1.5. Влияние переохлаждения на формирование структуры металла

Кристаллизация металлов зависит от степени их переохлаждения, которая в свою очередь определяется массой отливок, тепловой аккумуляцией литейных форм, степенью чистоты металла; чистые металлы требуют большего переохлаждения. Схема распределения температур в центре отливок разной массы, кристаллизующихся при разных степенях переохлаждения, показана на рис. 1.13.

Переохлаждение является движущей силой, способствующей переходу металла из жидкого состояния в твердое. В реальных условиях переохлаждение возникает в узкой области перед фронтом кристаллизации; величина этого переохлаждения в жидком металле составляет 0,1 – 0,01 ^оС. В этих условиях кристаллизация протекает последовательно, начинаясь вблизи поверхности формы и перемещаясь с низкой скоростью до оси отливки. При этом выделяющаяся теплота кристаллизации отводится через закристаллизовавшиеся слои металла к форме, а от нее в окружающую среду. Как правило, по такой схеме кристаллизуются отливки большой массы; на рис. 1.13 это отражено кривой (3).

Температура в центре небольших по массе отливок, рис. 1.13 кривая (1) после снятия перегрева и при наличии переохлаждения (∆Т) будет понижаться ниже равновесной температуры кристаллизации Т₀ , достигает минимального значения, а затем за счет кристаллизации и выделения скрытой теплоты повышается до значения Т₀. Процесс охлаждения металла останавливается, металл в течение некоторого времени сохраняет температуру Т₀. Затем при дальнейшем охлаждении на фронте кристаллизации возникает переохлаждение, достаточное для того, чтобы кристаллизация металла продолжалась.

Рис. 1.13. Влияние степени переохлаждения в центре отливки на формирование структуры:

1- кристаллизация с переохлаждением;

2 - затвердевание с большим переохлаждением (аморфизация);

3 - кристаллизация с малым переохлаждением

Если скорость охлаждения очень значительная (порядка 108 ^оС в тонкоплёночном состоянии металла), то переохлаждение столь велико, что металл затвердевает в аморфном состоянии (рис. 1.13, кривая 2). Таким образом, изменяя скорость охлаждения металла на стадии формирования отливки (слитка) можно получать в них зоны с разной кристаллической структурой. Большое влияние на их формирование оказывает температура перегрева расплава на стадии его заливки и температура литейной формы, повышение перегрева приводит к увеличению продолжительности процесса кристаллизации. Зародыши кристаллизации сохраняют способность к дальнейшему росту только до некоторых температур перегрева. При повышении этих граничных температур зародыши дезактивируются.

. .

На формирование структуры в процессе первичной кристаллизации определяющее влияние оказывают соотношение между перегревом расплава, тепловыми потерями при его заливке, а также удельная теплоемкость сплава; сплавы с низкой теплоемкостью склоны к ускоренной кристаллизации.