Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  2.3.5 Явление роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве

Рост свободных частиц в расплаве возможен только в том случае, когда температура поверхности частицы выше, чем температура расплава, а выделенная теплота затвердевания может быть отведена в расплав [147-152]. Фундаментальные положения теории роста кристаллов в расплаве позволяют достаточно полно описывать основные тепловые и диффузионные процессы, происходящие в ходе роста частицы в объеме жидкой ванны. Вместе с тем, по-прежнему, до конца не установлены количественные зависимости между степенью переохлаждения, скоростью роста и формой кристаллов для многокомпонентных сплавов.

В течение всего процесса затвердевания в жидкой фазе слитка существует определенная зона переохлажденного расплава, которая расположена между направленно растущим фронтом затвердевания и зоной равновесной температуры ликвидус. При этом протяженность зоны переохлажденного расплава зависит от тепловых условий затвердевания, физико-химических свойств металла, конфигурации слитка или отливки и пр. С уменьшением величины перегрева (а, следовательно, и с уменьшением температурного градиента перед фронтом затвердевания) растет ширина зоны переохлажденного расплава. Чем шире переохлажденный слой, тем большее количество частиц твердой фазы могут в нем расти. Теплота, выделяющаяся при росте частиц, изменяет распределение температур в зоне переохлажденного расплава и из-за дополнительного потока тепла замедляет продвижение фронта затвердевания. В экстремальном случае переохлажденный граничный слой может занять весь объем жидкой ванны. Можно с уверенностью утверждать, что интенсивное принудительное перемешивание расплава при затвердевании может обеспечивать быстрое снятие перегрева и последующее формирование переохлаждения расплава практически во всем объеме жидкой фазы.

Практические данные по количественным оценкам характера роста частиц твердой фазы в железоуглеродистых расплавах в литературе отсутствуют. Вместе с тем, общие оценки особенностей затвердевания такой частицы могут быть выполнены расчетным путем при принятии определенных допущений. Так, исследования, выполненные Я. Липтоном на математической модели для различных марок сталей [152, 153], позволили установить, что величина радиуса шара (частицы) существенно зависит от величины переохлаждения расплава и крайне незначительно от концентрации (рис.2.7). Этот вывод следует связывать с тем фактом, что высокая начальная скорость затвердевания обеспечивает быстрый рост радиуса частицы. Между тем, скорость после дующего роста радиуса шара существенно замедляется.

Изменение размеров твердой частицы при ее росте в переохлажденном расплаве

Рис. 2.7. Изменение размеров твердой частицы при ее росте в переохлажденном расплаве (Т1 - температура ликвидус; Тp - температура расплава): а - содержание углерода в стали 1%; б - содержание углерода 0,1%.

Таким образом, при затвердевании стальных слитков и заготовок существует принципиальная возможность быстрого роста частиц твердой фазы, что при большом их количестве в локальном объеме может существенно изменить общую картину температурного поля в жидкой ванне и при определенных условиях повлиять на характер затвердевания в целом. При этом источником большого количества частиц твердой фазы может быть, как было показано ранее, дополнительная виброимпульсная обработка, осуществляемая в оптимальных режимах. Соответственно виброимпульсное воздействие при затвердевании можно рассматривать как фактор управления тепловым режимом затвердевания и качеством слитков и заготовок на базе эффектов генерирования и роста частиц твердой фазы в расплаве в совокупности с принудительным регламентированным перемешиванием жидкой фазы.

  2.3.5 Явление роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