§ 12. Несамопроизвольная кристаллизация.

В реальных условиях процесс кристаллизации и характер образующейся структуры в значительной мере зависят от имеющихся готовых центров кристаллизации. Такими центрами, как правило, являются тугоплавкие частицы неметаллических включений, оксидов, интерметаллических соединений, образуемых примесями. К началу кристаллизации центры находятся в жидком металле в виде твёрдых включений. При кристаллизации атомы металла откладываются на активированной поверхности примеси, как на готовом зародыше. Такая кристаллизация наз. несамопроизвольной или гетерогенной. При такой крис­таллизации роль зародышей могут играть и стенки формы.

Наличие готовых центров кристаллизации приводит к уменьшению размера кристаллов при затвердевании. Эффект измельчения структуры значительно увеличивается при соблюдении структурного и размерного соответствия примесной фазы с основным металлом (расхождение в межатомных размерах не должно превышать 5 – 7%, которое способствует сопряжению их кристаллических решёток).

Измельчение структуры способствует улучшению механических свойств металла.

На практике для измельчения структуры металлов и сплавов широко применяют технологическую операцию, наз. модифицированием. Она сос­тоит в ведении жидкий сплав перед разливкой специальных добавок (модификаторов). В качестве модификаторов используют поверхностно-активные вещества (напр. бор в стали,NaвAlи его сплавах) и элементы, образующие тугоплавкие тонкодисперсные частицы (напр. титан, цирконий вAl;Al,Tiв стали,Mgдля чугуна). Модификаторы добавляют в сплавы в количествах от тысячных до десятых долей %.

§ 13. Строение металлического слитка.

Форма и размер зёрен, образующихся при кристаллизации, зависят от условий их роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты и температуры жидкого металла, а также от содержания примесей. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные, илидревовидные кристаллы, получившие наз. дендритов. Установлено, что максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеютнаибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые наз. осями первого порядка. По мере роста на осях первого порядка появляются и начинают расти оси второго порядкак первым, от которых ответвляются оси третьего порядка и т. д. В последнюю очередь идёт кристаллизация на участках между осями дендритов.

Дендриты растут до тех пор, пока соприкоснутся друг с другом. После этого окончательно заполняются межосные пространства, и дендриты превращаются в полновесные кристаллы с неправильной внешней огранкой (кристаллиты). При недостатке жидкого металла для заполнения межосных пространств (напр. на открытой поверхности или в усадочной раковине) кристалл сохраняет дендритную форму. Такой дендрит был обнаружен Черновым Д. К.

Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зёрен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обратном отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота отводится во всех трёх направлениях с приблизительно одинаковой скоростью, формируются равновесные кристаллы.

Структура слитказависит от многих факторов, основные из которых следующие:

• количество и свойства примесей в чистом металле или легирующих элементов в сплаве;

• температура разливки;

• скорость охлаждения;

• конфигурация, температура, теплопроводность и состояние внутренней поверхности литейной формы.

Типичная структура слиткасплавов состоит из 3 зон:

1. зона мелких равновесных кристаллов (корки);

2. зона столбчатых кристаллов;

3. зона равновесных кристаллов больших размеров случайной ориентации;

4. усадочная раковина;

5. усадочные пустоты;

6. усадочная рыхлость.

Жидкий металл прежде всего переохлаждается в местах соприкосновения с холодными стенками формы. Большая степень переохлаждения способствует образованию на поверхности слитка зоны 1 – мелких равноосных кристаллов.

Затем происходит преимущественный рост кристаллов, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к теплоотводу. Образуется зона 2 – зона столбчатых кристаллов, расположенных нормально к стенкам формы. В средине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущается направленного отвода теплоты, образуются равноосные кристаллы больших размеров – зона 3.

Применяя различные технологические приёмы, можно изменить количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще. Напр., перегрев сплавов перед разливкой и быстрое охлаждение при кристаллизации приводят к формированию структуры, состоящей практически из одних столбчатых кристаллов. Такая структура наз. транскристаллической. Подобную структуру имеют слитки очень чистых металлов. Зона столбчатых кристаллов характеризуется наибольшей плотностью, но в месте стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси, и слитки с транскристаллической структурой часто растрескиваются при обработке давлением.

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина – 4. Под усадочной раковиной металл получается рыхлым, в нём содержится много усадочных пор – 5,6. Часть слитка с усадочной раковиной и рыхлым металлом отрезают.