2.2. Движение металла в двухфазной области

В центральной части расплав перемещается конвективно, что является следствием разницы температур: более высокой в осевой части отливки, пониженной вблизи фронта кристаллизации. Конвекция продолжается достаточно долго в массивных отливках и слитках, в отливках средней и малой массы такой характер движения не является определяющим.

Двухфазную переходную область можно представить в виде капиллярно-пористого тела, поры которого заполнены жидким металлом. Полости (или поры), сохранившиеся между разрастающимися кристаллами и заполненные расплавом, имеют малые размеры вблизи наружной границы двухфазной области (со стороны затвердевшего металла). Здесь можно условно выделить слои с температурой, близкой к Тs; они более чем на 99% заполнены твердым металлом и только около 1% пор содержат расплав. Вблизи внутренней (со стороны жидкого металла) границы преобладает жидкое состояние сплава. Твердожидкому состоянию металла соответствует от 30% до 40% твердого металла и от 70% до 60%- жидкого, рис. 2.3

Химические составы жидкости, заполняющей поры (капилляры), и жидкости в центральной части отливки, различаются. Первая из них сильно обогащена ликватами (элементами, которые на стадии кристаллизации хуже растворяются в затвердевшем металле и лучше в жидком).

Жидкий металл в центральной части отливки отвечает среднему исходному составу сплава. Известно, что кристаллы имеют низкое поверхностное натяжение на границе с собственным расплавом.

Рис. 2.3. Капиллярно-пористая структура в двухфазной области кристаллизующегося сплава (а); схема накопления примеси перед движущимся фронтом кристаллизации (б)

Поэтому поверхностное натяжение на границе основного расплава с кристаллами ( - ) будет меньше поверхностного натяжения на границе кристаллов и расплава с ликватами

( - ). При условии ( - ) < ( - ) смачиваемость поверхностей растущих кристаллов основным расплавом будет выше смачиваемости кристаллов расплавом с ликватами, т.е. будет выполняться неравенство

(2.3)

где , - краевые углы смачивания соответственно основным расплавом и, расплавом с ликватами.

Капиллярное давление будет стремиться вытеснить жидкость с ликватами; оно определяется уравнением

, (2.4)

где σ- поверхностное натяжение на границе расплавов основного и с ликватами.

При условии (2.3) и уменьшении радиуса пор (и каналов) в двухфазной области увеличивается; в предельном случае при r 0 . Создаются условия, способствующие перемещению основного расплава в пористую двухфазную область и вытеснению из неё (за счет более слабого пристеночного смачивания) расплава с ликватами, сначала в более крупные капилляры, а затем к центру отливки. Такое перемещение будет тем интенсивнее, чем больше: 1)различие составов расплавов – основного и с ликватами; 2) различие в межфазных натяжениях ( - ) и ( - ); 3) больше .