- физическое воздействие на расплав. Методы физического воздействия весьма разнообразны. Это может быть простое механи­ ческое перемешивание, обработка электрическими или магнитными полями. Хорошие результаты достигаются при использовании ульт­ развуковых колебаний. В расплаве возникают кавитационные полос­ ти с малым парциальным давлением растворенных газов, поэтому пузырьки газа устремляются в них. По достижении определенного размера образующиеся пузырьки могут всплывать.

Комбинированные методы рафинирования совмещают оба ме­ ханизма удаления неметаллических включений и газов. Так, при фильтрации расплава через активные зернистые или пористые фильтры тонкодисперсные включения (с размерами меньше размера ячейки) удерживаются за счет поверхностных явлений. Зернистые фильтры изготовляют из кусочков огнеупоров, пропитанных флю­ сом, или из кусочков флюса. Пористые фильтры представляют собой спеченный керамический материал на основе А120 3 и Сг20 3 с откры­ тыми порами, имеющими размеры в доли миллиметра. Примерами комбинированного метода рафинирования могут служить, например, обработка ультразвуком в вакууме, отстаивание расплава с замешан­ ным флюсом и т.п.

8.8. Раскисление металлических расплавов

Удаление из расплавленного металла растворенного кислорода называется раскислением. Раскислению подвергают только те метал­ лы и сплавы, которые в жидком состоянии могут растворять кисло­ род. Из распространенных промышленных сплавов это сталь, медь, никель и сплавы на основе меди и никеля, в составе которых нет ме­ таллов с большим сродством к кислороду (цинк, алюминий, хром и др.) К числу основных методов раскисления относятся осаждаю­ щее (осадочное), диффузионное, вакуумирование и раскисление шлаками.

При осаждающем раскислении в расплав вводят расчетное ко­ личество добавок (раскислителей), имеющих большое сродство к ки­ слороду. Раскислители связывают кислород в нерастворимые в рас­ плаве оксиды, остающиеся в виде осадка. Отсюда и название метода раскисления. В задачу раскисления входит и удаление из расплава

продуктов раскисления. Стали всегда раскисляют кремнием и мар­ ганцем, которые образуют легкоплавкие продукты раскисления, сравнительно легко всплывающие в шлак. Окончательное раскисле­ ние проводят алюминием. Для меди рекомендуется раскисление фосфором (в виде фосфорной меди).

Диффузионное раскисление основано на том, что раскислитель не растворяется в металле, а лишь находится на его поверхности. Ки­ слород вступает в реакции путем диффузии. Раскисление идет мед­ ленно, но зато не образуются неметаллические включения. Так, при плавке стали раскислители можно вводить не в сталь, а в шлак. В ре­ зультате начнется диффузионный переход кислорода из стали в шлак.

При раскислении шлаками используют тот же диффузионный механизм удаления кислорода, но шлак готовят в специальной шла­ ковой печи с изначально низким содержанием кислорода. Его назы­ вают синтетическим. Наибольшая эффективность раскисления дос­ тигается при интенсивном перемешивании синтетического шлака с расплавом. Если сталь сливать в ковш со шлаком, то поверхность контакта увеличится в 300-400 раз. Пропорционально возрастет ско­ рость диффузионного перехода кислорода из металла в шлак.

Вакуумирование и особенно плавка сплава в вакууме не требу­ ют комментариев. Таким образом можно получить наиболее чистый расплав, без растворенных газов и неметаллических включений.

Вопросы для самоконтроля

1.Классификация газов по их взаимодействию с расплавом.

2.Какие газы растворяются в жидком металле?

3. Какому закону подчиняется растворимость газов при

Р= const?

4.Как изменяется растворимость газов в зависимости от темпе­ ратуры?

5.Как ведет себя водород при кристаллизации сплавов?

6.Что такое коэффициент перенасыщения расплава газом?

7.Перечислите дефекты, образующиеся из-за выделения газа при затвердевании отливок.

8.Какие дефекты стальных отливок связаны с наличием во­ дорода?

9.Как можно воспрепятствовать выделению газов из расплав при кристаллизации?

10.Перечислите методы дегазации расплавов.

11.Что такое раскисление сплавов? Какие сплавы требуют рас­ кисления?

12.Что произойдет, если разливать по формам нераскисленную

сталь?

13.Перечислите основные методы раскисления.

14.Какие неметаллические включения встречаются в распла­

вах?

15.Какие неметаллические включения относятся к экзогенным?

16.Перечислите виды эндогенных неметаллических включений.

17.Что такое пригар?

18.Могут ли неметаллические включения быть полезными при кристаллизации?

19.Методы рафинирования расплавов.

