4.3.2. Эволюция структуры сплавов при их обработке в полутвердом состоянии

Идеальная структура жидко- твердой кашеобразной металлической смеси перед тиксоформовкой должна представлять собой глобулярную альфа фазу, равномерно распределенную в жидкой матрице и связанную в непрочный скелетон. Первичная цель всех вышеперечисленных методов ОСПТС создать идеальную структуру сплава, гарантирующую требуемые реологические характеристики жидко- твердой смеси, которые обеспечат получение высококачественного изделия при формовке. Технически такая структура сплава может быть получена либо на этапе реолитья в двух- ступенчатой технологии, либо на этапе повторного нагрева в трех- ступенчатой технологии. Эволюция структуры сплавов будет совершенно различной в зависимости от технологии ОСПТС.

4.3.3.1. Эволюция микроструктуры полупродукта

Существуют два принципиально различных подхода реолитья: фрагментация растущих дендритов на фронте кристаллизации расплава, и провоцирование активного зародышеобразования равноосных кристаллов в объеме расплава. В структуре сплава будут протекать процессы: либо фрагментации и огрубления разрушенных дендритов, либо рост и огрубление уже равноосных кристаллов.

Основными параметрами любого процесса реолитья, определяющими эволюцию структуры сплава в полу- твердом состоянии являются: температура обработки сплава, интенсивность и время перемешивания сплава. Благодаря влиянию этих параметров обработки при реолитье эволюция морфологии альфа- фазы в структуре сплава изменяется от дендритной к глобулярной и является необратимым процессом.

Мертоном Флемингсом предложена эволюция структуры сплава при реолитье.

Увеличение интенсивности и времени перемешивания сплава
а)	б)	в)		г)	д)
Дендриты			Розетки			Глобулы
Рисунок 96 Структурная эволюция при реолитье: а)начальный дендритный фрагмент, б)дендритный рост, в)розетка, г)огрубленная розетка, д)глобула

Изначальные дендриты фрагментируются благодаря отделению (detachment) дендритных осей либо за счет срезающей силы либо из-за подплавления дендритных осей в месте стыка с осью первого порядка. В последствии фрагментированные дендриты огрубляются до морфологии розеток и глобул. (См. рис.99)

Такая эволюция структуры сплава заложена в промышленной технологии МГД- литья. Однако, возможности МГД- перемешивания не позволяют создать благоприятные условия для достижения глобулярной морфологии α- фазы. В структуре МГД- полупродукта наблюдается химическая неоднородность и α- фаза представлена в виде розеток.

Увеличение скорости срезающего воздействия позволяет ускорить процесс эволюции структуры сплава (См. рис. 99).

К благоприятным условиям относят равномерное поле температур по всей ванне обрабатываемого расплава и равномерное перемешивание сплава.

Рисунок 97 Схема изменения морфологии альфа- фазы в течение изотермического процесса реолитья в зависимости от времени и скорости перемешивания

В процессах реолитья, где реализовано зарождение равноосных дендритов, α- фаза достигает глобулярной морфологии (См. Рис.101). Здесь удается достичь благоприятных условий, что позволяет получить полупродукт с равномерно распределенной глобулярной альфа –фазой за существенно меньшее время в сравнении с МГД- литьем.

Глобулярная морфология может быть также обеспечена увеличением скорости срезающего воздействия и интенсивности турбулизации потоков расплава.

Однако, помимо сфероидизации α- фазы одновременно протекает процесс ее коалесценции, что приводит к образованию конгломератов, состоящих из нескольких глобул, и это является нежелательным процессом огрубления, приводящим к увеличению размера α- фазы.

Увеличение скорости срезающего воздействия и интенсивности турбулизации потоков расплава
Дендриты	Розетки	Глобулы
Рисунок 98 Эволюция морфологии альфа фазы

Уменьшить влияние процесса коалесценции в структуре можно благодаря увеличению доли свободной жидкости между глобулами. Степень проникновения жидкости между твердой α- фазой зависит от локального баланса поверхностных энергий границ между α- фазой (γ_αα) и межфазной границы жидкое- твердое (γ_αl). Определено, что жидкость не будет проникать между зернами в случае, когда γ_αα <2 γ_αl.

Где γ_αl и γ_αl являются функциями от кристаллографического направления розетки.

Известно, что вероятность образования границ между зернами с сильной кристаллографической разориентацией составляет всего 3,4%. Поэтому наиболее энергетически вероятно образование общих границ либо из слаборазориентированных розеток, либо из розеток с одним и тем же кристаллографическим направлением.

Установлено, что разница в разориентации между глобулами в конгломерате составляет не более 10^о.

Из этого следует, что величина конгломератов будет определяться интенсивностью перемешивания расплава.

В заключение следует отметить, что для получения мелкодисперсной глобулярной структуры полупродукта необходимо, прежде всего, обеспечить активное зародышеобразование, а также интенсивное равномерное перемешивание при постоянной температуре в течение минимально допустимого времени. Именно такие условия обеспечат равномерное распределение образованных центров кристаллизации, их роста с последующей сфероидизацией и минимальной коалесценцией.