7.2. Зональная ликвация

При дендритной кристаллизации в расплаве всегда образуется легкоплавкий ликват, который в силу различных причин перемеща­ ется по сечению отливки и формирует в ней ликвационные зоны. В зависимости от месторасположения этих зон и причин перемеще­ ния ликвата зональная ликвация подразделяется на прямую, обрат­ ную, ликвацию по плотности (гравитационную) и полосчатую.

Можно выделить следующие основные причины перемещения ликвата:

-оттеснение ликвата фронтом растущих кристаллов;

-конвективное движение ликвата перед фронтом кристаллиза­ ции из-за наличия градиента температур и различной плотности;

-перемещение ликвата в междендритных пространствах в двух­ фазной (твердожидкой) области состояния отливки под действием капиллярных сил и сжатия расплава наружной коркой под влиянием усадки.

7.2.1. Прямая зональная ликвация

Прямая зональная ликвация (ее еще называют нормальной) про­ является в том, что центральные слои отливок или слитков обогаще­ ны легкоплавкими составляющими, т.е. теми компонентами или примесями сплава, которые понижают его температуру плавления (к < 1). Этот вид ликвации впервые был выявлен в стальных слитках в 1866 году А.С. Лавровым.

Ликвация компонентов сплава и примесей, понижающих темпе­ ратуру плавления сплава, осуществляется в жидкую фазу перед фронтом кристаллизации, эта фаза оттесняется растущими кристал­ лами в центральную часть отливки или слитка и затвердевает по­ следней. Так, в центральных частях стальных слитков содержание фосфора и серы всегда больше, чем в наружных. Нормальная ликва­ ция может быть легко предсказана с помощью фазовых диаграмм со­ стояния сплавов. Рассмотрим механизм образования прямой зональ­ ной ликвации в сплавах состава Со, диаграммы состояния которых приведены на рис. 86. Для упрощения примем, что растворенное ве­ щество перемещается в расплаве только за счет диффузии, т.е. пере­ мешивание его в жидкости не происходит.

Рис. 86. Схема образования прямой зональной ликвации (а, б) и распределение компонентов по сечению отливки (в)

Первые кристаллы этих сплавов имеют средний состав, близкий к Сц. В сплаве, состоящем из компонентов, образующих механиче­ ские смеси (см. рис. 86, а), это будут кристаллы из чистого компо­ нента А. В сплавах из компонентов, образующих твердые растворы (см. рис. 86, б), первые кристаллы обогащены компонентом А. В том и другом случае расплав перед фронтом кристаллизации имеет по­ вышенную концентрацию компонента В. По мере нарастания твер­ дой фазы средний состав кристаллов изменяется от Сц до Со- Избы­ ток компонента В путем диффузии постоянно отводится в объем жидкости. Жидкость, затвердевающая последней в центре отливки, оказывается наиболее обогащенной компонентом В. Максимальная степень обогащения расплава достигает значения С„. В системах с эвтектикой максимальная степень обогащения равна концентрации эвтектики, а в системах с неограниченной растворимостью может достигать 100 % компонента В. Распределение компонента В по мере удаления от поверхности отливки к ее центру будет иметь вид, при­ веденный на рис. 86, в. В реальных условиях охлаждения отливок в жидкости, наряду с диффузией, наблюдается и конвективное пере­ мешивание. Распределение второго компонента в этом случае будет немного сглажено (пунктирная линия на рис. 86, в).

Наибольшее развитие зональной ликвации можно наблюдать в крупных и высоких отливках, в частности в стальных слитках. При затвердевании слитков двухфазная (жидкотвердая) область имеет