20.Какие методы рафинирования более эффективны - адсорб­ ционные или неадсорбционные?

21.Чем отличается рафинирование расплавов от дегазации?

9. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ

Процессы структурообразования в отливках, описанные выше, имеют место при неравновесной кристаллизации металлов и сплавов

собычными скоростями, наблюдающимися при получении отливок

вреальных условиях и не превышающими 103оС/с. Для осуществле­ ния равновесной кристаллизации или увеличения скорости неравно­ весной кристаллизации необходимы особые условия охлаждения расплава. В этих случаях можно получать отливки с качественно иными служебными характеристиками. Для практических целей наи­ больший интерес представляет структурообразование при высоких

скоростях охлаждения.

9.1. Кристаллизация при высоких скоростях охлаждения

В лабораторных условиях скорость охлаждения может быть до­ ведена до 104 °С/с и даже до 108 °С/с. Она достигается при охлажде­ нии мелких капель расплава диаметром около 1 мм в потоке холод­

ного газа или воды либо при охлаждении тонкого слоя расплава толщиной 100-10 мкм на охлаждаемой поверхности из материала с высокой теплопроводностью.

При таких скоростях охлаждения можно переохладить расплав на сотни градусов. В условиях такого переохлаждения переход веще­ ства в твердое состояние претерпевает существенные изменения. Изза роста вязкости и снижения скорости диффузии состав и структура образующихся кристаллов существенно отличаются от тех, которые должны быть в соответствии с равновесной диаграммой состояния. Конечным пределом является тот случай, когда металлический рас­ плав превращается в аморфную массу, не имеющую кристаллическо­ го строения.

При увеличении скорости охлаждения в сплавах с неограничен­ ной растворимостью компонентов сначала возрастает степень денд­ ритной ликвации. При скоростях выше 106 °С/с микронеоднород­ ность состава начинает уменьшаться и пропадает совсем. Аморфное состояние в таких сплавах не достигается.

В сплавах с ограниченной растворимостью при высоких скоро­ стях охлаждения твердые растворы могут быть сильно пересыщены. Они называются аномально пересыщенными твердыми растворами. Содержание второго компонента более чем в 2 раза превышает рав­ новесные концентрации (в некоторых системах, например Al-Si, за­ метного расширения области твердых растворов может и не наблю­ даться). Одновременно с изменением растворимости изменяются и температуры эвтектического или перитектического превращений. Таким образом, при высоких скоростях охлаждения равновесные диаграммы состояния сплавов претерпевают изменения, показанные на рис. 95 пунктирными линиями, смещенными вниз и вправо от равновесного солидуса. При обычных неравновесных скоростях ох­ лаждения, характерных для реальных литейных процессов, измене­ ния диаграмм состояния сводятся только к смещению точек предель­ ной растворимости в сторону их уменьшения (см. рис. 44).

Кроме образования аномальных пересыщенных твердых раство­ ров (с чрезвычайно мелким зерном), при кристаллизации с высокими скоростями в некоторых сплавах со сложным фазовым составом мо­ гут исчезать промежуточные фазы, присутствующие на равновесной диаграмме состояния. В других сплавах, наоборот, могут появиться

новые фазы, которых нет на равновесных диаграммах. В аномально пересыщенных твердых растворах образуются кристаллы (зерна) компактной формы очень малых размеров (1-2 мкм и менее) без при­ знаков дендритного строения. В такой недендритной структуре име­ ется определенная химическая неоднородность.

Рис. 95. Изменение равновесных диаграмм состояния сплавов с ограниченной растворимостью при высоких скоростях охлаждения

В аморфное состояние при достигнутых скоростях охлаждения порядка 108 °С/с чистые металлы переходят редко. Зато некоторые сплавы могут затвердевать без кристаллизации и образовывать ме­ таллические стекла даже при скорости охлаждения 103 °С/с. Аморф­ ные металлы получают, как правило, осаждением из парогазовой фа­ зы на охлаждаемую подложку. Аморфное состояние сплавов может быть достигнуто путем центробежного разбрызгивания капель или лазерным расплавлением поверхностных зон.

Такие существенные структурные различия обычных и аморф­ ных металлов и сплавов не могут не сказаться на их свойствах. Аморфные материалы обладают хорошей прочностью, высоким со­ противлением коррозии и рядом других свойств. Немаловажное зна­ чение имеет и то, что они изотропны. Новые технологии получения металлических сплавов с улучшенными эксплуатационными харак­ теристиками уже нашли промышленное применение. Перспективно использование сверхвысоких скоростей охлаждения для некоторых инструментальных сталей, а также для жаропрочных никелевых