Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Формирование структуры литых заготовок

14.11.2018

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух одновременных процессов — зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно — самопроизвольная кристаллизация — или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации — несамопроизвольная кристаллизация.

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества перейти в более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала G. С повышением температуры термодинамический потенциал металла как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается (рис. 6.1).

Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, называется равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии, т. е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной. Плавление — процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Разница между реальными температурами плавления и кристаллизации называется температурным гистерезисом.

При кристаллизации выделяется теплота, поскольку внутренняя энергия жидкого металла больше, чем твердого. Когда кристаллизуется технически чистый металл, отвод теплоты, происходящий вследствие охлаждения, компенсируется теплотой кристаллизации. В связи с этим на кривой охлаждения, изображаемой в координатах температура T — время т, процессу кристаллизации соответствует горизонтальный участок (рис. 6.2). При большом объеме жидкого металла скорость кристаллизации низкая, выделяющаяся теплота повышает температуру практически до равновесной (кривая а на рис. 6.2). При малом объеме металла выделяющейся теплоты недостаточно, вследствие чего кристаллизация происходит с переохлаждением по сравнению с равновесной температурой (кривая б на рис. 6.2).

Разница между равновесной Tк и реальной температурой кристаллизации T называется степенью переохлаждения AT. Степень переохлаждения зависит от природы металла. Она увеличивается с повышением чистоты металла и ростом скорости охлаждения. Обычная степень переохлаждения металлов при кристаллизации в производственных условиях колеблется от 10 до 30 °С; при больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов. Ниже приведены значения степени переохлаждения для некоторых металлов:

Степень перегрева при плавлении металлов, как правило, не превышает нескольких градусов,

В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого объема, в пределах которых расположение атомов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и вновь формируются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые из них (наиболее крупные) становятся устойчивыми и способными к росту. Такие устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (зародышами). Образованию зародышей способствуют флуктуации энергии, т. е. отклонения энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого среднего значения. Размер образовавшегося зародыша зависит от величины зоны флуктуации.

Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяются соотношением между скоростью образования центров кристаллизации и скоростью роста. Первая измеряется числом зародышей, образующихся в единицу времени в единице объема (мм-3*с-1), вторая — увеличением линейного размера растущего кристалла в единицу времени (мм/с). Оба процесса связаны с перемещениями атомов и зависят от температуры (рис. 6.3).
Формирование структуры литых заготовок

Для металлов, которые в обычных условиях кристаллизации не склонны к большим переохлаждениям, как правило, характерны восходящие ветви кривых. При небольших степенях переохлаждения, когда зародыш критического размера велик, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура. Небольших степеней переохлаждения достигают при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью (например, песчаная форма) или в нагретую металлическую форму. Степень переохлаждения увеличивают при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливки. Поскольку при этом скорость образования зародышей повышается интенсивнее, чем скорость их роста, получаются более мелкие кристаллы.

Несамопроизвольная кристаллизация. В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образующейся структуры в значительной мере зависят от имеющихся центров кристаллизации. Такими центрами, как правило, являются частицы тугоплавких неметаллических включений, оксидов, интерметаллических соединений, образуемых примесями, К началу кристаллизации центры находятся в жидком металле в виде твердых включений. При кристаллизации атомы металла откладываются на активированной поверхности, как на готовом зародыше. Такая кристаллизация называется несамопроизвольной, или гетерогенной. При несамопроизвольной кристаллизации роль зародышей могут играть и стенки формы.

Наличие готовых центров кристаллизации приводит к уменьшению размера кристаллов при затвердевании. Эффект измельчения структуры значительно увеличивается при соблюдении структурного и размерного соответствия: расхождение в межатомных размерах примесной фазы с основным металлом не должно превышать 5...7 %, что способствует сопряжению их кристаллических решеток. Например, при наличии примеси титана в алюминии образуются тугоплавкие включения фазы TiAl3 с тетрагональной кристаллической решеткой, которая хорошо сопрягается с ГЦК-решеткой алюминия, благодаря чему получают значительно измельченную структуру.

В жидком металле могут присутствовать и растворенные примеси, которые также вызывают измельчение структуры. Адсорбируясь на поверхности зарождающихся кристаллов, они уменьшают поверхностное натяжение на границе раздела жидкость — твердая фаза и линейную скорость роста кристаллов. Это обусловливает появление новых зародышей, способных к росту. Примеси, понижающие поверхностное натяжение, называют поверхностноактивными.

Измельченные структуры улучшают механические свойства металла. На практике для измельчения структуры металлов и сплавов широко применяют технологическую операцию, называемую модифицированием. Она состоит во введении в жидкий сплав перед разливкой специальных добавок — модификаторов. В качестве последних используют поверхностно-активные вещества (например, бор в сталях, натрий в алюминии и его сплавах), а также элементы, образующие тугоплавкие дисперсные частицы (например, титан, цирконий в алюминии и его сплавах; алюминий, титан в сталях). Модификаторы добавляют в сплавы в количествах от тысячных до десятых долей процента.

