В металлургии высших переделов, где точность химического состава измеряется сотыми долями процента, а структура сплава должна быть однородной до микроскопического уровня, есть один коварный процесс. Он начинается еще в жидкой ванне (расплаве), длится при затвердевании и нередко остается незамеченным до этапа механической обработки или термообработки изделия.
Речь идет о ликвации.
Для рядового потребителя металлопроката этот термин может звучать абстрактно. Но для инженеров-конструкторов, технологов, металлургов и производителей высокоточного оборудования ликвация — одна из наиболее опасных причин скрытого брака. Именно она способна стать источником нестабильных магнитных характеристик, анизотропии механических свойств, локальной коррозии, снижения усталостной прочности и образования трещин.
Почему возникает ликвация, чем отличаются ее виды и какие технологии позволяют свести ее влияние к минимуму — разберемся подробнее.
Ликвация (от лат. liquatio — «плавление», «разжижение») — это неравномерное распределение химических элементов в объеме металлического слитка, заготовки или полуфабриката, возникающее в процессе затвердевания расплава.
Если представить сплав как идеально перемешанный раствор, в котором все компоненты распределены равномерно, то ликвация напоминает ситуацию, когда отдельные ингредиенты начинают концентрироваться в разных частях объема. Причина заключается в различиях температур плавления и растворимости химических элементов.
Во время кристаллизации одни компоненты легко встраиваются в формирующуюся кристаллическую решетку, тогда как другие вытесняются в оставшуюся жидкую фазу. В результате возникают локальные участки с различным химическим составом и, как следствие, разными свойствами.
В пределах одного слитка могут одновременно существовать области, обедненные важными легирующими элементами — например, хромом, никелем или молибденом, — и зоны с их повышенной концентрацией.
Особую сложность представляет тот факт, что многие проявления ликвации невозможно обнаружить визуально.
В металлургии принято разделять два основных типа ликвации, которые по-разному влияют на свойства материала.
Зональная, или макроликвация, представляет собой различие химического состава в разных частях слитка. В результате кристаллизации центр и периферия заготовки, а также ее верхняя и нижняя части могут заметно отличаться по содержанию отдельных элементов.
К характерным проявлениям зональной ликвации относятся:
изменение концентрации углерода по высоте слитка;
накопление серы и фосфора в центральных областях;
локальное обогащение низкоплавкими примесями;
образование ликвационных полос и раковин;
возникновение зон с отличающимися механическими свойствами.
Механизм возникновения связан с тем, что фронт кристаллизации постепенно вытесняет часть легкоплавких примесей (серу, фосфор, углерод, а в некоторых сплавах — свинец и висмут) в оставшийся жидкий металл. По мере уменьшения объема жидкой фазы концентрация этих элементов возрастает, формируя области химической неоднородности.
Особенно выраженной зональная ликвация становится в крупногабаритных слитках, где процессы теплопередачи протекают неравномерно, а время затвердевания достигает нескольких часов или даже суток.
Наиболее чувствительны к данному явлению:
нержавеющие стали;
жаропрочные никелевые сплавы;
высоколегированные инструментальные стали;
специальные сплавы для энергетического оборудования;
материалы с широким интервалом кристаллизации.
Если зональная ликвация заметна в масштабах всего слитка, то дендритная ликвация развивается внутри отдельных кристаллов и относится к микроуровню структурной неоднородности.
Во время затвердевания металл кристаллизуется не сплошным фронтом, а в виде разветвленных структур — дендритов. По форме они напоминают ветви дерева и являются естественным результатом роста металлических кристаллов.
Сначала формируются оси дендритов, которые богаты тугоплавкими компонентами (например, никелем, кобальтом, вольфрамом). Междендритные пространства затвердевают позднее и становятся местом концентрации легкоплавких примесей и элементов, понижающих температуру плавления (кремния, марганца, серы).
Коварство дендритной ликвации в том, что она не видна невооруженным глазом. Но именно она приводит к образованию строчечных включений, снижению прочности, неоднородности магнитных свойств.
Для обычных конструкционных материалов незначительные химические неоднородности могут не оказывать заметного влияния на эксплуатационные характеристики. Однако в случае прецизионных сплавов ситуация принципиально иная.
Такие материалы создаются для получения строго заданных физических характеристик:
магнитной проницаемости;
коэрцитивной силы;
удельного электрического сопротивления;
температурного коэффициента линейного расширения;
упругих характеристик.
Даже минимальное отклонение локального химического состава способно нарушить баланс характеристик.
