Кристаллизация слитка

Рассмотрим подробнее процесс охлаждения и кристаллизации металла залитого в металлическую или песчаную форму. В результате охлаждения жидкого металла стенками формы распределение температуры по сечению отливки схематически можно представить так, как это показано на (рис. 8 а). Чем энергичней происходит отвод тепла стенками формы (рис.8 б), тем быстрее происходит охлаждение отливки, тем больше разница температур по ее сечению.

В момент заливки металла при первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации около стенок, из которых в дальнейшем начинают расти кристаллы - дендриты.

Этот рост происходит в различных направлениях до тех пор, пока растущие дендриты своими боковыми гранями не столкнутся друг с другом.

Начиная с этого момента, из большого количества ранее образовав­шихся дендритов могут расти только некоторые, которые не встречают на своем пути препятствий. Так как их развитие в стороны ограничено со­седними дендритами, то они растут более или менее параллельно, созда­вая зону вытянутых, так называемых, столбчатых кристаллов (рис. 9).

Эти кристаллы развиваются наиболее быстро в направлении, противополож­ном теплоотводу. При этом совершенно не обязательно, чтобы столбчатые кристаллы располагались строго перпендикулярно поверхности охлаждения. Очень часто они оказываются наклоненными к ней под некоторым углом, тик как направление теплопотоков не всегда оказывается перепендикулярным поверхности охлаждения.

Если столбчатые кристаллы не встречают препятствий на своем пу­ти, то они растут, пока дендриты, развивающиеся от различных поверх­ностей охлаждения, не придут в соприкосновение друг с другом.

Рис. 9. Схема строения стального слитка:

1 - наружная мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов - дендритов;

2. -зона столбчатых кристаллов;

3. - зона крупных равноосных кристаллов

В начальные периоды затвердевания слитка или отливки столбчатые кристаллы возникающие у поверхности охлаждения, растут довольно быс­тро и около них располагаются переохлажденные объемы жидкой фазы, имеющие небольшую протяженность, с большим градиентом температур по се­чению. В переохлажденных объемах жидкой фазы перед фронтом растущих столбчатых кристаллов может происходить образование и рост новых кристаллов. Однако эти кристаллы не смогут получить заметного развития, так как они возникают на небольших расстояниях от быстро растущих столбчатых кристаллов. Прежде чем эти кристаллы успевают вырасти до заметных размеров, они обволакиваются дендритами, растущими от повер­хности охлаждения, и поэтому продолжают расти вместе с ними, создавая продолжение столбчатых кристаллов.

Однако по мере развития кристаллизации и уменьшения интенсивное теплоотвода при удалении от поверхности охлаждения скорость роста столбчатых кристаллов постепенно уменьшается, а температура централь­ных зон еще жидкого металла понижается и выравнивается по сечению. В результате, этого градиент температур по сечению переохлажденных объе­мов жидкий фазы, находящейся перед фронтом растущих столбчатых кристаллов, все время уменьшается, а протяженность этих объемов, наоборот, увеличивается. Это приводит к тому, что, начиная с некоторого момента развитие столбчатых кристаллов прекращается и заменяется процес­сом образования и роста более или менее равноосных кристаллов, возни­кающих в окружении переохлажденных объемов жидкой фазы. Прекращение роста столбчатых кристаллов зависит как от темпера­туры и степени чистоты затвердевающего металла, так и от скорости ох­лаждения отливки или слитка. Последним обстоятельством широко пользу­ются на практике, чтобы регулировать характер развития кристаллиза­ции, форму и размеры возникающих кристаллов по сечению слитка или от­ливки. Чем больше применяемая скорость охлаждения, тем меньше протя­женность переохлажденных объемов жидкой фазы и тем больше градиент температур по их сечению. Поэтому увеличение интенсивности охлажде­ния способствует развитию зоны столбчатых кристаллов и, наоборот, затрудняет процесс образования равноосных кристаллов.

Путем увеличения интенсивности охлаждения можно настолько увели­чить зону столбчатых кристаллов, что она будет распространяться по всему сечению отливки, и в последней совершенно не будет центральной зоны глобулярных кристаллов. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизация. Она часто наблюдается в слитках чистых металлов. В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей.

Изменение условий охлаждения осуществляется путем изменения материала и стенок формы. Переход от земляных (песчаных) форм к металлическим (кокиль, изложница), а также увеличение толщины стенок металлических форм приводят к увеличению интенсивности охлаждения, к получению более развитой зоны столбчатых кристаллов. Начиная с некоторого момента, зависящего от массы и природы затвердевающего металла, увеличение толщины стенок металлических форм не оказывает существенного влияния на интенсивность охлаждения и поэтому не отражается на величину зоны столбчатых кристаллов.

Чем больше теплопроводность материала формы и чем выше его теплоемкость, тем более энергично происходит охлаждение отливки.

При кристаллизации отливки имеется возможность изменить характер кристаллизации за счет добавки примесей, изменяющих количество несамопроизвольно возникающих зародышей. Такие примеси, если они облегчают возникновение зародышей, должны способствовать более раннему прекращению роста столбчатых кристаллов и измельчать равноосные кристаллы, возникающие в центральных частях отливки или слитка.

Наконец, необходимо знать, что изменение температуры расплавленго металла перед заливкой его в форму также отражается на характере полученных кристаллов. Повышение начальной температуры жидкого кристалла уменьшает количество зародышевых центров, образующихся несамопроизвольно путем на готовых поверхностях раздела, способствуя “дезактивации” посторонних частиц. Поэтому перегрев металла перед заливкой способствует развитию столбчатой кристаллизации, так как для образования зародышевых центров во всем объеме жидкого металла потребуются большие степени переохлаждения.

Влияние перегрева можно свести на нет путем подстуживания путем шлифовкой, так как посторонние частицы, растворившиеся при высокой температуре нагрева, при последующем подстуживании могут вновь выде­ляться из раствора и облегчить, таким образом, процесс несамопроиз­вольной кристаллизации.

Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме. Этот процесс называется усадкой. Усадка не может происхо­дить за счет общего понижения уровня металла, так как затвердевание слитка начинается у стенок и дна изложницы, что приводит к образова­нию в верхней части слитка пустот, называемых усадочными раковинами. Усадочные раковины могут быть сконцентрированы в одном месте либо рассеянными по всему объему слитка или его части. Они могут быть запол­нены газами, растворенными в жидком металле, но выделяющимися при кристаллизации.

в данной работе на примере кристаллизации сурьмы в разных усло­виях необходимо выявить влияние условий кристаллизации на форму и раз­мер зерен в отливках... Распределение зон и размер зерна в них можно выявить на изломах или макрошлифах.