Ликвация

 

 Понятие о ликвации

В некоторых отливках после их затвердевания наблюдается неоднородность по химическому составу в отдельных зонах отливки или внутри отдельных зерен. Это явление называется ликвацией.

Основной причиной ликвации является то, что при затвердевании сплава твердая и жидкая фазы имеют  различный состав в результате избирательного затвердевания.

Неравномерное распределение компонентов сплава по сечению отливок ухудшает их качество и часто служит  причиной поломки деталей.

Внутрикристаллическая и зональная ликвация

Различают два вида ликвации: внутрикристаллическую и зональную. Зональная ликвация особенно развита в толстостенных массивных отливках, которые медленно охлаждаются в формах. Внутрикристаллическая ликвация характерна для фасонных отливок, изготовляемых из сплавов, образ-ующих  твердые растворы.

В практических условиях в большинстве случаев скорость  затвердевания отливки превышает скорость диффузии, которая необходима для выравнивания химического состава. Последнее является основной причиной развития кристаллической ликвации в отливках из сплавов, образующих  твердые растворы. Поэтому чем быстрее охлаждается отливка из таких сплавов,  тем больше будет развита внутрикристаллическая ликвация, и чем  медленнее охлаждается отливка, тем более однородным получится состав кристаллита. На схеме рис 1.,

схема дендридной ликвации

 условно показан процесс затвердевания сплава,  представляющего собой твердый раствор. В точке а должен образовываться твердый кристалл, в котором содержание компонента А должно соответствовать линии 1. Но для того, чтобы состав, соответствовал линии 1, затвердел в точке а, нужно иметь переохлаждение до точки б, так как затвердевание начинается с этой точки, в которой состав первых  кристаллов  содержит количество компонента А, соответствующее линии 2.

Соответственно этому изменяется состав жидкой фазы: вместо состава а будет состав б*, т.е. произойдет обогащение жидкой фазы компонентом В. При понижении температуры эти процессы протекают непрерывно в зависимости от  времени. Чем быстрее будет происходить затвердевание, тем большими будут переходы от а к б и от б к в и т.д. и тем большей будет кристаллическая ликвация. При медленном охлаждении эти переходы будут малы и внутрикристаллическая ликвация будет иметь незначительное развитие.

Из приведенной схемы рис 1.,  видно, что равномерный состав отливки будет зависеть от скорости роста и образования кристаллитов в жидком сплаве в период затвердевания.

Внутрикристаллическую ликвацию в отливках из сплавов типа твердых растворов можно уменьшить  путем термической обработки.

Отливки в этом случае подвергаются отжигу при возможно более высокой температуре и длительной выдержке.

Зональная ликвация при больших скоростях охлаждения отливок получит весьма малое развитие. Поэтому в тонкостенных  отливках, которые быстро охлаждаются, она слабо развита. Зональная ликвация в отливках обнаруживается как в поперечном, так  и в продольном направлении, в зависимости от расположения отливки в форме.

Зональная ликвация в большой степени зависит от  характера затвердевания сплава. При затвердевании отливки по схеме а , рис 2.,

схема затвердевания сплава

вначале затвердевает более тугоплавкая фаза.  При затвердевании следующих слоев состав металла будет изменяться вследствие увеличения в нем компонентов, понижающих температуру плавления жидкой фазы. Это приводит к тому, что внутренняя часть стенки будет иметь большее количество примесей, чем наружная. Такой процесс образования неравномерного распределения компонентов называется прямой ликвацией.

Создавая в отливках направленное затвердевание, можно управлять прямой зональной ликвацией. Так, например, наиболее нежелательная часть сплава может быть отведена в прибыльную часть или в ту часть отливки, где она не будет оказывать существенного влияния на эксплуатационные качества литой детали.

Для сплавов, затвердевающих по схеме б рис 2 ., характерно то, что здесь нет сплошного фронта  кристаллизации. Кристаллы тугоплавкой фазы могут образовываться по всей толщине отливки.

При недостаточно охлажденном поверхностном слое ликват может выжиматься на поверхность отливки.

