ШШШШШ

отливки в форме 1 кристаллы 3 опускаются вниз в направлении, по­ казанном стрелками. В верхней части могут возникнуть разрывы 4, которые заполняются ликватом 2.

V- и А-образные ликвации в поперечном сечении стальных от­ ливок и слитков имеют шнурообразную форму. Иногда их еще назы­ вают ликвационными усами. Схема последовательного образования такой формы ликвации приведена на рис. 90. Легкоплавкий ликват в кристаллизационных трещинах оттесняется растущими кристалла­ ми в междендритное пространство и затвердевает последним в виде шнуров, параллельных друг другу.

Рис. 90. Схема образования шнурообразной ликвации: а - вертикальное сечение; 6 - горизонтальное сечение; I - кристалл; 2 - расплав; 3 - ликват

Зона с пониженной концентрацией примесей (зона положитель­ ной ликвации) может образоваться в нижней части слитка из-за осе­ дания большого числа мелких обломков дендритов, смываемых с фронта кристаллизации конвективными потоками. Обломки денд­ ритов, точнее, главных ветвей дендритов содержат меньше приме­ сей, чем в целом кристалл. При изучении кристаллического строения слитка в этой части выделяют зону мелких равноосных кристаллов, так называемый конус осаждения.

Анализы химического состава слитков показали, что в ликвационных зонах увеличивается концентрация компонентов и примесей: углерода на 10-30 %, фосфора на 20-40 %, серы на 30-50 % по срав­ нению с исходным составом.

7.2.2. Обратная ликвация

Структурные составляющие с пониженной температурой плав­ ления иногда можно обнаружить в поверхностных слоях отливок и слитков. В противоположность нормальной (прямой) ликвации этот вид неоднородности называют обратной ликвацией. К данному виду ликвации наиболее склонны цветные сплавы с широким интер­ валом кристаллизации. Этот вид ликвации вызвал серьезные затруд­ нения при освоении производства слитков из алюминиевых сплавов системы алюминий - медь. При пластической деформации таких слитков в наружных слоях появлялись трещины. Исследования пока­ зали, что содержание меди там больше, чем в центральной зоне, что и снижает пластичность. Наружный слой толщиной около 1 мм перед прокаткой до того, как научились управлять ликвацией, прихо­ дилось удалять механической обработкой. Медь понижает темпера­ туру кристаллизации алюминиевых сплавов и в соответствии с зако­ нами нормальной зональной ликвации она должна была концентри­ роваться в центральной зоне слитка.

Другим характерным примером является обратная ликвация в оловянных бронзах. На поверхности отливок из таких сплавов ино­ гда появляются наплывы (оловянные выпоты), содержание олова в которых в 2,0-2,5 раза выше, чем в окружающем сплаве. Образова­ ние подобных выпотов раньше объясняли тем, что дендриты, расту­ щие от твердой корочки, до срастания друг с другом окружены рас­ плавом с высоким содержанием лидирующих элементов. Тонкая твердая корочка кристаллизуется с большой скоростью, и, несмотря на значительную степень дендритной ликвации, сплав здесь имеет средний состав, соответствующий исходному составу. Через некото­ рое время из-за усадки твердая корочка отрывается от стенки формы. Легкоплавкий ликват в отливке, уменьшающей свои размеры, оказы­ вается под всесторонним давлением. Это давление возрастает в от­ ливках из сплавов с высоким газосодержанием, когда газы начинают выделяться из раствора. Ликват под действием сжатия может про­ давливаться через тонкую корочку и затвердевать в пространстве между стенкой формы и отливкой.

В последнее время появилось новое объяснение механизма об­ ратной ликвации [10]. Сущность его поясняет рис. 91. В начале кри-

сталлизации на поверхности стенки формы образуются шейкообраз­ ные кристаллы (рис. 91, а). Расплав около их основания обогащается ликвирующими элементами. После срастания верхних частей кри­ сталлов ликват локализуется в междендритных пространствах (рис. 91, б). Основания кристаллов (а значит, и вся корочка) будут обогащены легкоплавкой примесью. Под действием усадки и выде­ ляющихся газов ликват может выдавливаться через поры между кри­ сталлами и образовывать выпоты.

2 -

Рис. 91. Схема образования обратной ликвации в отливках: 1 - форма; 2 - расплав; 3 - растущий кристалл; 4 - ликват; 5 - граница зерен

При литье в формы с высокой теплоотводящей способностью на поверхности сначала формируется устойчивая твердая корочка, от которой начинают расти шейкообразные кристаллы. Обратная лик­ вация в таком случае проявляется в виде неразличимого тонкого слоя под этой корочкой.

