Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор)
На основе литературных данных рассмотрены вопросы структурной наследственности в системе исходной материалы-металлический расплав-твердый металл. Показано, что затвердевший металл слитка (наплавленный металл) наследует не только загрязненность исходных шихтовых (электродных) материалов неметаллическ...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2006
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99137 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор) / И.А. Рябцев // Автоматическая сварка. — 2006. — № 11 (643). — С. 11-16. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99137 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Рябцев, И.А. 2016-04-23T11:37:15Z 2016-04-23T11:37:15Z 2006 Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор) / И.А. Рябцев // Автоматическая сварка. — 2006. — № 11 (643). — С. 11-16. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99137 621.791.92 На основе литературных данных рассмотрены вопросы структурной наследственности в системе исходной материалы-металлический расплав-твердый металл. Показано, что затвердевший металл слитка (наплавленный металл) наследует не только загрязненность исходных шихтовых (электродных) материалов неметаллическими включениями и другими вредными примесями, но и элементы кристаллической структуры этих материалов. Для получения равновесной структуры наплавленного металла при сварке (наплавке) перспективно использование ультразвуковой обработки сварочной ванны, а также комбинированных источников нагрева (гибридных технологий): дуга-лазер, плазма-лазер и др. Issues of structural heredity in the initial material — molten metal — solid metal system are considered on the basis of literature data. It is shown that the solidified metal of ingot (deposited metal) inherits not only contamination of initial charge (electrode) materials, but also elements of the crystalline structure of these materials. The use of ultrasonic treatment of the weld pool, as well as combined heat sources (hybrid technologies), such as arc-laser, plasma-laser, etc., is indicated to provide the equilibrium structure of the deposited metal. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор) Structural heredity in the initial materials-molten metal-solid metal system (Review) Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор) |
| spellingShingle |
Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор) Рябцев, И.А. Научно-технический раздел |
| title_short |
Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор) |
| title_full |
Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор) |
| title_fullStr |
Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор) |
| title_full_unstemmed |
Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор) |
| title_sort |
структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (обзор) |
| author |
Рябцев, И.А. |
| author_facet |
Рябцев, И.А. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Structural heredity in the initial materials-molten metal-solid metal system (Review) |
| description |
На основе литературных данных рассмотрены вопросы структурной наследственности в системе исходной материалы-металлический расплав-твердый металл. Показано, что затвердевший металл слитка (наплавленный металл) наследует не только загрязненность исходных шихтовых (электродных) материалов неметаллическими включениями и другими вредными примесями, но и элементы кристаллической структуры этих материалов. Для получения равновесной структуры наплавленного металла при сварке (наплавке) перспективно использование ультразвуковой обработки сварочной ванны, а также комбинированных источников нагрева (гибридных технологий): дуга-лазер, плазма-лазер и др.
Issues of structural heredity in the initial material — molten metal — solid metal system are considered on the basis of
literature data. It is shown that the solidified metal of ingot (deposited metal) inherits not only contamination of initial
charge (electrode) materials, but also elements of the crystalline structure of these materials. The use of ultrasonic treatment
of the weld pool, as well as combined heat sources (hybrid technologies), such as arc-laser, plasma-laser, etc., is indicated
to provide the equilibrium structure of the deposited metal.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99137 |
| citation_txt |
Структурная наследственность в системе исходные материалы–металлический расплав–твердый металл (Обзор) / И.А. Рябцев // Автоматическая сварка. — 2006. — № 11 (643). — С. 11-16. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT râbcevia strukturnaânasledstvennostʹvsistemeishodnyematerialymetalličeskiirasplavtverdyimetallobzor AT râbcevia structuralheredityintheinitialmaterialsmoltenmetalsolidmetalsystemreview |
| first_indexed |
2025-11-25T22:42:42Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:42:42Z |
| _version_ |
1850569713072996352 |
| fulltext |
УДК 621.791.92
СТРУКТУРНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
В СИСТЕМЕ ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ–МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ
РАСПЛАВ–ТВЕРДЫЙ МЕТАЛЛ (Обзор)
И. А. РЯБЦЕВ, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
На основе литературных данных рассмотрена структурная наследственность в системе исходные материалы–ме-
таллический расплав–твердый металл. Показано, что затвердевший металл слитка (наплавленный металл) наследует
не только загрязненность исходных шихтовых (электродных) материалов неметаллическими включениями и другими
вредными примесями, но и элементы кристаллической структуры этих материалов. Для получения равновесной
структуры наплавленного металла при сварке (наплавке) перспективно использование ультразвуковой обработки
сварочной ванны, а также комбинированных источников нагрева (гибридных технологий) — дуга–лазер, плаз-
ма–лазер и др.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка, наплавка, металл шва, ме-
таллургическая наследственность, структурная наследст-
венность, структура расплавов, кластеры, ближний по-
рядок, дальний порядок, твердый металл
Общие понятия наследственности в системе ис-
ходные материалы–металлический расплав–
твердый металл. В металлургии под наследс-
твенностью в широком смысле слова понимается
передача от первичных объектов вторичным сход-
ства либо в их строении, внешнем или внутрен-
нем, либо в физико-химических свойствах и осо-
бенностях (металлургическая наследственность)
[1].
