1.4.19 Porywanie ciekłych tlenków (kontrola kształtu wtrąceń)

W przypadku metali o niskiej temperaturze topnienia, takich jak stopy na bazie miedzi i poniżej, tlenek powierzchniowy jest niezmiennie stały, tak więc wszelkie turbulencje powierzchniowe powodują porywanie bifilmów i pęcherzyków. Takie stopy o niskiej temperaturze topnienia na bazie Mg, Al i Cu (zwłaszcza stopy takie jak brąz aluminiowy) są poważnie osłabione przez bifilmy porywane przez słabe systemy napełniania.

Jeśli tlenek powierzchniowy na ciekłym metalu jest cieczą, to uderzenie lub złożenie powierzchni cieczy spowoduje kontakt ciekły tlenek – do – ciekłego tlenku, tak, że kolidujące interfejsy cieczy będzie koalescencja, szybko ponownie formując się w kropelki ciekłego tlenku w celu zmniejszenia energii powierzchniowej. Większe kropelki będą szybko unosić się z metalu. Metal zyskuje znacznie, ponieważ zawiera teraz tylko stosunkowo nieszkodliwe, kuliste wtrącenia, które były zbyt małe, aby wypłynąć w czasie. Upłynnienie powierzchniowego tlenku poprzez stopienie metalu lub, w przypadku stali, poprzez zastosowanie specyficznych technik odtleniania, jest zatem mechanizmem o dużym znaczeniu dla redukcji bifilmów w metalach. Metalurdzy z dumą nazywają to „kontrolą kształtu inkluzji”. Duma jest uzasadniona, chociaż główny efekt polegał na unikaniu bifilmów, co oczywiście nie było znane. Gdyby to również zostało zrealizowane, uzasadnienie dla dumy powinno być podwojone!

Kuliste wtrącenia mogą być całkowicie „nieszkodliwe” w stali, w tym sensie, że nie oczekuje się, że będą one ulegać pęknięciom lub inicjować dekohezję z matrycy. Jednakże, jeśli powstały one w wyniku zdarzenia porywania, które porwało również trochę powietrza, małe ilości tlenu i azotu zostaną szybko wchłonięte przez wtrącenie lub nawet rozpuszczone w matrycy, ale pozostały 1% argonu pozostanie jako część wtrącenia. Ta gazowa objętość pomoże obniżyć energię powstawania uszkodzeń objętościowych, takich jak pęknięcie lub dekohezja. Kulista inkluzja może zatem nie zawsze być całkowicie „nieszkodliwa”.”

Stale są skomplikowane. Ich wysokie temperatury topnienia, zazwyczaj w okolicach 1500 C, oznaczają, że niektóre tlenki pozostaną w stanie stałym, tworząc problemy bifilmowe, podczas gdy inne będą powyżej swoich temperatur topnienia, co w znacznym stopniu pozwoli uniknąć bifilmów. Ponadto, stale generalnie wymagają odtleniania przed ich odlewaniem. Proces ten jest konieczny, aby uniknąć nadmiaru tlenu w roztworze, który reaguje z węglem w stali, tworząc tlenek węgla, CO, i w ten sposób tworząc porowatość, lub w ciężkim przypadku spowodowałby „wrzenie” stali podczas zamrażania. (Niektórzy z nas, starożytnych inżynierów metalurgii, pamiętają z sentymentem spektakularne pokazy pirotechniczne w dni w sklepie stalowym podczas odlewania stali obręczowych.)

Jak zauważyliśmy wcześniej, w prostym przypadku odtleniania wielu stali węglowych i stali niskostopowych, aluminium jest używane jako bardzo skuteczny odtleniacz. Jednak po leczeniu odtleniania, niektóre nadmiar Al pozostaje, a teraz jest dostępny do reakcji z powietrzem podczas odlewania – proces znany jako „ponowne utlenianie”. Bardzo wysoka temperatura topnienia tlenku glinu (2050 C) zapewnia, że podczas przelewania stali przez powietrze powstanie stały tlenek tworzący bifilmy, nawet jeśli stal zawiera tylko około 0,05%Al lub mniej.

