2.3 Формування структури відливків

При заливці рідкого металу у виливницю на стінках утворюється область з дрібними рівноосьовими зернами. Далі, при позитивному градієнті температури від стінок виливниці в рідину, починають рости стовпчасті кристали. За областю стовпчастих кристалів поблизу центру зливка може мати місце утворення крупних рівноосьових кристалів, які блокують і заважають безперервному росту стовпчастих зерен. Тобто, утворюється стовпчасто-рівновісьова перехідна зона.

Дрібні рівноосьові зерна утворюються в термічно переохолодженій рідині біля стінок виливниці. Якщо розливання металу відбувалось з незначним перегрівом, то велика частина розтопу може піддаватися дії холодних стінок виливниці, в результаті чого дрібні зерна можуть зберегтися у всьому об’ємі відливка. У більшості випадків отримання відливків розтоплений метал дуже перегрітий, тому зона дрібних рівноосьових кристалів невелика. За рахунок відводу тепла з розтопу через зону таких зерен і поверхню виливниці, процес затвердівання продовжується з утворенням зони стовпчастих кристалів. Серед зародків стовпчастих кристалів здібними до зростання стають ті, які для стопів з ГЦК граткою мають напрямок 001, що паралельний напрямку тепловідводу. Ріст стовпчастих кристалів припиняється, коли температурний градієнт в рідкій фазі перед поверхнею розділу «т-р» стає настільки малим, що зерна не можуть більше рости.

Стовпчастий ріст кристалів зберігається доти, поки рівноосьові зерна, що зародилися в розтопі, не заблокують стовпчасту поверхню розділу. Існує три гіпотези, що пояснюють перехід від стовпчастої до рівновісьової кристалізації. За першою з них при незначних перегріваннях рідини рівноосьові зерна розглядаються як стійкі зерна зони швидкого охолодження, які були перерозподілені ближче до центру зливка потоком рідини. При значних перегріваннях рідкого металу дрібні рівноосьові зерна зони швидкого охолодження повинні розтопитися. За другою гіпотезою нові рівноосьові зерна починають рости в результаті гетерогенного зародкоутворення на дрібних частинках, присутніх в жароміцних стопах при зниженні температурного градієнту розтопу. За третьою нові рівноосьові зерна починають рости на частинках, які відокремилися від поверхні розділу «т-р». Такими частинками можуть бути дрібні дендрити, які можуть легко відділятися будь-яким рухом, наприклад конвективним рухом рідини.

Стовпчасті зерна ростуть за умови, якщо температура розтопу вище за температуру затвердівання і якщо відведення тепла здійснюється в одному напрямку з рідини через тверду фазу. Для отримання відливок із структурою стовпчастих зерен застосовується відведення тепла в вісьовому напрямку. На відміну від змішаної структури з рівноосьовими зернами, які одержані звичайним методом, в стовпчастих структурах зменшується загальна сегрегація, знижується пористість матриці, менше стає карбідів та інших включень по межам зерен. Оскільки в стопчастій структурі відсутні межі зерен, які б мали поперечну орієнтацію до дії напружень, то збільшуються границя повзучості жароміцних стопів та стійкість проти термічного удару (термічна втома). В стовпчастих структурах зменшується сумарна довжина меж зерен, що знижує схильність до високотемпературної корозії, оскільки відбувається зменшення сегрегацій по межам зерен та зменшується кількість шляхів по яким могла б пройти корозія в металі.