В литейном производстве влияние исходных
шихтовых материалов на расплав, а через него
на свойства полученного твердого металла заме-
чено давно. Это влияние, связанное с наличием
и действием неметаллических включений, газов
и элементов кристаллической структуры исход-
ных материалов, зависит от условий выплавки и
внепечной обработки расплава: температурного и
шлакового режимов, количества переплавов, ваку-
умирования и т. д.
Наиболее полно проблемы передачи от пер-
вичных объектов вторичным, сходства в их стро-
ении и физико-химических свойствах рассмотре-
ны в монографии Б. А. Баума [1], где отмечается,
что в металлургии и металловедении термин «нас-
ледственность» не имеет общепринятого смысла.
По мнению автора, для процессов выплавки сущ-
ность явления лучше отражает термин «память».
В результате таких сложных процессов, как под-
готовка шихты, переплав, раскисление, легирова-
ние, разливка и кристаллизация, наследственные
признаки редко передаются в неизменном виде.
Наиболее ярко это явление наблюдается только
в чугунах, при плавлении которых включения гра-
фита могут не растворяться. В ходе кристалли-
зации форма графита и зависящие от нее свойства
чугуна восстанавливаются [2]. В ряде случаев от-
мечается переход неметаллических включений из
шихты в закристаллизовавшийся металл. Чаще
всего, особенно в сталях, рассматриваемое явле-
ние связывают с неравновесностью структуры
расплава.
Тем не менее, большинство исследователей в
этой области для характеристики процессов пе-
редачи сходства от первичных объектов ко вто-
ричным все-таки используют термин «наследс-
твенность» [3–6]. В случаях, когда при близких
химическом составе, содержании примесей и не-
металлических включений и примерно одинако-
вых условиях охлаждения расплава металл отлив-
ки отличается различной микро- и макрострук-
турой, как бы переданной через расплав от струк-
туры исходных шихтовых материалов, говорят о
структурной наследственности [3].
Действие технологических параметров вып-
лавки на качество отливок обычно рассматрива-
ется с точки зрения изменения содержания газов,
неметаллических включений, условий кристалли-
зации и пр. Отрицательную наследственность, как
правило, связанную с наличием вредных приме-
сей, чаще всего устраняют путем применения от-
носительно выcоких температур перегрева расп-
лава, электрошлакового, плазменно-дугового и
вакуумно-дугового переплавов, интенсивного пе-
ремешивания ванны, флюсовой или шлаковой об-
работки и др. [6].
Хотя проблема влияния макро- и микрострук-
туры исходных шихтовых материалов на свойства
готового литого металла остается спорной, счи-
тается, что в расплавах сохраняются отдельные
элементы структуры шихтовых компонентов, ко-
торые оказывают влияние на процесс кристалли-
зации. Эффективность внешних воздействий на© И. А. Рябцев, 2006
11/2006 11
жидкий металл (термовременная и ультразвуковая
обработки, перемешивание, лазерное и рентгенов-
ское облучение и др.), можно связать с вызыва-
емыми ими изменениями именно этих структур-
ных элементов. Однако природа образований, яв-
ляющихся переносчиками структурных признаков
шихты через жидкое состояние к конечному про-
дукту, до конца не выяснена [7].
