Кристаллизация. Строение слитка

Процесс перехода из жидкого или газообразного состояния металла в твердое, в результате чего образуется кристаллическая решетка и возникают кристаллы, называется кристаллизацией. Для начала кристаллизации расплава его надо охладить ниже температуры кристаллизации.

Процесс кристаллизации складывается из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые называются зародышами или центрами кристаллизации. Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров. Модель кристаллизации металла, по мере роста времени пребывания ниже температуры кристаллизации, представлена схемой процесса кристаллизации (рис. 2.13). При этом каждый возникающий центр кристаллизации формирует, впоследствии, зерно поликристалла (рис. 2.12,е), что и объясняет поликристаллическую структуру подавляющего большинства используемых металлов и сплавов. Рост кристалла заключается в том, что к поверхности зародышей присоединяются все новые и новые атомы металла. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно, затем при столкновении растущих кристаллов их дальнейший рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы (зерна в поликристалле) имеют произвольную геометрическую форму.

Процесс кристаллизации можно охарактеризовать двумя параметрами: числом центров кристаллизации (ЧЦК), образующихся в единицу времени в единице объема, и скоростью роста кристаллов (СРК). Эти параметры зависят от величины степени переохлаждения относительно температуры кристаллизации, а, следовательно, от скорости охлаждения при кристаллизации металла.

Р и с. 2.13. Схема процесса кристаллизации:

а – е – изменение структура по мере роста времени охлаждения

 

Величина зерен также зависит от условий кристаллизации и, прежде всего, от скорости охлаждения металла. Чем больше скорость охлаждения металла, тем больше величина ЧЦК по сравнению с СРК и, следовательно, тем меньшего размера получаются зерна. Мелкое зерно при затвердевании металла можно сформировать за счет создания дополнительных искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Процесс искусственного измельчения размеров зерен получил название модифицирование.

В большинстве случаев при литье слитков и отливок в реальных условиях реализуется дендритный рост кристаллов. Из зародышей вырастают древовидные кристаллиты - дендриты (с греч. Δένδρον - дерево). Впервые дендритные кристаллы в стальных слитках были выявлены и подробно описаны в 1870 - 1880 годах Д.К. Черновым.

При дендритной кристаллизации зародыши развиваются с разными скоростями в разных направлениях кристаллической решетки. Причины этого в анизотропии физических свойств и, следовательно, разных скоростях кристаллизации в разных направлениях формирующегося кристалла или направленности теплоотвода. В результате образуются ветви - оси дендрита 1-го порядка, расходящиеся от центра кристаллизации под определенными углами (рис. 2.14). При дальнейшем развитии кристаллизации от осей 1-го порядка под определенным углом к ним начинают расти поперечные ветви - оси 2-го порядка, а от них - оси 3-го порядка и т. д. В металлическом расплаве формируется остов древовидной формы будущего кристаллита (зерна). Остающаяся часть расплава между дендритными ветвями кристаллизуется, постепенно наслаиваясь на ветви.

Р и с. 2.14. Схема дендрита:

1,2,3, - оси дендрита первого, второго и третьего порядков соответственно

 

   Размеры дендритных ветвей зависят только от одного фактора - скорости охлаждения в интервале температур кристаллизации. Закристаллизовавшийся дендрит - литое зерно, выросшее из одного зародыш, центра, с той же кристаллографической ориентировкой. Соседние ветви дендритов могут быть разориентированы на несколько градусов, из-за их изгибов и смещения при кристаллизации. Дендритное строение литых зерен металлов и, в особенности, сплавов хорошо выявляется при травлении микрошлифов и просмотре их с помощью светового микроскопа (рис. 2.15).

При заливке жидкого металла в форму и последующей кристаллизации получается слиток, отдельные зоны которого отличаются микроструктурой. Схема строения металлического слитка приведена на рис. 2.16 и 2.17.

Р и с. 2.15. Дендритное строение зерна литого сплава алюминия ×500

 

Р и с. 2.16. Схема строения слитка в продольном (слева) и поперечном (справа) сечениях:

1 - наружная мелкозернистая корка; 2 - зона столбчатых кристаллов; 3 - зона крупных равноосных кристаллов; 4 - конус осаждения; 5 - усадочная раковина

 

 

Р и с. 2.17. Структура поперечного сечения слитка с характерными

зонами: I - наружная мелкозернистая корка, II - зона столбчатых кристаллов,

III - зона крупных равноосных кристаллов ×100

Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона - наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из неориентированных мелких кристаллов - дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы (форма, куда заливают жидкий металл) в тонком прилегающем слое жидкого металла возникают большое переохлаждение, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.

Вторая зона слитка - зона столбчатых кристаллов 2. После образования самой корки условия теплоотвода меняются, градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из-за небольшого числа центров кристаллизации начинают расти в направлении теплоотвода столбчатые кристаллы.

Третья зона слитка - зона крупных равноосных кристаллов 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отвода тепла. В результате образуется крупная равноосная структура.

Образование конуса осаждения в нижней части слитка (зона 4) обычно объясняют опусканием на дно изложницы кристаллов, зародившихся в объеме жидкого металла у фронта затвердевания, а также обломившихся под действием потоков жидкого металла непрочных ветвей столбчатых кристаллов. Это опускание происходит вследствие разности плотности затвердевшего и жидкого металла.

Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации уменьшается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами 5. Верхняя часть слитка с усадочной раковиной отрезается.

В слитках сплавов выявляется неоднородность химического состава. Такая неоднородность называется ликвацией.

Ликвация может быть зональная (различная концентрация элементов по зонам сечения слитка), гравитационная (образуется в результате разницы в удельных весах твердой и жидкой фазы, а также при кристаллизации несмешивающихся жидких фаз), дендритная (более тугоплавкие и чистые элементы преимущественно формируют оси 1 порядка, менее тугоплавкие - 2 и 3 порядка, а самые легкоплавкие и содержащие примеси - заполняют межосное пространство).