Представьте сплав с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) для герметичного соединения с керамикой в космическом приборе. Если в одной зоне детали ТКЛР будет 9,0×10⁻⁶ K⁻¹, а в другой — 9,8×10⁻⁶ K⁻¹, вся сборка разрушится при первом же термоцикле.
Последствия ликвации могут проявляться различными способами в зависимости от назначения материала.
В магнитомягких сплавах ликвация создает:
участки с пониженной магнитной проницаемостью;
локальные зоны размагничивания;
увеличение магнитных потерь.
Подобные дефекты особенно критичны для трансформаторов, датчиков, навигационного оборудования и высокоточной электроники.
После прокатки ликвационные зоны вытягиваются в направлении деформации и формируют строчечную структуру, что приводит к:
различию прочности проката;
снижению ударной вязкости;
ухудшению усталостной долговечности;
появлению предпочтительных направлений разрушения.
Для ответственных деталей такая неоднородность недопустима.
В участках, обедненных хромом, нарушается стабильность защитной пассивной пленки. Такие зоны становятся анодами по отношению к окружающему металлу и разрушаются значительно быстрее.
Последствиями могут стать:
питтинговая коррозия;
межкристаллитное разрушение;
снижение срока службы изделий;
потеря герметичности оборудования.
Особенно опасна микроликвация в коррозионностойких сталях.
В междендритных областях часто концентрируются низкоплавкие эвтектики. При нагреве они могут частично подплавляться, вызывая:
красноломкость;
снижение пластичности;
образование межзеренных трещин;
разрушение изделий в процессе термообработки.
Подобные дефекты относятся к числу наиболее сложных для обнаружения и устранения.
Полностью устранить ликвацию невозможно, поскольку она является естественным следствием процессов кристаллизации. Однако современная металлургия позволяет значительно уменьшить степень химической неоднородности и практически исключить ее влияние на свойства готового материала.
Для этого используется комплекс технологических решений, охватывающих весь производственный цикл — от подготовки шихты до финального контроля продукции.
Высокая однородность прецизионных материалов достигается только при строгом соблюдении технологической дисциплины на каждом этапе производства.
Начинается борьба с ликвацией задолго до расплавления. Мы используем чистые шихтовые материалы с минимальным содержанием вредных примесей — серы, фосфора, цветных металлов.
Важную роль играет вакуумно-индукционная плавка, которая позволяет:
удалить растворенные газы и летучие примеси;
равномерно распределить легирующие элементы за счет электромагнитного перемешивания;
исключить окисление, которое провоцирует ликвацию оксидных фаз.
В результате создаются условия для формирования равномерной структуры будущего сплава.
Для каждой марки сплава мы разрабатываем индивидуальные схемы обработки давлением с учетом его химического состава и особенностей поведения при деформации.
Прокатка и ковка способствуют:
разрушению дендритной структуры;
перераспределению локальных неоднородностей;
измельчению зерна;
повышению плотности металла;
улучшению комплекса механических свойств.
Благодаря этому остаточная микроликвация не превращается в опасную строчечную неоднородность готового проката.
Наш контроль качества включает:
металлографический анализ микроструктуры;
контроль химического состава;
испытания свойств.
Полученные данные позволяют гарантировать соответствие материала требованиям нормативной документации и ожиданиям заказчиков.
Ликвация относится к тем металлургическим явлениям, которые невозможно увидеть невооруженным глазом, однако именно она во многом определяет надежность и долговечность будущего изделия.
Чем выше требования к материалу, тем важнее контроль процессов кристаллизации, выплавки, деформации и последующего анализа структуры. Именно поэтому производство прецизионных сплавов требует не только современного оборудования, но и глубокого понимания физики металла на микро- и макроуровне.
Для тех, кто выбирает материалы с прогнозируемыми свойствами на годы и десятилетия эксплуатации, качественный сплав начинается с победы над внутренней неоднородностью.
Петербургский завод прецизионных сплавов выпускает широкий ассортимент холоднокатаной ленты для приборостроения, энергетики, электронной промышленности, авиационно-космической техники и машиностроения и других отраслей.
В ассортимент входят:
прецизионных магнитно-мягких сплавов марок 49К2ФА, 27КХ, 50Н, 50НП, 79НМ, 81НМА;
прецизионных сплавов для упругих элементов марок 40КХНМ, 36НХТЮ, 17ХНГТ;
коррозионностойких сталей марок 12Х18Н9, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т;
прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением марок Х15Ю5, Х23Ю5, Х23Ю5Т, Х15Н60, Х20Н80;
прецизионных сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения марок 29НК, 36Н, 42Н.
Каждая группа материалов проходит строгий контроль качества, обеспечивающий стабильность характеристик и соответствие требованиям высокотехнологичных отраслей промышленности.