Опыт показал, что эффективное управление
процессами наследственности возможно только в
случае дифференцированного учета процессов,
протекающих в системе исходные шихтовые ма-
териалы–металлический расплав–твердый металл.
Наименее изучено в этой системе структурное
состояние металлических расплавов.
Структура металлических расплавов. При
выплавке любого сплава используются шихтовые
материалы, которые представляют собой либо
чистые компоненты, либо обогащенные этими
компонентами лигатуры, либо вторичное сырье.
В большинстве случаев каждая из этих разнород-
ных составляющих шихты в твердом состоянии
является внутренне существенно неоднородной за
счет наличия эвтектических колоний, выделений
интерметаллидов и неметаллических включений,
а также продуктов различных ликвационных про-
цессов. При расплавлении таких исходных мате-
риалов образуется макроскопически неоднород-
ный расплав.
По своим свойствам и строению жидкости го-
раздо ближе стоят к твердым телам, чем к газам.
Сведения о строении расплавов металлов получают
либо косвенными методами по измерению различ-
ных структурно-чувствительных свойств (электроп-
роводность, вязкость, плотность, поверхностное на-
тяжение, магнитная восприимчивость и др.), либо
прямыми дифракционными методами (рентгено- и
электронография, нейтронография), позволяющими
экспериментально определять структурные пара-
метры (равновесные межатомные расстояния коли-
чество ближайших соседей, среднеквадратичные от-
клонения атомов, радиусы корреляции в располо-
жении частиц) и тем самым количественно харак-
теризовать структуру расплава [8–12].
Рентгеноструктурный анализ показал, что при
температуре, незначительно превышающей тем-
пературу плавления, расположение частиц в жид-
кости не беспорядочно, оно сходно с существу-
ющим в твердом кристаллическом теле. Мгновен-
ное расположение частиц в жидкости в локальных
объемах напоминает расположение атомов в по-
добном твердом теле [1]. Однако в отличие от
твердых кристаллических тел, отличающихся
дальним порядком, основной характеристикой
структуры жидкостей является ближний порядок.
Периодичность в расположении атомов жидкости,
свойственная данному типу ближнего порядка,
распространяется лишь на ограниченное количес-
тво межатомных расстояний. По мере удаления
от любого атома, выбранного за начало отсчета,
отклонения от существующего вблизи него ближ-
него порядка возрастают, что приводит к исчез-
новению на достаточно больших расстояниях ка-
кой бы то ни было периодичности в размещении
частиц. Таким образом, ближний порядок — это
упорядоченное расположение атомов и молекул
в пределах расстояний, сравнимых с межатомны-
ми расстояниями, дальний порядок — упорядо-
ченное расположение атомов и молекул во всем
объеме тела.
Основными характеристиками структуры
ближнего порядка жидких металлов являются на-
иболее вероятные межатомные расстояния r и
средние координационные числа Z. Величина Z
численно равна количеству ближайших соседей
около каждого атома расплава. Оценочные рас-
четы показали, что упорядоченные области могут
охватывать 10 и более координационных сфер и
достигать размера примерно 200 нм. Необходимо
также помнить, что на свойства расплавленных
образцов может влиять их исходное твердое сос-
тояние. Это связано с характером распределения
и взаимодействия атомов примесей и дефектов
решетки, зависящих от предыстории образца [1].
Близость структур жидкого и твердого метал-
лов подтверждает такой опыт: при медленном
плавлении и охлаждении сформировался монок-
ристалл висмута той же ориентации, что и ис-
ходный, а при затвердевании перегретого жидкого
металла, полученного путем расплавления круп-
нокристаллического слитка, вновь образовашийся
твердый слиток также имел крупнокристалличес-
кое строение. Ближний порядок после расплав-
ления железа не изменяется и в жидком железе
остается ОЦК-структура [13].
