Размер зерна литого металла. Строение металлического слитка

Изменение степени переохлаждения оказывает влияние на кристаллизационные параметры: число центров кристаллизации n и скорость роста кристаллов с. Степень переохлаждения практически определяет получаемую при кристаллизации структуру литого металла, величину его зерен. С увеличением степени переохлаждения увеличиваются оба кристаллизационных параметра, однако темп возрастания количества зародышей больше, чем темп возрастания линейной скорости их роста. Кроме того, максимум кривой скорости роста кристаллов относительно кривой изменения числа центов кристаллизации смещен в сторону меньших степеней переохлаждения. Поэтому с увеличением степени переохлаждения число зерен возрастает, а их размер уменьшается. Таким образом, увеличение степени переохлаждения при кристаллизации способствует мелкозернистости литого металла. Наибольшая степень измельчения структуры может быть получена при таких степенях переохлаждения, когда скорость роста уже уменьшается, а число возникающих зародышей еще продолжает расти.

Изменение размера зерен при кристаллизации можно описать зависимостью, обнаруженной экспериментально:

где d – размер зерна или дендритной ячейки; Vî õë − – скорость охлаждения при кристаллизции; A, n – константы, которые мало отличаются для различных сплавов.

Расчеты, подтвержденные экспериментально, показывают, что для алюминиевых, магниевых, никелевых сплавов при А = 100 мкм, n = 0,4 и высокой скорости кристаллизации 106 °С/с размер дендритной ячейки составляет d = 0,4 мкм, что на несколько порядков меньше размера зерна сплавов, кристаллизуемых с малыми скоростями охлаждения (например, 10 °С/с).

При еще больших скоростях охлаждения, например, после оплавления поверхности металла лучом лазера, образующиеся кристаллы могут получить размеры, соизмеримые с несколькими десятками межатомных расстояний, что соответствует формированию рентгено аморфного состояния закристаллизованного металла.

На кинетику процесса кристаллизации, на количество и размеры кристаллизирующихся зерен, кроме чисто тепловых процессов, оказывают влияние вторичные факторы. К ним относится случайное (из шихтовых материалов) наличие в расплаве жидкости посторонних нерастворимых частиц, их специальное введение модифицированием, возникновение в расплаве флуктуаций свободной энергии под действием дополнительного воздействия, например, при обработке расплава ультразвуком или механической вибрацией.

Кристаллизация без каких-либо посторонних воздействий или без наличия готовых центров кристаллизации называется самопроизвольной, при наличии готовых центров – несамопроизвольной.

Изменяя число активных частиц – катализаторов кристаллизации, можно изменять размер зерна в широких пределах. На этом основан широко применяемый в металлургии способ получения мелкого зерна, называемый модифицированием. Существует несколько способов модифицирования, изучаемых в специальных курсах металлургии металлов и сплавов. Согласно одному из них, в расплав вводят множество дисперсных нерастворимых частиц, которые при последующем охлаждении способствуют интенсивному развитию несамопроизвольной кристаллизации, в результате чего отливка получается мелкозернистой. В другом случае в жидкий металл вводят небольшое количество растворимых добавок, которые понижают поверхностное натяжение на границе раздела между жидкой и твердой фазами, снижая флуктуации свободной энергии, необходимой для образования зародыша, что в конечном счете приводит к образованию большого числа зародышевых центров.

При обработке расплава ультразвуком в процессе кристаллизации возможно несколько механизмов измельчения зерна литого материала. Во-первых, осуществляется ввод колебаний в расплав с помощью металлических инструментов. Ультразвуковая эрозия рабочего торца волновода приводит к попаданию в расплав мельчайших частиц материала волновода, которые модифицируют сплав, изменяя зерно.

Во-вторых, ввод ультразвуковых колебаний в расплав приводит к развитию процессов кавитации, при которой в расплаве возникают локальные скачки давления в его микрообъемах, достигающие нескольких сот или тысяч атмосфер. Такое локальное выделение энергии в расплаве действует как модифицирование, увеличивая количество центров кристаллизации.

В-третьих, кавитационные процессы, развивающиеся в процессе кристаллизации, могут разрушать, диспергировать уже образовавшиеся сравнительно крупные зародышевые кристаллы, тем самым увеличивая их количество. Возникновение ультразвукового ветра способствует активному перемешиванию расплава, обеспечивающего равномерное распределение образовавшихся зародышевых центров в объеме расплава. Ультразвуковые колебания способствуют измельчению не только макростроения отливки или слитка, но и микроструктуры металла.

Применение вибрации при кристаллизации вызывает аналогичное действие за исключением специфических особенностей воздействия ультразвука. В процессе вибрационной кристаллизации также изменяется макростроение отливок.

Строение слитка во многом определяется условиями его получения, технологией литья, скоростью и способом охлаждения металла (рис. 2.14).

Различают слитки, полученные кристаллизацией в изложнице и в кристаллизаторе. Классические представления о строении слитка были разработаны впервые Д.К. Черновым еще в ХIХ в. Они не потеряли своего значения и в настоящее время.

Рис. 2.14. Строение слитка, полученного литьем в изложницу: 1 – зона прикорковых мелких дендритов; 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – зона равноосных кристаллов (центральная часть слитка; 4 – усадочная раковина.

При заливке металла в изложницу на характер образования и роста дендритов оказывают влияние стенки изложницы.

Преимущественные направления роста дендритов зависят от направления теплоотвода, поэтому основная масса главных осей дендритов оказывается ориентированной вдоль направления теплопотока, т.е. в направлении, перпендикулярном стенкам изложницы. Слиток стали обычно состоит из трех зон: 1 – мелких дендритов (корка), 2 – столбчатых кристаллов, 3 – крупных беспорядочно ориентированных дендритов. В верхней части слитка образуется усадочная раковина (4). Во всех зонах слитка может располагаться междендритная усадочная пористость.