z

УУ/ШШ/Ш, ШШШР, Ш /Ш /Ш .

Рис. 38. Направления роста главных дендритных осей

В реальных условиях на поверхности формы одновременно за­ рождается множество дендритов. Прежде всего они начинают расти вдоль стенки формы (рис. 39, а). После их встречи с соседями на стенке образуется твердая корочка и начинается рост дендритов в глубь расплава (рис. 39, б). Оси дендритов, расположенные вдоль

в сплавах создаются условия, более бла­ гоприятные для дендритного роста, так как перед фронтом растущих

4.2. Кристаллизация сплавов

При кристаллизации металлов технической чистоты, всегда со­ держащих некоторое количество примесей, и, тем более, при кри­ сталлизации сплавов общие закономерности процесса зарождения и роста кристаллов остаются такими же, как и при кристаллизации чистых металлов. Основные отличия связаны с изменением состава сплава в твердой и жидкой фазах. Можно отметить три главные осо­ бенности, отличающие кристаллизацию сплавов от кристаллизации чистых металлов: кристаллизация протекает в интервале температур; из гомогенного расплава могут закристаллизоваться несколько фаз; состав кристаллов отличается от состава расплава.

В процессе фазового перехода, протекающего в интервале тем­ ператур, каждая фаза меняет свой состав путем диффузионного массопереноса.

Из-за неполноты протекания диффузионных процессов в спла­ вах в ходе кристаллизации наблюдаются значительные изменения составов фаз. Большинство промышленных сплавов представляют собой твердые растворы и эвтектики, поэтому ниже рассмотрены особенности кристаллизации именно таких сплавов.

4.2.1. Кристаллизация твердых растворов

Для описания процесса кристаллизации любого сплава необхо­ димо использовать диаграммы фазового равновесия (диаграммы со­ стояния сплавов). Сплавы, образующие твердые растворы с неогра­ ниченной и ограниченной растворимостью, наиболее часто встреча­ ются в практике литейного производства. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем с заштрихованными областями твердых растворов приведены на рис. 40. Первые три диаграммы (см. рис. 40, а, б, в) относятся к сплавам с неограниченной растворимостью. Больше всего промышленных сплавов описываются диаграммами с ограниченной растворимостью в твердом состоянии и с эвтектиче­ ским превращением (см. рис. 40, г). Во многих сплавах протекают и перитектические превращения (рис. 40, д). Диаграмма, приведен­ ная на рис. 40, е, показывает, что твердые растворы в сплавах могут быть образованы не только на основе металлов, но и на основе промежуточных фаз (интерметаллических соединений) X и Y.

а

Рис. 40. Диаграммы состояния сплавов с областями твердых растворов

Диаграммы дают богатую информацию о процессе кристалли­ зации сплавов данной системы. Линии ликвидуса и солидуса на диа­ граммах состояния характеризуют равновесие между твердыми и жидкими фазами. Сам по себе факт, что это равновесие определя­ ется двумя линиями, уже указывает на то, что твердая фаза по своему составу должна отличаться от жидкой фазы, находящейся с ней в равновесном контакте. Действительно, второй компонент сплава (или примесь в технически чистом металле) в жидкой фазе распреде­ ляется равномерно. В затвердевшем сплаве эта равномерность внача­ ле нарушается, хотя общее количество компонентов сплава остается неизменным. Изменение состава кристаллов и жидкой фазы осуще­ ствляется путем диффузионного массопереноса, протекающего с ма­ лой скоростью, особенно в твердой фазе. Это вызывает существен­ ные изменения в структуре затвердевшего сплава.

Расположение линий ликвидуса и солидуса на диаграмме (на­ клон, расстояние между ними) позволяет определить, какие фазы

у сплава данного состава находятся в равновесии, их состав и отно­ сительные количества. Как это осуществляется, рассмотрим на при­ мере диаграммы состояния сплавов с неограниченной растворимо­ стью (см. рис. 40, а).

Равновесная кристаллизация сплава состава С0 (рис. 41) начи­ нается при температуре ликвидуса tn Состав твердой фазы определя­ ется по линии солидуса (опуская перпендикуляр из точки а - точки пересечения линий солидуса и температуры на ось диаграммы, ха­ рактеризующей химический состав, мы получаем искомый со­ став Ci). Состав жидкой фазы пои этой температуре остается равным исходному Со.

состава С4, а средний состав твердой фазы сравнивается с ис­ ходным составом С0. Таким об­

разом, при равновесной кристаллизации состав твердой фазы изме­ няется от Ci до С0, а состав жидкой фазы - от Со до С4. Это возможно только при условии, когда скорость движения поверхности раздела фаз мала по сравнению со скоростью диффузии компонента В в жид­ кой и твердой фазах, т.е. при очень медленном охлаждении. Фор­ мально после окончания равновесной кристаллизации любой сплав в системах с твердыми растворами должен представлять собой моно­ кристалл абсолютно однородного состава или поликристаллы одина­ кового состава.

Отношение содержания второго компонента сплава в твердой фазе к его содержанию в жидкой фазе называется коэффициентом распределения к = СУС*. Из нашего примера (см. рис. 41) видно, что коэффициент распределения для данной системы - величина непо­ стоянная и меньше единицы (кв < 1). Действительно, в начале кри­ сталлизации кв = С|/Со, а в конце кц = С0/С4. В системах с восходя­ щими линиями ликвидуса и солидуса кв> 1.

Коэффициенты распределения при равновесной кристаллизации большого значения не имеют. Они лишь показывают соотношения составов жидкой и твердой фаз во время фазового перехода. Состав сплава выравнивается в любом случае и при любом значении к. При неравновесной кристаллизации величина коэффициента распределе­ ния определяет степень неоднородности состава сплава.

Относительные количества каждой фазы, присутствующей в сплаве при любой температуре, вычисляются с помощью правила рычага (правила отрезков). При температуре t (см. рис. 41) коли­ чество (%) твердой фазы равно отношению отрезков edlcd, умножен­ ному на 100, а жидкой фазы - отношению celcd, тоже умноженно­ му на 100.

Неравновесная кристаллизация твердых растворов протекает при таких высоких скоростях охлаждения, что условия свободного и полного массопереноса в фазах и между ними частично или полно­ стью нарушаются. Особенно отстает диффузия компонентов в твер­ дой фазе (DT). Если в жидкости коэффициент диффузии имеет вели­ чину порядка Дк « 5• 10-5 см2/с, то в твердых сплавах при температу­ ре, близкой к солидусу, Dy ~ 5•1СГ8 см2/с, т.е. в тысячу раз меньше.

Рассмотрим процесс кристаллизации такого же сплава в системе с непрерывным рядом твердых растворов, как и ранее, но в неравно­ весных условиях, которые предполагают полное протекание разде­ лительной диффузии в жидкой фазе и полное отсутствие выравни­ вающей диффузии в твердой фазе (DK —>00, DT = 0). Скорость массо­ переноса в жидкости в этом случае будет достаточно велика, чтобы ее состав оставался однородным. Кристаллизация начнется (рис. 42) при той же самой температуре tn, как и при равновесном процессе, с образованием кристаллов состава С\. По мере понижения темпера­ туры кристаллы будут расти. Из-за отсутствия диффузии состав кри­ сталла будет неоднородным. Так, при температуре t наружный слой

будет иметь состав С2, а сердцеви­ на - состав С]. Средний состаб твердой фазы будет находиться между С] и С2. Состав жидкости остается однородным и описыва­ ется линией ликвидуса. При тем­ пературе / он равен С3. Средний состав кристаллов при любой тем­ пературе будет отличаться от со­ става жидкости. Он будет обеднен компонентом В. При достижении линии равновесного солидуса Тс— средний состав твердой фазы бу­ дет находиться между С\ и Со. Не­ достаток компонента В в твердой

фазе должен компенсироваться его избытком в жидкой фазе, поэтому весь сплав при температуре /с не закристаллизуется. В нем сохранит­ ся какое-то количество жидкости состава Gj. При дальнейшем охла­ ждении этого расплава состав кристаллов будет обогащаться компо­ нентом В. Полное исчезновение жидкости произойдет в тот момент, когда состав кристаллов будет одинаков с составом жидкости. А это может быть только при температуре кристаллизации компонента В. Последний слой твердой фазы в этом случае будет состоять полно­ стью из компонента В, а средний состав достигнет С0.

Таким образом, в случае неравновесной кристаллизации при ус­ ловии полной диффузии в жидкой фазе и отсутствии диффузии в твердой фазе (£>ж —» оо, DT = 0) температура солидуса у всех сплавов типа твердого раствора с неограниченной растворимостью компо­ нентов снижается до температуры кристаллизации легкоплавкого компонента. Кристаллы твердой фазы будут неоднородными по со­ ставу. Центральная часть кристаллов будет иметь состав С\ = кн Со (кв - коэффициент распределения компонента В при температуре ли­ квидуса), а последние слои металла на периферии кристалла будут состоять из чистого компонента В. Изменение среднего состава спла­ ва от С\ до Со показано на рис. 42 пунктирной линией.

При кристаллизации сплавов, лежащих в областях твердых рас­ творов на диаграммах состояния других видов, жидкость продолжает

сохраняться до точки плавления C mjn (см. рис. 40, б) или эвтектики (см. рис. 40, г). В системах с максимумом (см. рис. 40, в) роль туго­ плавкого компонента играет сплав с составом, соответствующим точке максимума, а роль легкоплавкого компонента - компоненты А и В, соответственно для сплавов, лежащих левее или правее точки максимума. В системах с перитектикой после кристаллизации одного твердого раствора перитектическое превращение не протекает, а сра­

зу начинается кристаллизация друго­

Если принять, что Дк -> оо, a Z)T> 0, то картина кристаллизации из­ менится следующим образом. Состав кристаллов останется неодно­ родным, но в меньшей степени, чем в случае DT= 0. Кристаллизация любого сплава в системе, показанной на рис. 43, будет заканчиваться при температуре, превышающей температуру кристаллизации легко­ плавкого компонента В. Чем меньше скорость охлаждения, тем выше, т.е. ближе к температуре равновесного солидуса, будет темпе­ ратура окончания этого процесса. Если на диаграмме состояния от­ метить точки окончания кристаллизации всех сплавов системы (см. рис. 43), то мы получим дополнительную линию (пунктирная), которая называется неравновесным солидусом. Положение этой ли­ нии зависит от фактической скорости охлаждения. Неравновесный солидус нельзя использовать для определения состава и количества фаз в процессе неравновесной кристаллизации. Эта линия дает ин­