При сопоставлении жидкости с кристалличес-
ким твердым телом необходимо выделить следу-
ющий важный момент. Создание модели реаль-
ного кристаллического твердого тела требует уче-
та элементов беспорядка в идеальной простран-
ственной решетке — дислокаций, вакансий, внед-
ренных атомов и т. д. Картина же строения любой
жидкости нуждается в установлении элементов
определенного ближнего порядка или элементов
порядка в беспорядке [13, 14].
Это обстоятельство учитывается так называе-
мой сиботаксической моделью строения жидкос-
тей. Сиботаксисами называют области с опреде-
ленным типом пространственной упорядоченнос-
ти частиц. Позднее появился аналогичный по
смыслу термин кластер. В многокомпонентной
жидкости кластеры — это относительно устой-
чивые образования с более сильными по сравне-
нию с внешними внутренними связями. Они не
имеют физической поверхности раздела, при пе-
12 11/2006
реходе через которую параметры состояния и
свойства менялись бы скачкообразно [13].
Исходя из этих понятий модель жидкого ме-
талла можно представить следующим образом: по
всему объему жидкого металла содержатся раз-
личные по размеру группы частиц (кластеры), в
пределах которых сохраняется порядок в распо-
ложении атомов, близкий к имеющемуся в твер-
дом теле. Эти кластеры изменяются во времени,
они непрерывно зарождаются и разрушаются.
Атомы из одной группировки переходят в другую
с иным расположением осей симметрии. В местах
соприкосновения кластеров происходит некото-
рое разупорядочение слоев. В каждый конкретный
момент времени центральная часть кластера по
строению близка к твердому телу, в то время как
внешние слои лишены строгой симметрии.
В последнее время получила распространение
квазиполикристаллическая модель металлических
расплавов, являющаяся своеобразным сочетанием
двух структурных составляющих: кластеров (мик-
рогруппировок с упорядоченным расположением
атомов, близким к таковому в кристаллических
телах) и разупрочненной зоны с хаотическим и,
как правило, более рыхлым расположением час-
тиц, образующих в расплавах непрерывную трех-
мерную ячеистую сеть, обволакивающую класте-
ры. Кластеры структурно и генетически связаны
с твердым металлом [13].
В чистых жидких металлах одной из упаковок
обычно является упаковка типа исходной крис-
таллической решетки. Опыт показал, что переход
из кристаллического состояния в жидкое не вы-
зывает существенной перестройки структуры
ближнего порядка таких металлов, как железо,
алюминий, никель, медь, магний. Так, железо и
никель при температуре, близкой к температуре
кристаллизации, имеют ближний порядок, кото-
рый по формальным признакам более всего со-
ответствует ОЦК-упаковке. При этом допускается
формирование в расплаве кластеров и с более
плотной упаковкой типа ГЦК и ГПУ [1].
В многокомпонентном расплаве при малом пе-
регреве над ликвидусом сохраняется структурная
неоднородность исходных шихтовых материалов,
что дает основание рассматривать его как нерав-
новесную систему. Кристаллизация такого нерав-
новесного расплава, в котором сохраняются мик-
рогруппировки типа карбидов и интерметаллидов,
сопровождается образованием множества струк-
турных и концентрационных несовершенств в зат-
вердевшем металле.
Переход из неравновесного состояния в рав-
новесное может быть достигнут за счет нагрева
до определенной критической температуры (как
известно, для каждой марки стали существует кри-
тическая температура выплавки, при достижении
которой жидкая сталь приобретает гомогенное
строение, что приводит к получению более го-
могенного твердого раствора, обеспечивающего
максимальные пластические свойства). Эта кри-
тическая температура выплавки определяется хи-
мическим составом сплава и исходными шихто-
выми материалами [13, 15].
Плавление металла упрощенно можно рассмат-
ривать как процесс дробления макроскопического
твердого тела на отдельные кластеры (или блоки)
с увеличением расстояния между ними до того
предела, при котором происходит разрыв межа-
томных связей, соединяющих поверхность двух
соседних кластеров. Скрытая теплота плавления
затрачивается на разрыв межатомных связей, но
не между отдельными атомами, а между сосед-
ними кластерами (блоками) [13].
