3. Неметаллические включения. Источники появления неметаллических включений в металлах и сплавах.

Неметаллические включения в затвердевшем сплаве являются телами, нарушающими сплошность и единообразие структуры.

Твердые неметаллические включения часто имеют острые углы и края, которые вызывают значительные концентрации напряжений в местах ослабления структуры. Тугоплавкие для данного сплава включения, температура плавления которых превышает температуру плавления данного сплава, обычно располагаются внутри кристаллов. Легкоплавкие включения располагаются по границам зерен, часто вызывая хрупкость или красноломкость.

В абсолютном большинстве случаев наличие неметаллических включении в отливках является нежелательным.

Но, кроме этих включений, имеются и определенные включения, специально вводимые в те или иные сплавы или образование которых стимулируется соответствующим ведением технологического процесса. Эти включения являются желательными вследствие положительного влияния их на конечные свойства сплавов.

Можно назвать три основных источника появления неметаллических включений в металлах и сплавах.

Во-первых, неметаллические включения могут возникать вследствие тех или иных особенностей технологических процессов приготовления сплавов и их последующей кристаллизации. Например, растворимость веществ, образующих включения, зависит от температуры: чем она выше, тем больше их концентрация в растворе. При понижении температуры и кристаллизации эти вещества выделяются из раствора в виде мельчайших частичек и самостоятельно или, соединившись с другими компонентами расплава, образуют неметаллические включения.

Во-вторых, источником неметаллических включений могут быть химические реакции, происходящие в расплаве в результате целенаправленного процесса удаления нежелательных примесей (например, реакции раскисления и т. п.). В результате таких реакций могут образоваться нерастворимые в расплаве вещества (например, окислы, нитриды и др.)

В-третьих, источником неметаллических включений в отливках могут быть частицы шлака, разрушенных огнеупоров футеровки печей, выпускных желобов ковшей, а также размытых при заливке частей литниковой системы и литейной формы.

Эффективными мерами для удаления из расплавов неметаллических включений являются: продувка их нейтральными газами и фильтрация.

При продувке расплавов нейтральным газом пузырьки его прилипают к поверхности частиц неметаллических включений и облегчают всплывание их на поверхность.

4. Кристаллизация литейных сплавов. Зарождение и рост кристаллов.

Понятия затвердевание и кристаллизация часто используются как синонимы. Но в связи с тем, что фазовое превращение сплавов при переходе из жидкого состояния в твердое удобнее рассматривать раздельно с количественной и качественной сторон, условились процесс превращения называть затвердеванием для количественной характеристики. Затвердевание образующейся твердой фазы во времени безотносительно к расположению и форме кристаллов.

Понятие кристаллизация используется для характеристики процесса формирования структуры сплава. Этот процесс определяется не только теплотехническим, но и большим количеством разнообразных физических и физико-химических факторов.

Кристаллизация. Под кристаллизацией подразумевается процесс образования кристаллов из сплавов при переходе из жидкого или газообразного состояния в твердое, а также при превращении одной фазы в другую в процессе остывания затвердевшего металла или сплава. Образование кристаллов при переходе из жидкого или газообразного состояния в твердое, принято называть первичной кристаллизацией; изменение формы кристаллов при полиморфных превращениях, происходящих в твердом состоянии, называют вторичной кристаллизацией.

Характер кристаллизации оказывает большое влияние на свойства отливок. Первичная структура в отливках практически никакой сложной термической обработкой не может быть полностью уничтожена. Поэтому для отливок первичная кристаллизация имеет исключительно большое значение и в значительной степени предопределяет многие их свойства.

Физические нарушения (дефекты) в твердых металлах и сплавах обусловлены наличием отклонений от правильного идеально регулярного расположения атомов в пространственной кристаллической решетке.

Для каждого металла характерна своя температура, при которой существует термодинамическое равновесие между твердой и жидкой фазами. При понижении температуры жидкого металла ниже температуры такого равновесия образуются зародыши кристаллов и начинается кристаллизация. При прочих равных условиях строение затвердевшего металла зависит от скоростей зарождения (с. з.) и роста (с. р.) кристаллов.

Скорость образования зародышей кристаллов зависит от величины переохлаждения металла в литейной форме (см. рис. 19).

Такое гомогенное зарождение имеет место только в том случае, если металл абсолютно чист и не содержит примесей.

Для реальных сплавов характерно наличие нерастворимых примесей, которые существенно влияют на величину переохлаждения. Благодаря их влиянию переохлаждение в отливках обычно не обнаруживается.

Реальные литейные сплавы в отличие от чистых металлов характеризуются гетерогенным зарождением кристаллов. Это является решающим в определении конечного строения затвердевшей отливки.

Включениями, оказывающими влияние на гетерогенное зарождение кристаллизации, кроме нерастворимых примесей, содержащихся в сплаве, могут быть специально вводимые перед заливкой в расплав вещества, стенки формы и т. п,

Первичная кристаллизация металлов и сплавов в литейных формах зависит от многих факторов: температуры нагрева жидкого металла в плавильном агрегате, продолжительности выдержки расплава при температурах выше температуры плавления, температуры расплава при заливке форм, способа заливки, состава сплава, его обработки в жидком состоянии, условий теплоотвода в форме в период затвердевания, физического воздействия на сплав во время затвердевания и т. п.

В реальных условиях изготовления фасонных отливок большое влияние на процесс кристаллизации оказывают факторы, определяющие теплоотвод от формирующейся отливки, который в свою очередь предопределяется теплоотводящей способностью формы и тепловыми свойствами металла или сплава.

Скорость роста зерен находится в зависимости от числа зародышей.

При рассмотрении кристаллизации принято различать объемную, т. е. равномерно протекающую по всему сечению (объему), и последовательную с резко очерченной границей между твердой и жидкой фазами.

В реальных условиях названные типы кристаллизации не наблюдаются и фактически имеет место промежуточный тип.