Основные закономерности процесса кристаллизации

Как отмечалось в п. 2.3, под кристаллизацией понимается процесс формирования кристаллического строения металла при его переходе из жидкого или газообразного состояния в твердое. В металловедении его называют первичной кристаллизацией, в отличие от структурных превращений, происходящих при термической обработке, называемых вторичной кристаллизацией.

Основной единицей структуры первичной кристаллизации металла является кристаллит, или зерно, характеризуемое единой системой ориентации атомно-кристаллической решетки и границами, отделяющими его от соседних зерен.

Как следует из термодинамической теории кристаллизации, для перехода

из жидкого состояния в твердое необходимо некоторое переохлаждение расплава [5]. При прочих равных условиях переохлаждение тем больше, чем выше скорость охлаждения расплава.

Температура в центре небольших масс кристаллизующегося металла при наличии переохлаждения опускается ниже точки равновесной кристаллизации, это соответствует началу кристаллизации. Теплота кристаллизации нагревает переохлажденный расплав до равновесной температуры, после этого процесс приостанавливается, температура в течение некоторого времени сохраняется постоянной, близкой к температуре кристаллизации. При достаточно большой скорости охлаждения в определенных условиях возможна объемная кристаллизация, когда весь металл кристаллизуется с переохлаждением. При очень большой величине переохлаждения диффузионная подвижность атомов уменьшается настолько, что становится недостаточной для образования зародышей кристаллов, кристаллизация может быть полностью подавлена.

В реальных условиях при кристаллизации достаточно большой массы расплава переохлаждение в отливке наблюдается в узкой области, перед фронтом кристаллизации, при этом его величина составляет 0, 1- 0, 01⁰С. В этом случае может происходить только последовательная кристаллизация. Она начинается от поверхности отливки и постепенно распространяется до ее оси. Единственным способом отведения теплоты кристаллизации от растущих кристаллов является ее перенос через ранее затвердевший слой к поверхности отливки, а от нее в форму и окружающую среду.

В общем случае, при средней скорости охлаждения металла, объемная кристаллизация из переохлажденного состояния и последовательная кристаллизация отливки представляет собой две фазы единого процесса.

Формирование кристаллической структуры происходит в результате образования центров кристаллизации (зародышей) и последующего их роста. С увеличением степени переохлаждения расплава скорость образования зародышей и линейная скорость роста кристаллов возрастают.

Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размеры кристалла, выросшего из одного зародыша, тем более мелкозернистой получается структура металла отливки.

Зависимость величины зерна S от числа зародышей V_з (или скорости их образования) и скорости роста кристаллов V_р имеет вид:

S = (V_р / V_з)^3/4 . (3.2)

При малых скоростях охлаждения (переохлаждение невелико) число зародышей мало, в результате получается крупное зерно. С увеличением скорости охлаждения (степень переохлаждения растет) скорость образования зародышей растет быстрее, чем скорость роста кристаллов, вследствие чего структура затвердевшего металла получается более мелкозернистой.

При рассмотрении кристаллической структуры отливки на макроскопическом уровне в целом можно выделить три характерных зоны: корковая, зона столбчатых или ориентированных кристаллов, зона крупных неориентированных кристаллов.

Корковая зона состоит из мелких кристалликов, по конфигурации близких к равноосным, их оси первого порядка, как правило, располагаются произвольно, что является следствием шероховатости поверхности формы. Столбчатые кристаллы вытянуты, их оси первого порядка четко направлены перпендикулярно к поверхности отливки.

Зона неориентированных кристаллов занимает среднюю часть отливки и состоит из крупных кристаллов с беспорядочным направлением осей первого порядка.

Различие размеров и конфигурации кристаллитов является следствием изменения переохлаждения и условий отвода тепла по мере продвижения фронта кристаллизации к оси сечения отливки. По мере его приближения к центру величина переохлаждения уменьшается, что ведет к уменьшению числа центров кристаллизации и, вследствие этого, к укрупнению зерен. Если заливка производится при температуре начала кристаллизации, зона столбчатых кристаллов может не образоваться. При увеличении скорости охлаждения ширина зоны столбчатых кристаллов возрастает. В случае заливки при больших перегревах и большой скорости охлаждения столбчатые кристаллы достигают оси отливки. Прекращение роста столбчатых кристаллов и возникновение равноосных кристаллов связаны с величиной температурного градиента в жидкой части отливки на границе затвердевания. В случае заливки при низких температурах и малой скорости охлаждения столбчатые кристаллы не образуются (см. п. 2.3). При заливке с перегревом и большой скорости охлаждения градиент настолько велик, что его минимум, необходимый для прекращения роста столбчатых кристаллов, не достигается вплоть до окончания затвердевания отливки (транскристаллизация).

Таким образом, факторами, влияющими на макроструктуру литого металла, являются:

— скорость охлаждения при затвердевании;

— состав и свойства сплава (интервал температур кристаллизации);

— величина перегрева расплава металла при плавке, продолжительность выдержки при температуре выше ликвидуса, температура заливки в форм у;

— наличие в расплаве примесей, служащих центрами кристаллизации.