1.6.2. Условия получения мелкозернистой структуры

В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образу­ющейся структуры в значительной мере зависят от имеющихся центров кристаллизации. Такими центрами, как правило, являются частицы тугоплавких неметаллических включений, оксидов, интерметаллических со­единений, образуемых примесями. К началу кристаллизации центры находятся в жидком металле в виде твердых включений. При кристаллизации откладываются на поверхности примеси, как готовом зародыше. Такая кристаллизация называется несамопроизвольной, или гетерогенной. При несамопроизвольной кристаллизации роль зародышей могут играть и стенки формы.

Наличие готовых центров кристалли­зации приводит к уменьшению размера кристаллов при затвердевании. Эффект измельчения структуры значительно уве­личивается при соблюдении структурного и размерного соответствия (расхождение в межатомных размерах не должно превы­шать 5-7%) примесной фазы с основным металлом, которое способствует сопряже­нию их кристаллических решеток. Напри­мер, примесь титана в алюминии образует тугоплавкие включения фазы ТiА1₃ с те­трагональной кристаллической решеткой, которая хорошо сопрягается с ГЦК решеткой, чем способствует значительному измельчению струк­туры.

В жидком металле могут присутствовать и растворенные примеси, которые также вызывают измельчение структуры. Адсорбируясь на по­верхности зарождающихся кристаллов, они уменьшают поверхностное на­тяжение на границе раздела жидкость — твердая фаза и линейную ско­рость роста кристаллов. Это способствует уменьшению критического размера зародыша и появлению новых зародышей, способных к росту. При­меси, понижающие поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными.

Измельчение структуры способствует улучшению механических свойств металла. На практике для измельчения структуры металлов и сплавов широко применяют технологическую операцию, называемую модифицированием. Она состоит во введении в жидкий сплав перед раз­ливкой специальных добавок − модификаторов. В качестве последних используют поверхностно-активные вещества (например, бор в сталях, натрий в алюминии и его сплавах), а также элементы, образующие туго­плавкие тонкодисперсные частицы (например, титан, цирконий в алюми­нии и его сплавах; алюминий, титан в сталях). Модификаторы добавляют в сплавы в количествах от тысячных до десятых долей процента.

При увеличении температуры жидкого металла примеси, играющие роль дополнительных центров кристаллизации, растворяются или дезактивируются, поэтому повышение температуры жидкого металла перед разливкой приводит к укрупнению зерна при кристаллизации. Наоборот, подстуживание металла перед разливкой до температур, незначительно превышающих температуру плавления металла, способствует уменьше­нию размера зерна. Подстуживание эффективно при наличии примесей (или модификаторов), образующих фазы со структурным и размерным со­ответствием с основным металлом; в этом случае даже после значитель­ных перегревов можно получить мелкое зерно, особенно если удлинить выдержку перед разливкой.