Изменение агрегатного состояния сплавов в отливках

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменение агрегатного состояния сплавов в отливках



ВВЕДЕНИЕ

Когда температура расплава снижается при данном давлении ниже определенной температуры - температуры начала затвердевания, - сплав изменяет агрегатное состояние [19 - 23].

Такое изменение агрегатного состояния называют первичной кристаллизацией или затвердеванием. Хотя оба термина имеют довольно сходное содержание, они отражают различие в характере процесса: под первичной кристаллизацией понимается образование из расплава отдельных кристаллов и кристаллических зон в отливке, имеющих определенное внутреннее строение, которое влияет на свойства литых изделий. Затвердевание же подразумевает увеличение количества твердой и уменьшение количества жидкой фаз в разных частях отливки независимо от характера образующихся первичных кристаллов.



А. ПЕРВИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Первичная кристаллизация имеет для отливок гораздо большее значение, чем для заготовок, предназначенных для обработки давлением, потому что отливки дальнейшей обработке давлением не подвергаются. От первичной кристаллизации зависит и вторичная, в связи с чем первичную кристаллизацию можно считать решающим фактором, определяющим механические свойства отливки. Дефекты, возникающие при первичной кристаллизации, нельзя исправить термической обработкой, и они проявляются в местных ухудшениях таких свойств отливки, как прочность, удлинение, сужение, ударная вязкость, износоустойчивость.

В связи с этим возникает необходимость в управлении процессом первичной кристаллизации. Для этого надо уметь управлять строением отдельных кристаллов и кристаллических зон. Несмотря на многие попытки, эта проблема далека от окончательного решения. Ведь действительная прочность металлических материалов составляет только малую долю теоретической прочности, которая определяется межатомными силами [23]. Такое различие между теоретической и действительной прочностью вызывается субмикроскопическими и иными дефектами как внутри кристаллов, так и на их границах.

В лабораторных условиях, в частности в Физическом институте АН ЧССР в Праге, уже удалось приготовить бездефектные кристаллы железа с пределом прочностипри растяжении более 1000 кг/мм2. К сожалению, эти кристаллы (так называемые усы) имеют размеры тонкого волоска, так что практического применения они покане нашли. В том же институте были приготовлены и большие монокристаллы железа размером с короткий карандаш, обладающие исключительными свойствами.

В обычных условиях кристаллизации не удается приготовить монокристаллы с такими выдающимися свойствами, потому что в их кристаллической решетке всегда появляются дефекты. Тем более трудно, практически невозможно, изготовить отливки без дефектов решетки и даже без межкристаллических дефектов. Приходится примириться с тем, что литейные цехи производят отливкине абсолютно хорошие, а лишь соответствующие предписанным стандартами техническим условиям. Стандарты эти должны согласовываться с современным состоянием и возможностями техники.

Каждый кристалл (монокристалл) представляет собой анизотропное образование: в разных направлениях он имеет различные механические, физические и химическиесвойства. Между тем в некоторых поликристаллических образованиях, например в поверхностной корке отливки, механические и физические свойства обычно существенно не различаются в разных направлениях; относительно малы и различия в химическом составе отдельных участков. Причина состоит в том, что отдельные кристаллы различно ориентированы относительно друг друга, так что в целомтакое образование - литейная корка - будетпрактически изотропным, т. е. имеющим практически одинаковые свойства в разных направлениях. Однако здесь нет подлинной изотропности, поскольку анизотропен каждый кристалл. Вот почему говорят, что кристаллическое образование квазиизотропно.

Если же в некоторых частях отливки отдельные кристаллы по определенным причинам (см. ниже) ориентированы одинаково, то в целом эта часть отливки будет анизотропной, т. е. свойства будут различны в разных на правлениях.

Попытки повысить механические свойства путем создания отливки-монокристалла экономически неоправданны. Приходится идти обратным путем - так влиять на первичную кристаллизацию, чтобы получить множество мелких кристаллов, что также позволяет достигнуть высоких механических свойств. Это наиболее перспективный путь, подтвержденный многими экспериментами. Заготовки для обработки давлением производятся тоже в виде отливок, но обработка давлением может благоприятно влиять на литую структуру, раздробляя крупные кристаллы. Это не означает, однако, отсутствия влияния первичной кристаллизации. Слиток или заготовку непрерывного литья можно обрабатывать под более высоким давлением без риска получить трещины, если они имеют надлежащую первичную структуру. Таким образом, первичная кристаллизация косвенно обусловливает возможность использования наиболее прогрессивных методов обработки давлением.

Чтобы иметь возможность влиять на процесс первичной кристаллизации, надо знать основные закономерности кристаллизации, т. е. закономерности образования кристаллов и их роста в отдельности и в условиях затвердевания отливки.

1. НАЧАЛО И ХОД КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Для образования кристаллов из расплава требуется зародыш, или центр кристаллизации. При определенных условиях из зародыша вырастает кристалл.

Образование зародышей кристаллов

Зародыши кристаллизации могут иметь различное происхождение. Одни зародыши образуются самопроизвольно в переохлажденном расплаве при быстром охлаждении - это зародыши самопроизвольные, или спонтанные. Другие, несамопроизвольные зародыши могут быть продуктами реакций металлургического процесса (так называемые эндогенные зародыши) или попадать в расплав извне, например из футеровки и т. п. (экзогенные зародыши). Иногда зародыши кристаллизации намеренно вводят в расплав извне. Такой прием называют модифицированием, а материал, вносящий зародыши, - модификатором.

Самопроизвольная кристаллизация. Такая кристаллизация наблюдалась Тамманом у чистых органических веществ. Быстрым охлаждением этих веществ достигали начала самопроизвольной кристаллизаций при температуре значительно ниже их фактической температуры затвердевания, т. е. в условиях значительного переохлаждения расплава. Считается, что во многих случаях переохлаждение тем больше, чем больше скорость охлаждения расплава.

Теорию Таммана нельзя полностью применить для кристаллизации металлов и сплавов, расплавы которых, как правило, представляют собой не чистые вещества, а суспензии разных твердых частиц, чаще всего неметаллических. Если бы удалось эти частицы отфильтровать из расплава, то можно было бы к его кристаллизации применить законы Таммана. Постепенное охлаждение расплава сопровождалось 6ы увеличением скоплений атомов, которые, однако, опять немедленно распадались бы. Только когда скопление атомов приобретает определенную, так называемую критическую величину, при которой внутренние силы связи атомов в скоплении превысят поверхностное натяжение, из скопления образуется зародыш самопроизвольной кристаллизации. Образование такого зародыша возможно только при значительном переохлаждении, т. е. при определенной большой скорости охлаждения, которое продолжается и после образования зародыша, так что последний не может вновь расплавиться.

Имеет значение также и то, насколько спокоен расплав. Если в расплаве происходит движение, то самопроизвольный зародыш, образовавшийся в переохлажденной части, может вновь расплавиться, поскольку эта часть перемешивается с более горячим расплавом, не содержащим самопроизвольных зародышей. Подобное явление происходит в массивных отливках.

Предшествующая металлургическая обработка расплава также оказывает существенное влияние на то, будет или не будет проходить самопроизвольная кристаллизация. Если сплав перегрет при плавке и долго выдерживается при высокой температуре, то для образования кристаллов требуется большее переохлаждение, чем при противоположных условиях плавки. Повышенное давление облегчает самопроизвольную кристаллизацию.

Однако нельзя рассчитывать только на самопроизвольную кристаллизацию, потому что сплавы; с которыми имеют дело на практике, не представляют собой чистых веществ. Самопроизвольная кристаллизация отходит на задний план, если в расплаве образуется больше других зародышей, попавших случайно или намеренно внесенных. При наличии таких зародышей необходимое для начала кристаллизации переохлаждение составляет обычно несколько градусов Цельсия. Практически кристаллизация происходит только на готовых центрах.

Зародыши вынужденной кристаллизации. Не все твердые частицы, взвешенные в металлическом расплаве, можно считать зародышами вынужденной кристаллизации, будь они эндогенного или экзогенного происхождения. Центрами кристаллизации являются только те из них, которые по структуре имеют определенное сродство с расплавом.

Сродство зародышей с расплавом определяется степенью сходства решеток зародыша и кристаллизующегося расплава. При таком сродстве металлические включения часто служат зародышами кристаллизации. Это явление называют гомогенным зародышеобразованием.

У неметаллических включений сродство с расплавом оценивается по степени смачиваемости внесенного включения расплавом. Зародышами кристаллизации могут быть только смачиваемые неметаллические включения. Возникновение кристаллов на неметаллических включениях называется гетерогенным зародышеобразованием.

Активность зародыша, т. е. его способность вызывать кристаллизацию, может до известной степени изменяться. Разными присадками можно изменять степень смачиваемости зародыша расплавом в положительном (активация), и в отрицательном (дезактивация) смысле. Зародыши дезактивируются также при высоком перегреве расплава и длительной его выдержке и, наоборот, активируются большим тепловым потоком при кристаллизации.

Реальные расплавы представляют собой суспензии разных включений, из которых некоторые служат зародышами кристаллизации. Эти готовые центры кристаллизации способствуют ее началу при незначительном переохлаждении (при температуре псевдоликвидуса), находящемся в пределах ошибки измерения температуры - обычно меньше 5°.

Только в быстро остывающих, как правило, поверхностных частях отливки много зародышей активируется большим тепловым потоком. Подобное явление имеет место при образовании литейной корки, т. е. поверхностного тонкого мелкокристаллического слоя отливки.

Намеренное внесение зародышей в расплав (модифицирование). Чем больше зародышей в единице объема расплава, тем большее число кристаллов образуется, тем они мельче и тем выше механические свойства отливки. По этой причине в некоторые сплавы намеренно вносят зародыши кристаллизации. Вещество, способствующее образованию зародышей, называют модификатором, а саму операцию внесения - модифицированием. Модификаторы по их действию можно разделить на две группы.

Модификаторы первой группы снижают смачиваемость одной составляющей сплава другой, т. е. увеличивают поверхностное натяжение на границе между ними. Вследствие этого кристаллы одной из составляющих, а именно менее прочной, не могут разрастись до сложных разветвленных форм и приобретают форму, близкую к шару. При этом наблюдается значительно меньшее нарушение сплошности несущего сечения - сплав приобретает более высокие механические свойства. Такой механизм модифицирования называют модифицированием первого порядка. Он характерен для сплавов алюминия с кремнием - силуминов - и для чугуна с шаровидным графитом.

Модификаторы второй группы являются косвенными или непосредственными зародышами кристаллизации. Вводя порошкообразный графит в чугун, получают чугун с большим количеством мелких пластинок графита, механические свойства которого лучше, чем у чугуна с малым количеством крупных пластинок графита. Дело в том, что графит нарушает сплошность сечения и при растяжении действуетаналогично надрезам. Подобное же действие оказывает графит, попадающий в жидкий сплав с графитовой трубки, по которой в чугун подается промывочный газ.

Косвенным модификатором чугуна следует считать, например, ферросилиций. В результате реакций его компонентов с компонентами сплава образуются твердые соединения, некоторые из которых являются зародышами кристаллизации графита. Затем происходит дальнейшая кристаллизация чугуна. Таким образом, модифицирование чугуна в результате введения кремнийсодержащих присадок следует считать косвенным.

Рост первичного кристалла

Из зародыша кристаллизации при благоприятных условиях, а именно если охлаждение зародыша продолжается, может вырасти первичный кристалл определенных формы и размера.

Форма и внутреннее строение первичного кристалла зависят от того, с какой скоростью идет охлаждение, каково поверхностное натяжение на границе между твердой и жидкой фазами, и, наконец, от числа активных зародышей в единице объема расплава (чем их больше, тем мельче будут кристаллы, и наоборот).

Внутреннее строение и форма первичного кристалла обусловливаются соотношением интенсивности теплового потока и величиной поверхностного натяжения на границе между твердой и жидкой фазами. Если поверхностное натяжение велико, а тепловой поток слаб, образуются кристаллы с грубым внутренним строением (с незначительным разветвлением осей), которые в дальнейшем будем называть «глобулитами» (фиг. 55, слева). Глобулиты растут практически одинаково быстро от граней, ребер и вершин зародыша. Как правило, они образуются только в местах, где тепловой поток невелик, т. е. по тепловой оси массивных отливок.

Если поверхностное натяжение на границе фазы находится в определенном соответствии с тепловым потоком, от вершин и ребер зародыша тепло отводится быстрей, чем от граней, потому что в этих условиях уже сказывается их большая поверхность. Из первоначального зародыша кристалл растет так, как это показано на фиг. 55 (середина). С течением времени из начального зародыша получается твердое образование, ограниченное на плоскости контуром 2, а в объеме - поверхностью. Более поздняя стадия обозначена контурами 3 и 4, где уже заметно разветвление. При соответствующем тепловом потоке, т. е. при определенной скорости охлаждения, из зародыша получается древовидное образование, так называемый дендрит, на котором в дальнейшем затвердевает расплав. Пока отношение между поверхностным натяжением и скоростью охлаждения не достигнет нужного значения, дендрит растет приблизительно одинаково во всех направлениях. Образуется так называемый равноосный первичный дендрит или первичный кристалл. Его внутреннее строение мельче и сложней, чем у глобулита. Кристалл, изображенный на фиг. 55 (внизу посредине), имеет оси I, II и III порядка.

Чем более интенсивен тепловой поток (больше скорость охлаждения) при том же или меньшем поверхностном натяжении, тем мельче и сложнее внутреннее строение кристалла. Дендритные разветвления становятся мельче и сдержат ветви III и более высокого порядка.

В случае значительного увеличения скорости охлаждения при направленности теплового потока уже будут получаться кристаллы не равноосные, а вытянутые в направлении наибольшего теплового потока. Такие кристаллы имеют вид столбиков, почему и называются столбчатыми. Их внутреннее дендритное строение еще мельче и сложней, чем у равноосных кристаллов (фиг. 55, справа).



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В очень быстро охлаждающихся местах сплава не могут образоваться глобулиты, а в местах, охлаждающихся медленно, не образуются столбчатые кристаллы. Если число зародышей в единице объема велико и велика скоростьохлаждения, образуется много малых кристалликов с мелким внутренним строением. Это находится в соответствии с рассмотренными выше зависимостями, которые вытекают из анализа фиг. 55.

Внутрикристаллическая (дендритная) ликвация

Каждый первичный кристалл является химически негомогенным. Химическая неоднородность - это естественное следствие избирательной кристаллизации, и предотвратить ее появление практически невозможно.

Представим себе ход избирательной кристаллизации глобулита из расплава, химический состав которого соответствует точке m по диаграмме состояния (фиг. 56). Примем, что внутри кристалла диффузии не происходит и сплав кристаллизуется практически без переохлаждения.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выбранный сплав имеет определенный интервал затвердевания. Первая доля твердой фазы образуется при температуре tа и имеет состав а?, т. е. содержит значительно меньше компонента В, чем выбранный сплав. Эта стадия показана на фиг. 56, а. Расплав в непосредственном соседстве имеет состав а. При температуре tb, т. е. несколько позднее, затвердевшая часть имеет состав b?, а находящийся вокруг нее расплав - состав b?; эта стадия изображена на фиг. 56, б.

Дальнейшие стадии показаны на фиг. 56, в - д. С течением времени, т. е. по мере снижения температуры, затвердевает оставшаяся жидкость. В данном случае показано образование глобулита. Его химический состав изменяется во времени от центра к внешней поверхности по линии солидуса от а? до е?, химический же состав непосредственно соседствующего расплава - по линии ликвидуса от а до е?. Таким образом, глобулит представляет собой весьма негомогeнное образование.

Если сплав содержит другие элементы, снижающие температуру солидуса, например в стали серу, фосфор, углерод и кислород, то большая часть этих элементов в виде легкоплавких соединений скапливается по краям кристалла и в пространствах между кристаллами. Эти элементы, как говорят, ликвируют («сегрегируют»), увеличивая химическую негомогенность кристалла. Когда содержание ликвирующих элементов на границах первичных кристаллов или зерен превышает отвечающие им растворимости, образуется новая структурная составляющая. Например, стедит (фосфидная эвтектика) образуется, когда содержание фосфора в чугуне превышает 0,25%.

В действительности конечная негомогенность будет существенно меньше, чем первоначальная, возникающая к концу кристаллизации. Большое различие в химическом составе у тесно соприкасающихся слоев твердой фазы, высокая температура твердой фазы и ее медленное снижение создают благоприятные условия для развития выравнивающей диффузии. В результате диффузии химическая неоднородность кристалла самопроизвольно уменьшается, однако нельзя рассчитывать на то, что состав кристалла может стать полностью гомогенным. Подобным же образом можно объяснить ликвацию у первичных кристаллов всех типов. Однако весьма велики различия в расположении участков твердой фазы, затвердевших последними. У глобулитов эти участки сосредоточены на наружном крае и между отдельными зернами или кристаллами. У дендритных кристаллов много участков, затвердевающих последними, расположено также внутри зерен, причем это наблюдается тем в большей степени, чем сложней строение дендрита (фиг. 57, левая часть). В результате на границах сложных дендритов к концу кристаллизации остается меньше расплава, обогащенного некоторыми компонентами, чем на границах глобулитов (фиг. 57). Сложные дендриты как бы «запирают» между собой определенную долю этих ликватов¹¹⁾Ликватами автор называет участки, обогащенные ликвирующими элементами. - Прим. ред.).

Вследствие различного химического состава и разной температуры затвердевания отдельные участки дендрита имеют неодинаковые физические и механические свойства. Как правило, участки, закристаллизовавшиеся в последнюю очередь, имеют более низкую теплопроводность, бывают более твердыми и хрупкими; их затвердевание обычно заканчивается тем позднее, чем больше ликвирующих элементов содержит сплав.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Распределение легирующих элементов и примесей в объеме дендрита будет, следовательно, в значительной мере влиять на его механические свойства. Наиболее неблагоприятна структура с крупными глобулитами, потому что на их границах больше ликватов, которые, кроме того, образуют связную сетку между отдельными глобулитами, кажущимися как бы вложенными в эту сетку. Такую ликвацию называют междендритной или межглобулитной. Внутренняя часть глобулита не заключает в себе ликватов.

Чем мельче и сложней строение дендрита, тем большая доля мелко распыленных ликватов заключена между ветвями третьего и более высоких порядков. Это так называемая внутридендритная ликвация. Чем сильнее разветвлен дендрит, тем легче ликватам разделиться на большее число мелких частей, так что средний химический состав отдельных относительно больших объемов одного кристалла будет почти одинаков. Междендритная ликвация здесь слабей, чем у глобулитов. Вследствие равномерного распределения ликватов внутри сложных дендритов механические свойства соответствующей части отливки выше, чем у глобулитной зоны. Возникновение различных кристаллов и соответственно характер ликвации зависят от скорости охлаждения отливки. Очевидно, что большая скорость охлаждения приводит к получению отливки с лучшими механическими свойствами.

Рассмотрим, как влияет величина первичного кристалла. Чем мельче отдельные глобулиты, тем длинней их границы, так что при межглобулитной ликвации не может образоваться такой толстый слой ликватов, как между более крупными глобулитами. Во много меньшей степени влияет на междендритную ликвацию размер кристаллов со сложным внутренним строением, потому что здесь количество ликватов на границах между зернами относительно мало.

Очевидно, что при глобулитной структуре ликвация в основном межкристаллическая, а при дендритной - внутри- и межкристаллическая. Первая по сравнению со второй тем больше, чем более крупнозернистыми являются кристаллы, т. е. чем меньше скорость охлаждения.

Избирательное затвердевание нельзя предупредить, а значит, нельзя предупредить и образование дендритной ликвации. Склонность сплава к дендритной ликвации определяется прежде всего горизонтальным расстоянием между линиями ликвидуса и солидуса, т. е. химическим составом(см. на фиг. 56 интервала? - е?), и, кроме того, природой и количеством ликвирующих элементов. На первый фактор влиять нельзя, на второй можно оказывать влияние только в некоторой мере.

Литейная форма также оказывает определенное влияние на характер дендритной ликвации, потому что она обусловливает тепловой поток. Чем выше теплопроницаемость формы, тем на более мелкие доли разделяются ликваты внутри дендрита, в «теплых» же местах сильней развивается междендритная ликвация.

Отдельная кристаллическая зона и зональная ликвация

В качестве примера возьмем массивную стальную отливку, полученную в металлической форме. В такой отливке образуются зоны кристаллов различного вида и размеров (фиг. 58). На поверхности образуется тонкий слой, так называемая литейная корка, состоящий из многочисленных маленьких кристалликов с дисперсным внутреннимстроением (это не глобулиты, как утверждают некоторые исследователи). В этих кристалликах дендритная ликвация приводит к очень тонкому распределению ликватов, поэтому химический состав корки в разных местах почти одинаков и примерно соответствует среднему составу сплава.

кристаллизация металл сплав отливка

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вследствие указанных обстоятельств литейная корка имеет превосходные механические и другие свойства, между прочим, также и большую стойкость против эрозии расплавами. Она должна сохраняться как рабочая поверхность кокилей, противостоящая износу. Литейная корка квазиизотропна. За литейной коркой идет зона столбчатых дендритов, которые имеют мелкое строение, причем их самая длинная ось практически совпадает с направлением наибольшего теплового потока. Ликваты тонко распределены главным образом внутри каждого столбчатого дендрита. Между отдельными дендритами образуется относительно мало ликватов. Столбчатая зона, построенная из зерен одной ориентировки, анизотропна.

Толщина столбчатой зоны, т. е. длина столбчатого кристалла, бывает весьма различна при разных условиях.Столбчатый кристалл («столбик») перестает расти, когда интенсивность теплового потока в данном месте не может предотвратить роста зародышей в соседствующем расплаве. Кристаллики, растущие на этих зародышах, тормозят рост столбиков.

За столбчатой зоной интенсивность теплового потока ослабевает и смачиваемость твердой фазы расплавом начинает играть существенную роль. Дендриты развиваютсяпримерно одинаково в разных направлениях, образуя так называемые равноосные кристаллы, или полиэдры. Их внутренняя структура несколько грубее, чем у столбчатых кристаллов, потому что здесь проявляется более значительная междендритная ликвация (см. фиг. 58). Зона равноосных кристаллов квазиизотропна.

В следующей зоне на тепловой оси массивных отливок тепловой поток еще больше слабеет, в связи с чем смачиваемость твердой фазы расплавом играет основную роль.В этих условиях образуется квазиизотропная зона глобулитов почти без внутрикристаллической ликвации, но с сильно развитой межкристаллической ликвацией. Эта зона склонна к горячим и холодным трещинам, потому что она более хрупка, ем остальные.

Необходимо далее указать на взаимную зависимость между отдельными кристаллическими зонами в отношении строения кристаллов и характера ликвации. Рост кристаллов во всей отливке шел из готовых центров. Поскольку их количество в разных местах отливки почти одинаково, размер кристаллов и отдельных зон также мало различается. Исключение составляет литейная корка. Но, если в поверхностных зонах отливки количество внесенных зародышей было таким же, как и в середине отливки, почему же здесь образовалось много мелких кристаллов? Ответ надо искать выше (см. стр. 97). Мелкое внутреннее строение дендритов в корке - результат большой скорости охлаждения. В литейной корке кристаллики ориентированы случайно. Только те из них, для которых направление наибольшей теплопроводности совпадает с направлением наибольшего теплового потока, растут за литейной коркой против (параллельно) направления теплового потока. Эти кристаллы представляют собой столбики.

Зона столбчатых кристаллов не отделяется таким образом от литейной корки, столбики составляют часть литейной корки и начинают расти от поверхности отливки. В направлении к тепловой оси тепловой поток слабеет, и в соответствии с этим возникает зона полиэдров, а иногда и глобулитов. Этому помогает и повышение смачиваемости твердой фазы расплавом по направлению к тепловой оси. Причиной является постепенное обогащение расплава элементами, ликвирующими в направлении тепловой оси.

Ликвация проявляется не только в отдельном кристалле, но и в отливке в целом. Это доказывает химический анализ проб, взятых под литейной коркой и возле тепловой оси отливки. Так, например, у массивной стальной отливки содержание углерода, серы и фосфора возле тепловой оси в несколько раз больше, чем под литейной коркой. Ликвацию в отливке в целом, т. е. макроликвацию, можно установить химическим анализом.

Дендритную же ликвацию (микроликвацию) не удается установить обычным химическим анализом, и ее оценивают металлографически и специальными методами.

Каждый кристалл имеет различный химический состав в середине и по краям. Средний химический состав кристалла вблизи поверхности отливки отличен от среднего состава кристалла, включая межкристаллические участки возле тепловой оси. В районе тепловой оси к концу кристаллизации скапливается больше расплава, и он затвердевает при более низкой температуре, чем последние доли расплава около подповерхностных кристаллов. Связь между дендритной и зональной ликвациями можно проиллюстрировать схемой, приведенной на фиг. 59. Линия а?b определяет дендритную ликвацию у столбчатых кристаллов, b?с - в равноосных кристаллах, с?d - в глобулитах. Ликвация в отливке в целом характеризуется прямой а?d. Описанная зональная ликвация, характеризуемая более высоким содержанием ликватов у тепловой оси, называется прямой или нормальной (фиг. 60, а).



Если ликваты равномерно распределяются по всей отливке или если их больше на поверхности, чем на тепловой оси, то говорят о наличии обратной ликвации. Она вызывается силами, например давлением газов в образовавшихся раковинах, перемещающими ликвирующий расплав изнутри отливки к поверхности, когда расплав находится между растущими кристаллами одновременно во всемобъеме отливки (фиг. 60, б).



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Удельный вес ликвирующего расплава может отличаться от удельного веса остальных частей. У стали, например, он меньше. Поэтому расплав стремится всплыть наверх, и верхние части отливки оказываются более богатыми ликвирующими элементами. Такую ликвацию называют гравитационной положительной (фиг. 60, в). Если же расплав тяжелее выделившихся кристаллов, он опускается, и такая ликвация называется гравитационной отрицательной (фиг. 60, г).

Гравитационная ликвация наблюдается у сплавов, состоящих из элементов с существенно различными удельными весами, например у сплавов вольфрама с железом, свинца с сурьмой и т. п. Меры борьбы против этой ликвации основаны на том, чтобы ограничить время для процесса ликвации, т. е. ускорить охлаждение или изменить положение залитой формы при кристаллизации.

В практике встречаются различные комбинации упомянутых видов зональной ликвации. Например, в массивных стальных отливках прямая ликвация комбинируется с гравитационной положительной. Такая комбинация приводит к скоплению значительного количества ликватов в верхней части отливки, которые затем приходится удалять вместес прибылью (фиг. 62, а).



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Это наиболее благоприятный случай с точки зрения качества отливки. Если на верхней поверхности массивной отливки нет прибыли, ликват останется в верхней части отливки (фиг. 62, б).

Дендритная ликвация связана с зональной. Применяя формы с разной теплопроницаемостью, можно в известной мере влиять на отношение между степенью внутридендритной и междендритной ликваций. Чем меньше это отношение, тем сильней зональная ликвация. Численное значение этого отношения можно снизить также за счет внешнеговоздействия на процесс

кристаллизации (см. ниже), что косвенно приводит к развитию более сильной зональной ликвации за счет внутридендритной. Если одновременно созданы условия для гравитационной положительной ликвации, достигаются наилучшие условия для подавления дендритной ликвации. Очень сильная зональная ликвация достигается увеличением ускорения. Так, например, при центробежном затвердевании зональная ликвация весьма явственна.



2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО И СИЛОВОГО ПОЛЕЙ НА ПЕРВИЧНУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ

Хотя кристаллы, растущие из расплава, имеют определенную кристаллографическую решетку; металлографическое исследование показывает, что их внешняя форма в целом неправильная и они выглядят как аморфные материалы (фиг. 63). Причина в том, что кристаллы растут один подле другого, а в конце затвердевания входят в контакт и начинают взаимно мешать дальнейшему свободному росту. Равнодействующая сил, с которыми кристаллы в разных местах отливки давят друг на друга, определяет их вид. Такие кристаллы неопределившейся формы называют аллотриоморфными. Они представляют собой «строительные кирпичи» отливки.

У крупных отливок в усадочных раковинах, т. е. полостях, возникающих вследствие усадки при затвердевании (см. ниже), могут образоваться кристаллы с внешне правильной наружной огранкой, которая наглядно свидетельствует о кристаллическом строении металла, так называемые идиоморфные кристаллы. Такой кристалл может образоваться только в том случае, если имеется достаточно местадля его роста, иначе говоря, если он не встречается с соседними растущими кристаллами. Рост кристалла продолжается до тех пор, пока он остается в контакте с расплавом. Когда расплав, как это обычно бывает при затвердевании, переместится в остальные части отливки, обнажается поверхность кристалла и он перестает расти. Собрание таких идиоморфных кристаллов - дендритов Чернова -показано на фиг. 64.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Идеалом для литейщика было 6ы достигнуть по всему сечению отливки такой структуры, какую имеет литейная корка, т. е. состоящей из мелких кристаллов с весьма тонким внутренним строением и с дисперсными ликватами. Чтобы найти пути к этому, надо знать, как влияют температурное и силовое поле на кристаллизацию.

Чтобы получить кристаллики с тонким строением и притом мелкие, надо расплав наряду с быстрым охлаждением либо модифицировать, чтобы увеличить число зародышей, либо подвергнуть внешнему силовому воздействию в процессе кристаллизации, чтобы разрушить образовавшиеся кристаллические скелеты и вместо сильно разветвленных дендритов с осями III и высших порядков получить обломки, которые имели бы оси не выше II порядка (фиг. 65).При этих условиях внутридендритная ликвация ограничена за счет междендритной. Однако это не играет большой роли, потому что ликваты распределяются по очень развитым границам мелких зерен. Ломка дендритныхкристаллов возможна под действием надлежаще выбранных сил. При определенных условиях она может происходить самопроизвольно, однако обычно требуется внешнее вмешательство в процесс кристаллизации. Рассмотрим прежде всего кристаллизацию в потоке, а затем кристаллизацию в отливке и их нарушения.

Кристаллизация в потоке

Протекая через литниковую систему и полость формы, расплав в некоторых участках охлаждается, причем иногда значительно ниже температуры ликвидуса. В таких местах образуются дендриты. Некоторое количество этих дендритов увлекает с собой турбулентный поток, и часть из них в потоке расплавляется. Некоторые же только оплавляются, но не исчезают и вместе с металлом попадают в полость формы. В тех местах, куда эти обломки попали, начинается кристаллизация [24].

Следовательно, обломки дендритных кристаллов представляют еще один вид зародышей кристаллизации, который не был отмечен выше.

Чем больше обломков попадает в полость формы, тем мельче образующиеся кристаллы. Влияние основных факторов проявляется следующим образом.

Материал отливки. Кристаллических обломков в потоке образуется тем больше, чем меньше удельная теплоемкость и теплота кристаллизации расплава и чем ниже температура заливки. Решающую роль играет, конечно, отношение между количеством тепла, запасенного перегретым расплавом, и тепловыми потерями при заливке. Низкое значение этого отношения - условие для более интенсивной кристаллизации в потоке, а тем самым и для образования большего числа обломков дендритов.

Конфигурация потока. Чем больше поверхность литниковой системы, а иногда и прилегающих к ней частей отливки, тем больше кристаллов твердой фазы образуется при заливке.

Форма. Большая теплопроницаемость формы способствует образованию большего количества твердой фазы уже при заливке. Однако форма постепенно прогревается и тем более, чем дольше по данному месту течет расплав (т. е. чем больше степень протекания). Поэтому форма теряет охлаждающее действие, и на ней перестает образовыватьсятвердая фаза. По-видимому, при более длительной заливке обломки попадают в полость формы только в начале заливки. Чем массивнее отливка, тем меньше влияние кристаллизации в потоке на величину первичных кристаллов.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поскольку турбулентный поток обычно не срывает всей твердой фазы со стенок литниковой системы, ее стремятся отделить механически от поверхности формы. Вибрация песчаной формы привела 6ы к преждевременному разрушению формы, в связи с чем Г. Ф. Баландин [24] разработал способ воздействия на процесс кристаллизации в потоке, состоящий в том, что сплав в песчаную форму заливают через холодную вибрирующую воронку или вибрирующий желоб (фиг. 66). При вибрации образующиеся кристаллы хорошо отделяются от воронки, и в полость формы поступает большее число обломков.

При заливке вибрирующая воронка прогревается, так что и здесь основной эффект приходится на начало заливки. Иногда этот способ пригоден только для мелких отливок. Чтобы использовать его для крупных отливок, потребовалось бы во время заливки охлаждать воронку водой или воздухом.

Кристаллизация в полости формы. По окончании заливки расплав в форме становится относительно спокойным, если абстрагироваться от конвекционного потока. Он содержит внесенные извне зародыши, обломки дендритов, а в местах, куда расплав долго не протекал, образуются самопроизвольные зародыши. Величина кристаллов во внутренней части отливки, кроме литейной корки, определяется количеством внесенных зародышей и обломков, иногда зародышей модификатора в единице объема. При определенном числе внесенных зародышей размер кристаллов зависит от числа обломков. Факторы, приводящие к появлению большого количества обломков (см. выше), обусловливают образование более мелких первичных кристаллов. Кристаллизация отливок в разных условиях схематически изображена на фиг. 67.

На фиг. 67, а сопоставлены отливки, полученные в песчаной (слева) и металлической (справа) формах при прочих равных условиях, т. е. при одинаковых способах заливки, составах сплава, температурах заливки и конструкциях отливки. У отливки в песчаной форме тонкая литейная корка и слаборазвитая столбчатая зона, что обусловлено более слабым тепловым потоком. Столбчатые кристаллы имеют, конечно, более крупное внутреннее строение.

На фиг. 67, б показана структура слитков, полученных при совершенно одинаковых условиях в отношении температуры заливки и формы. Отливка слева получена заливкой сверху, отливка справа - при помощи сифонной литниковой системы. Отливка слева имеет более широкую столбчатую зону и более крупные кристаллы, чем отливка справа.Это объясняется тем, что температура, при которой расплав поступает в полость формы, была у отливки слева выше, тогда как температура заливки в обоих случаях одинакова.

На следующей схеме (фиг. 67, в) все условия одинаковы, различны лишь температуры заливки. При более низкой температуре заливки столбчатая зона оказывается менее выраженной, так как в этом случае равноосные кристаллы раньше прекращают рост, чем столбчатые, из-за относительно менее интенсивного теплового потока и более быстрого роста равноосных дендритов в свободном расплаве средней части отливки.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На фиг. 67, г сопоставляются при прочих равных условиях кристаллизации сплав с большой склонностью к образованию зоны столбчатых кристаллов со сплавом с незначительной склонностью к образованию- этой зоны. Отливки из первого сплава при определенных условиях имеют насквозь столбчатую структуру, что характерно для так называемой транскристаллизации. Большая склонность к столбчатой кристаллизации вызывается прежде всего узким интервалом затвердевания и низкой теплопроводностью сплава.

Если кристаллизующуюся отливку подвергнуть вибрации или действию ультразвуковых колебаний, то образующиеся скелеты дендритов ломались бы и получилось бы очень много обломков, которые способствовали бы образованию множества мелких кристаллов. Размер зерна сплава зависит, конечно, от интенсивности охлаждения. Большое число обломков привело бы, помимо всего, к сильному ограничению зоны столбчатых кристаллов (фиг. 67, д, слева - после спокойного затвердевания, справа - после кристаллизации в условиях вибрации). Применение вибрации допустимо лишь в том случае, если это не угрожает преждевременному разрушению формы. При заливке в песчаные формы можно подвергать вибрации только заливочный желоб или воронку (см. выше).

Конструкция отливки также имеет определенное влияние на кристаллизацию, потому что от нее зависит интенсивность теплового потока в разных частях отливки. В равностенной отливке столбчатые кристаллы образуются по схеме фиг. 67, е (слева), в отливке же с выступами в холодных местах образуются более крупные столбики с мелким внутренним строением, а в углублениях, где слабее тепловой поток, - меньшие столбики.

Столбчатые кристаллы, как правило, образуются везде в направлении наибольшего теплового потока. Поэтому в острых наружных кромках и углах отливки в случае расплавов со склонностью к столбчатой кристаллизации часто образуются непрочные соединения в местах встречи концов столбиков (фиг. 67, ж, слева). Этот недостаток можно устранить путем соответствующего закругления кромок или узлов (фиг. 67, ж, справа).

Осаждение обломков кристаллов в полости формы

Обломки твердой фазы, попавшие в полость формы, могут оказаться тяжелей расплава [17]. Под действием силы тяжести (по закону Стокса) они будут опускаться вниз. Если для их перемещения времени достаточно, как это бывает в массивной отливке, при высокой удельной теплоемкости расплава и медленном охлаждении, нижняя часть отливки через определенное время обогатится этими обломками. Перемещение обломков влияет на процесс кристаллизации. Вследствие того, что нижние части отливки обогащаются обломками кристаллов, здесь не может сильно развиться столбчатая зона (быстро наступает равновесие между интенсивностью теплового потока и числом зародышей-обломков в свободном расплаве). В верхней части отливки, наоборот, сильней разовьется столбчатая зона, хотя тепловой поток здесь может быть таким же, как внизу.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сказанное подтверждается рядом практических примеров. На фиг. 68, а показаны кристаллические зоны в плите из стали с 13% Cr, отлитой в горизонтальную изложницу, на фиг. 68, б - в вертикальном стальном блоке.

Понятно, что явления осаждения происходят с разной интенсивностью в зависимости от рода сплава, температуры заливки, формы, скорости охлаждения, а также в зависимости от сил, содействующих затвердеванию отливок, и т. д.

Все предшествующие выводы имели отношение только к первичной кристаллизации и ни в коем случае не ко вторичной. Границы вторичных зерен не могут совпадать с границами первичных.

Надо подчеркнуть, что дефекты первичной кристаллизации отливки нельзя исправить термической обработкой. Поэтому, а также в силу того, что вторичная кристаллизация в значительной мере зависит от первичной, последняя приобретает важнейшее значение в производстве отливок.



Б. ОСНОВЫ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВОК

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

По мере протекания процесса затвердевания увеличивается количество твердой и уменьшается количество жидкой фаз. Когда жидкая фаза будет полностью исчерпана, затвер девание закончится.

Поверхность контакта твердой фазы с жидкой может быть ровной (фиг. 69, а). Это характерный признак последовательного, послойного или постепенного затвердевания. Плоскость контакта твердой и жидкой фаз называют плоскостью кристаллизации или плоскостью затвердевания.

Если поверхность контакта расплава и твердой фазы имеет весьма сложную конфигурацию, обе фазы находятся в соприкосновении друг с другом в интервале определенной ширины (фиг. 69, б). Этот интервал называют двухфазной зоной (зоной затвердевания, или кристаллизации, иногда («кашеобразной зоной»).

В затвердевающей отливке различаются таким образом три фазы: 1) затвердевший сплав, 2) затвердевающий сплав (двухфазная зона), 3) жидкий расплав. двухфазная зона представляет смесь твердой и жидкой фаз.

Затвердевание, протекающее с образованием двухфазовой зоны разной ширины, называют двухфазным затвердеванием. Двухфазная зона на стороне, обращенной к свободному расплаву, ограничена так называемой изоликвидой, т. е. поверхностью, все точки которой в один и тот же момент имеют температуру начала кристаллизации (ликвидуса), а на стороне, обращенной к затвердевшей фазе, - изосолидой, т. е. поверхностью, все точки которой в один итот же момент имеют температуру конца кристаллизации (солидуса). Расстояние между поверхностями изосолиды и изоликвиды, измеренное перпендикулярно к ним, представляет ширину двухфазной зоны (фиг. 70).

