книги из ГПНТБ / Вакуумная металлургия [сб. ст

21

(или эвтектической температуре). Жидкость оснований дендритов соответствует составу сплава С0 . Жидкость двухфазной зоны соот­

у вершин до СЕ у оснований. Доля образующейся твердой фазы увеличивается от 0 у вершин дендритов до 1 у оснований.

Поскольку в жидкости двухфазной области существует концен­ трационный градиент, то создаются условия для диффузионного потока в этой области. Однако в большинстве случаев этот поток

незначителен. Увеличение примеси у вершин дендритов вследствие диффузии слишком мало, чтобы быть причиной микроили макро­ сегрегации.

Микросегрегация является следствием диффузионного потока, вызывающего отвод примеси в межосевое пространство.

Макросегрегация является результатом движения фронта кри­ сталлизации, перемещения жидкости или того и другого вместе взятых.

В процессе затвердевания оси дендритов разделяют жидкость на микрообъемы примерно одинаковых размеров (50—500 мкм). Простанства между двумя осями дендритов берут в качестве объемного элемента и используют как модель для расчетов (рис. 12). Предпо­ лагается, что жидкая фаза имеет однородный состав. Концентрацион­ ное переохлаждение составляет 0,01—0,1 град и считается достаточ­ ным для образования дендритов, но является незначительным фак­ тором при расчете перераспределения растворенного компонента дендритной кристаллизации.

Равновесное перераспределение имеет место на границе жид­

образующаяся твердая фаза изменяется от КС0 при температуре ликвидус до КСЕ при эвтектической температуре.

Микросегрегация заключается в различии концентрации при­ меси на сравнительно небольших расстояниях, соизмеримых с ден­ дритами, зернами.

22

В изоморфных сплавах микросегрегация является результатом местной минимальной концентрации легирующего C m i n и местной максимальной концентрации С п і а х .

В многофазных материалах, кроме так называемой «осевой» ликвации, может иметь место микросегрегация, вызываемая образо­ ванием вторичных фаз, которые либо не нашли свое отражение на диаграмме состояния, либо образовались в количестве , большем, чем это следует из равновесной диаграммы. Таким образом, степень сегрегации можно представить как отношение

L min

или отношение весовых количеств неравновесных вторичных фаз. Расчеты перераспределения примеси при затвердевании сплава

3

основаны на модели кристаллизации, описанной выше. Характер­ ный объемный элемент представлен на рис. 12. Равновесие имеет место на границе раздела фаз. Считаем, что диффузия в жидкости внутри объемного элемента завершена. Перераспределение примеси в твердой фазе является результатом диффузии в твердой фазе или дендритного роста.

Рассмотрим, например, сплав алюминия с 4,5% Си. Наименьшая микросегрегация соответствует состоянию равновесия при отсут­ ствии эвтектического превращения (однофазный твердый раствор). При этом отношение, характеризующее сегрегацию, равно единице. Максимальная сегрегация будет соответствовать положению, когда отсутствует диффузия в твердой фазе и не имеет места рост дендритов. Концентрация меди будет изменяться от 0,7% в центре дендритных ветвей до среднего состава эвтектики. Между осями дендритов 33% Си отношение, характеризующее сегрегацию, будет равно 55, эвтектика составит 10%. Реальная картина, основанная на ограничении диф­ фузии в твердой фазе, представлена на рис. 13.

23

Концентрация в центре дендритных ветвей составляет первона­ чально 0,6% Си и возрастает до 1,34% Си в результате диффузии. Литая эвтектика содержит ~ 5 % Си. Степень микросегрегации может быть оценена следующим параметром:

Дендритный рост способствует такому перераспределению при­ меси в твердой фазе, что микросегрегация уменьшается. Ветви дендритов, образующиеся в начальный момент кристаллизации, имеют незначительное количество легирующих (когда К < 1). Затем неко­ торые из дендритных осей расплавляются и следующий слой твердой фазы, содержащий больший процент легирующего, чем исчезнувшие ветви, кристаллизуется на оставшихся ветвях.

Точного расчета степени перераспределения примеси вследствие роста дендритов не было сделано. Последние расчеты показывают, что

образом, расчеты могут быть сделаны с учетом полной диффузии углерода и без учета диффузии хрома.

Расчетные данные хорошо согласуются с экспериментальными. Макросегрегация является результатом перемещения обедненной или обогащенной жидкости и твердой фазы. При К < 1 жидкость

24

в двухфазной области обогащена примесью. Как показано на рис. 11,

2.Движение обогащенной приместью жидкости для заполнения усадочных пор.

3.Перемещение конвективным потоком жидкой или твердой фаз. Механическое давление может в значительной степени способ­

ствовать образованию трещин около твердой зоны. Трещины могут затем заполняться прилегающей жидкостью, которая может значи­ тельно отличаться по содержанию примеси (для К < 1) от среднего состава. Такой механизм ведет к образованию пленок, обогащенных примесью.

