Observăm că dimensiunea granulelor unui metal influențează puternic proprietățile sale mecanice. Cu cât cerealele sunt mai mici, cu atât rezistența metalului este mai mare, duritatea, vâscozitatea, plasticitatea, limita de anduranță (cea mai mare stres pe care un material îl poate rezista fără a distruge un anumit număr de influențe ciclice). Șlefuirea boabelor scade pragul de fragilitate la rece.
Dimensiunea granulelor este afectată de temperatura de încălzire și de turnare a metalului lichid, de compoziția sa chimică și în special de prezența impurităților.
Formarea spontană a nucleilor pe baza fluctuațiilor de fază poate să apară numai în metal lichid de înaltă puritate la grade înalte de cristalizare supercooling-omogenă.
În metalele tehnice, există întotdeauna un număr mare de impurități diferite (oxizi, incluziuni nemetalice etc.) care facilitează formarea de embrioni. Acest lucru se întâmplă atunci când:
- impuritatea are un punct de topire mai mare decât metalul de bază,
- laturile cristaline ale impurității și a metalelor primare sunt aceleași, iar parametrii laturii sunt aproximativ aceeași.
Cu cat sunt mai multe impuritati, cu atat mai multe centre de cristalizare, cu atat mai fine sunt cerealele. O astfel de formare a embrionilor este numită eterogenă.
Pentru a obține boabe fine, creați centre artificiale de cristalizare. În acest scop, impuritățile speciale, numite modificatoare, sunt introduse în metalul lichid. și procesul în sine - modificare. Aceste impurități, practic fără modificarea compoziției chimice a aliajului, determină rafinarea cerealelor în timpul cristalizării și, ca rezultat, îmbunătățirea proprietăților mecanice.
La lingourile turnate, modificarea este adesea efectuată prin introducerea în aditivii topiți care formează compușii refractari (carburi, nitruri, oxizi) care cristalizează în primul rând. Stând sub formă de particule minuscule, acești compuși servesc ca embrioni (modificatori de primul fel). Al, V, Ti sunt utilizați ca modificatori pentru modificarea oțelului.
Uneori aditivii solubili în metal lichid (modificatori de tipul celui de-al doilea), selectiv adsorbiți pe embrionul cristalin, care reduc tensiunea superficială interfacială și împiedică creșterea cristalitelor. Pentru oțel, acestea sunt elemente de pământuri rare (ytriu, lantanide).
2.4. Structura lingoului metalic
Cristalele formate în timpul solidificării metalului pot avea diferite forme în funcție de viteza de răcire, natura și cantitatea de impurități. Mai des, în procesul de cristalizare sunt formate cristale ramificate (asemănătoare copacilor), numite dendrite.
Creșterea axelor de ordinul întâi se realizează în principal într-o direcție perpendiculară pe planurile cu densitatea maximă de ambalare a atomilor. În același timp, pe aceste axe, aceleași ramuri ale ordinii a doua apar și cresc perpendicular pe ele, la rândul lor, pe axe de ordinul trei. Trebuie avut în vedere faptul că dendritele din oțel constau din multe mii și milioane de boabe.
Structura lingoului turnat constă din trei zone principale. Cristalizarea începe de la suprafața unei forme de răcire și apare în primul rând la suprafața unui strat subțire dintr-un lichid puternic suprapus, adiacent la suprafață. Datorită vitezei ridicate de răcire, aceasta conduce la formarea unei zone foarte înguste de cristale dezorientate relativ mici pe suprafața lingoului. A doua zonă constă din cristalite dendritice (zona de transcristalizare) alungite (coloanate). Creșterea acestor cristaliți are loc în direcția îndepărtării căldurii, adică normal față de pereții mucegaiului. Creșterea succesivă a dendritelor se produce ca urmare a avansării ramurilor de prim ordin în interiorul topiturii și a ramificării acestora. În cazul supraîncălzirii severe a metalului și răcirii rapide, zona 2 poate umple complet întregul volum al lingoului. A treia zonă este cristalite echiaxate. În centrul lingoului, nu există direcționalitate precisă a eliberării de căldură. Temperatura metalului de solidificare este egalizată în diferite puncte, iar "lichidul se transformă într-o stare plină" (DK Chernov), datorită formării de embrioni în diferite puncte ale acestuia. Particulele refractare dintr-un metal lichid contribuie la dezvoltarea unei zone de cristalite mici echiaxate.
Metalul lichid are un volum mai mare decât cristalizat, astfel încât metalul turnat în procesul de cristalizare este redus în volum, ceea ce duce la formarea de goluri, numite cochilii de contracție. Ele pot fi umplute cu gaze solubile în metal lichid, dar sunt eliberate în timpul cristalizării. Într-o oțelă calmă turnată într-o matriță cu o prelungire încălzită, în partea superioară a lingoului se formează o cochilie de contracție. Oțelul fierbinte conține coji și bule în întregul volum.
În mod obișnuit, învelișul de contracție este înconjurat de cea mai contaminată parte a metalului, în care, după solidificare, se formează micro- și macro-bule.
În timpul cristalizării aliajelor, se poate produce segregarea. Lichidarea se numește neuniformitatea în compoziția chimică a componentelor și impuritățile care intră în aliajul format în procesul de cristalizare. Există următoarele tipuri de lichidare:
- Lichidarea dendritică este o neuniformitate în compoziția chimică a componentelor sau a impurităților într-un singur dendrit;
- zona de segregare este o neuniformitate în compoziția chimică a componentelor și impurități în volumul lingoului. În primul rând, cristalele cristalizează relativ pur din impurități, conduc lichidul bogat în impurități în lingou. Astfel, partea centrală a lingoului are o cantitate crescută de impurități. În aliajele de fier-carbon, sulful și fosforul sunt puternic eliminate. Acumularea compușilor de sulf în anumite zone este extrem de dăunătoare, deoarece acestea duc la o concentrație periculoasă de solicitări atunci când forța este exercitată asupra părții, ceea ce provoacă o insuficiență de oboseală instantanee. Datorită segregării fosforului, straturile individuale ale lingoului, îmbogățite cu acesta, au o vâscozitate redusă;
- densitatea se observă atunci când componentele care alcătuiesc aliajul au o mare diferență în greutățile specifice, de exemplu aliajul plumb-antimoniu. Ca urmare a unei densități diferite în aliajul Pb-Sb răcit lent, ca rezultat al lichidării, partea superioară a lingoului este îmbogățită cu antimoniu. Pentru a preveni segregarea prin densitate, aliajul se răcește rapid și, uneori, se adaugă oa treia componentă, care cristalizează mai întâi ca dendrite ramificate, care împiedică stratificarea aliajului.