Лекция 4. Формирование структур литых материалов. Литейные технологии

Р асплав чистого металла при охлаждении ниже равновесной температуры плавления (затвердевания) Т_пл . кристаллизуется, т.е. затвердевает с образованием кристаллической структуры.

Процесс кристаллизации вызван стремлением системы к минимуму свободной энергии. Термодинамический потенциал, характеризующий свободную энергию, при ТТ_пл у твердой фазы меньше, чем у жидкой.

Для развития кристаллизации необходимо переохлаждение металла ниже температуры плавления Т.

Снижение свободной энергии системы при переохлаждении Т, равное G_v= G_ж  G_тв, является термодинамическим стимулом – движущей силой процесса кристаллизации. Чем сильнее переохлаждении и, следовательно, больше G_v, тем активнее идет процесс кристаллизации.

К ристаллизация сплава начинается ниже температуры ликвидусаТ_L.

При фазовом переходе жтв выделяется тепло кристаллизации, которое полностью или частично компенсирует теплоотвод при охлаждении. Соответственно, кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре, а образование твердых растворов у сплавов замедляет скорость снижения температуры, что отражается на кривой охлаждения в виде перегиба. Изменения наклона кривой охлаждения вледствие фазовых переходов являются основой термографического анализа кристаллизации.

Кристаллизация происходит путем образования в жидкости центров кристаллизации (зародышей) и дальнейшего роста тех зародышей, которые имеют размеры больше критических: R_кр= , где  - поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – твердая фаза, Т_пл и Q_пл − температура и теплота плавления, Т − переохлаждение. Более мелкие зародыши неустойчивы, они растворяются в жидкой фазе.

Критический размер зародыша обратно пропорционален переохлаждению Т, т.е. чем сильнее переохлаждение, тем более мелкие зародыши становятся способны к росту. Следовательно, при более глубоком переохлаждении жизнеспособных зародышей становится больше, из каждого образуется кристаллит или зерно. В результате затвердевший при большем переохлаждении сплав имеет мелкозернистую структуру, которая характеризуется лучшими механическими свойствами.

Самопроизвольное (гомогенное) образование зародыша происходит только в очень чистых однородных веществах. В расплавах реальных сплавов всегда присутствуют случайные мелкие твердые частицы, некоторые из них даже при сравнительно небольшом переохлаждении могут служить готовыми зародышами кристаллизации. Таким образом в технических сплавах обычно происходит гетерогенное зарождение. Гетерогенным зарождением можно управлять, специально вводя в расплав определенное вещество – модификатор, а сам процесс обработки модификатором жидкого расплава непосредственно перед кристаллизацией называется модифицированием. Результатом модифицирования является множественное зарождение способных к росту центров кристаллизации, а, следовательно, образуется мелкозернистая структура затвердевшего сплава.

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.