Материаловеденье

Несамопроизвольная кристаллизация. В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образу­ющейся структуры в значительной мере зависят от имеющихся центров кристаллизации. Такими центрами, как правило, являются частицы ту­гоплавких неметаллических включений, оксидов, интерметаллических со­единений, образуемых примесями. К началу кристаллизации центры на­ходятся в жидком металле в виде твердых включений. При кристаллиза­ции атомы металла откладываются на активированной поверхности при­меси, как на готовом зародыше. Такая кристаллизация называется неса­мопроизвольной, или гетерогенной. При несамопроизвольной кристалли­зации роль зародышей могут играть и стенки формы.

Наличие готовых центров кристалли­зации приводит к уменьшению размера кристаллов при затвердевании. Эффект измельчения структуры значительно уве­личивается при соблюдении структурного и размерного соответствия (расхождение в межатомных размерах не должно превы­шать 5 — 7 %) примесной фазы с основным металлом, которое способствует сопряже­нию их кристаллических решеток.

В жидком металле могут присутствовать и растворенные примеси, которые также вызывают измельчение структуры. Адсорбируясь на по­верхности зарождающихся кристаллов, они уменьшают поверхностное на­тяжение на границе раздела жидкость — твердая фаза и линейную ско­рость роста кристаллов. При­меси, понижающие поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными.

Измельчение структуры способствует улучшению механических свойств металла. На практике для измельчения структуры металлов и сплавов широко применяют технологическую операцию, называемую мо­дифицированием. Она состоит во введении в жидкий сплав перед раз­ливкой специальных добавок — модификаторов. В качестве последних используют поверхностно-активные вещества (например, бор в сталях, натрий в алюминии и его сплавах), а также элементы, образующие туго­плавкие тонкодисперсные частицы (например, титан, цирконий в алюми­нии и его сплавах; алюминий, титан в сталях). Модификаторы добавляют в сплавы в количествах от тысячных до десятых долей процента.

При увеличении температуры жидкого металла примеси, играющие роль дополнительных центров кристаллизации, растворяются или дезак­тивируются, поэтому повышение температуры жидкого металла перед разливкой приводит к укрупнению зерна при кристаллизации. Наоборот, подстуживание металла перед разливкой до температур, незначительно превышающих температуру плавления металла, способствует уменьше­нию размера зерна. Подстуживание эффективно при наличии примесей (или модификаторов), образующих фазы со структурным и размерным со­ответствием с основным металлом; в этом случае даже после значитель­ных перегревов можно получить мелкое зерно, особенно если удлинить выдержку перед разливкой.

Строение слитка

Строение металлического слитка. Строение стального слитка впервые, в 1878 г., описал Д. К. Чернов. Слиток имеет (рис. 2.16) три характерные зоны.

Кристаллизация жидкого металла начинается у поверхности формы, быстрый отвод тепла определяет большую степень переох­лаждения. Поэтому в слое, прилегающем к стенкам изложницы, в единицу времени в единице объема образуется большое число цент­ров кристаллизации. Это приводит к образованию зоны 1, имею­щей мелкозернистое строение (см. рис. 2.15).

Образование наружной мелкозернистой корки меняет условия охлаждения жидкого металла. Степень переохлаждения уменьшает­ся, поскольку стенки изложницы нагреваются. В этих условиях кри­сталлиты растут в направлении отвода тепла, перпендикулярно стен­кам изложницы, образуя зону 2 — зону столбчатых кристаллитов.

Внутренняя часть отливки — зона 3 — состоит из крупных рав­ноосных кристаллитов. Причинами получения такого строения центра отливки являются малая скорость охлаждения и отсутствие направленности отвода тепла.

Удельный объем жидкого металла больше, чем твердого. Поэто­му в верхней части слитка, которая кристаллизуется последней, об­разуется усадочная раковина — пустота.

Разливка стали

Разливка стали. Это очень важная операция, в большой степени определяющая качество готового изделия. Сталь из печи выпускают в разливочный ковш, а затем  направляют на разливку. Существуют два способа разливки: в изложницы и на установках непрерывной раз­ливки стали (УНРС).

Изложницы — это чугунные формы. Разливка в из­ложницы может происходить сверху или снизу. При раз­ливке сверху сталь заливают в каждую изложницу от­дельно и получают слитки большого сечения (рис. 3.11,а). При разливке снизу (сифонная разливка) одновременно заливают несколько изложниц и получают слитки мало­го сечения (рис. 3.11,6). При разливке стали сверху обо­рудование несложное, но производительность низкая. Поверхность слитка из-за брызг металла не всегда качест­венная. При разливке стали снизу поверхность слитка чистая, но в слиток попадают неметаллические включе­ния, велики отходы металла в литниках.

Рис 3.11. Разливка стали в изложницы: а — сверху: 1 — ковш, 2 — промежуточная воронка,3 — прибыльная надставка, 4 — изложница. б — снизу: 1 — ковш, 2 — центровой литник, 3 — прибыльная надставка, 4 — изложница, 5 -- башмак, 6 - каналы, 7— поддон

Разливка в изложницы имеет ряд недостатков. Каче­ство полученных слитков невысокое, их химический со­став неодинаков, в верхней части слитка получаются Усадочные раковины. Крупные слитки следует предвари­тельно обжимать на черновых прокатных станах, а затем на сортовых станах получают требуемый профиль.

Непрерывная разливка стали на установках УНРС является наиболее прогрессивной и производительной.

