Кристаллизация в слитках непрерывного литья из сплавов алюминия

Исследования, выполненные Кайзером, показали, что условия литья имеют очень большое значение для рекристаллизации алюминия (99— 99,5%). Автор работал со слитками, отлитыми в обычную изложницу, и со слитками непрерывного литья. Он обнаружил, что при определенных условиях металл, отлитый непрерывным способом, рекристаллизуется труднее, чем металл, отлитый в изложницу.

Ауст, Крилл, Моррел в 1952 г. изучали двойникование чистого алюминия при полунепрерывном литье. Они не считают, что двойникование является следствием деформации из-за неравномерного охлаждения внутренних слоев слитка. Причину следует искать в появлении зародышей и в росте кристаллов по предпочтительным направлениям. Большой температурный градиент и высокая чистота способствуют образованию больших двойников. Литая структура с двойниками сохраняется при холодной прокатке и отжиге дольше, чем равноосная литая структура (опыты велись на алюминии 99,2%). Так, для получения текстуры прокатки на материале с двойниковой структурой понадобилось 90%-ное обжатие, а для материала с равноосной структурой оказалось достаточным обжатие в 50%. Литая структура с двойниками рекристаллизуется медленнее, чем равноосная.

Кострон в 1949 г. указал, что «ячеистость» зерен, наблюдаемая в слитках непрерывного литья, находится в тесной связи с процессом затвердевания. Дендриты в общем случае тем тоньше, чем быстрее растет кристалл. На этом основании можно заключить, что для данного сплава величина осей дендритов (ячеистость зерна) является функцией только скорости охлаждения. Однако, с другой стороны, действие легирующих элементов и примесей в сплаве выражается не только в величине зерна, но и в отчетливом изменении его внутреннего строения. В ходе затвердевания слитка определенное влияние на внутреннее строение зерна оказывает также протекание зональной ликвации. Однако в первом приближении для алюминия промышленной чистоты этими факторами можно пренебречь. Если проследить, как изменяется внутреннее строение зерна (вид дендритов) при переходе от наружных слоев к внутренним, то можно приближенно судить о скорости кристаллизации в различных слоях слитка.

Кострон и Шипперс опубликовали свои исследования по этому вопросу в 1953 г. Они показали, что наружный слой толщиной 1 мм имеет исключительно мелкую структуру. При этом мелкими являются сами зерна, а не ветви дендритов. На расстоянии 1 мм от края выявляется отчетливая направленность зерен и дендритов. Эти слои служат началом зоны столбчатых кристаллов. Одновременно внутреннее строение зерна становится более грубым и примерно в 5 мм от края наблюдается интенсивное развитие боковых ветвей дендритов. Появляются крупные, хорошо развитые дендриты с большими боковыми ветвями и перистые кристаллы. На расстоянии 1 мм от края они неожиданно сменяются очень тонковетвистыми дендритами. То, что кристаллы на самой поверхности были очень тонкого внутреннего строения, которое при переходе в глубь слитка огрублялось, а затем скачкообразно вновь стало тонким, является весьма примечательным фактом. Объяснение этому легко найти, если проследить изменение условий охлаждения. Наружная твердая корочка, образовавшаяся в кристаллизаторе, очень быстро отходит от стенок вследствие усадки. Отвод тепла, который был очень интенсивным при непосредственном соприкосновении расплава со стенкой кристаллизатора, резко уменьшается из-за образовавшегося зазора. Когда же слиток выходит из кристаллизатора и начинает непосредственно охлаждаться водой, отвод тепла вновь резко увеличивается. Наружная зона с очень тонким строением образуется при соприкосновении расплава со стенками кристаллизатора. Затем растущий воздушный зазор обусловливает постепенное огрубление внутреннего строения растущих зерен. Когда же слиток попадает под прямое охлаждение водой, дендриты вновь приобретают очень тонкое строение.

