Материаловедение / 4

1.6. Механизм кристаллизации и строение слитка

Форма и размеры зерен, образующихся при кристаллизации из жидкой фазы, зависят от условий их роста и в первую очередь от ско­рости и направления теплоотвода, температуры жидкого металла и химического состава, в частности, содержания примесей. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные или древовид­ные кристаллы, называемые дендритами (рис. 1.13, а).

а) б)

Рис. 1.13. Дендритная кристаллизация: а - схема дендритного кристалла; б - схема его роста

Образование кристаллов в основном идет перпендикулярно плоскостям с максимальной упаковкой атомов и в этом направлении образуются длинные ветви, называемые осями первого порядка. По мере роста на их ребрах зарождаются и растут перпендикулярно к ним оси второго порядка. В свою очередь на них зарождаются и рас­тут оси третьего порядка и т. д. Аналогичным образом происходит рост дендритов из различных центров кристаллизации (рис. 1.13, б). Дендриты растут до соприкосновения с соседними, после чего кри­сталлизуются межосные пространства. Происходит образование зерен или кристаллитов с неправильной внешней огранкой.

На форму образующихся зерен при кристаллизации из жидкого металла большое влияние оказывают условия теплоотвода. Кристаллы растут преимущественно в направлении противоположном направле­нию отвода тепла. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) структуры. При равенстве скоростей теплоот-вода во всех направлениях образуются равновесные зерна.

Структура металла в слитках зависит от химического состава жидкого сплава, температуры заливки в форму, условий охлаждения при кристаллизации, геометрической формы детали, теплопроводно­сти и состояния внутренних поверхностей форм.

Кристаллизация слитка начинается у поверхности формы в тон­ком сильно переохлажденном слое, вследствие чего образуется боль­шое количество равноосных мелких кристаллов (зона I). При образо­вании тонкой корки закристаллизованного металла меняются условия теплоотвода, снижается градиент температур, уменьшается степень переохлаждения. Происходит рост кристаллов перпендикулярно стенке изложницы в направлении противоположном интенсивному отводу тепла. Образуются столбчатые структуры (зона II). В больших слитках температура в центральной части выравнивается и создаются условия для равновесной кристаллизации (зона III) (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Строение слитка спокойной стали

Зона столбчатых структур имеет более высокую плотность, но в месте стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси и при последующей обработке давлением (ковке, прокатке) в этих участках возможно образование трещин. Для малопластичных металлов наличие таких структур нежелательно. При их кристаллиза­ции применяют специальные технологические приемы, такие как про­дувка жидкого металла инертным газом, наложение вибраций, моди­фицирование при заливке в ковше и др.

Основными дефектами слитка являются усадочные раковины, пористость и ликвация. Усадочные раковины образуются вследствие того, что металлы имеют больший удельный объем в жидком состоя­нии, чем в твердом. Этот факт является также причиной образования усадочной пористости, которая сосредоточена обычно вблизи усадоч­ных раковин и по оси слитка.

Слитки сплавов зачастую имеют по сечению неоднородный со­став. Химическая неоднородность по отдельным зонам называется зональной ликвацией. При разности плотности жидкой и твердой фаз по мере кристаллизации слитка наблюдается также гравитационная ликвация.

3