Кристаллизационные процессы формирования отливок, страница 3

Для вынужденной первичной кристаллизации размер литого зерна зависит от соотношения скорости зарождения центров кристаллизации и скорости их роста по следующей примерной зависимости:

, где d – диаметр зерна; V – скорость роста; J – скорость зарождения центров кристаллизации.

Из приведенной зависимости очевидно, что размер литого зерна тем больше, чем больше скорость роста и меньше скорость зарождения.

4.1. Типы кристаллических структур и морфологические схемы кристаллизации

Свойства металлов и сплавов в отливках зависят не только от размеров литого зерна, но также от его формы, строения и взаимного расположения зерен.

Основу литого зерна в металлах и сплавах составляет дендрит (рис. 60), представляющий собой древовидное образование, строение которого выявляется обычно на шлифах после травления. Главная ось – ось первого порядка уподоблена стволу дерева, перпендикулярные стволу ветви представляют оси второго порядка; оси третьего порядка перпендикулярны осям второго порядка и т.д. Степень развитости дендритных осей высших порядков и их протяженность зависит от состава сплава, типа диаграммы состояния и от условий охлаждения.

Для кристаллических структур отливок выделяют два типа строения:

1)  направленная или столбчатая структура в виде вытянутых кристаллитов, перпендикулярных поверхности отливки, с развитыми осями 1^го порядка и слабо развитыми осями высших порядков (рис. 61, б);

Рис. 61. Два типа кристаллических структур:

а) равноосная; б) столбчатая

2)  равноосная или безразлично ориентированная структура (рис. 61, а), в которой оси первого порядка расположены хаотично и их размер сопоставим с осями второго и более высших порядков.

Для направленной (столбчатой) структуры необходимы условия однонаправленного теплоотвода с большими величинами температурных градиентов: . Так при литье турбинных лопаток авиационных двигателей, постоянных магнитов такие условия обеспечиваются затвердеванием отливок в огнеупорных формах, нагретых до температуры ликвидуса сплава и установленных на охлаждаемый поддон-холодильник (рис. 62).

Большую склонность к направленной структуре обладают чистые металлы и сплавы с узким интервалом затвердевания. Сплавы с широким интервалом затвердевания обладают большей склонностью к формированию равноосной структуры. Такая структура формируется при очень больших скоростях затвердевания и малых скоростях охлаждения.

На разных стадиях формирования отливок в зависимости от литейных сплавов и тепловых условий можно классифицировать основные морфологические схемы процесса кристаллизации [5], представленные на рис. 63. Здесь схемы: «а», «б», «в», «г» соответствуют формированию направленной структуры, а схемы: «д», «е», «ж», «з» – равноосной структуры. Схемы «а» и «д» соответствуют процессам кристаллизации с формированием плоского фронта на границе раздела жидкой и твердой фаз. Для обеих схем характерными являются высокие скорости охлаждения и большие значения температурных градиентов  в направлении продвижения фронта затвердевания. Но по схеме «а» предпочтительна кристаллизация чистых металлов и сплавов с узким интервалом затвердевания, а по схеме «д» кристаллизуются сплавы с широким интервалом затвердевания. Схемы «б» и «е» отвечают процессам кристаллизации с неровным фронтом границы раздела твердой и жидкой фаз.