
Материаловедение / 4
.doc1.6. 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.