Все это приводит к обогащению поверхности отливки легкоплавкими компонентами. Такой процесс образования химической неоднородности с расположением легкоплавких компонентов у поверхности называют в практике обратной зональной ликвацией.

Обратная зональная ликвация характерна для сплавов с компонентами, имеющими большую разницу в температурах плавления,  и для сплавов с большим температурным интервалом  затвердевания.

 

При затрудненной линейной усадке в скелете из твердых кристаллов могут образовываться трещины, которые  заполняются ликватом.  Заполнение образующихся трещин ликватом происходит за счет  давления или за счет разрежения, которые создаются в момент  затвердевания отливки.

Точно такое же явление может наблюдаться и в отливке с газовыми раковинами. Так, например, если давление газа в раковине  меньше, чем давление жидкого ликвата, последний может заполнять  полости раковин. Все это приведет к местной зональной ликвации  в отдельных участках отливки.

В стальных отливках ликваты, загрязненные неметаллическими включениями, поднимаются вверх. В магниевых отливках ликваты и загрязнения могут опускаться вниз.

Зональная ликвация по удельному весу может происходить по  двум основным причинам: в связи с расслоением жидкого сплава по  удельному весу, которое происходит при недостаточном  перемешивании сплава при плавке и заливке, или при выпадении из жидкого сплава легких и тяжелых кристаллических фаз. Характерным примером зональной ликвации по удельному весу может служить высокосвинцовая бронза и свинцовосурьмястые баббиты при  медленном охлаждении которых свинец опускается вниз.

Основные способы устранения ликвации по удельному весу – это хорошее перемешивание сплава и быстрое его  охлаждение в форме.  Ликвация в отливках – крайне нежелательное явление, так как  она снижает качество отливок.

Методы борьбы с явлением ликвации

Методы борьбы с явлениями ликвации в отливках  применяются в зависимости от характера ожидаемой ликвации – внутрикристаллической или зональной.

При литье деталей, склонных к внутрикристаллической ликвации, отливки необходимо быстро охлаждать в период  затвердевания. После затвердевания эти отливки необходимо медленно охлаждать, чтобы за счет диффузии при высоких температурах и медленном охлаждении произошло выравнивание  состава сплава.

Основные методы устранения зональной ликвации в литых деталях сводятся к следующему.

В сплавы, содержащие ликвидирующие компоненты, необходимо вводить дополнительные элементы, которые будут уменьшать ликвацию. Толщина стенок фасонной отливки должна быть равномерной. При значительной разнице в толщине стенок трудно достигнуть  равномерного затвердевания отливки, и поэтому ликваты концентрируются в утолщенных местах отливки.

Так как зональная ликвация является следствием перемещения между ветвями дендритов маточного раствора, обогащенного легкоплавкими компонентами, толстостенные отливки необходимо  конструировать с учетом направленного затвердевания. При направленном затвердевании маточный раствор перемещается в сторону прибыльной части отливки.

Материал формы может оказаться решающим фактором, устраняющим зональную ликвацию. Для уменьшения зональной ликвации применяют материалы для формы с большей  теплопроводностью, специальные формовочные смеси (из хромистой руды, песчаные смеси с добавкой металлических опилок); кроме того, в песчаную форму устанавливают в утолщенных местах металлические  холодильники или применяют полностью металлические формы. В отдельных случаях применяют металлические формы, охлаждаемые водой. Применяя различные материалы, можно регулировать скорость охлаждения сплава в процессе его затвердевания. В этом отношении большое влияние на регулирование скорости охлаждения оказывают теплоизоляционные  краски.

Литниковая система, ее размеры и конструкция оказывают значительное влияние на устранение зональной ликвации. Применяя рассредоточенную литниковую систему и подбирая соответствующую скорость  заполнения формы, можно выровнять скорость  затвердевания отливки и устранить зональную ликвацию.

Температура заливки – один из наиболее важных факторов, при помощи которого можно устранить зональную ликвацию. Сплавы, склонные к зональной ликвации, необходимо заливать при более низких температурах.

Устранение зональной ликвации для отдельных литейных сплавов представляет большие трудности и требует от технолога большого внимания при разработке технологического процесса литья.

 

Источник: Литейные сплавы  П.П.  Жевтунов