Форма первичных кристаллов и строение слитка.

П ервичные кристаллы технических сплавов это кристаллы твердого раствора. Они имеют дендритную (древовидную) форму, обусловленную анизотропией скорости их роста. Зародившийся кристаллик начинает вытягиваться в направлениях с максимальной плотностью упаковки атомов. В результате вырастают ветви первого порядка, от которых ответвляются ветви второго порядка. Последние тоже разветвляются, давая ветви третьего и более высоких порядков. Ветви дендритных кристаллов с кубической структурой располагаются перпендикулярно друг другу.

Д ендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом или пока жидкая фаза не достигнет эвтектического состава. Затем оставшаяся в междуветвиях жидкость также в виде твердого раствора затвердевает, достраивая разветвленный дендрит до полиэдрического кристаллита (зерна) или междендритная жидкость кристаллизуется в виде эвтектики.

Типичная зеренная структура слитка состоит из трех основных зон: 1- зона мелких (замороженных кристаллов образуется из-за сильного мгновенного переохлаждения залитого в изложницу металла и множественного зарождения центров кристаллизации;

Далее формируется 2 зона столбчатых кристаллов, вытянутых в направлении теплоотвода, т.е. большая ось зерен направлена почти нормально к поверхности изложницы (формы), кристаллы растут к центру или тепловому узлу. Центральную часть слитка занимает 3 зона крупных равноосных кристаллов, которые растут в условиях ненаправленного теплоотвода и при малом переохлаждении.

Охлаждаясь, металл дает усадку, т.е. уменьшается в объёме, поэтому в зоне слитка, затвердевающей в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 4. Усадочная полость может быть сосредоточенной или образуется усадочная пористость (усадочная рыхлота).

Некоторые сплавы, например высокомарганцевая сталь, склонна к увеличению зоны столбчатых кристаллов вплоть до стыковки их в центре при полном вытеснении зоны 3. Такая структура слитка называется транскристаллитной. Транскристаллитная структура характеризуется высокой плотностью металла, но в зоне стыка встречных кристаллов собираются нерастворимые примеси, развивается усадочная рыхлота. Отливки (слитки) с транскристаллитной структурой могут растрескиваться в процессе последующей ковке или прокатке.

Формированием зеренной структуры слитка можно управлять, подавляя развитие зоны столбчатых кристаллов, например, снижая температуру разливки сплава, продувкой инертными газами, вибрационной обработкой, модифицированием. В принципе можно добиться получения слитка со структурой, состоящей из равноосных кристаллов.

Чтобы уменьшить поражение металла усадочными дефектами используют направленное затвердевание: в верхней части слитка устраивают прибыль, которая питает отливку жидким металлом. Прибыль затвердевает в последнюю очередь и в ней концентрируется усадочная раковина. Прибыльную часть слитка отрезают и пускают на переплав, а остальную неповрежденную часть металла используют по назначению.

Наиболее радикальной мерой предотвращения усадочных дефектов слитков является непрерывная разливка. При такой технологии жидкий металл из печи непрерывно поступает в специальное устройство – водоохлаждаемый кристаллизатор. Затвердевший металл непрерывно вытягивается с противоположного конца кристаллизатора и отрезается мерными кусками. Затвердевший металл имеет плотную мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами.

Аналогично слитку формируется зеренная структура фасонных отливок. В отливках сложной формы усадочные дефекты могут развиваться в, так называемых тепловых узлах отливки, в местах с резким увеличением сечения. Для предотвращения усадочных дефектов в таких местах устанавливают питающие прибыли.