§ 12. Немимовільна кристалізація.
У реальних умовах процес кристалізації й характер структури, що утвориться, значною мірою залежать від наявних готових центрів кристалізації. Такими центрами, як правило, є тугоплавкі частки неметалічних включень, оксидів, интерметаллических сполук, утворених домішками. До початку кристалізації центри перебувають у рідкому металі у вигляді твердих включень. При кристалізації атоми металу відкладаються на активованій поверхні домішки, як на готовому зародку. Така кристалізація наз. немимовільної або гетерогенної. При такій кристалізації роль зародків можуть грати й стінки форми.
Наявність готових центрів кристалізації приводить до зменшення розміру кристалів при затвердінні. Ефект здрібнювання структури значно збільшується при дотриманні структурної й розмірної відповідності примесной фази з основним металом (розбіжність у межатомных розмірах не повинне перевищувати 5 - 7%, що сприяє сполученню їхніх кристалічних решіток).
Здрібнювання структури сприяє поліпшенню механічних властивостей металу.
На практиці для здрібнювання структури металів і сплавів широко застосовують технологічну операцію, наз. модифікуванням. Вона складається у веденні рідкий сплав перед розливанням спеціальних добавок (модифікаторів). Як модифікатори використають поверхнево-активні речовини (напр. бор у сталі, Na в Al і його сплавах) і елементи, що утворять тугоплавкі тонкодисперсные частки (напр. титан, цирконій в Al; Al, Ti у сталі, Mg для чавуну). Модифікатори додають у сплави в кількостях від тисячних до десятих часток %.
§ 13. Будова металевого злитка.
Форма
й розмір зерен, що утворяться при
кристалізації, залежать від умов їхнього
росту,
головним чином від швидкості й напрямку
відводу теплоти й температури рідкого
металу, а також від змісту
домішок. Частіше в процесі кристалізації
утворяться розгалужені,
або деревоподібні
кристали, що одержали
наз.
дендритів. Установлено,
що максимальна швидкість росту
кристалів спостерігається по таких
площинах і напрямкам,
які мають найбільшу
щільність упакування
атомів. У результаті
виростають довгі галузі,
які наз.
осями першого порядку.
У міру росту
на осях першого порядку з'являються й
починають рости
осі другого порядку
до перших, від яких відгалужуються осі
третього порядку й т.д. В останню чергу
йде кристалізація наділянках
між осями дендритів.
Дендрити ростуть доти, поки стикнуться один з одним. Після цього остаточно заповнюються межосные простору, і дендрити перетворюються в повновагі кристали з неправильним зовнішнім огранюванням (кристаллиты). При недоліку рідкого металу для заповнення межосных просторів (напр. на відкритій поверхні або в усадочній раковині) кристал зберігає дендритну форму. Такий дендрит був виявлений Черновим Д. К.
Умови відводу теплоти при кристалізації значно впливають на форму зерен. Кристали ростуть переважно в напрямку, зворотному відводу теплоти. Тому при спрямованому теплоотводе утворяться витягнуті (стовпчасті) кристали. Якщо теплота приділяється у всіх трьох напрямках із приблизно однаковою швидкістю, формуються рівноважні кристали.
Структура злитка залежить від багатьох факторів, основні з яких наступні:
кількість і властивості домішок у чистому металі або легуючих елементах у сплаві;
температура розливання;
швидкість охолодження;
конфігурація, температура, теплопровідність і стан внутрішньої поверхні ливарної форми.
Типова структура злитка сплавів складається з 3 зон:
зона дрібних рівноважних кристалів (кірки);
зона стовпчастих кристалів;
зона рівноважних кристалів більших розмірів випадкової орієнтації;
усадочна раковина;
усадочні порожнечі;
усадочна рыхлость.
Рідкий метал насамперед переохолоджується в місцях зіткнення з холодними стінками форми. Більший ступінь переохолодження сприяє утворенню на поверхні злитка зони 1 – дрібних равноосных кристалів.
Потім відбувається переважний ріст кристалів, найбільше сприятливо орієнтованих стосовно теплоотводу. Утвориться зона 2 – зона стовпчастих кристалів, розташованих нормально до стінок форми. У середині злитка, де спостерігається найменший ступінь переохолодження й не відчувається спрямованого відводу теплоти, утворяться равноосные кристали більших розмірів – зона 3.
Застосовуючи різні технологічні прийоми, можна змінити кількісне співвідношення зон або виключити зі структури злитка яку-небудь зону взагалі. Напр., перегрев сплавів перед розливанням і швидке охолодження при кристалізації приводять до формування структури, що складає практично з одних стовпчастих кристалів. Така структура наз. транскристаллической. Подібну структуру мають злитки дуже чистих металів. Зона стовпчастих кристалів характеризується найбільшою щільністю, але в місці стику стовпчастих кристалів збираються нерозчинні домішки, і злитки із транскристаллической структурою часто розтріскуються при обробці тиском.
У верхній частині злитка, що затвердевает в останню чергу, концентрується усадочна раковина - 4. Під усадочною раковиною метал виходить пухким, у ньому втримується багато усадочних пор - 5,6. Частина злитка з усадочною раковиною й пухким металом відрізають.