Характеристика строения тела отливки, его неоднородности и дефектов.
Теперь, зная математическую модель задтвердевания расплава в литейной форме, можно приступить к дальнейшему развитию теории формирования с учетом одновременного протекания процессов кристаллизации, перераспределение примесей и развития усадки в затвердевающем расплаве, если условиться на первом этапе этого развития теории принимать во внимание только те стороны перечисленных процессов, которые обуславливают формирования макростроения тела отливки и его макронеоднородности, связь характеристик которых со скоростью затвердевания удается установить экспериментально. Следовательно, дальнейшее развитие теории формирования, мея в виду решение ее центральной проблемы, целесообразно направить по пути макроскопического описания строения тела отливки.
Кристаллическое строение отливки
Впервые описание кристаллического строения стального слитка дано ДК Черновым в 1978г. В курсе лекции, прочитанных 1989г. в Михайловской артиллерийской академии, он сказал: “Кристаллы в наружном слое более мелки и чрезвычайно перепутаны, затем переходят в параллельные между собою и нормальные к общему протяжению наружной поверхности призматическое расположение; на конец, в центральных слоях встречаются более развитые и разросшиеся кристаллические группы, расположенные в произвольных друг от друга направлениях”
Общепринято считать типичным кристаллическое строение тела отливки состоящее из трех макроструктурных зон:
- периферийной мелкозернистой
- столбчатых кристаллов
- центральной равноосных кристаллов.
Основными характеристиками строения являются протяженность lст зоны столбчатых кристаллов, их поперечный размер dст, средний диаметр (размер) кристаллов (макрозерна) в центральной зоне отливки. Помимо этого для нахождения связи между кристаллическим макростроением тела отливки и ее свойствами важно знать дисперсность строения кристаллов, которые в условиях литья, как установил в 1868 г. Д.К.Чернов, представляют собою дендриты. Дисперсность дендритов оценивают средним расстояние dм между их вторичными осями роста (dм рассматривают иногда как средний размер макрозерна) экспериментально установлено, что перечисленные характеристики находятся одна с другой в определенном соответствии (см. рис).
Учитывая соответствие между d и lст dст, dм неизбежен следующий вывод:
- с увеличением скорости затвердевания V7 протяженность lст зоны столбчатых кристаллов, их поперечный размер dст и дисперсионность дендритов dм должны уменьшаться.
Следовательно, если теория формирования микроскопического строения тела отливки дает возможность установить связь между lст, dст, dм, d, То достаточно найти даже энергетическую зависимость любой из этих характеристик со скоростью затвердевания, для того что бы прогнозировать кристаллическое сртроение отливки при тех или иных режимах литья, и значит и управлять формированием ее кристаллического строения.
Неоднородность химического состава отливки
Неоднородность химического состава тела отливки вследствие перераспределения растворимых компонентов сплава и имеющихся в нем растворимых примесей между твердой фазой и незакристаллизовавшимся расплавом. В стальных слитках неоднородность химического состава впервые была выявлена и исследована А.С. Лавровым в 1866г. о причинах ее возникновения А.С. Лавров писал:
“Сталь есть сплав, раствор углерода в железе а, следовательно, при медленном остывании мы вправе ожидать распадение этого сплава. Непосредственным результатом должно быть группирование более тугоплавких сплавов около стенок изложницы и выпадения легкоплавких углеродистых сплавов в центральной части слитка, но так как с увеличением содержания углерода удельный вес стали уменьшается, то наиболее углеродистые сплавы должны всплывать, В больших массах стали, распределение совершается гораздо полнее, и в них должна обнаруживается ликвация”
Сейчас ликвацией принято называть превышение содержания Ci (углерода) каждого i-го из числа n компонентов сплава над средней концентрацией Coi в любой макроскопической зоне тела отливки в любом микроскопическом его элементе существует в следующие виды ликваций:
- прямая зональная ликвация;
- обратная зональная ликвация;
- дендритная ликвация.
Прямая зональная ликвация та, при которой lл - протяженность центральной зоны тела отливки, где Ci > 1 интенсивность развития прямой зональной ликвации также зависит от скорости V7 затвердевания отливки. Таким образом, существует связь между выбранными характеристиками макроскопической неоднородности химического состава тела отливки и линейной скорость. V7 ее затвердевания. Более того, для каждого сплава существует такая V7, при превышении которой подавляется прямая зональная ликвация и следовательно, достигается макроскопическая однородность химического состава тела отливки.
Обратная зональная ликвация та, при которой lл - протяженность пристеночной (периферийной) зоны тела отливки, где Сi>1.
Обратная зональная ликвация наиболее четко выявляется в отливках из цветных сплавов; например, из сплава Al c Z, Al c Cu, Al c Fe, Cu c Fn, Cu c Sn и др. Обратная ликвация наблюдается и в сталях, и в чугунках. Более того, различные компоненты и примеси в них могут ликвидировать по-разному. Но наиболее заметна ликвация при литье цветных сплавов.
К сожалению, нет количественных данных о связи появление и развитие обратной зональной ликвации со скоростью затвердевания отливки. Однако и приведенные сведения отдельных экспериментальных данных позволяют сделать вывод, что при увеличении скорости затвердевания обратная ликвация уменьшается.
Таким образом, и в случае обратной ликвации существует связь между выбранными характеристиками Ci, Al макроскопической неоднородности химического состава тела отливки и скоростью затвердевания. По-видимому, и в этом случае для каждого сплава существует такая скорость затвердевания, при превышении которой обратная зональная ликвация подавляется и, следовательно, достигается макроскопическая однородность хим. состава тела отливки.
Неоднородность химического состава в пределах дендритного кристаллического зерна называют дендритной ликвацией.
Различают концентрацию Ci компонентов или примесей сплава в осях дендритов и Ciм в межосных элементах кристаллического зерна.
Дендритную ликвацию принято характеризовать коэффициентом дендритной ликвации i-го компонента сплава или имеющейся в нем примеси.
Cig = Ci,M/Ci,oc
По мнению А.А. Богвара, дендритная ликвация с повышением скорости затвердевания отливки сначала увеличивается, достигает максимума и затем уменьшается.
Таким образом, при реальных скоростях затвердевания отливок дендритная ликвация - неизбежность. Особенно заметна она в отливках из сплавов, содержащих элементы с нейтральным коэффициентом распределения. Как правило, это “вредные” примеси в сплавах.
Располагаясь в межосных областях, они снижают механические свойства и главное пластичность сплава. Поэтому задача для технолога-литейщика снижение «вредных» примесей в литейных сплавах.