7.2.3. Гравитационная ликвация

Гравитационная ликвация, или ликвация по плотности, появля­ ется вследствие больших различий в плотности твердой и жидкой фаз или двух несмешивающихся жидких фаз. По характеру распре­ деления компонентов эта ликвация зональная. Неоднородность со­ става проявляется в различных макрообъемах по высоте отливки.

Гравитационная ликвация сильнее проявляется при медленном за­ твердевании отливок. В этом случае больше вероятность оседания кристаллов плотность которых выше плотности расплава, в нижнюю часть отливки. Поскольку состав кристаллов отличается от состава расплава, то и состав сплава в месте скопления осевших кристаллов будет отличаться от среднего состава. Такой механизм образования гравитационной ликвации характерен для сплавов с составами, близ­ кими к эвтектической точке. Если к обратной зональной ликвации наиболее склонны широкоинтервальные сплавы, то наибольшая степень гравитационной ликвации наблюдается у доэвтектических и заэвтектических сплавов, близких по составу к эвтектике (рис. 92).

Рис. 92. Склонность сплавов к обратной зо­ нальной (7) и гравитационной (2) ликвации

Первичных кристаллов твердого раствора в них образуется ма­ ло, и они глубоко прорастают в жидкую фазу. Конвективные потоки в расплаве могут ломать эти кристаллы и смывать их с фронта кристаллизации. При одновременном затвердевании остального рас­ плава эвтектического состава осевшие обломки кристаллов будут ох­ ватываться эвтектикой и образовывать ликвационные зоныНаи­ большее развитие гравитационной ликвации наблюдается при кри­

сталлизации сплавов из металлов с большой разностью плотностей и с малой взаимной растворимостью. Характерным примером служит кристаллизация свинцовых бронз. Если расплав не подвергать посто­ янному перемешиванию, то расплавленные медь и свинец образуют два слоя. Слой жидкости, обогащенный медью, окажется над более тяжелой частью, обогащенной свинцом, что и сохранится в твердом сплаве.

7.2.4. Полосчатая ликвация

Эту ликвацию еще называют слоистой. Она обычно наблюдает­ ся в слитках и представляет собой ряд ликвационных полос, парал­ лельных фронту кристаллизации. Как уже отмечалось, перед фрон­ том кристаллизации всегда есть слой расплава, обогащенного вто­ рым компонентом или примесью. Если по каким-либо причинам (изменение условий теплоотвода, механическое воздействие) про­ изойдет резкое увеличение скорости кристаллизации, то обогащен­ ный слой окажется затвердевшим. При восстановлении прежней ско­ рости жидкая фаза будет вновь обогащаться вторым компонентом и т.д. При таких периодических изменениях скорости кристаллиза­ ции и образуется полосчатая ликвация.

Появление полосчатой ликвации может быть объяснено и пе­ риодическими изменениями переохлаждения у межфазной поверхно­ сти. Если скорость диффузии примеси мала, то оттесняемая примесь будет накапливаться у фронта кристаллизации. Это вызовет сниже­ ние переохлаждения, и кристаллы начнут с большей скоростью врас­ тать в расплав, где сохраняется большое концентрационное переох­ лаждение. Боковые ветви дендритов охватят расплав, обогащенный примесью, и он закристаллизуется в междендритном пространстве, образуя ликвационную полосу. Переохлаждение на поверхности раз­ дела фаз возрастет, и образуется гладкий фронт кристаллизации. По­ сле этого в результате оттеснения и накопления примеси переохлаж­ дение у поверхности раздела фаз вновь будет снижаться. Скорость роста дендритов вглубь ускорится, и образуется новая ликвационная полоса.

7.2.5. Методы устранения зональной ликвации

Зональную ликвацию в твердом сплаве устранить невозможно. Отжиг даже в течение десятков суток не оказывает заметного влия­ ния на эту ликвацию. Слишком велики расстояния между зонами с химической неоднородностью. В тех случаях, когда зональная лик­ вация недопустима, необходимо принимать меры для ее предотвра­ щения. К ним относятся: перемешивание расплава, ускорение кри­ сталлизации и специальное легирование сплавов.

Перемешивание расплава, осуществляемое механическим пу­ тем, вибрацией, продувкой газами, электромагнитным способом и др., способствует равномерному распределению компонентов в расплаве и хорошо устраняет гравитационную ликвацию. В целом эффектив­ ность этого метода невелика, так как ликвационные процессы в ходе кристаллизации не подавляются.

Наиболее действенным способом устранения всех видов зо­ нальной ликвации является ускорение кристаллизации. Так, обратная зональная ликвация оловянных бронз частично или полностью уст­ раняется при литье в водоохлаждаемые кокили. Снижается степень зональной ликвации и при увеличении скорости кристаллизации пу­ тем введения модифицирующих добавок.

