3.11.3. Кристал1защя 1 будова стальних зливив

3.11.3.1. Крист&шзащя стал!

Сталь у виливницях кристал1зуеться (тверд1е) у вигляд1 кристанш деревоподтбно! форми — дендрит1в. Процес кристал!зацп склада»ты ч з двох стадш — зародження кристал1В 1 наступного !х росту. Розр1япю ють гомо- та гетерогенне зародження кристал1в. Гомогенне зароджш ня — це утворення зародгав кристала в об'ем1 рщкоТ фази, а гетероп и не — це утворення кристал1в на вже шнуючш м1жфазшй поверхш ( па поверхш твердих часточок, що знаходяться в розплав1, наприклад, т металевих включень, стшок виливниць тощо).

Гомогенне зародження вщбуваеться так. У рщкому метал1 быя точки кристал1зацп внаслщок флуктуацп енерги, складу й щшьност1 безперери но утворюються угруповання атом1в з упорядкованою структурою к» >м плекси або зародки твердо'! фази. Одночасно 1 безперервно здшсню» н.< ч руйнування б!льшо! частини тз них. Для того щоб зародок став термодипа М1Чно стшким, тобто здатним до подалыиого росту, лотр!бш певш умомн

1з термодинамши вщомо, що перехщ рщини у твердий стан 1 навн.п.п можливий, якщо В1льна енерпя системи при цьому зменшусгы ч Тверднення 1 розплавлення в процеа змши температури поясни ж т.. и тим, що за температури, яка вища за точку кристал1зацп, меншу пп тму втльну енерпю мае рщка фаза, а за нижчо! температури — тверда

, У прицеп утворення зародюв вольна енерпя еистеми, з одного боку, "ИЩуетьея внаслщок витрати енерги на утворення поверхш розподшу "ЙЛМИ зародок, а з шшого боку, — зменшуеться внаслщок перехо- Цйстшш рщини у тверду фазу з нижним ровнем воьно!' енерги. За ИРригури кристал1зац1'1 в1льна енерпя рщко! та твердо!" фаз р1вш, у утворення зародка неможливе, оскшьки немае джерела для ком- СйЦИ' питрати енерги на утворення поверхш розпод1лу фаз. Для репин зародка потр1бне деяке переохолодження розплаву: що б1льше охолодження, то бшьший виграш вщьно! енерги для переходу 13 1)Го стану в твердий. (й геори кристал1зацп вщомо, що за певно! величини переохолодження М(»дииам1ЧНО стшкими, тобто здатними до подальшого росту, е т! за- НМ, розм1р яких перевищуе так званий критичний. Критичний М1р це такий розм1р, иочинаючи з якого подальший р1ст супро- Куп'ьеи зниженням вольно! енерги утворення зародка. Величину Тичиого радтуса зародка визначають 13 такого сшввщношення:

(3.

'кр

= (2®«-_тв7'_кр)/0_КрД7',

_И1 М1жфазний натяг на меж1 рщко! 1 твердо! фаз, Дж/см ; температура початку кристал1зацц, К; ДГ — величина переохо- „Шения, К; Р_кр — прихована теплота кристал!заци, Дж/см³. | | еиПнпдношення (3.88) випливае, що у раз! збшыиення ступеня рохолодження критичний рад1ус зародка зменшуеться, тобто термо- ЦймИпо стшкими стають дрхбшип зародки. Отже, стають стшкими 1 «Минн>1 ь рости багато 13 тих часточок ново!" фази, яга за вищо! темпе- у|И1 руйиувалися вщразу шеля утворення. Що вищий стушнь пере- :доджеппя, то вища штенсившсть утворення стшких зародгав. Сл!д зазпачити, що за гетерогенного зародження кристалш (на кную- Ц Иоиерхш розпод1лу) витрати енерги та потр1бний стушнь переохо- 1ИМЧП1Я значно менни, шж за гомогенного. Так, експериментально ИШжлепо, що кристалхзащя чистого (без вм1сту завислих дом1шок) "1йМ иочииаеться теля охолодження близько 300 °С, а в реальних ЛИМХ еталь иочинае кристал1зуватися вже шеля переохолодження на (МНи I радует, тобто в реальних умовах вщбуваеться переважно гете-

Ние зародження кристал1В. Припал, що зароджуеться, мае правильно ограновану або близьку НИ форму (рис. 3.51), яка визначаеться типом кристал^чних граток. "ИйО иеидонз! шеля зародження иравильний рют кристала припиня- >и I ипчниасться переважно р1ст його вершин, тобто плок дендрита.

||ож инк ться тим, що к1льк1сть теплоти 1 дом)шок сплаву, що вид1ля- ~М'Н Шд час кристал1заци, мппмальна б1ля вершин 1 максимальна б1ля М|1й I ранги кристала, внаслщок чого припиняеться подалына криста- /">1>1и граней. Вщ вершин кристала (для сплав1в на основ! зал1- М омагдра) ростуть ос! першого порядку (стовбури дендрита), пот1м

т

п тощо. Поява все новпх о<н1 та IX поступове потовщеппи

Рис. 3.51. Схема (плоска) |>•>< ■ у Р1ВНОВ1СИОГО дендрита (я) 1 «-чей* дендрита, який вир1с п умотш спрямованого теплов^дведсипм (о)

до них перпендикулярно < при моваш ос1 другого порядку (гшки), на яких ана.тп ешо ростуть ос1 третього порядку

^т зумовлюе формування гущ п, ного кристала — дендрпм В сплавах на основ! алии плки дендрипв росту№ у 1 р1 .о \ взаемно перпендикулярмм>

напрямах, кожний 13 яких е в1ссю шрамщп з гранями, що е щипаю упакованнми площинами в кристал1чних гратках.

