Тема 9.4. Строение реальных металлических отливок

Структура слитка состоит из трех основных зон (рис. 9.5 б).

Первая зона (I) - наружная мелкозернистая корка, состоящая из мелких равноосных кристаллов, образующаяся в условиях значительного переохлаждения расплава при соприкосновении его с холодными стенками изложницы (формы).

Вторая зона слитка (II)- зона столбчатых кристаллов. После образования корки условия теплоотвода меняются, градиент температуры в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается сте­пень переохлаждения сплава. В результате из небольшого числа центров кри­сталлизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки (то есть в направлении отвода теплоты) столбчатые кристаллы.

Третья зона слитка (III)- зона крупных равноосных кристаллов. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. В результате в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения, образуются рав­ноосные кристаллы больших размеров.

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, кон­центрируется усадочная раковина. Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый. Уменьшение объема металла в процессе кристаллизации называют усадкой. Концентрированные пустоты в слитке, вызванные усадочными явлениями, называют усадочными раковинами, а мелкие, рассеянные по всему сечению слитка, такие же пустоты – усадочной рыхлостью или пористостью. Последние остатки металла в осевой зоне слитка затвердевают в условиях отсутствия связи с лежащими выше слоями жидкого металла. Это приводит к образованию осевой рыхлости. Часть слитка с усадочной раковиной и рых­лым металлом отрезают.

Слиток имеет неоднородный состав. Химическая не­однородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства.

Тема 9.5. Направленная кристаллизация. Выращивание монокри­сталлов из расплавов

Монокристаллы отличаются минимальными структурными несовершенствами. Монокристаллы можно получить, если создать условия для роста кристалла только из одного центра кристаллизации. Все технологические методы выращивания монокристаллов из расплавов можно разделить на тигельные и беcтигельные методы.

Выращивание кристаллов из расплава в настоящее время является наиболее распространенным промышленным процессом, так как по сравнению с другими методами методы выращивания из расплава обладают наивысшей производительностью с высокими скоростями роста (до 10 мм/ч).

Методы направленной кристаллизации подразделяются на три группы: методы нормальной направленной кристаллизации; методы вытягивания из расплава; методы зонной плавки.

Рис. 9.6. Схема выращивания кристаллов методом нормальной направленной кристаллизации расплавов: а – вертикальная модификация (метод Бриджмена);

б – горизонтальная модификация

В методах нормальной направленной кристаллизации заготовка расплавляется целиком, а затем расплав кристаллизуется с одного конца. Рост кристалла, таким образом, происходит в контакте со стенками тигля, содержащего расплав. Переохлаждение на фронте кристаллизации осуществляют путем перемещения тигля с расплавом относительно нагревателя, или нагревателя относительно тигля. В зависимости от расположения тигля с материалом различают горизонтальный и вертикальный методы нормальной направленной кристаллизации. Вертикальный метод получил название метода Бриджмена (рис. 9.6, а). 

Вопросы для самопроверки

1. В чём разница между первичной и вторичной кристаллизацией металлов?

2. В чем заключается сущность кристаллизации?

3. Что такое степень переохлаждения?

4. Какие процессы наблюдаются при кристаллизации капли раствора?

5. В каких направлениях растут кристаллы?

6. Чем будут определяться размеры формирующихся зерен?

7. При каком строении металлов обеспечивается высокая прочность и сопротивляемость ударным нагрузкам?

8. Как получить мелкозернистое строение металлов и сплавов?

9. Что собой представляет дендрит?

10. Назовите основные кристаллические зоны стального слитка.

11. Объясните механизм образования поверхностных мелких и вытянутых столбчатых кристаллов.

12. Почему в центральной части слитка образуются равноосные кристаллы?

13. Что является причиной образования усадочной раковины и усадочной пористости?

14. Что такое дендритная ликвация?

15. Каковы условия получения монокристаллов?