Затвердевание и охлаждение отливок. Условия кристаллизации сплавов при затвердевании отливок. Формирование поверхности отливок, страница 8

IV стадия заканчивается, когда центр отливки охлаждается до температуры t_с. Зона твердожидкого металла исчезает. Как уже неоднократно было показано, дендритный рост твердой фазы определяется высокой скоростью кристаллизации (теплоотвода). Когда в твердожидком состоянии остается лишь центральная зона отливки, скорость теплоотвода в результате увеличения теплового сопротивления затвердевшего металла и нагрева формы существенно снижается. Переохлаждение расплава у вершин дендритов уменьшается, их разветвление прекращается. Часть ветвей оплавляется и падает в жидкую фазу. Кроме того, при кристаллизации сплавов центральная зона отливки может обогащаться некоторыми тугоплавкими компонентами. При замедлении охлаждения может наступить такой момент, когда переохлаждение распространится за фронт кристаллизации в центральную часть отливки, где жидкость более тугоплавка. Это явление называется концентрационным переохлаждением. Все это приводит к тому, что в центральной зоне отливки начинают формироваться крупные равноосные зерна. Однако в крупнозернистых кристаллитах выявляется внутренняя микроструктура, весьма сходная с дендритной, но не имеющая ориентации по направлении теплового потока.

Стадия V процесса соответствует периоду охлаждения твердого сплава до нормальной температуры (20 °С). В этот период может происходить вторичная кристаллизация и окончательно формироваться структура сплава отливок.

Различают две группы добавок, которые могут оказывать влияние на образующуюся структуру сплавов: растворимые в расплаве и нерастворимые в нем.

Растворимые добавки — модификаторы I рода являются поверхностно-активными  веществами  по отношению к  кристаллизующейся фазе. Адсорбируясь на гранях растущих кристаллов, они снижают межфазное натяжение на границе кристалл—жидкость, что приводит к уменьшению свободной энергии системы. Уменьшение σ_т._ж приводит к уменьшению r_кр [см. формулу (11)]. Следовательно, зародыши критического размера могут образовываться при меньшем переохлаждении, сокращается интервал метастабильности, создаются условия для увеличения центров кристаллизации. Введение поверхностно-активных веществ, уменьшающих σ_т__ж в соответствии с закономерностью, установленной И. Б. Куманиным [см. формулу (12)], должно приводить к увеличению суммарной поверхности растущих кристаллов. Это условие реализуется за счет роста большого числа мелких кристаллов.

О возможном влиянии поверхностно-активных веществ на кристаллизацию сплавов можно судить по изменению поверхностной энергии жидких сплавов при вводе примесей в малых количествах. Известно, что при введении 0,01 % Nа в силумин поверхностное натяжение сплава при 700 °С уменьшается от 800 до 625 МДж/м², а при введении 0,12 % В в легированную хромистую сталь ее поверхностное натяжение при 1500 °С снижается от 1380  до   1200  МДж/м².

Как правило, модификаторы I рода, хорошо растворимые в жидких сплавах, практически не растворяются в твердых растворах и их атомы не принимают участия в построении решетки кристаллизующейся фазы. Модификаторы, оттесняемые в жидкость или адсорбирующиеся на гранях растущих кристаллов, будут затруднять переход атомов кристаллизирующегося вещества из жидкой  фазы в твердую.

Модификаторы I рода влияют на микроструктуру сплавов, изменяя дисперсность, форму отдельных структурных составляющих. Наибольшее влияние их проявляется при введении в сплавы,  кристаллизующиеся с образованием эвтектики.

В практике литейного производства широко распространено модифицирование силуминов (сплавов системы А1—Si) такими поверхностно-активными добавками, как Nа, Li, К, Sr, Р чугуна — Мg, Y, Се, стали — В, редкоземельными металлами (РЗМ).

Нерастворимые вещества, удовлетворяющие принципу структурного соответствия с кристаллизующейся фазой, являются модификаторами II рода. Модификаторы II рода должны быть дисперсными тугоплавкими частицами, при введении которых в жидкости сразу же создается развитая поверхность раздела, облегчающая образование твердой фазы при кристаллизации. В отличие от модификаторов I рода модификаторы II рода чаще всего влияют на макроструктуру, прежде всего на размер зерна. Наиболее сильно они воздействуют на чистые металлы, уменьшая зону столбчатой структуры.