Кристаллизация сплавов
Одним из наиболее важных факторов, определяющих качество отливок, является кристаллизация сплавов, т.е., первичная структура и структура, получающаяся в результате последующей термической обработки.
Процесс образования кристаллической структуры при затвердевании отливки называется кристаллизацией.
На процесс первичной кристаллизации влияет большое количество факторов, в результате чего в отливке получаются кристаллы различной формы и размеров.
Кристаллизация сплавов может начаться: при самопроизвольном возникновении центров кристаллизации; при вынужденном возникновении центров кристаллизации, когда те или иные включения в металле служат центрами образующихся кристаллов; одновременно при самопроизвольном и вынужденном возникновении центров кристаллизации; кроме того, кристаллизация может также проходить попеременно – самопроизвольно или вынужденно.
Вынужденные зародыши могут находиться в расплавленном металле или вводиться в него в виде различных веществ. К чужеродным зародышам принадлежат посторонние включения и выделения из раствора до момента кристаллизации. Однако не всякое постороннее включение может служить зародышем для кристаллизующейся фазы. Между кристаллографическим строением кристаллизующейся фазы и зародышем должно быть соответствие в строении, а разница в параметрах решетки должна быть не более 15%. Поэтому наиболее эффективными зародышами являются микрокристаллики кристаллизующейся фазы или изоморфного с ней вещества. Другие вещества могут играть роль зародышей или атомы кристаллизующейся фазы или перестраивают свой поверхностный слой в соответствии с кристаллизующейся фазой. В противном случае включения перестанут быть зародышем для кристаллизации.
При достаточном количестве имеющихся в металле или специально введенных в жидкий металл активных зародышей роль их весьма велика и первичная кристаллизация сплавов будет главным образом вынужденной.
Принимается, что в технических литейных сплавах возникновение центров кристаллизации идет одновременно вынужденное и самопроизвольное; часть кристаллов развивается из посторонних центров, а другая часть – из возникающих произвольно. Различные соотношения между указанными видами кристаллизации зависит от многих факторов: физико-химических свойств металла или сплава; условий охлаждения и активности посторонних примесей.
При производстве отливок из различных сплавов в качестве добавок для измельчения первичной структуры вводят титан, ванадий, алюминий, магний, азот, силикокальций, натрий и др. Посторонние активные примеси при достаточном переохлаждении могут стать центрами кристаллизации. Но при медленном охлаждении посторонние примеси (центры кристаллизации) объединяются, их становится в сплаве меньше и первичная структура получается более грубая – крупнокристаллическая.
На первичную кристаллизацию металлов и сплавов влияют многие факторы: температура заливаемого металла, температура литейной формы, теплопроводность материала формы и самого заливаемого металла и сплава. Подвод металла и скорость заполнения формы также оказывает влияние на кристаллизацию.
Образующиеся кристаллы при затвердевании отливок в зависимости от различных факторов имеют различную форму и размеры. На поверхности, где скорость охлаждения большая, кристаллы растут свободно и в большинстве случаев кристаллизация идет параллельно охлаждаемой поверхности. С увеличением скорости охлаждения отливки и отвода тепла с поверхности кристаллы на образовавшихся осях растут перпендикулярно охлаждающейся поверхности, так как для роста направленных столбчатых кристаллов необходимо, чтобы они могли свободно питаться за счет жидкой части отливки. В дальнейшем скорость охлаждения продолжает постепенно уменьшаться и создаются условия для роста равноосных кристаллов. Размеры равноосных кристаллов будут зависеть от времени затвердевания: чем медленнее происходит кристаллизация сплавов, тем крупнее будут кристаллы. При высоких температурах перегрева зона столбчатых кристаллов будет большой, так как скорость охлаждения отливки увеличивается, особенно в металлических формах. При низких температурах перегрева зона столбчатых кристаллов небольшая, а в песчаных формах она может совсем отсутствовать.
На фиг 1., показаны схемы различных условий охлаждения металла и температурные кривые начала затвердевания отливки.
При заливке металла с высоким перегревом в металлическую форму 1 (рис 1) зона быстрого охлаждения и ширина столбчатых кристаллов больше; при заливке металла в металлическую форму 2 с более низким перегревом зона быстрого охлаждения уменьшается (наклон сплошной кривой) и ширина столбчатых кристаллов сокращается.
Таким образом, повышение температуры заливки при литье в металлические формы будет способствовать росту столбчатых кристаллов.
Заливка в песчаные формы 3 с высоким перегревом приводит к образованию крупнокристаллического строения, так как в этом случае скорости охлаждения металла почти равны у стенок и в центре отливки. Такое строение является типичным для массивных отливок, залитых с высоким перегревом в песчаные формы.
Заливка металла в песчаные формы 4 с малым перегревом приводит к затвердеванию по всему объему металла. В результате получается мелкокристаллическое строение с различно ориентированными кристаллами.
Механические свойства отливок зависит от характера первичной кристаллизации, которая, в свою очередь, зависит от толщины стенки отливки.
Так, например, влияние толщины стенок отливки на удельный вес и механические свойства углеродистой стали (0,27%С) в литом состоянии и после отжига достаточно наглядно показано на рис. 2.
Из приведенной фигуры видно, что все показатели при прочих равных условиях понижаются с увеличением толщины стенки отливки скорость охлаждения металла в середине стенки уменьшается. Особенно низкие механические свойства получаются у металлов и сплавов, обладающих склонностью к крупнокристаллическому строению. В этом случае введением модификаторов или продувкой металлов и сплавов газами (азотом, хлором и др.) создают искусственное возбуждение кристаллизации, способствующее размельчению первичных зерен и получению более высоких механических свойств.
Определение продолжительности затвердевания сложных отливок представляет собой большие трудности. Практически полное время затвердевания сложной отливки можно определить , разделив ее условно на простые тела (платины, цилиндры, и сферы).
Предлагается следующая формула для расчета продолжительности затвердевания отливки:
Tз=МФR2,
Где tз – полная продолжительность затвердевания в мин;
R – половина толщины или радиуса стенки отливки в см;
М – коэффициент материала отливки и материала формы (величины коэффициента даны в таблице ).
Ф – коэффициент, зависящий от характера отливки. Для платины Ф=1,0; для цилиндра Ф= 0,76; для сферы Ф= 0,47.
Для примера определим продолжительность затвердевания плоских отливок из алюминия, чугуна и стали при литье в металлические формы, при этом толщина отливки равна 40 мм.
Для алюминия:
М=0,1;Ф=1,0;R=2,0 см;
Tз =0,1*1,0*22= 0,4 мин
Для серого чугуна:
М=0,21;Ф=1,0;R=2,0см;
Tз =0,21*1,0*22= 0,84 мин
Для стали:
М=0,148;Ф=1,0;R=2,0см;
Tз =0,148*1,0*22= 0,592 мин
После полного затвердевания и охлаждения отливок до нормальной температуры они имеют определенное кристаллическое строение. Если полученная кристаллическая структура не удовлетворяет требованиям, которые предъявляются к данной литой детали, то ее можно улучшить, применив термическую обработку.
Источник: Литейные сплавы. П.П. Жевтунов.