При увеличении температуры жидкого металла примеси, играющие роль дополнительных центров кристаллизации, растворяются или дезактивируются, поэтому повышение температуры жидкого металла перед разливкой приводит к укрупнению зерна при кристаллизации. Наоборот, подстуживание металла перед разливкой до температур, незначительно превышающих температуру плавления металла, способствует уменьшению размера зерна. Подстуживание эффективно при наличии примесей или модификаторов. В этом случае даже после значительных перегревов подстуживание позволяет получать мелкое зерно, особенно если удлинить выдержку перед разливкой.

Форма и размер зерен, образующихся при кристаллизации, зависят от условий их роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты, а также от температуры жидкого металла и содержания примесей.

Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме (рис. 6.4). Установлено, что максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называются осями первого порядка. По мере роста на осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка и т. д. В последнюю очередь идет кристаллизация на участках между осями дендритов.

Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся между собой. После этого окончательно заполняются межосные пространства, и дендриты превращаются в полновесные кристаллы с неправильной внешней огранкой. Такие кристаллы называют зернами, или кристаллитами. При недостатке жидкого металла для заполнения межосных пространств (например, на открытой поверхности слитка или в усадочной раковине) кристалл сохраняет дендритную форму. Такой дендрит обнаружен на поверхности усадочной раковины стального слитка массой 100 т. На границах между осями дендритов накапливаются примеси, появляются поры из-за усадки и ограниченного подвода жидкого металла к фронту кристаллизации.

Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обратном отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота от растущего кристалла отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой скоростью, формируются равноосные кристаллы.

Структура слитка зависит от следующих факторов: количества и свойств примесей в технически чистом металле или легирующих элементов в сплаве; температуры разливки; скорости охлаждения при кристаллизации, а также конфигурации, температуры, теплопроводности, состояния внутренней поверхности литейной формы. На рис. 6.5 приведены схемы макроструктур слитков, полученных в вертикальной металлической форме.

Типичная структура слитка сплавов состоит из трех зон (рис. 6.5, а). Жидкий металл прежде всего переохлаждается в местах соприкосновения с холодными стенками формы. Большая степень переохлаждения способствует образованию на поверхности слитка зоны 1 мелких равноосных кристаллов. Отсутствие направленного роста кристаллов этой зоны объясняется их случайной ориентацией, которая является причиной столкновения кристаллов и прекращения их роста. Ориентация кристаллов, в свою очередь, зависит от состояния поверхности формы (шероховатость, адсорбированные газы, влага) и наличия в жидком металле оксидов, неметаллических включений. Эта зона слабо различима невооруженным глазом. Затем происходит преимущественный рост кристаллов, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к теплоотводу. Так образуется зона 2 столбчатых кристаллов, нормально расположенных к стенкам формы. В середине слитка наблюдается наименьшая степень переохлаждения и отсутствие направленного теплоотвода, поэтому образуются равноосные кристаллы больших размеров (зона 3).

Применяя различные технологические приемы, можно изменять количественное соотношение зон или исключать из структуры слитка какую-либо зону вообще. Например, перегрев сплавов перед разливкой и быстрое охлаждение при кристаллизации приводят к формированию структуры, состоящей практически из одних столбчатых кристаллов (рис. 6.5, б). Такая структура называется транскристаллической, она образуется в слитках технически чистых металлов. Зона столбчатых кристаллов характеризуется наибольшей плотностью, но в зоне их стыка собирается значительное количество нерастворимых примесей. Поэтому слитки с транскристаллической структурой склонны к растрескиванию при обработке давлением. Кроме того, формирование транскристаллической структуры в сварных швах уменьшает их прочность.

Низкая температура разливки сплавов, продувка жидкого металла инертными газами, модифицирование приводят к уменьшению или исчезновению зоны столбчатых кристаллов и получению слитков, состоящих из равноосных кристаллов (рис. 6.5, в).

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина, под которой в слитке формируется металл, характеризуемый значительной усадочной пористостью.

Слитки сплавов имеют неоднородный состав. Например, в стальных слитках по направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей — серы и фосфора.

Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией, наличие которой приводит к ухудшению механических свойств. В реальных слитках, помимо зональной, встречаются и другие виды ликвации. Так, дендритная ликвация свойственна сплавам с широким интервалом кристаллизации. Она характеризуется неодинаковым химическим составом по сечению зерна (дендрита). Центр зерна обогащен более тугоплавким элементом, к периферии его количество уменьшается.

Гравитационная ликвация образуется в результате различия плотности твердой и жидкой фаз, а также при кристаллизации не-смешивающихся жидких фаз. Это, например, свойственно антифрикционным сплавам олова с сурьмой и меди со свинцом. В зависимости от того, легче или тяжелее твердая фаза по сравнению с жидкой, она при кристаллизации соответственно всплывает на поверхность или опускается на дно слитка (отливки). Такое расслоение отливки (слитка) по плотности недопустимо для антифрикционных сплавов, поскольку коэффициент трения в работающей паре в большой степени зависит от особенностей и однородности структуры.

Для уменьшения гравитационной ликвации используют большие скорости охлаждения отливок (слитков). Применение космической технологии полностью устраняет этот вид дефекта, поскольку в условиях космоса гравитационные силы чрезвычайно малы.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: