гать сущность всех названных теорий. В них больше общего, чем разногласий. Каждая лишь добавляла новый штрих в формирование современных взглядов на процессы кристаллизации. Наиболее рас­ ходятся авторы теорий в анализе причин прекращения роста столб­ чатых кристаллов.

5.2. Основные положения современной теории кристаллизации

Проанализировав взгляды разных ученых на протекание про­ цессов кристаллизации, можно с определенной степенью достовер­ ности представить последовательность формирования кристалличе­ ского строения, приближенно и только качественно предсказать кри­ сталлическое строение, которое приобретет отливка в реальных условиях литья.

Одним из основных положений современной описательной тео­ рии кристаллизации является то, что самопроизвольное зарождение кристаллов в реальных условиях литья технических металлов и спла­ вов практически невозможно. В большинстве случаев кристаллиза­ ции металлов и сплавов зарождение кристаллов происходит на нерастворимых в расплаве примесях. Гетерогенное зародышеобразование начинается при гораздо меньшем переохлаждении, чем само­ произвольное.

На основе анализа теории кристаллизации ниже последовательно рассмотрено формирование кристаллического строения отливок [1].

5.2.1.Образование наружной резкоохлажденной

истолбчатой зон

Кристаллизация начинается в поверхностном переохлажденном слое отливки. Переохлаждение появляется в момент соприкоснове­ ния расплава с холодной литейной формой. Это переохлаждение очень кратковременное и распространяется на небольшой слой рас­ плава. Первые кристаллы зарождаются на стенке формы. Возможны два варианта продолжения кристаллизации.

Если в переохлажденном слое присутствует много активных примесей, то кристаллы растут во всем объеме этого слоя. Каждый кристалл окружен переохлажденным расплавом и может развиваться

во всех направлениях с одинаковой скоростью. Рост этих кристаллов прекращается при встрече с соседями. Поскольку кристаллы возник­ ли и росли одновременно, то их размеры оказываются примерно одинаковыми. Образуется обособленная область мелких равноосных кристаллов. Ее называют резкоохлажденной зоной или зоной замо­ роженных кристаллов. При получении отливок с толщиной стенки 3-5 мм в металлических литейных формах эта зона занимает всю толщину стенки. Столбчатые кристаллы образуются в результате конкуренции между растущими мелкими кристаллами. Как ука­ зывалось, рост большинства мелких кристаллов прекращается при исчезновении расплава на границах между ними. Однако кристаллы, главная ось которых совпадает с направлением теплоотвода, будут продолжать врастать в расплав. Если это совпадение полное, то кри­ сталлы будут расти быстро, без всяких ограничений. Кристаллы, у которых направление роста лежит под углом к температурному градиенту, вскоре упрутся в своих более благоприятно ориентиро­ ванных соседей и прекратят рост. Из большого числа мелких кри­

ственного роста в расплав 4 и приобре­ тают столбчатую форму. При таких условиях, когда в расплаве ма­

ло активированных примесей, в резкоохлажденной зоне отсутст­ вуют мелкие равноосные кристаллы, она становится уже. При уве­ личении температуры заливки и быстром охлаждении этот слой

будет еще тоньше и в конце концов станет макроскопически невиди­ мым. При дальнейшем продвижении зоны столбчатых кристаллов в глубь расплава механизм конкурентного роста продолжает дейст­ вовать. В результате выклинивания число столбчатых кристал­ лов уменьшается, а их ширина увеличивается. Столбчатая зона может дойти до центра отливки и встретиться с другой столбчатой зоной. Такой вид структурообразования называется транскристалли­ зацией.

Зона столбчатых кристаллов тем больше, чем меньше интервал кристаллизации и чем интенсивнее теплоотвод. Отливки из чистых металлов и узкоинтервальных сплавов наиболее склонны к транскри­ сталлизации. Способствует увеличению количества столбчатых кри­ сталлов и очистка расплава от примесей, которые могли бы быть до­ полнительными центрами кристаллизации.

5.2.2. Формирование центральной равноосной зоны

Большинство теорий кристаллизации согласуются в части меха­ низма формирования резкоохлажденной и столбчатой зон. Расхож­ дения начинаются при описании процесса остановки роста столбча­ той зоны и образования равноосных кристаллов в центре. Авторы всех теорий сходятся в том, что причиной прекращения транскри­ сталлизации служит появление и рост свободных кристаллов перед фронтом столбчатых. По-разному трактуется лишь механизм зарож­ дения этих кристаллов. Для объяснения этого явления выдвинуто не­ сколько теоретических предположений:

1. Равноосные кристаллы начинают зарождаться в расплав перед фронтом кристаллизации в результате концентрационного переохлалсдения.

Если переохлаждение расплава перед фронтом столбчатых кри­ сталлов будет больше, чем переохлаждение, при котором начинается зарождение кристаллов на активных примесях, то продолжится рост столбчатых кристаллов. Если это переохлаждение меньше, то в жид­ кой фазе перед фронтом столбчатых кристаллов появятся свободные кристаллы. Чем больше протяженность переохлажденного расплава и меньше переохлаждение на границе раздела фаз, тем крупнее сво­ бодные кристаллы.

На рис. 69 показаны три последовательные фазы кристаллиза­ ции отливки, поясняющие формирование зоны равноосных кристал­ лов по теории Г.П. Иванцова.

Рис. 69. Схема формирования зоны равноосных кристаллов по теории Г.П. Иванцова

В начальный момент (см. рис. 69, а), когда термическое переох­ лаждение очень велико, а глубина переохлажденной зоны мала, про­ должается рост столбчатых кристаллов. Через какие-то отрезки вре­ мени (см. рис. 69, б и в ) форма прогревается, и скорость теплоотвода снижается. Уменьшается и переохлаждение на фронте кристаллиза­ ции, а глубина переохлажденной зоны увеличивается. Если в этой зоне присутствуют твердые активные частицы с размерами, превы­ шающими критический радиус зародыша, то они получают возмож­ ность роста без помех со стороны соседей. В результате начинает формироваться зона равноосных кристаллов, более крупных, чем в поверхностном слое отливки.

Данная схема весьма упрощена. Она не учитывает возникнове­ ние концентрационного переохлаждения в сплавах. Величина этого переохлаждения и протяженность области переохлажденного рас­ плава тем больше, чем больше концентрация второго компонента и шире интервал кристаллизации. При заливке менее перегретого сплава область концентрационного переохлаждения увеличивается. Это должно облегчать зарождение равноосных кристаллов, что и подтверждается практикой литья. В отливках из широкоинтерваль­

ных сплавов, залитых без перегрева в песчаные формы (малая ско­ рость охлаждения), зона столбчатых кристаллов сокращается и мо­ жет отсутствовать полностью.

Необходимо отметить, что специальная экспериментальная про­ верка указанной теории показала [10], что при отсутствии движения расплава равноосные кристаллы перед нарастающей столбчатой зо­ ной не образуются.

2. Центральная равноосная зона формируется с помощью сво­ бодных резкоохлаоюденных (замороженных) кристаллов, зародив­ шихся во время заливки в расплаве около стенки формы и перенесен­ ных в центр отливки.

Это положение также не находит экспериментального подтвер­ ждения. Во-первых, центральная зона равноосных кристаллов в от­ ливках наблюдается и при отсутствии зоны мелких равноосных кри­ сталлов; во-вторых, мелкие равноосные кристаллы, зародившиеся около стенки формы в результате большого переохлаждения и выне­ сенные в перегретый расплав, должны вновь расплавляться и не мо­ гут быть зародышами для равноосных кристаллов в центре отливки.

3. Равноосные кристаллы растут из зародышей, образовавших­ ся при оплавлении дендритов растущей твердой корочки.

