Затвердевание и охлаждение отливок. Условия кристаллизации сплавов при затвердевании отливок. Формирование поверхности отливок, страница 12

В поверхностных участках отливки содержание ликвирующего компонента соответствует его средней концентрации в сплаве.: Зона I соответствует той части отливки, в которой образуются мелкие равноосные кристаллы. Большая скорость затвердевания поверхностных участков способствует кристаллизации жидкости среднего состава без вытеснения ликвирующих компонентов.

Рис. 12. Распределение ликвирующих элементов в зонах отливки при развитии прямой (а) и обратной (б) зональной ликвация (Сср — концентрация ликвирующего элемента в исходном сплаве)

Зона II, в которой концентрация ликвирующего компонента ниже или выше средней, соответствует зоне отливки с развитыми дендритными кристаллами. Возникновение химической неоднородности вызвано характером кристаллизации и условиями питания во время усадки сплава. Как было показано, дендриты образуют твердый скелет с разветвленными межосными промежутками. Двухфазная зона кристаллизующейся отливки в той части, где образовалось более 40 % твердой фазы в виде дендритов, представляет собой капиллярно-пористое тело. Часто столбчатые кристаллы обеднены некоторыми элементами сплава, которыми обогащается жидкая фаза. Эти элементы и являются ликвирующими. Как правило, обогащение жидкости ликвирующими элементами приводит к понижению температуры плавления, т. е. жидкость становится более подвижной по сравнению с раствором исходного (среднего) состава. В двухфазной зоне постоянно происходит перемещение жидкости под действием капиллярной силы и силы тяжести. В зависимости от состава жидкой фазы, занимающей промежутки между дендритами во II зоне отливки, возникает прямая или обратная ликвация.

Развитие прямой ликвации связано с обогащением ликвирующими элементами центральной зоны отливки. Это вызвано тем, что при дендритной кристаллизации в двухфазной зоне образуется очень легкоплавкая жидкость, которая будет концентрироваться в передней части этой зоны. Жидкость, обогащенная ликвирующими элементами, хуже, чем исходная жидкость среднего состава, смачивает образующиеся кристаллы. Поэтому можно предположить, что внутри капиллярно-пористого тела происходит перемещение жидкостей: легкоплавкая жидкость вытесняется к передней границе двухфазной зоны, исходный расплав, наоборот, за счет капиллярных сил втягивается внутрь двухфазной зоны.

Как было замечено Б. Б. Гуляевым, жидкость, обогащенная ликвирующими элементами, отличается по плотности от исходного расплава, что приводит к ее перемещению вдоль фронта растущих кристаллов. Необходимо обратить внимание на тот факт, что концентрацию ликвирующих элементов определяют не в межосных промежутках дендритной структуры, а как среднюю в данной зоне отливки. Поэтому на содержание ликвирующих элементов в зоне II будут влиять форма и размеры растущих кристаллов. Если межосных промежутков из-за формирования малоразветвленных утолщенных столбчатых кристаллов будет мало, то даже при условии хорошей смачиваемости их жидкость будет вытесняться в центральную зону отливки. Низкое содержание ликвирующих элементов в кристаллах окажет превалирующее влияние на концентрацию их во всей структурной зоне.

Поскольку в конце III стадии затвердевания отливки температура в ее центральной части значительно понижается, перемещение жидкости, обогащенной ликвирующими элементами, замедляется. Это является причиной наибольшей концентрации их на границе II и III зон отливки. Кроме того, в центральную часть отливки поступает исходный расплав для компенсации усадки, что приводит к некоторому уменьшению концентрации ликвирующих элементов.