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

вы ш ает равновесную .

Таки е изменяю щ иеся

условия воз­

м ож ны , в частности ,

у

верш ин

первичных

осей депдри-

тов, о б р азу ю щ и х

фронт затвердевания (в том см ы сле, в

каком мы его рассм атр и вал и до сих п ор ).

П р о д в и ж ен и е

этих

вершим

в

глубь р асп л ава обычно

контролируется лиш ь

скоростью

отвода тепла.

О б

этом

сви детельствует хотя

бы то обстоятельство, что

коэф ф и ­

циент

затвердевания

/г в известном уравнении

к вад р ат ­

ного

корня

х2= Іг

т

(х

— толщ ина затвердевш его

слоя;

%■

порядок с коэф фициентом

тем пе­

— врем я) имеет одни

ратуропроводности

металлов (0,1

см 2/ с). В

то ж е

время

боковой рост тех ж е осей деидритов

контролируется

пре­

им ущ ественно

не отводом тепла,

а

м ассопереиосом .

Д о ­

казательством

м ож ет служ ить то,

что толщ ина

осей деп-

дритов т ак ж е

описы вается законом

квадратного

корня,

но коэф ф ициент

k

в этом сл учае

на

несколько

порядков

меньш е и близок по

величине

к коэф ф ициентам д и ф ф у ­

зии атом ов в ж и дки х м еталл ах

[64,

75].

в неоди­

П ри чи н а такого

различия, вероятно, кроется

ла ф аз

у верш ины и у боковой грани оси дендритов.

П е р е д

верш иной,

скорость продвиж ения которой

на не­

сколько порядков

превы ш ает скорость ди ф ф узи и ,

не со ­

зд ается

какого бы то ни было концентрационного

уплот­

верш ина оси не о каж ется в области ,

где тем пература м е­

тал л а

превы ш ает точку ликвидус.

В этом сл учае неиз­

б е ж н а ,

по крайней

мере, кратковрем енная остановка

р оста,

необходим ая

для того, чтобы

тем пература м етал ­

В

ходе дальнейш его

анали за мы попы таем ся д о к а ­

зать,

что тем п ература, при которой затвердевание м ож ет

возобновиться

д а ж е после

кратковременной

остановки ,

сущ ественно ниж е

тем пературы , при которой

эта о ст а ­

новка

п рои зош ла.

Д е л о

в

том , что если непрерывный

рост

верш ины

дендрита

осущ ествляется из

р асп л ав а

8*

115

шиной возникает такой ж е обогащ енны й прим есям и

по ­

граничный слой, как и перед боковыми граням и

(рис.

4 8).

Возникновение

концентрационного

уплотнения

в этом

сл учае следует

из представления о

ф луктуи рую щ ей

гр а ­

атом ам и м еж д у

твердой

и ж и дкой

ф азам и

атомы

разного

сорта о к азы в аю т ­

ся

неравноценны м и .

В е ­

роятность

возвращ ения

атом ов

примеси

с к о эф ­

фициентом

из

р асп р ед ел е ­

ния

<

1

р асп л ава в

пР риос д. о л48ж .а ю щВ еермшс яи н ар о стд еен д р(аи)т а и приво

кристалл м еньш е,

чем для

атом ов

основного

ком п о ­

в р е м я о ст а н о в к и (б ) ( з а ш т р и х о в а н

нента.

П о этом у па

о ст а ­

п о гр а но иб оч гнаыщйе н нслы ойй п ржиимдексяо йм и )ф а з ы ,

новивш ейся

границе

р а з ­

дела ф аз

долж ен

идти

процесс

разделения

ком ­

та (ш ирина обогащ енной зоны

не

играет

сущ ественной

роли)

приведет к том у, что ее

рост

не

см о ж ет возобн о ­

виться при лю бом , сколь угодно

м ал ом ,

сниж ении тем п е­

ратуры

относительно тем пературы

остановки . П о т р е б у ­

ется некоторое соверш енно определенное

п е р е о х л а ж д е ­

ветствую щ ей ем у

равновесной

тем пературой

ликвид ус.