За вщсутност! спрямованого тепловщведення оа в ус1х напрямач ростуть приблизно однаково 1 кристал утворюеться р1внов1сним, ю.ц як за спрямованого тепловщведення кристали мають витягнуту форму Швидк1сть росту кристал^в насамперед залежить в1д штенсивиосп н и п. вщведеиня: що б1лына швидк!сть тепловщведення 1 що больше персом, лодження рщкого металу, то б1льша швидккть !хнього росту. Пег крп стал1в вщбуваеться однаково як у раз1 гомогенного, так 1 в раз1 гегеро генного, IX зародження.

Слщ зазначити таку важливу особлив1сть кристал1заци стал]. Якщ,, чист1 метали кристал1зуються за стало! температури, то сталь як ба1 а и, компонентний розчин — у певному штервал1 температур. За темпера тури, що вщповщае початку штервалу кристал1заци, утворюютьея I по

чинають рости ос! кристалле, в яких вм1ст вуглецю та шших склад

стал1 менший, а в рщкому метатн, що залишаеться, 1хнш вм1ст зб|лыиу< I к ся. Тому температура тверднення рщко! фази знижуеться 1 пагчушп ОС1 кристал1в формуються за нижчо! температури та шдвищеного ими I \ ДОМ1ШОК.

Величина штервалу кристал1заца залежить вщ складу стал! та у мои тверднення зливка 1 пщвигцуеться за збшынення вмгету в стал! пуа п цю й легуючих елемент1в. Наприклад, у високовуглецевш стал! мар! м У13А штервал кристал1зацц досягае 325 °С. Однак за тдвшциют штервалу кристал1зацп пщвигцуеться також стушнь Х1М1ЧИ01 неодпор' ¹ ност1 зливка, що небажане явище.

У ироцеа тверднення стал1 у виливнищ теплота выводиться агр, ,

П стшки, тому зародження 1 р1ст кристал1в починаеться б1ля <

ВИЛЛВНИЦ1, а товщина твердого шару безперервно збшьшуеться у папр-е и центра зливка. Кристал1защя металу сунроводжуеться двома проч п и ,

(фоцгслми: охолодженням зливка 1 нагр1ванням виливнищ. Товщи- |1КИ зливка у перюд наповнення виливнищ залежить вщ умов Зм1ну на меж1 рщкий метал — юрка та шрка — виливниця. Ве- у теплового потоку вщ зливка (його шрки) до виливнищ, який ха- ИЛ,У<' штенсившсть охолодження зливка, визначають за р1внянням

Я₃ = ^(Т_п-Т_в), (3.89)

тепловий пот1к вщ зливка до виливнищ, Дж/ем²; а₃ — коефЬ Твилотддач! у зазор1 М1Ж зливком 1 виливницею, Дж/(см² • °С);

Ыдповщно температура поверхш зливка 1 виливнищ, °С; ТЖ'рднення стал1, особливо на початковш стадп, гстотно впливае аизору М1Ж зливком 1 виливницею. За звичайних умова теплота »йпьсн кр1зь зазор двома способами: теплопровщшстю I випром1- 1И1ИМ. 1з самого початку контактування рщкого металу з виливни- ЩМШиноть прогр1ватися виливниця та охолоджуватися юрка зливка, , ТЖ'рдпе. Швидкють нагревания максимальна у перил 10 — 30 с, а Попа значно зменшуеться.

|)И,|| розливання пщ шаром шлаку м1ж зливком 1 виливницею КИ'П.ся шлаковий прошарок, товщииа якого залежить вщ власти- I шлаку та умов розливання. Прошарок на початку тверднення I *») пабагато зменшуе кшыасть теплоти, що вщводиться вщ зливка, N подалыпому тепловщведення стае майже таким самим, як 1 шд Щмлипанпя без шлаку. Залежшсть товщини затверд1ло1 шрки вщ

Кйлопт кристал1зацй' приблизно визначають за формулою

° = ⁽³-⁹⁰⁾

Ц гонщина затверд1Л01 юрки, мм; к_гп — коефщент тверднення, й ,1)1 межнть вщ перепаду температур у юрц! зливка; т₃ — три- ||'11> тердпення зливка, хв. Оииноджснпя рщко1 стал1, тверднення та остигання твердо! стал! су- (джую11>ся усадковими явищами, пов'язаними 31 зменшенням пито- 0б'< му. Об'ем найпоширешших марок стал1 змшюеться так: шеля ЙИ'ННя температури вщ 1600 до 1500 "С об'ем зменшуеться приблиз- Нй I "", (|)азовий перехщ вщ рщкого стану до твердого супроводжуеться ШЖ'Нпим об'ему на 3 — 5 %. Кр1м того, пщ час тверднення зливка в Цмс1 напонпеппя виливниць змеишуються його лшшш розм1ри. Мм'Ькг мп усадков! порожнини в зливку спок1Йно1 стал1 е усадко- И рнкоиипами 1 лише невелика 1х юльюсть — усадковою крихгастю, Н< (|| по Г( пторинними раковинами. Усадкова раковина бувае кон- I|ннинюн* I скупченою. У нормальному зливку киплячо! стал1 усад- (|| ршинншп не утворюеться, осюльки в процеа кристал1зацп зливка Л/1НМ рПнктпрпо ])озпод1ляеться у газових пухирцях. За даиими р1зних мЬпннин, для стал! звичайних марок об'ем усадковоУ раковини ста­вим. -',1 ■1,5 % об'ему зливка.

Для зменшення глибини усадковоУ раковини потребно добивании якомога б1льшого ступеня утеплення головно'! частини зливка га аин ження тепловщведення вщ нього вгору г боки.