Cristalizarea lingourilor. Defecte de cristalizare

Cristalizarea lingourilor. Defecte de cristalizare

Trecerea materialelor cristaline din starea topita in starea solida se numeste cristalizare.

Daca la metalele pure, constituite dintr-un singur element chimic, cristalizarea are loc la o temperatura constanta, in coordonate temperatura-timp inregistrandu-se asa-numitui palier de cristalizare, la materialele cristaline rezultate prin combinarea mai multor elemente chimice (aliaje metalice sau compusi chimici nemetalici) procesul se desfasoara intr-un interval de temperaturi.

In momentul in care temperatura unui material este scazuta sub punctul sau de topire, incepe procesul de solidificare a sa, deoarece energia interna a materiei solide va fi mai mica decat energia interna a lichidului. Intr-o prima faza, in lichid se formeaza germeni de cristalizare prin asocierea intr-o structura ordonata a unui numar oarecare de atomi. Trecerea spre starea de ordine indepartata a atomilor este insotita de degajarea caldurii latente de cristalizare de catre atomi. Daca germenii au o dimensiune suficient de mare (daca raza lor depaseste valoarea razei critice de cristalizare) atunci ei vor incepe sa se dezvolte, prin alipirea tot mai multor atomi la structura solida. Se formeaza astfel cristale ale materialului respectiv, care cresc pana in momentul in care intalnesc alte cristale si pana cand intreaga cantitate de lichid a fost consumata si transformata in materie solida. In cazul metalelor, aceste cristale, care, avand in vedere distributia aleatoare a germenilor de cristalizare in spatiu, au marimi diferite si forme neregulate, se numesc graunti cristalini sau cristalite. Materialele care cristalizeaza in acest mod sunt deci de natura policristalina.

Fazele parcurse de un material in cursul cristalizarii sale sunt prezentate in figura 1.11.

b. c. d.

Fig. 1.11 Etapele de cristalizare la solidificarea unui material metalic

Dimensiunea grauntilor (granulatia) depinde atat de numarul centrelor de cristalizare cat si de viteza de dezvoltare a cristalelor. Un numar mare de centre de cristalizare si o viteza mica de crestere a cristalelor vor determina o granulatie fina.

Germenii eterogeni au, astfel o mare importanta in determinarea granulatiei finale, metalele impure prezentand, in general, granulatii mai fine comparativ cu cele cu grad mai inalt de puritate.

Cristalele cresc mai rapid pe directia evacuarii caldurii, acumularea de materie solida avand loc cu preponderenta la colturile grauntelui,
deoarece miscarea turbulenta a lichidului in acele
zone permite disiparea mai rapida a caldurii latente de solidificare. Se formeaza astfel structuri
cristaline spatiale de tip ramificat, arborescent (fig.1.12), numite dendrite, specifice turnarii si sudarii prin topire a materialelor metalice. in cazul turnarii, daca conditiile de cristalizare sunt favorabile (viteza de germinare scazuta, racire lenta etc.) se pot obtine dendrite de mari dimensiuni, care ajung chiar si la cateva zeci de centimetri lungime.

Fig. 1.12 Exemplu de structura dendritica

Structura realizata in urma procesului de solidificare se numeste structura primara. Daca materialul nu mai prezinta transformari in stare solida, in cursul racirii sale ulterioare, aceasta structura se poate mentine si la temperatura ambianta. Daca insa dupa cristalizare mai apar si alte modificari structurale, structura nou creata se numeste structura secundara.

Structura cristalina in lingourile metalice

Turnarea materialelor metalice sub forma de lingouri reprezinta una dintre etapele cele mai importante care preced operatiile de prelucrare a materialului in vederea obtinerii de semifabricate sau, uneori, de piese finite. De aceea, structura si proprietatile obtinute la turnare sunt esentiale pentru structura si proprietatile pieselor metalice finite.

Forma de turnare poarta numele de lingotiera. Peretii ei sunt usor inclinati fata de verticala, pentru a usura extragerea lingoului dupa solidificare.

Cristalizarea materialului metalic in lingotiera se produce pe zone, incepand de la peretii lingotierei, care in momentul turnarii metalului din oala de turnare reprezinta regiunea cea mai rece. In general se pot distinge trei zone de cristalizare (fig.1.13):

. zona cristalelor marginale (I) se compune din graunti de dimensiuni mici,       echiaxiali, iara o orientare dominanta, formati datorita vitezei mari de racire la contactul metalului topit cu peretii lingotierei. Rugozitatea peretilor interiori determina formarea unui mare numar de centre de cristalizare.

. zona cristalelor columnare (II) cuprinde graunti de dimensiuni relativ mari,       cu aspect dendritic sau columnar si cu o pronuntata orientare preferentiala, perpendiculara pe peretii lingotierei.

. zona cristalelor echiaxiale (III) este formata din graunti de dimensiuni relativ mari, echiaxiali si cu orientari variate, aparuti in centrul lingoului datorita vitezei de racire mici din aceasta regiune.

