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.

Рис. 2.7. Изменение размеров твердой частицы при ее росте в переохлажденном расплаве (Т₁ - температура ликвидус; Т_p - 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