Строение металлического слитка

Кристаллизация начинается от стенок формы. В направлении отвода теплоты, т. е. перпендикулярно к стенке формы, кристалл растет быстрее, чем в других направлениях. При этом образуются оси первого порядка. Одновременно на их ребрах происходят зарождение и рост перпендикулярных им осей второго порядка, затем третьего и т. д. В результате образуется разветвленный древовидный кристалл, называемый дендритом.
При затвердевании имеет место избирательная кристаллизация, т. е. в первую очередь затвердевает более чистый металл, а границы зерен более обогащены примесями, понижающими температуру плавления. Неоднородность химического состава в пределах дендрита называется дендритной ликвацией. В большей степени, чем другие элементы, ликвации подвержены углерод, сера, фосфор. Зерна (дендриты), образующиеся в стальном слитке, могут иметь различные форму, размеры и ориентировку. Схема строения слитка спокойной стали приведена на рис. 1.

Строение слитка спокойной стали

Рис. 1. Строение слитка спокойной стали

Структура слитка состоит из трех зон: наружной мелкозернистой зоны I, зоны столбчатых кристаллов II и зоны равноосных кристаллов III. Наружная мелкозернистая зона состоит из неориентированных в пространстве мелких кристаллов. Ее образование обусловлено резким перепадом температур: жидкий металл — холодные стенки формы. Металл в этой зоне сильно переохлаждается, в нем образуется большое число центров кристаллизации, и он приобретает мелкозернистое строение. После образования корковой зоны условия теплоотвода меняются, температурный градиент в прилегающем слое жидкого металла падает и снижается степень переохлаждения. В результате из сравнительно небольшого числа центров кристаллизации в направлении отвода теплоты, т. е. перпендикулярно к стенке изложницы, начинают расти столбчатые кристаллы, образующие вторую зону. Развитие их в стороны сдерживается соседними дендритами.
Третья зона — зона равноосных кристаллов. В центре слитка нет определенной направленности отвода теплоты. Здесь зародышами обычно являются различные мелкие твердые частицы, оттесненные при кристаллизации к центру слитка.
Относительное распределение в объеме слитка столбчатой и равноосной зон очень важно. В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, но в местах их стыка он имеет малую прочность. Кристаллизация, при которой зоны столбчатых кристаллов стыкуются, называется транскристаллизацией. Для цветных металлов транскристаллизация полезна, так как металл становится плотнее и при его высокой пластичности трещины при деформации не образуются. Транскристаллизация стали нежелательна, так как на стыке двух кристаллов при деформации могут образоваться трещины (за исключением стали, подвергнутой электрошлаковому переплаву).
Основными дефектами слитка являются усадочная раковина, пористость и ликвация. Усадочная пористость обычно образуется вблизи усадочной раковины и по оси слитка. Образование усадочной раковины и усадочной пористости обусловлено тем, что все металлы, кроме висмута, имеют в твердом состоянии меньший удельный объем, чем в жидком.