Авторы столкнулись также со следующим явлением: на общем фоне зерен с тонким внутренним строением встречаются отдельные участки с очень грубым строением. Было выяснено, что такие грубые участки резко обрываются в направлении отвода тепла (в направлении к краю слитка). В направлении к центру слитка такие участки переходят в своеобразные шлейфы с тонким строением, имеющие часто большую протяженность. Авторы считают, что источником этих образований являются кристаллы, первоначально развивавшиеся во взвешенном состоянии в несколько переохлажденном расплаве. Скорость кристаллизации таких кристаллов значительно меньше скорости роста зерен, развивавшихся от края внутрь слитка. Поэтому в них образуются толстые, грубые, мало разветвленные дендриты. В тот момент, когда взвешенный кристаллит попадает на общий фронт кристаллизации и прирастает к нему естественно, он начинает охлаждаться столь же сильно, как и его соседи. Это приводит к тому, что в дальнейшем росте он приобретает такое же тонкое внутреннее строение, как и прочие кристаллы. Относительно происхождения взвешенных кристаллитов авторы не могут сказать что-либо определенное. Возможно, что ими являются маленькие частицы кристаллов, оторванные от фронта 'кристаллизации потоками металла.

В работе Рота и Шипперса было показано, что при наличии не содержащего газов и окислов расплава качество слитка в очень большой степени определяется также условиями литья. Условия литья, в число которых входит очень много факторов (температура, скорость, способ литья, величина слитка, конструкция кристаллизатора), определяют два главных момента, от которых зависит характер структуры алюминиевого слитка. Этими моментами являются движение расплава во время затвердевания и происходящее при этом изменение температуры. Именно от этого зависит возникновение равноосных, столбчатых или перистых кристаллов. Беспорядочно ориентированные равноосные кристаллы, которые обычно образуются при медленном ненаправленном затвердевании, могут быть получены за счет введения затравок (например, с помощью смеси солей, содержащих бор и титан). Такие же кристаллы возникают в результате очень быстрого затвердевания.

Столбчатые кристаллы появляются при направленном затвердевании и растут в обратную сторону по отношению к отводу тепла. Высокая температура литья и быстрое затвердевание благоприятствуют развитию столбчатых кристаллов, по-видимому, потому, что температура резко снижается до точки кристаллизации и это предотвращает возникновение новых собственных зародышей. Движение расплава также снижает число зародышей. Если поток металла направлен вниз непосредственно на фронт кристаллизации, то возникающие зародыши будут уноситься и растворяться, и столбчатые кристаллы смогут развиваться беспрепятственно. Внесением посторонних зародышей в алюминиевый расплав с помощью малых присадок соединений титана и бора можно предотвратить развитие столбчатых кристаллов.

B настоящее время иногда стремятся получать слитки, не имеющие крупнокристаллической структуры. Авторы работы показывайте что движение расплава при кристаллизации сказывается также на направлении столбчатых кристаллов. Если, например, расплав в кристаллизаторе привести во вращательное движение с помощью электромагнитного поля, то столбчатые кристаллы начинают расти в сторону, противоположную движению потока, и, таким образом, оказываются направленными не перпендикулярно к поверхности, а наклонно к ней. Однако это отклонение от направления отвода тепла является лишь кажущимся. При движении расплава передача тепла осуществляется настолько теплопроводностью, но и конвекцией. Направление теплоотвода определяется этим двумя составляющими, и это направление показывается столбчатыми кристаллами.

С помощью перемены направления движения расплава можно получить зигзагообразно изогнутые столбчатые кристаллы.

Перистые кристаллы названы так потому, что они на макрошлифе действительно напоминают птичьи перья. Они состоят из тонких близколежащих двойниковых кристаллов. Перистые кристаллы встречаются возле столбчатых или равноосных кристаллов. Авторы работы, в противоположность Эренгюэлю, твердо установили, что перистые кристаллы не всегда идут в направлении отвода тепла, а располагаются под некоторым углом к нему. Перистые кристаллы в плоских слитках непрерывного литья образуются тогда, когда расплав из распределительной коробки выходит в горизонтальном направлении под зеркало металла в кристаллизаторе и медленно движется к узким сторонам слитка. Определенная температура литья вызывает полное исчезновение перистых кристаллов. При повышенных температурах литья они распространяются к середине слитка и при достаточно высокой температуре литья занимают все поперечное сечение слитка. Если потоки металла из распределительной коробки направить вниз, то начинают образовываться небольшие столбчатые кристаллы, особенно если температура литья высокая. Перистые кристаллы при этом совершенно исчезают. Применяя низкие температуры литья, соответствующее распределение металла в кристаллизаторе и измельчающие зерно добавки, можно полностью избежать образования столбчатых и перистых кристаллов.

