2. Ликвация в отливках

2.1. Причины возникновения ликвации. Распределение примесей в затвердевшем металле

Ликвация является кристаллизационным дефектом, который проявляется как неоднородность химического состава, возникающая в процессе первичной кристаллизации металле. Причина образования заключается в том, что большинство сплавов кристаллизуются в интервале температур; при этом химический состав кристаллов, образовавшихся в начальной стадии, может существенно отличаться от состава кристаллов, возникших позже. Это обусловлено тем, что кристаллизация является неравновесным процессом, в ходе которого диффузионное перемещение примесей из жидкого металла в твердый не успевает полностью завершиться.

Чем шире интервал кристаллизации, тем сильнее развивается ликвация, причем наибольшую склонность к ней обнаруживают элементы, которые в наибольшей мере влияют на ширину этого интервала (в стали это S, P, C, Si и др).

Ликвация проявляется в виде вытянутых и бесформенных скоплений примесей или компонентов в отдельных частях отливки; скопления называют ликватами.

Ликвацию разделяют: по месту расположения на осевую (или V-образную), внеосевую (или /\-образную) , ликвационное пятно в верхней части отливки м(под усадочной раковиной); по неоднородности состава кристаллов – внутризерённая, внутриячеистая, дендритная; по причинам расслоения- гравитационная, слоистая.

Впервые ликвация исследована в слитках в 1866 г. Лавровым и Калакуцким. Для выявления ликвации используют химический анализ, металлографические методы, высокоразрешающие методы электроннографии, электронной микроскопии и др. Схема наиболее часто встречаемой в отливках зональной ликвации показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Зональная ликвация в отливке: 1 – осевая (V - образная); 2 – внеосевая (Λ - образная); 3 – ликвационное пятно под усадочной раковиной

Распределение примесей в сплавах характеризуют коэффициентом распределения, который в общем виде равен

, (2.1)

где Ст и Сж- концентрация примеси в твердом и жидком состояниях сплава.

Схемы перераспределения примеси в кристаллизующихся сплавах эвтектического типа и непрерывных твердых растворов приведены на рис.2.2.

Рис. 2.2. Схемы перераспределения примеси (С) между расплавом и отливкой (а); определение концентрации примеси в жидком (с_ж) и твердом (с_т) состояниях сплавово эвтектического типа А – В (б), непрерывных твердых растворов типа Е – F (в)

Влияние скорости движения фронта кристаллизации сплава ( ), коэффициента диффузии примеси (D), ширины диффузионного слоя на фронте кристаллизации (δ) на эффективный коэффициент распределения примеси Кэф в сплаве между жидким и твердым состояниями, определяется уравнением Бартона

(2.2)

Равновесный коэффициент распределения Ко может быть: меньше единицы (порядка от до 1) для системы с близкими атомными размерами, например, редкоземельные элементы или изотопы; больше единицы (от 1 до 3)- для большинства элементов, 15- для бора в германии. Температура плавления растворителя понижается при Ко < 1 или повышается при Ко > 1. При очень низкой скорости кристаллизации Кэф => Ко