Кристаллизация сплавов

 

Одним из наиболее важных факторов, определяющих качество отливок, является 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 в расплавленном металле 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 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  затвердевание, 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.

схема первичной кристаллизации отливок

   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.

влияние толщины стенок отливки на удельный вес и механическик свойства углеродистой стали в литом состоянии

 

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 ).

таблица коэффициентов материала отливки и формы

      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.