6. Кристаллизация металлов

Переход из жидкого состояния в твердое (кристал-

лическое) называют кристаллизацией. Процессы

кристаллизации зависят от температуры и протека-

ют во времени, поэтому кривые охлаждения строят-

ся в координатах «температура — время» (см. рис).

Идеальный процесс кристаллизации металла без

переохлаждения протекает при температуре TS. При

достижении идеальной температуры затвердевания

ТS падение температуры прекращается. Каждый чис-

тый металл кристаллизуется при строго индивиду-

альной постоянной температуре. Чем чище жидкий

металл, тем он более склонен к переохлаждению. При

увеличении скорости охлаждения степень переох-

лаждения возрастает, а зерна металла становятся

мельче, что улучшает его качество. Для большинства

металлов степень переохлаждения при кристаллиза-

ции в производственных условиях составляет от 10

до 30°С.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий:

1) зарождение кристаллов (зародышей или центров

кристаллизации);

2) рост кристаллов из центров.

При переохлаждении сплава ниже температуры ТN

на многих участках жидкого металла образуются

кристаллические зародыши:

1) образовавшиеся кристаллы растут свободно и

имеют правильную геометрическую форму;

2) при соприкосновении растущих кристаллов их

правильная форма нарушается, так как в этих участ-

ках рост граней прекращается;

3) рост кристалла продолжается в тех направлени-

ях, где есть свободный доступ жидкого металла;

4) кристаллы, имевшие сначала геометрически пра-

вильную форму, после затвердевания получают не-

правильную форму (их называют кристаллитами, или

зернами).

Величина зерен, образующихся при кристаллиза-

ции, зависит не только от количества самопроизволь-

но зарождающихся центров кристаллизации, но так-

же и от количества нерастворимых примесей, всегда

имеющихся в жидком металле. Они являются цент-

рами кристаллизации. Кристаллическая решетка

таких твердых частиц должна быть близка по строению

и параметрам решетки кристаллизующегося

металла. На образование центров кристаллизации

влияет и скорость охлаждения.

7. Строение механического слитка

Форма растущих кристаллов определяется:

1) условиями их касания друг с другом; 2) составом

сплава; 3) наличием примесей; 4) режимом охлажде-

ния.

Механизм образования кристаллов носит дендрит-

ный (древовидный) характер. После образования за-

родышей их развитие идет в тех плоскостях и направ-

лениях решетки, которые имеют наибольшую плот-

ность упаковки атомов и минимальное расстояние

между ними. В этих направлениях образуются длин-

ные ветви будущего кристалла — оси первого по-

рядка. От осей первого порядка начинают расти но-

вые — оси второго порядка, от осей второго поряд-

ка — оси третьего порядка и т.д.

Стальные слитки получают охлаждением в металли-

ческих формах (изложницах) или на установках не-

прерывной разливки. В изложнице сталь не может

затвердеть одновременно во всем объеме, так как

невозможно создать равномерную скорость отвода

тепла. Поэтому процесс кристаллизации стали начи-

нается у холодных стенок и дна изложницы и распро-

страняется внутрь жидкого металла. При соприкосно-

вении жидкого металла со стенками изложницы в на-

чальный момент образуется зона мелких равноос-

ных кристаллов. Между стенкой изложницы и

застывшим металлом образуется воздушная про-

слойка и сама стенка нагревается от соприкоснове-

ния с металлом, поэтому скорость охлаждения ме-

талла снижается, и кристаллы растут в направлении

отвода теплоты. При этом образуется зона, состоя-

щая из древовидных, или столбчатых, кристаллов.

Во внутренней зоне слитка в результате замедленно-

го охлаждения образуются равноосные, неориен-

тированные кристаллы больших размеров. В верх-

ней части слитка, которая затвердевает в последнюю

очередь, образуется усадочная раковина, так как

при охлаждении объем металла уменьшается. Под

усадочной раковиной металл получается рыхлым из-

за большого количества усадочных пор.