Гетерогенная кристаллизация. Модифицирование.
Гомогенное или самопроизвольное образование зародышей может происходить только в высокочистом жидком металле.
В технических металлах и в сплавах процессы кристаллизации и характер образующейся структуры в значительной мере зависит от уже имеющихся в жидком растворе готовых центров кристаллизации. Такими центрами могут быть частицы тугоплавких соединений (оксиды, нитриды, карбиды и т.д.), образуемых примесями. Чем больше этих частиц тугоплавких соединений в жидком металле, тем больше центров кристаллизации (зародышей) и тем мельче размер образующихся кристаллов.
Такая кристаллизация называется гетерогенной.
Измельчение структуры способствует улучшению механических свойств металла. С целью регулирования размеров зерен широко применяют искусственное введение в расплав перед разливкой специальных добавок – модификаторов, создающих дополнительны центры кристаллизации. Этот процесс называют модифицированием.
По механизму воздействия различают:
Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации. Это элементы, образующие тугоплавкие соединения (карбиды, оксиды, нитриды, интерметаллиды и т.д.).
Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.
Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту (бор, магний, церий и другие).
Строение металлического слитка
Температура жидкого металла, скорость его охлаждения, направление отвода теплоты, содержание примесей оказывают определяющее влияние на форму и размер зерен, образующихся при кристаллизации. В большинстве случаев кристаллизация металлов протекает с большой скоростью (кристаллизация при заливке жидкого металла в изложницу, кристаллизация расплава при литье в металлические формы, кристаллизация при непрерывной разливке). При ускоренном охлаждении расплава кристаллы растут неравномерно. Рост зародышей по одной из осей в направлении наибольшего градиента температур значительно опережает рост по другим осям, и происходит так называемая дендритная кристаллизация.
После образования зародыша его развитие в первую очередь идет в направлении наибольшего градиента температур – ось первого порядка (рис. 2.5).
В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси, называемые осями второго, третьего и более высоких порядков. По мере их роста постепенно заполняются все промежутки, ранее занятые жидким металлом и дендритная кристаллизация замедляется.
Части кристалла, образующиеся в первые моменты их формирования (оси первого порядка), обогащены тугоплавкими компонентами, а те части, которые кристаллизуются позже (оси второго, третьего и т.д. порядков) и междуосные пространства, все более обогащаются легкоплавкими соединениями.
Рис. 2.5. Схема дендрита по Чернову Д.К.
Это приводит к образованию химической неоднородности состава как в пределах одного кристалла (дендритная ликвация), так и в различных зонах слитка (зональная ликвация).
Типичная структура слитка состоит из трех зон и усадочной раковины (рис. 2.6, а). В начальный момент разливки при соприкосновении жидкого раствора с относительно холодными стенками изложницы металл подвергается интенсивному переохлаждению, что приводит к образованию большого числа центров кристаллизации. Из-за большой скорости охлаждения рост образовавшихся кристаллов затруднен и поэтому поверхность слитка имеет мелкозернистую структуру (зона 1). После образования первой зоны условия кристаллизации изменяются – снижение температуры заливаемого металла, и повышение температуры стенок изложницы приводит к уменьшению скорости охлаждения. Для этой стадии кристаллизации характерен направленный отвод тепла перпендикулярно стенкам изложницы. Кристаллы растут к центру слитка внутрь жидкого расплава и имеют столбчатую форму (зона 2). В процессе дальнейшей кристаллизации исчезает направленность отвода тепла, скорость охлаждения значительно уменьшается, и в центральной части слитка образуются крупные различно ориентированные кристаллы (зона 3) .
В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка).