Кристаллизационные процессы формирования отливок, страница 5

Высокий перегрев металла при плавке и высокая температура заливки способствует дезактивации или растворению примесей, которые могли бы стать центрами кристаллизации. Благодаря этому снижается скорость зарождения кристаллитов, и создаются условия для их роста и как следствие, в отливках формируется крупнокристаллическая структура. А соответственно более низкие температуры перегрева при плавке, невысокие температуры заливки способствуют формированию более мелкозернистой структуры.

По аналогии с вышеизложенным рафинирование металла от вредных примесей и неметаллических включений способствует формированию крупнокристаллической структуры. Механизм этого явления состоит в том, что удаление примесей и твердых неметаллических включений равносильно удалению центров кристаллизации, а следовательно уменьшается скорость зародышеобразования.

Для достижения в отливках направленной структуры, как это было показано выше, требуются условия однонаправленного теплоотвода при больших значениях температурных градиентов в направлении теплоотвода с одновременным подавлением бокового теплоотвода.

Материал форм и температура их перед заливкой являются основными технологическими факторами управления кристаллической структурой. При прочих равных условиях песчаные и другие неметаллические формы, обладающие невысокой охлаждающей способностью, способствуют формированию более крупного зерна. Металлические формы, характеризующиеся высокой охлаждающей способностью, стимулируют формирование более мелкого зерна. Однако на некоторых сплавах с небольшим интервалом затвердевания в металлических формах образуется столбчатая структура.

Повышение температуры форм при заливке является средством уменьшения охлаждающей способности форм и следовательно стимулирует укрупнение литого зерна.

Большая роль в управлении кристаллизацией металлов и сплавов отводится процессам модифицирования, под которыми понимают изменение размеров и формы кристаллитов и структурных составляющих за счет ввода малых добавок элементов в количестве, не превышающем пределов суммы примесей по соответствующему стандарту.

В зависимости от природы и механизма действия модифицирующие добавки – модификаторы классифицируют на два типа: поверхноактивные (1^го рода) и зародышеобразующие (2^го рода). Зародышеобразующие модификаторы представляют собой вещества, которые служат центрами кристаллизации, способствуют увеличению скорости кристаллизации и тем самым измельчают структуру литых металлов и сплавов. Зародышеобразующие добавки имеют более высокую температуру плавления по сравнению с основным металлом. В классификации модификаторов иногда применяют понятие модификаторов 3^го рода, когда модифицирующие добавки сами не служат центрами кристаллизации, а способны образовывать химические соединения с основным металлом или легирующими элементами: карбиды, нитриды, оксиды и т.д., способные быть центрами кристаллизации.

При выборе зародышеобразующих модификаторов руководствуются правилом структурного и размерного соответствия. Существо структурного соответствия состоит в том, что тип кристаллической решетки элемента-модификатора должен соответствовать типу решетки модифицируемого металла (сплава). Существо размерного соответствия заключается в том, чтобы геометрические параметры кристаллической решетки модификатора (атомный радиус и межатомное расстояние в решетке) были близки соответствующим параметрам решетки модифицируемого металла. Таким образом, если элемент-модификатор отвечает принципу структурного и размерного соответствия и является более тугоплавким по отношению к основному металлу, то в расплаве образуются группы кластеров или ячеек с упорядоченной структурой, состоящие по преимуществу из атомов элемента-модификатора. Эти группы становятся центрами кристаллизации и растут в размерах путем присоединения атомов основного металла. А поскольку размеры атомов модификатора близки атомам основного металла и расположение и в растущем кристаллите также аналогично, то растущие зерна устойчивы, стабильны – не распадаются, не переходят в расплав. Поэтому уже при небольшом переохлаждении металла образуется большое число центров кристаллизации, способных к дальнейшему росту. Об одновременном зарождении и росте кристаллитов свидетельствует известный экспериментальный факт, что в одной зоне отливки геометрические размеры и форма литых зерен примерно одинаковы. В табл. 10 приведены параметры кристаллической решетки и температуры плавления ряда металлов, позволяющие выбрать зародышеобразующие модификаторы.