Кристаллизационные процессы формирования отливок, страница 7

За счет повышения концентрации легкоплавкого элемента-модификатора в приповерхностном слое расплава снижается температура затвердевания, а это приводит к уменьшению скорости роста кристаллитов. Происходит своего рода концентрационное переохлаждение. Температура затвердевания в основном объеме металла остается прежней, т.е. несколько выше, чем в приповерхностном слое. И тогда за счет снижения температуры сплава в его объеме возникают новые центры кристаллизации, а, следовательно, в структуре будет более мелкое зерно.

Поверхностно-активные модификаторы не только измельчают зерно, но и изменяют форму зерна, приближая ее к сферической. Это обстоятельство связано с тем, что явление адсорбции приводит к повышению концентрации легкоплавкого элемента в большей степени на острых гранях растущих кристаллитов. И рост острых граней замедляется в большей степени, что и приводит к глобуляризации зерен.

Поверхностно-активным модификатором в алюминиево-кремниевых сплавах является металл-натрий. Его концентрация ~ 0,1 % приводит к измельчению эвтектического зерна, одновременно игольчатая и пластинчатая форма эвтектического кремния модификатором переводится в глобулярную.

В чугуне магний в количестве ~ 0,1 % сфероидизирует форму графита, при этом повышаются значительно прочностные и пластические свойства чугуна. Для сравнения у серого чугуна, имеющего пластинчатую форму графита – СЧ20 временное сопротивление разрыву равно ~ 200 МПа при относительном удлинении, близком к нулевому значению. А у чугуна с шаровидной формой графита ВЧ50 предел прочности на растяжение составляет 500 МПа, а относительное удлинение ~ 7 %.

4.3. Ликвационные явления при кристаллизации

Термин - ликвация или сегрегация характеризует химическую неоднородность, т.е. неодинаковую концентрацию легирующих элементов и примесей в металлах и сплавах, в том числе в отливках. Ликвацию классифицируют на зональную и дендритную, на прямую и обратную. Зональная ликвация характеризуется неодинаковой концентрацией примесей и легирующих элементов в отдельных зонах отливки. Дендритная ликвация – это различия в химическом составе в объеме дендрита – литого зерна. При прямой ликвации на осях дендритов и вблизи их концентрация примесей и легирующих элементов ниже, чем в межосных микрообъемах. Обратная ликвация характеризуется более высокой концентрацией легирующих элементов на осях дендритов и пониженной концентрацией в межосных объемах. Фактически изучение макро- и микроструктур металлов и сплавов базируется на явлении ликвации. Травимость отдельных зон и микрообластей шлифов проявляется по-разному в зависимости от их химического состава, и соответственно неодинаково происходит отражение световых лучей, что и фиксируется визуально и на фотографиях структур.

Количественной мерой ликвации служит коэффициент распределения примеси (легирующего элемента), равный отношению концентрации примеси в твердой фазе к концентрации примеси в жидкой фазе при температуре между ликвидусом и солидусом при равновесной кристаллизации: .

Для разных металлов и сплавов, примесей и легирующих элементов величина коэффициента распределения имеет очень большую разницу в количественной величине: К_р = 10 ¸ 0,001.

Для большинства металлов и сплавов К_р < 1, т.е. сплав, кристаллизующийся, в первую очередь, содержит меньшую концентрацию примеси (легирующего элемента), а оставшаяся жидкость (ликват) больше обогащен примесью. Поэтому по равновесной диаграмме состояния на осях дендритов минимальная концентрация примеси, а на границах зерен, кристаллизирующихся в последнюю очередь концентрация примеси максимальна. Это – прямая ликвация, которая характерна для примесей и легирующих элементов, снижающих температуру плавления основного металла. На рис. 65, а представлена часть диаграммы состояния металла и условной примеси, снижающей температуру затвердевания. Здесь при снижении температуры сплава ниже температуры ликвидуса из исходного сплава с концентрацией примеси С₀ кристаллизующая твердая фаза имеет концентрацию С₁, а остающий расплав более высокую концентрацию С₂. И для данного случая коэффициент распределения .