Серьезным препятствием на пути понимания
причин наблюдаемых температурно-концентра-
ционных изменений свойств металлических жид-
костей является неясность в вопросе о форме су-
ществования в них примесей [13]. Характер вза-
имодействия примеси с окружающими частицами
определяет и форму ее существования, и окру-
жающий ее ближний порядок, и ее поведение, а
тем самым и свойства расплава. В качестве пер-
вого приближения можно ограничиться сведени-
ями о соотношении энергий взаимодействия ато-
мов компонентов. Действительно, независимо от
того, является вводимая в расплав примесь ме-
таллической или неметаллической, происходящие
в расплаве структурные изменения обычно сво-
дятся к формированию комплексов, центры ко-
торых — атомы примесей. Иными словами, не-
смотря на различную природу примесей принци-
пиальной разницы при описании строения их раз-
бавленных растворов нет. В особо чистых образ-
цах железа первые добавки каждой из исследо-
ванных примесей — кислорода, серы, углерода,
фосфора — понижают вязкость, причем интен-
сивность действия примесей уменьшается именно
в указанной последовательности. Снижение вяз-
кости с повышением содержания примеси сви-
детельствует о возрастании микронеоднороднос-
ти. Последующее увеличение концентрации дан-
ной примеси, особенно при введении в расплав
других элементов, может уменьшить темп сни-
жения вязкости или привести к ее росту.
С позиций квазиполикристаллической модели
расплавов увеличение вязкости расплавленной
среды, содержащей неметаллические включения,
можно объяснить повышением в ней доли клас-
теров и соответствующим уменьшением относи-
тельной доли разупорядоченной зоны. Повыше-
ние доли кластеров при введении в металлический
расплав дисперсных кристаллических частиц яв-
ляется, по-видимому, проявлением своеобразного
эпитаксиального эффекта. В незначительно перег-
ретых расплавах вокруг инородных твердых час-
11/2006 13
тиц формируются малоподвижные оболочки, сос-
тоящие в основном из относительно больших и
относительно более стабильных кластеров. Ори-
ентирующее действие кристаллических решеток
включений на приграничные слои металла про-
является в повышении степени упорядоченности
расплава. Дисперсные включения твердых частиц
значительно облегчают кристаллизацию распла-
вов. При неизменном общем содержании неме-
таллических включений эффект влияния на вяз-
кость металлических расплавов зависит от их при-
роды и дисперсности.
Результаты исследований позволили устано-
вить следующие основные особенности перехода
из кристаллического состояния в жидкое:
существенной перестройки структуры ближне-
го порядка металлов не происходит, скорость
структурных преобразований в многокомпонент-
ных расплавах невелика;
расплавы характеризуются сохранением в те-
чение длительного периода микроскопических
упорядоченных областей (кластеров);
размеры и количество элементов структуры
расплава влияют на кинетику кристаллизации и
свойства отливок, технология выплавки большин-
ства литейных сплавов включает перегревы над
точкой плавления до температуры, значительно
меньшей температуры разупорядочения структу-
ры жидкости [3].
Кристаллизация металлических расплавов.
Кристаллизация — это процесс перехода расплава
из жидкого состояния в твердое. Характер ее про-
текания в значительной мере определяет струк-
туру и свойства затвердевшего металла. В про-
цессе кристаллизации структурные неоднороднос-
ти жидкого металла могут передаваться твердому
телу. В частности, тaким образом происходит нас-
ледственная передача неравномерного распреде-
ления примесей в сплаве, находящемся в жидком
состоянии, при его переходе в твердое.
В ряде работ [3–5, 13, 15] отмечается наличие
связи между свойствами жидких сплавов и ме-
ханическими, а также служебными характеристи-
ками образующегося твердого металла. Наиболее
вероятной причиной наблюдаемых корреляций,
связывающих свойства жидких и твердых метал-
лов, является неравновесность расплава перед
кристаллизацией. Для полного протекания в рас-
плаве процессов установления равновесия требу-
ется достаточное время, поэтому степень их за-
вершенности к моменту кристаллизации может
оказаться различной. Изменение во времени
структуры расплава отражается на его свойствах,
а в случае кристаллизации из разных состояний
— на свойствах твердого металла.
