Кристаллизационные процессы формирования отливок, страница 4

Рис. 63. Морфологические схемы кристаллизации сплавов в отливке

Для направленной кристаллизации (рис. 63, б) выступающие дендритные оси первого порядка создают сочетание выступов и впадин, характеризующих специфику такого неровного фронта кристаллизации. Для равноосной структуры (рис. 63, е) нет четкой границы раздела твердой и жидкой фаз, а области твердого и жидкого сплава разделяет область двухфазного сплава, в которой кристаллиты разделены жидким металлом. Схемы «в» и «ж» соответствуют процессам кристаллизации с твердожидким фронтом затвердевания; для этих схем характерным является наличие кристаллитов и жидкой фазы по всей толщине стенки отливки, но доля твердой фазы преобладает над жидкой фазой. Для твердожидкого фронта с направленной структурой (рис. 63, в) характерны существенно меньшие величины температурных градиентов для чистых металлов и узкоинтервальных сплавов. А для твердожидкого состояния с равноосной структурой (рис. 63, ж) средние скорости охлаждения (затвердевание в песчаных формах средних величин толщин стенок) – сплавы с широким интервалом затвердевания. Схемы с рис. 63, г и з отвечают состоянию формирования отливок на стадии жидко-твердого состояния. Обе схемы присущи кристаллизации широкоинтервальных сплавов с весьма малыми скоростями охлаждения – массивные отливки, формирующиеся в неметаллических формах. Но для направленной структуры характерно наличие однонаправленного теплоотвода, хотя и с малой величиной температурных градиентов.

Нередко в одной отливке могут иметь место не одна, а две или три структурные зоны. Это демонстрируется на типовой кристаллической структуре стальных слитков (рис. 64) – структура поперечного разреза стального слитка диаметром 130 мм.

В поверхностной зоне слитка, затвердевающего в чугунной изложнице, наблюдается зона мелких равноосных кристаллитов – глобулитов, когда затвердевание происходило с большими скоростями. По мере хода затвердевания скорость кристаллизации уменьшалась, что и характеризуется формированием столбчатой структуры, занимающей основной объем слитка. В дальнейшем скорость охлаждения и затвердевания еще снизилась, и в центральной зоне слитка находится область крупных равноосных зерен. Три вышеописанные структурные зоны: 1) поверхностная зона глобулитов; 2) столбчатая зона; 3) крупнокристаллическая равноосная зона являются типичными для крупных стальных отливок. Выявляются эти зоны и на отливках из других сплавов с неодинаковой степенью четкости выявления каждой из трех зон. Но поверхностная зона глобулитов – мелких равноосных зерен типична для большинства отливок, и она получила название литейной корки, металл которой характеризуется высокой плотностью, прочностью и пластичностью. Поэтому в конструкциях литых деталей стремятся сохранить литейную корку с целью обеспечения более высоких эксплуатационных свойств (коррозионная стойкость и др.).

4.2. Управление кристаллизационными процессами

Управление процессами кристаллизации направлено, прежде всего, на получение в отливках определенного типа кристаллических структур, обеспечивающих требуемые эксплуатационные свойства. Так отливки с направленной структурой обладают более ощутимой анизотропией свойств, а именно вдоль зерен прочностные и пластические свойства выше, чем поперек зерен. Равноосная мелкозернистая структура характеризуется равномерными во всех направлениях свойствами – повышенной прочностью и пластичностью. Управление кристаллизационными процессами основывается на создании определенных тепловых условий, на введении в расплав некоторых веществ или удалении из расплава вредных примесей, другими технологическими параметрами плавки и литья.