Рост образовавшихся продуктов раскисления

Формирование и дальнейшее поведение неметаллических включений - продуктов раскисления стали также изучалось рядом исследователей. Укрупнение образовавшихся зародышей включений от ультрамикроскопических размеров (10^–8¸10^–9 м) до типичных для обычно наблюдаемых эндогенных неметаллических включений (10^–6¸10^–5 м) происходит за счет:

a) продолжения в объеме металла, контактирующем с зародившимся включением, реакции раскисления и гетерогенного отложения продуктов этой реакции на поверхности уже образовавшихся зародышей включений;

b) взаимного столкновения образовавшихся включения, их объединения между собой за счет уменьшения при этом поверхности контакта включений и металла и, следовательно, уменьшения запаса межфазной энергии, приходящейся на единицу массы металла.

Как показала работа [143], процесс раскисления происходит не мгновенно вследствие "физических" и "кинетических" препятствий. На различных последовательных этапах этого процесса образуются его проекты, обладающие различной природой, химическим составом и физическими свойствами (температурой плавления, смачиваемостью жидким металлом и т.д.). Следовательно, даже в процессе раскисления только одним раскислителем в соответствии с фазовыми диаграммами появляются различные как твердые, так и жидкие включения. "Рост" этих включений по второму из перечисленных путей определяется в основном поверхностными явлениями на границе фаз включение-металл [144]. Возможны следующие механизмы укрупнения включений за счет их встречи и объединения:

1) слияние двух или нескольких капель с образованием одной крупной, т.е. их коалесценция. Коалесценция протекает тем легче, интенсивнее, чем больше значение s_м-в и изменение поверхностной энергии Dg=–DFs_м-в (где- DF – изменение межфазной поверхности металл-включение);

2) коагуляция, т.е. встреча и прилипание друг к другу твердых включений (их спекание или агломерация). Этот процесс возможен прежде всего тогда, когда включение плохо смачивается металлом, т.е. угол смачивания q>90° и при встрече двух включений находящаяся между ними металлическая прослойка легко удаляется, допуская непосредственный контакт твердых включений. При этом изменение энергии составляет:

DG=–(s_м-в–s_в-в)F_в-в , (121)

где s_в-в – удельная межфазная энергия на контактной поверхности соприкасающихся включений,

F_в-в – величина этой поверхности.

3) укрупнение включений путем встречи жидких и твердых включений, причина которого состоит в том, что поверхностная энергия на границе жидкого и твердого включения значительно меньше, чем сумма энергии сосредоточенной на контактной поверхности твердого включения и металла и, соответственно, жидкого включения и металла.

Все перечисленные виды укрупнения включений обычно называются их коагуляцией. При этом различают перикинетическую коагуляцию, происходящую по законам случайного блуждания, и ортокинетическую коагуляцию, совершающуюся под влиянием того или иного направленного силового поля (например, гравитационного). Скорость коагуляции, т.е. скорость уменьшения числа включений "z", приходящихся на единицу объема металла (обычно на 1 см³), в общем виде можно описать уравнением:

, (122)

где t – время;

D₁ и D₂ – коэффициенты массопереноса частиц 1 и 2 типов (при размерах включений менее 10^–8 м их можно считать коэффициентами диффузии);

R₁ и R₂ – радиусы частиц 1-го и 2-го типов;

n₁ и n₂ - число частиц 1-го и 2-го типа в 1 см³ расплавленного металла;

s_м-в – межфазная удельная энергия на границах включений и металла;

h_м – вязкость металла;

К – постоянная, характеризующая природу коагулирующих включений (в частности, для жидких включений она существенно больше, чем для твердых);

Р – постоянная, характеризующая силовое поле, определяющее тип коагуляции, гидродинамику, металла и т.п.

Скорость перикинетической коагуляции мало зависит от размеров коагулирующих частиц. В работе [144] подробно исследована природа слияния жидких включений и найдено, что образование неметаллического перешейка, предшествующее их полному слиянию, зависит как от межфазной энергии s_м-в, так и от вязкости коагулирующей жидкости (включения).

Из уравнения (122) видно, что скорость ортокинетической коагуляции зависит от интенсивности вызывающего ее силового поля. Данные о скорости коагуляции включений нельзя считать вполне надежными, т.к. они основаны на "холодных" моделях и весьма немногочисленны. Очевидно, что для относительно крупных эндогенных включений (R>10^–5 м) скорость ортокинетической коагуляции существенно больше, чем скорость перикинетической. Соотношение этих скоростей теоретически определяется уравнением:

, (123)

где h – вязкость среды;

W_о – скорость ортокинетической коагуляции;

W_n – скорость перикинетической коагуляции;

– градиент скорости движения частиц в направлении "х";

R_1,2 – сумма радиусов двух встречающихся между собой, различных по величине, частиц;

к – константа Больцмана.

Полагают, что независимо от типа коагуляции мелкие (<10^–6 м) включения коагулируют с примерно одинаковой скоростью. В общем, коагуляция мелких включений протекает медленно. Например, в работе [141, 147] приведены следующие результаты расчетов:

Отсюда следует, что для уменьшения количества включений в 20 раз требуется 15 минут.

В работе [142] исследовалось раскисление кремнием железа, содержащего кислород, обеспечивая при этом различное время выдержки металла после введения раскислителя и постоянство всех прочих условий, включая и скорость закалки образцов. Были получены следующие результаты:

Еще меньшие скорости наблюдаются при укрупнении твердых продуктов раскисления стали алюминием (Аl₂O₃); особое значение здесь приобретает формирование крупных ветвистых кластеров, образовавшихся за счет «спекания» мельчайших частиц глинозема, и достигающих иногда размеров порядка 1-2×10^–3 м.

В работе [155] подробно рассмотрено образование таких кластеров, обусловленное тем, что приближение друг к другу двух твердых, плохо смачиваемых металлом тел сопровождается вытеканием микрообъема металла, оказавшегося замкнутым между ними. За этим следует прямой контакт твердых частичек между собой и их спекание (коагуляция).

Металл, оставшийся замкнутым между отдельными ветвями глиноземистого кластера, повышает среднюю (кажущуюся) плотность кластера и сильно затрудняет его всплывание. Таким образом, в этом случае коагуляция играет отрицательную роль [146].

В работе [144] отмечалась решающая роль для образования кластеров условий смачивания металлом включений (величины угла q). Кластеры часто наблюдаются при раскислении алюминием (q>90° для смачивания металлом глинозема) и не наблюдаются при раскислении другими, даже очень сильными раскислителями, для которых q<90° (например, для смачивания металлом оксидов титана: Ti₃O₅, Ti₂O₃ и TiO₂).