вичных, вторичны х

и

т.

д .)

II

н аход ящ егося м еж д у

ни­

ми маточного р аствор а .

Д о л я

твердой

ф азы по глубине

двухф азн ой зоны

меняется

от

0 до

100% , одноврем енно

увеличивается

и содер ж ан и е

л пквн рую щ н х

примесей

в незатвердевш ем

остатке маточного раствор а .

всего

П ротяж ен н ость

двухф азн ой

области

лучш е

исследовать путем

измерения

тем пературы

затвер д е ­

ваю щ его м еталла

в

ряде точек с последую щ им

опреде­

лением тем пературы

конца

кристаллизации

на

о б р а з ­

ц ах , вы резанны х

из

соответствую щ их

зон

слитка

[7 3 ].

Т ем п ер атура

н ачала

кристаллизации

н адеж н о

оп р ед е ­

ляется в этом

случае

по

площ адке на

кривой

о х л а ж д е ­

ния, снятой во время затвердевания.

д в у х ­

М о ж н о так ж е

непосредственно

обн ар уж и ть

ф азную область в слитке путем ввода

в

пего

добавок

с разной плотностью и тем пературой плавления .

П о д о б ­

ные опыты ц елесообразн о , по-ви дим ом у, проводить

на

сли тках, в которы х

имею тся горизонтально р асп о л о ж ен ­

ке В Д П

при

добавке в него сернистого ж ел еза

или

о д ­

новременно

сернистого

ж ел еза

и свинца

п олучали

к а ­

чественно

различную

картину

па

серном

отпечатке

(рис.

4 2).

В

осевой части

слитка

с добавкой

свинца

сера

расп р остр ан и лась

значительно

гл у б ж е ,

чем

без

него,

и

сам

хар актер ее распределения

показы вает,

что

в данном

сл учае заф и к си р ован а ,

по

крайней

м ере

ч а ­

стично,

д в ухф азн ая зон а.

С л ед у ет

отметить

т ак ж е ,

что

граница распространения серы и без

добавки

свинца

проходит

внутри двухф азн ой области .

О б

этом

м ож но

судить

по

полож ению

частицы

вольф р ам а

на

рис. 42, б,

либо

д ан н ы х , позволяю щ их

судить о том , какая именно

чисть

дв ухф азн ой

области о бн аруж и вается описанны ми

сп о со бам и .

области

зави сят

условия

О т ш ирины двухф азн ой

протекания

ряда

процессов,

соп р овож даю щ и х

кр и стал ­

ли заци ю . К

этим

процессам

относятся:

питание

ж идким

Р и с . -12. Ф р а гм е н т ы

се р н ы х о т п е ч а т к о в сл и тк о в

В Д П

с ф и к си р о в а н н ы м ф р о н т о м

а

з а т в е р д е в а н и я :

б

— д о б а в к а се р н и ст о го ж е ­

— д о б а в к а в ж и д к у ю в а н н у се р н и ст о го ж е л е з а ;

л е з а , в о л ь ф р а м а и св и н ц а

м еталлом

усадочн ы х

микропустот,

развитие

зональной

неоднородности вследствие диф ф узии

примесей в о б ­

ласть ж и дкого

состояния.

Н о

наиболее

сущ ественны м

является то, что в совокупности с линейной

скоростью

ш ирина

дв ухф азн ой

зоны

определяет

п родолж и тель ­

ность

перехода

м еталла

из

ж идкого

состояния

в

твердое, т.

е.

продолж ительность

кристаллизации

ткр.

Э тот парам етр представляет собой

п ром еж уток времени

от появления

в данном ограниченном объем е

м еталла

ема

[36]

'.

В литературе по стальном у слитку с понятием « п р о ­

долж ительность кристаллизации », обы чно

связы ваю т

время от заливки

м еталла

в

и злож н и ц у

(ф орм у)

до

полного затвердевания слитка или отливки.

Э т а х а р а к ­

теристика

относится к слитку

в

целом

и

если

по

ней

и м ож но судить в

какой-то

степени

о кристалли заци и

м еталла

в отдельных частях

слитка,

то лиш ь постольку,

поскольку врем я затвер д е ­

вания

к аж д о го

отдельного

участ ка

не

м ож ет

превы ­

ш ать

общ его

времени

з а ­

твердевани я. Терм ин

« п р о ­

долж ительность

кр и сталл и ­

зации

м еталл а »

х ар ак т ер и ­

Р и с .