Действительно, сильно разветвленные дендриты, прорастающие в расплав, могут частично оплавляться с отделением от дендрита мелких ветвей. Отделившиеся ветви конвективными потоками в рас­ плаве будут вымываться в центральную часть отливки и становиться зародышами равноосных кристаллов. Однако зоны равноосных кри­ сталлов образуются и в сплавах, в которых столбчатые кристаллы имеют вид ячеистых дендритов. Эти кристаллы весьма компактны

ине имеют тонких ветвей, которые могут оплавляться.

4.Зародыши равноосных кристаллов образуются на свободной поверхности отливки или слитка и опускаются в расплав перед столбчатой зоной.

Это чисто теоретическое предположение. В соответствии с ним зона равноосных кристаллов должна быть и в отливках из чистых металлов. Этого не наблюдается даже при условии принудительного охлаждения зеркала расплава.

5. Зародышами равноосных кристаллов служат шейкообразные кристаллы, зародившиеся на стенке формы или на охлаэ/сденной по­ верхности расплава.

показано распределение степени переохлаждения в расплаве вокруг кристалла, растущего на стенке формы. У корня кристалла переох­ лаждение уменьшается, он активнее растет в боковых направлениях, где больше переохлаждение. В результате кристалл приобретает шейкообразную форму.

Толщина шейки кристалла зависит от начальной ориентировки главных осей. Если главные оси кристалла располагаются по отно­ шению к стенке формы произвольно (рис. 72, б), то шейка в его при­ корневой части намного уже, чем у кристалла, главная ось которого перпендикулярна стенке формы (см. рис. 72, а). Двойной штрихов­ кой показаны ликвационные зоны, обогащенные вторым компонен­ том. Равноосные кристаллы с тонкой шейкой легко отделяются от

Рис. 72. Схема формирования шейкообразных кристаллов на стенке формы: 1- расплав; 2 - форма; 3 - ликвационные зоны

Рис. 73. Схема размножения отделившихся кристал­ лов: / - форма; 2 - холодная область; 3 - горячая об­ ласть; 4 - оплавление; 5 - выросший кристалл; 6 - вы­ росший дендритный кристалл; 7 - размножение

свойство». Зависимость типа обра­ зующихся кристаллов от по­ ложения сплава на диаграмме со­ стояния в общем виде приведена на рис. 76. Эта зависимость полно­ стью подтверждается практикой литья. Отливки из чистых метал­ лов и эвтектик (нулевой интервал кристаллизации) чаще имеют транскристаллическую, сквозную столбчатую структуру. Сравним две разновидности одной группы

сплавов - бронз. В отливках из кристаллов»: / - равноосные крис­

широкоинтервальных оловянных таллы, 2 - столбчатые кристаллы бронз столбчатые кристаллы при

литье в песчаные формы вообще не образуются, а в отливках из алюминиевых бронз (узкоинтервальные сплавы) всегда присутствует зона столбчатых кристаллов.

Причина такой связи структурообразования с интервалом кри­ сталлизации заключается в следующем. При охлаждении чистых ме­ таллов и узкоинтервальных сплавов максимальное переохлаждение достигается на стенке формы и вызывает появление наружной резко­ охлажденной зоны. Затем путем выклинивания образуются столбча­ тые кристаллы. Выделяющаяся теплота кристаллизации снижает пе­ реохлаждение и сужает переохлажденную зону настолько, что заро­ ждение новых кристаллов в расплаве становится невозможным. Столбчатые кристаллы продолжают свой рост. В широкоинтерваль­ ных сплавах перед фронтом кристаллизации образуется широкая об­ ласть концентрационного переохлаждения. Впереди столбчатых кри­ сталлов формируется двухфазная область, в ней будут зарождаться и расти так называемые свободные кристаллы (см. рис. 69, б, в), ко­ торые остановят рост столбчатой зоны.

Следует иметь в виду, что положение сплава на диаграмме со­ стояния (его интервал кристаллизации) характеризует склонность самого сплава к тому или иному виду структуры. Под влиянием дру­ гих факторов, и прежде всего скорости охлаждения, даже в широко­ интервальных сплавах могут появиться столбчатые кристаллы.