Строение слитков и отливок

На процесс кристаллизации всегда влияет множество факторов: направление теплоотвода, наличие нерастворимых примесей в расплаве и т. д.

В слитке или отливке кристаллизация всегда начинается у стенок формы, так как металл здесь охлаждается быстрее (рис. 19). Степень переохлаждения у стенок велика, поэтому здесь образуется множество мелких кристалликов, по-разному ориентированных. Эту часть слитка называют мелкозернистой коркой 1.

Затем кристаллы начинают расти от поверхности в направлении, обратном отводу тепла, т. е. перпендикулярно стенке формы. В поперечном направлении кристаллы мешают друг другу расти, поэтому они приобретают вытянутую форму. Их называют столбчатыми кристаллами 2.

В центре крупного слитка образуется объем жидкого металла с почти одинаковой температурой во всех точках. Тепло от этой зоны отводится медленно, с одинаковой скоростью во всех направлениях. Поэтому зародыши здесь возникают в разных участках и не имеют преимущественного направления роста. Это зона крупных, по-разному ориентированных равноосных кристаллов 3.

В верхней части слитка за счет усадки возникает крупная пустота – усадочная раковина 4. Наилучшие механические свойства должны быть в первой зоне – корке, наихудшие – в сердцевине слитка, особенно в верхней части.

Размер зон в конкретном изделии зависит от состава металла, скорости охлаждения при кристаллизации и температуры заливаемого в форму металла.

В отливках небольшого поперечного сечения при быстром охлаждении и большом перегреве может происходить транскристаллизация: столбчатые кристаллы дорастают до столкновения, равноосные кристаллы в центре вообще не образуются.

Свободно растущий в жидкости кристалл при малой степени переохлаждения принимает форму дендрита – разветвляется подобно дереву. При росте дендритов максимальная скорость роста наблюдается по плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называют осями первого порядка. На них появляются ветви второго порядка и т. д. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендритов. Примеси оттесняются гранями растущего кристалла. Кроме того, при затвердевании происходит усадка металла. Все это приводит к тому, что в участках, расположенных между осями дендритов, сконцентрированы примеси и имеются микропоры. Такая особенность строения литого металла приводит к понижению его механических свойств, особенно пластичности.

При прокатке дендриты деформируются, вытягиваются в длинные волокна, но междендритные промежутки с повышенной концентрацией примесей сохраняются. Этим объясняется неоднородная, волокнистая структура проката при травлении и разница в механических свойствах вдоль и поперек прокатанного изделия.

Аморфные металлы

Для получения аморфного металла нужны огромные скорости охлаждения: 10⁶-10⁷ ºC/с. Достичь этого можно, только охлаждая очень тонкие слои металла или мельчайшие капли. Для этого распыляют расплав жидкостью, холодным воздухом или инертным газом, льют тонкой струйкой на массивный вращающийся водоохлаждаемый барабан и т. п.

Теоретически любой металл или сплав можно получить в аморфном состоянии, если достичь нужной скорости охлаждения. Но так как это технически сложно, то идут другим путем: в состав сплава включают аморфизаторы – бор, фосфор, кремний и др. Эти элементы способствуют переохлаждению расплава без зарождения центров кристаллизации. Например, металлическое стекло из сплава Pd – Si получается уже при скорости охлаждения 10³ ºC/с. Обычное соотношение металла и аморфизатора: Me₈₀X₂₀.

Изделия из металлических стекол очень малы по толщине (доли микрона) и используются в приборостроении.

Свойства аморфных сплавов: высокая твердость, прочность, износостойкость. Пластичность в них подобна вязкому течению жидкости. Нет анизотропии. Нет границ зерен, поэтому они не подвержены коррозии, которая легче всего развивается по границам. Особо важны их уникальные магнитные свойства: прямоугольная петля гистерезиса, высокая магнитная проницаемость, малая коэрцитивная сила. Все это находит применение в аудиотехнике (звукозапись и звуковоспроизведение).

При нагреве металла, находящегося в термодинамически неустойчивом аморфном состоянии, он кристаллизуется. Можно получить смесь кристаллов с аморфной основой, имеющую уникальные свойства.