Jednakże, jeżeli do odtleniania stosuje się mieszaninę około 50% glinu i 50% wapnia, to mieszany tlenek (glin i wapń) ma temperaturę topnienia tylko około 1400 C. Wciąganie tego ciekłego tlenku powoduje nie powstawanie bifilmów, lecz ciekłych błon, które szybko sferodyzują się w krople mające tendencję do wypływania. Po dotarciu do górnej powierzchni odlewu kropelki są po prostu asymilowane w powierzchniowej warstwie ciekłego tlenku i znikają. Jest to mechanizm, dzięki któremu stale ostatecznie odtlenione za pomocą Ca + Al osiągają tak wysoki poziom czystości w porównaniu ze stalami odtlenionymi za pomocą zwykłych Si, Mn i Al.

Korzystne działanie odtleniania Ca w celu utworzenia eutektyki o niskiej temperaturze topnienia zawierającej CaO występuje z innymi tlenkami, prawdopodobnie przede wszystkim z Cr2O3, jak w prawie wszystkich stalach nierdzewnych i wysokotemperaturowych stopach Ni.

Dodanie boru (B) do stali jest kolejną cenną techniką upłynniania powierzchniowej warstwy tlenków na stali. W tym przypadku tworzy się boran o zadziwiająco niskiej temperaturze topnienia bliskiej 1000 C w zależności od składu, który prawdopodobnie różni się w zależności od stali. Tylko bardzo niskie poziomy, zwykle od 0,002 do 0,005, są wymagane do osiągnięcia tej ogromnej redukcji temperatury topnienia tlenku. Stale borowe są zauważone dla ich siły i wytrzymałości, które muszą wynikać z ich szczęśliwego braku bifilms.

The Hadfield Manganese stal (Fe-13Mn) jest inny niezwykły stal, słynie z jego twardości. Jest ona używana w tak wymagających zastosowaniach jak punkty kolejowe i skrzyżowania. Awarie w eksploatacji wydają się praktycznie nieznane. Tlenek Mn MnO2 jest ciekły w temperaturach odlewania, co zapobiega powstawaniu pęknięć bifilmowych.

Najnowsze stale TWIP (transformation induced plasticity) zawierające ponad 50%Mn, pomimo zawartości kilku procent Al, zazwyczaj cieszą się 100% wydłużeniem, co prawdopodobnie przyczynia się przynajmniej częściowo do braku bifilmów. Lekkie stale Fe-30Mn-9Al nadal wykazują duże wydłużenie, chociaż w miarę obniżania zawartości Mn i wzrostu Al wydłużenie spada; być może z powodu wprowadzenia bifilmów tlenku glinu w pewnym krytycznym stosunku?

Musimy być świadomi, że te zabiegi z niewielkimi dodatkami do stali (na przykład Ca i B) są podatne na uszkodzenia. W przypadku szczególnie burzliwych warunków odlewania dodatek może zostać zużyty, skutecznie przytłoczony przez porywanie powietrza, co skutkuje przeciążeniem tworzenia tlenków i utratą korzyści upłynniających na pewnym etapie podczas zalewania. Wlewek wylewany od góry (strach pomyśleć!) wymagałby zatem wyższego dodatku Ca lub B niż wlewek wylewany kontaktowo lub wyrób odlewany w sposób ciągły. Stale o wysokiej zawartości Mn nie powinny cierpieć z powodu takiej wady podczas zalewania, mając efektywnie nieskończone zasoby Mn.

Stopy na bazie niklu, zwłaszcza tak zwane superstopy zawierające Al i Cr (wśród wielu innych dodatków) są skomplikowane z punktu widzenia ich tlenków podczas topienia i odlewania. Tlenki Al i Cr są zazwyczaj stałe w temperaturach topnienia większości stopów na bazie Ni, co wynika z faktu, że stopy Ni mają niższą temperaturę topnienia niż większość stali. Ich niższa temperatura topnienia oznacza, że mieszanka Al + Ca jest teraz tak marginalna w swoim działaniu, że nie można być pewnym, że będzie skuteczna. W związku z tym, stopy Ni odlewane w powietrzu często źle się znoszą, co powoduje, że pękanie podczas późniejszego kucia jest powszechne. Nawet w przypadku topienia i odlewania w próżni, pękanie podczas kucia jest dobrym dowodem potwierdzającym obecność bifilmów; nadstopy Ni odlewane próżniowo w znacznym stopniu korzystają z technik odlewania bez turbulencji.

