Методы управления кристаллизацией отливок

Измельчение размера зерна основы сплава, если оно не связано с чрезмерным увеличением локализации приме­сей по границам, обычно рассматривается как положительное явление.

Применяемые и важнейшие из предлагаемых методов регули­рования кристаллизационных процессов можно разделить на тепло­вые, физико-химические, механические и воздействия различных физических полей.

Ускорение охлаждения отливки увеличивает скорость кристал­лизации и уменьшает размеры всех элементов структуры, а сле­довательно, улучшает свойства сплава и почти всегда желательно (может быть, за исключением отбела чугуна). Помимо воздействия на рост зерен - повышение скорости охлаждения препятствует развитию диффузии в жидкой фазе на микроструктурном уровне и. этим самым ослабляет дендритную ликвацию (методы регулиро­вания охлаждения рассмотрены ниже).

Важнейшим методом физико-химического воздействия на кри­сталлизацию является модифицирование. Оно сводится к введению в сплав веществ (модификаторов), вызывающих измель­чение размеров и благоприятное изменение формы структурных составляющих. Модификаторы не изменяют «сущности» сплава, так как вводятся в небольших количествах, но изменяют его структуру. Многие из них активно взаимодействуют с компонентами сплава в жидком состоянии, в результате чего эффект моди­фицирования при выдержке в таком состоянии ослабляется. Введение модификаторов в ряде случаев сопровождается благо­приятным воздействием на вредные примеси (раскислением, дега­зацией, связыванием серы в устойчивые сульфиды).

По воздействию они делятся на два рода."

Модификаторы первого рода непосредственно образуют центры кристаллизации. Они должны либо сами обладать высокой температурой плавления и создавать твердые частицы, вызываю­щие гетерогенные образования зародышей, либо образовывать с компонентами сплавов тугоплавкие соединения, играющие такую же роль.

И. В. Мальцев предложил следующие критерии для выбора модификаторов первого рода: Добавка должна образовывать устойчивое тугоплавкое соединение с одним из компонентов сплава (желательно с его основой) или же сам модификатор Должен иметь более высокую температуру плавления, чем основа сплава. При этом желательно, чтобы химическое соединение давало эвтектику или перитектику с основой сплава при очень малой концентра­ции добавки.

Гораздо большее значение имеют модификаторы второго рода, являющиеся поверхностно активными веществами. При кристаллизации они концентрируются на поверхности растущих кристаллов и тормозят их рост. Это должно вызывать увеличение переохлаждения перед фронтом кристаллизации и создавать условия для ускорения возникновения новых центров кристаллизации.

При выборе модификаторов второго рода можно использовать следующие положения.

Добавка должна иметь низкий коэффициент распределения в кристаллизующиеся вещества. Это вызовет концентрацию атомов добавки вблизи поверхности кристалла. Растворимость добавки в твердой фазе должна быть небольшой — в пределах 0,01 —0,1 ат.%. Добавка должна образовывать с основой сплава эвтектику с температурой, близкой к температуре плавления основы сплава.

Модификаторы второго рода не только измельчают зерно, но и изменяют формы роста кристаллов. Они препятствуют раз­витию игольчатых или пластинчатых кри­сталлов, придавая им округлые формы. Обычно они имеют невысокие темпера­туры плавления, часто более низкие, чем температура плавления основы сплава.

Размер зерна при увеличении количе­ства добавки модификаторов обоих родов первоначально уменьшается пропорцио­нально ее концентрации. При некотором количестве добавки размер зерна чаще всего стабилизируется или продолжает увеличи­ваться. Введение модификаторов, в особен­ности второго рода, снижает поверхностное натяжение сплавов. Это само по себе должно облегчить условия возникновения цен­тров кристаллизации и снижать интервал метастабильности.

Добавки бора в малоуглеродистую сталь измельчают зерна основы сплава.

Модифицирование натрием сплава алюминия с кремнием не оказывает влияния на характер первичных выделений твердого раствора кремния в алюминии, но изменяет игольчатую форму выделения кремния в эвтектических колониях на глобулярную. При игольчатых выделениях кремния сплав хрупок, при глобуляр­ных -— обладает приемлемыми механическими свойствами.

При обработке жидкого чугуна магнием графит вместо пластин­чатой приобретает форму глобуль. При этом кардинально изменяются механические свойства сплава.

Одним из вариантов воздействия на кристаллизационные процессы является суспензионное литье, разрабаты­ваемое А. А. Рыжиковым. В этом случае в заливаемый в форму сплав по специальному каналу вводится добавка твердого метал­лического порошка с размером частиц около 0,1 мм в количестве 3—10% от массы сплава. Порошок может быть изготовлен из раскислителей, легирующих добавок или какого-либо промежуточ­ного сплава на той жеоснове. Порошок, с одной стороны, дает гетерогенные центры кристаллизации, равномерно распределенные по всему объему металла, с другой стороны, является дополнитель­ным средством ускорения охлаждения отливки.

Новым направлением воздействия на кристаллизационные процессы является термовременная обработка сплава перед заливкой в жидком состоянии. Известно, что перегрев сплава перед заливкой, способствует увеличению размера зерна. Это объясняется дезактивацией частиц, служащих подложкой при гетерогенном возникновении центров кристаллизации. Например, для алюминия дезактивизация центров кристаллизации наблю­дается при перегревах свыше 50° С над точкой плавления. Однако при более высоких перегревах (200° С и более) зерно вновь начи­нает измельчаться, а свойства сплава повышаться. Режим обработки жидкого металла — температура и выдержка при этой темпера­туре — оказывает влияние на получаемую структуру и свойства. Аналогичные явления наблюдаются и в других сплавах.

Выявлено влияние механического воздействия на кристаллизующийся сплав. Это воздействие может, проявляться при обработке ультразвуком, вибрацией, перемешиванием или встряхиванием. Под воздействием такой обработки происходят частичное разрушение твердой корки на стенках формы и забрасывание обломков кристаллов в среднюю жидкую часть отливки. Обломки кристаллов могут служить зародышами и ускорителями кристаллизации. Однако перемешивание жидкого металла при кристаллизации ускоряет в нем диффузионный перенос и усиливает ликвацию. Наилучшие результаты дает обработка ультразвуком, но его практическая реализация наталкивается на значительные трудности.

В отдельных исследованиях было обнаружено, что на процесс кристаллизации оказывают влияние магнитное, электрическое и другие физические поля. Однако реального применения для регулирования кристаллизационных процессов в отливках они пока не получили.