П о сл е

того,

как эта тем пература будет дости гн ута, вер ­

шины депдритов вновь начнут п родвигаться ,

пока не о к а ­

ж у т ся

в области ,

где тем пература превы ш ает точку л и к ­

видус

сп л ав а .

П о сл ед у ет

новая о стан овк а ,

и

весь

цикл

повторится.

сл у ч ая

постепенного

н аплавления

Т акой процесс д л я

слитка

м ож н о

пояснить

с

пом ощ ью

схем ы ,

показанной

на рис.

49.

В

моменты

времени то, т і,

2

поверхность

Т , . . .

ж и дкой

ванны

зан и м ает

полож ения

li0, hu h2,

. . . ,

а р а с ­

пределение

тем пературы

в

слитке описы вается

соответ­

ствую щ им и

кривы ми. П у ст ь

в

момент то верш ина

д ен д ­

рита остановлена на уровне

10

при тем пературе

t0.

Т огда

возобновления

роста м ож н о

ож и д ать

только

после сн и ­

ж ения

тем пературы

до

tn-

О!н о

будет обеспечено

н а п л ав ­

лением

слитка

до

высоты

ц.

Н ач а в ш е е ся

после

этого

Р и с .

49.

С х е м а

п е р и о д и ч е ­

*Псо

с к о г о п р о ц е с с а к р н с т а л л и з а -

цин

п р и

Н;,

н а ­

п о ст е п е н н о м

^

п л а в л е н и и :

1 /,•—1

п о с л е д о -

в а т с л ь н ы с

п о л о ж е н и я

п о -

*5.

*

в е р х п о ст н

в ан н ы

и

вер ш и н ы

§

д е н д р и т а в м о м е н т ы в р е м е -

'■о

пн

Tj*:

t

tQ—

^

t8

J'ncu — т е м п е р а т у р а

п о в е р х н о ст и в а н н ы ;

0,

т е м п е р а т у р а

в ер ш и н ы д е н - 4-

а

д р п т а в м о м е н т о ст а н о в к и и

в о з о б н о в л е н и я р о с т а ;

— и з ­

I,

ho

h,

h,

м е н е н и е т е м п е р а т у р ы в е р ш и ­

4

Расстояние

4 ,

ны д е н д р и т а по м ор с се п р о ­

4 4

д в и ж е н и я

что

равновесная

концентрация

примеси

Е сл и учесть,

C0/k

С0

па границе раздела ф аз в пределе равна для бинарного

сп л а в а

0

[67]

(

— н ачальная

концентрация,

/е0 —

равновесны й

коэф ф ициент р асп р еделен и я ),

то о к аж ется ,

что

возобновления

роста

следует

ож идать

при д о сти ж е ­

нии сплавом в данной точке тем пературы

соли дус.

С л е ­

довательно , расстояние, которое

дол ж н а

пройти

верш и ­

ма

дендрита

м еж д у

двум я остановкам и ,

м ож но

вы чис­

лить по ф орм уле

h =

^5Е _ ,

(45)

где

О,,

интервал

затвердевания

Д/кр— температурны й

(равновесны й ), °

С .

оценки расстояния

П ри годность

ф орм улы

(45)

для

мя

остановки . В то ж е

врем я, ясно,

что

это расстояние

тем

больш е,

чем ш ире интервал затвердевания сп л ава и

чем

меньш е

градиент

температуры

в

ж и дкой части

сл и тка .

приш ли к заклю чению , что при

Т аки м обр азом , мы

поступлению

новых порций

ж и дкого

м етал л а , долж ен

наблю даться

периодический

процесс кристалли заци и .