Считается, что ни одна из существующих тео-
рий кристаллизации не объясняет всего много-
образия наблюдаемых фактов. В ходе кристалли-
зации металлических расплавов одновременно
протекают процессы микро- и макроскопического
перемещения частиц и их групп, осуществляется
теплопередача, происходят фазовые превращения.
Чаще всего рассматривается три механизма
роста кристаллов:
послойный (возникновение и разрастание дву-
мерных зародышей новых кристаллических слоев
на атомарно-гладкой поверхности кристалла);
дислокационный (присоединение частиц к сту-
пеням, образованным выходом винтовых дисло-
каций на поверхность кристалла);
нормальный (беспорядочное присоединение
частиц к шероховатой поверхности раздела крис-
талл–расплав [1]).
Предполагается, что кристаллы металлов и
сплавов в обычных для промышленной практики
условиях должны иметь шероховатую границу
раздела и увеличиваться по нормальному меха-
низму их роста. В случае чистых металлов не ис-
ключается и послойный механизм их роста.
Структура расплава, даже равновесного, сущест-
венно влияет на механизм кристаллизации. В слу-
чае, когда структуры ближнего порядка расплава
и твердой фазы достаточно близки, имеет место
нормальный рост кристаллов.
В существующих теориях кристаллизации ос-
новное внимание сосредоточено на растущей по-
верхности кристалла, жидкость при этом предс-
тавляется пассивной стороной, роль которой ог-
раничена транспортом материала и отводом тепла.
Необходимо также обращать внимание на состо-
яние жидкости вблизи границы с твердой фазой.
При этом жидкость можно рассматривать как су-
перпозицию атомных конфигураций с кристалло-
и жидкостноподобным окружением, при которой
возможна передача кристаллу элементов разупо-
рядочения — главным образом точечных и ли-
нейных дефектов [1].
Движение фронта кристаллизации в многоком-
понентных микронеоднородных расплавах может
происходить путем присоединения к нему групп
частиц — кластеров. В связи с этим высказывается
предположение о том, что эффекты упорядочения
в некоторых твердых сплавах, форма и дисперс-
ность структурных составляющих в них также за-
висят от структуры расплава. Структура расплава,
влияя на механизм и другие особенности кристал-
лизации, в известной мере определяет и дефектность
кристалла. Предполагается, что более микронеод-
нородный и неравновесный расплав порождает и
наиболее дефектные кристаллы [1].
Целенаправленно воздействуя на структуру ис-
ходных шихтовых материалов, можно достичь су-
щественного повышения качества отливок и их
свойств. Структурная информация закладывается
путем применения специальных способов обработ-
ки и получения шихтовых материалов [3, 16, 17]:
14 11/2006
обработкой шихтовых материалов в процессе
выплавки (термокинетическая и термовременная
обработка, модифицирование, электрошлаковый,
плазменно-дуговой и вакуумно-дуговой переп-
лавы и др.);
форсированным охлаждением шихтовых мате-
риалов при кристаллизации для получения мел-
козернистой структуры (охлаждение водой, гра-
нулирование, центробежное литье и т. п.);
твердофазной обработкой шихтовых материа-
лов (термической, давлением и т. п.) для полу-
чения неравновесных структур, насыщенных дис-
локациями, с тонкой мозаичной структурой.
Таким образом, структурной (металлургичес-
кой) наследственностью в системе исходные ших-
товые материалы–металлический расплав–твер-
дый металл можно управлять, изменяя, во-первых,
состав, структуру и форму шихтовых материалов
и, во-вторых, тепловой, кинетический и шлаковый
режимы выплавки.
Проблемы структурной наследственности в
системе исходный электродный (присадочный)
материал–расплав сварочной ванны–твердый
металл при сварке. Еще академик Е. О. Патон
обращал внимание на то, что качество и свойства
сварного соединения зависят как от электродного
(присадочного), так и основного металла. Чем ка-
чественнее и однороднее по составу исходные ма-
териалы, тем выше вероятность получения из них
качественной продукции. Однако при сварке, как
правило, в первую очередь уделяется внимание
одной стороне структурной наследственности —
загрязненности исходных материалов неметалли-
ческими включениями и другими вредными при-
месями и их влиянию на свойства сварных швов.