Defecte la cristalizarea lingourilor

In cazul lingotierelor ai caror pereti verticali formeaza unghiuri drepte intre ei, cristalele columnare care se dezvolta pe acesti pereti pot sa dea nastere, in zona de intalnire a lor, unor regiuni bogate in impuritati, cu proprietati mecanice mult reduse fata de restul materialului. Acest fenomen nedorit se numeste transcristalizare si constituie un defect de cristalizare (fig. 1.14 a)

Pentru a inlatura acest defect se recurge de regula la rotunjirea peretilor lingotierei (fig. 1.14 b)

Retasura este un defect de solidificare a lingoului care apare de obicei in centrul zonei superioare a acestuia, ca rezultat al contractiei materialului la racire. Ea se manifesta ca un gol de forma unei palnii, cu contur neregulat si margini puternic oxidate si decarburate (fig. 1.13a).

Pentru a evita formarea retasurii in lingoul propriu-zis, deasupra lingotierei se poate amplasa o maselotiera care se umple si ea cu material topit, care formeaza maselota. Retasura va lua nastere atunci in maselota, care

va contine si o parte din impuritatile mai usoare din materialul topit. Dupa solidificare, maselota se desprinde de lingou prin operatia numita sutarea lingoului (fig. 1.15)

In situatia in care are loc o solidificare locala intarziata a unei cantitati de metal relativ mici prinsa intre cristale dendritice deja formate, ia nastere o microretasura situata intercristalin.

Prin separarea si gruparea unor elemente chimice si/sau a unor impuritati in timpul solidificarii, apar neomogenitati macroscopice, de natura chimica, numite segregatii. Atunci cand segregatia ia nastere prin impingerea impuritatilor dinspre marginile lingoului spre centru si spre partea superioara a lingoului, deci pe directia avansarii frontului de solidificare, ea se numeste segregatie zonala normala (directa). In unele situatii, metalul lichid din zona centrala, imbogatita in impuritati prin fenomenul de segregatie normala, poate fi absorbit, prin actiunea unor forte capilare, presiunea gazelor dizolvate etc, intre cristalele columnare deja formate in zona II. Acest defect poarta denumirea de segregatie zonala inversa.

Pe langa segregatiile macroscopice se pot intalni adesea si segregatii microscopice, numite si microsegregatii. Acestea pot fi intracristaline sau intercristaiine.

Microsegregatiile intracristaline (dendritice) apar ca efect al diferentei de compozitie intre metalul lichid si cel solid data de diminuarea amploarei difuziei in faza solida si de faptul ca timpul de solidificare este prea scurt pentru a permite omogenizarea compozitiei chimice a grauntilor metalici pe masura dezvoltarii lor. De aceea, metalul lichid se va depune in jurul germenului de cristalizare in straturi cu compozitii si proprietati diferite (fig. 1.16).

Fig. 1.16 Formarea mierosegregatiei intracristaline Fig. 1.17 Sufluri intr-o piesa turnata

Microsegregatiile intercristaiine apar datorita faptului ca lichidul rezidual, situat intre grauntii deja solidificati, contine mai multe impuritati decat acestia, astfel ca solidificarea sa duce la crearea unor neomogenitati de natura chimica la limitele dintre graunti.

Suflurile sunt cavitati in materialul metalic ce contin diferite gaze si care apar odata cu scaderea treptata a temperaturii topiturii. In stare lichida, metalul poate dizolva o cantitate relativ mare de gaze din atmosfera inconjuratoare. Atunci insa cand se ajunge prin racire la temperatura de solidificare, capacitatea metalului de a dizolva gazele scade brusc si, daca viteza de solidificare este ridicata, o parte din gaze raman prinse in solid sub forma suflurilor. Ele au o forma circulara sau ovala si suprafata lor este neteda, neoxidata (fig. 1.17)

Pentru eliminarea suflurilor, in topitura se introduc elemente cum ar fi Mn, Si, Al etc., care leaga gazele, in special oxigenul, sub forma de oxizi, silicati etc, care raman in topitura sub forma de suspensii. Astfel, numarul de sufluri va fi redus considerabil, in schimb retasura va fi mai larga si mai adanca. Procedeul poarta denumirea de degazare sau calmare.

In cazul otelurilor, suflurile produse de hidrogen sunt deosebit de periculoase, deoarece solubilitatea acestuia scade brusc la racire. Acest fenomen este insotit de recombinari moleculare care duc la o crestere volumica considerabila, creandu-se presiuni foarte mari asupra peretilor suflurilor. Ca urmare, pot sa apara fisuri foarte fine in piesa din otel, numite fulgi, care au un efect nefavorabil asupra rezistentei mecanice a piesei respective.

Suprafetele suflurilor se pot suda prin forjarea sau laminarea ulterioara a lingoului.