Н аи бо лее благоприятны е для

осущ ествления такого

п р о ­

ц есса условия

склад ы ваю тся

по всем у

ф ронту зат в

ер д е ­

причиной возникновения р ассм атр и ваем о й

ниж е сл о и с ­

той структуры (послойной кристаллизации )

в сл и тк ах ,

первую попы тку такого

рода. Н аи б о л ее

сущ ественны й

вклад в разр аботку этого воп р оса , как

нам к аж ет ся ,

сд е ­

лали Б . И .

М ед о вар

и М .

М .

К лю ев [7 7 ].

П о их

мнению ,

с которым

нельзя не согл аси ться , периодичность

за т в е р ­

девания свойственна

всем

процессам

постепенного

н а ­

плавления

слитков в кр и сталл и затор ах .

П ри чи н у этого

они видят в том . что такой процесс хар актер и зуется

д и ­

нам ическим

равновесием

м еж д у количеством теп л а,

вн о ­

поддон к р и сталли затора.

В о п р осом ,

не

получивш им д о ­

статочного освещ ения

в

преды дущ и х

р або тах

[77 — 7 9 ],

является происхож дение тех

наруш ений

равновесия теп ­

ловы х

потоков,

которые

вы зы ваю т

остановки

ф ронта.

П р ед п

о л а га л о сь ,

что

одной

из причин

м ож ет

явиться

ления. О дн ак о такое объяснение недостаточно

по сл е ­

дую щ и м

причинам . В о -п ер вы х ,

в усл ови ях,

когда затв е р ­

девание

идет навстречу потоку

тепла

(в

сторону повы ­

шения тем пературы р а с п л а в а ),

вряд ли м ож но

ож и д ать

отвода скры той теплоты в ж и дкую ф азу .

В о -втор ы х, в у с ­

ловиях последовательной направленной

кристаллизации

причинно-следственная связь м еж д у

отводом

скры той

теплоты

и ростом твердой ф азы

вообщ е вы глядит, види ­

возм ож ной

при

достиж ении изотермы ликвидус

сп л ава .

П ояв лен и е

в результате такой остановки

избытка

при­

месны х атом ов

перед верш иной ведет к

том у,

что

для

возобновления

ее роста тем пература м еталла в

данной

точке д о л ж н а ум еньш иться на конечную

величину — до

ствую щ ей концентрации примесей

в обогащ енном слое.

Г Л А В А 5

СТРОЕНИЕ И ДЕФЕКТЫ СЛИТКА

В акуум н ы й

дуговой переплав в

основе своей со дер ­

ж и т целый ряд

предпосы лок получения м еталла с плот­

ной однородной структурой . Э то и

предварительное р а ­

ф инирование р асп л ава от газов и нем еталлических вкл ю ­

по сечению

слитка условий

затвердевания

(при

ум ерен ­

ной плотности т о к а ),

и неизменность состава ж идкой ф а ­

зы в связи

с

непрерывным

разбавлением ее стекаю щ им

с электрода

м еталлом . И з преды дущ их глав следует,

что

при В Д П

возм ож но

т ак ж е

управление отдельны ми

п а ­

рам етрам и затвердевания:

тем пературны м градиентом ,

линейной

скоростью ,

протяж енностью двухф азн ой

о б л а ­

сти и продолж ительностью

пребы вания в

ней

м еталл а.

В се эти преим ущ ества мож но использовать для

у л у ч ­

ш ения

структуры II

свойств

м еталл а, однако непремен­

ным условием этого является предварительное

вы ясне­

ние связи

м еж д у характеристикам и структуры ,

с

одной

стороны ,

и

парам етрам и затвердевания, а

т ак ж е

р еж и ­

мом переплава — с другой .

однородны х

Е щ е

один

аспект

проблемы получения

слитков

методом В Д П состоит в том , что под влиянием

ность, внеосевую

неоднородность и светлый контур .

Д л я

м акроструктуры

слитков, получаем ы х

методом п ер еп л а ­

ва р асходуем ы х

электродов, характерн а т ак ж е так

н а ­

зы ваем ая послойная кристаллизация

(нам к аж ется

б о ­