Иногда бывает необходимо получать на круглых слитках из алюминиевых сплавов структуру со столбчатыми или перистыми кристаллами. Если металл подается вертикальной струей, которая омывает фронт кристаллизации, то при этих условиях образуются только столбчатые кристаллы. Если же металл из раздаточной коробки вытекает равномерно во все стороны, то в этих условиях возникают перистые кристаллы (при достаточно высокой температуре литья).

Для образования перистых кристаллов необходимо, чтобы вблизи фронта кристаллизации перемещение расплава было столь же малым, как и перемещение слоя жидкости у стенки сосуда при ламинарном движении. Одновременно необходим достаточно резкий перепад температур в твердой корке, на что указывает также Эренгюель. Относительная неподвижность расплава необходима для того, чтобы не нарушать в нем упорядочения, возникающего уже перед фронтом кристаллизации. Крутой перепад температур не допускает сколько-нибудь длительного пребывания расплава при точке затвердевания, за счет этого предотвращается возникновение зародышей.

Перистые кристаллы могут встречаться также в сплавах Al-Mg, Al-Cu-Mg и Al-Zn-Mg.

В слитках из легких сплавов крупнокристаллическая или перистая структура частично сохраняется при дальнейшей обработке и поэтому в некоторых случаях нежелательна.

На рис. 1650—1652 представлены типичные макроструктуры, описываемые в работе.

Кода, Изоно, Терато провели исследование полунепрерывного и непрерывного литья обычного чистого алюминия с целью изучить влияние условий литья на структуру, плотность и величину зерна. Они отливали круглые слитки диаметром 43 и 47 мм. Было найдено, что перистые кристаллы возникают в результате литья при температуре выше 700°, более низкая температура дает мелкую равноосную структуру, при этом размер зерна уменьшался с повышением скорости литья. Скорость выше 100 мм/сек давала структуру с очень мелкими ориентированными зернами. С возрастанием скорости литья плотность металла снижалась. Литье со скоростью выше 100 мм/мин требовало подачи воды на слиток.

Наилучшим материалом для кристаллизатора оказалась медь (по сравнению со сталью и графитом). Высота кристаллизатора на структуре не сказывалась, но с низким кристаллом работать было легче из-за меньшего трения слитка о кристаллизатор. Величина трения имела значение, так как японские исследователи предполагали изучить влияние смазки.

Ван Горн установил, что прессованные прутки из сплава Al-Gu-Mg после термообработки имеют структуру с большим количеством двойников и резкую неоднородность по механическим свойствам. Наибольший предел текучести в различных направлениях параллельно направлению прессования оказался на 32,5% больше наименьшего значения предела текучести под углом 45° к направлению прессования.

Вытяжка прессованных прутков вызывала рекристаллизацию при термообработке и исчезновение текстуры прессования. У таких прутков прочность на разрыв снижалась до нормального значения для данного сплава и уменьшалась зависимость свойств от направления. В тех случаях, когда в изделиях требуются высокие свойства в продольном направлении, очень выгодно, чтобы это направление оказывалось параллельным направлению прессования. Если текстура прессования обладает предпочтительной ориентировкой, то предел прочности повышается на 35%.

Xyг показал, что введение непрерывного литья вместо литья в изложницы, вызвало значительное изменение свойств, особенно у сплава Al-Мn. Наблюдавшаяся ранее склонность к крупнозернистой структуре на листах при смягчающем или промежуточном отжигах после перехода на непрерывное литье стала массовым явлением. Автор показал, что нагрев слитка до 500—600° перед горячей прокаткой вызывает значительное измельчение структуры. Одновременно облегчается глубокая вытяжка листов.