Czytelnik powinien zwrócić szczególną uwagę na niemożliwą do zrealizowania logikę metalurgiczną związaną ze zjawiskiem pęknięć występujących w stopach, które skądinąd znane są z wyjątkowej plastyczności. Stopy Ni-base są plastyczne i dlatego nie powinny zawieść przez pękanie. Ponadto, oczywiście, podczas krzepnięcia stopy są poddawane tylko stosunkowo niewielkie naprężenia, rzędy wielkości niższe niż naprężenia, które mogłyby spowodować pęknięcia. Jedynie obecność bifilmów spowodowana burzliwym procesem odlewania może tłumaczyć pękanie stopów Ni. Rysunki 1.57 i 1.58 ilustrują zadziwiające pęknięcia, które są wynikiem złej, burzliwej praktyki odlewania, w stopie, który w przeciwnym razie nigdy nie powinien pękać, a w próbie rozciągania powinien osiągnąć prawie-100% redukcji obszaru.

Ryc. 1.57. Dwa widoki źle odlanego stopu Hastelloy wykazującego głębokie pęknięcia pomimo jego wysokiej plastyczności wyraźnie zilustrowanej przez wywiniętą krawędź obrobionej matrycy. (Prawidłowo odlany stop Hastelloy jest oczywiście wolny od pęknięć.)

Rysunek 1.58. Nieudana próba rozciągania wysoce ciągliwego stopu na bazie Ni CY40, niestety pełna pęknięć w wyniku złej techniki odlewania.

Odchodząc od stali i stopów Ni, wyjątkowo ciekawym i skomplikowanym przypadkiem są żeliwa szare.

Płynne żeliwo szare jest pozbawione warstwy tlenków podczas topienia w temperaturach od 1550 do około 1450 C (dokładna temperatura wydaje się zależeć od składu żeliwa). Wynika to z preferencyjnej redukcji tlenków Si i Mn przez węgiel w tych temperaturach. Powierzchnia cieczy ma magiczną i doskonałą przejrzystość lustra, które nie jest łatwe do opisania.

Poniżej tej temperatury matowa, szara warstwa stałej krzemionki (SiO2) tworzy. Jak temperatura nadal spada, w końcu osiągając około 1300 C, utlenianie Mn w żelazie prowadzi do pewnej domieszki MnO2 w tlenku powierzchni, powodując jego stopienie. W temperaturze gdzieś poniżej 1200 C dodatkowy tlenek, FeO, jeszcze bardziej obniży temperaturę topnienia tlenku. Ten złożony ciekły krzemian jest jednym z powodów doskonałej odlewności szarego żelaza i jest prawdopodobnie odpowiedzialny za szklisty połysk odporny na korozję na ładnie odlanych odlewów żeliwnych.

Te reakcje powierzchniowe, zachodzące z powodu środowiska o wysokiej zawartości tlenu, kontrastują z wnętrzem ciekłego żelaza. Poniżej około 1450 C bifilmów SiO2 porwane do stopu są stabilne i nadal budować podczas burzliwej obsługi ciekłego metalu. Tak więc, gdy temperatura eutektyczna jest osiągnięta, są one dostępne jako substraty do wytrącania węgla, tworząc płatki grafitu (Campbell 2009). Stały SiO2 wykonujący cenne działanie wewnątrz cieczy masowej kontrastuje z cennym działaniem ciekłego krzemianu na zewnętrznej powierzchni cieczy, który wspomaga płynność i zmniejsza wady turbulentne, takie jak okrążenia.

Jest niezmiernie szczęśliwe, że żeliwo rozwija korzyści z jego ciekłych tlenkowych krzemianów na swojej powierzchni tuż przed wylaniem, nie tracąc korzyści z jego stałych wewnętrznych bifilmów krzemionkowych. Jest to niewątpliwie powód, dla którego, ogólnie rzecz biorąc, maszyny parowe były w miarę niezawodne, a rewolucja przemysłowa zakończyła się sukcesem.

.