Недаром именно сварщиками предложены такие
методы повышения качества металлов и сплавов,
как электрошлаковый, вакуумно-дуговой и элек-
тронно-лучевой переплавы.
Однако в сварочной технической и научной
литературе практически отсутствуют публикации
по проблеме связи кристаллической структуры ис-
ходных твердых материалов с аналогичными
структурами сварочной ванны и затвердевшего
металла сварного шва, и термин «наследствен-
ность» применительно к системе исходный элек-
тродный (присадочный) материал–расплав сва-
рочной ванны–твердый металл в сварке обычно
не используется.
Тем не менее, изучение этой проблемы имеет
важное значение и для сварки (наплавки). Однако
исследование структурной наследственности при
сварке по сравнению с металлургией осложняется
следующими факторами:
нагрев, плавление и перенос электродного
(присадочного) материала при различных спосо-
бах сварки (наплавки) по большинству физико-
металлургических параметров имеют значитель-
ные отличия;
влияние основного металла, который переплав-
ляется и попадает в сварочную ванну, его в оп-
ределенной степени можно отнести к исходным
материалам;
температурно-временные параметры свароч-
ной ванны (в отличие от металлургической печи)
не являются стационарными и с трудом поддаются
регулированию, вследствие чего структура расп-
лава сварочной ванны, по-видимому, будет далека
от равновесной;
кристаллизация металла сварочной ванны про-
исходит на твердой подложке, структура металла
которой влияет на структуру затвердевающего ме-
талла.
Как свидетельствуют литературные данные
[18], для получения качественного и однородного
наплавленного металла, по-видимому, важное зна-
чение имеют способы изготовления шихтовых
(электродных, присадочных) материалов. Исполь-
зование чистых по примесям, однородных по сос-
таву и строению материалов должно обеспечить
получение наплавленного металла с более высо-
кими эксплуатационными свойствами. Например,
для широко применяемых при наплавке высоко-
легированных порошковых проволок и лент, а так-
же спеченных лент перспективно использование
в качестве шихты лигатур, изготовленных с
применением рафинирующих переплавов, пол-
ностью или частично, обеспечивающих получение
наплавленного металла заданного состава.
Определенные перспективы имеет ультразвуко-
вая обработка сварочной ванны. Как установлено
[19], при введении в сварочную ванну перед ее зат-
вердеванием интенсивных ультразвуковых колеба-
ний достигается более упорядоченная структура
наплавленного металла, снижается его коэффициент
трения, увеличивается износостойкость.
Для управления температурно-временными па-
раметрами сварочной ванны, процессами ее крис-
таллизации, а также структурой наплавленного
металла, по-видимому, целесообразно использовать
комбинированные источники нагрева (гибридные
технологии) — дуга–лазер, плазма–лазер и др.
1. Баум Б. А. Металлические жидкости. — М.: Наука, 1979.
— 120 с.
2. Влияние природы шихтовых материалов на структуру и
свойства чугуна с шаровидным и пластинчатым графи-
том / Н. Г. Гиршович, А. Я. Иоффе, Л. Р. Зоммер и др. //
Основы образования литейных сплавов. — М.: Наука,
1970. — С. 224–227.
3. Никитин В. И. Управление наследственностью структу-
ры шихты и расплавов — важнейший резерв повышения
качества отливок // Литейное пр-во. — 1988. — № 9. —
С. 5–6.
4. Никитин В. И. О влиянии качества шихтовых металлов
на свойства легких сплавов // Цвет. металлы. — 1982. —
№ 8. — С. 73–75.
5. Влияние наследственности структуры шихты на механи-
ческие свойства сплава ВАЛ8 / П. П. Прудовский, В. Д.
11/2006 15
Голяков, Н. А. Симонова и др. // Литейное пр-во. —
1986. — № 11. — С. 7–8.
6. Еланский Г. Н., Кудрин В. А. Строение и свойства жидко-
го металла. — М.: Металлургия, 1984. — 239 с.
7. Попель П. С., Баум Б. А. Термодинамический анализ од-
ной из причин металлургической наследственности //
Изв. АН СССР. Металлы. — 1986. — № 5. — С. 47–51.