43.

С х е м а т е п л о в ы х п о т о ­

зует

кинетику

п роцесса в

данной точке сли тка.

что

к о в

н а

г р а н и ц а х

д в у х ф а з н о й

С л ед ует

зам етить,

I

I I

этот

п арам етр

лучш е всего

о б л а с т и :

III

— д в у х ф а з н а я

— р а с п л а в ;

описы вает и скорость

со б ст ­

о б л а с т ь ;

— тв е р д ы й

м ет ал л

венного

процесса

кр и стал ­

ла из ж и дкого

состояния

в

лизации — перехода

м етал ­

твердое

в дампом

участке.

В ели чи н а, обратная продолж ительности

кр и стал л и за ­

ции,

представляет

собой

средний

прирост доли

твердой

Н е

за д ав а я сь

целью

представить

полное

количест­

венное

описание

ширины

двухф азн ой

области

и св я за н ­

ной с

ней продолж ительности

пребы вания

м еталла

в

д в ухф азн ом

состоянии,

приведем

некоторы е

соотнош е­

ния, позволяю щ ие судить

о влиянии

на

оба

эти

п а р а ­

метра

основны х

ф акторов

процесса — линейной

ск ор о ­

сти затвердевания ш л

и

тепловы х

потоков на

гр ан и цах

двухф азн ой

области

с

ж и дки м

(qn)

и

тверды м

q

qK(

K)

м еталлом (рис. 4 3 )12.

Р азн ость

этих д в ух

потоков

—

qn

представляет собой скорость эф ф ективного отвода

теп ­

ла из

двухф азн ой зоны ,

контролирую щ его в

свою

оче­

редь скорость кристаллизации .

П р о ц е сс затвердевания

при В Д П

в

основном квази-

стац п он ар еп ,

т.

е.

условия

протекания

его

в данном

се ­

чении

слитка

остаю тся

неизменными.

Э то

позволяет

воспользоваться

результатам и

ан али за ,

выполненного

для одном ерной

модели

двухф азной

зоны ,

пер ем ещ аю ­

щ ейся вдоль слитка с постоянной скоростью .

Тепловы е

потоки

qa

и

qK

мож но вы разить через

соот­

ветствую щ ие градиенты

температуры

G u

и

GK

(для

еди ­

ничной п лощ адки

q = XG).

Т огда

ш ирина двухф азн ой

зо ­

ны б,

как показал

приближенный

анализ,

определяется

только

тем пературны м

интервалом

затвердевания

іп

tK

—GK

и соотнош ением

тем пературны х

градиентов

G H

н

ö = Й| ---

і

к

(39)

Э т о выражение,

Gu —

GK

н в

ином виде:

м ож но

представить

б =

(------ (40)

из ж и дкого

где %—Gu/GK— доля тепла,

поступаю щ его

м еталла в д в ухф азн ую зону, в общ ем

теплоотводе из

этой зоны .

раметром

1

і и X

а его зависим ость от %, представлен ­

в,

ная на рис.

44,

свидетельствует о том , что с увеличени ­

явно при м ал ы х

%.

П р и прочих равны х услови ях различная интенсив­

ширины двухф азн ой

области и от этого п ар ам етр а .

К о м ­

бинируя вы раж ения

(35)

и (39), получим :

(41)

6 =

—

l n

f 1 +

^

(iC z iü

Юл

V

Он

а *

И з

этой

формулы следует, что зави си м ость от дол До­

вольно

слож н а и что

при данной

скорости

увеличение

градиента

G „ ведет к

уменьш ению

ш ирины

двухф азн ой

зоны . Влияние обоих ф акторов показано на

рис.

45. Н е ­

смотря

на

неизбежны е неточности,

связанны е с

исполь-

ратуры м ож ет быть значительно

меньш е, чем

в обычном

процессе ф орм ирования

слитка

в излож нице. И м енно

в этом состоит главное

преим ущ ество условий

затвер д е ­

вания м еталла при вакуум ной дуговой плавке.

влечет за

Ум еньш ение ширины

двухф азн ой области

собой

и сокращ ение продолж ительности кристаллизации

м еталла ткр, п оскольку

ткр = —

.

И сп ол ьзуя

ф ор м улу

(4 1),

получим :

wn

ЙI

tK

(42)

"Т-кр) 1

GH

а *