Ее осуществляют на вертикальных и радиальных маши­нах (рис. 3.12). Из разливочного ковша 1 сталь (рис. 3.12, а) поступает в промежуточное устройство 2 и оттуда — в водоохлаждаемый медный кристаллизатор 3, дном кото­рого является затравка, или поддон. Благодаря быстро­му охлаждению на затравке и у стенок сталь затвердевает, и образующийся слиток постепенно продвигается вниз и попадает в зону 4 вторичного охлаждения. Далее слиток 5 вытягивается тянущими валиками 6. В нижней части специальными резаками 7 слиток разрезается на части. Вертикальные установки непрерывной разливки стали бывают одно- и многоручьевыми. Высота их достигает 45 м, что на ряде заводов создает неудобства, так как установ­ки не всегда умещаются в габариты цеха. Кроме того, про­изводительность современных конвертеров выше произ­водительности вертикальных установок.

Установки непрерывной радиальной разливки стали существенно производительнее и, кроме того, рассчита­ны на любые габариты цеха (рис. 3.12, б). Металл в такой установке движется как бы по санному полозу: высота установки 10м, длина 40 м. В верхней чисти загнутого полоза находится кристаллизатор 3, напоминающий плос­кий ящик. В него льется из ковша полученная в конверте­ре сталь. Она утопает под тяжестью льющегося металла. В кристаллизаторе сталь охлаждается и покрывается кор­кой, затем она поступает на горизонтальные передаточ­ные устройства, где разрезается на слябы, откуда они транспортируются на склады.

Рис. 3.12. Непрерывная разливка стали:

а — вертикальная; б — радиальная

Установки радиальной непрерывной разливки стали быстро завоевали мировое признание. Они показали воз­можность сочетания таких машин с крупными конверте­рами, вместимость которых достигает 400 т. Короткий цикл выплавки стали в конвертере соответствует времени разливки на машине и, таким образом, обеспечивает условия для непрерывной разливки. Скорость вытягивания слитков на радиальных установках в зависимости от сечения от 5 до 10 м/мин. Их производительность со­ставляет 100-150 т/ч.

Радиальные машины были усовершенствованы, устра­нен их недостаток: слитки разгибались в одной точке. До­бились того, что непрерывный слиток, будучи еще жидким, разгибается постепенно. Это обеспечивает надежность машин и повышает их производительность. Установки Радиального типа проще вертикальных, так как в них отсутствуют изгибающие и отдельно тянущие валки. В усовершенствованных радиальных машинах устранен еще один недостаток — трудность извлечения изогнутого слитка из кристаллизатора.

Доля стали, разлитой непрерывным способом, быстро увеличивается. Перспективной становится организация единого технологического процесса плавка — непрерыв­ная разливка — прокатка.

Слитки непрерывной разливки стали по качеству значительно превосходят слитки, полученные в излож­ницах: они плотнее, мелкозернисты, усадочная раковина может быть только в самом конце разливки, качество поверхности хорошее, слитки не нужно обжимать.

Аморфные металлы

При сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния (> 106°С/с) диффузионные процессы настолько замедляются, что пода­вляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при за­твердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой струк­турой получили название аморфные металлические сплавы (АМС), или металлические стекла. Затвердевание с образованием аморфной струк­туры принципиально возможно практически для всех металлов. В на­стоящее время аморфная структура получена у более чем 200 сплавов и полупроводниковых материалов. Это сплавы легкоплавких, редкоземель­ных (Sс, V, Lа и др.) и переходных металлов. Для образования аморфной структуры переходных металлов к ним необходимо добавлять так называ­емые аморфизаторы (С, Р, В, N, S и др.). При этбм состав аморфного спла­ва должен отвечать формуле Ме80Х20, где Ме — один или несколько пе­реходных металлов, % (ат.); X — элементы, добавляемые для образования и стабилизации аморфной структуры, % (ат.).

Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла (> 106°С/с) для получения аморфной структуры можно реализовать следующими способа­ми:

      катапультирование капли на холодную пластину;

      центрифугиро­вание капли или струи;

      распыление струи газом или жидкостью с высо­кой охлаждающей способностью и др.

Наиболее эффективными способа­ми получения лент, пригодных для практического применения, считают охлаждение жидкого металла на внешней или внутренней поверхностях вращающихся барабанов, изготовленных из материалов высокой тепло­проводности, прокатку между холодными валками металла, подаваемого .в виде струи.

АМС значительно отличаются от своих кристаллических аналогов по строению и, следовательно, по свойствам. В их структуре отсутствует дальний порядок в размещении атомов и характерные особенности структуры поликристаллических сплавов: границы зерен, дислокации и другие дефекты.

АМС на основе железа являются магнитно-мягкими материалами, в которых нет кристаллографической магнитной анизотропии и существен­но снижены потери на перемагничивание. При этом магнитные свойства малочувствительны к механическим воздействиям. Получены магнитные материалы и с высокой магнитной энергией. Они представляют собой соединения редкоземельных и переходных металлов.

По сравнению с кристаллическими аналогами АМС сохраняют из­быточную энергию, которая выделяется при кристаллизации. По этой причине АМС химически активны; коррозионно-стойкими являются лишь сплавы, у которых образуется пассивирующая защитная пленка. Это, впервую очередь, сплавы железа с хромом и достаточным количеством фос­фора и углерода. По сравнению с коррозионно-стойкими сталями эти АМС оказываются более стойкими и для придания им коррозионной стойкости требуется меньше хрома: 8 - 9 % против 13 % в сталях.

Большое практическое значение имеет возможность получения амор­фных металлов в виде ленты, проволоки диаметром несколько микроме­тров непосредственно при литье, минуя такие операции, как ковка, про­катка, волочение, промежуточные отжиги, зачистки, травление.

НАНОМАТЕРИАЛЫ

Нанотехноло́гия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования атомами и молекулами.

Определения и терминология

Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров (1 нанометр равен 10−9 метра) недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:

      наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм)

      нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм)

      наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).

С другой стороны, объектом нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.