8. Вилсон Д. Р. Структура жидких металлов и сплавов. —
М.: Металлургия, 1972. — 247 с.
9. Татаринова Л. И. Структура твердых аморфных и жид-
ких веществ. — М.: Наука, 1983. — 151 с.
10. Крокстон К. Физика жидкого состояния / Пер. с англ. —
М.: Мир, 1978. — 400 с.
11. Ватолин Н. А., Пастухов Э. А. Дифракционные исследо-
вания строения высокотемпературных расплавов. — М.:
Наука, 1980. — 189 с.
12. Арсентьев П. П., Коледов Л. А. Металлические расплавы
и их свойства. — М.: Металлургия, 1976. — 376 с.
13. Ершов Г. С., Черняков В. А. Строение и свойства жидких
и твердых металлов. — М.: Металлургия, 1978. — 248 с.
14. Белащенко Д. К. Структура жидких и аморфных метал-
лов. — М.: Металлургия, 1985. — 192 с.
15. Тягунов Г. В., Колотухин Э. В., Авдюхин С. П. Связь
свойств расплава со структурой и свойствами твердого
металла // Литейное пр-во. — 1988. — № 9. — С. 8–10.
16. Улучшение структуры и свойств твердого металла путем
воздействия на металлический расплав / Е. Е. Третьяков,
Г. В. Тягунов, В. С. Цепелев и др. // Сталь. — 1992. —
№ 7. — С. 31–34.
17. Попель П. О., Баум Б. А., Косилов Н. С. Межфазные яв-
ления при смещении металлических расплавов // Адге-
зия расплавов и пайка материалов. — 1982. — Вып. 9. —
С. 8.
18. Химическая макронеоднородность металла, наплавлен-
ного различными электродными материалами / В. Е.
Еремеев, Ю. В. Стреляный, В. А. Корбут, Л. В. Песня //
Теоретические и технологические основы наплавки.
Свойства и испытания наплавленного металла. — Киев:
ИЭС им. Е. О. Патона, 1979. — С. 36–42.
19. Шиляев А. С., Ивинский В. И., Стукин С. А. Электроду-
говая наплавка деталей машин с наложением ультразву-
кового поля // Наплавка при изготовлении деталей ма-
шин и оборудования. — Киев: ИЭС им. Е. О. Патона,
1986. — С. 117–119.
Issues of structural heredity in the initial material — molten metal — solid metal system are considered on the basis of
literature data. It is shown that the solidified metal of ingot (deposited metal) inherits not only contamination of initial
charge (electrode) materials, but also elements of the crystalline structure of these materials. The use of ultrasonic treatment
of the weld pool, as well as combined heat sources (hybrid technologies), such as arc-laser, plasma-laser, etc., is indicated
to provide the equilibrium structure of the deposited metal.
Поступила в редакцию 28.09.2006
WELD+VISION (на русском языке)
Вышел в свет первый выпуск на русском языке журнала
Weld+Vision компании Fronius (Австрия) – широко известного
среди специалистов сварочного производства мирового бренда.
До настоящего времени он издавался на немецком, английс-
ком, французском и чешcком языках.
Традиционно журнал знакомит читателей с научно-исследо-
вательскими, опытно-конструкторскими работами и иннова-
ционными проектами, проводимыми специалистами Fronius, ос-
вещает новинки от компании, отражающие ее успехи в области
создания новых эффективных технологических процессов свар-
ки, а также образцов сварочной техники.
В журнале публикуются также материалы, рассказывающие о
семействе Fronius, традициях и составляющих успеха деятель-
ности руководства компании, а также краткая информация об
интереснейших городах нашей планеты.
Журнал издается ежеквартально и распространяется бесп-
латно в Украине и Российской Федерации.
Бесплатно подписку можно заказать в ООО «Фрониус Украина» (07455, Украина,
Киевская обл. Броварской р-н, с. Княжичи;
тел.: (03804494) 62768, 54170; факс: (3804494) 62767; e-mail: ikraine@fronius.com)
или в редакции журнала «Автоматическая сварка» (тел. (38044) 2876302, 529623;
факс (038044) 5283484; e-mail: journal@paton.kiev.ua)
16 11/2006
|