Специальное легирование заключается в добавке малых коли­ честв таких компонентов, которые кристаллизуются первыми и обра­ зуют в расплаве разветвленный дендритный скелет, препятствующий перемещению расплава по сечению отливки и кристаллов в расплаве. Такой эффект оказывают добавки никеля в свинцовые бронзы или меди в баббиты.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое ликвация? Назовите виды ликвации в отливках.

2.Какие диффузионные процессы протекают при кристалли­

зации?

3.Чем отличается равновесная кристаллизация от неравно­

весной?

4.Как образуется дендритная ликвация?

5.В каких сплавах может наблюдаться дендритная ликвация?

6 . Как изменяется дендритная ликвация при увеличении ско­ рости кристаллизации?

7. Как меняется состав сплава при наличии дендритной лик­ вации?

8 . Как можно устранить дендритную ликвацию?

9. Какое влияние на механические свойства может оказать дендритная ликвация?

10.Как протекает прямая зональная ликвация?

11.Чем характеризуется протекание обратной зональной ликва­

ции?

12.В каких сплавах наиболее вероятно протекании ликвации по плотности?

13.Что такое слоистая ликвация?

14.Как можно уменьшить или устранить зональную ликвацию?

8.ГАЗЫ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ

ВСПЛАВЕ

Процессы плавления и кристаллизации литейных сплавов про­ текают в условиях прямого контакта с газовой фазой. Она может представлять собой обыкновенный воздух, воздух и продукты горе­ ния топлива или специально созданную атмосферу из различных, чаще всего инертных или нейтральных, газов. Некоторое количество газов может присутствовать в шихтовых материалах, выделяться в ходе протекания химических реакций с участием металлов, флюсов и огнеупорных материалов.

Между расплавом и газами могут протекать сложные физико­ химические процессы, в результате которых в отливках появляются различные растворимые и нерастворимые примеси и дефекты газово­ го происхождения.

При длительном соприкосновении расплава с газовой средой возможны три варианта их пути к равновесному состоянию:

1. Газовая фаза является инертной по отношению к расплав ленному металлу. В этом случае газ не вступает с расплавом в хими­ ческое взаимодействие и не растворяется в жидком металле или его растворимость настолько мала, что он не оказывает никакого влия­ ния на процессы плавки и кристаллизации. Таким поведением по от­

ношению к расплаву отличаются, в первую очередь, инертные газы нулевой группы периодической системы: гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. Частично или полностью инертно, до какой-то определен­ ной температуры, могут вести себя и некоторые другие газы. В пер­ вую очередь это относится к азоту. При плавке в атмосфере таких га­ зов нет загрязнения расплава оксидами или другими продуктами хи­ мических реакций, нет и его потерь. Это лучший вариант ведения плавки. Такая инертная атмосфера (ее называют защитной) создается искусственно. Примером может служить плавка магниевых сплавов под защитными газами (аргон, азот).

2.Газ растворяется в расплавленном металле. В этом случае

вравновесии будут находиться насыщенный жидкий раствор газа

вметалле и газовая фаза. После достижения предельной концентра­ ции в растворе избыток газа может вступать и в химическое взаимо­ действие с расплавом, но решающее влияние на свойства металла

взатвердевшей отливке оказывает поведение именно растворенного газа. Наибольшую растворимость в промышленных сплавах имеют водород и азот.

3.Газ и расплав образуют устойчивые химические соединения.

Такое взаимодействие можно наблюдать при плавке большинства металлов и сплавов в окислительной среде, содержащей свободный кислород, азот и некоторые сложные газы. Расплавленный металл покрывается окисными пленами, загрязняется оксидами, нитридами и другими соединениями.

Процесс взаимодействия газа с жидким металлом многоступен­ чатый. Сначала молекулы газа достигают поверхности расплава пу­ тем молекулярной диффузии. Следующим этапом является переход молекул газа на поверхность расплава путем адсорбции. Адсорбцией называется самопроизвольный процесс притяжения молекул газа по­ верхностью твердого или жидкого вещества. При адсорбции проис­ ходит уменьшение поверхностного натяжения и свободной энергии системы. При физической адсорбции на поверхности твердой или жидкой фазы образуется адсорбированный газовый слой толщиной, равной диаметру газовой молекулы. Адсорбция протекает и при по­ вышенных температурах. Она сопровождается частичной диссоциа­ цией молекул на атомы. Такой вид адсорбции называется хемо­ сорбцией. Скорость хемосорбции возрастает при повышении темпе­