Движение обогащенной примесью жидкости для заполнения уса­ дочных пор было использовано для объяснения нескольких общих типов ликвации в слитке, включая обратную, прямую, Ѵ-образную и слоистую ликвацию (21).

Макросегрегация в результате движения жидкости для заполне­ ния усадочных пор может быть рассмотрена с использованием той же модели, что и для микросегрегации на рис. 12, 13. Движение обо­ гащенной жидкости через объемный элемент при определенных усло­ виях будет вызывать изменение состава окружающих фаз. В резуль­ тате будут меняться количества жидкой и твердой фаз. Например, в эвтектическом сплаве количество эвтектики будет возрастать (пря­ мая ликвация). Для обратной ликвации количество эвтектики будет уменьшаться.

Для количественной оценки макросегрегации можно применить зависимости, содержащие литейные параметры G (температурный градиент), ѵ (скорость движения параллельно направлению тепло-

Если -^— = const, следует ожидать постоянного состава. Если этот фактор внезапно меняется, например в результате изменения

в жидкость струей (падение у вершин дендритов и подъем в центре).

25

Подобный конвективный поток в жидкости может образоваться в двухфазной зоне, хотя твердый скелет будет его значительно

для конвекции. Это может также уменьшать или даже изменять на­ правление конвекции. Конвективный поток может замедлять или ускорять рост дендритов, что вызывает образование слоистой лик­ вации. Конвекция также может способствовать расплавлению ден­ дритных ветвей и снабжать жидкую фазу обедненными примесью частицами (для К <С 1). Конвективный поток в двухфазной зоне может разделяться на каналы, очищая их от твердой фазы и покидая их в жидком виде к концу кристаллизации в этой зоне. Таким обра­ зом, они заполнены обогащенной примесью жидкостью и образуют местные области прямой сегрегации.

Пористость вызывается выделением газов в процессе затвердева­ ния и усадкой при затвердевании, если не обеспечивается питание жидкой фазой. Пористость может локализоваться в виде микрора­ ковин или распределяться между ветвями дендритов и по границам

в равновесии с окружающей газовой средой, в соответствии с законом

тать, что пузырь образуется при условии, что парциальное давление газа равно сумме металлостатического давления и давления, необ­

26

Принимая во внимание усадку металла, поры будут образовы­ ваться при более низком давлении.

Жидкость перемещается в каналах между дендритами и заполняет усадочные раковины. Пора образуется, когда давление в жидкости становится меньше, чем разность парциального давления растворен­ ного газа Рг и давления, необходимого для преодоления сил по­ верхностного натяжения Ps. Размер пор зависит от следующих факторов [23]:

Пористость может быть снижена при уменьшении двухфазной зоны, вакуумной обработкой металла и кристаллизацией под давле­ нием.

У Д К 621.746.019

КОНТРОЛЬ литой СТРУКТУРЫ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ СПЛАВОВ

ВА К У У М Н О Й П Л А В К И

Т.С. ПИ ВОН КА, Л. Д. ГРЭХЭМ

Вработах [1—3] отмечается важность контроля микроструктуры

впроцессе затвердевания. Внимание должно быть сфокусировано также на структуре зерна и междендритных полей. Литейщики рас­ полагают большим количеством способов для выполнения этих тре­ бований.

Структуры любого типа имеют свои преимущества и недостатки. Отливки, которые должны обладать изотропными свойствами, чаще всего имеют равноосную структуру. Особенно необходимо это для авиационных лопаток, чтобы уменьшить зону столбчатых кристаллов.

Для лопаток турбин, которые подвержены внеосевым нагрузкам, желательно уменьшить общую протяженность границ. Так, иссле­ дователями [5] была предложена направленная кристаллизация. Преимущества отливок с такой структурой — повышенные проч­

ность и сопротивление ползучести и усталости [2, 6], и в настоя­ щее время они используются на некоторых двигателях. Наилучшим вариантом направленной структуры является монокристалл. Такие отливки были изготовлены [3] и показали улучшение свойств пол­ зучести и прочности по сравнению с отливками направленной кри­ сталлизации [7].

27

Д ля получения заданной структуры отливок необходимо кон­ тролировать теплоотвод и литниковую систему (систему заливки). Для получения отливок с направленной кристаллизацией и моно­ кристаллических отливок чрезвычайно важными являются условия теплоотвода. Для отливок с равноосной структурой очень важны условия заливки (заполнения формы). Литейщик должен знать механизм образования структуры и уметь влиять на нее, подавлять возможность возникновения зародышей зерна при направленной кристаллизации или поощрять при образовании равноосной струк­ туры. Движение металла при заполнении формы может быть как ламинарным, так и турбулентным. Ламинарное течение металла, способствующее удалению неметаллических включений из запол­ няющего металла, редко используется при производстве отливок из высококачественных сплавов вследствие высокой стоимости материа­ лов для литниковой системы.

