Затвердевание и охлаждение отливок. Условия кристаллизации сплавов при затвердевании отливок. Формирование поверхности отливок, страница 4

Переохлаждение, необходимое для начала кристаллизации гомогенных металлов, весьма велико и достигает 0,2tпл.

При кристаллизации реальных расплавленных металлов, являющихся гетерогенными жидкостями из-за наличия в них большого количества твердых неметаллических дисперсных частиц, переохлаждение составляет 1—10 ºС. По наличию этих частиц металлические расплавы иногда относят к полидисперсным коллоидным системам. Процесс кристаллизации реальных металлов и сплавов существенно облегчается в присутствии в объеме жидкости твердых подложек — инициаторов зарождения твердой фазы. Однако и в этом случае формальным условием начала кристаллизации является достижение зародышами размеров более критических, т. е. их поверхность должна обеспечить уменьшение энергии Гиббса.

Различие кристаллизации гомогенных и гетерогенных металлов заключается в том, что в первом случае межфазная граница образуется только между твердой (кристаллизующейся) и жидкой фазами, а во втором возникают две межфазные поверхности: одна между твердой и жидкой фазами, а вторая между кристаллизующейся фазой и твердой подложкой. Вместе с тем известно, что межфазная энергия на границе двух твердых сред (σт-п) намного меньше межфазной энергии на границе твердой и жидкой фаз (σт-ж). Следовательно, при наличии подложек поверхностная свободная энергия возрастает медленнее, что свидетельствует о возможности начала кристаллизации при меньшем переохлаждении. Чем меньше значение σт-п, тем энергетически более выгоден процесс кристаллизации на подложке. П. Д. Данков показал, что минимальное значение межфазной энергии на границе кристаллизующаяся фаза — подложка соответствует условию идентичности кристаллических решеток подложки и зародыша. С увеличением переохлаждения кристаллизация может развиваться на подложках с заметно отличающимися параметрами решетки по сравнению с кристаллизующимся металлом. Таким образом, возрастает число работоспособных подложек.

Рост кристаллов на изоморфных подложках начнется при переохлаждении, которое превышает Δtυ но существенно меньшем ΔtпПри этом на поверхности подложек появляется слой кристаллизующейся фазы, и дальнейшая кристаллизация возможна при меньшем переохлаждении.

Твердые дисперсные частицы, существенно отличающиеся по параметрам кристаллических решеток от кристаллизующейся фазы, при определенных условиях могут активироваться и стать центрами зарождения кристаллов — подложками. Активация частиц происходит при выдержке твердого металла, в период которой по границе частица — металл возникает высокое межфазное натяжение. Оно тем больше, чем больше различие кристаллического строения контактирующих сред. В. И. Данилов установил, что из-за большой поверхностной энергии на этих межфазных границах система переходит в неравновесное состояние, которое постепенно снимается за счет перемещения поверхностных атомов контактирующих сред и перестройки поверхностного слоя частиц. В результате между металлом и дисперсной частицей образуется промежуточный слой, кристаллическое строение которого на границе с металлом приближается к строению последнего.

При значительном перегреве расплава над температурой кристаллизации активированные дисперсные частицы дезактивируются, так как при высоких температурах изоморфный поверхностный слой подложки разрушается.

В зависимости от положения сплава на диаграмме состояния и интенсивности теплообмена в системе отливка — форма механизмы затвердевания отливок из чистого металла и сплава могут существенно различаться. Затвердевание чистых металлов и сплавов эвтектического состава протекает последовательно, начиная от поверхности контакта с формой, где расплав прежде всего достигает температуры кристаллизации, до центра отливки на глубину х1 (рис. 7, а). Последовательное затвердевание реализуется и для сплавов с интервалом кристаллизации Δtкр, если Δtкр = tл tс (где tс — температура солидуса) и перепад температур по толщине стенки отливки Δt1отличаются ненамного (рис. 7, б):