Зависимость скоростей затвердевания отливки и роста кристаллов от переохлаждения

Графики, приведенные на рисунке 4.13, показывают, что число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов изменяются по

закону кривых распределения, то есть кривых с максимумом. Размер

образовавшихся кристаллов зависит от соотношения числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации, то есть от степени переохлаждения жидкого металла.

Рис. 4.13. Зависимость числа центров кристаллизации (ч.ц.к.) и скорости роста кристаллов (с.р.к.) от степени переохлаждения металла ΔТ

При равновесной температуре Тпл число центров кристаллизации и скорости роста кристаллов равны 0, и процесс кристаллизации не идет. При минимальном переохлаждении в условиях формирования одного центра кристаллизации образуется монокристалл.

Если жидкий металл переохладить до температуры, соответствующей точке 1, то образуются крупные зерна вследствие того, что скорость роста кристаллов высока, число центров кристаллизации мало.

При переохлаждении, соответствующем точке 2, образуются мелкие зерна, так как скорость роста кристаллов мала, а центров кристаллизации много.

Если очень сильно переохладить жидкость до точки 3, то число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов равны 0, и жидкость не кристаллизуется, а образуется аморфное тело.

Кристаллизация начинается при значительной степени переохлаждения, особенно у наружных стенок и дна. В этой зоне образуется большое число центров кристаллизации, и сплав приобретает большое количество мелких, произвольно ориентированных кристаллов (рис. 17, зона I).

На слое из мелких кристаллов растет второй слой (зона II), имеющий древовидную форму и направление, перпендикулярное стенкам изложницы. Это оси первого порядка. На них под определенными углами разрабатываются поперечные оси второго порядка. На них в свою очередь оси третьего порядка и т. д. В итоге в закристаллизовавшемся слитке дендриты превращаются в столбчатые кристаллы. Средняя часть дендрита, которая образуется из жидкого металла раньше его периферийных областей, содержит меньше примесей. В оси первого порядка при кристаллизации переходят, прежде всего, тугоплавкие компоненты, а жидкая часть обогащается легкоплавкими. Поэтому внешние области дендрита содержат подобные компоненты в большом количестве. Вследствие такой неравномерной кристаллизации дендритов химический состав в разных местах одного и того же кристалла получается неоднородным. Такая неоднородность называется внутрикристаллической или дендритной ликвацией, а неоднородность, вызываемая кристаллизацией сплава по зонам, называется зональной или макроскопической. В средней части слитка (зона III) отвод тепла происходит сравнительно равномерно во все стороны с небольшими степенями переохлаждения. Поэтому образуются крупные кристаллы с произвольной ориентацией.

В начале кристаллизации на поверхности жидкого металла образуется тонкая корочка. При переходе из жидкого состояния в твердое сплав уменьшается в объеме, корочка на поверхности прогибается и под ней образуется усадочная раковина 1 (рис. 17), заполненная газами. Под усадочной раковиной переплетение кристаллов образует усадочную рыхлоту 2 в связи с тем, что последние порции жидкой фазы прошли вниз для заполнения промежутков между кристаллами.

После кристаллизации верхняя часть слитка спокойной стали отрезается и отправляется в переплав. В зависимости от состава стали и формы слитка отходы могут быть до 25 %, что делает ее существенно дороже.