3. Поняття кристалiзацii сплавiв

Залитий у форму метал віддає теплоту ливарній формі і при охолодженні починає кристалізуватися. Кристалізація — це процес утворення кристалів при переході з рідкого чи газоподібного стану у тверде, а також при перетворенні однієї фази в іншу в процесі остигання сплавув процесі твердіння. Утворення кристалів при переході з рідкого чи газоподібного стану у тверде називають первинною кристалізацією, а зміна форми кристалів у твердому стані — вторинною кристалізацією. Від первинної кристалізації залежить і вторинна, тому первинна кристалізація є найважливішим чинником, що визначає механічні й інші властивості виливка.

Для утворення кристалів з розплаву необхідний чи зародок центр кристалізації. За певних умов із зародка виростає кристал. Зародки можуть мати різне походження. Одні зародки утворяться мимовільно в переохолодженому розплаві при швидкому охолодженні: у рідкому стані атоми рухаються безладно, а при зменшенні вільної енергії (охолодженні сплаву) вони можуть утворити групи деякої критичної величини, здатні стати зародками кристалізації. Інші зародки-домішки, завжди, що є присутніми у розплаві продукти реакцій металургійних процесів у ванні печі і на поверхні футеровки.

Для початку кристалізації необхідно зменшити вільну енергію, тобто переохолодити розплав, відвести деяка кількість теплоти, щоб на наявних у розплаві зародках почався ріст кристалів. Таке переохолодження розплаву і максимальне число зародків — центрів кристалізації спостерігається поблизу стінок форми, тому затвердіння виливка завжди починається в стінок форми.

Р іст первинного кристала. З зародка кристалізації може вирости кристал, якщо сплав продовжує прохолоджуватися. Форма і внутрішня будівля первинного кристала залежать від швидкості охолодження; поверхневого натягу на границі між твердою і рідкою фазами і від числа активних зародків в одиниця об'єму розплаву.

Чим більше центрів кристалізації, тим дрібніше будуть кристали, я навпаки. Унаслідок швидкого охолодження сплаву на поверхні виливка утворяться дрібні кристали; у середній частині виливка, де охолодження повільне, відбувається більш вільний ріст стовпчастих кристалів у напрямку до центра виливка. У центральній частині виливка утворяться більш великі рівноважні кристали, орієнтовані безладно.

У залежності від різних факторів, що впливають на первинну кристалізацію, будівлю виливка визначається видом і взаємним розташуванням кристалів твердіючого сплаву. Структура виливка, що затверділа в піщаній чи металевій формі, може мати кристали трьох видів: стовпчасті чи дендритні, з рівнобіжним розташуванням великих осей; кулясті округлої чи шестигранної форми; змішані з безладною орієнтацією осей (мал. 9.8., а). Якщо стовпчасті кристали простираються до осі симетрії перетину виливка то таку структуру називають транскристалічною (мал. 9.8, б), а процес утворення такої будівлі — транскристалізацією.

Крім того, по величині кристалів розрізняють дрібнозернисту і грубозернисту будівлю.

Найбільшою міцністю і пластичністю володіють виливки з дрібними кулястими кристалами, гіршими — виливки, що мають стовпчасту кристалічну чи транскристалічну структуру.

У фасонних виливках звичайно присутні кристали трьох видів. Зовнішня зона I біля стінок форми складається з кулястих зерен, а іноді навіть з тонких голок; середня зона II— з дендритів, а центральна зона III — з равновісних безладно орієнтованих кристалів. Сталеві і чавунні виливки мають розвиту зону змішаних кристалів, а виливки з кольорових сплавів — усі перераховані зони. Це порозумівається складом сплаву і його властивостей.

Структура виливків залежить від великого числа факторів, головними з який є наступні: властивості шихтових матеріалів і умови плавки; температурний інтервал кристалізації; домішки, що містяться в сплаві; способи підведення розплаву у форму й охолодження виливка у формі; механічний вплив на процес кристалізації.

Вплив властивостей шихтових матеріалів і умов плавки. Основні складені елементи шихтових матеріалів майже цілком переводять у розплав, а потім у виливок, тому кристалічна будівля виливка залежить від складу і стану шихти, від температурного режиму плавки, розкислення металу. Установлено, що найбільш сприятливу кристалічну будівлю мають сталеві виливки при веденні плавки з інтенсивним кипінням ванни, а також при ретельному рафінуванні.

Вплив температурного інтервалу кристалізації. Академік В. А. Бочвар установив, що в сплавах з вузьким температурним інтервалом кристалізації, тобто невеликою різницею між температурами ліквідусу і солідуса, найчастіше утворяться стовпчасті кристали. У сплавах із широким інтервалом кристалізації утворяться безладно розташовані дендрити. Тому виливка з чистих металів, низьковуглецевих сталей, латуней, білого чавуна мають розвиту зону стовпчастих кристалів.

Вплив домішок. Акад. А. А. Банків установив, що нерозчинні домішки, що містяться в розплаві, є центрами кристалізації, якщо параметри кристалічних ґрат домішки близькі до параметрів ґрат металевої основи сплаву. Завдяки цьому виходить дрібнозерниста будівля сплаву, властивості його поліпшуються. Однак при перегріві розплаву вище визначеної температури відбувається дезактивація домішок.

Знаючи значення домішок у кристалізації сплавів, можна направлено змінювати кристалічна будівля виливків, тобто модифікувати сплав, поліпшуючи його властивості.

Вплив модифікування. Модифікування — обробка рідких сплавів малими спеціальними добавками (модифікаторами) перед заливанням їх у форми з метою здрібнювання кристалів у процесі первинної кристалізація. Шляхом модифікування можна регулювати структуру виливка, підвищувати її щільність, механічні властивості.

Розрізняють модифікування I і II роду. При модифікуванні I роду модифікатор, будучи поверхнево-активною речовиною, перешкоджає росту кристалів і сприяє одержанню дрібно-. зернистої структури. При модифікуванні II роду модифікатор штучно збільшує число зародків кристалів. Наприклад, цей ефект модифікування досягається при введенні бора, алюмінію й інших елементів у сталь.

Вплив умов заповнення форми й охолодження виливка. Метал, що заливається в-форму, віддає теплоту її стінкам. Однак поблизу живильника рідкий метал прогріває стінки форми більше, у результаті чого до моменту закінчення заповнення температура металу в різних місцях форми буде різна. Тому в різних частинах фасонних виливків теплові умови кристалізації металу і кристалічну будівлю будуть різними. У тонких місцях виливка будівля кристалів глобулярне, а в масивних — дендритне. Зі збільшенням швидкості кристалізації первинні кристали зменшуються, тому виливка, отримані в металевих формах, мають дрібнозернисту будівлю. Великий вплив на величину зерна робить температура заливання; зі зниженням температури заливання величина його зменшується.

Вплив механічного впливу. Д. К. Чернов указав на можливість керування кристалічною будівлею злитка шляхом його кантування при затвердінні, а також перемішування рідкого незатверділого обсягу злитка. Механічний вплив на сплав, що кристалізується, сприяє руйнуванню зростаючих дендритів, уламки яких можуть бути додатковими центрами кристалізації, що змінюють будівля виливка. На цьому принципі засновані такі способи керування кристалізацією виливків, як заливання металу у вібруючі форми, електромагнітне перемішування і т.д. Ці способи дозволяють улучати фасонні виливки з дрібнозернистою структурою зі сплавів, схильних до транскристалізації.