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если ширина двухфазной зоны так велика, что она существует определенное время по всей толщине отливки, прежде чем начнется затвердевание от поверхности, то это явление называют объемным затвердеванием (см. фиг. 69, в).

Последовательное затвердевание идет при одной температуре (см. фиг. 69, а) без интервала затвердевания, т. е.когда линии ликвидуса и солидуса совпадают. Отсюда следует, что последовательно могут затвердевать только сплавы с нулевым интервалом затвердевания. Двухфазное затвердевание протекает в интервале температур ликвидус - солидус (см. фиг. 69, б), почему оно характерно для сплавов, имеющих интервал затвердевания, к которым относится большинство практически используемых сплавов.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расплав, находящийся в двухфазной зоне, - это так называемый связанный расплав, в разной степени сцепленный с растущими кристаллами. На стороне, соседней с твердой зоной, он связан сильней и не вытекает при выпуске жидкости изнутри отливки. Эту часть двухфазной зоныназывают твердо-жидкой зоной.

На стороне, обращенной к свободному расплаву, располагается жидко-твердая зона (фиг. 70), в которой расплав преобладает над твердой фазой.

Если из затвердевающей отливки вылить свободный расплав, вместе с ним выльется и расплав и кристаллиты из жидко-твердой зоны. Граница между твердо-жидкой и жидко-твердой фазами представляет поэтому так называемую границу выливаемости.

При последовательном затвердевании граница выливаемости тождественна с поверхностью кристаллизации, при двухфазном затвердевании она находится внутри двухфазной зоны. Будет ли граница выливаемости ближе к изосолиде или к изоликвиде, зависит от характера сплава, а стало быть, и характера двухфазной зоны.

В твердо-жидкой зоне капиллярные силы преобладают над весом отдельных частей расплава, т. е. действует смачиваемость, в зоне жидко-твердой наблюдается обратное явление. В свободном расплаве капиллярных сил практически не существует.

О характере затвердевания различных сплавов дают представление кривые охлаждения этих сплавов (фиг. 71). Из кривых видно; что чистые металлы и эвтектические сплавы затвердевают последовательно, остальные сплавы -двухфазно.

2. СТАДИЯ МЕЖДУ ЗАЛИВКОЙ И НАЧАЛОМ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

Перегретый сплав начинает затвердевать не в тот момент, когда он в данном месте поступил в форму. В течение определенного времени фр он сохраняется в жидком состоянии на поверхности контакта с формой, а затем начинает затвердевать от поверхности.

Продолжительность периода фр определяется свойствами сплава и особенностями формы и конструкции отливки.

Влияние свойств сплава. Чем больше удельная теплоемкость расплава, чем больше его теплопроводность, а главное чем выше перегрев над ликвидусом, т. е. чем выше температура заливки, тем длиннее период фр. Если температура заливки ниже ликвидуса, затвердевание начинается немедленно при соприкосновении сплава с формой (фр = 0).

Влияние формы. Чем больше теплопроницаемость формы, тем короче период фр. Заливка в нагретую форму, наоборот, удлиняет этот период. Чем больше металла протечет через данное место формы, тем сильнее оно нагреется и тем длиннее будет фр. Наоборот, в конце потока время фр незначительно.

Влияние конструкции отливки. Период фр тем короче, чем меньше толщина стенки отливки и чем острей выступы отливки. В местах же углубленных и в поднутрениях он велик. Очевидно, что период фр, предшествующий затвердеванию, различен в разных местах отливки. Эта стадия кончается, лишь когда отливка начала непрерывно затвердевать от поверхности. К стадии фр принадлежит и так называемое периодическое затвердевание (см. ниже).

3. ХОД ЗАТВЕРДЕВАНИЯ СТЕНКИ ОТЛИВКИ

На фиг. 72 слева приведена часть диаграммы состояния, на которой выбраны сплав m с широким и сплав n с узким интервалами затвердевания. С этой диаграммой связаны помещенные справа разрезы стенки отливок из сплавов m и n.

Будем исходить из температуры заливки сплава m: в момент заливки распределение температур в отливке дано линией 1. Несколько поздней, во второй стадии, уже начинается взаимодействие сплава и формы: кривая распределения температур снижается в направлении к рабочей поверхности формы, а температура формы повышается. В момент 3 температура сплава у поверхности снизилась ниже ликвидуса, поэтому до соответствующей глубины идет затвердевание, но в этой стадии оно еще не заканчивается. Температура формы продолжает повышаться (стадии 1? - 6?).

В стадии 4 сосуществуют все зоны: затвердевшая зона толщиной d4, двухфазная зона толщиной д4 и зона свободного расплава.

В стадии 5 на тепловой оси стенки отливки встретились изоликвиды, движущиеся с обеих сторон: почти закончилось затвердевание по изоликвидам.



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

С момента 5свободного расплава больше нет. Остается только твердая фаза толщиной d5 и двухфазная зона толщиной д5, но по обе стороны от тепловой оси, так что в действительности ширина двухфазной зоны практически в этот момент равна 2д5.

При дальнейшем охлаждении увеличивается толщина затвердевшего сплава и уменьшается толщина двухфазной зоны. В стадии 6, когда на тепловой оси встречаются изосолиды, движущиеся с обеих сторон, двухфазная зона исчезает - затвердевание заканчивается по изосолиде.

Таким образом, затвердевание идет непрерывно: прежде всего с обеих сторон перемещаются изоликвиды, а за ними на определенном расстоянии д изосолиды, вплоть до конца затвердевания по изоликвидам (раньше) и по изосолидам (позже). В то же время при заливке непрерывно увеличиваются теплосодержание формы и ее температура.

Затвердевание сплава состава n иллюстрируется схемой справа. В то время как поперечные температурные градиенты в стадиях 4, 5 те же, что и у сплава m, двухфазные зоны д4, д5 здесь получаются более узкими. Причина заключается в более узком интервале затвердевания сплава n.