10.1.3. Жидкотекучесть чистых металлов и сплавов

Жидкотекучесть чистых металлов и сплавов зависит от их фи­ зических свойств.

Чистые металлы могут течь до тех пор, пока хватает запаса теп­ ла для поддержания их в жидком состоянии. Запас тепла зависит от теплоты кристаллизации, температуры расплава и теплоемкости ме­ талла. Основным фактором, определяющим запас тепла и, следова­ тельно, жидкотекучесть, является теплота кристаллизации. Она дос­ тигает до 80-85 % всего запаса теплоты. Поскольку для любого ме­ талла теплота кристаллизации и теплоемкость постоянны, то улучшить заполнение формы можно только перегревом. Второй фак­ тор - это скорость потери тепла, определяемая температурой, тепло­ проводностью и теплоемкостью формы и теплопроводностью рас­ плава. Жидкотекучесть металлов и сплавов с высокой теплопровод­ ностью существенно ниже, чем у других.

Численное значение жидкотекучести определяется расстоянием до места остановки потока расплава в канале пробы. В общем случае для всех металлов и сплавов можно выделить три схемы остановки потока, которые приведены на рис. 110.

Рис. 110. Схемы остановки потока в каналах литейной пробы: а - перемерзание, б - образование пробки, в - объемная остановка

Перемерзанием называется образование сужения канала из-за роста кристаллов на его стенках при прохождении холодной голов­ ной части потока (см. рис. ПО, а). Какое-то время расплав продав­ ливается через это сужение, затем твердые корки смыкаются, и тече­

ние прекращается. Такая остановка характерна для чистых металлов и узкоинтервальных сплавов с малой теплопроводностью, заливае­ мых в формы с высокой теплоаккумулирующей способностью (тита­ новые сплавы в графитовых формах). Нарастающая твердая фаза, а значит, и место перемерзания потока, продвигается по каналу вме­ сте с расплавом. Вперед всегда продавливается некоторое количест­ во расплава. Так происходит до полной остановки потока. Перемерзание наступает в тот момент, когда количество твердой фазы дости­ гает 40-60 %.

Образование пробки - это остановка потока из-за накопления на его головной части кристаллов и пленки окислов в таких количест­ вах, что они срастаются (см. рис. 110, б) и образуют прочную твер­ дую пробку, перекрывающую канал. Этот механизм реализуется при литье чистых металлов и узкоинтервальных сплавов с высокой тем­ пературой плавления, а также у большинства эвтектических сплавов при литье в обычные металлические и песчаные формы. Количество твердой фазы в пробке в момент остановки может достигать до 80 %.

Объемная остановка характерна для широкоинтервальных спла­ вов с высокой теплопроводностью при литье в формы с малой тепло­ аккумулирующей способностью (песчаные формы). В головной части потока между твердыми корочками на стенках канала накапливаются разветвленные дендриты и их обломки (см. рис. 110, в). Широкоразветвленные дендриты могут образовать сплошной каркас при нали­ чии всего лишь 20-35 % твердой фазы и остановить поток, несмотря на то, что количество жидкой фазы превышает количество твердой. Таким образом, жидкотекучесть сплавов, которые способны течь не только в жидком, но и в жидкотвердом состоянии, зависит не толь­ ко от ранее перечисленных факторов, но и от характера кристаллиза­ ции. В зависимости от вида первичных кристаллов и кинетики нарас­ тания твердой фазы расплав в канале формы пройдет разный путь.

Характер кристаллизации, а значит, и величину жидкотекучести можно прогнозировать по положению сплава на диаграмме состоя­ ния, как это показано на рис. 111.

Лучшей жидкотекучестью обладают эвтектические сплавы и чистые металлы, кристаллизующиеся при постоянных температу­ рах. Сюда же можно отнести и интерметаллиды (такому соединению соответствует купол в правой части диаграммы). По мере увеличения

интервала кристаллизации жидкотекучесть уменьшается, но мини­ мальное значение приходится не на точку предельной растворимо­ сти, где интервал достигает максимального значения, а на точку пе­ ресечения линии нулевой жидкотекучести с эвтектикой. Это объяс­ няется тем, что на жидкотекучесть решающее влияние оказывает область между линиями ликвидуса и нулевой жидкотекучести. На рис. 111 она заштрихована. Эту область еще называют эффектив­ ным интервалом кристаллизации.

Минимум жидкотекучести и приходится на сплавы с наиболь­ шим эффективным интервалом кристаллизации, т.е. те сплавы, в по­ токе которых больше всего твердых кристаллов. Но это положение справедливо только для истинной жидкотекучести. Если определять условно-истинную жидкотекучесть, то минимум смещается к точке предельной растворимости и даже левее к неравновесной точке рас­ творимости (рис. 112), что показано пунктирными линиями.

Рис. 111. Зависимость жидкотекуче­ Рис. 112. Зависимость условно-истин­ сти от положения сплава на диа­ ной жидкотекучести сплавов от их

Прямой связи жидкотекучести сплавов с вязкостью, поверхно­ стным натяжением, а также смачиваемостью сплавов не обнаружено. Более вязкий сплав хотя и медленнее, но достигает тех же показате­ лей жидкотекучести, что и маловязкий сплав. Наиболее существенно жидкотекучесть возрастает при увеличении теплоты кристаллизации и резко снижается при окислении расплава и увеличении количества неметаллических включений.

На рис. 113 приведены результаты измерений жидкотекучести некоторых двойных сплавов. Общие закономерности просматрива­ ются во всех случаях. Максимум жидкотекучести имеют чистые ме­ таллы и эвтектики, а минимум - наиболее широкоинтервальные сплавы (см. рис. ПО и 111), но имеются и некоторые отличия, свя­ занные с типом сплавов и с тепловыми эффектами их кристал­ лизации.

Так, в системах Pb - Sn и Fe - С положение экстремальных зна­ чений кривой жидкотекучести полностью соответствует точкам пре­ дельной растворимости С„ и эвтектики Q- (см. рис. 113, а, б).

На рис. 113 в, г, д показано смещение минимума жидкоте­ кучести при реальных скоростях охлаждения к неравновесной точ­ ке предельной растворимости у сплавов систем А1 - Mg, Mg - Al и Mg - Zn.

Для некоторых систем (см. рис. 113, е, ж) тепловой фактор пре­ валирует над структурным и максимум жидкотекучести смещается в заэвтектическую область. Это объясняется высокими тепловыми эффектами кристаллизации первичных кристаллов по сравнению с теплотой кристаллизации эвтектики. Так, теплота кристаллизации кремния составляет 1804,1 Дж/г, эвтектики AI - Si - около 400 Дж/г, соответствующие значения для сурьмы и эвтектики Pb - Sb равны 163,4 и « 24 Дж/г.

10.1.4. Влияние свойств литейной формы на жидкотекучесть

К свойствам формы, влияющим на жидкотекучесть, относятся теплопроводность, теплоемкость и плотность материала формы, оп­ ределяющие теплоаккумулирующую способность, газопроницае­ мость (для песчаной формы), шероховатость стенок формы. Чем больше теплоаккумулирующая способность формы вф, тем меньше жидкотекучесть. Величина вф может быть рассчитана по формуле А.И. Вейника

где А.ф, Сф, рф - соответственно теплопроводность, теплоемкость

и плотность материала формы.