Турбулентное движение, наиболее характерное для производства отливок из высококачественных сплавов, может служить источником засорения неметаллическими включениями в результате кавитационного эффекта (кусочки формы). Однако турбулентное движение ослабляет термический удар в стояке и питателях и уменьшает хими­ ческую неоднородность. Как было показано в работах [8, И ] , тур­ булентное заполнение способствует возникновению зародышей, яв­ ляющихся центрами при кристаллизации. Таким образом, контроль процесса заполнения является одним из важнейших моментов при получении равноосной структуры. При контроле, теплоотвода необ­ ходимо учитывать не только методы передачи тепла, но и тепловые источники и тепловые потери в затвердевающей системе.

Учет этих факторов очень важен при контроле структуры отливок. Образованию зародышей зерна может способствовать механизм заполнения (движения) металла и добавки катализаторов в систему. Катализаторы могут быть даны в металл [12] или на поверхность формы. При добавке катализаторов в металл отливки будут иметь равноосную структуру. Поскольку катализаторы состоят из окислов, то количество неметаллических включений в отливках может быть

значительным.

При добавке катализаторов на поверхность формы равноосная структура получается только в поверхностном слое отливки.

Очевидно, что способы получения равноосной структуры отличны от способов получения направленной кристаллизации.

Для отливок с равноосной структурой температурный градиент затвердевающей отливки должен быть минимальным, чтобы огра­ ничить рост зерна в каком-то одном направлении. С этой целью форму нагревают до высокой температуры (—1100° С) и температуру за­ ливки металла держат как можно ниже (—1360° С). Катализаторы зародышей зерна могут быть даны как в металл, так и в форму. Хотя такие условия способствуют измельчению зерна, условия тепло­ отвода таковы, что отливки затвердевают по всему объему, не поз­ воляя жидкому металлу заполнять усадочные раковины [14]. Микро­ пористость в таких отливках больше.

28

Это необходимо учитывать, чтобы получить необходимые механи­ ческие свойства [15]. Для получения мелкозернистой структуры отливок необходима удлиненная литниковая система.

Для получения крупнозернистой структуры литниковая система должна обеспечивать минимальные потери скорости заполнения. Металл будет заполнять полость формы прежде, чем начнется кри­ сталлизация, и размер зерна будет зависеть от условий теплоотдачи и центров кристаллизации. Размеры осей дендритов, конечно, зави­ сят от местных (локальных) тепловых условий.

Основной задачей при получении отливок с направленной кри­ сталлизацией является обеспечение максимального температурного градиента в направлении роста зерна и уменьшение его во всех дру­ гих направлениях. Все тепло поэтому отводится от одного конца отливки. Это обычно достигается путем расположения холодильника в необходимом месте отливки (водоохлаждаемого или твердого) и подогревом остальной части формы до температуры выше темпера­ туры кристаллизации сплава. Наиболее удачным в этом смысле является применение индукционного нагрева формы [16]. Схема такого приспособления показана на рис. 1. Форма располагается на водоохлаждаемом медном холодильнике, камера вакуумной печи герметизирована, давление в камере Ю - 2 мм рт. ст. Индуктор для подогрева формы нагревает графит, от которого тепло передается форме. После достижения необходимой температуры и выдержки для прогрева всей системы, включая стержни, расплавленный металл заливают в форму. Необходимый температурный градиент уста­ навливается сразу же и поддерживается постоянным в течение кри­ сталлизации путем последовательного включения секций индуктора снизу вверх.

29

В настоящее время при получении в вакууме отливок с направлен­ ной кристаллизацией широко используют экзотермические материалы для обеспечения необходимой температуры формы (рис. 2). Качество отливок, полученных этим способом, сравнимо с описанным выше.

Для выявления некоторых важных закономерностей и анализа условий теплоотвода при получении отливок с направленной кри­ сталлизацией была использована математическая модель. Для про-

М-200. На рис. 4 показаны кривые, полученные па такой модели. Изменение характера кривой показывает, что основание действует как холодильник для стержня. Было установлено, что стенка формы имеет более высокую температуру, чем поверхность отливки, которая в свою очередь имеет более высокую температуру, чем центр отливки. Это совершенно противоположно термическим условиям в отливках, однако, если бы температура формы была ниже температуры отливки,

О необходимости хорошего контакта отливки и холодильника сви­ детельствует рис. 5. Ухудшение контакта приводит к уменьшению градиента. Поскольку градиент температуры вызывает рост зерна, а закристаллизовавшийся металл благодаря усадке отходит от холо­ дильника, необходимы специальные меры для обеспечения хорошего

30